ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к устройствам акустического мониторинга внешних воздействий на протяженные объекты. Указанные устройства содержат распределенный волоконно-оптический датчик. Протяженными объектами могут быть железные дороги, продуктопроводы, длинные мосты и дамбы, государственная граница, периметры инфраструктурных объектов особой значимости и др.
Внешние воздействия вызывают механические и акустические колебания, воздействующие на распределенный волоконно-оптический датчик, расположенный в непосредственной близости от объекта. При мониторинге протяженных объектов важна не только информация о наличии внешнего акустического воздействия на объект, но и возможность определения физических параметров этого воздействия для идентификации объекта воздействия.
Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта [патент РФ RU 2271446 С1]. Устройство содержит лазер, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, узел спектрального уплотнения, фильтр, оптический вентиль, оптический модулятор и выходной направленный оптический ответвитель. Лазер соединен с узлом спектрального уплотнения, выходной направленный оптический ответвитель соединен с узлом ввода в чувствительный элемент. Недостатком известного устройства является то, что оптический модулятор встроен в резонатор лазера, поэтому отсутствует возможность стабилизации частоты излучения лазера. Это является причиной сравнительно больших фазовых шумов лазера, что в конечном итоге ухудшает фазовую чувствительность системы.
g
g
Известен способ мониторинга состояния протяженных объектов, преимущественно продуктопроводов, и устройство для его осуществления [Патент РФ RU 2287331 С1]. Способ заключается в оснащении чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производстве последовательности когерентных оптических импульсов длительностью τ, с шириной спектра порядка  и временным интервалом Т между импульсами, организации рефлектометрического канала и подаче указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрации амплитуды сигналов обратного релеевского рассеяния, сравнительном анализе указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделении в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений по длине чувствительного оптического волокна, определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал Т между импульсами превосходит величину 2L/V, где V - групповая скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса τ. Устройство, реализующее указанный способ, содержит электронный импульсный модулятор, источник когерентного излучения - импульсный полупроводниковый лазер с шириной спектра оптического излучения порядка , светоделительное средство, чувствительное оптическое волокно, фотоприемник с усилителем и блок таймирования и электронной обработки сигнала. Недостатком способа и устройства является то, что, по сути, реализован пороговый датчик, который позволяет определить наличие внешнего акустического воздействия, но не позволяет определить форму сигнала внешнего воздействия. Кроме того, не учтено явление замирания сигнала (fading=«фединг»), которое ухудшает надежную работу предлагаемых способа и устройства. Как известно [P.Healey. Fading in heterodyne OTDR. Election Lett. vol.20, p.p.30-32, 1984] и [H.Isumita et. al. Fading noise reduction in cogerent OTDR. IEEE Photon. Technol. Lett., vol.4, no 2, p.p.201-203, Feb. 1992], высокая степень когерентности источника излучения в рефлектометре приводит к замиранию сигнала в линии. Явление замирания сигнала имеет аналог в радиочастотном диапазоне, связанный с многолучевым характером распространения радиоволн, который в отечественной литературе называют «федингом», см. напр. [Патент РФ RU 2127951. Способ и устройство для управления мощностью передачи в сотовой системе подвижной радиотелефонной связи многостанционного доступа с кодовым разделением каналов], [Абилов А.В. Распространение радиоволн в сетях подвижной связи: Теоретический материал и задачи для практических занятий. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2001. - 24 с.]
Известны способ и устройство для волоконно-оптического датчика охранной сигнализации [Патент США APPARATUS AND METHOD FOR FIBER OPTIC INTRUSION SENSING, US 5194847, 1993]. Устройство содержит узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного вдоль протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором. Недостатком известного устройства является низкая мощность источника излучения, следовательно, малый динамический диапазон, который ограничивает длину зондируемой волоконной линии. В устройстве не учтено наличие замирания (fading) сигнала в линии.
