РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
DISTRIBUTED FIBRE-OPTIC SOUND WAVE DETECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к распределенному волоконно-оптическому устройству обнаружения звуковых волн, в котором оптическое волокно используется в качестве датчика и которое способно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью звуковые волны, поступающие в различных областях в продольном направлении оптического волокна.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Метод, предусматривающий использование оптического рефлектометра во временной области (OTDR) известен как метод измерения посредством оптического волокна, посредством которого рэлеевское обратное рассеяние света (именуемый далее просто «рэлеевское рассеяние света»), получаемый путем введения зондирующего света в оптическое волокно, используется для измерения линейных характеристик оптических волокон (потерь или положения разрывов в оптическом волокне) или распределения деформаций в продольном направлении оптического волокна.
Например, способ, описанный в патентном документе 1, известен как способ измерения линейной характеристики в OTDR. При осуществлении этого способа, вводят зондирующий свет в (обеспечивают его падение на) оптическое волокно и измеряют линейную характеристику на основании рэлеевского рассеяния света, полученного внутри волокна посредством такого введения.
Более конкретно, вводят оптический импульс (обеспечивают падение света) как зондирующий свет с одного конца (входного конца) оптического волокна. Измеряют рэлеевское рассеяние света, которое получено в различных областях в продольном направлении оптического волокна посредством введения оптического импульса и возврата его к входному концу. Измеряют линейную характеристику оптического волокна исходя из интенсивности измеренного рэлеевского рассеяния света и положения, где получено рэлеевское рассеяние света. В этом случае, положение в продольном направлении оптического волокна, где произошло рэлеевское рассеяние, задают на основании времени возвратно-поступательного движения, требуемого с момента ввода для того, чтобы введенный оптический импульс отразился внутри оптического волокна и возвратился к входному концу.
Кроме того, например, способ использования сдвига частоты рэлеевского рассеяния света, полученного в области, где в оптическом волокне произошли деформации, известен как способ измерения распределения деформаций в продольном направлении оптического волокна в OTDR.
При осуществлении этого способа, вводят оптический импульс (обеспечивают его падение) с входного конца оптического волокна. Измеряют рэлеевское рассеяние света, которое получено в различных областях в продольном направлении оптического волокна посредством введения оптического импульса и возврата его к входному концу. Когда к оптическому волокну прикладывают давление и получают деформации внутри оптического волокна, происходит сдвиг частоты рэлеевского рассеяния света, полученного в области, где появились деформации. В результате фаза измеренного рэлеевского рассеяния света изменяется относительно фазы рэлеевского рассеяния света, полученного в оптическом волокне в исходном состоянии (состоянии, в котором давление не было приложено). Это изменение фазы дает возможность обнаружить давление, приложенное к оптическому волокну. В этом случае, изменение фазы можно установить с приемлемой точностью, вводя оптический импульс множество раз и находя среднее значение рэлеевского рассеяния в разных областях.
Таким образом, в OTDR можно обнаружить изменение рэлеевского рассеяния света в различных областях в продольном направлении оптических волокон и можно обнаружить деформации (напряжение, приложенное к оптическому волокну) в областях в продольном направлении оптического волокна с высокой чувствительностью и высокой точностью на основании изменения фазы.
Способ, предусматривающий вышеупомянутое изменение фазы рэлеевского рассеяния света, гарантирует высокочувствительное и высокоточное обнаружение деформаций, возникших в различных областях в продольном направлении оптического волокна. Поэтому очевидно, что таким способом можно обнаруживать звуковую волну, которая попала в упомянутые области оптического волокна (достигла их).
Более конкретно, когда определенная звуковая волна распространяется в газе, жидкости или твердом веществе и достигает оптического волокна, то есть попадает в него, в этот оптическом волокне появляются крошечные деформации. Эти деформации зависят от частоты или амплитуды звуковой волны, которая попала в оптическое волокно. Соответственно, деформации, возникшие в областях оптического волокна, можно обнаружить, пользуясь способом, предусматривающим использование вышеупомянутого изменения фазы, а анализируя деформации можно обнаружить звуковую волну (определить ее частоту или амплитуду) и задать положение источника излучения звуковой волны.
Когда при осуществлении такого способа обнаруживают звуковую волну в областях в продольном направлении оптического волокна, разрешение в продольном направлении (продольное разрешение) определяется шириной импульса зондирующего света (оптического импульса), вводимого в оптическое волокно. Например, при обнаружении оптических волн, которые попали в две точки, расположенные в продольном направлении оптического волокна, а промежуток между этими точками меньше ширины импульса зондирующего света, невозможно определить, которая из звуковых волн, попавших в эти две точки, вызвала установленное изменение фазы рэлеевского рассеяния света. Поэтому для реализации высокого продольного разрешения нужно уменьшать ширину импульса.
Вместе с тем, если уменьшают ширину импульса зондирующего света, уменьшается и энергия оптических импульсов. В результате мощность сигнала рассеиваемого света, который рассеивается в областях оптического волокна и возвращается к входному концу, уменьшается.
Кроме того, при осуществлении способа, предусматривающего вышеупомянутое изменение фазы, происходит обнаружение деформаций (деформаций оптического волокна), которые не изменяются в течение короткого периода времени. Поэтому определение изменения фазы рэлеевского рассеяния света в каждой области осуществляют с приемлемой точностью посредством многократного измерения рэлеевского рассеяния света, вырабатываемого в каждой области оптического волокна, и использования его среднего значения. Вместе с тем, поскольку деформации в оптическом волокне, обуславливаемые звуковой волной, попадающей в него, изменяются в течение очень короткого периода времени, нельзя использовать способ, предусматривающий многократное измерение света рэлеевского рассеяния, вырабатываемого в этих областях, и использование его среднего значения.
Таким образом, способом, предусматривающим использование вышеупомянутого изменения фазы, очень трудно обнаружить звуковую волну с приемлемой точностью.
Патентный документ 1: Публикация заявки № H9-236513 на патент Японии.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн, которое может с высокой чувствительностью и высокой точностью обнаруживать звуковую волну, а также реализовать высокое разрешение.
Распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн в соответствии с первым аспектом данного изобретения представляет собой распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн, которое предусматривает использование оптического волокна в качестве датчика и включает в себя:
блок излучения оптических импульсов, вызывающий падение оптического импульса на оптическое волокно с одного конца оптического волокна; и
блок приема рэлеевского рассеяния света, принимающий рэлеевское рассеяние света, полученное внутри оптического волокна за счет падения оптического импульса, причем
блок излучения оптических импульсов выдает оптический импульс, модулируемый кодовой последовательностью, которая имеет заданную длину, основанную на размере длины оптического волокна, и посредством которой оптический импульс разделяется на множество элементов заданной ширины; а
блок приема рэлеевского рассеяния света включает в себя:
блок получения изменения фазы, осуществляющий демодуляцию, соответствующую модуляции в блоке излучения оптических импульсов, рэлеевского рассеяния света и определяющий изменение его фазы исходя из демодулированного рэлеевского рассеяния света; и
блок обнаружения звуковых волн, определяющий звуковую волну, попавшую в оптическое волокно, исходя из изменения фазы, определяемого блоком получения изменения фазы.
Задачи, признаки и преимущества данного изобретения станут понятнее из нижеследующего описания и сопровождающих чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема, демонстрирующая конфигурацию распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.2 представлен пояснительный чертеж, иллюстрирующий фазомодулированный оптический импульс, выдаваемый из блока излучения оптических импульсов распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн.
На фиг.3 представлен пояснительный чертеж, иллюстрирующий блок измерения фазы распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн.
На фиг.4 представлены схемы блока цифровой обработки сигналов распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн.
На фиг.5A-5D представлены концептуальные диаграммы для пояснения модулированного оптического импульса и фильтра восстановления импульсов после сжатия для демодуляции оптического импульса.
На фиг.6 показаны данные распределения при изменении фазы света рэлеевского рассеяния вдоль продольного направления обнаруживающего волокна.
На фиг.7 показана блок-схема последовательности операций во время обнаружения звуковых волн.
На фиг.8 представлена функциональная блок-схема, демонстрирующая конфигурацию распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.9 представлена функциональная блок-схема, демонстрирующая конфигурацию распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг.10 представлен пояснительный чертеж, демонстрирующий оптические импульсы, выдаваемые из множества импульсных блоков.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый вариант осуществления
Ниже со ссылками на фиг.1-6 приведено описание первого варианта осуществления данного изобретения.
Распределенное волоконно-оптическое устройство 10 обнаружения звуковых волн в соответствии с данным вариантом осуществления предусматривает использование оптического волокна (обнаруживающего оптического волокна) 12 в качестве датчика, обнаружение звуковых волн, которые попадают в каждую область в продольном направлении оптического волокна, с высокой чувствительностью и высокой точностью и реализацию высокого разрешения в продольном направлении (далее именуемого также «продольным разрешением»). Распределенное волоконно-оптическое устройство 10 обнаружения звуковых волн в соответствии с данным вариантом осуществления может обнаруживать не только звуковую волну, попавшую в конкретное положение (место) в продольном направлении (направлении оси z) обнаруживающего оптического волокна 12, но и распределение звуковых волн, попавших одновременно в области в продольном направлении.
В распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн обнаруживающее оптическое волокно можно использовать вместо микрофона для записи звука. Например, вставляя обнаруживающее оптическое волокно 12 в скважину или аналогичное углубление и обнаруживая звуковую волну (например, звуковую волну с частотой примерно 1 кГц), распространяющуюся в грунте, посредством этого обнаруживающего оптического волокна 12, можно наблюдать состояние скважины и подземные условия. В области медицины, за счет обнаружения звуковой волны (например, ультразвуковой волны с частотой от 3 МГц до 30 МГц), распространяющейся внутри тела человека, посредством обнаруживающего оптического волокна 12, можно наблюдать внутренности тела человека.
Как показано на фиг.1, распределенное волоконно-оптическое устройство 10 обнаружения звуковых волн снабжено основным корпусом 11 устройства и обнаруживающим оптическим волокном 12. Основной корпус 11 устройства снабжен блоком 20 излучения оптических импульсов, блоком 50 измерения фазы, оптическим циркулятором 14, блоком 30 приема света рэлеевского рассеяния, блоком 16 управляемой обработки и блоком 40 вывода.
Между блоком 20 излучения оптических импульсов и оптическим циркулятором 14 в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн может быть расположен оптический усилитель, такой, как оптическое волокно, легированное эрбием (EDFA).
Кроме того, между блоком 20 излучения оптических импульсов и оптическим циркулятором 14 в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн может быть расположен переключатель логических узлов (LN). В этом случае, коэффициент ослабления оптического импульса, выдаваемого из блока 20 излучения оптических импульсов в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн, предпочтительно равен нескольким десяткам децибел или превышает это значение.
