WO2018048327A1 - Распределенный волоконно-оптический датчик - Google Patents

Распределенный волоконно-оптический датчик Download PDF

Info

Publication number
WO2018048327A1
WO2018048327A1 PCT/RU2017/000621 RU2017000621W WO2018048327A1 WO 2018048327 A1 WO2018048327 A1 WO 2018048327A1 RU 2017000621 W RU2017000621 W RU 2017000621W WO 2018048327 A1 WO2018048327 A1 WO 2018048327A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
radiation
optical fiber
fiber
sensitive
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/000621
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Николаевич БУРОВ
Вячеслав Владимирович СЕМЕНЮГА
Яна Владимировна ЗЕНКИНА
Дмитрий Борисович ЗАХАРОВ
Вячеслав Иванович ПЕРЕДЕРИЙ
Вадим Анатольевич ЯКОВЛЕВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг"
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 Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг"
Priority to DE212017000209.3U priority Critical patent/DE212017000209U1/de
Priority to JP2019600091U priority patent/JP3222970U/ja
Priority to CH00270/19A priority patent/CH714284B1/de
Priority to CA3035884A priority patent/CA3035884A1/en
Priority to GB1903471.9A priority patent/GB2568419B/en
Publication of WO2018048327A1 publication Critical patent/WO2018048327A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING 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
    • G01D5/00—Mechanical 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
    • G01D5/26—Mechanical 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
    • G01D5/32—Mechanical 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
    • G01D5/34—Mechanical 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
    • G01D5/353—Mechanical 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
    • G01D5/35338—Mechanical 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 using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354—Sensor working in reflection
    • G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35364—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using inelastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Brillouin or Raman backscattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/57—Measuring gloss

