Волоконно-оптическое устройство мониторинга трубопроводов
FIBRE-OPTIC PIPELINE MONITORING DEVICE

Изобретение относится к устройствам виброакустического мониторинга внешних воздействий на трубопровод. Указанные устройства содержат распределенный волоконно-оптический датчик.
Внешние воздействия вызывают механические и акустические воздействия на распределенный волоконно-оптический датчик, расположенный в непосредственной близости от объекта мониторинга. При этом важна не только информация о наличии внешнего виброакустического воздействия на объект, но и возможность определения физических параметров этого воздействия для идентификации источника воздействия.
Известно устройство мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта [патент RU 2271446 C1]. Устройство содержит лазер, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, узел спектрального уплотнения, 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 больших фазовых шумов лазерного источника, что ухудшает фазовую чувствительность системы.
g
Известен способ мониторинга состояния протяженных объектов, преимущественно продуктопроводов, и устройство для его осуществления [патент RU 2287331 С1]. Способ заключается в оснащении чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производстве последовательности когерентных импульсов длительностью Т 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. 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 T между последовательными импульсами превосходит величину , где V - групповая скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временем быстродействия не хуже длительности импульса T. Устройство, реализующее указанный способ, содержит электронный импульсный модулятор, источник когерентного излучения - импульсный полупроводниковый лазер с шириной спектра оптического излучения порядка , светоделительное устройство, чувствительное оптическое волокно, фотоприемник с усилителем, блок таймирования и электронной обработки сигнала. Недостатком способа и устройства является то, что реализован пороговый датчик, который определяет только наличие внешнего акустического воздействия, но не позволяет определить форму сигнала внешнего воздействия. Кроме того, не предложены решения для устранения замирания сигнала (fading = фединг), которое ухудшает надежную работу предлагаемых способа и устройства. Известно, что [P. Healey. Fading in heterodyne OTDR. Election Lett. vol. 20, pp. 30-32, 1984; H. Isumita et al. Fading noise reduction in coherent OTDR. IEEE Photon Technol. Lett., vol. 4, no 2, pp. 201-203, Feb. 1992] высокая степень когерентности лазерного источника в рефлектометре приводит к замиранию сигнала в линии.
Известно устройство для детектирования внешних воздействий на оптическое волокно при распространении света в оптическом волокне [патент US 7872736 B2 Detecting a disturbance in the propagation of light in an optical waveguide, 2011]. Известное устройство сдержит источник света, формирователь импульса, состоящего из двух равных по длительности взаимно когерентных частей высокой интенсивности, разделенных участком с существенно близкой к нулю интенсивностью чувствительного волокна, 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 части входного оптического импульса высокой интенсивности. Далее в блоке обработки 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 оптического импульса. Отношение квадратного корня усредненного квадрата разности двух следующих одна за другой рефлектограмм к пространственно усредненной рефлектограмме дает величину наведенной разовой добавки, обусловленной наличием внешнего воздействия на оптическое волокно.
Недостатком известного 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 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 US 7872736 B2 Detecting a disturbance in the propagation of light in an optical waveguide, 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 RU 2237331 С1; патент US 5194847 Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing, 1993] устранение замирания не предусмотрено. Таким образом, проблема замирания сигнала в прототипе решается за счет ухудшения пространственного разрешения не менее чем на один порядок.
Известно устройство [патент RU 139468 U1] измерения величины вибрационных или акустических воздействий протяженного объекта. Устройство, реализующее способ, включает источник «пилот-сигнала» - перестраиваемый по частоте источник когерентного излучения, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, чувствительный элемент в виде оптического волокна, фотоприемник, задающий таймер, аналого-цифровой преобразователь, блок цифровой обработки и индикации. Предложенное устройство предназначено для измерения фазового набега между центрами релеевского рассеяния, вызванного изменением давления, температуры или деформаций оптического волокна, путем генерирования импульса оптического излучения, несущая частота которого модулируется по заданному закону для восстановления фазового набега в пределах пространственного разрешения, ввода этого излучения в чувствительное оптическое волокно и регистрации обратно рассеянного излучения.
Недостатком устройства является очень большой объем вычислений, который на практике можно реализовать за несколько часов, используя современную вычислительную технику [Koyamada, Y., Imahama, M., Kubota, K., Hogari, K. Fiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range Using Coherent OTDR. Journal of Lightwave Technology, (2009) Vol. 27, Issue 9, pp. 1142-1146].
