Распределенный датчик
DISTRIBUTED SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения амплитудно-фазовых характеристик светового излучения, рассеянного от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента, и позволяет реализовать распределенный датчик различных переменных параметров среды, таких как, например, температура или механические деформации с высокой чувствительностью. В свою очередь распределенные оптоволоконные датчики имеют широкую область применения (контроль состояния протяженных объектов, таких, например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции).
Известно техническое решение бриллюэновского рефлектометра, который содержит импульсный лазер, направленный ответвитель, чувствительный элемент в виде протяженного оптического волокна, коллимирующую оптику, сканируемый интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник и электронный блок управления и обработки информации. Лазер соединен с направленным ответвителем посредством отрезка оптического волокна, чувствительный элемент соединен с выходом того же направленного ответвителя непосредственно, второй выход ответвителя через отрезок волокна через коллимирующую оптику и сканируемый интерферометр связан с фотоприемником. Электронный блок управления и обработки информации связан с фотоприемником и управляет базой интерферометра. Лазерный импульс от лазера через направленный ответвитель поступает в чувствительный элемент. При распространении по волокну вследствие спонтанного мандельштам-бриллюэновского рассеяния (далее - МБР) в направлении назад возникают, наряду с несмещенной (рэлеевской) компонентой, две компоненты неупругого рассеяния, смещенные относительно частоты возбуждающего излучения на бриллюэновскую частоту вверх (антистокс) и вниз (стоке). Этот частотный сдвиг несет информацию об измеряемой механической деформации оптического волокна. Записав спектр рассеянного излучения путем сканирования базы интерферометра Фабри-Перо или иного спектрального прибора, можно однозначно определить бриллюэновский сдвиг частоты и связанный с ним измеряемый параметр - деформацию оптического волокна, обусловленную как наличием неоднородностей в последнем, так и различными внешними факторами: изменением температуры, изменением виброаккустического фона и т.п. (SU №1534304 А1, опубл. 07.01.1990).
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная малостью сигналов МБР (они на 20 дБ меньше, чем сигналы рэлеевского рассеяния). Кроме того, ввиду наличия оптических потерь в оптическом волокне невозможно проводить измерения на больших расстояниях (десятки км). Чувствительность может быть повышена за счет увеличения времени накопления информации. Однако накопление информации в течение десятков минут или часов является в большинстве случаев неприемлемым.
Известен распределенный оптоволоконный датчик температуры, использующий отражение света от интегрированых в волокно решеток Брэгга, предназначенный для мониторинга температуры протяженных объектов (S.J. Mihailov, Sensors 12, 1898-1918 (2012).
К недостаткам известного устройства, помимо сложности изготовления его чувствительного элемента, следует отнести узость его технологических возможностей, обусловленную способностью измерять лишь один параметр - температуру среды, в которую помещен датчик.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий, содержащий чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен в виде последовательно оптически соединенных непрерывного полупроводникового лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов (RU №2516346 С1, опубл. 20.05.2014).
К недостаткам прототипа следует отнести узость его технологических возможностей, обусловленную способностью измерять лишь один параметр - виброаккустические характеристики среды, в которую помещен датчик.
Задача изобретения - формирование способности распределенного датчика регистрировать различные параметры среды, в которую он помещен, такие как виброакустические, температура и, возможно, иные.
Технический результат - расширение технологических возможностей распределенного датчика за счет регистрации различных параметров.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в распределенном датчике, предназначенном для измерения переменного параметра среды, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде заключенного в оболочку оптического волокна и предназначенный для помещения в упомянутую среду, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера и модулятора, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов, и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, соединенный с блоком управления и синхронизации, соединенным с источником периодической последовательности оптических импульсов, блок обработки содержит частотный фильтр с полосой пропускания индуцируемых средой в чувствительном элементе колебаний в частотном диапазоне измеряемого параметра, при этом частотный фильтр может быть выполнен в виде набора сменных частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для измерения разных переменных параметров среды, или в виде набора частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для формирования набора полос пропускания в частотных диапазонах, характерных исключительно для измеряемого переменного параметра среды, в частности, для измерения температуры фильтр выполнен с диапазоном пропускания от 0 до 25 Гц, для измерения виброаккустических характеристик фильтр выполнен с диапазоном пропускания от 25 Гц до 1 кГц, кроме того, целесообразно, чтобы источник периодической последовательности тестирующих сигналов был выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса, в частности источник периодической последовательности тестирующих сигналов может быть выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, 1/2π, π и 3/2π, или источник периодической последовательности тестирующих сигналов может быть выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, 2/3π и 4/3π, при этом рекомендовано, чтобы источник периодической последовательности тестирующих сигналов был выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов длительностью от 50 нс до 500 нс, и/или источник периодической последовательности тестирующих сигналов был выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с различной несущей частотой, в дополнение рекомендовано, чтобы источник периодической последовательности тестирующих сигналов был выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с длительностью фронтов и спадов менее 20 нс, оптимально, чтобы источник периодической последовательности тестирующих сигналов был выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с задержкой второго импульса относительно первого на величину от 100 до 1000 нс. Изобретение иллюстрируется изображениями, где:
- на фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство;
- на фиг. 2 показана амплитуда оптического поля для типичной последовательность двойных импульсов, сформированная акусто-оптическим модулятором в частом случае тестирующей последовательности со сдвигом фаз на 0, π, π и 3/2π;
- на фиг. 3 показана пространственно-временная диаграмма изменения фазового набега в тестируемом волокне;
- на фиг. 4 показан фазовый набег, измеренный когерентным рефлектометром (линия), и показания термометра, пересчитанные в изменение оптической фазы.
