ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С РАЗДЕЛЕНИЕМ КОНТРОЛИРУЕМЫХ УЧАСТКОВ
FIBER-OPTIC DEVICE FOR RECORDING VIBRATION EFFECTS WITH SEPARATION OF CONTROLLED SECTIONS

Область техники
Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам на основе фазочувствительной рефлектометрии, 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. Обработка получаемого сигнала на данный момент преимущественно развита для выделения механических воздействий на волокно в диапазоне 10 Гц … 20 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 US 5194847 (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC1-7): 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 устройство по патенту РФ RU2589492 Волоконно-оптическое устройство большой протяженности с источником малой мощности для регистрации вибрационных воздействий (МПК G01H 9/00 (2006.01) Опубликовано: 10.07.2016), выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа). В данном устройстве повышение динамического диапазона полезного сигнала измерений вибраций акустического частотного диапазона и соответствующее увеличение длины сенсорного участка вдоль инспектируемого объекта достигается за счет узкополосного подстраиваемого фильтра Фабри-Перо и нескольких опорных приемников излучения, отдельно регистрирующих исходное зондирующее излучение от источника и обратно рассеянное с кабеля-датчика излучение, а также последующее сопоставление мощности данных сигналов.
Недостатком устройства прототипа является наличие большого количества приемников излучения и перестраиваемого фильтра, требующего также сложную схему подстройки частоты пропускания.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение отношения сигнал/шум на приемнике излучения и, как следствие, увеличения динамического диапазона полезного сигнала измерений вибраций, что также приводит и к возможности соответствующего увеличения длины кабеля-датчика вдоль контролируемого объекта.
Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с разделением контролируемых участков включает в себя высокостабильный узкополосный источник излучения 1, от которого излучение попадает в усилитель оптического сигнала (бустер) 2, после чего модулируется управляемым драйвером акустооптическим модулятором 3, далее через оптический циркулятор 4 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. Обратно рассеянное излучение, прошедшее через оптический циркулятор 4, поступает на разветвитель 6 и делится таким образом, чтобы меньшая часть излучения через усилитель слабого сигнала 7 и последующий фильтр 8, попадая на приемник ПИ1 для ближнего участка контролируемой линии, и большая часть излучения через усилитель слабого сигнала 7' и последующий фильтр 8', попадая на приемник ПИ2 для дальнего участка контролируемой линии имели бы одинаковые отношения сигнал/шум. После оцифровки в аналого-цифровом преобразователе 9 полученные значения выводятся и обрабатываются на вычислительном устройстве 10.
Таким образом, волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с разделением контролируемых участков включает в себя: последовательно соединенные высокостабильный узкополосный источник излучения 1; усилитель оптического сигнала (бустер) 2; управляемый драйвером акустооптический модулятор 3; циркулятор 4; контролируемую линию оптического волокна 5. При этом отличается наличием после разъема 4.3 оптического циркулятора, разветвителя 1×2 обратно рассеянного сигнала 6 для раздельной регистрации вибрационных воздействий с ближнего и дальнего участков контролируемой линии. На обоих выходах разветвителя установлены приемные части с одинаковыми составами из последовательно установленных усилителей слабого сигнала (7 и 7'), оптических фильтров (6 и 6') и приемников излучения (ПИ1 и ПИ2). При этом первая приемная часть предназначена для контроля ближнего опрашиваемого участка контролируемой линии, вторая - для контроля дальнего опрашиваемого участка контролируемой линии. В обеих приемных частях предусмотрена настройка уровней сигналов для каждого контролируемого участка таким образом, чтобы вся контролируемая линия имела достаточное для качественной регистрации и контроля отношение сигнал/шум. Выходы приемников (ПИ1 и ПИ2) подключены к аналого-цифровому преобразователю 9 вычислительного устройства 10.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 представлен вид сигнала для первого приемника ближнего контролируемого участка.
На фиг. 3 представлен вид сигнала для второго приемника дальнего контролируемого участка.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит высокостабильный узкополосный источник излучения 1; усилитель оптического сигнала (бустер) 2; акустооптический модулятор с драйвером 3; оптический циркулятор 4; контролируемую линию оптического волокна 5; разветвитель оптического излучения 6 с неравномерным коэффициентом деления; усилители слабого сигнала 7 и 7'; фильтры 8 и 8'; приемники оптического излучения ПИ1 и ПИ2; аналого-цифровой преобразователь 9; вычислительное устройство 10.
