RU2730887C1 - Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer - Google Patents

Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer Download PDF

Info

Publication number
RU2730887C1
RU2730887C1 RU2019142777A RU2019142777A RU2730887C1 RU 2730887 C1 RU2730887 C1 RU 2730887C1 RU 2019142777 A RU2019142777 A RU 2019142777A RU 2019142777 A RU2019142777 A RU 2019142777A RU 2730887 C1 RU2730887 C1 RU 2730887C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
splitter
radiation
receivers
optical
circulator
Prior art date
Application number
RU2019142777A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Борисович Пнев
Константин Викторович Степанов
Андрей Андреевич Жирнов
Антон Олегович Чернуцкий
Дмитрий Александрович Шелестов
Кирилл Игоревич Кошелев
Татьяна Васильевна Чобан
Валерий Ефимович Карасик
Original Assignee
Константин Викторович Степанов
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 Константин Викторович Степанов filed Critical Константин Викторович Степанов
Priority to RU2019142777A priority Critical patent/RU2730887C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730887C1 publication Critical patent/RU2730887C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to fiber-optic sensor systems based on phase-sensitive reflectometry with phase recovery used in systems of monitoring extended objects. Disclosed fiber-optic device for recording vibration effects with phase recovery with reduced influence of instabilities of the recording interferometer includes: a highly stable narrow-band radiation source, from which through splitter 1×2 greater part of radiation falls into controlled line, and smaller serves for direct registration of parameters of radiation source and receiving part of device. After one of the outputs of splitter 1×2 there arranged in series are an optical signal amplifier (booster), an acoustooptical modulator controlled by a driver, optical circulator, controlled line of optical fiber, weak signal amplifier (preamplifier), filter for required wavelength. At the filter outlet there is a circulator, in the forward direction of which first splitter 3×3 is located, non-equable Mach-Zehnder interferometer with optical path difference, second splitter 3×3, first three radiation receivers. Splitter 1×2 second output is connected to the circulator in the receiving part in front of the receivers so that radiation from the highly stable narrow-band radiation source, passing in the reverse direction, second splitter 3×3, non-equable Mach-Zehnder interferometer with optical path difference, first splitter 3×3, falls on the second three radiation receivers. Outputs of all receivers are connected to analogue-to-digital converters of computing device.
EFFECT: reduced error of recovery of the phase detected from the monitored signal line.
1 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам на основе фазочувствительной рефлектометрии с восстановлением фазы, используемым в системах мониторинга протяженных объектов, и может быть использовано для мониторинга состояния и целостности, а также определения наличия предметов или действий, вдоль контролируемой линии, в том числе трубопроводов, периметров, в системах каротажа нефтяных скважин на основе метода фазочувствительной рефлектометрии.The invention relates to fiber-optic sensor systems based on phase-sensitive reflectometry with phase recovery, used in monitoring systems for extended objects, and can be used to monitor the condition and integrity, as well as determine the presence of objects or actions along the monitored line, including pipelines, perimeters, in oil well logging systems based on the phase-sensitive reflectometry method.

Уровень техникиState of the art

Метод фазочувствительной рефлектометрии позволяет регистрировать случайно распределенный по длине сенсора сигнал рассеяния (рефлектограмму), который остается неизменным во времени при условии стабильности частоты источника излучения и отсутствии воздействия на чувствительное оптическое волокно, а при наличии тепловых или механических воздействий изменяется. 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 в среде от источника вибрации (идущий человек, работающий двигатель, движение транспортного средства) до уложенного сенсорного кабеля. Акустические волны вызывают вибрацию кабеля на своей частоте, что выделяется на фоне случайного сигнала при последующей обработке.The phase-sensitive reflectometry method allows recording a scattering signal (reflectogram) randomly distributed along the length of the sensor, which remains unchanged over time, provided that the frequency of the radiation source is stable and the sensitive optical fiber is not affected, and changes in the presence of thermal or mechanical influences. Electronic processing of the recorded signal today is mainly developed to isolate mechanical influences, 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 in the medium from the vibration source (walking person, running engine, vehicle movement) to the laid sensor cable. Acoustic waves vibrate the cable at their own frequency, which stands out against the background of a random signal during subsequent processing.