Известно устройство для детектирования внешних воздействий на оптическое волокно, при распространении света в оптическом волокне [Патент США DETECTING A DISTURBANCE IN THE PROPAGATION OF LIGHT IN AN OPTICAL WAVEGUIDE. US 7872736 B2, 2011], которое является наиболее близким техническим решением. Известное устройство содержит источник света, формирователь импульса, состоящего из двух равных по длительности взаимно когерентных частей высокой интенсивности, разделенных участком с существенно близкой к нулю интенсивностью, чувствительное волокно, светоделительное средство, фотоприемник для детектирования обратно рассеянного света, блок обработки сигнала фотоприемника. Наличие в устройстве участка с существенно близкой к нулю интенсивностью в зондирующем импульсе приводит к тому, что на фотоприемнике в каждый момент времени интерферируют две оптические волны, рассеянные от двух разных участков чувствительного оптического волокна, отстоящих друг от друга на расстоянии равном расстоянию между импульсами, причем длина этих рассеивающих участков равна половине пространственной длины входного оптического импульса высокой интенсивности. Далее в блоке обработке известного устройства реализуется алгоритм пространственного усреднения рефлектограмм и квадрата разности двух последовательных рефлектограмм на интервале расстояния, соответствующем длине участка с существенно близкой к нулю интенсивностью входного зондирующего импульса оптического излучения. Отношение квадратного корня усредненного квадрата разности двух следующих одна за другой рефлектограмм к пространственно усредненной рефлектограмме дает величину наведенной фазовой добавки, обусловленной наличием внешнего воздействия на оптическое волокно. Недостатком наиболее близкого технического решения является то, что предложенный алгоритм ухудшает пространственное разрешение системы. Пространственное разрешение в прототипе определяется числом точек необходимых для заданной точности усреднения: если учесть, что минимальный временной интервал между соседними выборками определяется временем отклика фотоприемника, которое в прототипе равно длительности участка входного импульса с высокой интенсивностью, то величина пространственного разрешения, или другими словами, длина участка с существенно близкой к нулю интенсивностью, как минимум, на порядок должна превосходить длину участка с высокой интенсивностью и может составлять несколько десятков метров. В прототипе [Патент США DETECTING A DISTURBANCE IN THE PROPAGATION OF LIGHT IN AN OPTICAL WAVEGUIDE US 7872736 В2, 2011] для устранения замирания сигнала в линии реализовано пространственное усреднение сигнала, которое приводит к ухудшению пространственного разрешения распределенного датчика и к уменьшению полезного сигнала. В реализации аналогов [Патент РФ RU 2287331 С1] и [Патент США APPARATUS AND METHOD FOR FIBER OPTIC INTRUSION SENSING, US 5194847, 1993] устранение замирания не предусмотрено. Таким образом, проблема замирания сигнала в прототипе решается за счет ухудшения пространственного разрешения не менее чем на один порядок.
Существенными признаками полезной модели являются:
- Содержит Лазерный источник непрерывного излучения. Признак обеспечивает получение световых импульсов стабилизированных по частоте и мощности излучения. В качестве источника может быть использован полупроводниковый лазер;
- Содержит Формирователь прямоугольных импульсов. Признак обеспечивает формирование последовательности пар электрических импульсов с периодом Т.
- Содержит Светоделительное устройство. Признак обеспечивает направление рассеянного в линии излучения на фотодетектор;
- Содержит Фотоприемник. Признак обеспечивает преобразование потока рассеянного оптического излучения в электрический сигнал;
- Содержит Устройство обработки сигнала. Признак обеспечивает обработку сигнала фотоприемника, преобразование аналоговой информации в цифровую, запись и анализ рефлектограмм рассеянного излучения.
- Содержит Волоконно-оптическую линию с чувствительным оптическим волокном. Признак обеспечивает изменение физических свойств оптического волокна при внешнем воздействии на него;
- Включает Формирователь чередующихся пар прямоугольных электрических импульсов с длительностями τ и 2τ. Признак обеспечивает формирование чередующихся парных электрических импульсов для управления модулятором интенсивности оптического излучения. Формирование длительностей и чередование пар импульсов происходит следующим образом: первые два импульса имеют длительности τ, следующая пара импульсов имеет длительности 2τ, третья пара - длительности τ, четвертая пара - длительности 2τ и т.д., при этом интервал следования импульсов Т (интервал времени между передними фронтами следующих друг за другом импульсов) остается неизменным. Пары с нечетными номерами имеет длительности τ, а с четными - 2τ или наоборот;
- Включает модулятор интенсивности оптического излучения. Модулятор формирует чередующиеся пары оптических импульсов с длительностями τ и 2τ в соответствии с сигналами управления. Признак обеспечивает формирование импульсов когерентного оптического излучения на входе в волоконно-оптическую линию. В заявленном техническом решении когерентные импульсы света формируются с помощью внешнего модулятора. В прототипе формирование происходит в два этапа. Сначала путем непосредственной модуляции источника излучения формируется когерентный световой импульс. Затем формируется импульс с участком с существенно близкой к нулю интенсивностью. Формирование импульсов света при помощи внешнего модулятора дает возможность стабилизировать частоту излучения лазерного источника и тем самым снизить шумы в рефлектограммах, обусловленных флуктуациями фазы оптического источника. В конкретных воплощениях модулятор может быть выполнен электрооптическим (интегрально-оптический модулятор Маха-Цендера или модулятор поляризационного типа) или акустооптическим.
