СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
PHYSICAL EFFECTS DISTRIBUTED CONTROL METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для мониторинга физических воздействий на протяженных, площадных или трехмерных объектах в различных областях промышленности и строительства (мониторинг трубопроводов, мостов, тоннелей, плотин и дамб, иных строений, а также морских и речных судов и прочих объектов). К контролируемым квазистационарным физическим воздействиям относятся механические напряжения, температурные изменения, напряженность магнитного и электрического полей и другие, способные влиять на фазу сигналов, распространяющихся в оптическом волокне.
Известен способ измерения механических деформаций SU 1534304 (1988), состоящий в применении бриллюэновской рефлектометрии. Данный способ подразумевает использование узкополосного источника зондирующих оптических импульсов, которые, распространяясь вдоль волоконно-оптической линии, испытывают обратное рассеяние, обусловленное эффектом Манделынтама-Бриллюэна. При таком рассеянии происходит сдвиг оптической частоты относительно частоты зондирующего излучения, причем величина сдвига в первом приближении пропорциональна изменению температуры и механических напряжений. Измеряя указанную величину частотного сдвига, определяют величину данных воздействий. На основе способа по А.с. SU 1534304 разработаны устройства, описанные в патентах US 6813403 (2004) и RU 2346235 (2009).
Недостаток указанного способа состоит в сравнительно низкой чувствительности к физическим воздействиям, а также в сложности реализации.
Данный недостаток частично устранен в способе по патенту US 6545760 (2003). Способ состоит в использовании квазимонохроматической рэлеевской рефлектометрии. По технической сущности он наиболее близок к заявляемому способу.
Способ по патенту US 6545760 включает в себя следующие операции:
а) генерирование узкополосного оптического излучения с изменяемой длиной волны;
б) разделение оптического излучения на опорное и измерительное;
в) ввод измерительного излучения в оптическое волокно, в котором оно испытывает рассеяние Рэлея;
г) сбор рассеянного в обратном направлении излучения;
д) фотоприем измерительного и опорного излучений для формирования интерференционной картины;
е) регистрация результата интерференции на множестве длин волн - получение опорного спектра рассеяния Рэлея;
ж) регистрация результата интерференции на множестве длин волн после того, как оптическое волокно было подвержено измеряемому воздействию - получение измерительного спектра рассеяния Рэлея;
з) вычисление Фурье-образа опорного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;
и) вычисление Фурье-образа измерительного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;
к) определение измеряемого воздействия на основе сопоставления Фурье-образов измерительного и опорного спектров.
Использование в устройстве по патенту US 6545760 прецизионно перестраиваемого лазера с очень узкой спектральной полосой, ширина которой составляет порядка 100 кГц, обуславливает высокую чувствительность к вибрациям и иным динамическим воздействиям, что в случае определения квазистационарных воздействий приводит к недостаточно высокой точности измерений.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего производить вибронезависимый распределенный контроль квазистационарных физических воздействий, оказывающих влияние на фазу сигналов в оптическом волокне с одновременным упрощением технической реализации.
Технический результат применения изобретения состоит в определении величины физических воздействий на волокно с достаточно высокой точностью в условиях вибраций и иных динамических воздействий при помощи относительно несложной аппаратуры.
6
Технический результат достигается прежде всего тем, что определение величины воздействий на оптическое волокно производится путем сопоставления спектров рассеяния Рэлея, полученных при отсутствии воздействий (опорный спектр) и при их измерении (измерительный спектр), друг с другом с использованием низкокогерентного излучения. Поскольку излучение оптического диапазона характеризуется сравнительно большими волновыми числами k, составляющими, к примеру, для излучения с длиной волны λ=1550 нм k=2π/λ=4⋅10 м, даже малые изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, вызванные внешними воздействиями, приводят к заметному изменению фаз сигналов, распространяющихся по данному волокну. Изменение фаз, в свою очередь, ведет к тому, что интерферирующие волны рассеянного излучения в сумме дают спектры, сдвинутые по длине волны относительно спектров, зарегистрированных при отсутствии воздействий. Таким образом, задача по определению искомых физических воздействий сводится к измерению или оценке данного спектрального сдвига. Использование низкокогерентного излучения позволяет получать спектры интерференции, практические не подверженные вибрациям, воздействующим на оптическое волокно, - то есть достигается существенная вибронезависимость результатов измерений.
