RU2695058C1 - Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module - Google Patents

Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module Download PDF

Info

Publication number
RU2695058C1
RU2695058C1 RU2018145195A RU2018145195A RU2695058C1 RU 2695058 C1 RU2695058 C1 RU 2695058C1 RU 2018145195 A RU2018145195 A RU 2018145195A RU 2018145195 A RU2018145195 A RU 2018145195A RU 2695058 C1 RU2695058 C1 RU 2695058C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
channels
channel
length
circulator
Prior art date
Application number
RU2018145195A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Борисович Пнев
Константин Викторович Степанов
Андрей Андреевич Жирнов
Евгений Тарасович Нестеров
Антон Олегович Чернуцкий
Андрей Сергеевич Лаптев
Дмитрий Алексеевич Шелестов
Кирилл Игоревич Кошелев
Валерий Ефимович Карасик
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority to RU2018145195A priority Critical patent/RU2695058C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2695058C1 publication Critical patent/RU2695058C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G01H9/006Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to fiber-optic sensor systems. Multichannel fiber-optic device for detecting vibration effects includes: series-connected highly stable narrow-band radiation source; optical signal amplifier (booster); driver-controlled acoustooptic modulator for generating probing pulses; optical circulator; a receiving recording module located after the optical circulator and consisting of an optical amplifier of a weak back-scattered signal from the measurement channels, a narrow-band optical filter, an optical signal receiver, which receives signals from all N-channels, an analogue-to-digital converter, after which a computing device is arranged with possibility of final processing of detected signals and display of information. Also comprises optical switch 1xN between said optical circulator and polled N-channels, used together with determination of the current working channel of the polled N-channels by binding to the length of the i-th channel or to the distance to the first connector after the i-th optical coil from possible several optical coils of different length, installed in channels after optical switch 1xN under condition of equal length between two and/or several channels for establishment of different optical length in channels. Difference in the optical length of the channels must not be less than the resolution threshold of the device.
EFFECT: providing a plurality of measuring channels of a phase-sensitive reflectometer with one receiving channel without a complex timing circuit for pulses arriving in measurement channels and pulses arriving at the receiver, as well as reducing the number of expensive components.
1 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам на основе фазочувствительной рефлектометрии, используемым в системах мониторинга протяженных разветвленных объектов, и может быть использовано для мониторинга инфраструктурных линий связи, объектов с множеством контролируемых периметров, в системах каротажа нефтяных скважин на основе метода фазочувствительной рефлектометрии.The invention relates to fiber-optic sensor systems based on phase-sensitive reflectometry, used in monitoring systems of extensive branched objects, and can be used to monitor infrastructure communication lines, objects with many controlled perimeters, in oil well logging systems based on the method of phase-sensitive reflectometry.

Уровень техникиThe level of technology

Метод фазочувствительной рефлектометрии позволяет детектировать случайный по времени сигнал обратного рассеяния (рефлектограмму). Данный обратнорассеянный сигнал не изменяется при условии стабильности частоты и в отсутствии тепловых или механических воздействий на чувствительное оптическое волокно. Электронная обработка регистрируемого сигнала на сегодняшний день преимущественно развита для выделения механических воздействий, диапазон частот которых лежит в пределах от 10 Гц до 10 кГц, что хорошо согласуется с диапазоном акустических сигналов различной природы, вызывающих вибрацию сенсорного волокна. Эта вибрация возникает при распространении акустических волн от источника вибрации, например, идущего человека, движущегося состава или работающего оборудования. Каждый тип воздействия генерирует акустическую волну на определенной частоте, генерирующую характерные колебания в определенных участках случайного обратнорассеянного сигнала, которые потом могут быть распознаны при помощи математической обработки.The method of phase-sensitive reflectometry makes it possible to detect a time-random backscatter signal (trace). This backscattered signal does not change under the condition of frequency stability and in the absence of thermal or mechanical effects on the sensitive optical fiber. Electronic processing of the recorded signal today is predominantly developed to isolate mechanical effects, the frequency range of which lies in the range from 10 Hz to 10 kHz, which is in good agreement with the range of acoustic signals of various nature that cause vibration of the sensor fiber. This vibration occurs when acoustic waves propagate from a source of vibration, for example, a walking person, a moving train, or operating equipment. Each type of impact generates an acoustic wave at a certain frequency, generating characteristic oscillations in certain parts of a random back-scattered signal, which can then be recognized using mathematical processing.