Базовые устройство и метод фазочувствительной рефлектометрии были описаны в патенте США US5194847 (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC 1-7): G08B 13/10; G08B 13/18, опубл. 1993-03-16). Метод подготовки и использования когерентной рефлектометрии включают следующие основные стадии: - размещение чувствительного оптического кабеля-датчика вдоль контролируемого объекта; - подача в расположенную вдоль протяженного объекта линию определенной длины импульсов когерентного оптического излучения, - прием сигналов обратного рассеяния и выделение сигнала, выявляющего факт внешнего воздействия по возмущениям в указанных сигналах обратного рассеяния.The basic device and method of phase-sensitive reflectometry have been described in US patent US5194847 (IPC G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC 1-7): G08B 13/10 ; G08B 13/18, publ. 1993-03-16). The method of preparation and use of coherent reflectometry includes the following main stages: - placement of a sensitive optical cable-sensor along the controlled object; - supply of pulses of coherent optical radiation to a line of a certain length located along an extended object; - reception of backscattered signals and separation of a signal that reveals the fact of external action by disturbances in the indicated backscatter signals.

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

При прохождении в оптическом волокне когерентного излучения, его часть вследствие наличия большого количества случайно расположенных неоднородностей с характерным диаметром порядка доли длины волны рассеивается обратно. Этот обратно рассеянный сигнал в схеме рефлектометра хаотичен по длине волокна и постоянен при отсутствии внешних воздействий.When coherent radiation passes through an optical fiber, part of it, due to the presence of a large number of randomly located inhomogeneities with a characteristic diameter of the order of a fraction of a wavelength, is scattered back. This backscattered signal in the OTDR circuit is random along the fiber and is constant in the absence of external influences.

Известно изобретение по патенту США US10162245 B2 (МПК G02F 1/335) опубл. 25.12.2018 г. В патенте распределенная акустическая сенсорная система на оптическом гибридном фазовом демодуляторе с задержкой может быть выполнена в различных конфигурациях. Данные конфигурации могут включать в себя оптический гибрид с количеством выходов от 2 до 4, подключенных к соответствующему числу зеркал Фарадея и фотодетекторов. В одном или нескольких выходах, ведущих к зеркалам Фарадея, могут находиться оптические линии задержки.Known invention for US patent US10162245 B2 (IPC G02F 1/335) publ. 25.12.2018 In the patent, a distributed acoustic sensor system based on an optical hybrid phase demodulator with a delay can be made in various configurations. These configurations can include an optical hybrid with 2 to 4 outputs connected to an appropriate number of Faraday mirrors and photodetectors. One or more outputs leading to the Faraday mirrors can contain optical delay lines.

Недостатком данного изобретения является влияние нестабильности длины волны источника излучения, а также возможных температурных колебаний, на результаты измерения. Влияние данных нестабильностей будет приводить к увеличению погрешности измерения изменения регистрируемой фазы.The disadvantage of this invention is the influence of the instability of the wavelength of the radiation source, as well as possible temperature fluctuations, on the measurement results. The influence of these instabilities will lead to an increase in the measurement error of the change in the recorded phase.

Известно изобретение РФ RU 2530244 «Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией (варианты)» (МПК G01D 5/26 (2006.01) опубл. 10.10.2014 г.). Варианты данного изобретения предусматривают наличие интерферометра Маха-Цендера в приемной части системы, в одном из плеч которого расположена линия задержки, а второе подсоединено к фазовому модулятору.Known invention of the Russian Federation RU 2530244 "Distributed coherent reflectometric system with phase demodulation (options)" (IPC G01D 5/26 (2006.01) publ. 10.10.2014). Variants of the present invention provide for the presence of a Mach-Zehnder interferometer in the receiving part of the system, in one of the arms of which a delay line is located, and the second is connected to a phase modulator.

Недостатком данного изобретения является влияние температурной нестабильности, а также нестабильности длины волны лазерного источника, приводящее к увеличению погрешности измерения изменения регистрируемой фазы.The disadvantage of this invention is the influence of temperature instability, as well as instability of the wavelength of the laser source, leading to an increase in the measurement error of the change in the recorded phase.

Известно устройство по патенту CN 105806465 А (МПК G01H 9/004, опубл. 03.11.2016 г.), выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа). В нем регистрация обратноотраженного излучения разделяется в приемной части разветвителем 1×2, попадает в интерферометр Маха-Цендера, содержащий линию задержки, после чего соединяется разветвителем 2×3, каждый из трех выходов которого подключен к приемнику излучения.Known device according to patent CN 105806465 A (IPC G01H 9/004, publ. 03.11.2016), selected as the closest analogue (prototype). In it, the registration of back-reflected radiation is divided in the receiving part by a 1 × 2 splitter, enters the Mach-Zehnder interferometer containing a delay line, and then is connected by a 2 × 3 splitter, each of the three outputs of which is connected to the radiation receiver.