Definitions

  • the utility model relates to distributed fiber-optic sensors based on the Brillouin light scattering phenomenon, using optical fiber as a sensitive element and can be used to measure the distribution of mechanical stresses and / or temperature with high accuracy and high spatial resolution.
  • Fiber optic sensors are known for measuring the distribution of physical quantities, such as temperature, strain and hydrostatic pressure along a sensitive optical fiber, which use methods based on recording the distribution of the fine structure parameters of scattered radiation, namely Brillouin scattering, also called Mandelstam-Brillouin scattering.
  • the location at which the physical parameter is measured is based on recalculating the delay time from sensing to recording the scattering signal to a distance that corresponds to the path of light radiation along the optical fiber from the analyzer to the scattering point and vice versa.
  • the delay time can be measured directly, as, for example, in the well-known fiber-optic Brillouin analyzer (RF patent for utility model 140707, published on 05.20.2014).
  • the well-known analyzer uses the Brillouin optical analysis method in the time representation (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis), which uses the principles of optical reflectometry in the time representation (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry).
  • BOTDA Brillouin Optical Time Domain Analysis
  • OTDR Optical Time Domain Reflectometry
  • the delay time is measured between the optical radiation pulse participating in Brillouin scattering and the signal detected by the photodetector, attributed to the Brillouin scattering phenomenon, which propagates in the optical fiber in the opposite direction to the pulse.
  • Brillouin scattering in an optical fiber can be considered as diffraction of light by a moving refractive index grating created by an acoustic wave.
  • the signal reflected from the grating experiences a Doppler frequency shift, since the grating moves with the speed of sound.
  • the speed of sound is directly related to the density of the material and depends both on its temperature and on internal mechanical stress (deformation).
  • the magnitude of the Brillouin frequency shift carries information about the temperature and strain at the scattering point.
  • Accurate determination of the strain requires temperature measurement and subtraction of the temperature contribution to the Brillouin frequency shift, i.e., thermal compensation.
  • the Brillouin shift depends solely on temperature.
  • the measurement of the Brillouin frequency shift allows the measurement of temperature and strain.
  • the closest technical solution is a known distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature (see RF Patent> ⁇ ° 2346235, published July 27, 2008), which uses a method based on the Brillouin scattering phenomenon.
  • the known sensor comprises a source of stepwise optical light (optical) radiation for generating an optical pulse having a stepwise distribution of light intensity increasing toward the center, and a source of continuous light radiation for generating continuous light radiation.
  • the sensor also contains a sensitive optical fiber onto which an optical pulse is incident as the sounding light of the sensing, and the continuous light is incident as the light of the pump, so as to cause the Brillouin scattering between the light of the sounding and the light of the pump, and a Brillouin scattering detector in the time domain for determining the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum from light radiation, the output arising from a sensitive optical fiber and the attributed phenomenon of Brillouin scattering.
  • the measurement of the strain caused inside the sensitive optical fiber and / or the temperature of the sensitive optical fiber is made on the basis of a certain Brillouin attenuation spectrum or Brillouin gain spectrum.
  • a disadvantage of the known sensor is that it does not allow to limit the portion of the optical fiber where the Brillouin scattering phenomenon occurs, so that a signal attributed to the Brillouin scattering phenomenon that occurs throughout the sensitive optical fiber, which leads to an increase in the measurement time, is incident on the detector. signal-to-noise ratio and limits the distance from light sources and the detector to the most remote portion of the sensitive optical wave window.
  • the problem solved by the claimed sensor is the improvement of technical and operational characteristics and the provision of the possibility of taking measurements at a sufficiently large distance from the component requirements for the placement of the sensor components - optical radiation sources and detector.
  • the technical result that is obtained by performing the claimed sensor is an increase in the distance from optical radiation sources and the detector to the most remote portion of the sensitive optical fiber, reducing the measurement time, increasing the signal-to-noise ratio.
  • the distributed fiber-optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon comprising a source of first optical radiation, a source of second optical radiation, a sensitive optical fiber and an optical radiation detector, the first end of the sensitive the optical fiber is connected to the source of the first optical radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to the source the eyeglass of the second optical radiation, thereby causing a Brillouin scattering phenomenon between the first and second optical radiations, and the detector is connected to the first end of the sensitive optical fiber to detect radiation emerging from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, the sensitive optical fiber being connected to the source the first optical radiation and the optical radiation detector through a fiber optic transmission line, the length of the cat
  • the length of the sensor is at least half the length of the sensitive optical fiber, moreover, the connection of the first optical radiation source to the sensitive optical fiber and the connection of the sensitive optical fiber to the optical radiation detector are made using two linear paths isolated from each other.
  • connection of the sensitive optical fiber linear to the paths of the fiber optic transmission line can be performed by means of an optical circulator.
  • Deformation and / or temperature can be measured based on a specific Brillouin attenuation spectrum.
  • the strain and / or temperature can be measured based on a specific Brillouin gain spectrum.
  • the source of the first optical radiation, the source of the second optical radiation and the detector of optical radiation can be located in a common housing.
  • FIG. 1 depicts a generalized functional diagram of the claimed distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon.
  • the distributed fiber-optic sensor (Fig. 1) for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon comprises a first optical radiation source 1, a second optical radiation source 2, a sensitive optical fiber 3 and an optical radiation detector 4.
  • the first end of the sensitive optical fiber 3 is connected to the first optical radiation source 1 and the optical radiation detector 4 by means of a fiber optic transmission line using two linear paths 5 and 6 isolated from each other, respectively.
  • the connection can be made using an optical circulator 7.