Базовые устройство и метод когерентной рефлектометрии были описаны в патенте США US 5194847 (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC1-7): G08B 13/10; G08B 13/18, опубл. 1993-03-16). Метод когерентной рефлектометрии включают следующие основные операции: - размещение чувствительного волоконно-оптического кабеля вдоль объекта мониторинга; - подача импульсов когерентного оптического излучения определенной длины в линию, - прием сигналов обратного рассеяния и выделение сигнала, показывающего факт внешнего воздействия по возмущениям в указанных сигналах обратного рассеяния.The basic device and coherent reflectometry method has been described in US Pat. No. 5,149,847 (IPC G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC1-7): G08B 13/10 ; G08B 13/18, published 1993-03-16). The method of coherent reflectometry includes the following basic operations: - placement of a sensitive fiber-optic cable along the monitoring object; - supply of coherent optical radiation pulses of a certain length to the line; - reception of backscatter signals and signal extraction, indicating the fact of external influence on disturbances in the indicated backscatter signals.

Базовому методу соответствуют базовые схемы устройств реализации метода, а также и множество производных схем устройств когерентной рефлектометрии.The basic method corresponds to the basic schemes of devices for the implementation of the method, as well as the set of derived schemes of coherent reflectometry devices.

Увеличение каналов в системах фазочувствительной рефлектометрии осуществляется за счет внесения в схему оптических разветвителей или оптических переключателей. При использовании оптических разветвителей, излучение делится между всеми каналами, в один канал идет малая часть от общего излучения (в случае одинакового процента деления излучения оптическим излучением, в каждый измерительный канал с учетом потерь в оптическом разветвителе идет не более Umax/N дБ, где Umax - входная мощность на оптический разветвитель, N - количество каналов). В данном случае приемник также должен иметь N каналов. При использовании оптических переключателей вносятся только потери самого переключателя, однако излучение поступает в измерительные каналы переменно. В этом случае приемная часть может содержать как один (1) общий для всех каналов приемник, так и N приемников, свой для каждого канала. Однако в случае одного приемника необходимо иметь жесткую привязку по времени опрашиваемого канала и данных, приходящих с него, что приводит к необходимости использования громоздких и сложных схем обратных связей или уменьшению времени дискретизации.The increase in channels in phase-sensitive reflectometry systems is carried out by introducing optical splitters or optical switches into the circuit. When using optical splitters, the radiation is divided between all channels, a small part of the total radiation goes into one channel (in the case of the same percentage division of radiation by optical radiation, no more than Umax / N dB goes to each measuring channel, taking into account the losses in the optical splitter, where Umax - input power to the optical splitter, N - the number of channels). In this case, the receiver must also have N channels. When using optical switches, only the loss of the switch itself is introduced, however, the radiation enters the measuring channels variablely. In this case, the receiving part can contain both one (1) common for all channels receiver and N receivers, its own for each channel. However, in the case of a single receiver, it is necessary to have a tight binding on the time of the polled channel and data coming from it, which leads to the need to use cumbersome and complex feedback schemes or reduce the sampling time.

В патенте Китая CN104198030A (опубл. 10.12.2014) представлен аналог предлагаемого технического решения - схема с использованием оптического разделителя 1xN, N каналов, оптического переключателя 1xN для собирания излучения от данных каналов. В данном устройстве разделение каналов осуществляется для достижения более высокой дискретизации за счет определенной последовательности посылки импульсов в каждый измерительный канал.Chinese patent CN104198030A (publ. 10.12.2014) presents an analogue of the proposed technical solution - a circuit using an optical separator 1xN, N channels, an optical switch 1xN for collecting radiation from these channels. In this device, channel separation is carried out to achieve a higher discretization due to a specific sequence of sending pulses to each measuring channel.

Основной недостаток данной схемы заключается в том, что множество измерительных каналов физически находятся в одном кабеле и служат для увеличения разрешения сигнала с одного и того же контролируемого участка. Разделение по отдельным волокнам в данном изобретении сделано с целью увеличения дискретизации при невысоких характеристиках компонентной базы устройства АЦП.The main disadvantage of this scheme is that many measuring channels are physically located in one cable and serve to increase the signal resolution from the same monitored section. The separation of the individual fibers in this invention is done with the aim of increasing the discretization with low characteristics of the component base of the ADC device.

В качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ RU 2650853 С1 (МПК G01D 5/00 (2006.01), приоритет изобретения: 17.02.2017, дата государственной регистрации: 17.04.2018). В данном устройстве волоконно-оптический распределенный виброакустический датчик на основе фазочувствительного рефлектометра содержит узкополосной источник излучения, волоконно-оптический усилитель, усиливающий излучение источника, акустооптический модулятор, работающий в импульсном режиме и вносящий частотный сдвиг в оптическое излучение, волоконно-оптический разветвитель на М-каналов в случае М>1, причем каждый канал состоит из оптического волокна, циркулятора и волоконно-оптического эрбиевого усилителя в приемной части канала, усилитель узкополосного оптического фильтра и далее фотоприемный модуль с выходом на канал многоканального АЦП с количеством входов не менее числа задействованных каналов, таким образом, выходы всех каналов подсоединены к своим входам многоканального АЦП. На выходе АЦП последовательно установлены цифровой процессор формирования управляющих импульсов, управления, обработки и передачи данных, плата частотно-импульсного формирователя и драйвер АОМ; все волокна М-каналов проложены вдоль друг друга рядом.The device according to the patent of the Russian Federation RU 2650853 C1 (IPC G01D 5/00 (2006.01), priority of the invention: February 17, 2017, state registration date: April 17, 2018) was selected as a prototype. In this device, a fiber-optic distributed vibroacoustic sensor based on a phase-sensitive reflectometer contains a narrow-band radiation source, a fiber-optic amplifier that amplifies the radiation source, an acousto-optical modulator operating in a pulsed mode and introducing a frequency shift into the optical radiation, a fiber-optic splitter into M-channels in the case of M> 1, and each channel consists of an optical fiber, a circulator and a fiber-optic erbium amplifier in the receiving part of the channel, an amplifier of a narrow-band optical filter and then a photoreceiver module with an output to a channel of a multi-channel ADC with a number of inputs not less than the number of channels involved, thus, the outputs of all channels are connected to their inputs of a multi-channel ADC. At the output of the ADC, the digital processor for generating control pulses, control, data processing and transmission, the frequency-pulse driver board and the AOM driver are sequentially installed; all the fibers of the M-channels are laid along each other side by side.

Основным недостатком прототипа является необходимость использования отдельных приемных частей для каждого измерительного канала, а именно: оптического циркулятора, волоконно-оптического эрбиевого усилителя в приемной части канала, усилителя, узкополосного оптического фильтра, фотоприемного модуля, а также многоканального АЦП с количеством входов не менее числа задействованных каналов; и то, что все волокна М-каналов проложены вдоль друг друга рядом. Это приводит к увеличению потерь в каждом измерительном канале, увеличению стоимости конечного изделия, а также невозможности проложить измерительные каналы в разных направлениях, то есть контролируемый участок для каждого из каналов одинаков.The main disadvantage of the prototype is the need to use separate receiving parts for each measuring channel, namely: optical circulator, fiber optic erbium amplifier in the receiving part of the channel, amplifier, narrow-band optical filter, photoreceiver module, and a multi-channel ADC with the number of inputs not less than the number of channels; and the fact that all the fibers of the M-channels are laid along each other side by side. This leads to an increase in losses in each measuring channel, an increase in the cost of the final product, as well as the impossibility of laying the measuring channels in different directions, that is, the controlled area for each of the channels is the same.

Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION

Задачей изобретения является обеспечение множества измерительных каналов фазочувствительного рефлектометра при одном приемном канале без сложной цепи синхронизации по времени импульсов, поступающих в измерительные каналы, и импульсов, поступающих на приемник, а также уменьшения количества дорогостоящих компонентов.The object of the invention is to provide a plurality of measuring channels of a phase-sensitive reflectometer with a single receiving channel without a complex time synchronization circuit of pulses entering the measuring channels and pulses arriving at the receiver, as well as reducing the number of expensive components.