Недостатком данного изобретения является наличие нестабильности длины волны лазерного источника, а также температурная нестабильность приемной части, приводящие к увеличению погрешности измеряемой фазы.The disadvantage of this invention is the presence of instability of the wavelength of the laser source, as well as temperature instability of the receiving part, leading to an increase in the measured phase error.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является уменьшение влияния погрешностей, вызванных нестабильностью длины волны источника излучения, а также температурными и вибрационными колебаниями волоконного интерферометра в приемном узле, что приводит к уменьшению погрешности измерения сигнала.The objective of the invention is to reduce the influence of errors caused by the instability of the wavelength of the radiation source, as well as temperature and vibration oscillations of the fiber interferometer in the receiving unit, which leads to a decrease in the signal measurement error.

Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с восстановлением фазы с уменьшением влияния нестабильностей регистрирующего интерферометра включает в себя высокостабильный узкополосный источник излучения 1, от которого через разветвитель 1×2 14

Figure 00000001
часть излучения попадает в усилитель оптического сигнала (бустер) 2, после чего модулируется управляемым драйвером акустооптическим модулятором 3, далее через оптический циркулятор 4-1 полученные импульсы следуют в контролируемую линию оптического волокна 5, где происходит рассеяние излучение на неоднородностях волокна во всех направлениях, в том числе и обратно в сторону оптического циркулятора 4-1. Обратнорассеянное излучение, прошедшее через оптический циркулятор 4-1, поступает на усилитель слабого сигнала (предусилитель) 6, после которого расположен фильтр на требуемую длину волны 7. Далее через циркулятор 4-2 и разветвитель 3×3 8, в прямом ходе которого излучение попадает в неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, на выходе которого стоит разветвитель 3×3 10. От каждого из выходов разветвителя 3×3 10 излучение идет на приемники 11, причем от двух выходов идет напрямую, а от третьего через циркулятор 4-3, далее сигналы на приемниках 11 оцифровываются АЦП 12-1. Меньшая часть излучения от высокостабильного узкополосного источника излучения 1 через разветвитель 1×2 14 в обратном ходе циркулятора 4-3, разветвителя 3×3 10, неравноплечего интерферометра Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвителя 3×3 8 попадает на приемники 15, причем от двух выходов разветвителя 3×3 8 идет напрямую, а от третьего через циркулятор 4-2, далее сигналы на приемниках 15 оцифровываются АЦП 12-2. Оцифрованный сигнал от АЦП 12-1 и 12-2 обрабатывается вычислительным устройством 13.The technical result is achieved due to the fact that the fiber-optic device for recording vibration effects with phase recovery with a decrease in the influence of instabilities of the recording interferometer includes a highly stable narrow-band radiation source 1, from which through a splitter 1 × 2 14
Figure 00000001
part of the radiation enters the optical signal amplifier (booster) 2, after which it is modulated by the acousto-optic modulator 3 controlled by the driver, then through the optical circulator 4-1 the received pulses follow the controlled line of the optical fiber 5, where the radiation is scattered on the fiber inhomogeneities in all directions, in including back towards the optical circulator 4-1. The backscattered radiation, passed through the optical circulator 4-1, enters the weak signal amplifier (preamplifier) 6, after which there is a filter for the required wavelength 7. Then, through the circulator 4-2 and the 3 × 3 splitter 8, in the forward path of which the radiation enters into an unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9, at the output of which there is a 3 × 3 10 splitter. From each of the outputs of the 3 × 3 10 splitter, radiation goes to the receivers 11, and from two outputs it goes directly, and from the third through the circulator 4 -3, then the signals at the receivers 11 are digitized by the ADC 12-1. A smaller part of the radiation from a highly stable narrow-band radiation source 1 through a 1 × 2 splitter 14 in the return path of a circulator 4-3, a 3 × 3 splitter 10, an unequal Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9, a 3 × 3 splitter 8 falls on the receivers 15, moreover, from the two outputs of the splitter 3 × 3 8 goes directly, and from the third through the circulator 4-2, then the signals at the receivers 15 are digitized by the ADC 12-2. The digitized signal from the ADCs 12-1 and 12-2 is processed by the computing device 13.