  • the source 1 of the first optical radiation, the source 2 of the second optical radiation and the detector 4 of the optical radiation can be located in a common housing 8, for example, in the same way as in the prior art distributed fiber optic sensors.
  • the distributed fiber optic sensor (Fig. 1) operates as follows.
  • the source 1 emits the first optical radiation, which, through the linear path 5 of the fiber optic transmission line and the optical circulator 7, enters and propagates into the sensitive optical fiber 3. Moreover, the linear path 5 provides the transmission of the first optical radiation with the desired characteristics without distortion.
  • Source 2 emits a second optical radiation, which enters the sensitive optical fiber 3 and propagates therein towards the first optical radiation.
  • Source 1 and source 2 have characteristics that ensure their applicability to the corresponding Brillouin optical analysis method.
  • a Brillouin scattering phenomenon occurs between the first and second optical radiations, as a result of which a signal is attributed to the Brillouin scattering phenomenon, which propagates through the sensitive optical fiber 3 and through the linear path 6 of the fiber-optic transmission line, it enters the detector 4.
  • the linear path 6 provides the transmission of optical radiation with the desired characteristics without distortion.
  • the connection of the sensitive optical fiber 3 of the fiber-optic transmission line, namely to the linear paths 5 and 6, can be accomplished by means of the optical circulator 7.
  • the optical circulator 7 directs the first optical radiation from the linear path 5 connected to the source 1 to the sensitive optical fiber 3, and the radiation from the sensitive optical fiber 3 - directs to the linear path 6 connected to the detector 4.
  • Detector 4 measures the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum from optical radiation emerging from the sensitive optical fiber 3 and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, and determines the deformation and / or temperature of the sensitive optical fiber 3 based on a specific Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum.
  • the spatial distribution of the measured value along the sensitive optical fiber is determined by methods known from the prior art.
  • the Brillouin optical analysis method in time representation BOTDA
  • the optical radiation detector detects radiation emerging from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon depending on the delay time relative to the pulse of the first optical radiation .
  • the distance to the measurement point is calculated based on the conversion of the corresponding delay time.
  • sources 1, 2 and detector 4 can be performed in the same way as in the closest technical solution (prototype).
  • the claimed sensor can also use the Brillouin optical analysis method in the frequency representation (BOFDA), when the first optical radiation is harmonically modulated in amplitude and the optical radiation detector detects the phase and amplitude of the radiation coming out of the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, depending on the frequency modulation of the first optical radiation.
  • sources 1, 2 and detector 4 can be performed in the same way as in the commercially available system based on the Brillouin light scattering phenomenon (see URL: http://www.fibristerre.de/products-and -services /, accessed 05/13/2016).
  • Fiber optic transmission lines are widely used to transmit and receive an optical signal.
  • Fiber-optic transmission line is a combination of linear paths of fiber-optic transmission systems having a common optical cable, linear structures and devices for their maintenance within the limits of operation of service devices.
  • Mandatory channel-forming elements of a fiber optic transmission line are optical fibers.
  • Optical fibers are characterized by the attenuation parameter of the optical signal and dispersion characteristics. Typical attenuation of radiation with a wavelength of 1550 nm in a single-mode coupled optical fiber is 0.19-0.22 dB / km and the chromatic dispersion is about 20 ps / (nm km).
  • the amplitude of the optical signal decreases due to attenuation, and the temporal shape of the signal may be distorted due to the contribution of chromatic dispersion.
  • optical amplifiers widely used in the communications industry can be used, for example, Erbiev or Ramanovsky amplifiers, which are installed over a certain distance so that the gain compensates for the total attenuation and loss of optical power in the previous section of the optical fiber transmission lines.
  • a typical length of a linear path section without amplifiers is 50 km, which corresponds to a 10 dB loss in optical signal power.
  • spectral optical filters can be used in linear paths 5 and 6, which filter the optical useful signal from the spectral noise of optical amplifiers, for example, from spontaneous emission of an Erbium amplifier, by the wavelength spectrum.
  • dispersion compensators fiber or semiconductor
  • fiber or semiconductor can be used to compensate for the dispersion accumulated in the previous segment of the linear path.
  • optical fibers supporting the state of polarization of the signal allows one to get rid of the polarization-mode dispersion and reduce distortion in the transmission line.
  • the combination of an optical amplifier with a dispersion compensator sequentially installed behind it in the linear path is a repeater, the use of which allows you to restore the shape of the signal transmitted along the linear path 6 to the original state, that is, repeat the signal.
  • the length of the fiber-optic transmission line is chosen to be no less than half the length of the sensitive optical fiber 3. Denote the length of the sensitive optical fiber 3 by L.
  • L / 2 half the length of the sensitive optical fiber 3
  • the length of the fiber-optic transmission line L / 2 is the largest possible distance to the most distant section sensitive optical fiber 3 from the sources of optical radiation 1, 2 and detector 4 will be equal to 3L / 4.
  • a decrease in the measurement duration is achieved for sensors when it is necessary to make measurements at a distance from the optical radiation sources 1, 2 and detector 4 due to the fact that the Brillouin scattering phenomenon does not occur in the linear path 5, so that the fiber section analyzed by optical reflectometry is reduced to sensitive optical fiber 3, which reduces the measurement time in accordance with the reduction of the propagation time of the first optical radiation from the fiber optic transmission line Sensitivity optical fiber 3 and the source 2 and back to the detector 4.
  • the typical maximum permissible length of the sensitive optical fiber does not exceed 50 km, so that the length of the fiber-optic transmission line is not less than half the length of the sensitive optical fiber 3 is easily implemented using industry standard communication solutions.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Датчик относится к распределенным волоконно-оптическим датчикам на основе явления бриллюэновского рассеяния света, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно и может быть использовано для измерения распределения механических напряжений и/или, температуры с высокой точностью и высоким пространственным разрешением. Распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержит два источника оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна. Технический результат - увеличение расстояния до удаленных измеряемых участков, уменьшение продолжительности измерения, увеличение отношения сигнал/шум.