Указанная задача решается предлагаемым многоканальным волоконно-оптическим устройством регистрации вибрационных воздействий с одним приемным модулем регистрации, включающим в себя: высокостабильный узкополосный источник излучения; акустооптический модулятор с драйвером к нему для формирования поступающих в измерительные каналы импульсов; волоконно-оптический циркулятор, пропускающий излучение от источника к измерительным каналам, а также обратнорассеянное от измерительных каналов в приемную часть; оптический переключатель 1xN, где N - максимальное количество опрашиваемых каналов; стоящие в начале i-ой измерительной линии оптические катушки (используются при привязке к длине каждого канала, если длины двух и/или более измерительных каналов попарно одинаковы) или расположенные в начале каждой измерительной линии оптические катушки (используется при привязке к расстоянию до первого разъема после катушки); приемный модуль, состоящий из усилителя слабых сигналов, узкополосного фильтра, приемника сигналов, АЦП; а также вычислительное устройство.This problem is solved by the proposed multi-channel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module, which includes: highly stable narrow-band radiation source; an acousto-optic modulator with a driver for it to form pulses entering the measuring channels; fiber-optic circulator, which transmits radiation from the source to the measuring channels, as well as backscattered from the measuring channels to the receiving part; optical switch 1xN, where N is the maximum number of polled channels; optical coils at the beginning of the i-th measuring line (used for binding to the length of each channel, if the lengths of two and / or more measuring channels are pairwise identical) or optical coils located at the beginning of each measuring line (used for binding to the distance to the first connector after coils); receiving module consisting of a weak signal amplifier, narrowband filter, signal receiver, ADC; as well as a computing device.

Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с увеличенным количеством опрашиваемых каналов состоит из высокостабильного узкополосного источника излучения 1, от которого излучение попадает в усилитель оптического сигнала (бустер) 2, после чего модулируется акустооптическим модулятором 3, управляемым драйвером к акустооптическому модулятору 4, таким образом, чтобы последующие импульсы излучения через циркулятор 5 (его разъем 5.2 на фиг. 1) попадали в оптический переключатель 1xN 6 и, доходя до конца i-го канала, успевали обратно рассеиваться и возвращаться через переключатель 1xN 6, когда он настроен на канал i. Далее слабый обратнорассеянный сигнал от измерительных каналов через циркулятор 5 после разъема 5.3 попадает в приемный модуль и, усиливаясь на оптическом усилителе 7, через узкополосный оптический фильтр 8 попадает на приемник 9, после чего оцифровывается АЦП 10 для последующей передачи в вычислительное устройство 11, где производят конечную обработку зарегистрированных сигналов, определение рабочего канала и отображение информации.The technical result is achieved due to the fact that the fiber-optic device for recording vibration effects with an increased number of polled channels consists of a highly stable narrow-band radiation source 1, from which the radiation enters the optical signal amplifier (booster) 2, after which it is modulated by an acousto-optic modulator 3 controlled by a driver to the acousto-optic modulator 4, so that subsequent radiation pulses through the circulator 5 (its connector 5.2 in Fig. 1) fall into the optical reklyuchatel 1xN 6 and reaching the end of the i-th channel, time to disperse and to return back through the 1xN switch 6 when it is set to channel i. Next, a weak back-scattered signal from the measuring channels through the circulator 5 after connector 5.3 enters the receiving module and, amplifying on the optical amplifier 7, passes through the narrow-band optical filter 8 to the receiver 9, after which the ADC 10 is digitized for subsequent transfer to the computing device 11, where it is produced final processing of the registered signals, the definition of the working channel and the display of information.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство дополнительно содержит оптический переключатель 1xN между разъемом 5.2 оптического циркулятора 5 и опрашиваемыми N-каналами, используемый совместно с определением текущего рабочего канала из опрашиваемых N-каналов за счет привязки к длине i-го канала или к расстоянию до первого разъема после i-ой оптической катушки из возможных нескольких оптических катушек разной длины, устанавливаемых в каналы после оптического переключателя 1xN при условии равной длины между двумя и/или несколькими каналами для установления различной оптической длины в каналах. При этом разность оптической длины каналов должна быть не менее порога разрешения устройства.Unlike the prototype, the proposed device additionally contains an optical switch 1xN between connector 5.2 of the optical circulator 5 and the polled N-channels, used in conjunction with determining the current working channel from the polled N-channels by binding to the length of the i-th channel or to the distance to the first connector after the i-th optical coil of several possible optical coils of different lengths, installed in the channels after the 1xN optical switch with equal length between two and / or several channels to establish different optical lengths in the channels. In this case, the difference in the optical length of the channels must be at least the device resolution threshold.

Возможность проведения корректных измерений без сложной синхронизации по времени поступающих в измерительные каналы импульсов и импульсов, поступающих на приемник, осуществляется за счет привязки к условиям: а) длины i-го канала, или б) расстоянию до первого разъема после i-ой катушки.The possibility of carrying out correct measurements without complicated time synchronization of pulses and pulses arriving at the measuring channels arriving at the receiver is accomplished by binding to the conditions: a) the length of the i-th channel, or b) the distance to the first connector after the i-th coil.