Уменьшение погрешности в восстановлении фазы достигается за счет того, обратнорассеянный сигнал от контролируемой линии оптического волокна 5, последовательно прошедший циркулятор 4-1, усиленный усилителем слабого сигнала (предусилителем) 6, отфильтрованный фильтром на требуемую длину волны 7, после чего прошедший разветвитель 3×3 8, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвитель 3×3 10, регистрируется на приемниках 11 и сравнивается с сигналом на приемниках 15, регистрируемым от высокостабильного узкополосного источника излучения 1, последовательно прошедшего через разветвитель 1×2 14 в обратном ходе циркулятора 4-3, разветвителя 3×3 10, неравноплечего интерферометра Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвителя 3×3 8, причем от двух выходов разветвителя 3×3 8 идет напрямую, а от третьего - через циркулятор 4-2. Данное сравнение сигналов позволит провести отделение полезного сигнала, получаемого от контролируемой линии оптического волокна 5, от внутренней нестабильностей системы, таких как нестабильность длины волны лазера и температурные и вибрационные колебания приемной части, т.к. на приемниках 11 присутствуют все данные компоненты, а приемники 15 регистрируют только отвечающие за нестабильности компоненты.A decrease in the error in phase recovery is achieved due to the fact that the backscattered signal from the monitored line of the optical fiber 5, successively passed the circulator 4-1, amplified by a weak signal amplifier (preamplifier) 6, filtered by a filter for the required wavelength 7, and then passed through a 3 × 3 splitter 8, a non-equal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference 9, a 3 × 3 splitter 10, is recorded at the receivers 11 and compared with the signal at the receivers 15, recorded from a highly stable narrow-band radiation source 1, which has successively passed through the 1 × 2 splitter 14 in the reverse stroke circulator 4-3, splitter 3 × 3 10, unequal Mach-Zehnder interferometer with optical path difference 9, splitter 3 × 3 8, and from two outputs of the splitter 3 × 3 8 goes directly, and from the third through circulator 4-2. This comparison of signals will allow separating the useful signal received from the monitored line of the optical fiber 5 from the internal instabilities of the system, such as the instability of the laser wavelength and temperature and vibration fluctuations of the receiving part, since all these components are present on the receivers 11, and the receivers 15 register only the components responsible for instabilities.

Перечень фигурList of figures

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

На фиг. 2 представлены графики сигнала и его составляющих.FIG. 2 shows the graphs of the signal and its components.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит высокостабильный узкополосный источник излучения 1, усилитель оптического сигнала (бустер) 2, управляемый драйвером акустооптическим модулятором 3, оптические циркуляторы 4-1, 4-2 и 4-3, контролируемую линию оптического волокна 5, усилитель слабого сигнала (предусилитель) 6, фильтр на требуемую длину волны 7, и разветвители 3×3 8 и 10, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, приемники 11 и 15, АЦП 12-1 и 12-2, вычислительное устройство 13, через разветвитель 1×2 14.FIG. 1 shows a diagram of the proposed device. The device contains a highly stable narrowband radiation source 1, an optical signal amplifier (booster) 2 controlled by an acousto-optic modulator driver 3, optical circulators 4-1, 4-2 and 4-3, a controlled optical fiber line 5, a weak signal amplifier (preamplifier) 6, filter for the required wavelength 7, and 3 × 3 splitters 8 and 10, unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with optical path difference 9, receivers 11 and 15, ADC 12-1 and 12-2, computing device 13, through a splitter 1 × 2 fourteen.