Известно устройство акустического мониторинга протяженных объектов [патент RU 123518], которое является наиболее близким техническим решением. Известное устройство содержит лазерный источник непрерывного излучения, стабилизированного по частоте, формирователь прямоугольных оптических импульсов с периодом повторения T, светоделительное устройство для перенаправления рассеянного излучения на фотодетектор, фотоприемник для преобразования потока рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, устройство обработки сигнала, обеспечивающее обработку сигнала фотоприемника, преобразование аналоговой информации в цифровую, запись и анализ рефлектограмм рассеянного излучения, волоконно-оптическую линию. Благодаря изменению длительности зондирующих импульсов устраняется замирание сигнала, обусловленное деструктивной интерференцией в рассеянном излучении. С другой стороны, известно, что причиной замирания полезного сигнала может быть также ортогональность поляризации интерферирующих волн поляризационное замирание сигнала. Недостатком известного устройства является то, что в нем не решена проблема поляризационного замирания сигнала и не реализованы технические решения, позволяющие восстанавливать форму сигнала внешнего воздействия.
Существенными признаками заявленного изобретения является то, что оно:
- содержит два независимых рефлектометра, объединенных в одну систему; признак обеспечивает уменьшение вероятности замирания сигнала рефлектометра;
- 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 генератор тактовых импульсов; признак обеспечивает синхронизацию сигналов модулятора интенсивности и фазового модулятора;
- содержит генератор и формирователь прямоугольных электрических импульсов; признак обеспечивает формирование последовательности электрических импульсов длительности τ с периодом T;
- включает модулятор интенсивности оптического излучения, который формирует оптические импульсы с длительностью τ и с периодом T в соответствии с сигналами управления; признак обеспечивает формирование импульсов когерентного оптического излучения на входе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера. В конкретных воплощениях модулятор может быть выполнен электрооптическим, акустооптическим или полупроводниковым;
- включает установленный после модулятора оптического излучения волоконно-оптический интерферометр Маха Цендера с разностью плеч ΔL; признак обеспечивает формирование двух импульсов, где второй импульс следует за первым с задержкой;
- содержит фазовый модулятор, установленный на одном из плеч волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера; признак обеспечивает модуляцию фазы одного из двух импульсов, сформированных интерферометром Маха-Цендера;
- содержит малошумящие эрбиевые усилители в линиях прямого и рассеянного излучения; признак обеспечивает усиление сформированных импульсов излучения и рассеянного излучения;
- содержит светоделительное устройство в виде циркулятора; признак обеспечивает направление на фотодетектор всего потока излучения, рассеянного в чувствительной волоконно-оптической линии;
- содержит волоконно-оптическую линию с чувствительным оптическим волокном; признак обеспечивает изменение физических свойств оптического волокна при внешнем воздействии на него;
- включает фотоприемник; признак обеспечивает регистрацию излучения релеевского рассеяния, которое несет в себе информацию о внешнем воздействии;
- содержит устройство обработки сигнала; признак обеспечивает обработку сигнала фотоприемника, преобразование аналоговой информации в цифровую, запись и анализ рефлектограмм рассеянного излучения.
Совокупность данных существенных признаков изобретения позволяет получить технический результат, который заключается в уменьшении вероятности замирания сигнала рефлектометра, при этом не ухудшая пространственного разрешения.
g
g
Заявленное волоконно-оптическое устройство мониторинга трубопроводов содержит два объединенных в одну систему независимых рефлектометра, каждый из которых подключен к разным оптическим волокнам волоконно-оптической линии, при этом рефлектометр содержит лазерный источник непрерывного излучения, соединенный с модулятором интенсивности оптического излучения, циркулятор, один из выходов которого соединен с волоконно-оптической линией, первый и второй эрбиевые усилители, формирователь прямоугольных электрических импульсов, фотоприемник, выполненный в виде балансного детектора с дифференциальным усилителем, волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера, причем рефлектометр содержит фазовый модулятор, генератор тактовых импульсов, генератор прямоугольных электрических импульсов, при этом вход управления модулятора интенсивности оптического излучения соединен с выходом генератора прямоугольных электрических импульсов, который соединен с генератором тактовых импульсов, также модулятор интенсивности оптического излучения соединен с волоконно-оптическим интерферометром Маха-Цендера, имеющим разность плеч ΔL=V⋅Δt, где V - групповая скорость излучения в оптическом волокне, Δt - время задержки волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера, при этом волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера соединен с первым эрбиевым усилителем, на одном из плеч волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера установлен фазовый модулятор, причем вход фазового модулятора соединен с выходом формирователя прямоугольных электрических импульсов, соединенного с генератором тактовых импульсов, выход первого эрбиевого усилителя соединен с входом циркулятора, второй выход которого соединен со вторым эрбиевым усилителем, при этом второй эрбиевый усилитель также соединен с фотоприемником, выход которого соединен с входом устройства обработки сигнала.