При осуществлении устройства по условию а): во время работы устройства длина i-го канала остается неизменной, определить, с какого канала приходит сигнал, возможно по привязке к этой длине.When implementing the device by condition a): during the operation of the device, the length of the i-th channel remains unchanged, to determine which channel the signal comes from, possibly by reference to this length.

При условии равной длины между двумя и/или несколькими каналами, после оптического переключателя 1xN предусмотрено установление катушек оптического волокна различной длины для установления различной длины в измерительных каналах. При этом разность оптической длины каналов должна быть не менее разрешения устройства. Если длины каналов различны, то оптические катушки не устанавливают.Under the condition of equal length between two and / or several channels, after the 1xN optical switch, the installation of optical fiber coils of different lengths is provided to establish different lengths in the measuring channels. In this case, the difference in the optical length of the channels should be no less than the resolution of the device. If the channel lengths are different, then the optical coils are not installed.

При осуществлении устройства по условию б): расположенные после оптического переключателя 1xN оптические катушки имеют различные длины оптического волокна, и разница длин в катушках подобрана таким образом, чтобы эта длина была не менее разрешения фазочувствительного рефлектометра.When implementing the device according to condition b): the optical coils located after the optical switch 1xN have different lengths of optical fiber, and the difference in the lengths in the coils is chosen so that this length is not less than the resolution of the phase-sensitive OTDR.

Перечень фигурList of figures

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.FIG. 1 shows the scheme of the proposed device.

На фиг. 2 представлен рабочий регистрируемый сигнал с канала 1 при расположенных в начале линии катушках.FIG. Figure 2 shows the working recorded signal from channel 1 with coils located at the beginning of the line.

На фиг. 3 представлен рабочий регистрируемый сигнал с канала 2 при расположенных в начале линии катушках.FIG. Figure 3 shows the working recorded signal from channel 2 with coils located at the beginning of the line.

На фиг. 4 представлен рабочий регистрируемый сигнал с канала 1 при различных длинах линий.FIG. 4 shows the working recorded signal from channel 1 at various lengths of lines.

На фиг. 5 представлен рабочий регистрируемый сигнал с канала 2 при различных длинах линий.FIG. Figure 5 shows the working recorded signal from channel 2 at various lengths of lines.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с увеличенным количеством опрашиваемых каналов содержит: узкополосный источник излучения 1, усилитель оптического сигнала (бустер) 2, акустооптический модулятор 3, драйвер акустооптического модулятора 4, оптический циркулятор 5, оптический переключатель 1xN 6, N катушек оптического волокна, по одной на каждом из измерительных каналов (случай а) или М катушек оптического волокна (0≤M≤N), в начале измерительных каналов при условии равенства длин этих каналов (случай б), оптический усилитель 7, узкополосный оптический фильтр 8, приемник излучения 9, АЦП 10, вычислительное устройство 11.FIG. 1 shows the scheme of the proposed device. A fiber-optic device for detecting vibration effects with an increased number of polled channels contains: narrow-band radiation source 1, optical signal amplifier (booster) 2, acousto-optic modulator 3, driver of an acousto-optic modulator 4, optical circulator 5, optical switch 1xN 6, N optical fiber coils, one on each of the measuring channels (case a) or M coils of optical fiber (0≤M≤N), at the beginning of the measuring channels provided that the lengths of these channels are equal (case b), optical sky amplifier 7, a narrow-band optical filter 8, the radiation detector 9, the ADC 10, the computing device 11.

Постоянное излучение от узкополосного источника излучения 1 усиливается усилителем оптического сигнала (бустером) 2. Далее непрерывное усиленное излучение попадает на акустооптический модулятор 3, управляемый драйвером акустооптического модулятора 4, где из непрерывного излучения формируются импульсы длительности т и периода следования Т. Длительность импульса т напрямую связана с энергетическими параметрами системы и, как следствие, с максимальной дальностью работы системы, а также с пространственным разрешением ПР системы соотношением:Continuous radiation from narrow-band radiation source 1 is amplified by an optical signal amplifier (booster) 2. Next, the continuous amplified radiation hits an acousto-optic modulator 3, controlled by an acousto-optic modulator driver 4, where pulses of duration t and repetition period T are generated from continuous radiation. Pulse duration t is directly related with the energy parameters of the system and, as a result, with the maximum range of the system, as well as with the spatial resolution of the PR system by:

Figure 00000001
Figure 00000001

где с - скорость света; n - эффективный показатель преломления волокна.where c is the speed of light; n is the effective refractive index of the fiber.