Таким образом, патентуемый способ контроля физических воздействий на протяженном, площадном или трехмерном объекте включает в себя следующие операции:
- размещение оптического волокна на контролируемом объекте. В случае контроля механических воздействий необходимо обеспечить жесткую механическую связь волокна с объектом;
- генерирование широкополосных оптических импульсов длительностью Т, близкой к 2L/ν, где L - требуемое пространственное разрешение, ν - скорость света в оптическом волокне;
- пропускание указанных импульсов в контролируемое оптическое волокно;
- фильтрация излучения перестраиваемым узкополосным спектральным фильтром с шириной полосы пропускания от 0,1 до 1 нм, работающим в режиме сканирования длины волны во времени. Следует отметить, что эта операция может быть произведена как перед вводом импульсов в контролируемое волокно, так и для обратно рассеянного излучения, распространяющегося из волокна по направлению к фотоприемнику. То есть принципиально достичь лишь того, чтобы на вход фотоприемника поступало отфильтрованное излучение безотносительно того, на каком этапе производится сама спектральная фильтрация;
- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения из контролируемого волокна,
- разделение сигнала по виртуальным каналам дальности и выделение спектров для каждого из них,
- сопоставление указанных (измерительных) спектров с опорными спектрами и определение на этой основе величины внешних воздействий.
Техническая сущность предложенного способа иллюстрируется рис. 1, на котором в координатах длина волны - оптическая мощность при перестраиваемой фильтрации в достаточно широком диапазоне длин волн для одного и того же произвольного канала дальности приведены спектры сигналов при отсутствии воздействий (опорный спектр - толстая линия), а также при их наличии (измерительный спектр - тонкая линия). По результатам измерения величины спектрального сдвига Δλ и в соответствии с конкретной моделью зависимости Δλ от внешнего воздействия рассчитывается искомая его величина. В простейшем случае зависимость имеет линейный характер, как, например, при температурном воздействии, а также при растяжении-сжатии волокна. При этом, если измерения проводятся в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1560 нм, то коэффициенты пропорциональности Δλ/ΔТ, где ΔT - изменение температуры, и Δλ/Δε, где Δε - изменение относительной деформации, равны соответственно 10,8 пм/K и 1,2 пм/(мкм/м)
(В.G. Gorshkov, М.A. Taranov, А.Е. Alekseev. "Distributed stress and temperature sensing based on Rayleigh scattering of low-coherence light", Laser Phys. 27 085105 (2017)).
Устройство, реализующее описанный выше способ, включает в себя импульсный источник широкополосного оптического излучения, перестраиваемый узкополосный спектральный фильтр, средство организации рефлектометрического канала, контролируемое оптическое волокно, фотоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель.
Схема устройства, реализующего описанный способ, показана на рис. 2. Устройство включает в себя следующие узлы и модули: импульсный источник широкополосного излучения 1, к которому последовательно подключен оптический узкополосный перестраиваемый фильтр 2, выход которого соединен с входом средства для организации рефлектометрического канала (оптический ответвитель или циркулятор) 3, к которому, в свою очередь, подключено контролируемое оптическое волокно значительной длины 4, выполняющее функцию чувствительного элемента и размещенное на объекте мониторинга. В состав также входят фотоприемное устройство 5, подключенное к выходу средства 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, на вход которого подается сигнал с фотоприемного устройства 5, а выход соединен с вычислителем 7. Штриховая линия на схеме обозначает управление фильтром 2, осуществляемое вычислителем 7.
