RU2672794C1

RU2672794C1 - Physical effects distributed control method and device

Info

Publication number: RU2672794C1
Application number: RU2017129755A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Горшков; Дмитрий Владимирович Зазирный; Максим Владимирович Зазирный; Михаил Александрович Таранов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных и оптических систем"
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-11-19

Abstract

FIELD: information technology; measurement technology.SUBSTANCE: group of inventions relates to the fiber optics based information-measuring systems and allows to perform the vibration-independent monitoring of physical effects on extended, areal and three-dimensional objects. Claimed device implementing device and method comprise the optical pulses generating broadband optical radiation source, the adjustable narrow-band spectral filter with bandwidth of 0.1 to 1 nm, performing the radiation adjustable spectral filtering, reflectometric channel establishing means, through which radiation is introduced into the controlled optical fiber, the controlled optical fiber itself. At that, it also contains a photodetector, recording the backscattered in the fiber radiation, an analog-to-digital converter and a calculator performing the recorded signal by range channels separation functions, extracting spectra for each of the range channels, comparing the measurement spectra with the reference spectra and determining on this basis the external influences values.EFFECT: increase in the accuracy of measurements of the quasi-stationary effects values on the object of monitoring under vibrations and other dynamic disturbances.5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для мониторинга физических воздействий на протяженных, площадных или трехмерных объектах в различных областях промышленности и строительства (мониторинг трубопроводов, мостов, тоннелей, плотин и дамб, иных строений, а также морских и речных судов и прочих объектов). К контролируемым квазистационарным физическим воздействиям относятся механические напряжения, температурные изменения, напряженность магнитного и электрического полей и другие, способные влиять на фазу сигналов, распространяющихся в оптическом волокне.The invention relates to information-measuring systems and can be used to monitor physical effects on extended, areal or three-dimensional objects in various fields of industry and construction (monitoring of pipelines, bridges, tunnels, dams and dams, other buildings, as well as sea and river vessels and others objects). Controlled quasistationary physical effects include mechanical stresses, temperature changes, magnetic and electric fields, and others that can affect the phase of signals propagating in an optical fiber.

Известен способ измерения механических деформаций SU 1534304 (1988), состоящий в применении бриллюэновской рефлектометрии. Данный способ подразумевает использование узкополосного источника зондирующих оптических импульсов, которые, распространяясь вдоль волоконно-оптической линии, испытывают обратное рассеяние, обусловленное эффектом Манделынтама-Бриллюэна. При таком рассеянии происходит сдвиг оптической частоты относительно частоты зондирующего излучения, причем величина сдвига в первом приближении пропорциональна изменению температуры и механических напряжений. Измеряя указанную величину частотного сдвига, определяют величину данных воздействий. На основе способа по А.с. SU 1534304 разработаны устройства, описанные в патентах US 6813403 (2004) и RU 2346235 (2009).A known method of measuring mechanical deformation SU 1534304 (1988), consisting in the use of Brillouin reflectometry. This method involves the use of a narrow-band source of probing optical pulses, which, propagating along the fiber-optic line, experience backscattering due to the Mandelyntam-Brillouin effect. With such scattering, a shift in the optical frequency relative to the frequency of the probe radiation occurs, and the shift in the first approximation is proportional to the change in temperature and mechanical stresses. By measuring the indicated magnitude of the frequency shift, the magnitude of these effects is determined. Based on the method of A.S. SU 1534304 developed devices described in patents US 6813403 (2004) and RU 2346235 (2009).

Недостаток указанного способа состоит в сравнительно низкой чувствительности к физическим воздействиям, а также в сложности реализации.The disadvantage of this method is the relatively low sensitivity to physical influences, as well as the complexity of implementation.

Данный недостаток частично устранен в способе по патенту US 6545760 (2003). Способ состоит в использовании квазимонохроматической рэлеевской рефлектометрии. По технической сущности он наиболее близок к заявляемому способу.This disadvantage is partially eliminated in the method according to the patent US 6545760 (2003). The method consists in using quasi-monochromatic Rayleigh reflectometry. In technical essence, it is closest to the claimed method.

