ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ФАЗЫ С УМЕНЬШЕНИЕМ ВЛИЯНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЕЙ РЕГИСТРИРУЮЩЕГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
FIBER-OPTIC DEVICE FOR DETECTING VIBRATION EFFECTS WITH PHASE RECOVERY WITH REDUCED EFFECT OF INSTABILITIES OF THE RECORDING INTERFEROMETER

Область техники
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.
Уровень техники
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.
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.
Базовому методу соответствуют базовые схемы устройств реализации метода, а также и множество производных схем устройств фазочувствительной рефлектометрии.
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.
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.
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.
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.
Недостатком данного изобретения является влияние температурной нестабильности, а также нестабильности длины волны лазерного источника, приводящее к увеличению погрешности измерения изменения регистрируемой фазы.
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.
Недостатком данного изобретения является наличие нестабильности длины волны лазерного источника, а также температурная нестабильность приемной части, приводящие к увеличению погрешности измеряемой фазы.
Раскрытие изобретения
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.
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  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.
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.
Перечень фигур
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 представлены графики сигнала и его составляющих.
Осуществление изобретения
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.
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.
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.
11const
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)=I(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:
11.1
11const
p
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ - 2π/3))
11.2
11const
p
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ))
11.3
11const
p
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ + 2π/3))
На основании этих трех графиков можно восстановить фазу исходя из выражения:
убрав перескоки через величину π, что является известным и отработанным алгоритмом. В данном выражении влияние на фазу сигнала оказывают три основных фактора:
где λ(t) - длина волны лазерного источника в момент времени t,
s - чувствительность контролируемой линии оптического волокна 5 к воздействию, которая зависит от типа грунта, конструкции кабеля и других параметров,
P(t) - величина внешнего воздействия на контролируемую линию оптического волокна 5 - это и есть тот сигнал, получение которого является целью работы устройства,
- колебания разности плеч неравноплечего интерферометра Маха-Цендера
с оптической разностью хода 9 от изменений температуры и вибраций в устройстве, которые обычно не получается полностью устранить.
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:
15.1
15const
л
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ - 2π/3))
15.2
15const
л
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ))
15.3
15const
л
I(s, t)=I(s, t) ⋅ (1+cos(Δϕ + 2π/3))
На основании этих трех графиков можно восстановить фазу исходя из выражения:
убрав перескоки через величину я, что является известным и отработанным алгоритмом.
В данном выражении влияние на фазу сигнала оказывают два основных фактора:
где λ(t) - длина волны высокостабильного узкополосного источника излучения 1 в момент времени t,
- колебания разности плеч неравноплечего интерферометра Маха-Цендера с оптической разностью хода 9 от изменений температуры и вибраций в приборе.
На фиг. 2 представлены графики сигнала и его составляющих.
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  и λ(t) а в другом (выражение 2) - только шумовые составляющие.
Следовательно, вычитание второго сигнала из первого позволит компенсировать нестабильность, вносимую неравноплечим интерферометром Маха-Цендера с оптической разностью хода 9:
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.
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.