Description

Распределенный волоконно-оптический датчик
Полезная модель относится к распределенным волоконно-оптическим датчикам на основе явления бриллюэновского рассеяния света, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно и может быть использовано для измерения распределения механических напряжений и/или, температуры с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.
Известны волоконно-оптические датчики измерения распределения физических величин, таких как температура, деформация и гидростатическое давление вдоль чувствительного оптического волокна, которые используют методы на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, а именно бриллюэновского рассеяния, также называемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Определение места, в котором измеряется физический параметр (давление, деформация, температура), происходит на основе пересчета времени задержки от зондирования до регистрации сигнала рассеяния в расстояние, которое соответствует пути светового излучения по оптическому волокну от анализатора до места рассеяния и обратно.
Измерение времени задержки может производиться напрямую, как, например, в известном волоконно-оптическом бриллюэновском анализаторе (патент РФ на полезную модель 140707, опубликованный 20.05.2014). В известном анализаторе используется метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis), который использует принципы оптической рефлектометрии во временном представлении (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry). В известном анализаторе измеряется время задержки между импульсом оптического излучения, участвующем в бриллюэновском рассеянии, и регистрируемым фотоприемником сигналом, приписываемым явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется в оптическом волокне в противоположном импульсу направлении.
Другой известный способ измерения времени задержки (см., например., заявку на Европейский патент ЕР 2110646 А2, опубликована 11.12.2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, опубликована 04.1997). В известном способе используется метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis), который использует принципы, оптической рефлектометрии в частотном представлении (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry). В известных устройствах измеряется зависимость амплитуды и фазы оптического сигнала, приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, от частоты модуляции одной из оптических волн. Затем, путем преобразования Фурье частотной зависимости, рассчитывается временная зависимость сигнала, аналогичная зависимости получаемой оптической рефлектометрией во временном представлении.
Бриллюэновское рассеяние в оптическом волокне можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке показателя преломления, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный от решетки сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния. Для точного определения деформации требуется измерение температуры и вычитание температурного вклада в Бриллюэновский сдвиг частоты, то есть термокомпенсация. При защите оптического волокна от внешних механических воздействий, Бриллюэновский сдвиг зависит исключительно от температуры. Таким образом, измерение частотного Бриллюэновского сдвига позволяет измерять температуру и деформацию.
Существуют коммерчески доступные волоконно-оптические датчики температуры и деформации на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см. например, URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016; URL: http://www.neubrex.com/htm/products.htm, дата обращения 13/05/2016; URL: http://omnisens.ch/ditest 3511 -ditest-aim.php, дата обращения 13/05/2016), которые предназначены для использования в системах обнаружения утечек транспортируемого по трубопроводу продукта, системах мониторинга подвижек грунта, системах мониторинга состояния зданий и сооружений, системах мониторинга линий электропередачи и др.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является известный распределенный оптоволоконный датчик для измерения деформации и/или температуры (см. Патент РФ >Г°2346235, опубликованный 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении бриллюэновского рассеяния. Известный датчик содержит источник ступенчатого оптического светового (оптического) излучения для формирования оптического импульса, обладающего ступенчатым распределением интенсивности света, увеличивающейся по направлению к центру, и источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения. Также датчик содержит чувствительное оптическое волокно, на которое падает оптический импульс в качестве светового излучения зондирования, а непрерывное световое излучение является падающим в качестве светового излучения накачки, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между световым излучением зондирования и световым излучением накачки, и детектор бриллюэновского рассеяния во временной области для определения спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния. В известном датчике измерение деформации, вызванной внутри чувствительного оптического волокна, и/или температуры чувствительного оптического волокна, производится на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет ограничить участок оптического волокна, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что на детектор попадает сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, которое происходит на всем протяжении чувствительного оптического волокна, что приводит к увеличению продолжительности измерения, уменьшает отношение сигнал/шум и ограничивает расстояние от источников световых излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна.
Решаемая заявленным датчиком задача - улучшение технико- эксплуатационных характеристик и обеспечение возможности проведения измерений на достаточно большом удалении от требовательных к условиям размещения составных частей датчика - источников оптических излучений и детектора.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного датчика - увеличение расстояния от источников оптических излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна, уменьшение продолжительности измерения, увеличение отношения сигнал/шум.