Способ по патенту US 6545760 включает в себя следующие операции:The method according to patent US 6545760 includes the following operations:

а) генерирование узкополосного оптического излучения с изменяемой длиной волны;a) the generation of narrow-band optical radiation with a variable wavelength;

б) разделение оптического излучения на опорное и измерительное;b) the separation of optical radiation into reference and measuring;

в) ввод измерительного излучения в оптическое волокно, в котором оно испытывает рассеяние Рэлея;c) the input of the measuring radiation into the optical fiber in which it experiences Rayleigh scattering;

г) сбор рассеянного в обратном направлении излучения;d) collection of backscattered radiation;

д) фотоприем измерительного и опорного излучений для формирования интерференционной картины;d) photo-reception of the measuring and reference radiation to form an interference pattern;

е) регистрация результата интерференции на множестве длин волн - получение опорного спектра рассеяния Рэлея;f) recording the result of interference at multiple wavelengths - obtaining the reference Rayleigh scattering spectrum;

ж) регистрация результата интерференции на множестве длин волн после того, как оптическое волокно было подвержено измеряемому воздействию - получение измерительного спектра рассеяния Рэлея;g) recording the result of interference at a variety of wavelengths after the optical fiber has been exposed to the measured influence — obtaining the measuring Rayleigh scattering spectrum;

з) вычисление Фурье-образа опорного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;h) calculation of the Fourier transform of the reference spectrum as a function of the wave number for the transition from the frequency domain to the spatial one;

и) вычисление Фурье-образа измерительного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;i) calculation of the Fourier transform of the measuring spectrum as a function of the wave number for the transition from the frequency domain to the spatial one;

к) определение измеряемого воздействия на основе сопоставления Фурье-образов измерительного и опорного спектров.j) determination of the measured impact based on a comparison of the Fourier transforms of the measurement and reference spectra.

Использование в устройстве по патенту US 6545760 прецизионно перестраиваемого лазера с очень узкой спектральной полосой, ширина которой составляет порядка 100 кГц, обуславливает высокую чувствительность к вибрациям и иным динамическим воздействиям, что в случае определения квазистационарных воздействий приводит к недостаточно высокой точности измерений.The use of a precision tunable laser with a very narrow spectral band with a width of about 100 kHz in the device according to US 6,545,760 leads to high sensitivity to vibrations and other dynamic effects, which, when determining quasi-stationary effects, results in insufficiently high measurement accuracy.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего производить вибронезависимый распределенный контроль квазистационарных физических воздействий, оказывающих влияние на фазу сигналов в оптическом волокне с одновременным упрощением технической реализации.The objective of the present invention is to develop a method that allows for vibro-independent distributed control of quasistationary physical effects that affect the phase of the signals in the optical fiber while simplifying the technical implementation.

Технический результат применения изобретения состоит в определении величины физических воздействий на волокно с достаточно высокой точностью в условиях вибраций и иных динамических воздействий при помощи относительно несложной аппаратуры.The technical result of the application of the invention is to determine the magnitude of the physical effects on the fiber with sufficiently high accuracy under vibration and other dynamic effects using relatively simple equipment.