Период следования зависит от длины контролируемого участка L и должен соответствовать условию, что последующий импульс не будет сформирован, пока не придет обратнорассеянное излучение с конца линии от предыдущего импульса, таким образом:The repetition period depends on the length of the monitored section L and must comply with the condition that the next impulse will not be formed until backscattered radiation from the end of the line from the previous impulse comes, thus:

Figure 00000002
Figure 00000002

Сформированные импульсы оптического сигнала через циркулятор 5 попадают на оптический переключатель 1xN 6, который с заданной последовательностью переключает измерительные каналы системы.The generated pulses of the optical signal through the circulator 5 fall on the optical switch 1xN 6, which with a given sequence switches the measuring channels of the system.

Случай а). На выходе из каждого канала оптического переключателя 1xN 6 стоит катушка оптического волокна. Каждая катушка относится к определенному каналу и имеет определенную длину, отличающуюся от остальных минимум на длину пространственного разрешения системы (или максимально возможного пространственного разрешения системы, если система будет работать в различных режимах). Так, например, если пространственное разрешение системы ПР=±5 м (длительность импульса τ=100 нс), то различие в длинах катушек должно быть не менее Δl=10 м, т.е. катушка 1 имеет длину l1=10 м, катушка 2 длиной l2=20 м, и т.д., катушка N длиной lN=l1+(N-1)⋅Δl. Каждая катушка подсоединена к контролируемой линии через оптический патч-корд с для получения точно регистрируемого пика от конца конкретной катушки. Получая значения длины, на которой находится пик от первого разъема после катушки определяется канал, на котором в конкретной момент времени работает система.Case a). At the output of each channel of the optical switch 1xN 6 is a coil of optical fiber. Each coil belongs to a specific channel and has a certain length that differs from the others by a minimum of the length of the spatial resolution of the system (or the maximum possible spatial resolution of the system if the system operates in different modes). So, for example, if the spatial resolution of the PR system is ± 5 m (pulse duration τ = 100 ns), then the difference in the coil lengths must be at least Δl = 10 m, i.e. coil 1 has a length l 1 = 10 m, coil 2 long l 2 = 20 m, etc., coil N long l N = l 1 + (N-1) ⋅Δl. Each coil is connected to a monitored line through an optical patch cord to obtain an accurately detectable peak from the end of a specific coil. Obtaining the values of the length of the peak from the first connector after the coil determines the channel on which the system operates at a particular point in time.

Случай б). Катушки ставятся только в случае равной длины каналов. Привязка происходит по длине i-го канала.Case b). Coils are put only in the case of equal length channels. Binding occurs along the length of the i-th channel.

Благодаря такой схеме, возможно проведение корректных измерений без сложной синхронизации по времени импульсов, поступающих в измерительные каналы, и импульсов, поступающих на приемник.Thanks to this scheme, it is possible to carry out correct measurements without complicated time synchronization of the pulses entering the measuring channels and the pulses arriving at the receiver.

Период переключения оптического переключателя 1xN 6 должен быть не менее времени, требуемого для прохождения импульсом протяженности контролируемого измерительного канала и обратно, и выставлен таким образом, чтобы от каждого канала за один цикл переключения на приемник излучения 9 приходил как минимум один обратнорассеянный сигнал.The switching period of the optical switch 1xN 6 must be no less than the time required for the impulse to pass the monitored measuring channel and back, and set so that from each channel during one switching cycle, at least one back-scattered signal comes to the radiation receiver 9.

Период переключения оптического переключателя 1xN 6 может быть выставлен постоянным с возможностью «среза» крайних (первой и/или последней) рефлектограмм при условии получения как минимум одного несрезанного обратнорассеянного сигнала с каждого канала.The switching period of the 1xN 6 optical switch can be set constant with the possibility of “cutting off” the extreme (first and / or last) reflectograms provided that at least one uncut backscattered signal is received from each channel.

После возвращения обратно рассеянный сигнал от каждого из каналов повторно проходит через оптический циркулятор 5 и направляется в приемный модуль, проходя последовательно оптический усилитель 7 и узкополосный оптический фильтр 8, попадает в приемник излучения 9 и сигнал оцифровывается АЦП 10. Далее передается в вычислительное устройство 11.After returning back the scattered signal from each channel re-passes through the optical circulator 5 and is sent to the receiving module, passing successively the optical amplifier 7 and the narrow-band optical filter 8, enters the radiation receiver 9 and the signal is digitized by the ADC 10. Next, it is transmitted to the computing device 11.