Устройство включает в себя узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, формирующий импульсы с требуемыми фазовыми сдвигами и временными задержками, оптический усилитель мощности 3, узел 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 и вывода рассеянного излучения, оптический усилитель 6, оптический фильтр 7, фотоприемник 8, блок обработки сигналов 9, фильтр частот 10, блок постобработки, управления и синхронизации 11.
В основе изобретения лежит утверждение, что различным физическим явлениям, таким как тепловой нагрев, виброаккустическое воздействие и прочие, свойственен свой частотный диапазон, а информация об изменении распределения интенсивности воздействия (например, распределение изменения температуры) заключена в пределах характерного для этого вида воздействия частотного диапазона. Поэтому оснащение блока обработки 9 фильтром частот 10 с полосой пропускания индуцируемых средой в чувствительном элементе колебаний в частотном диапазоне измеряемого параметра позволит измерять изменения исключительно этого параметра.
Ниже продемонстрируем работу устройства применительно к измерению изменения температуры, например, среды - почвы вблизи газопровода, в которую помещен чувствительный элемент распределенного датчика (в этом случае осуществляется мониторинг техногенного события - возгорания в или вблизи газопровода).
От лазера 1 непрерывное узкополосное излучение поступает на акустооптический модулятор 2, в соответствии с программой управления, вырезающий из него зондирующие группы коротких импульсов и вносящий требуемый фазовые сдвиги между импульсами. Пример простейшей зондирующей группы импульсов в виде последовательности парных прямоугольных импульсов с переменным фазовым сдвигом приведен на Фиг. 2. Для работы устройства требуется, чтобы длина оптической когерентности лазера существенно превышала расстояние между импульсами в зондирующей группе. Акустооптический модулятор помимо фазовых сдвигов может так же изменять величину оптической несущей и в более широком смысле, динамически манипулировать оптическим спектром зондирующих импульсов, что позволяет перераспределять зоны интерференционной нечувствительности вдоль длины волокна.
Длина волны излучения, в частности, может составлять 1550 нм, что соответствует технически хорошо освоенному диапазону телекоммуникационной техники. Группы импульсов усиливаются в оптическом усилителе мощности 3 и через узел 4 поступают в чувствительный элемент 5 - оптическое волокно в кабеле, расположенном внутри или рядом с контролируемым объектом.
В оптическом волокне 5 излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (рассеяние Рэлея). Часть излучения рассеивается назад и распространяется по волокну обратно, затем через узел 4 поступает на оптический предварительный усилитель 6 и после усиления и фильтрации узкополосным оптическим фильтром 7 излучение поступает на фотоприемник 8, где преобразуется в электрический сигнал и поступает в блок обработки 9 для предварительной обработки и вычисления распределения дифференциального фазового набега вдоль волокна, затем сигналы, пропорциональные дифференциальному фазовому набегу в разных точках волокна поступают на фильтр низких частот 10, после которого подаются на блок постобработки, управления и синхронизации 11.
При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и соответственно фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайному характеру интерференции рассеянного излучения. Типичный вид когерентной рефлектограммы, соответствующий одной зондирующей группе импульсов, показан на Фиг. 3.
В отсутствии изменений, например, температуры (или иного параметра) волокна, отличия между рефлектограммами от разных групп зондирующих импульсов, вызванные оптической интерференцией, зависят от набега оптической фазы в волокне. Поскольку фазовые и частотные характеристики каждой из групп известны, а набег оптической фазы одинаков для всех зондирующих групп, то этот фазовый набег вычисляется в результате анализа набора рефлектограмм. В частности, обработку рефлектограмм с целью восстановления оптической фазы, можно осуществлять аналогично восстановлению фазы в широко используемом на практике методе оптического гетеродинирования.