Технический результат достигается прежде всего тем, что определение величины воздействий на оптическое волокно производится путем сопоставления спектров рассеяния Рэлея, полученных при отсутствии воздействий (опорный спектр) и при их измерении (измерительный спектр), друг с другом с использованием низкокогерентного излучения. Поскольку излучение оптического диапазона характеризуется сравнительно большими волновыми числами k, составляющими, к примеру, для излучения с длиной волны λ=1550 нм k=2π/λ=4⋅10⁶ м, даже малые изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, вызванные внешними воздействиями, приводят к заметному изменению фаз сигналов, распространяющихся по данному волокну. Изменение фаз, в свою очередь, ведет к тому, что интерферирующие волны рассеянного излучения в сумме дают спектры, сдвинутые по длине волны относительно спектров, зарегистрированных при отсутствии воздействий. Таким образом, задача по определению искомых физических воздействий сводится к измерению или оценке данного спектрального сдвига. Использование низкокогерентного излучения позволяет получать спектры интерференции, практические не подверженные вибрациям, воздействующим на оптическое волокно, - то есть достигается существенная вибронезависимость результатов измерений.The technical result is achieved primarily by the fact that the magnitude of the effects on the optical fiber is determined by comparing the Rayleigh scattering spectra obtained in the absence of influences (reference spectrum) and when measuring them (measuring spectrum), with each other using low coherent radiation. Since radiation in the optical range is characterized by relatively large wavenumbers k, constituting, for example, for radiation with a wavelength of λ = 1550 nm, k = 2π / λ = 4 × 10 ⁶ m, even small changes in the refractive index of the core of the optical fiber caused by external influences, lead to a noticeable change in the phases of the signals propagating along this fiber. The phase change, in turn, leads to the fact that the interfering waves of scattered radiation in total give the spectra shifted along the wavelength relative to the spectra recorded in the absence of influences. Thus, the task of determining the desired physical effects is reduced to measuring or evaluating a given spectral shift. The use of low coherent radiation makes it possible to obtain interference spectra that are practically not subject to vibrations acting on the optical fiber, i.e., a significant vibration independence of the measurement results is achieved.

Таким образом, патентуемый способ контроля физических воздействий на протяженном, площадном или трехмерном объекте включает в себя следующие операции:Thus, the patented method of controlling physical effects on an extended, areal or three-dimensional object includes the following operations:

- размещение оптического волокна на контролируемом объекте. В случае контроля механических воздействий необходимо обеспечить жесткую механическую связь волокна с объектом;- placement of optical fiber on a controlled object. In the case of control of mechanical influences, it is necessary to provide a rigid mechanical connection of the fiber with the object;

- генерирование широкополосных оптических импульсов длительностью Т, близкой к 2L/ν, где L - требуемое пространственное разрешение, ν - скорость света в оптическом волокне;- generation of broadband optical pulses of duration T close to 2L / ν, where L is the required spatial resolution, ν is the speed of light in the optical fiber;

- пропускание указанных импульсов в контролируемое оптическое волокно;- transmission of these pulses into a controlled optical fiber;

- фильтрация излучения перестраиваемым узкополосным спектральным фильтром с шириной полосы пропускания от 0,1 до 1 нм, работающим в режиме сканирования длины волны во времени. Следует отметить, что эта операция может быть произведена как перед вводом импульсов в контролируемое волокно, так и для обратно рассеянного излучения, распространяющегося из волокна по направлению к фотоприемнику. То есть принципиально достичь лишь того, чтобы на вход фотоприемника поступало отфильтрованное излучение безотносительно того, на каком этапе производится сама спектральная фильтрация;- radiation filtering by a tunable narrow-band spectral filter with a bandwidth of 0.1 to 1 nm, operating in the scanning mode of the wavelength in time. It should be noted that this operation can be performed both before the introduction of pulses into the controlled fiber, and for backscattered radiation propagating from the fiber towards the photodetector. That is, it is important to achieve only that filtered radiation is received at the input of the photodetector regardless of at what stage the spectral filtering itself is performed;

- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения из контролируемого волокна,- photo-reception of backscattered optical radiation from a controlled fiber,

- разделение сигнала по виртуальным каналам дальности и выделение спектров для каждого из них,- separation of the signal on the virtual range channels and the allocation of spectra for each of them,

- сопоставление указанных (измерительных) спектров с опорными спектрами и определение на этой основе величины внешних воздействий.- comparison of the indicated (measuring) spectra with reference spectra and determination on this basis of the magnitude of external influences.