- Включает фотоприемник, выполненный в виде балансного фотодетектора с дифференциальным усилителем. Признак обеспечивает автоматическое вычитание слагаемых в сигналах рефлектограмм, соответствующих интенсивностям интерферирующих волн. Таким образом, рефлектограммы содержат только интерференционную составляющую интерферирующих волн которая несет в себе информацию о внешнем воздействии.
g
g
g
g
- Включает установленный перед фотоприемником волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера с разностью плеч ΔL, которую выбирают из соотношения ΔL=2V·τ, где V - групповая скорость излучения в оптическом волокне, τ - длительность прямоугольного импульса. Признак обеспечивает на входе фотодетектора интерференцию световых волн, рассеянных с участков чувствительной волоконно-оптической линии длиной , расстояние между которыми равно ΔL. Разность плеч ΔL волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера выбирают из соотношения ΔL=2V·τ, а длительности чередующихся пар зондирующих оптических импульсов устанавливают τ и 2τ, где V - групповая скорость излучения в оптическом волокне, τ - длительность прямоугольного импульса.
- Содержит эрбиевые усилители в линиях прямого и рассеянного излучения. Признак обеспечивает усиление сформированных импульсов излучения и рассеянного излучения. Указанные усилители расположены перед светоделительным устройством в линии прямого излучения, после светоделительного устройства в линии рассеянного (релеевского) излучения.
- Светоразделительное устройство выполнено в виде циркулятора. Признак обеспечивает направление на фотодетектор всего потока излучения, рассеянного в чувствительной волоконно-оптической линии.
Совокупность данных существенных признаков полезной модели позволяют получить технический результат, который заключается в подавлении эффекта замирания сигнала, ограничивающего длину зондируемой волоконной линии мониторинга, при этом, существенно не ухудшая пространственного разрешения.
Существенными отличительными признаками полезной модели являются:
- Включает Формирователь чередующихся пар прямоугольных электрических импульсов с длительностями τ и 2τ;.
- Включает модулятор интенсивности оптического излучения.
- Включает фотоприемник, выполненный в виде балансного фотодетектора с дифференциальным усилителем.
g
g
- Включает установленный перед фотоприемником волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера с разностью плеч ΔL, которую выбирают из соотношения ΔL=2V·τ, где V - групповая скорость излучения в оптическом волокне, τ - длительность прямоугольного импульса.
- Содержит эрбиевые усилители в линиях прямого и рассеянного излучения.
- Светоразделительное устройство выполнено в виде циркулятора.
k
На фиг.1 приведен пример схемы волоконно-оптического устройства акустического мониторинга протяженных объектов на основе распределенного волоконно-оптического когерентного рефлектометра. На фиг.2 дано представление комплексной амплитуды рассеянной волны в виде суммы случайных фазоров на комплексной плоскости. На фиг.3 приведена схема обеспечения независимых сигналов выборки. Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - лазерный источник непрерывного излучения; 2 - модулятор интенсивности оптического излучения; 3 - формирователь чередующихся пар прямоугольных электрических импульсов с длительностями τ и 2τ; 4 и 7 - волоконные эрбиевые усилители; 5 - циркулятор; 6 - волоконно-оптическая линия; 8 и 9 - одномодовые направленные ответвители; 10 - волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера; 11 и 12 - фотоприемники; 13 - дифференциальный усилитель; 14 - балансный фотодетектор с дифференциальным усилителем; 15 - устройство обработки сигнала. Буквами на фиг.1 обозначены:  - половина пространственной длины каждого импульса; ΔL - разность плеч волоконно-оптического интерферометра Маха- Цендера; τ - длительность прямоугольного импульса. На фиг.1 простой стрелкой показано направление распространения излучения, объемной стрелкой показано физическое воздействие на оптическое волокно, изогнутыми стрелками - сигналы, релеевского рассеяния, распространяющиеся в обратном направлении. Буквами на фиг.2 обозначены: Im, Re, θ - мнимая часть, вещественная часть и аргумент результирующего комплексного фазора, соответственно;  - случайный комплексный фазор, с модулем  и аргументом φ, соответствующий полю рассеяния с k-го элементарного рассеивающего участка чувствительной волоконно-оптической линии.