Указанный технический результат достигается за счет того, что распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержащий источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем первый конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику первого оптического излучения, второй конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику второго оптического излучения, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, а детектор подключен к первому концу чувствительного оптического волокна для регистрации излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, причем чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна, причем, подключение источника первого оптического излучения к чувствительному оптическому волокну и подключения чувствительного оптического волокна к детектору оптического излучения выполнены с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов.
Подключение чувствительного оптического волокна линейным к трактам волоконно-оптической линии передачи может быть выполнено посредством оптического циркулятора.
Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления.
Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского усиления.
Источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения и детектор оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе.
Указанные преимущества заявленного датчика, а также его особенности поясняются с помощью прилагаемых чертежей. Фиг. 1 изображает обобщенную функциональную схему заявленного распределенного волоконно-оптического датчика для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния.
Распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержит источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно 3 и детектор 4 оптического излучения.
Первый конец чувствительного оптического волокна 3 подключен к источнику 1 первого оптического излучения и детектору 4 оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов 5 и 6, соответственно. Подключение может быть выполнено при помощи оптического циркулятора 7.
Источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения и детектор 4 оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе 8, например, аналогично как в известных из уровня техники распределенных волоконно-оптических датчиках.
Работает распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) следующим образом.
Источник 1 излучает первое оптическое излучение, которое через линейный тракт 5 волоконно-оптической линии передачи и оптический циркулятор 7 попадает в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем. При этом, линейный тракт 5 обеспечивает передачу первого оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Источник 2 излучает второе оптическое излучение, которое попадет в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем навстречу первому оптическому излучению. Источник 1 и источник 2 имеют характеристики, обеспечивающие их применимость для соответствующего метода бриллюэновского оптического анализа. В чувствительном оптическом волокне 3 происходит явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, в результате которого генерируется сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется по чувствительному оптическому волокну 3 и через линейный тракт 6 волоконно-оптической линии передачи попадает на детектор 4. При этом, линейный тракт 6 обеспечивает передачу оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Подключение чувствительного оптического волокна 3 волоконно-оптической линии передачи, а именно к линейным трактам 5 и 6 может быть выполнено посредством оптического циркулятора 7. Оптический циркулятор 7 направляет первое оптическое излучение от линейного тракта 5, подключенного к источнику 1, в чувствительное оптическое волокно 3, а излучение из чувствительного оптического волокна 3 - направляет в линейный тракт 6, подключенный к детектору 4. Использование циркулятора 7 предотвращает паразитное попадание первого оптического излучения на детектор 4, а также предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 на источник 1, и обеспечивает передачу излучения из чувствительного оптического волокна 3 на детектор 4 с низкими потерями. Оптические циркуляторы являются стандартными компонентами и коммерчески доступны (см. например, URL: https ://www. thorlabs.com/newgrouppage9.cfm7obi ectgroup id=373 , дата обращения 13/05/2016).
Детектор 4 измеряет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления по оптическому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна 3 и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и определяет деформацию и/или температуру чувствительного оптического волокна 3, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.
Определение пространственного распределения измеряемой величины вдоль чувствительного оптического волокна производится известными из уровня техники методами. В заявленном датчике может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA), когда первое оптическое излучение представляет собой импульс и детектор оптического излучения регистрирует излучение, выходящее из чувствительного оптического волокна и приписываемое явлению бриллюэновского рассеяния в зависимости от времени задержки относительно импульса первого оптического излучения. Расстояние до точки измерения рассчитывается на основе пересчета соответствующего времени задержки. В этом случае, источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в наиболее близком техническом решении (прототипе). В заявленном датчике также может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA), когда первое оптическое излучение гармонически модулировано по амплитуде и детектор оптического излучения регистрирует фазу и амплитуду излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, в зависимости от частоты модуляции первого оптического излучения. В этом случае, источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в известной из уровня техники коммерчески доступной системе на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см. URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016).