Техническая сущность предложенного способа иллюстрируется рис. 1, на котором в координатах длина волны - оптическая мощность при перестраиваемой фильтрации в достаточно широком диапазоне длин волн для одного и того же произвольного канала дальности приведены спектры сигналов при отсутствии воздействий (опорный спектр - толстая линия), а также при их наличии (измерительный спектр - тонкая линия). По результатам измерения величины спектрального сдвига Δλ и в соответствии с конкретной моделью зависимости Δλ от внешнего воздействия рассчитывается искомая его величина. В простейшем случае зависимость имеет линейный характер, как, например, при температурном воздействии, а также при растяжении-сжатии волокна. При этом, если измерения проводятся в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1560 нм, то коэффициенты пропорциональности Δλ/ΔТ, где ΔT - изменение температуры, и Δλ/Δε, где Δε - изменение относительной деформации, равны соответственно 10,8 пм/K и 1,2 пм/(мкм/м)The technical essence of the proposed method is illustrated in Fig. 1, in which, in coordinates, the wavelength is the optical power during tunable filtering over a sufficiently wide range of wavelengths for the same arbitrary range channel, the signal spectra are shown in the absence of influences (reference spectrum is a thick line), as well as in their presence (measuring spectrum - thin line). According to the results of measuring the magnitude of the spectral shift Δλ and in accordance with a specific model of the dependence of Δλ on external influence, the desired value is calculated. In the simplest case, the dependence is linear in nature, as, for example, under temperature exposure, as well as in tension-compression of the fiber. Moreover, if measurements are carried out in the wavelength range from 1530 nm to 1560 nm, then the proportionality coefficients Δλ / ΔТ, where ΔT is the change in temperature, and Δλ / Δε, where Δε is the change in relative deformation, are equal to 10.8 pm / K, respectively and 1.2 pm / (μm / m)

(В.G. Gorshkov, М.A. Taranov, А.Е. Alekseev. "Distributed stress and temperature sensing based on Rayleigh scattering of low-coherence light", Laser Phys. 27 085105 (2017)).(B. G. Gorshkov, M. A. Taranov, A. E. Alekseev. "Distributed stress and temperature sensing based on Rayleigh scattering of low-coherence light", Laser Phys. 27 085 105 (2017)).

Устройство, реализующее описанный выше способ, включает в себя импульсный источник широкополосного оптического излучения, перестраиваемый узкополосный спектральный фильтр, средство организации рефлектометрического канала, контролируемое оптическое волокно, фотоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель.A device that implements the method described above includes a pulsed source of broadband optical radiation, a tunable narrow-band spectral filter, means for organizing an OTDR channel, a controlled optical fiber, a photodetector, an analog-to-digital converter, and a computer.

Схема устройства, реализующего описанный способ, показана на рис. 2. Устройство включает в себя следующие узлы и модули: импульсный источник широкополосного излучения 1, к которому последовательно подключен оптический узкополосный перестраиваемый фильтр 2, выход которого соединен с входом средства для организации рефлектометрического канала (оптический ответвитель или циркулятор) 3, к которому, в свою очередь, подключено контролируемое оптическое волокно значительной длины 4, выполняющее функцию чувствительного элемента и размещенное на объекте мониторинга. В состав также входят фотоприемное устройство 5, подключенное к выходу средства 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, на вход которого подается сигнал с фотоприемного устройства 5, а выход соединен с вычислителем 7. Штриховая линия на схеме обозначает управление фильтром 2, осуществляемое вычислителем 7.A diagram of a device that implements the described method is shown in Fig. 2. The device includes the following nodes and modules: a pulsed broadband radiation source 1, to which an optical narrow-band tunable filter 2 is connected in series, the output of which is connected to the input of the means for organizing the reflectometry channel (optical coupler or circulator) 3, to which, in its in turn, a controlled optical fiber of considerable length 4 is connected, which performs the function of a sensitive element and is located at the monitoring object. The structure also includes a photodetector 5 connected to the output of the means 3, an analog-to-digital converter (ADC) 6, to the input of which a signal is received from the photodetector 5, and the output is connected to the calculator 7. The dashed line in the diagram indicates the control of filter 2 carried out calculator 7.