Устройство содержит непрерывный лазерный источник излучения 1, соединенный с модулятором интенсивности оптического излучения 2. Вход управления модулятора 2 соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 3. Модулятор 2 соединен с волоконным эрбиевым усилителем 4, который, в свою очередь соединен с оптическим циркулятором 5. Один выход циркулятора 5 соединен с волоконно-оптической линией с чувствительным оптическим волокном 6, другой выход соединен волоконным эрбиевым усилителем 7 и, далее, с волоконно-оптическим интерферометром Маха-Цендера 10. Последний включает в себя одномодовые направленные ответвители 8 и 9 и имеет разность плеч ΔL. Выходы интерферометра 10 связаны со входом балансного фотодетектора 14, который содержит фотоприемники 11 и 12, дифференциальный усилитель 13, выход последнего соединен со входом устройства обработки сигнала 15.
g
g
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение стабилизированного по частоте и мощности одночастотного лазера 1, например, на длине волны λ=1,55 мкм поступает на вход модулятора интенсивности 2, который формирует чередующиеся парные прямоугольные оптические импульсы длительностями τ и 2τ и интервалом следования Т. Далее, эти импульсы усиливаются эрбиевым усилителем 4 и, пройдя циркулятор 5, поступают в волоконно-оптическую линию 6. Сигналы релеевского рассеяния, распространяющиеся в обратном направлении, усиливаются эрбиевым усилителем 7, проходят через интерферометр Маха-Цендера и детектируются балансным фотодетектором 14. Сигнал с выхода балансного фотодетектора поступает на устройство обработки 15. Разность плеч интерферометра Маха-Цендера задает пространственное разрешение рефлектометра ΔL. Сигналы фотоприемников 11 и 12 в каждый момент представляют собой интерференцию волн, рассеянных из двух участков волоконной линии 6, расстояние между которыми равно ΔL. Причем, длина каждого участка строго равна половине пространственной длины l=V·τ оптического импульса (на фиг.1 обозначены жирными отрезками , где V - групповая скорость излучения в оптическом волокне. Физическое воздействие на оптическое волокно (на фиг.1 показано объемной стрелкой) вызывает дополнительную фазовую модуляцию волн, рассеянных от участков находящихся за местом воздействия. Таким образом, локально изменяется сигнал рефлектометра в "точке" соответствующей месту воздействия.
Сигнал релеевского рассеяния от участка оптического волокна можно рассматривать как суперпозицию волн рассеянных с элементарных рассеивающих участков длиной порядка длины волны излучения λ. Тогда комплексная амплитуда суммарного поля рассеянной волны будет суммой случайных комплексных фазоров (см. фиг.2), разность фаз которых есть стационарная величина и не меняется во времени [Гудмен Дж. Статистическая оптика, г.Москва, изд-во «МИР», 1988]. Благодаря вышеуказанной коррелированности фаз волн, рассеянных с элементарных рассеивающих участков, комплексная амплитуда суммарного поля рассеянной от участка волокна волны будет постоянной величиной. По этой причине при постоянстве температуры и давления окружающей среды, а также при отсутствии физических воздействий на волокно, последовательные записи рефлектограмм остаются неизменными и являются точной копией друг друга. Если суммарное поле релеевского рассеяния от одного из участков волокна длиной  имеет нулевое или достаточно близкое к нулю значение, то результирующий сигнал интерференции также имеет нулевое значение и, таким образом возникает эффект замирания (fading) сигнала. В этом случае система не способна детектировать внешнее воздействие, даже если оно есть. Как было показано выше, стандартная процедура усреднения по многим рефлектограммам в этом случае не имеет смысла, т.к. не дает новую информацию. Для устранения этой проблемы принудительно изменяют суммарное поле или, другими словами, вызывают изменение рефлектограммы путем изменения параметров оптического излучения.