В отрасли связи для передачи и приема оптического сигнала достаточно широко используются волоконно-оптические линии передачи. Волоконно- оптическая линия передачи представляет собой совокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания в пределах действия устройств обслуживания. Обязательными каналообразующими элементами волоконно-оптической линии передачи являются оптические волокна. Оптические волокна характеризуются параметром затухания оптического сигнала и дисперсионными характеристиками. Типичная величина затухания излучения с длиной волны 1550 нм в связных одномодовых оптических волокнах составляет 0,19-0,22 дБ/км и величина хроматической дисперсии составляет около 20 пс/(нм км). При передаче оптического излучения по линейным трактам 5 и 6 происходит падение амплитуды оптического сигнала вследствие затухания, и может искажаться временная форма сигнала вследствие вклада хроматической дисперсии.
Для восстановления амплитуды оптического сигнала в линейныхм трактах 5 и 6 могут применяются широко используемые в отрасли связи усилители оптические, например, Эрбиевые или Рамановские, которые устанавливаются через определенное расстояние так, чтобы величина усиления компенсировала общее затухание и потери оптической мощности на предыдущем участке волоконно-оптической линии передачи. Типичное длина участка линейного тракта без усилителей составляет 50 км, что соответствует потере мощности оптического сигнала на 10 дБ. Кроме устройств обслуживания в виде усилителей оптических, в линейных трактах 5 и 6 могут использоваться спектральные оптические фильтры, которые отфильтровывают по спектру длин волн оптический полезный сигнал от спектральных шумов усилителей оптических, например, от спонтанного излучения Эрбиевого усилителя. Для восстановления временной формы сигнала могут применяться компенсаторы дисперсии (волоконные или полупроводниковые), компенсирующие накопленную на предыдущем отрезке линейного тракта дисперсию. Использование поддерживающих состояние поляризации сигнала оптических волокон позволяет избавиться от поляризационно-модовой дисперсии и уменьшить искажение в линии передачи. Объединение усилителя оптического с последовательно установленным за ним в линейном тракте компенсатором дисперсии является повторителем, использование которого позволяет восстанавливать форму передаваемого по линейному тракту 6 сигнала до состояния исходного, то есть повторять сигнал.
Отметим, что в линейном тракте 6 отсутствует бриллюэновское рассеяние вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, так как там отсутствует распространяющееся навстречу первое оптическое излучение. Таким образом использование линейного тракта 6 для подключения чувствительного оптического волокна 3 к детектору 4 предотвращает нелинейные искажения передаваемого оптического излучения и ограничивает область, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, чувствительным оптическим волокном 3.
Длина волоконно-оптической линии передачи выбрана не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3. Обозначим длину чувствительного оптического волокна 3 величиной L. При длине волоконно-оптической линии передачи L/2 (половина длины чувствительного оптического волокна 3) наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную 3L/4. Например, в случае, когда источники оптических излучений 1 , 2 и детектор 4 расположены в общем корпусе 8, такое расстояние достигается, когда волоконно-оптическая линия передачи и чувствительное оптическое волокно 3 расположены вдоль одной прямой, так что волоконно-оптическая линия передачи подключается к чувствительному оптическому волокну на удалении L/2 от общего корпуса 8, которое удаляется дополнительно на L/4 и затем поворачивает обратно, так что его оставшейся длины 3L/4 хватает для подключения к расположенным в общем корпусе 8 источнику 1 и детектору 4. В случае отсутствия волоконно-оптической линии передачи, очевидно, что наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную L/2. Так что увеличение указанного выше расстояния при использовании тракта 6 составит величину L/4, то есть на 50% относительно L/2. Таким образом, такой выбор длины волоконно-оптической линии передачи позволяет существенно увеличить максимально достижимое расстояние от наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4.
Увеличение отношения сигнал/шум достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 за счет того, что линейный тракт 6 обеспечивает возможность передачи оптического излучения от чувствительного оптического волокна 3 до детектора 4 , без указанных выше искажений, которые бы происходили при распространении излучения в чувствительном оптическом волокне. Заметим также, что использование циркулятора 7 предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 в линейный тракт 5, что предотвращает бриллюэновское рассеяние вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, и, таким образом, обеспечивает возможность передачи первого оптического излучения от источника 1 до чувствительного оптического волокна 3 без указанных выше искажений, что дополнительно увеличивает отношение сигнал/шум.
Уменьшение продолжительности измерения, достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1 , 2 и детектора 4 за счет того, что в линейным тракте 5 не происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что анализируемый методом оптической рефлектометрии участок волокна сокращается до чувствительного оптического волокна 3, что уменьшает время измерения в соответствии с уменьшением времени распространения первого оптического излучения от волоконно-оптической линии передачи по чувствительному оптическому волокну 3 до источника 2 и обратно до детектора 4. Заметим также, что типичная максимально допустимая длина чувствительного оптического волокна не превышает 50 км, так что длина волоконно-оптической линии передачи не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3 легко реализуема с использованием стандартных в отрасли связи решений.