Устройство функционирует следующим образом:The device operates as follows:

1) источник 1 генерирует широкополосное импульсное излучение;1) source 1 generates broadband pulsed radiation;

2) излучение источника 1 проходит через фильтр 2, установленный вычислителем 7 на некую начальную длину волны пропускания. На выходе фильтра 2 - импульсное излучение с узким спектром;2) the radiation of the source 1 passes through the filter 2, installed by the calculator 7 at a certain initial transmission wavelength. At the output of filter 2, pulsed radiation with a narrow spectrum;

3) через средство 3 узкополосное излучение вводится в контролируемое волокно 4;3) through the medium 3, the narrow-band radiation is introduced into the controlled fiber 4;

4) рассеиваемое в волокне 4 в обратном направлении излучение через средство 3 подается на вход фотоприемного устройства 5;4) the radiation scattered in the fiber 4 in the opposite direction through the means 3 is fed to the input of the photodetector 5;

5) устройство 5 преобразует приходящий оптический сигнал в электрический;5) device 5 converts the incoming optical signal into an electrical one;

6) АЦП 6 преобразует аналоговый сигнал, подающийся с устройства 5, в цифровой код;6) ADC 6 converts the analog signal supplied from device 5 to a digital code;

7) вычислитель 7 принимает данный код, сохраняет его в памяти, затем перестраивает длину волны фильтра 2 и выполняет следующий цикл сбора сигнала;7) the calculator 7 receives this code, stores it in memory, then rebuilds the wavelength of the filter 2 and performs the next signal collection cycle;

8) когда вычислитель 7 завершает спектральное сканирование фильтром 2, в его памяти хранится массив рефлектограмм, каждая из которых была получена на различной длине волны. На текущем этапе вычислитель 7 выделяет спектры для каждого канала дальности из полученного массива рефлектограмм. Данные спектры считаются опорными;8) when the calculator 7 completes the spectral scan by the filter 2, an array of reflectograms is stored in its memory, each of which was obtained at a different wavelength. At the current stage, the calculator 7 selects the spectra for each range channel from the obtained array of reflectograms. These spectra are considered reference;

9) вычислитель 7 инициирует следующий цикл спектрального сканирования, проходящий в последовательности, описанной в пп. 1-8. Спектры, полученные на данном этапе, считаются измерительными;9) the calculator 7 initiates the next cycle of spectral scanning, passing in the sequence described in paragraphs. 1-8. Spectra obtained at this stage are considered measuring;

10) вычислитель 7 сопоставляет опорные и измерительные спектры и по результатам определяет величину физических воздействий для каждого из каналов дальности.10) the calculator 7 compares the reference and measuring spectra and, based on the results, determines the magnitude of the physical effects for each of the range channels.

Величина сдвига спектров может быть рассчитана, в частности, как изменение положения центра масс кросскорреляционной функции от двух спектров, зарегистрированных в разные моменты времени, относительно положения центра масс автокорреляционной функции одного из данных спектров. Могут быть использованы и другие математические методы определения величины спектрального сдвига.The magnitude of the shift of the spectra can be calculated, in particular, as a change in the position of the center of mass of the cross-correlation function from two spectra recorded at different points in time, relative to the position of the center of mass of the autocorrelation function of one of these spectra. Other mathematical methods for determining the magnitude of the spectral shift can be used.

Поскольку размещение фильтра 2 непосредственно после источника излучения 1 принципиального значения не имеет - важно лишь обеспечить подачу обратно рассеянного излучения на вход фотоприемного устройства 5 в узкой полосе оптических частот - то помимо реализации устройства по описанной выше схеме, возможны 2 других варианта. Первый из них отличается тем, что фильтр 2 размещается не непосредственно после источника излучения 1, а непосредственно перед входом фотоприемного устройства 5 (рис. 3). Таким образом, спектральная фильтрация осуществляется не для зондирующего излучения, а для обратно рассеянного излучения, приходящего из волокна 4.Since the placement of the filter 2 directly after the radiation source 1 is not of fundamental importance - it is only important to ensure the supply of backscattered radiation to the input of the photodetector 5 in a narrow band of optical frequencies - in addition to implementing the device according to the above scheme, 2 other options are possible. The first of them differs in that the filter 2 is not placed immediately after the radiation source 1, but immediately before the input of the photodetector 5 (Fig. 3). Thus, spectral filtering is carried out not for probe radiation, but for backscattered radiation coming from fiber 4.