Непрерывное излучение от высокостабильного узкополосного источника излучения 1 усиливается, проходя усилитель оптического сигнала (бустер) 2. После усиленное непрерывное излучение попадает в управляемый драйвером акустооптический модулятор 3, где происходит преобразование непрерывного излучения в импульсы определенной длительности и скважности, определяемые из требований к точности и протяженности контролируемой линии 5. Проходя оптический циркулятор 4, пропускающий излучение от лазера в контролируемую линию и от контролируемой линии в приемную часть, импульсное зондирующее излучение попадает 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. Проходя оптический циркулятор 4, обратно рассеянное излучение попадает в оптический разветвитель 6, имеющий неравномерный коэффициент деления. Вывод оптического разветвителя с меньшим коэффициентом пропускания подключен последовательно к первому приемному каналу, состоящему из усилителя слабого сигнала 7, оптического фильтра 8 и приемника излучения ПИ1. Вывод оптического разветвителя с бОльшим коэффициентом пропускания подключен последовательно ко второму приемному каналу, состоящему из усилителя слабого сигнала 7', оптического фильтра 8' и приемника излучения ПИ2. Приемники оптического излучения первого и второго каналов подключены к аналого-цифровому преобразователю 9, где происходит их оцифровка с последующей передачей в вычислительное устройство 10.
Коэффициенты усиления усилителей слабого оптического сигнала 7 и 7' подобраны таким образом, что меньшая часть излучения через усилитель слабого сигнала 7 и последующий фильтр 8, попадая на приемник ПИ1 для ближнего опрашиваемого участка контролируемой линии, и большая часть излучения через усилитель слабого сигнала 7' и последующий фильтр 8', попадая на приемник ПИ2 для дальнего опрашиваемого участка контролируемой линии, имели бы одинаковые динамические диапазоны после оцифровки. На фиг. 2 представлен вид сигнала для первого приемника ближнего контролируемого участка. Из-за стандартного затухания сигнала в волокне, отношение сигнал/шум постепенно уменьшается, что приводит к ухудшению качества распознавания событий. На фиг. 3 представлен вид сигнала для второго приемника дальнего контролируемого участка. На нем на ближнем участке контроля приходящий на приемник сигнал доводит его до насыщения, что приводит к нечувствительности на этом участке, но к увеличению чувствительности на дальнем контролируемом участке.
В результате предложенное техническое решение решает задачу повышения отношения сигнал/шум на приемнике излучения и, как следствие, динамического диапазона полезного сигнала измерений вибраций, что также приводит и к возможности соответствующего увеличения длины кабеля-датчика вдоль контролируемого объекта.
вх
осл
1
2
вых
вх
осл
1
-3
4
Определить численное значение увеличения отношения сигнал/шум можно в соответствии со следующими расчетами. Пиковая мощность вводимого в линию импульса составляет Р. Доля мощности прямой волны, рассеянной назад в основную моду волокна с участка длиной, равной полуширине импульса света в волокне:  где S=1,2⋅10 - коэффициент захвата рассеянного излучения модой волокна,  или  коэффициент потерь (более 95% потерь в волокне идет именно на рэлеевское рассеяние) на длине волны 1550 нм, ν=с/n - скорость света в волокне, τ, нс - длительность импульса. Из-за затухания в сенсоре длины L с коэффициентом α излучение эта доля перед попаданием в предусилитель уменьшится на К=2⋅α⋅L дБ. В предусилителях эта мощность увеличится на величины G и G. Итого максимальный уровень оптического сигнала в первом канале составит Р=Р-К+Q+G. При использовании АЦП с N разрядами минимальный регистрируемый сигнал при этом будет определяться уровнем сигнала одного разряда и равен . Это определит работу системы с отношением сигнал шум более 10 дБ, которое дают 4 разряда АЦП (10lg(2)=12 дБ). Расстояние, на котором это будет получено, можно найти исходя из расстояния, на котором такое затухание будет получено:
При этом из-за шума внутренних компонент системы (изменение температуры сенсора, колебания длины волны источника и т.д.), а также внешних шумов, не являющихся сигналами, реальное отношение сигнал/шум будет ниже.
1
2
ув
вых
вых
Таким образом, определено, что длина сенсора, с которой может быть зарегистрирован сигнал, ограничена разрядностью АЦП. Однако за счет возможности применения предусилителей с разными коэффициентами G и G, с помощью которых можно смотреть на разные контролируемые участки сенсора, можно увеличить отношение сигнал/шум системы на величину К=α⋅L дБ, где  Это будет достигнуто при достижении уровня Р сигнала на нулевом километре первого канала и того же уровня Р на  км второго канала.