Пример сигнала, регистрируемого приемником в предлагаемом устройстве, представлен на фиг. 2, 3, 4, 5. В качестве примера было выбрано переключение между двумя (N=2) каналами. На графиках видны варианты рефлектограмм, регистрируемых системой:An example of the signal registered by the receiver in the proposed device is shown in FIG. 2, 3, 4, 5. The switching between two (N = 2) channels was chosen as an example. The graphs are visible variants of the trace recorded by the system:

1) Рабочий регистрируемый сигнал с канала 1 при расположенных в начале линии катушках представлен на фиг. 2;1) The working recorded signal from channel 1 with coils located at the beginning of the line is shown in FIG. 2;

2) Рабочий регистрируемый сигнал с канала 2 при расположенных в начале линии катушках представлен на фиг. 3;2) The working recorded signal from channel 2 with coils located at the beginning of the line is shown in FIG. 3;

3) Рабочий регистрируемый сигнал с канала 1 при различных длинах линий представлен на фиг. 4;3) The working recorded signal from channel 1 with different line lengths is shown in FIG. four;

4) Рабочий регистрируемый сигнал с канала 2 при различных длинах линий представлен на фиг. 5;4) The working recorded signal from channel 2 with different line lengths is shown in FIG. five;

Рабочий канал определяется по положению пика от разъема катушки или выходного разъема, которое индивидуально и постоянно для каждого канала.The working channel is determined by the position of the peak from the coil connector or the output connector, which is individual and permanent for each channel.

В случае определения по положению пика от разъема катушки первым видимым пиком, расположенным в одном месте на всех каналах, является пик от входного разъема, после которого для каждого канала индивидуально будет располагаться пик от разъема катушки i-ro канала, по расстоянию до которого и происходит определение рабочего канала. Разница длин катушек в этом случае должна быть больше погрешности измерения расстояния системы. Расстояние до пика от разъема катушки i-го канала определяет рабочий канал.In the case of determining the position of the peak from the coil connector, the first visible peak located at the same place on all channels is the peak from the input connector, after which for each channel the peak from the i-ro channel coil connector will be located individually; definition of the working channel. The difference in the length of the coils in this case must be greater than the error in measuring the distance of the system. The distance to the peak from the coil connector of the i-th channel determines the working channel.

В случае определения канала по его длине (или по выходному разъему) привязка осуществляется по обратноотраженному пику в конце i-го канала. В этом случае разница протяженностей каналов должна быть больше погрешности измерения расстояния системы. Расстояние до пика от выходного разъема i-го канала определяет рабочий канал.In the case of determining the channel by its length (or output connector), the binding is performed by a back-reflected peak at the end of the i-th channel. In this case, the difference in channel lengths should be greater than the error in measuring the distance of the system. The distance to the peak from the output of the i-th channel determines the working channel.

Claims (1)

Многоканальное волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий, включающее в себя: последовательно соединенные высокостабильный узкополосный источник излучения 1; усилитель оптического сигнала (бустер) 2; управляемый драйвером 4 акустооптический модулятор 3 для формирования зондирующих импульсов; оптический циркулятор 5; приемный модуль регистрации, расположенный после оптического циркулятора и состоящий из оптического усилителя 7 слабого обратнорассеянного от измерительных каналов сигнала; узкополосного оптического фильтра 8; приемника оптического сигнала 9, на который приходят сигналы со всех N-каналов; аналого-цифрового преобразователя 10; после которого расположено вычислительное устройство 11 с возможностью конечной обработки зарегистрированных сигналов и отображения информации, отличающееся тем, что дополнительно содержит оптический переключатель 1xN между указанным оптическим циркулятором 5 и опрашиваемыми N-каналами, используемый совместно с определением текущего рабочего канала из опрашиваемых N-каналов за счет привязки к длине i-го канала или к расстоянию до первого разъема после i-й оптической катушки из возможных нескольких оптических катушек разной длины, устанавливаемых в каналы после оптического переключателя 1xN при условии равной длины между двумя и/или несколькими каналами для установления различной оптической длины в каналах, при этом разность оптической длины каналов должна быть не менее порога разрешения устройства.A multichannel fiber-optic device for detecting vibration effects, which includes: a highly stable narrow-band radiation source 1 connected in series; optical signal amplifier (booster) 2; driver-controlled 4 acousto-optic modulator 3 for the formation of probe pulses; optical circulator 5; receiving registration module, located after the optical circulator and consisting of an optical amplifier 7 of a weak signal backscattered from the measuring channels; narrowband optical filter 8; optical signal receiver 9, which receives signals from all N-channels; analog-to-digital converter 10; after which the computing device 11 is located with the possibility of final processing of the registered signals and information display, characterized in that it additionally contains an optical switch 1xN between the specified optical circulator 5 and the polled N-channels, used in conjunction with determining the current working channel from the polled N-channels due to binding to the length of the i-th channel or to the distance to the first connector after the i-th optical coil of several possible optical coils of different lengths, is set infused into the channels after 1xN optical switch provided between two equal length and / or several channels for establishing different optical length in the channels, the difference of the optical length of the channels should be less than the threshold authorization device.
RU2018145195A 2018-12-19 2018-12-19 Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module RU2695058C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145195A RU2695058C1 (en) 2018-12-19 2018-12-19 Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145195A RU2695058C1 (en) 2018-12-19 2018-12-19 Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695058C1 true RU2695058C1 (en) 2019-07-19

