РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ДАТЧИК АКУСТИЧЕСКИХ И ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
DISTRIBUTED SENSOR OF ACOUSTIC AND VIBRATION IMPACTS

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий
Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к распределенным датчикам акустических и вибрационных воздействий.
Заявленное устройство может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, например периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов и т.п.
Известен анализатор виброакустических сигналов, предназначенный для анализа спектра сигналов и содержащий оптически связанные источник когерентного излучения, светоделительное средство, фотоприемник, усилитель (SU, А.с. №1589069, 1990). Известное устройство не предназначено для мониторинга протяженных объектов.
Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брегга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала. Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент РФ №2141102). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.
Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде волоконного лазера с модуляцией добротности, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент РФ №2271446). Недостатком известного устройства является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, связанных с импульсным режимом работы лазера и чувствительностью волоконного лазера к техническим шумам. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства, а также затрудняет его использование в полевых условиях.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство - распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий, - содержащее 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 импульсов 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 (патент США №5194847).
Недостатком известного устройства является быстрое уменьшение чувствительности с увеличением расстояния из-за уменьшения сигнала обратного рассеяния. Уменьшение мощности сигнала обратного рассеяния связано с двумя обстоятельствами: во первых, из-за затухания в волокне уменьшается мощность тестирующего сигнала при распространении вперед вдоль волокна; во-вторых, из-за затухания сигнала обратного рассеяния при распространении назад от тестируемой области волокна к его началу. Уменьшение мощности сигнала обратного рассеяния снижает гарантированную чувствительность и дальность действия устройства.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения надежности датчика акустических и вибрационных воздействий.
Техническим результатом изобретения является повышение гарантированной чувствительности и дальности действия распределенного датчика акустических и вибрационных воздействий.
p
min
0
p
max
max
p
max
p
max
p
max
p
min
p
p
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что 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 импульсов и приемник рассеянного излучения, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал для блока обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, снабжен предназначенным для объединения спектральных каналов оптическим мультиплексором, содержащим не менее одного выхода и двух входов, и источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала, причем оптический мультиплексор установлен между оптическим интерфейсом и чувствительным элементом, выход оптического мультиплексора соединен с чувствительным элементом, первый вход мультиплексора соединен с оптическим интерфейсом, а второй вход мультиплексора соединен с источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала, при этом источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью периодического изменения мощности накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала во времени от P(t)=P в момент времени Т до P(t)=P в момент времени T, при этом источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤Tпо линейному закону , или источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤T по корневому закону  или источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤Tпо закону P(t)=(P+St), или источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности излучения накачки P(t) по закону ,
min
s
R
где P - минимальная мощность излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала, диапазон изменения которой от 0 до 2α/g;
s
α - коэффициент затухания тестирующего сигнала;
R
g - показатель рамановского усиления волокна;
max
P - максимальная мощность излучения, которая равна либо мощности излучения накачки для рамановского усиления, обеспечивающей полную компенсацию затухания сигнала, рассеянного от самой удаленной точки чувствительного элемента, либо равна пороговой мощности возникновения нелинейных эффектов, либо равна максимальной технически доступной мощности накачки;
0
Т - момент времени сразу за вводом тестирующего импульса в волокно;
max
T=(2Ln)/c - длительность рефлектограммы;
n
L - длина чувствительного элемента;
с - скорость распространения света в оптическом волокне;
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>α</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>ν</mi><mi>g</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>g</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- скорость увеличения мощности излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала;
р
α - коэффициент затухания излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала;
g
ν - групповая скорость импульса в волокне.
Изобретение поясняется графическими материалами, где представлены:
на Фиг. 1 - блок-схема распределенного датчика акустических и вибрационных воздействий;
на Фиг. 2 - форма импульса накачки;
на Фиг. 3 - механизм вынужденного комбинационного рассеяния: накачка на длине волны 1480 нм создает виртуальное возбужденное состояние, под действием излучения сигнала на длине волны 1550 нм происходит вынужденное неупругое рассеяние накачки из возбужденного состояния; на Фиг. 4 - схема компенсации затухания рефлектограммы.
Согласно изобретению распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит:
источник периодической последовательности оптических импульсов 1;
оптический усилитель 2;
оптический интерфейс 3;
источник 4 излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала;
оптический мультиплексор (оптический объединитель спектральных каналов) 5;
чувствительный элемент 6 в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель;
предусилитель 7;
приемник 8 рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал;
блок 9 обработки, управления и синхронизации (объединенный блок, включающий блок 10 обработки, электрически соединенный с блоком 11 управления и синхронизации).
p
min
0
p
max
max
Предложенное устройство существенно отличается от прототипа тем, что датчик снабжен предназначенным для объединения спектральных каналов оптическим мультиплексором, содержащим не менее одного выхода и двух входов, и источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала, причем оптический мультиплексор установлен между оптическим интерфейсом и чувствительным элементом, выход оптического мультиплексора соединен с чувствительным элементом, первый вход мультиплексора соединен с оптическим интерфейсом, а второй вход мультиплексора соединен с источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала, при этом источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью периодического изменения мощности накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала во времени от P(t)=P в момент времени Т до P(t)=P в момент времени T. Данный признак обеспечивает ослабление степени уменьшения величины среднего значения мощности сигнала обратного рассеяния при увеличении расстояния z (Фиг. 4). В прототипе среднее значение мощности сигнала обратного рассеяния экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния z до области рассеяния (тестируемой области). Это приводит к быстрому уменьшению мощности полезного сигнала и, следовательно, к уменьшению дальности работы прибора. Использование распределенного рамановского усиления обеспечивает компенсацию ослабления сигнала обратного рассеяния при увеличении расстояния z. Периодическое увеличение мощности от минимального значения непосредственно после ввода тестирующего импульса в волокно до максимального значения в момент времени 2Lopt/c обеспечивает увеличение коэффициента усиления полезного сигнала обратного рассеяния от удаленных областей. Коэффициент усиления увеличивается для сигнала рассеяния с увеличением координаты z.