При наличии изменения температуры волокна 5 фазовый набег в области воздействия изменяется во времени пропорционально воздействию. Величина изменения набега фазы пропорциональна величине изменения температуры, а временная задержка сигнала относительно момента запуска тестирующих импульсов в волокно однозначно определяет координату воздействия.
Фильтр частот с частотой пропускания от 0 до 25 Гц в блоке обработки сигнала обеспечивает подавление вариаций фазы, вызванных виброакустическими и иными воздействиями.
Оптический фазовый сдвиг, обусловленный внешним воздействием на волокно и координату воздействия, определяет блок 9 путем обработки последовательности рефлектограмм. Фиг. 4 показывает пример результата такой обработки рефлектограмм, полученных в эксперименте. В этом примере зависящий от времени набег оптической фазы создавался пъезомодулятором, воздействующим на волокно с частотой 30 Гц и расположенным на участке волокна вблизи отметки 200 м. В данном случае использовалась последовательность парных импульсов, схожая с показанной на Фиг. 2, при длительности импульсов 200 нс, задержке между ними 300 нс и задержке между группами импульсов равной 0,5 мсек.
Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что оснащение блока обработки 9 фильтром частот 10 с полосой пропускания индуцируемых средой в чувствительном элементе колебаний в частотном диапазоне измеряемого параметра позволит измерять изменения исключительно этого параметра.
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что выполнение фильтра 10 возможно в виде набора сменных частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для измерения разных переменных параметров среды.
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что выполнение фильтра 10 возможно в виде набора частотных фильтров с разными полосами пропускания, предназначенных для формирования набора полос пропускания в частотных диапазонах, характерных исключительно для измеряемого переменного параметра среды - в этом случае рассматривается возможность измерения сложного параметра, например, целостности трубопровода, разгерметизация которого сопровождается одновременным изменением ряда связанных параметров, таких как температура и виброаккустические вибрации.
К наиболее распространенным параметрам, измеряемым распределенными датчиками, относятся температура и виброаккустические характеристики.
Так, тепловое воздействие характеризуется диапазоном частот от 0 до 25 Гц. Следовательно, оснастив блок обработки 9 фильтром частот 10 с диапазоном пропускания от 0 до 25 Гц, будем измерять преимущественно изменения температуры.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что оснастив блок обработки 9 фильтром частот 10 с диапазоном пропускания от 25 Гц до 1 кГц, будем измерять преимущественно изменения виброаккустической характеристики (свойственной движению различных живых и механизированных объектов, механическому воздействию на среду и т.п.).
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что блок управления 9 с помощью акусто-оптического модулятора формирует группы зондирующих импульсов с индивидуальными фазо-частотными характеристиками.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что сортировка и обработка рефлектограмм производится с учетом индивидуальных фазо-частотных характеристик зондирующих групп, что позволяет однозначно восстановить набег оптической фазы в волокне, а так же зафиксировать его изменение при возникновении внешнего воздействия.
Измерение оптической фазы рефлектограммы вместо интенсивности, как было реализовано в прототипе, позволяет добиться линейной и однородной чувствительности к внешнему воздействию вдоль всей длины волокна (датчика), что существенно упрощает обработку и интерпретацию данных о внешнем воздействии.
Другие отличия в свете заявленного технического результата: манипуляция временными задержками между импульсами, а так же их фазо-частотными характеристиками позволяет уменьшить вероятность возникновения зон нечувствительности в волокне-датчике, что дополнительно повышает надежность устройства по сравнению с прототипом и ближайшими аналогами.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом наглядно показано в Таблице 1.
Проведенные опыты подтвердили, что использование заявленного технического решения с применением фильтров с пропускной способностью в различных диапазонах частот позволяет оперативно выявлять как нагрев/охлаждение, так и вибро-аккустические и, возможно, иные воздействия на любых участках протяженного объекта, фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места изменения измеряемой характеристики.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - формирование способности распределенного датчика регистрировать различные параметры среды, в которую он помещен, решена, а заявленный технический результат - расширение технологических возможностей распределенного датчика за счет регистрации различных параметров - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном распределенном датчике отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к измерительной технике, предназначен для измерения амплитудно-фазовых характеристик светового излучения, рассеянного от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента, и позволяет реализовать распределенный датчик температуры или механических деформаций с высокой чувствительностью;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.