Обнаруживающее оптическое волокно 12 используется в качестве датчика для обнаружения звуковой волны, которая попала в оптическое волокно 12. Обнаруживающее оптическое волокно 12 представляет собой длинное оптическое волокно, имеющее первый концевой участок (один конец) 12a и второй концевой участок 12b, являющийся концевым участком на стороне, противоположной стороне первого концевого участка 12a. Более конкретно, например, когда распределенное волоконно-оптическое устройство 10 обнаружения звуковых волн используется для обнаружения звуковых волн в вышеупомянутой скважине, размер длины (общая длина) L обнаруживающего оптического волокна 12 составляет примерно 30 км, а когда распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн используется для обнаружения звуковых волн (ультразвуковых волн) в области медицины, длина составляет примерно 100 м.
Оптический импульс (зондирующий свет) падает в обнаруживающее оптическое волокно 12 с первого концевого участка 12a оптического волокна 12, а из-за того, что этот оптический импульс излучается наружу, внутри обнаруживающего оптического волокна 12 вырабатывается свет, связанный с рассеянием Рэлея (рэлеевское обратное рассеяние света).
Блок 20 излучения оптических импульсов снабжен блоком 22 источника света, выдающим оптический импульс заданной частоты, и блок 24 модуляции, который осуществляет модуляцию (в данном варианте осуществления - импульсную модуляцию) оптического импульса, выдаваемого из блока 22 источника света. Блок излучения оптических импульсов обуславливает падение оптического импульса на обнаруживающее оптическое волокно 12 с переднего концевого участка 12a обнаруживающего оптического волокна 12.
Блок 22 источника света имеет источник 220 света, первый разделительный блок 222, и второй разделительный блок (спектральный блок) 224 и выдает первый оптический импульс и второй оптический импульс.
1
2
3
i
D
i
i
Источник 220 света может выдавать (излучать) оптические импульсы с заданными частотами. Более конкретно, как показано на фиг.2, источник 220 света формирует импульсный свет, выдавая оптические импульсы P, P, P, … P, имеющие заданную ширину D импульса с первым временным интервалом T между ними. Источник 220 света выдает линейно поляризованные оптические импульсы P (импульсный свет). Источником 220 света управляет блок 16 управляемой обработки, а длину волны колебаний (частоту колебаний) изменяют путем изменения температуры или тока возбуждения посредством блока 16 управляемой обработки. Кроме того, в источнике 220 света блок 16 управляемой обработки также управляет выходным интервалом между оптическими импульсами P. Источник 220 света согласно данному варианту осуществления представляет собой лазерный диод (ЛД).
i
i
i
Ширину D импульса для каждого оптического импульса P задают на основании размера L длины обнаруживающего оптического волокна 12. Более конкретно, чем больше ширина D импульса, тем больше энергия оптического импульса P. Соответственно, ширину D импульса задают так, что когда блок 30 приема рэлеевского рассеяния света принимает рэлеевское рассеяние света, полученный в окрестности второго концевого участка 12b посредством оптического импульса P, падающего с переднего концевого участка 12a обнаруживающего оптического волокна 12, гарантируется, что рэлеевское рассеяние света имеет достаточную мощность сигнала (интенсивность рэлеевского рассеяния света), необходимую для обнаружения звуковой волны, которая попала в окрестность второго концевого участка 12b обнаруживающего оптического волокна 12. Ширина D импульса в общем случае также увеличивается с увеличением размера L длины обнаруживающего оптического волокна 12.
D
i
Временной интервал T между оптическими импульсами P задают на основании частоты звуковой волны, которая является объектом обнаружения для распределенного волоконно-оптического устройства 10 обнаружения звуковых волн. Это подробнее описывается ниже.
D
i
i
i
i
i
i
В соответствии с теоремой дискретизации Найквиста, выборку из звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, следует делать, по меньшей мере, дважды за один период звуковой волны. Поэтому временной интервал T между оптическими импульсами P должен составлять половину периода звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, или менее. Таким образом, распределение звуковых волн, которое можно обнаружить (сканировать) одним оптическим импульсом P (распределение звуковых волн, которые попали в каждую область в продольном направлении), находится в пределах диапазона, в котором оптический импульс P может двигаться взад и вперед внутри обнаруживающего оптического волокна 12 в течение периода времени выборки. В звуковой волне с высокой частотой, один период является коротким, и поэтому необходимый период выборки тоже является коротким. В результате диапазон, в котором оптический импульс P может двигаться взад и вперед в обнаруживающем оптическом волокне 12 в течение периода выборки, является коротким. Как следствие, диапазон, в котором звуковую волну с высокой частотой можно обнаружить одним оптическим импульсом P при распределении вдоль обнаруживающего оптического волокна 12, является узким (коротким). По этой причине, если период выборки задают равным времени возвратно-поступательного движения оптического импульса или превышающим это время, когда обнаруживающее оптическое волокно 12, используемое в качестве датчика, длиннее диапазона, в котором оптический импульс P может двигаться взад и вперед в течение периода выборки, определяемого периодом звуковой волны, подлежащей обнаружению, возникает искажение в спектре звуковых волн, и обнаруживаемая звуковая волна оказывается искаженной. Кроме того, если период выборки задают равным периоду возвратно-поступательного движения оптического импульса или меньшим, чем этот период, прием рэлеевского рассеяния света происходит одновременно из множества областей в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12, а полное распределение звуковых волн обнаружить не удается.
i
D
1
2
3
i
D
2
3
i
Соответственно, в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн интервал между оптическими импульсами P сделан временным интервалом T (первым временным интервалом), который короче половины одного периода звуковой волны, являющейся объектом обнаружения (звуковой волны с наивысшей частотой в полосе частот, когда полоса частот звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, является широкой), и множество оптических импульсов P, P, P, …, P продвигаются в течение заданного временного интервала (временного интервала, соответствующего первому временному интервалу T) в обнаруживающем оптическом волокне 12. В результате в течение периода выборки можно сканировать всю область в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12 множеством оптических импульсов, P, P, …, P, и можно последовательно принимать рэлеевское рассеяние света из областей в продольном направлении, так что рэлеевское рассеяние света из этих областей в продольном направлении не накладываются друг на друга.
D
Первый временной интервал T в данном варианте осуществления представляет собой особый временной интервал в течение периода выборки, задаваемого звуковой волной, являющейся объектом обнаружения (периода времени, равного полупериоду звуковой волны или меньшему, чем он).
i
D
i
Кстати, поскольку оптические импульсы P, выдаваемые в течение первого временного интервала T, являются фазомодулированными посредством взаимно различных (взаимно независимых) кодовых последовательностей в блоке 24 модуляции, оптический импульс P, посредством которого получено рэлеевское рассеяние света, можно идентифицировать посредством демодуляции принятого рэлеевского рассеяния света.
i
D
Следовательно, даже когда в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн используют длинное обнаруживающее оптическое волокно 12 в качестве датчика и обнаруживают звуковую волну высокой частоты (например, с коротким периодом, как бывает в случае ультразвуковых волн), распределение звуковых волн вдоль обнаруживающего оптического волокна 12 можно обнаружить с надлежащей точностью, выдавая оптические импульсы P с первым временным интервалом T.
i
i
Возвращаясь к фиг.1, отмечаем, что первый разделительный блок 222 разделяет (разветвляет) оптический импульс P, выходящий из источника 220 света, поддерживая при этом линейную поляризацию, а разделенный оптический импульс P выдается во второй разделительный блок 224 и блок 30 приема рэлеевского рассеяния света (более конкретно - в цифровой когерентный блок 320 приема).
i
Второй разделительный блок 224 разделяет оптический импульс P из первого разделительного блока 222 на первый оптический импульс и второй оптический импульс, поддерживая при этом линейную поляризацию, и выдает первый оптический импульс и второй оптический импульс (пару оптических импульсов) в блок 24 модуляции. Второй разделительный блок 224 разветвляет введенный оптический импульс в отношении 1/2 (50:50) и выдает разветвленные импульсы. Второй разделительный блок 224 согласно данному варианту осуществления представляет собой разделительное устройство с параметром 3 дБ (делительную призму с параметром 3 дБ).
Блок 24 модуляции имеет блок 240 фазовой модуляции и блок 242 объединения, осуществляет фазовую модуляцию первого оптического импульса и второго оптического импульса, выдаваемые блоком 22 источника света (более конкретно, вторым разделительным блоком 224) и объединяет фазомодулированные первый оптический импульс и второй оптический импульс.
i
i
Блок 240 фазовой модуляции имеет первый фазовый модулятор 240a, осуществляющий фазовую модуляцию первого оптического импульса, второй фазовый модулятор 240b, осуществляющий фазовую модуляцию второго оптического импульса, и блок 244 формирования кодов, формирующий пару кодовых последовательностей (парных кодов: см. фиг.2), образованную первой кодовой последовательностью A и второй кодовой последовательностью B.
i
Первый фазовый модулятор 240a осуществляет фазовую модуляцию первого оптического импульса на основании первой кодовой последовательности A, вводимой из блока 244 формирования кодов.
i
Второй фазовый модулятор 240b осуществляет фазовую модуляцию второго оптического импульса на основании второй кодовой последовательности B, вводимой из блока 244 формирования кодов.
i
i
i
i
i
i
Блок 244 формирования кодов формирует парные коды, образованные первой кодовой последовательностью A и второй кодовой последовательностью B, как упоминалось выше, выдает первую кодовую последовательность A в первый фазовый модулятор 240a и выдает вторую кодовую последовательность B во второй фазовый модулятор 240b. Каждый из парных кодов (первой кодовой последовательности A и второй кодовой последовательности B), формируемых блоком 244 формирования кодов, имеет заданную длину ( заданную длину последовательности), основанную на размере L длины обнаруживающего оптического волокна 12, а первый и второй оптические импульсы делятся на множество элементов заданной ширины d посредством фазовой модуляции оптических импульсов соответствующими парными кодами (см. фиг.5A и 5B). Таким образом, каждый из оптических импульсов является фазомодулированным с частотой d модуляции.
Ширину d каждого элемента задают на основании продольного разрешения обнаруживающего оптического волокна 12 в направлении звуковой волны. Это подробнее описывается ниже.
i
Например, когда в оптическом волокне 12 обнаруживают звуковые волны, которые попали в две точки, расположенные в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12, для независимого обнаружения звуковых волн, которые попали в каждую точку, ширину импульса надо сделать короче, чем расстояние между этими двумя точками, когда используется одиночный импульс (оптический импульс, который не разделен на множество элементов). Соответственно, если оптический импульс P разделяют на множество элементов посредством фазовой модуляции с использованием заданной кодовой последовательности, каждый элемент может действовать подобно оптическому импульсу с малой шириной импульса. Соответственно, ширину d каждого элемента (ширину элемента) задают меньшей, чем целевое продольное разрешение.