Claims

Формула
1. Распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержащий источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем первый конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику первого оптического излучения, второй конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику второго оптического излучения, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, а детектор подключен к первому концу чувствительного оптического волокна для регистрации излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, отличающийся тем, чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна, причем, подключение источника первого оптического излучения к чувствительному оптическому волокну и подключения чувствительного оптического волокна к детектору оптического излучения выполнены с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов.
2. Распределенный волоконно-оптической датчик по п.1, в котором подключение чувствительного оптического волокна к линейным трактам волоконно-оптической линии передачи выполнено посредством оптического циркулятора.
3. Распределенный волоконно-оптической датчик по п.1, в котором деформация и/или температура измеряется на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления.
4. Распределенный волоконно-оптической датчик по п.1, в котором деформация и/или температура измеряется на основании определенного спектра бриллюэновского усиления.
5. Распределенный волоконно-оптической датчик по п.1, в котором источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения и детектор оптического излучения расположены в общем корпусе.
PCT/RU2017/000621 2016-09-06 2017-08-25 Распределенный волоконно-оптический датчик WO2018048327A1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE212017000209.3U DE212017000209U1 (de) 2016-09-06 2017-08-25 Verteilter faseroptischer Sensor
JP2019600091U JP3222970U (ja) 2016-09-06 2017-08-25 分布型光ファイバセンサ
CH00270/19A CH714284B1 (de) 2016-09-06 2017-08-25 Verteilter faseroptischer Sensor.
CA3035884A CA3035884A1 (en) 2016-09-06 2017-08-25 Distributed fibre optic sensor
GB1903471.9A GB2568419B (en) 2016-09-06 2017-08-25 Distributed fibre optic sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016135839 2016-09-06
RU2016135839 2016-09-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018048327A1 true WO2018048327A1 (ru) 2018-03-15

Family

ID=61562199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000621 WO2018048327A1 (ru) 2016-09-06 2017-08-25 Распределенный волоконно-оптический датчик

Country Status (6)