Family

ID=67309507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018145195A RU2695058C1 (en) 2018-12-19 2018-12-19 Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2695058C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730887C1 (en) * 2019-12-19 2020-08-26 Константин Викторович Степанов Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer
RU2794712C1 (en) * 2022-11-11 2023-04-24 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Device for monitoring the vibroacoustic characteristics of wells

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5194847A (en) * 1991-07-29 1993-03-16 Texas A & M University System Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing
RU2271446C1 (en) * 2004-07-27 2006-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device
RU2516346C1 (en) * 2012-12-11 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object
RU2550768C1 (en) * 2013-10-23 2015-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" Device to monitor vibroacoustic characteristic of lengthy object

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5194847A (en) * 1991-07-29 1993-03-16 Texas A & M University System Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing
RU2271446C1 (en) * 2004-07-27 2006-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device
RU2516346C1 (en) * 2012-12-11 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object
RU2550768C1 (en) * 2013-10-23 2015-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" Device to monitor vibroacoustic characteristic of lengthy object

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730887C1 (en) * 2019-12-19 2020-08-26 Константин Викторович Степанов Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer
RU2794712C1 (en) * 2022-11-11 2023-04-24 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Device for monitoring the vibroacoustic characteristics of wells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108627317A (en) Optical fiber test method, equipment and system
CN110470376B (en) Interference distributed optical fiber acoustic sensing device and sensing method thereof
US20100290035A1 (en) Chaotic optical time domain reflectometer method and apparatus
EP3640618B1 (en) High rate distributed acoustic sensing using high power light pulses
CN106768277B (en) A kind of demodulation method of distributed optical fiber vibration sensing device
CN105067103A (en) Vibration detection device and method based on optical frequency domain reflectometer
CN102739311A (en) Chaotic visible laser-based optical fiber fault positioning device and positioning method thereof
CN108303626B (en) Partial discharge ultrasonic measurement system and method based on distributed optical fiber sensing array
JP2017003338A (en) Mode coupling ratio distribution measuring method and mode coupling ratio distribution measuring apparatus
CN104158587A (en) Optical time domain reflect method based on period on-off key chaos signals
CN110518969A (en) A kind of positioning device and method of optic cable vibration
Iida et al. High-frequency distributed acoustic sensing faster than repetition limit with frequency-multiplexed phase-OTDR
CN106595837A (en) Method and device for processing coherent phase sensitive optical time domain reflectometer
CN205120239U (en) Vibration detection device based on optical frequency domain reflectometer
JP5849056B2 (en) Optical pulse test apparatus and optical pulse test method
RU2695058C1 (en) Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module
CN103763021B (en) A kind of coherent light time domain reflection method of measurement and reflectometer device
JP5907908B2 (en) Optical branch line characteristic analyzer and its characteristic analysis method
CN109507684A (en) High spatial resolution detection system and detection method based on noise like pulse
CN111609919B (en) Optical fiber distributed vibration and loss simultaneous detection system
RU2655046C1 (en) Optical reflectometer
RU2583060C1 (en) Method of measuring temperature distribution in object and device therefor
CN210444271U (en) Optical cable vibrating positioning device
JP5753882B2 (en) Optical pulse test apparatus, test optical pulse transmission unit and optical pulse test method
JP3686390B2 (en) Optical fiber measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200310

Effective date: 20200310