Помимо этого, за счет такого разделения каждого оптического импульса на множество элементов с шириной d, можно также обнаружить звуковую волну высокой частоты. Более конкретно, чтобы обнаружить звуковую волну высокой частоты посредством одиночного импульса, нужно проводить измерения, пользуясь оптическим импульсом с шириной импульса, меньшей, чем расстояние, проходимое звуковой волной высокой частоты за один период. В этом случае, если оптический импульс разделяют на множество элементов с шириной d, каждый элемент действует подобно оптическому импульсу с малой шириной импульса, как упоминалось выше, и поэтому можно обнаружить звуковую волну с высокой частотой, вследствие чего оказывается возможным обнаружение посредством оптического импульса с шириной d импульса (с высокой частотой, соответствующей ширине d каждого элемента).
Первый и второй оптические импульсы в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления является фазомодулированными посредством кодовых последовательностей (парных кодов), так что образуются элементы, которые имеют ширину d, заданную таким образом.
Блок 244 формирования кодов согласно данному варианту осуществления выдает кодовую последовательность Голея. Кодовая последовательность, выдаваемая блоком 244 формирования кодов, не ограничивается кодовой последовательностью Голея. Таким образом, кодовая последовательность, выдаваемая блоком формирования кодов, может представлять собой парные коды, таким образом, что сумма автокорреляционных функций является δ-функцией, или такой код, что отдельная автокорреляционная функцией является δ-функцией. Например, возможна кодовая последовательность на основании псевдослучайных чисел, такая, как M-последовательность.
i
i
Блок 244 формирования кодов формирует разные (независимые) парные коды для каждого оптического импульса P, выдаваемого из блока 22 источника света. В результате появляется возможность идентифицировать оптический импульс P, который создало рэлеевское рассеяние света, возвращающийся из обнаруживающего оптического волокна 12.
i
Блок 242 объединения объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс, которые являются фазомодулированными посредством блока 240 фазовой модуляции, с получением одиночного оптического импульса P и выдает суммарный оптический импульс.
Блок 242 объединения согласно данному варианту осуществления имеет пару входных участков (первый входной участок 242a и второй входной участок 242b),и эта пара входных участков 242a, 242b выполнена так, что направления поляризации вводимых лучей света становятся взаимно ортогональными. То есть блок 242 объединения согласно данному варианту осуществления объединяет и выдает оптический импульс и второй оптический импульс в состоянии, в котором направления их поляризаций взаимно ортогональны. В пояснении, приводимом ниже, первый оптический импульс, вводимый на первый входной участок 242a, также называется P-поляризованным импульсом, а второй оптический импульс, вводимый на второй входной участок 242b, также называется S-поляризованным импульсом.
i
Оптический путь, соединяющий компоненты от источника 220 света до блока 242 объединения, образован поддерживающим поляризацию оптическим волокном (ПП волокном) или волноводом, в котором поддерживается состояние поляризации. В результате оптический импульс P, выдаваемый в качестве линейно поляризованного света из источника 220 света, поддерживает свое состояние поляризации даже после разделения во втором разделительном блоке 224. Поэтому пара оптических импульсов (первый и второй оптические импульсы), вводимых в блок 242 объединения, находятся в состоянии, в котором их направления поляризации взаимно ортогональны, когда поддерживающее поляризацию оптическое волокно, соединяющее второй разделительный блок 224 с первым входным участком 242a, и поддерживающее поляризацию оптическое волокно, соединяющее второй разделительный блок 224 со вторым входным участком 242b, соединены с входными участками 242a, 242b блока 242 объединения таким образом, что направления поляризации оптических импульсов взаимно ортогональны.
i
Блок 50 измерения фазы измеряет фазу оптического импульса P, выдаваемого источником 220 света, и обнаруживает вызываемое источником 220 света изменение фазы (изменение фазы во времени) в оптическом импульсе. Блок 50 измерения фазы соединен с оптическим волокном (волноводом), проходящим от источника 220 света, и блоком 324 демодуляции и выдает сигнал фазы, соответствующий результату измерения, в блок 324 демодуляции. Блок 324 демодуляции осуществляет коррекцию на основании сигнала фазы. В результате из демодулированного сигнала можно устранить влияние изменения фазы, обуславливаемого источником 220 света.
Более конкретно, как показано также на фиг.3, блок 50 измерения фазы снабжен блоком 52 разделения синфазной и квадратурной составляющих (I/Q-разделения) и блоком 54 получения изменения фазы.
Блок 52 I/Q-разделения имеет два оптических волновода 521, 522, ответвляющихся от оптического волокна (оптического волновода), идущих от источника 220 света, оптический ответвитель 523 и блок 524 сдвига фазы на 90° и осуществляет I/Q-разделение света (оптического импульса), выдаваемого из источника 220 света.
Оптические волноводы 521, 522 ответвляют часть света, распространяющегося в оптическом волокне (оптическом волноводе), идущем от источника 220 света, и направляют эту часть света к оптическому ответвителю 523. Длина оптического пути оптического волновода 521 отличается от длины оптического пути оптического волновода 522. Более конкретно, длина E2 оптического пути оптического волновода 521 больше на τ (более конкретно, на расстояние, проходимое оптическим импульсом в течение временного интервала τ), чем длина E1 оптического пути оптического волновода 522.
Оптический ответвитель 523 вызывает интерференцию света, направляемого оптическим волноводом 521, со светом, направляемым оптическим волноводом 522, и выдает интерференционный свет. В этом случае, поскольку длина оптического пути оптического волновода 521 отличается от длины оптического пути оптического волновода 522, свет, направляемый оптическим волноводом 521, достигает оптического ответвителя 523 с задержкой на время τ относительно света, направляемого оптическим волноводом 522. Оптический ответвитель 523 разделяет интерференционный свет надвое и выдает разделенный свет в блок 54 получения изменения фазы.
Блок 524 сдвига фазы на 90° осуществляет сдвиг на 90° фазы одного луча света, разделенного оптическим ответвителем 523.
Описываемые ниже сигналы синфазной и квадратурной составляющих (I, Q-сигналы) выдаются из вышеупомянутого блока 52 I/Q-разделения.
Математические формулы 1
<mrow><mi>Q</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt><mo>×</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
… (1-1)
<mrow><mi>I</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt><mo>×</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
… (1-2)
Блок 54 получения изменения фазы осуществляет аналого-цифровое преобразование I, Q-сигналов из блока 52 I/Q-разделения, объединяет преобразованные сигналы и определяет фазу ϕ(t) света, выдаваемого из источника 220 света. Более конкретно, блок 54 получения изменения фазы определяет фазу ϕ(t) света посредством следующего уравнения (2).
Математическая формула 2
<mrow><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mtext>an</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mi>I</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
… (2)
Кроме того, блок 54 получения изменения фазы может определять скорость изменения фазы в каждый момент времени путем взятия производной по времени - (dϕ(t)/dt) - фазы ϕ(t), определяемой посредством уравнения (2).
Блок 54 получения изменения фазы выдает изменение фазы ϕ(t) (изменение фазы оптического импульса, обуславливаемого источником 220 света) света, выдаваемого источником 220 света, которое обнаружено вышеописанным образом, в качестве сигнала фазы.
i
Конкретная конфигурация блока 50 измерения фазы не ограничивается вышеописанной конфигурацией. Так, блок 50 измерения фазы может иметь другую конфигурацию при условии возможности обнаружения изменения фазы оптического импульса P, обуславливаемого источником 220 света.
В блоке 50 измерения фазы, оптические волокна и волноводы, образующие оптические пути (оптические волноводы 521, 522) от оптического волокна, проходящего от источника 220 света до блока 54 получения изменения фазы, также обладают характеристикой поддержания поляризации. То есть направление поляризации света, ответвляющегося от оптического волокна, идущего от источника 220 света, поддерживается, поскольку есть блок 54 получения изменения фазы.
Оптический циркулятор 14 представляет собой нереверсивный оптический компонент, в котором падающий свет и излучаемый свет обладают циркуляционной взаимосвязью по номерам участков. Таким образом, свет, падающий на первый участок 14a, излучается со второго участка 14b и не излучается с третьего участка 14c. Свет, падающий на второй участок 14b, излучается с третьего участка 14c и не излучается с первого участка 14a. Свет, падающий на третий участок 14c, излучается с первого участка 14a и не излучается со второго участка 14b. Первый участок 14a оптического циркулятора 14 соединен с блоком 20 излучения оптических импульсов, второй участок 14b соединена с первый концевым участком 12a обнаруживающего оптического волокна 12, а третий участок 14c соединен с блоком 30 приема рэлеевского рассеяния света.
i
Блок 30 приема рэлеевского рассеяния света имеет блок 32 получения изменения фазы и блок 34 обнаружения звуковых волн и принимает рэлеевское рассеяние света, полученное внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством введения оптического импульса P (оптического импульса, в котором P-поляризованный импульс объединен с S-поляризованным импульсом).
Блок 32 получения изменения фазы имеет цифровой когерентный блок 320 приема (блок 320 разделения и обнаружения), блок 322 цифровой обработки сигналов, блок 324 демодуляции и блок 36 получения и определяет изменение фазы рэлеевского рассеяния света исходя из рэлеевского рассеяния света, подвергнутого демодуляции в соответствии с фазовой модуляцией в блоке 20 излучения оптических импульсов.
Цифровой когерентный блок 320 приема соединен с обнаруживающим оптическим волокном 12 (более конкретно - с третьем участком 14c оптического циркулятора 14) и блоком 22 источника света (более конкретно - с первым разделительным блоком 224), осуществляет разделение составляющей ортогональной поляризации (в данном варианте осуществления - P/S-поляризации) и компонента с ортогональной фазой (I/Q-канала) рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выдает разделенные компоненты в качестве электрических сигналов.
Цифровой когерентный блок 320 приема включает в себя поляризационный дуплексер 320a, ответвитель 320b, первый оптический гибрид 321а с параметром 90° и второй оптический гибрид 321b с параметром 90°.