Непрерывное излучение от высокостабильного узкополосного источника излучения 1 делится разветвителем 1×2 14. Разветвитель 1×2 14 служит для разделения излучения таким образом, чтобы большая доля попадала в контролируемую линию, а меньшая сразу в приемную часть устройства. Большая часть излучения после разветвителя 1×2 14 усиливается усилителем оптического сигнала (бустером) 2, после чего непрерывное излучение формируется в зондирующие импульсы управляемым драйвером акустооптическим модулятором 3 и через оптический циркулятор 4-1 направляется в контролируемую линию оптического волокна 5. Обратнорассеянное на неоднородностях волокна излучение от зондирующего импульса в обратном ходе оптического циркулятора 4-1 усиливается усилителем слабого сигнала (предусилителем) 6, а затем попадает в фильтр на требуемую длину волны 7. На выходе фильтра на требуемую длину волны 7 расположен оптический циркулятор 4-2, в прямом ходе направляющий обратнорассеянное излучение в один из выходов разветвителя 3×3 8, которое, разделяясь, проходит неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, а затем, проходя разветвитель 3×3 10 излучение идет на приемники 11, причем от двух выходов идет напрямую, а от третьего через циркулятор 4-3, далее сигналы на приемниках 11 оцифровываются АЦП 12-1. Меньшая доля излучения после разветвителя 1×2 14 направляется в приемную часть устройства. В обратном ходе циркулятора 4-3, стоящего между одним из приемников 11 и одним из выходов разветвителя 3×3 10, меньшая доля излучения проходит разветвитель 3×3 10, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвитель 3×3 8, после чего регистрируется на приемниках 15, причем от двух выходов разветвителя 3×3 8 идет напрямую, а от третьего через циркулятор 4-2, далее сигналы на приемниках 15 оцифровываются АЦП 12-2. Оцифрованный сигнал от АЦП 12-1 и 12-2 обрабатывается вычислительным устройством 13.Continuous radiation from a highly stable narrow-band radiation source 1 is divided by a 1 × 2 splitter 14. The 1 × 2 splitter 14 serves to separate the radiation so that a larger fraction falls into the monitored line, and a smaller one directly into the receiving part of the device. Most of the radiation after the splitter 1 × 2 14 is amplified by an optical signal amplifier (booster) 2, after which continuous radiation is formed into probing pulses by a driver-controlled acousto-optic modulator 3 and is directed through an optical circulator 4-1 into the controlled line of an optical fiber 5. Backscattered by fiber inhomogeneities the radiation from the probing pulse in the return path of the optical circulator 4-1 is amplified by the weak signal amplifier (preamplifier) 6, and then enters the filter at the required wavelength 7. At the output of the filter at the required wavelength 7 there is an optical circulator 4-2, in the forward path directing backscattered radiation to one of the outputs of the 3 × 3 splitter 8, which, being separated, passes the unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9, and then, passing the 3 × 3 10 splitter, the radiation goes to the receivers 11, and from two outputs it goes directly , and from the third through the circulator 4-3, then the signals at the reception mniks 11 are digitized by ADC 12-1. A smaller fraction of the radiation after the 1 × 2 splitter 14 is directed to the receiving part of the device. In the return stroke of the circulator 4-3, standing between one of the receivers 11 and one of the outputs of the 3 × 3 10 splitter, a smaller fraction of the radiation passes the 3 × 3 splitter 10, the unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9, the 3 × 3 splitter 8 , after which it is registered on the receivers 15, and from the two outputs of the 3 × 3 splitter 8 goes directly, and from the third through the circulator 4-2, then the signals on the receivers 15 are digitized by the ADC 12-2. The digitized signal from the ADCs 12-1 and 12-2 is processed by the computing device 13.

Обратнорассеянный сигнал от контролируемой линии оптического волокна 5, последовательно прошедший циркулятор 4-1, усиленный усилителем слабого сигнала (предусилителем) 6, отфильтрованный фильтром на требуемую длину волны 7, после чего прошедший разветвитель 3×3 8, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвитель 3×3 10 и регистрируемый на приемниках 11 сравнивается с сигналом на приемниках 15, регистрируемым от высокостабильного узкополосного источника излучения 1, последовательно прошедшего через разветвитель 1×2 14 в обратном ходе циркулятора 4-3, разветвителя 3×3 10, неравноплечего интерферометра Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, разветвителя 3×3 8, причем от двух выходов разветвителя 3×3 8 идет напрямую, а от третьего через циркулятор 4-2. Данное сравнение сигналов позволяет провести отделение полезного сигнала, получаемого от контролируемой линии оптического волокна 5, от внутренней нестабильностей системы, таких как нестабильность длины волны лазера и температурные и вибрационные колебания приемной части, т.к. на приемниках 11 присутствуют все данные компоненты, а приемники 15 регистрируют только отвечающие за нестабильности компоненты.The backscattered signal from the monitored optical fiber line 5, successively passed by the circulator 4-1, amplified by a weak signal amplifier (preamplifier) 6, filtered by a filter for the required wavelength 7, after which the transmitted 3 × 3 splitter 8, unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical difference path 9, a 3 × 3 splitter 10 and recorded at the receivers 11 is compared with the signal at the receivers 15 recorded from a highly stable narrow-band radiation source 1, which successively passed through the 1 × 2 splitter 14 in the reverse stroke of the circulator 4-3, the 3 × 3 splitter 10, unequal Mach-Zehnder interferometer with optical path difference 9, splitter 3 × 3 8, and from two outputs of the splitter 3 × 3 8 goes directly, and from the third through the circulator 4-2. This comparison of signals makes it possible to separate the useful signal received from the monitored line of the optical fiber 5 from the internal instabilities of the system, such as instability of the laser wavelength and temperature and vibration fluctuations of the receiving part, since all these components are present on the receivers 11, and the receivers 15 register only the components responsible for instabilities.