1
2
1
2
1
2
s
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 показана общая схема присоединения волоконно-оптической линии к волоконно-оптическому рефлектометру. На фиг. 1 обозначены: δ и δ - участки волоконно-оптической линии, излучения релеевского рассеяния с которых интерферируют на фотоприемнике; Z - расстояние до места локального акустического или механического воздействия на волоконный кабель (волоконно-оптическую линию); I и I - следующие друг за другом два импульса с интенсивностями I и I соответственно; ΔL - расстояние между импульсами; ϕ - величина локального акустического или механического воздействия на волоконный кабель. 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. На фиг. 2 приведена схема распределенного волоконно-оптического фазочувствительного рефлектометра. На фиг. 2 обозначены: 1 - лазерный источник непрерывного излучения; 2 - модулятор интенсивности оптического излучения; 3 и 5 - генератор и формирователь прямоугольных электрических импульсов с длительностью и периодом τ и Т соответственно; 4 - генератор тактовых импульсов; 6 - фазовый модулятор; 7 - волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера; 8 и 9 - эрбиевые усилители; 10 - циркулятор; 11 - волоконно-оптическая линия; 12 - трансимпедансный фотоприемник; 13 - устройство обработки сигнала; С и С - входной и выходной волоконно-оптические направленные ответвители волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера 7, ΔL - разность плеч волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера 7, которая задает задержку между импульсами выходящими из волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера 7; τ - длительность прямоугольного импульса, формируемого модулятором интенсивности оптического излучения 2; I и I - интенсивности импульсов выходящих из волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера 7; J и J - мощности сигналов релеевского рассеяния импульсов I и I. На фиг. 2 простой стрелкой показано направление распространения излучения, объемной стрелкой показано физическое воздействие на оптическое волокно, изогнутыми стрелками - сигналы релеевского рассеяния, распространяющиеся в обратном направлении.
Устройство содержит объединенные в одну систему два рефлектометра, каждый из которых подключен к разным волокнам волоконно-оптического кабеля. При этом каждый рефлектометр содержит лазерный источник непрерывного излучения 1, соединенный с модулятором интенсивности оптического излучения 2. Вход управления модулятора интенсивности оптического излучения 2 соединен с выходом генератора прямоугольных электрических импульсов 3, который тактируется генератором тактовых импульсов 4. Модулятор интенсивности оптического излучения 2 соединен с волоконно-оптическим интерферометром Маха-Цендера 7, который, в свою очередь, соединен с первым эрбиевым усилителем 8. На одном из плеч волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера установлен фазовый модулятор 6, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных электрических импульсов 5, тактируемого генератором тактовых импульсов 4. Выход первого эрбиевого усилителя 8 соединен с входом циркулятора 10. Один выход циркулятора 10 соединен с волоконно-оптической линией 11 с чувствительным оптическим волокном, другой выход соединен волоконным со вторым эрбиевым усилителем 9 и далее с трансимпедансным (выполненным в виде балансного детектора с дифференциальным усилителем) фотоприемником 12. Выход фотоприемника 12 соединен с входом устройства обработки сигнала 13. Таким образом, устройство обработки сигнала 13 является общим для двух рефлектометров, объединенных в одну систему.
Для ясного представления работы устройства рассмотрим сигнал рефлектометра с некоторого участка волоконной линии, длина которого равна пространственному разрешению ΔL рефлектометра (фиг. 2). Пусть на этот участок действует внешнее акустическое или механическое воздействие, приводящее к локальной деформации волокна.
Тогда для отклика рефлектометра, соответствующего указанному участку, можно записать следующее выражение:
1
где  - вектор электрического поля световой волны, рассеянной от отрезка δ, находящегося до «точки» воздействия на рассматриваемом участке;
2
- соответственно, вектор электрического поля световой волны рассеянной от отрезка δ, находящегося за «точкой» воздействия на рассматриваемом участке волоконной линии;
s
ϕ - фазовая модуляция световой волны, вызванная локальной деформацией волокна в «точке» воздействия, под воздействием внешних акустических или механических воздействий;
1
2
ψ - начальная разность фаз между интерферирующими световыми волнами, рассеянными от отрезков δ и δ, причем ψ является случайной величиной, имеющей постоянную плотность распределенной в интервале [0; 2π] (см. [1]).
s
Основной интерес представляет случай малых ϕ<<1. В этом случае выражение (1) принимает вид:
1
1
где I - интенсивность рассеянной световой волны от отрезка δ;
2
2
I - соответственно интенсивность рассеянной световой волны от отрезка δ;
θ - угол между векторами  и .
Отметим, что угол θ также является случайной величиной. Кроме того, величины ψ и θ медленно меняются во времени из-за изменения температуры и давления окружающей среды.
Таким образом, как следует из выражения (2), при  или при ψ=0; π; 2π; 3π; … интерференционный член равняется нулю. В эти моменты рефлектометр становится нечувствительным к слабым внешним воздействиям на волоконную линию - это явление называется замиранием сигнала. Как видно из (2), существуют два механизма замирания сигнала:
а) когда интерферирующие волны ортогональны друг другу;
б) когда разность фаз между интерферирующими волнами кратна π.
s
s
2
В последнем случае рабочая точка интерферометра находится в квадратичном участке синусоиды, следовательно интерференционный член удовлетворяет условию J~ϕ<<ϕ.