Поляризационный дуплексер 320a разделяет (поляризационное разделение) рэлеевское рассеяние света, принимаемое блоком 30 приема рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12 на первое рэлеевское рассеяние света с заданным направлением поляризации (также именуемый далее просто «P-поляризованным рассеянным светом») и второе рэлеевское рассеяние света с направлением поляризации, ортогональным направлению поляризации первого света рэлеевского рассеяния (также именуемый далее просто «S-поляризованным рассеянным светом»).
i
i1
i2
Разветвитель 320b разветвляет оптический импульс P из первого разделительного блока 222 на два оптических импульса (оптические импульсы P, P).
i1
Первый оптический гибрид 321a 90° выделяет оптический импульс P, который разделен разветвителем 320b, в качестве локального света (локального осциллирующего света) на синфазную составляющую (I-составляющую) и квадратурную составляющую (Q-составляющую) за счет интерференции с Р-поляризованным рассеянным светом из поляризационного дуплексера 320a, преобразует разделенные составляющие в I, Q-сигналы (аналоговые сигналы) и выдает преобразованные сигналы.
i2,
Второй оптический гибрид 321b 90° разделяет оптический импульс P который разделен разветвителем 320b, в качестве локального света (локального осциллирующего света) на I-составляющую и Q-составляющую за счет интерференции с S-поляризованным рассеянным светом из поляризационного дуплексера 320a, преобразует разделенные составляющие в I, Q-сигналы (аналоговые сигналы) и выдает преобразованные сигналы.
i
Блок 322 цифровой обработки сигналов осуществляет аналого-цифровое преобразование I, Q-сигналов (аналоговых сигналов) каждого поляризованного рассеянного света (P-поляризованного рассеянного света и S-поляризованного рассеянного света), выдаваемого из цифрового когерентного блока 320 приема, а потом обеспечивает прохождение преобразованных сигналов через схему, показанную на фиг.4, и выдает I, Q-сигнал (также именуемый далее просто «P-поляризованным цифровым сигналом») P-поляризованного рассеянного света, соответствующего первому оптическому импульсу, и I, Q-сигнал (также именуемый далее просто «S-поляризованным цифровым сигналом») S-поляризованного рассеянного света, соответствующего второму оптическому импульсу. Более конкретно, блок 322 цифровой обработки сигналов определяет в схеме матрицу, иллюстрируемую ниже на фиг.4, использует эту матрицу для разделения рэлеевского рассеяния света, формируемого внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством оптического импульса P (оптического импульса, полученного путем объединения фазомодулированных первого и второго оптических импульсов), выдаваемого из блока 20 излучения оптических импульсов, на P-поляризованный рассеянный свет, соответствующий первому оптическому импульсу, и S-поляризованный рассеянный свет, соответствующий второму оптическому импульсу, и выдает разделенные сигналы.
В данном варианте осуществления, в качестве цифрового когерентного блока 320 приема и блока 322 цифровой обработки сигналов используется модуль приема на основании квадратурной манипуляции фазовым сдвигом с двойной поляризацией (DP-QPSK).
i
i
12
В распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления предусматривается высокоскоростная оптическая передача со скоростью, равной 40 Гбит/с или большей. Поэтому разрешение аналого-цифрового преобразования в блоке 322 цифровой обработки сигналов составляет всего 6 бит. Вместе с тем, в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн получают такую же точность, как в случае разрешения 18 (= 6 + 12), за счет деления оптического импульса P посредством фазовой модуляции посредством кодовой последовательности Голея, формирования 2 элементов и агрегации их в сигнальный оптический импульс P во время демодуляции. То есть поскольку информация о деформациях в определенном месте в обнаруживающем оптическом волокне 12, где получено рэлеевское рассеяние света, заключена (обеспечена) в каждом элементе рэлеевского рассеяния света, вышеупомянутую точность можно получить путем агрегации элементов посредством демодуляции. Таким образом, высокоточное обнаружение звуковых волн, такое, как в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн, реализуется за счет сжатия импульсов посредством кодовой последовательности даже тогда, когда разрешение аналого-цифрового преобразования в блоке 322 цифровой обработки сигналов является низким.
Блок 324 демодуляции осуществляет коррекцию на основании сигнала фазы из блока 50 измерения фазы относительно P-поляризованного цифрового сигнала и S-поляризованного цифрового сигнала, разделенного по поляризации посредством цифрового когерентного блока 320 приема и блока 322 цифровой обработки сигналов, и затем осуществляет демодуляцию, соответствующую фазовой модуляции в блоке 24 модуляции.
Блок 324 демодуляции имеет первый блок 324а демодуляции и второй блок 324b демодуляции. Первый блок 324а демодуляции и второй блок 324b демодуляции соединены с блоком 244 формирования кодов.
i
Первый блок 324а демодуляции осуществляет коррекцию на основании сигнала фазы из блока 50 измерения фазы по отношению к P-поляризованному цифровому сигналу, выдаваемому из блока 322 цифровой обработки сигналов. Сигнал фазы получают путем измерения изменений фазы, обуславливаемых источником света, в оптическом импульсе P, соответствующем P-поляризованному цифровому сигналу, который является объектом коррекции.
i
i
Более конкретно, если P-поляризованный цифровой сигнал (цифровой сигнал, соответствующий P-поляризованному рассеянному свету, полученному внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством первого оптического импульса, который является фазомодулированным первой кодовой последовательностью A) обозначить символом A', то первый блок 324а демодуляции осуществляет коррекцию, представляемую следующим уравнением (3).
Математическая формула 3
<mrow><msubsup><mi>А</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow>
… (3)
Таким образом, первый блок 324а демодуляции корректирует P-поляризованный цифровой сигнал путем замены ϕ(t), определенной в блоке 50 измерения фазы, на «ϕ(t)» в показателе «-iϕ(t)» степени числа «e» в уравнении (3). В результате из P-поляризованного цифрового сигнала устраняется влияние изменения фазы, обуславливаемого источником 220 света.
i
Аналогичным образом, второй блок 324b демодуляции осуществляет коррекцию (коррекцию, представляемую нижеследующим уравнением (4)) на основании сигнала фазы (сигнала фазы, используемого для коррекции P-поляризованного цифрового сигнала в вышеупомянутом первом блоке 324а демодуляции) из блока 50 измерения фазы по отношению к S-поляризованному цифровому сигналу B', выдаваемому из блока 322 цифровой обработки сигналов.
Математическая формула 4
<mrow><msubsup><mi>В</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><msub><mi>В</mi><mn>1</mn></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow>
… (4)
i
i
Затем первый блок 324а демодуляции осуществляет демодуляцию на основании кода (первой кодовой последовательности A), используемой, когда первый оптический импульс подвергнут фазовой модуляции блоком 24 модуляции по отношению к скорректированному P-поляризованному цифровому сигналу. Кроме того, второй блок 324b демодуляции осуществляет демодуляцию на основании кода (второй кодовой последовательности B), используемой, когда второй оптический импульс подвергнут фазовой модуляции блоком 24 модуляции по отношению к скорректированному S-поляризованному цифровому сигналу.
1
1
Например, если длина кодовой последовательностью составляет 16, а первая кодовая последовательность A и вторая кодовая последовательность B представлены в виде
1
A = (1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1) и
1
B = (1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1),
1
1
соответственно (см. фиг.5A и 5B), первый оптический импульс подвергают фазовой модуляции на основании вышеупомянутой первой кодовой последовательности A в первом фазовом модуляторе 240a, а второй оптический импульс подвергают фазовой модуляции на основании вышеупомянутой второй кодовой последовательности B во втором фазовом модуляторе 240b. В данном случае, символы 1, -1 соответствуют 0, π в фазовой модуляции.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
∗
∗
∗
∗
∗
∗
В этом случае, в первом блоке 324а демодуляции проводят демодуляцию P-поляризованного цифрового сигнала в соответствии с первым оптическим импульсом посредством кода A  (согласующего фильтра восстановления импульсов после сжатия), соответствующего первой кодовой последовательности A. Более конкретно, демодуляцию в первом блоке 324а демодуляции проводят посредством операции A'·A . Кроме того, во втором блоке 324b демодуляции проводят демодуляцию P-поляризованного цифрового сигнала в соответствии со вторым оптическим импульсом посредством кода B  (согласующего фильтра восстановления импульсов после сжатия), соответствующего второй кодовой последовательности В. Более конкретно, демодуляцию во втором блоке 324b демодуляции проводят посредством операции B'·B . В данном случае, получение A  и В происходит посредством изменения на обратный порядка символов в A и B (см. фиг.5C и 5D) и представляется в виде:
1
1
A и B (см. фиг.5C и 5D) и представляется в виде:
1
∗
A = (-1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1) и
1
∗
B = (1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1).
Блок 36 получения снабжен блоком 360 объединения пар блоком 362 получения фазы и блоком 364 получения изменения фазы и определяет изменение фазы ΔΦ в демодулированном рэлеевском рассеянии света.
Блок 360 объединения пар определяет сумму P-поляризованного рассеянного света и S-поляризованного рассеянного света (объединяет их), демодулированных блоком 324 демодуляции, и определяет демодулированный сигнал. Более конкретно, блок 360 объединения пар объединяет P-поляризованный цифровой сигнал (I, Q-сигнал: сигнал, соответствующий P-поляризованному рассеянному свету), демодулированный первым блоком 324а демодуляции, и S-поляризованный рассеянный свет (I, Q-сигнал: сигнал, соответствующий S-поляризованному рассеянному свету), демодулированный вторым блоком 324b демодуляции. Еще конкретнее, демодулированный сигнал (I, Q-сигнал) в блоке 360 объединения пар формируется путем определения суммы I-составляющих (сигналов) и суммы Q-составляющих (сигналов) каждого сигнала при объединении P-поляризованного цифрового сигнала,
демодулированного первым блоком 324а демодуляции, и S-поляризованного цифрового сигнала, демодулированного вторым блоком 324b демодуляции.
i
В результате такой демодуляции, то есть определения суммы сигналов после демодуляции P-поляризованного рассеянного света и S-поляризованного рассеянного света, вследствие чего каждый из P-поляризованного рассеянного света и S-поляризованного рассеянного света разделен на множество элементов, они снова превращаются в одиночный оптический импульс (одиночный импульс). В этом случае, информация о деформациях в определенном месте в обнаруживающем оптическом волокне 12, где получено рэлеевское рассеяние света (P-поляризованный рассеянный свет и S-поляризованный рассеянный свет), соединяются в одиночный импульс с шириной импульса, равной одному элементу (оптический импульс, который не разделен на множество элементов). Таким образом, в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления, демодуляция (то есть сжатие импульсов с использованием заданной кодовой последовательности) рэлеевского рассеяния света, полученного внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством оптического импульса P, демонстрирует такой же эффект, как обнаружение звуковой волны за счет использования оптического импульса, имеющего малую ширину импульса (ширину импульса, соответствующую ширине d элемента) и большую мощность сигнала.
Блок 362 получения фазы определяет фазу Φ рэлеевского рассеяния света, принимаемого блоком 30 приема рэлеевского рассеяния света, по демодулированному сигналу, полученному в блоке 360 объединения пар. Более конкретно, блок 362 получения фазы определяет фазу Φ рэлеевского рассеяния света посредством нижеследующего уравнения (5) по демодулированному сигналу (I, Q- сигналу), определяемому блоком 360 объединения пар.
Математическая формула 5
<mrow><mi>Φ</mi><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> </mtext><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mtext>an</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>Q</mi><mi>I</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
… (5)
Блок 362 получения фазы выдает фазу Φ рэлеевского рассеяния света, определенного вышеупомянутым образом, в блок 364 образования измененной фазы, а также запоминает эту фазу в блоке 16a блока 16 управляемой обработки.