Аналитически выполнение данной операции можно описать следующим образом. Сигнал волоконно-оптического устройства регистрации вибрационных воздействий с восстановлением фазы с уменьшением влияния нестабильностей регистрирующего интерферометра с участка, равного пространственному разрешению устройства, формируется как интерференция всех обратнорассеянных волн на центрах рассеяний в соответствии с выражением I(s, t)=I11const(s,t) ⋅ (1+cos(Δϕ)). При этом неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, расположенный между разветвителями 3×3 8 и 10 в приемной части формирует на трех приемниках 11 сигналы со сдвигом по фазе, обусловленным различными сдвигами при переходе световых волн из одного волокна в другое в разветвителе 3×3 10:Analytically, the implementation of this operation can be described as follows. The signal of a fiber-optic device for recording vibration effects with phase recovery with a decrease in the influence of instabilities of the recording interferometer from an area equal to the spatial resolution of the device is formed as the interference of all backscattered waves at the scattering centers in accordance with the expression I (s, t) = I 11const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ)). In this case, the unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference 9, located between the 3 × 3 splitters 8 and 10 in the receiving part, forms on three receivers 11 signals with a phase shift caused by various shifts during the transition of light waves from one fiber to another in the splitter 3 × 3 10:

I11.1(s, t)=I11const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕp - 2π/3))I 11.1 (s, t) = I 11const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ p - 2π / 3))

I11.2(s, t)=I11const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕp))I 11.2 (s, t) = I 11const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ p ))

I11.3(s, t)=I11const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕp + 2π/3))I 11.3 (s, t) = I 11const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ p + 2π / 3))

На основании этих трех графиков можно восстановить фазу исходя из выражения:Based on these three graphs, you can restore the phase based on the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

убрав перескоки через величину π, что является известным и отработанным алгоритмом. В данном выражении влияние на фазу сигнала оказывают три основных фактора:removing jumps through the value of π, which is a well-known and well-proven algorithm. In this expression, the signal phase is influenced by three main factors:

Figure 00000003
Figure 00000003

где λ(t) - длина волны лазерного источника в момент времени t,where λ (t) is the wavelength of the laser source at time t,

s - чувствительность контролируемой линии оптического волокна 5 к воздействию, которая зависит от типа грунта, конструкции кабеля и других параметров,s is the sensitivity of the controlled line of optical fiber 5 to the impact, which depends on the type of soil, cable design and other parameters,

P(t) - величина внешнего воздействия на контролируемую линию оптического волокна 5 - это и есть тот сигнал, получение которого является целью работы устройства,P (t) - the magnitude of the external influence on the monitored line of optical fiber 5 - this is the signal, the receipt of which is the purpose of the device,

Figure 00000004
- колебания разности плеч неравноплечего интерферометра Маха-Цендера
Figure 00000004
- fluctuations in the difference between the arms of an unequal-armed Mach-Zehnder interferometer

с оптической разностью хода 9 от изменений температуры и вибраций в устройстве, которые обычно не получается полностью устранить.with an optical path difference of 9 from temperature changes and vibrations in the device, which usually cannot be completely eliminated.

В том же неравноплечем интерферометре Маха-Цендера с оптической разностью хода 9 в обратном ходе происходит интерференция непосредственно излучения лазерного источника, результат которой регистрируется на приемниках 15. Сигналы на них можно описать выражениями:In the same unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9, in the reverse stroke, the interference of the laser source directly occurs, the result of which is recorded on the receivers 15. The signals on them can be described by the expressions:

I15.1(s, t)=I15const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕл - 2π/3))I 15.1 (s, t) = I 15const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ l - 2π / 3))

I15.2(s, t)=I15const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕл))I 15.2 (s, t) = I 15const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ l ))

I15.3(s, t)=I15const(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕл + 2π/3))I 15.3 (s, t) = I 15const (s, t) ⋅ (1 + cos (Δϕ l + 2π / 3))

На основании этих трех графиков можно восстановить фазу исходя из выражения:Based on these three graphs, you can restore the phase based on the expression:

Figure 00000005
Figure 00000005

убрав перескоки через величину я, что является известным и отработанным алгоритмом.removing jumps over the value i, which is a well-known and well-proven algorithm.