g
Обычно эту проблему решают, изменяя длину волны излучения во времени (от рефлектограммы к рефлектограмме) и проводя усреднение по последовательным рефлектограммам, соответствующим разным длинам волн, т.к. при изменении длины волны изменяется постоянная распространения и т.о. изменяется суммарное поле рассеянной волны [H.Isumita et. al. Fading noise reduction in cogerent OTDR. IEEE Photon. Technol. Lett., vol.4, no 2, p.p.201-203, Feb. 1992]. Однако, как следует из [S.Vohra, R.Posey, G.Johnson. Strain sensing based on coherent Raileigh backscattering. Electr. Letters, 2000, vol.36, p.p.1688-1689], основным фактором определяющим фазовую чувствительность распределенного датчика являются фазовые шумы источника излучения. По этой причине желательно стабилизировать частоту излучения лазерного источника. С другой стороны, релеевский сигнал на входе фотоприемника в каждый момент времени представляет собой линейную суперпозицию волн, рассеянных от участка волокна длиной . Следовательно, величину комплексной амплитуды суммарного рассеянного поля можно изменять также и путем изменения длительности τ импульса оптического излучения, поскольку в этом случае изменяется длина рассеивающего участка и тем самым изменяется суммарное поле. Для эффективной перестройки рефлектограммы достаточно изменить τ в 2 раза. Таким образом, в случае чередования пар импульсов оптического излучения с длительностями τ и 2τ можно с большой вероятностью избежать явления замирания в линии. Платой за это является уменьшение полосы частот системы в два раза, что снижает быстродействие устройства. Если установить длительности пар импульсов τ, разность плеч интерферометра Маха-Цендера выбрать из условия , а период выборки установить , то на длине пространственного разрешения уложатся четыре отсчета, соответствующие физически разным участкам оптического волокна. Сказанное наглядно демонстрируется на фиг.3, где в последовательные интервалы времени 1, 2, 3, 4 показано относительное расположение "точки" воздействия на волокно (на фиг.3 воздействия обозначены объемными стрелками) и рассеивающих участков соответствующих последовательным выборкам сигнала фотодетектора в моменты времени t, t+Δt, t+2Δt, t+3Δt, соответственно. Как видно из фиг.3 все выборки соответствуют физически различным участкам оптического волокна, что обеспечивает независимость сигналов выборки. Вероятность того, что величины всех четырех отсчетов одновременно будут равняться нулю, практически нулевая, что позволяет устранить замирание сигнала. Таким образом, разность плеч интерферометра Маха-Цендера следует выбирать из условия ΔL=2V·τ, а длительности чередующихся пар зондирующих оптических импульсов устанавливать τ и 2τ. Время отклика фотодетектора, при этом нужно устанавливать, как минимум, в два раза меньше, чем длительность входного оптического импульса, формируемого модулятором интенсивности оптического излучения.
Примером выполнения полезной модели является, например, устройство, включающее одномодовый полупроводниковый лазер RIO PLANEX™ External Cavity Laser компании Redfern Integrated Optics на длину волны 1550 нм [Сайт RIO. http://rio-inc.com/pdf/PLANEXLatestProductBrief.pdf Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], электрооптический модулятор интенсивности оптического излучения PowerBit™ SD-40 компании Oclaro Inc. [Сайт Oclaro http://oclaro.com/product pages/Powerbit SD-40. htm Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], волоконно-оптические эрбиевые усилители EAU-13-C3-W-PVL, EAU-19-C3-W-BVL компании IPG Photonics [Сайт IPG Photonics http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English-US/EAU W DWDM EDFA IPG.pdf
Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], волоконно-оптическую чувствительную линию, выполненную на основе стандартного одномодового волоконно-оптического телекоммуникационного кабеля, например ИКБН-Т-А12-6.0 [Сайт ИНТЕГРА-КАБЕЛЬ http://www.intg.ru/production/pg 124108459/# Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], одномодовый волоконно-оптический циркулятор CIR-3-P-1550-250-1-1-FA компании Opneti [Сайт Opneti http://www.opneti.com/uploadfile/20110613/20110613185953430. pdf Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], одномодовые волоконно-оптические 50/50 направленные ответвители FOPS-FBTC-2x2-50/50-1550-NC-G652D-0.25-1M-T1 компании Opneti [Сайт Opneti http://www.opneti.com/uploadfile/20101127/20101127181202600.pdf режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], балансный фотодетектор, использующий фотодиоды ТФД-50, компании ТЕЛАМ [Сайт ТЕЛАМ http://telam.ru/index.php?id=30 Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], генератор чередующихся парных импульсов на основе программируемой логической интегральной схемы Cyclone IV GX FPGA компании ALTERA [Сайт ALTERA http://www.altera.com/devices/fpga/fpga-index.html Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.], устройство обработки сигналов, включающее плату сбора данных ЛА-н1РС1 с интерфейсом PCI компании Руднев-Шиляев [Сайт Руднев-Шиляев . rudshel.ru/production/?id=100#s4 Режим доступа: свободный. Дата обращения 09.07.2012 г.] и персональный компьютер.