Для решения проблемы замирания сигналов предлагается объединить в одну систему два рефлектометра, каждый из которых подключен разным волокнам волоконно-оптической линии, используемой в качестве кабеля датчика. Как было отмечено, замирание сигнала рефлектометра обладает случайным характером. Оценим величину вероятности замирания сигнала в случае системы из двух рефлектометров. Величина ψ является случайной величиной с постоянной плотностью распределения в интервале 0≤ψ≤π [см., например, Дж. Гудмен, Статистическая оптика, Москва, Изд-во «МИР», 1988]:
, 0≤ψ≤π
пр
В реальности замирание сигнала наступает в интервале значений |ψ|≤ψ≈0.1 рад. Отсюда можно оценить вероятность замирания сигнала
замψ
пр
Р=(1/π)ψ≈0.1/π
Изменения θ вдоль волокна также случайны, и функция плотности распределения ρ(θ) такая же, как и ρ(ψ):
0≤θ≤π
замθ
Аналогично для поляризационного замирания Р получаем оценку
замθ
пр
Р=(1/π)θ≈0.1/π
Наконец, используя формулу Байеса, определим вероятность P замирания сигнала рефлектометра:
замψ
замθ
замθ
замψ
замψ
замθ
Р=Р(1-Р)+Р(1-Р)≈Р+Р≈0.2/π
Σ
Поскольку замирания в каждом из рефлектометров являются независимыми событиями, выпишем формулу для вероятности Р замирания в системе, состоящей из двух рефлектометров:
Отсюда находим
Таким образом, в случае системы из двух рефлектометров вероятность замирания уменьшится в ≈16 раз, т.е. практически не реализуется условие, при котором одновременно удовлетворяются равенства:
а)
или
1
б) ψ=0; ±π; ±2π; ±3π; …
2
ψ=0; ±π; ±2π; ±3π; …
На практике это приводит к большей устойчивости системы к замираниям сигнала рефлектометра.
g
1
2
1
2
На фиг. 2 приведена схема реализации волоконно-оптического устройства акустического мониторинга протяженных объектов, позволяющего восстанавливать форму сигнала внешнего воздействия на волоконно-оптический кабель. Непрерывное излучение лазерного источника непрерывного излучения 1 подается на вход модулятора интенсивности 2, после которого формируется периодическая последовательность импульсов света с длительностью τ. Далее импульсы проходят через волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера с разностью плеч ΔL, равная пространственному разрешению устройства мониторинга. После интерферометра входной импульс трансформируется в два импульса, следующие один за другом с интервалом , где V - скорость света в оптическом волокне. На фотоприемник 12 будут приходить суперпозиция волн рассеянных от участков волокна δ и δ импульсов I и I соответственно.
Результирующий сигнал фотоприемника можно описать следующей формулой:
s
где ϕ=2πnΔl - изменение фазы световой волны, обусловленное внешним воздействием на оптическое волокно;
1
1
g
1
J - мощность излучения релеевского рассеяния с отрезка волокна δ, длина которого равна τV, половине длины импульса I;
2
2
g
2
J - мощность излучения релеевского рассеяния с отрезка волокна δ, длина которого равна τV, половине длины импульса I;
третий член описывает интерференционный эффект;
K - ампер/ваттная характеристика фотоприемника;
n - эффективный показатель преломления сердцевины волокна;
0
ϕ - начальная разность фаз между интерферирующими вонами при отсутствии сигнала внешнего воздействия на волокно;
Δl - продольная деформация волокна под воздействием сигнала внешнего воздействия.
s
В предлагаемом алгоритме вычисление величины ϕ осуществляется за цикл, содержащий три последовательные рефлектограммы. При запуске импульса 1, откликом которого является рефлектограмма 1, на фазовом модуляторе величина фазового сдвига устанавливается равной нулю.
В этом случае сигнал фотоприемника будет
При запуске второго импульса величина фазового сдвига на фазовом модуляторе устанавливается равной .
В этом случае сигнал фотоприемника
Наконец, при запуске третьего импульса величина фазового сдвига на фазовом модуляторе устанавливается равной π. В этом случае соответственно сигнал фотоприемника будет
Из (4), (5) и (6) находим
s
0
Из (7) вычисляется величина ϕ с точностью до постоянного слагаемого ϕ.
Для устранения замираний сигнала, связанных с деструктивной интерференцией в рассеянном свете, случайными флуктуациями поляризаций интерферирующих сигналов в устройстве используется сразу два датчика. Это приводит к уменьшению вероятности замирания сигнала в ≈16 раз.