1
2
3
i
i
i
i-1
i-1
i
i-1
i
i-1
Блок 364 образования измененной фазы определяет разность ΔΦ (изменение фазы) между фазой рэлеевского рассеяния света, недавно определенного в блоке 362 получения фазы, и фазой рэлеевского рассеяния света, определенного в предыдущем цикле. Например, когда посредством распределенного волоконно-оптического устройства 10 обнаружения звуковых волн обнаруживают звуковую волну в моменты t, t, t, … t, блок 364 получения изменения фазы определяет в качестве изменения ΔΦ фазы разность между фазой Φ рэлеевского рассеяния света, определенной в момент t, и фазой Φ рэлеевского рассеяния света, определенной в момент t. Более конкретно, блок 364 поучения изменения фазы принимает фазу Φ рэлеевского рассеяния света из блока 362 получения фазы, считывает фазу Φ рэлеевского рассеяния света, определенную в предыдущем цикле и запомненную блоком 362 получения фазы в блоке 16а памяти, и определяет отсюда изменение ΔΦ (= Φ - Φ) фазы между рэлеевским рассеянием света, фаза которого определена в предыдущем цикле, и рэлеевским рассеянием света, фаза которого определена после этого.
1
2
3
i
D2
1
2
3
Блок 34 обнаружения звуковых волн создает данные (данные распределения изменения ΔΦ фазы вдоль оси z) в каждом положении в направлении оси z (продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12) для каждого момента t, t, t, … t, как показано на фиг.6, исходя из величины изменения ΔΦ фазы в рэлеевском рассеянии света, выдаваемом из блока 364 получения изменения фазы, и запоминает эти данные распределения изменения ΔΦ фазы в блоке 16а памяти. В данном варианте осуществления, интервал T моментов t, t, t, … также называется периодичностью выборки.
i
i
Блок 34 обнаружения звуковых волн задает положение формирования в продольном направлении рэлеевского рассеяния света, в котором возникло изменение ΔΦ фазы, посредством интервала времени с момента выхода оптического импульса P из блока 20 излучения оптических импульсов до момента приема рэлеевского рассеяния света, полученного посредством оптического импульса P, блоком 30 приема рэлеевского рассеяния света. Величина изменения ΔΦ фазы рэлеевского рассеяния света в каждом положении в продольном направлении представляет звуковую волну, которая попала в эти положения обнаруживающего оптического волокна 12 снаружи.
Блок 16 управляемой обработки представляет собой блок для управления каждым компонентом распределенного волоконно-оптического устройства 10 обнаружения звуковых волн и включает в себя, например, микропроцессор, оперативную память и блок 16а памяти или другую память для запоминания необходимых данных.
1
2
3
i
Блок 16 управляемой обработки осуществляет вычислительную обработку различных данных (распределения изменения ΔΦ фазы и т.п.), которые определены блоком 34 обнаружения звуковых волн и сохранены в блоке 16а памяти, и определяет различные типы информации, относящейся к звуковой волне, которая попала в обнаруживающее оптическое волокно 12. Например, блок 16 управляемой обработки может задавать положение источника передачи звуковой волны по распределению изменения ΔΦ фазы вдоль продольного направления. Кроме того, блок 16 управляемой обработки может обнаруживать перемещение положения источника передачи звуковой волны с течением времени (t, t, t, …, t) по происходящим во времени изменениям распределения изменения ΔΦ фазы вдоль продольного направления.
Блок 40 вывода имеет блок 42 отображения и блок 44 динамика. Блок 40 вывода выдает наружу информацию различных типов о звуковых волнах, обнаруживаемых в каждом положении в продольном направлении, на основании распределения изменения ΔΦ фазы, сохраненного в блоке 16а памяти посредством блока 34 обнаружения звуковых волн. Более конкретно, блок 40 вывода отображает посредством блока 42 отображения график, имеющий три оси, а именно, ось (ось z), по которой откладывается расстояние в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12, ось, по которой откладывается прошедшее время, и ось, по которой откладывается интенсивность обнаруженной звуковой волны, или откладываются положения источника формирования звуковых волн, определенные, например, блоком 16 управляемой обработки. Блок 40 вывода также выдает (воспроизводит) посредством блока 44 динамика звуковую волну, обнаруженную в произвольном положении в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12.
1
2
3
i
При воспроизведении обнаруженной звуковой волны, блок 40 вывода задает окно воспроизведения (см. фиг.6) на заданном положении на оси z в распределении данных изменения ΔΦ фазы, запомненного в блоке 16а памяти, и воспроизводит вариацию изменения ΔΦ фазы в окне воспроизведения во времени в моменты (t, t, t, …, t) в качестве вариации звука (≅ напряжения).
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Окно воспроизведения обычно задают на прямой линии, соединяющей конкретные положения на оси z (в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12) для каждого момента t, t, t, …, как показано посредством одноточечного окна воспроизведения на фиг.6. Звук, который попал в конкретные положения, воспроизводится в порядке моментов t, t, t, … истекшего времени в результате задания такого окна воспроизведения. Окно воспроизведения не ограничивается тем, которое задано на прямой линии. Например, можно также задать окно воспроизведения, имеющее заданную ширину в направлении оси z (окно воспроизведения, показанное на левой стороне одноточечного окна воспроизведения на фиг.6). В этом случае, звуковые волны множества частот воспроизводятся в каждый момент t, t, t, … в смешанном состоянии.
Распределение звуковых волн в вышеописанном распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн осуществляется так, как показано на фиг.7. Это обнаружение подробнее поясняется ниже.
Сначала устанавливают обнаруживающее оптическое волокно 12. Обнаруживающее оптическое волокно 12 может быть подвешено в воздухе или может находиться в грунте, в стенах зданий и т.п., или на поверхности конструкционных составных частей, таких, как стенки транспортных средств, таких, как летательные аппараты. Обнаруживающее оптическое волокно 12 также может быть намотано на теле человека.
Когда обнаруживающее оптическое волокно 12 подвешено в воздухе, можно обнаружить звуковую волну, которая распространилась в воздухе и достигла обнаруживающего оптического волокна 12. Когда обнаруживающее оптическое волокно находится в грунте, в стенах зданий и т.п., или на поверхности конструкционных составных частей, таких, как стенки транспортных средств, таких, как летательные аппараты, можно обнаружить звуковую волну, которая распространилась в грунте или элементах, составляющих транспортное средство или сооружение, и достигла обнаруживающего оптического волокна 12. Кроме того, оптическое волокно, которое уже установлено для связи в здании, можно использовать в качестве обнаруживающего оптического волокна 12. В этом случае, звуковая волна (из источника), формируемая в помещении, последовательно распространяется по воздуху в этом помещении и его стенах и достигает обнаруживающего оптического волокна 12 (оптического волокна, которое уже установлено для связи), что делает возможным обнаружение этой звуковой волны. Когда обнаруживающее оптическое волокно 12 намотано на теле человека, можно обнаружить звуковую волну (например, ультразвуковую волну), которая распространилась в теле человека и достигла этого обнаруживающего оптического волокна.
i
D
Сразу же после установки обнаруживающего оптического волокна 12, блок 16 управляемой обработки выдает фазомодулированные оптические импульсы P с первым временной интервалом T из блока 20 излучения оптических импульсов и вводит эти оптические импульсы в обнаруживающее оптическое волокно 12 через оптический циркулятор 14. Это будет подробнее описано ниже.
i
i
D
Блок 22 источника света выдает линейно поляризованные оптические импульсы P, имеющие заданную ширину D импульса (этап S1). Оптические импульсы P, последовательно выдаваемые с первый временной интервал T, который задан на основании периода звука (звука с набольшей частотой, когда имеется заданная полоса частот), являющегося объектом обнаружения.
i
i
i
i
i
Оптический импульс P разделяют на пару оптических импульсов (первый оптический импульс и второй оптический импульс) посредством второго разделительного блока 224, а разделенные оптические импульсы подают в блок 24 модуляции. В блоке 24 модуляции, фазовые модуляторы 240a, 240b осуществляют фазовую модуляцию по отношению к соответствующим оптическим импульсам пары оптических импульсов (пары оптических импульсов, разделенных во втором разделительном блоке 224) посредством использования парных кодов (первой кодовой последовательности A и второй кодовой последовательности B), формируемых блоком 244 формирования кодов (этап S2). Таким образом, первый фазовый модулятор 240a осуществляет фазовую модуляцию первого оптического импульса посредством использования первой кодовой последовательности A, а второй фазовый модулятор 240b осуществляет фазовую модуляцию второго оптического импульса посредством использования второй кодовой последовательности B. В результате каждый оптический импульс оказывается разделенным на множество элементов.
i
D
i
1
2
3
i
D
Пару оптических импульсов, которые подверглись фазовой модуляции фазовыми модуляторами 240a, 240b, объединяют в блоке 242 объединения в состоянии с взаимно ортогональными направлениями поляризации, а объединенный оптический импульс P выдают из блока 20 излучения оптических импульсов с первым временным интервалом T (этап S3). Этот оптический импульс P вводят с переднего концевого участка 12a в обнаруживающее оптическое волокно 12 через оптический циркулятор 14. В результате множество оптических импульсов P, P, P, …, P распространяются внутри обнаруживающего оптического волокна 12 по направлению ко второму концевому участку 12b с первым временным интервалом T (см. фиг.2).
i
D
i
D
В этом случае, например, при обнаружении звуковой волны, в твердом теле, если скорость звуковой волны в твердом теле составляет 5000 м/с, а частота звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, составляет 20 кГц, один период звуковой волны составляет 50 мкс, а период выборки составляет, например, 25 мкс (период выборки может быть равным этому значению или меньшим). Расстояние, проходимое оптическим импульсом P в оптическом волокне за период выборки, составляет 5 км. Поэтому, первый временной интервал T составляет 25 мкс (он может быть равным этому значению или меньшим). В этом случае, если суммарная оптическая длина L обнаруживающего оптического волокна 12 составляет 10 км, расстояние, проходимое оптическим импульсом P в обоих направлениях, составляет 20 км. Следовательно, четыре (4) оптических импульса проходят взад и вперед внутри оптического волокна 12 с первым временным интервалом T (интервалом 25 мкс или 5 км).
i
D
i
D
Кроме того, например, если частота звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, составляет 10 МГц, один период звуковой волны составляет 0,1 мкс (= 100 нс), а частота выборки составляет, например, 50 нс (период выборки может быть равным этому значению или меньшим). Расстояние, проходимое оптическим импульсом P внутри оптического волокна за этот период выборки, составляет 10 м. Поэтому, первый временной интервал T задают равным 50 нс (он может быть равным этому значению или меньшим). В этом случае, если суммарная длина L обнаруживающего оптического волокна 12 составляет 100 м, расстояние, проходимое оптическим импульсом P в обоих направлениях составляет 200 м. Следовательно, двадцать (20) оптических импульсов проходят взад и вперед внутри оптического волокна 12 с первым временным интервалом T (интервалом 50 нс или 10 м).