p
max
Предложенное устройство существенно отличается от прототипа также тем, что источник излучения для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤T по линейному закону . Данный признак обеспечивает упрощение конструкции источника излучения для рамановской накачки.
p
max
Предложенное устройство существенно отличается от прототипа также тем, что источник излучения для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤T по корневому закону . Данный признак при незначительном усложнении конструкции источника излучения для рамановской накачки обеспечивает более равномерную компенсацию ослабления сигнала обратного рассеяния.
p
max
р
min
p
Предложенное устройство существенно отличается от прототипа также тем, что источник излучения для рамановского усиления выполнен с возможностью изменения мощности P(t) излучения накачки во времени 0≤t≤T по закону Р (t)=(P+St) или  (значения получены расчетным путем). Данные признаки обеспечивают уменьшение расхода энергии, увеличение ресурса работы блока рамановской накачки и всего устройства в целом, повышение надежности работы прибора и снижение эксплуатационных затрат за счет уменьшения необходимой для компенсации ослабления сигнала максимальной и средней мощности рамановской накачки.
Устройство работает следующим образом.
Источник периодической последовательности оптических импульсов (1) формирует периодические последовательности оптических импульсов, которые после усиления в оптическом усилителе (2) через оптический интерфейс (3) вводятся в чувствительный элемент (6) в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель. Одновременно в чувствительный элемент (6) при помощи оптического объединителя спектральных каналов (5) вводится излучение от источника (4) для рамановского усиления рассеянного сигнала. В оптическом волокне чувствительного элемента (6) оптические импульсы рассеиваются на неоднородностях волокна без изменения частоты (релевское рассеяние) и формируют оптический сигнал обратного рассеяния, распространяющийся от места рассеяния в оптическом волокне чувствительного элемента (6) в направлении оптического интерфейса (3). В процессе распространения по волокну рассеянное излучение ослабляется из-за нерезонансных потерь и рассеяния в волокне и усиливается за счет вынужденного рамановского (комбинационного) рассеяния под действием излучения рамановской накачки. Оптический интерфейс направляет оптический сигнал обратного рассеяния на предусилитель (7) и после усиления на приемник рассеянного излучения (8), преобразующий усиленное рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал. Электрический сигнал с приемника рассеянного излучения (8) поступает в объединенный блок обработки, управления и синхронизации (9).
При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и соответственно фототока фотоприемника 6 (рефлектограмма) в отсутствие рамановской накачки (прототип) имеет вид, близкий к затухающей экспоненте. При этом информационный сигнал (рассеянное излучение, преобразованное в электрический сигнал приемником (8), от удаленных областей чувствительного элемента существенно меньше сигнала от расположенных близко к оптическому интерфейсу областей чувствительного элемента. Именно это существенно ограничивает дальность работы прототипа. Для уменьшения неравенства информационных сигналов от разных областей чувствительного элемента в данном изобретении введен источник излучения для рамановского усиления рассеянного излучения. Мощность излучения источника излучения для рамановского усиления рассеянного сигнала периодически изменяется во времени, увеличиваясь от 0 непосредственно после ввода тестирующего импульса в волокно до максимального значения в момент времени 2Lopt/c. Такая временная зависимость накачки обеспечивает максимальное усиление сигнала, рассеянного от наиболее удаленных областей чувствительного элемента. Таким образом, коэффициент усиления сигналов от более удаленных областей больше, что уменьшает различие в амплитуде сигнала, формируемого приемником (8), выполненным, например, в виде фотоприемника.
Благодаря высокой когерентности исходного излучения от периодической последовательности оптических импульсов (1) рефлектограмма (т.е. амплитуда сигнала с приемника (8)) оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайной фазе интерферирующего рассеянного излучения. В отсутствие виброакустических воздействий и изменений несущей частоты прямоугольного тестирующего импульса рефлектограммы от разных импульсов, полученные в разные моменты времени, совпадают. При наличии виброакустического воздействия на чувствительный элемент рефлектограммы от разных импульсов в области воздействия оказываются разными. Величина изменений определяет интенсивность воздействия, а временная задержка относительно тестирующего прямоугольного импульса однозначно определяет координату воздействия. Характер и координату воздействия определяет объединенный блок (9) обработки, управления и синхронизации в результате анализа и обработки множества рефлектограмм.
e
Недостатком известных устройств является то, что величина средней амплитуды рефлектограммы экспоненционально уменьшается с увеличением расстояния до тестируемой области: A(z)=A(0)exp(-2αz).
Применение рамановской накачки для усиления сигнала от удаленных областей позволит устранить сильное ослабление информационного сигнала, то есть обеспечить необходимый уровень чувствительности вдоль всего волокна.
Для ослабления затухания сигнала можно использовать описанные выше функциональные зависимости мощности накачки от времени.
Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности периметра протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект надежно и с высокой степенью точности.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - повышение надежности датчика акустических и вибрационных воздействий - решена, а заявленный технический результат - повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого сверхсуммарного технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном техническом решении 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 предназначен для мониторинга и охраны протяженных объектов, например периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов и т.п.;
- для заявленного распределенного датчика акустических и вибрационных воздействий в том виде, в котором он охарактеризован в независимом пункте формулы 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 - распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий - соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «уровень техники» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.