В данном выражении влияние на фазу сигнала оказывают два основных фактора:In this expression, the signal phase is influenced by two main factors:

Figure 00000006
Figure 00000006

где λ(t) - длина волны высокостабильного узкополосного источника излучения 1 в момент времени t,where λ (t) is the wavelength of a highly stable narrowband radiation source 1 at time t,

Figure 00000007
- колебания разности плеч неравноплечего интерферометра Маха-Цендера с оптической разностью хода 9 от изменений температуры и вибраций в приборе.
Figure 00000007
- fluctuations in the difference between the arms of an unequal Mach-Zehnder interferometer with an optical stroke difference of 9 from changes in temperature and vibrations in the device.

На фиг. 2 представлены графики сигнала и его составляющих.FIG. 2 shows the graphs of the signal and its components.

Таким образом мы получаем два сигнала, в одном из которых (выражение 1) содержится как полезная информация Р(t), так и шумовые, в данном случае, составляющие

Figure 00000007
и λ(t) а в другом (выражение 2) - только шумовые составляющие.Thus, we get two signals, one of which (expression 1) contains both useful information P (t) and noise, in this case, the components
Figure 00000007
and λ (t) and in the other (expression 2) - only noise components.

Следовательно, вычитание второго сигнала из первого позволит компенсировать нестабильность, вносимую неравноплечим интерферометром Маха-Цендера с оптической разностью хода 9:Therefore, subtracting the second signal from the first will compensate for the instability introduced by an unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference of 9:

Figure 00000008
Figure 00000008

В данном выражении измеряемая величина фазы пропорциональна приложенной величине, а колебания длины волны лазера являются величиной, вносящей минимум на порядок меньший уровень шумов, чем компенсированные колебания разности плеч интерферометра.In this expression, the measured phase value is proportional to the applied value, and the oscillations of the laser wavelength are a quantity that introduces at least an order of magnitude less noise than the compensated oscillations of the difference between the interferometer arms.

В результате предложенное техническое решение решает задачу уменьшения погрешности в восстановлении фазы, что приводит к повышению точности регистрации сигнала от внешнего воздействия и, как следствие, повышению обнаружительной способности и качества классификации воздействия.As a result, the proposed technical solution solves the problem of reducing the error in phase recovery, which leads to an increase in the accuracy of recording a signal from an external influence and, as a consequence, to an increase in the detectability and quality of the classification of the effect.

Claims (1)

Волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с восстановлением фазы с уменьшением влияния нестабильностей регистрирующего интерферометра включает в себя: высокостабильный узкополосный источник излучения 1, отличающееся наличием разветвителя 1×2 14,
Figure 00000009
часть излучения после которого попадает в контролируемую линию, а меньшая служит для прямой регистрации параметров источника излучения и приемной части устройства; после одного из выходов разветвителя 1×2 14 последовательно расположены усилитель оптического сигнала (бустер) 2, управляемый драйвером акустооптический модулятор 3, оптический циркулятор 4-1, контролируемая линия оптического волокна 5, усилитель слабого сигнала (предусилитель) 6, фильтр на требуемую длину волны 7, на выходе фильтра расположен циркулятор 4-2, в прямом ходе которого расположены первый разветвитель 3×3 8, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, второй разветвитель 3×3 10, первая тройка приемников излучения 11; второй выход разветвителя 1×2 14 подключен к циркулятору 4-3 в приемной части перед приемниками 11 так, что излучение от высокостабильного узкополосного источника излучения 1, проходя в обратном ходе второй разветвитель 3×3 10, неравноплечий интерферометр Маха-Цендера с оптической разностью хода 9, первый разветвитель 3×3 8 попадает на вторую тройку приемников излучения 15; выходы всех приемников подключены к аналого-цифровом преобразователям 12-1 и 12-2 вычислительного устройства 13.
A fiber-optic device for recording vibration effects with phase restoration with a decrease in the influence of instabilities of the recording interferometer includes: a highly stable narrow-band radiation source 1, characterized by the presence of a splitter 1 × 2 14,
Figure 00000009
part of the radiation after which it enters the monitored line, and the smaller part serves for direct registration of the parameters of the radiation source and the receiving part of the device; after one of the outputs of the splitter 1 × 2 14, an optical signal amplifier (booster) 2, a driver-controlled acousto-optic modulator 3, an optical circulator 4-1, a controlled optical fiber line 5, a weak signal amplifier (preamplifier) 6, a filter for the required wavelength are located in series 7, at the filter outlet there is a circulator 4-2, in the direct course of which the first 3 × 3 splitter 8, the unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with an optical path difference 9, the second 3 × 3 splitter 10, the first three radiation receivers 11 are located; the second output of the splitter 1 × 2 14 is connected to the circulator 4-3 in the receiving part in front of the receivers 11 so that the radiation from the highly stable narrow-band radiation source 1, passing in the reverse direction the second splitter 3 × 3 10, the unequal-arm Mach-Zehnder interferometer with the optical path difference 9, the first splitter 3 × 3 8 falls on the second three radiation receivers 15; the outputs of all receivers are connected to analog-to-digital converters 12-1 and 12-2 of the computing device 13.
RU2019142777A 2019-12-19 2019-12-19 Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer RU2730887C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142777A RU2730887C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142777A RU2730887C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730887C1 true RU2730887C1 (en) 2020-08-26