i
Если оптический импульс P вводят таким образом в обнаруживающее оптическое волокно 12, блок 16 управляемой обработки затем обнаруживает звуковую волну, которая попала в обнаруживающее оптическое волокно 12, в результате приема рэлеевского рассеяния света блоком 30 приема рэлеевского рассеяния света. Это подробнее описывается ниже.
i
Если звуковая волна достигает обнаруживающего оптического волокна 12 (попадает в него), в этом оптическом волокне 12 формируются деформации, обуславливаемые проникновением звуковой волны. Деформации имеют место в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12 (направлении (касательном) центральной оси обнаруживающего оптического волокна 12 в положении, куда попала звуковая волна). Если рэлеевское рассеяние света вырабатывается в положении, где возникли деформации, фаза рэлеевского рассеяния света изменяется по отношению к фазе рэлеевского рассеяния света, полученного в том же положении, когда деформация не возникла. Величина изменения ΔΦ фазы соответствует интенсивности или частоте звуковой волны, которая попала в обнаруживающее оптическое волокно 12. Соответственно, блок 30 приема рэлеевского рассеяния света обнаруживает изменение ΔΦ фазы (информацию о деформациях) рэлеевского рассеяния света, вызываемое попаданием звуковой волны в обнаруживающее оптическое волокно 12 вследствие рэлеевского рассеяния света, возвратившегося к первому концевому участку 12a обнаруживающего оптического волокна 12, и осуществляет обнаружение звуковой волны, которая попала в обнаруживающее оптическое волокно 12 из изменения ΔΦ фазы. Таким образом, происходит прием рэлеевского рассеяния света, формируемого посредством оптического импульса P, падающего на обнаруживающее оптическое волокно 12, и информация о деформациях, формируемая в обнаруживающем оптическом волокне 12 посредством попадающей в него звуковой волны, извлекается из рэлеевского рассеяния света.
i
i
i
i
∗
∗
Более конкретно, сначала цифровой когерентный блок 320 приема осуществляет выделение составляющей ортогональной поляризации (P/S-поляризации) и составляющей с ортогональной фазой (I/Q-канала) принимаемого рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выдает выделенные составляющие в качестве электрических сигналов. Затем блок 322 цифровой обработки сигналов осуществляет аналого-цифровое преобразование, а потом формирует и выдает P-поляризованный сигнал, соответствующий первому оптическому импульсу, и S-поляризованный сигнал, соответствующий второму оптическому импульсу посредством схемы, показанной на фиг.4. Первый блок 324а демодуляции (второй блок 324b демодуляции) осуществляет демодуляцию (A' · A  и B' · B ), соответствующую фазовой модуляции в первом фазовом модуляторе 240a (втором фазовом модуляторе 240b) по отношению к P-поляризованному сигналу (S- поляризованному сигналу) (этап S4).
i
i
Если демодулируют P-поляризованный сигнал и S-поляризованный сигнал, блок 360 объединения пар находит сумму P-поляризованного сигнала (сигнала, соответствующего P-поляризованному рассеянному свету) и S-поляризованного сигнала (сигнала, соответствующего S-поляризованному рассеянному свету), которые определены посредством демодуляции, и берет эту сумму в качестве демодулированного сигнала. В результате сигнал, соответствующий рэлеевскому рассеянию света (оптическому импульсу), разделенному на множество элементов посредством фазовой модуляции, становится сигналом, соответствующим одиночному импульсу (оптическому импульсу, который не разделен на множество элементов) с шириной импульса, равной одному элементу. В этом случае, когда оптический импульс P, введенный в обнаруживающее оптическое волокно 12, отражается за счет флуктуаций коэффициента отражения и вырабатывается рэлеевского рассеяния света, поскольку все элементы, из которых состоит оптический импульс P, отражаются за счет флуктуации, каждый элемент включает в себя информацию о деформации в положении отражения. Следовательно, получая одиночный импульс (сигнал, соответствующий одиночному импульсу) посредством демодуляции, можно агрегировать информацию о деформации в упомянутых элементах. В результате из сигнала, соответствующего одному оптическому импульсу (рэлеевскому рассеянию света), можно получить информацию о деформации в количестве, эквивалентном тому, которое получают, когда оптические импульсы, количество которых равно количеству элементов, выдаются в обнаруживающее оптическое волокно 12.
1
2
Если P-поляризованный сигнал и S-поляризованный сигнал объединяются в блоке 360 объединения пар, и вырабатывается демодулированный сигнал, блок 362 получения фазы определяет фазу рэлеевского рассеяния света, соответствующего демодулированному сигналу, из демодулированного сигнала. Блок 364 получения изменения фазы затем определяет изменение ΔΦ фазы рэлеевского рассеяния света (то есть изменение фазы рэлеевского рассеяния света, вызываемое деформациями, создаваемыми в обнаруживающем оптическом волокне 12 попадающей в него звуковой волной) из фазы рэлеевского рассеяния света, определенной в предыдущем цикле в блоке 362 получения фазы (этап S5). В данном варианте осуществления, поскольку деформации в обнаруживающем оптическом волокне 12, создаваемые посредством попадающей в него звуковой волны, изменяются в течение очень короткого интервала времени, блок 36 получения определяет изменение ΔΦ фазы по разности фаз между рэлеевским рассеянием света в предыдущий момент измерения (например, момент t на фиг.6) и рэлеевским рассеянием света в следующий момент измерения (например, момент t на фиг.6).
1
2
3
i
Если изменение ΔΦ фазы определяют таким образом, блок 34 обнаружения звуковых волн формирует данные распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении) в каждый из моментов t, t, t, …, t и запоминает данные распределение в блоке 16а памяти (этап S6). Распределение изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении) представляет собой распределение звуковых волн, которые попадают в различные положения в направлении оси z.
i
i
1
2
3
i
D
1
2
3
i
В этом случае, распределение звуковых волн в направлении оси z (продольном направлении), которое можно обнаружить (сканировать) посредством одного оптического импульса P, находится в пределах диапазона, в котором оптический импульс P может двигаться взад и вперед внутри обнаруживающего оптического волокна 12 в течение периода выборки звуковой волны (звуковой волны, являющейся объектом обнаружения), то есть в течение половины периода с максимальной частотой звуковой волны, являющейся объектом обнаружения. Посредством выдачи множества оптических импульсов P, P, P, …, P из блока 20 излучения оптических импульсов с первым временным интервалом T, можно сканировать всю область в направлении оси z (продольном направлении) обнаруживающего оптического волокна 12 в период выборки, делая это посредством множества оптических импульсов P, P, P, …, P.
1
2
3
i
Если обнаруживают распределение изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении) (распределение звуковой волны в направлении оси z), то блок 40 вывода преобразует вариацию изменения ΔΦ фазы с течением времени (t, t, t, …, t) в конкретном положении (положении на оси z, которое задает окно воспроизведения) в направлении оси z (продольном направлении), тем самым воспроизводя звуковую волну, которая попала в обнаруживающее оптическое волокно 12 в упомянутом конкретном положении (этап S7).
Далее, блок 16 управляемой обработки задает положение источника передачи звуковой волны исходя из распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении), запомненного в блоке 16а памяти, посредством блока 34 обнаружения звуковых волн, а блок 40 вывода отображает это положение на блоке 42 отображения.
Блок 16 управляемой обработки может включать в себя программу для воспроизведения состояния в грунте или сооружении исходя из распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z. Когда звуковая волна, которая распространяется внутри грунта или сооружения, обнаруживается посредством обнаруживающего оптического волокна 12, блок 16 управляемой обработки выполняет упомянутую программу, тем самым делая возможным воспроизведения состояния в грунте или в нефтяной скважине, либо внутри сооружения, исходя из полученного распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении), а блок 40 вывода может отображать соответствующую информацию. Если блок 16 управляемой обработки включает в себя программу для воспроизведения внутреннего состояния тела человека исходя из распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении), звуковая волна, распространяющаяся в теле человека, обнаруживается посредством обнаруживающего оптического волокна 12, а за счет выполнения упомянутой программы, блок 16 управляемой обработки может обнаруживать внутреннее состояние тела человека исходя из полученного распределения изменения ΔΦ фазы в направлении оси z (продольном направлении), и блок 40 вывода может отобразить это состояние как изображение.
i
i
При наличии вышеописанного распределенного волоконно-оптического устройства 10 обнаружения звуковых волн, где оптический импульс P, подвергнутый фазовой модуляции заданной кодовой последовательностью, вводится в обнаруживающее оптическое волокно 12, а рэлеевское рассеяние света, формируемый внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством оптического импульса P, подвергается демодуляции, соответствующей фазовой модуляции (то есть осуществляется сжатие импульсов посредством заданной кодовой последовательности), можно получить тот же эффект, что и получаемый, когда звуковую волну обнаруживают посредством оптического импульса малой ширины (ширины импульса, соответствующего ширине d элемента) и большой мощности сигнала. В результате звуковые волны, попавшие в области в продольном направлении (направлении оси z) длинного обнаруживающего оптического волокна 12, можно обнаружить с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также можно воплотить высокое продольное разрешение.
i
i
Более конкретно, путем осуществления фазовой модуляции оптического импульса P за счет использования кодовой последовательности (в данном варианте осуществления - кодовой последовательности Голея) заданной длины (длины, определенной на основании продольного размера L обнаруживающего оптического волокна 12), можно гарантировать энергию, достаточную для обнаружения звуковой волны в оптическом импульсе P, падающем на обнаруживающее оптическое волокно 12. Это подробнее описывается ниже.
i
i
i
Ширина D импульса, присущая оптическому импульсу P, подвергнутого фазовой модуляции посредством длинной кодовой последовательности, увеличивается с длиной кодовой последовательности. Поэтому оптический импульс P, фазомодулированный посредством длинной кодовой последовательности, имеет большую энергию. Соответственно, когда происходит прием рэлеевского рассеяния света, полученного в окрестности второго концевого участка 12b обнаруживающего оптического волокна 12, оптический импульс P, подвергнутый фазовой модуляции посредством кодовой последовательности, длина которой гарантирует достаточную мощность сигнала, необходимую для обнаружения звуковой волны, используется для обнаружения звуковой волны. В результате, даже когда происходит прием рэлеевского рассеяния света, полученного в любом положении в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна 12, это рэлеевское рассеяние света имеет достаточную мощность сигнала, необходимую для обнаружения звуковой волны. Поэтому, звуковые волны, попавшие в различные области в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна 12, можно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью.