Устройство функционирует следующим образом:
1) источник 1 генерирует широкополосное импульсное излучение;
2) излучение источника 1 проходит через фильтр 2, установленный вычислителем 7 на некую начальную длину волны пропускания. На выходе фильтра 2 - импульсное излучение с узким спектром;
3) через средство 3 узкополосное излучение вводится в контролируемое волокно 4;
4) рассеиваемое в волокне 4 в обратном направлении излучение через средство 3 подается на вход фотоприемного устройства 5;
5) устройство 5 преобразует приходящий оптический сигнал в электрический;
6) АЦП 6 преобразует аналоговый сигнал, подающийся с устройства 5, в цифровой код;
7) вычислитель 7 принимает данный код, сохраняет его в памяти, затем перестраивает длину волны фильтра 2 и выполняет следующий цикл сбора сигнала;
8) когда вычислитель 7 завершает спектральное сканирование фильтром 2, в его памяти хранится массив рефлектограмм, каждая из которых была получена на различной длине волны. На текущем этапе вычислитель 7 выделяет спектры для каждого канала дальности из полученного массива рефлектограмм. Данные спектры считаются опорными;
9) вычислитель 7 инициирует следующий цикл спектрального сканирования, проходящий в последовательности, описанной в пп. 1-8. Спектры, полученные на данном этапе, считаются измерительными;
10) вычислитель 7 сопоставляет опорные и измерительные спектры и по результатам определяет величину физических воздействий для каждого из каналов дальности.
Величина сдвига спектров может быть рассчитана, в частности, как изменение положения центра масс кросскорреляционной функции от двух спектров, зарегистрированных в разные моменты времени, относительно положения центра масс автокорреляционной функции одного из данных спектров. Могут быть использованы и другие математические методы определения величины спектрального сдвига.
Поскольку размещение фильтра 2 непосредственно после источника излучения 1 принципиального значения не имеет - важно лишь обеспечить подачу обратно рассеянного излучения на вход фотоприемного устройства 5 в узкой полосе оптических частот - то помимо реализации устройства по описанной выше схеме, возможны 2 других варианта. Первый из них отличается тем, что фильтр 2 размещается не непосредственно после источника излучения 1, а непосредственно перед входом фотоприемного устройства 5 (рис. 3). Таким образом, спектральная фильтрация осуществляется не для зондирующего излучения, а для обратно рассеянного излучения, приходящего из волокна 4.
Второй вариант отличается от базового тем, что фильтр 2 размещается непосредственно после устройства 3 (рис. 4), что обеспечивает спектральную фильтрацию как зондирующего излучения, так и распространяющегося из волокна 4 в обратном направлении рассеянного излучения.
Импульсный источник 1 может быть выполнен в виде известного технического решения - последовательного соединения суперлюминесцентного диода с оптическим усилителем на основе волокна, легированного ионами эрбия. В этом случае суперлюминесцентный диод обеспечивает импульсное широкополосное излучение с непрерывным спектром (типичная ширина спектра 30-60 нм), а оптический усилитель позволяет существенно увеличить мощность данного излучения. Допустимо и использование источника непрерывного широкополосного излучения с модулятором интенсивности, например, акустооптическим, на выходе.
В качестве узкополосного перестраиваемого спектрального фильтра 2 может использоваться, например, техническое решение на основе дифракционной решетки и набора зеркал, расположение которых относительно решетки управляется микроэлектромеханической системой (МЭМС) с цифровым управлением.
Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что использование устройства по схеме на рис. 2 для мониторинга одномодового волокна длиной 8 км позволяет измерять натяжение и температуру по всей длине волокна с точностью не хуже соответственно 2 мкм/м и 0,24°С (среднеквадратические уровни шумов) при пространственном разрешении 2 м.
Применение изобретения позволяет повысить точность определения величины физических воздействий на объект распределенного мониторинга, что в свою очередь дает возможность с большей достоверностью оценивать различные факторы, действующие на контролируемый объект.