Второй вариант отличается от базового тем, что фильтр 2 размещается непосредственно после устройства 3 (рис. 4), что обеспечивает спектральную фильтрацию как зондирующего излучения, так и распространяющегося из волокна 4 в обратном направлении рассеянного излучения.The second option differs from the basic one in that the filter 2 is located immediately after the device 3 (Fig. 4), which provides spectral filtering of both the probe radiation and the scattered radiation propagating from fiber 4 in the opposite direction.

Импульсный источник 1 может быть выполнен в виде известного технического решения - последовательного соединения суперлюминесцентного диода с оптическим усилителем на основе волокна, легированного ионами эрбия. В этом случае суперлюминесцентный диод обеспечивает импульсное широкополосное излучение с непрерывным спектром (типичная ширина спектра 30-60 нм), а оптический усилитель позволяет существенно увеличить мощность данного излучения. Допустимо и использование источника непрерывного широкополосного излучения с модулятором интенсивности, например, акустооптическим, на выходе.The pulse source 1 can be made in the form of a known technical solution - serial connection of a superluminescent diode with an optical amplifier based on fiber doped with erbium ions. In this case, the superluminescent diode provides pulsed broadband radiation with a continuous spectrum (a typical spectrum width of 30-60 nm), and an optical amplifier can significantly increase the power of this radiation. It is also acceptable to use a source of continuous broadband radiation with an intensity modulator, for example, acousto-optical, at the output.

В качестве узкополосного перестраиваемого спектрального фильтра 2 может использоваться, например, техническое решение на основе дифракционной решетки и набора зеркал, расположение которых относительно решетки управляется микроэлектромеханической системой (МЭМС) с цифровым управлением.As a narrow-band tunable spectral filter 2, for example, a technical solution based on a diffraction grating and a set of mirrors, the arrangement of which relative to the grating is controlled by a digitally controlled microelectromechanical system (MEMS), can be used.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что использование устройства по схеме на рис. 2 для мониторинга одномодового волокна длиной 8 км позволяет измерять натяжение и температуру по всей длине волокна с точностью не хуже соответственно 2 мкм/м и 0,24°С (среднеквадратические уровни шумов) при пространственном разрешении 2 м.Our experimental studies showed that the use of the device according to the scheme in Fig. 2 for monitoring a single-mode fiber with a length of 8 km, it is possible to measure the tension and temperature along the entire fiber length with an accuracy of no worse than 2 μm / m and 0.24 ° С (rms noise levels), respectively, with a spatial resolution of 2 m

Применение изобретения позволяет повысить точность определения величины физических воздействий на объект распределенного мониторинга, что в свою очередь дает возможность с большей достоверностью оценивать различные факторы, действующие на контролируемый объект.The application of the invention improves the accuracy of determining the magnitude of physical effects on the object of distributed monitoring, which in turn makes it possible to more accurately evaluate various factors acting on the controlled object.

Claims

1. The method of controlling physical effects on an extended, areal or three-dimensional object, which consists in placing an optical fiber on a controlled object, generating broadband optical pulses, tunable narrow-band spectral filtering of radiation with a passband from 0.1 to 1 nm, and introducing radiation into a controlled optical fiber and registration of radiation backscattered in the fiber, separation of the recorded signal over the range channels, spectra selection for each of the range channels, leaving measurement spectra with reference spectra and determining on this basis the magnitude of external influences.

2. A device for controlling physical effects on an extended, areal or three-dimensional object, including a source of broadband optical radiation, generating optical pulses, a tunable narrow-band spectral filter with a passband from 0.1 to 1 nm, implementing tunable spectral filtering of radiation, a means of organizing OTDR channel, through which radiation is introduced into a controlled optical fiber, a self-controlled optical fiber, photo A detachable device that registers radiation backscattered in the fiber, an analog-to-digital converter, and a computer that perform the functions of dividing the registered signal into range channels, extracting spectra for each of the range channels, comparing the measurement spectra with reference spectra, and determining the magnitude of external influences on this basis.

3. The device according to p. 2, characterized in that the tunable filter is located immediately after the radiation source.

4. The device according to p. 2, characterized in that the tunable filter is placed directly in front of the photodetector.

5. The device according to p. 2, characterized in that the tunable filter is placed between the means of organizing the reflectometry channel and the controlled fiber.