i
i
i
i
Кроме того, если оптический импульс P разделен посредством фазовой модуляции на множество элементов, то, когда происходит получение рэлеевского рассеяния света посредством оптического импульса P внутри обнаруживающего оптического волокна 12, каждый элемент рэлеевского рассеяния света включает в себя (имеет) информацию о деформациях в месте, где произошло рассеяние Рэлея. В результате можно получить большой объем информации о деформациях посредством измерений с использованием одиночного оптического импульса P. Таким образом, поскольку информация о деформациях, заключенная в элементах, собирается воедино посредством демодуляции принимаемого рэлеевского рассеяния света, можно получать информацию о деформациях в объеме, эквивалентном объему, получаемому путем измерения деформаций на месте, где произошло рэлеевское рассеяние, за счет использования большого количества оптических импульсов (количества, соответствующего количеству элементов). Таким образом, проводя сжатие импульсов с использованием заданной кодовой последовательности, можно получить достаточное количество информации о деформациях в положении обнаруживающего оптического волокна 12, где рэлеевское рассеяние света получено из рэлеевского рассеяния света, полученного посредством одиночного оптического импульса P. В результате даже деформации, которые возникают в обнаруживающем оптическом волокне 12 из-за попадающей в него звуковой волны и изменяются в течение очень короткого периода времени, можно обнаруживать с приемлемой точностью.
i
i
i
Кроме того, за счет разделения оптического импульса P посредством фазовой модуляции на множество элементов заданной ширины d, можно получить такое же продольное разрешение, как получаемое, когда измерения проводят с использованием оптического импульса с шириной d импульса. Таким образом, разделяя оптический импульс P на элементы, количество которых соответствует кодовой последовательности заданной длины, можно реализовать высокое продольное разрешение, соответствующее ширине ячейки, гарантируя при этом достаточную энергию оптического импульса P и обнаружение звуковой волны, которая попала в положение, отдаленное от переднего концевого участка 12a обнаруживающего оптического волокна 12.
i
i
Когда проводят сжатие импульсов с использованием кодовой последовательности, такой, как в данном варианте осуществления, получают достаточное количество информации о деформациях в месте, где в обнаруживающем оптическое волокне 12 посредством одиночного оптического импульса P получено рэлеевское рассеяние света. Поэтому не нужно проводить измерения путем развертывания частоты оптического импульса P, вводимого в обнаруживающее оптическое волокно 12. По этой причине, при наличии распределенного волоконно-оптического устройства 10 обнаружения звуковых волн, звуковые волны, которые попадают в каждую область в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна 12, можно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также можно реализовать высокое продольное разрешение даже путем использования блока 22 источника света, конфигурация которого проще, чем у источника света, выдающего оптические импульсы с изменяемой частотой, в блоке 20 излучения оптических импульсов.
Кроме того, в результате осуществления сжатия импульсов с использованием пары кодовых последовательностей (например, кодовой последовательности Голея) таким образом, что суммы автокорреляционных функций представляют собой δ-функцию, как в данном варианте осуществления, когда изменения фаз определяют исходя из пары лучей рэлеевского рассеяния света (P-поляризованного рассеянного света и S- поляризованного рассеянного света), которые выделены и демодулированы посредством цифрового когерентного блока 320 приема, блока 322 цифровой обработки сигналов и блока 324 демодуляции, можно исключить влияние рэлеевского рассеяния света, не относящегося к упомянутой паре лучей рэлеевского рассеяния света. В результате можно надежнее проводить высокочувствительное и высокоточное обнаружение звуковых волн.
Таким образом, если используется кодовая последовательность Голея, выполняются следующие условия, как показано на фиг.2:
i
i
i
i
A ∗ A + B ∗ B = 2Mδ
i
j
i
j
A ∗ A + B ∗ B = 0
В данном случае, знак ∗ отображает операцию корреляции, а M отображает длину кодовой последовательности.
В результате, поскольку сумма автокорреляционных функций одного луча рэлеевского рассеяния света в вышеупомянутой паре (например, P-поляризованного рассеянного света) и другого луча рэлеевского рассеяния света становится нулевой, влияние рэлеевского рассеяния света, не относящегося к упомянутой паре лучей рэлеевского рассеяния света, можно исключить из результата измерения.
i
Кроме того, в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления, изменение фазы оптического импульса P, вызываемое источником 220 света обнаруживается блоком 50 измерения фазы, а принимаемый рэлеевское рассеяние света корректируется на основании результата измерения, который получается посредством блока 50 измерения фазы перед тем, как демодуляция, соответствующая фазовой модуляции в блоке 24 модуляции, проводится в блоке 324 демодуляции. В результате можно устранить влияние изменения фазы рэлеевского рассеяния света после демодуляции, вызываемое источником 220 света. Следовательно, в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления можно проводить обнаружение звуковой волны с приемлемой точностью. Это подробнее описывается ниже.
i
При наличии нескольких источников света, фаза выдаваемого луча света (оптического импульса) изменяется с течением времени, и такие изменения фаз являются неупорядоченными. Следовательно, если принимаемое рэлеевское рассеяние света непосредственно демодулируется, когда в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн используется источник 220 света с изменяемой фазой, предполагается состояние, в котором демодулированное рэлеевское рассеяние света предусматривает влияние (фазовый шум) изменений фазы, вызываемое источником 220 света. Соответственно, фазовый шум удаляют, а влияние фазового шума в демодулированном рэлеевском рассеянии света устраняют путем измерения изменения фазы оптического импульса P, обуславливаемого источником 220 света и коррекции рэлеевского рассеяния света перед демодуляцией на основании результата измерения, как происходит в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10 обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления. В результате звуковые волны можно точно обнаруживать даже тогда, когда используется источник 220 света, в котором фаза выдаваемого луча света изменяется с течением времени.
Второй вариант осуществления
Ниже, со ссылками на фиг.8, поясняется второй вариант осуществления данного изобретения. Компоненты, являющиеся такими же, как в первом варианте осуществления, обозначены такими же позициями, а их подробное описание здесь опущено. Ниже приводится подробное пояснение только отличающихся компонентов.
Распределенное волоконно-оптическое устройство 10А обнаружения звуковых волн согласно второму варианту осуществления снабжено основным корпусом 11 устройства и обнаруживающим оптическим волокном 12. Основной корпус 11 устройства снабжен блоком 20А излучения оптических импульсов, блоками 50A, 50B измерения фазы, оптическим циркулятором 14, блоком 30A приема рэлеевского рассеяния света, блоком 16 управляемой обработки и блоком 40 вывода.
В распределенном волоконно-оптическом устройстве 10А обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления, аналогично первому варианту осуществления, между блоком 20А излучения оптических импульсов и оптическим циркулятором 14 может быть расположен оптический усилитель, такой, как оптическое волокно, легированное эрбием (EDFA).
i
Блок 20 излучения оптических импульсов снабжен источником 22А света, который выдает оптический импульс заданной частоты, блоком 24А модуляции, который осуществляет фазовую модуляцию оптического импульса P, выдаваемого блоком 22А источника света, и блоком 26 модуляции интенсивности. Оптический импульс вводят в обнаруживающее оптическое волокно 12 с переднего концевого участка 12a обнаруживающего оптического волокна 12.
1
2
1
Блок 22А источника света имеет первый источник 220A света, второй источник 220В света, третий разделительный блок 225 и четвертый разделительный блок 226. Первый источник 220А света выдает первый оптический импульс с конкретной длиной волны λ. Второй источник 220B света выдает второй оптический импульс с длиной λ, отличающейся от длины волны λ. Таким образом, первый оптический импульс и второй оптический импульс имеют взаимно различные длины волн λ.
i
i
Третий разделительный блок 225 разделяет (разветвляет) оптический импульс P, выдаваемый из первого источника 220А света, а разделенные первые оптические импульс P выдаются в блок 24А демодуляции в блок 30А приема рэлеевского рассеяния света (более конкретно - в первый смеситель 312а блока 312 разделения и обнаружения). Четвертый разделительный блок 226 разделяет (разветвляет) второй оптический импульс, выдаваемый из второго источника 220B света, а разделенные вторые оптические импульсы выдаются в блок 24 модуляции и блок 30А приема рэлеевского рассеяния света (более конкретно - во второй смеситель 312b блока 312 разделения и обнаружения).
Блок 24А модуляции имеет блок 240А фазовой модуляции 240A и блок 242А объединения, осуществляет фазовую модуляцию и объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс, выдаваемые блоком 22А источника света (более конкретно - первым источником 220А света и вторым источником 220B света).
i
i
Блок 240А фазовой модуляции имеет первый фазовый модулятор 240а, второй фазовый модулятор 240b и генератор 28 импульсов, создающий пару кодовых последовательностей (парных кодов: см. фиг.2), образованных первой кодовой последовательностью A и второй кодовой последовательностью B.
i
Генератор 28 импульсов имеет блок 244 формирования кодов, который формирует парные коды, используемые для фазовой модуляции первого оптического импульса и второго оптического импульса, и блок 245 формирования сигнала модуляции интенсивности, который формирует сигнал (сигнал интенсивности) для модуляции интенсивности суммарного оптического импульса P.
Блок 245 формирования сигнала модуляции интенсивности соединен с блоком 26 модуляции интенсивности и выдает сигнал для модуляции интенсивности с шириной D импульса и интервалом Td между импульсами (первым временным интервалом), соответствующим парным кодам, формируемым в блоке 244 формирования кодов (см. фиг.2).
i
i
Блок 242А объединения объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс, подвергнутые фазовой модуляции в блоке 240А фазовой модуляции, с получением одиночного оптического импульса P и выдает суммарный оптический импульс. Блок 242А объединения согласно данному варианту осуществления объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс с получением одиночного оптического импульса P и выдает суммарный оптический импульс путем использования мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM).
i
Блок 26 модуляции интенсивности осуществляет модуляцию интенсивности оптического импульса P, выдаваемого из блока 242 объединения, на основании сигнала модуляции интенсивности из блока 245 формирования сигнала модуляции интенсивности генератора 28 импульсов.
i
D
Оптический импульс P с шириной D импульса, который разделен на множество элементов с шириной d, выдается из вышеописанного блока 20А излучения оптических импульсов с первым временным интервалом T таким же образом, как в первом варианте осуществления.
Блок 50А измерения фазы (первый блок измерения фазы) измеряет фазу первого оптического импульса, выдаваемого первым источником 220А света, обнаруживает изменение фазы (изменение фазы со временем), вызываемое первым источником 220А света, в первом оптическом импульсе, и выдает сигнал фазы, соответствующий результату измерения, в первый блок 324а демодуляции.
Блок 50B измерения фазы (второй блок измерения фазы) измеряет фазу второго оптического импульса, выдаваемого вторым источником 220B света, обнаруживает изменение фазы (изменение фазы со временем) вызываемое вторым источником 220B света во втором оптическом импульсе, и выдает сигнал фазы, соответствующий результату измерения, во второй блок 324b демодуляции.