Family

ID=72237897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019142777A RU2730887C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730887C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761370C1 (en) * 2020-09-28 2021-12-07 Акционерное Общество "Институт "Оргэнергострой" Fiber-optic security detector with linear part with interferometer with two arms
RU2769886C2 (en) * 2020-09-28 2022-04-07 Акционерное Общество "Институт "Оргэнергострой" Fibre-optic security detector with linear part with combined interferometers

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017096421A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-15 Hawk Measurement Systems Pty. Ltd. Improved optical fiber sensing system
CN107421570A (en) * 2017-07-20 2017-12-01 全球能源互联网研究院 A kind of multi-functional distribution type optical fiber sensing equipment
RU2695098C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Fiber-optic device for recording vibration effects with separation of controlled sections
RU2695058C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017096421A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-15 Hawk Measurement Systems Pty. Ltd. Improved optical fiber sensing system
CN107421570A (en) * 2017-07-20 2017-12-01 全球能源互联网研究院 A kind of multi-functional distribution type optical fiber sensing equipment
RU2695098C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Fiber-optic device for recording vibration effects with separation of controlled sections
RU2695058C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761370C1 (en) * 2020-09-28 2021-12-07 Акционерное Общество "Институт "Оргэнергострой" Fiber-optic security detector with linear part with interferometer with two arms
RU2769886C2 (en) * 2020-09-28 2022-04-07 Акционерное Общество "Институт "Оргэнергострой" Fibre-optic security detector with linear part with combined interferometers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2435796B1 (en) Optical sensor and method of use
WO2018076551A1 (en) Distributed optical fibre sensing system capable of realizing all-phase demodulation, and measuring method therefor
JP5469749B2 (en) Phase-based detection
CN107505041B (en) Phase demodulation device and method based on phase sensitive optical time domain reflectometer
CN110864714B (en) Distributed sensing system based on Michelson-Sagnac fiber optic interferometer
US7605923B2 (en) Embeddable polarimetric fiber optic sensor and method for monitoring of structures
CN105547460B (en) Merge the dipulse phase sensitive optical time domain reflectometer and its method of weak reflecting grating
US20080297772A1 (en) Detecting a Disturbance in the Propagation of Light in an Optical Waveguide
RU2730887C1 (en) Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer
KR101817295B1 (en) Fiber-Optic Distributed Acoustic Sensor
CN103900623B (en) Optical time domain reflectometer and its common mode inhibition method based on alliteration optical modulator
CN106840222B (en) A kind of distributed optical fiber sensing system and its suppressing method inhibiting common-mode noise
KR20110075680A (en) Apparatus and method of distributed fiber sensor using brillouin optical time domain analysis based on brillouin dynamic grating
Shang et al. Optical fiber distributed acoustic sensing based on the self-interference of Rayleigh backscattering
CN110518969B (en) Optical cable vibration positioning device and method
RU2530244C2 (en) Distributed coherent reflectometric system with phase demodulation (versions)
Pan et al. Distributed optical-fiber vibration sensing system based on differential detection of differential coherent-OTDR
RU2532562C1 (en) Distributed sensor of acoustic and vibration actions
EP1324004A2 (en) Phase noise compensation in an interferometric system
Zhan et al. Optimization of a distributed optical fiber sensor system based on phase sensitive OTDR for disturbance detection
Zhong et al. Event discrimination using phase correlation in Φ-OTDR system based on coherent detection
RU2695098C1 (en) Fiber-optic device for recording vibration effects with separation of controlled sections
CN210444271U (en) Optical cable vibrating positioning device
CN210327579U (en) Optical cable vibrating positioning device
JPS63118624A (en) Optical fiber measuring device and method