Country Link
JP (1) JP3222970U (ru)
CA (1) CA3035884A1 (ru)
CH (1) CH714284B1 (ru)
DE (1) DE212017000209U1 (ru)
GB (1) GB2568419B (ru)
WO (1) WO2018048327A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110361111A (zh) * 2019-08-15 2019-10-22 广东电网有限责任公司 一种分布式光纤温度传感器温度精度测试系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2082119C1 (ru) * 1994-05-20 1997-06-20 Московский государственный университет леса Волоконно-оптическое мультиплексное устройство для измерения температуры
US5825804A (en) * 1993-01-06 1998-10-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Temperature distribution measuring apparatus using an optical fiber
RU2510609C2 (ru) * 2012-07-27 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Устройство оптической идентификации измерительных каналов системы встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков
US8699009B2 (en) * 2008-11-27 2014-04-15 Neubrex Co., Ltd. Distributed optical fiber sensor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008019150B4 (de) 2008-04-16 2010-07-08 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Vorrichtung und Verfahren zur Brillouin-Frequenzbereichsanalyse

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825804A (en) * 1993-01-06 1998-10-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Temperature distribution measuring apparatus using an optical fiber
RU2082119C1 (ru) * 1994-05-20 1997-06-20 Московский государственный университет леса Волоконно-оптическое мультиплексное устройство для измерения температуры
US8699009B2 (en) * 2008-11-27 2014-04-15 Neubrex Co., Ltd. Distributed optical fiber sensor
RU2510609C2 (ru) * 2012-07-27 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Устройство оптической идентификации измерительных каналов системы встроенного неразрушающего контроля на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110361111A (zh) * 2019-08-15 2019-10-22 广东电网有限责任公司 一种分布式光纤温度传感器温度精度测试系统及方法
CN110361111B (zh) * 2019-08-15 2021-11-26 广东电网有限责任公司 一种分布式光纤温度传感器温度精度测试系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CH714284B1 (de) 2021-10-29
GB201903471D0 (en) 2019-05-01
GB2568419B (en) 2021-10-06
DE212017000209U1 (de) 2019-04-09
CA3035884A1 (en) 2018-03-15
GB2568419A (en) 2019-05-15
JP3222970U (ja) 2019-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2183624B1 (en) Distributed optical fiber sensor system
AU2018343339B2 (en) Tailor distributed amplification for fiber sensing
US9599460B2 (en) Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers
CA2563597C (en) Direct measurement of brillouin frequency in distributed optical sensing systems
CA2515705C (en) Method and apparatus for generation and transmission of high energy optical pulses for long range measurements
CN103597328B (zh) 一种用于传感的传感器和方法
US8734011B2 (en) Distributed optical fiber temperature sensor based on optical fiber delay
CN102639966A (zh) 光学传感器及使用方法
CN102506912A (zh) 一种光纤分布式扰动传感器
KR101633954B1 (ko) 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템
KR101310783B1 (ko) 브릴루앙 이득 및 손실 동시 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 및 센싱 방법
CN104011508A (zh) 基于布拉格光栅和光学时域反射计的光纤传感系统
CN116295778A (zh) 分布式声波传感系统及其解调方法
CN113092082B (zh) Opgw光缆寿命预测系统
CN113670353A (zh) 一种基于少模光纤模式复用的布里渊光时域分析仪
Yang et al. Thousands of fiber grating sensor array based on draw tower: a new platform for fiber-optic sensing
WO2018048327A1 (ru) Распределенный волоконно-оптический датчик
WO2018048326A1 (ru) Протяженный распределенный волоконно-оптический датчик
RU170943U1 (ru) Распределенный волоконно-оптический датчик
RU170925U1 (ru) Протяженный распределенный волоконно-оптический датчик
CN113091783B (zh) 基于二级布里渊散射的高灵敏传感装置及方法
CN214096342U (zh) 一种基于ofdr的振动信号自动检测装置
Sandah et al. Spectral Shadowing Compensation in Double-pulse FBG-assisted φ-OTDR
RU138620U1 (ru) Бриллюэновский оптический рефлектометр
KR102644918B1 (ko) 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17849191

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3035884

Country of ref document: CA

Ref document number: 2019600091

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 201903471

Country of ref document: GB

Kind code of ref document: A

Free format text: PCT FILING DATE = 20170825

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17849191

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1