Блок 30А приема рэлеевского рассеяния света имеет блок 32А получения изменения фазы и блок 34 обнаружения звуковых волн и принимает рэлеевское рассеяние света, полученное внутри обнаруживающего оптического волокна 12 посредством падения оптического импульса Pi (оптического импульса, объединения путем объединения первого оптического импульса и второго оптического импульса с взаимно различными сигналами). Блок 32А получения изменения фазы имеет разделительный блок 310, блок 312 разделения и обнаружения, блок 324 демодуляции и блок 36 получения. Разделительный блок 310 разветвляет рэлеевское рассеяние света из обнаруживающего оптического волокна 12 в отношении 1/2 (50:50) и выдает разветвленный свет в блок 312 разделения и обнаружения (более конкретно - в первый смеситель 312a и второй смеситель 312b). Разделительный блок 310 согласно данному варианту осуществления представляет собой разделительное устройство с параметром 3 дБ (делительную призму с параметром 3 дБ).
Блок 312 разделения и обнаружения имеет первый смеситель 312a, второй смеситель 312b, первый блок 312с аналого-цифрового преобразования, и второй блок 312d аналого-цифрового преобразования и выделяет первое рэлеевское рассеяние света, представляющее собой составляющую, соответствующую первому оптическому импульсу, и второе рэлеевское рассеяние света, представляющее собой составляющую, соответствующую второму оптическому импульсу, рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12.
Первый смеситель 312a берет первый оптический импульс из третьего разделительного блока 225 в качестве локального света, осуществляет обнаружение рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12, выделяет первое рэлеевское рассеяние света, соответствующий первому оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света и выдает вследствие этого I, Q-сигналы (аналоговые сигналы). Второй смеситель 312b берет второй оптический импульс из четвертого разделительного блока 226 в качестве локального света, осуществляет обнаружение рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12, выделяет второе рэлеевского рассеяние света, соответствующие второму оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света и выдает вследствие этого I, Q-сигналы (аналоговые сигналы).
Первый блок 312с аналого-цифрового преобразования осуществляет аналого-цифровое преобразование I, Q-сигналов первого рэлеевского рассеяния света, выдаваемого из первого смесителя 312a, получая тем самым цифровые сигналы, и выдает цифровые сигналы в блок 324 демодуляции (более конкретно, первый блок 324а демодуляции). Второй блок 312d аналого-цифрового преобразования осуществляет аналого-цифровое преобразование I, Q-сигналов второго рэлеевского рассеяния света, выдаваемого из второго смесителя 312b, получая тем самым цифровые сигналы, и выдает цифровые сигналы в блок 324 демодуляции (более конкретно, второй блок 324b демодуляции).
В этих блоках 312c, 312d аналого-цифрового преобразования разрешение аналого-цифрового преобразования составляет всего 6 бит, как и в первом варианте осуществления, но в данном варианте осуществления оптический импульс также делится посредством фазовой модуляции с использованием кодовой последовательности Голея, и формируются 212 элементов. Следовательно, путем агрегации элементов в одиночный оптический импульс во время их демодуляции, можно получить такую же точность, как в случае разрешения 18 (= 6 + 12) бит.
Блок 324 демодуляции имеет первый блок 324а демодуляции и второй блок 324b демодуляции, которые осуществляют демодуляцию первого рэлеевского рассеяния света и второго рэлеевского рассеяния света, скорректированных на основании изменений фазы, обнаруженных блоками 50A, 50B измерения фазы.
Более конкретно, первый блок 324а демодуляции корректирует первое рэлеевское рассеяние света на основании изменений фазы, обнаруженных блоком 50 измерения фазы, а потом осуществляет демодуляцию скорректированного первого рэлеевского рассеяния света, соответствующую фазовой модуляции в первом фазовом модуляторе 240a. Второй блок 324b демодуляции корректирует второе рэлеевского рассеяния на основании изменений фазы, обнаруженных блоком 50 измерения фазы, а потом осуществляет демодуляцию скорректированного второго рэлеевского рассеяния света, соответствующую фазовой модуляции фазовой модуляции во втором фазовом модуляторе 240b.
При наличии распределенного волоконно-оптического устройства 10А обнаружения звуковых волн в соответствии с данным вариантом осуществления, путем проведения сжатия импульсов посредством заданной кодовой последовательности, можно также получить такой же эффект, как в случае, в котором звуковую волну обнаруживают посредством оптического импульса, имеющего малую ширину импульса (ширину импульса, соответствующую ширине d элемента) и большую мощность сигнала. В результате звуковые волны, попавшие в области в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна 12, можно обнаружить с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также можно воплотить высокое продольное разрешение.
i
Кроме того, путем использования оптического импульса P, получаемого путем объединения (WDM) первого оптического импульса и второго оптического импульса с взаимно различными длинами волн, как в данном варианте осуществления, можно также легко и надежно разделять принимаемое рэлеевское рассеяние на первое рэлеевское рассеяние света и второе рэлеевское рассеяние света. Поэтому можно с большей надежностью осуществлять высокочувствительное и высокоточное обнаружение звуковых волн таким же образом, как в первом варианте осуществления. Вместе с тем, в конфигурации, в которой оптический импульс, выдаваемый источником 220 света, разделяется разделительным блоком (вторым разделительным блоком 224) на первый оптический импульс и второй оптический импульс, как и в первом варианте осуществления, можно сократить количество источников света.
Третий вариант осуществления
Ниже, со ссылками на фиг.9, поясняется третий вариант осуществления данного изобретения. Компоненты, являющиеся такими же, как в первом и втором вариантах осуществления, обозначены такими же позициями, а их подробное описание здесь опущено. Ниже приводится подробное пояснение только отличающихся компонентов.
Распределенное волоконно-оптическое устройство 10В обнаружения звуковых волн согласно третьему варианту осуществления снабжено основным корпусом 11 устройства и обнаруживающим оптическим волокном 12. Основной корпус 11 устройства снабжен блоком 20В излучения оптических импульсов, оптическим циркулятором 14, блоком 30В приема рэлеевского рассеяния света, блоком 16 управляемой обработки и блоком 40 вывода. В распределенном волоконно-оптическом устройстве 10В обнаружения звуковых волн, когда оптический импульс делят на множество элементов, это деление осуществляют посредством модуляции интенсивности, а не посредством фазовой модуляции, как в распределенных волоконно-оптических устройствах 10, 10A обнаружения звуковых волн согласно первому и второму вариантам осуществления.
Блок 20В излучения оптических импульсов снабжен блоком 22В источника света, который выдает оптический импульс заданной частоты, блок 24B модуляции, который осуществляет модуляцию интенсивности оптического импульса, выдаваемого блоком 22В источника света, и блок 26 модуляции интенсивности импульсов. Оптический импульс вводится в оптическое волокно 12с переднего концевого участка 12a обнаруживающего оптического волокна 12.
Блок 22В источника света имеет первый источник 220C света, второй источник 220D света, третий источник 220E света, четвертый источник 220F света и разделительные блоки 230, 231, 232 и 233.
1
2
3
4
1
2
3
4
Первый источник 220С света выдает первый оптический импульс с конкретной длиной волны λ. Второй источник 220D света выдает второй оптический импульс с длиной волны λ. Третий источник 220E света выдает третий оптический импульс с длиной волны λ. Четвертый источник 220F света выдает четвертый оптический импульс с длиной волны λ. Длины λ, λ, λ и λ волн отличаются друг от друга. То есть первый источник 220С света, второй источник 220D света, третий источник 220E света, и четвертый источник 220F света выдают оптические импульсы с взаимно различными длинами волн λ.
Разделительные блоки 230, 231, 232, 233 разделяют (разветвляют) оптические импульсы, выдаваемые из соответствующих источников 220C, 220D, 220E, 220F света, а разделенные оптические импульсы выдаются в блок 24В модуляции и блок 313B приема блока 30В приема рэлеевского рассеяния света.
Блок 24В модуляции имеет блок 250 модуляции интенсивности и блок 242А объединения и модулирует интенсивность и объединяет первый оптический импульс, второй оптический импульс, третий оптический импульс, и четвертый оптический импульс, выдаваемые блоком 22В источника света (более конкретно, первым источником 220С света, вторым источником 220D света, третьим источником 220E света и четвертым источником 220F света).
Блок 250 модуляции интенсивности имеет генератор 28В импульсов, создающий кодовую последовательность (код), используемую (используемый) для модуляции интенсивности посредством пары кодовых последовательностей (парных кодов), образованных первой кодовой последовательностью Ai и второй кодовой последовательностью Bi, первый модулятор 251 интенсивности, второй модулятор 252 интенсивности, третий модулятор 253 интенсивности и четвертый модулятор 254 интенсивности.
i
Генератор 28B импульсов имеет блок 244B формирования кодов, который формирует набор кодов, подлежащий использованию для модуляции интенсивности оптических импульсов (первого оптического импульса, второго оптического импульса, третьего оптического импульса и четвертого оптического импульса), и блок 245 формирования сигнала модуляции интенсивности, который формирует сигнал (сигнал интенсивности) для модуляции интенсивности суммарного оптического импульса P.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Блок 244B формирования кодов формирует набор кодов, образованный первой-1 кодовой последовательностью A1, первой-2 кодовой последовательностью A2, второй-1 кодовой последовательностью B1 и второй-2 кодовой последовательностью B2 путем использования парных кодов, образованных первой кодовой последовательностью A и второй кодовой последовательностью B, как в первом и втором вариантах осуществления. Блок 244B формирования кодов выдает формируемые кодовые последовательности (коды) в модуляторы 251, 252, 253, 254 интенсивности. Более конкретно, блок 244B формирования кодов выдает первую-1 кодовую последовательность A1 в первый модулятор 251 интенсивности, выдает первую-2 кодовую последовательность A2 во второй модулятор 252 интенсивности, выдает вторую-1 кодовую последовательность B1 в третий модулятор 253 интенсивности и выдает вторую-2 кодовую последовательность B2 в четвертый модулятор 254 интенсивности.
i
i
i
i
i
i
i
i
Более конкретно, первая-1 кодовая последовательность A1 представляет собой (1 - A)/2, первая-2 кодовая последовательность A2 представляет собой (1 + A)/2, вторая-1 кодовая последовательность B1 представляет собой (1 - B)/2, а вторая-2 кодовая последовательность B2 представляет собой (1 + B)/2. Если оптический импульс подвергается фазовой модуляции, как в первом и втором вариантах осуществления, значение после модуляции может оказаться отрицательным, а если оптический импульс подвергается модуляции интенсивности, значение после модуляции не может оказаться отрицательным. По этой причине, вышеупомянутый набор кодов (четыре кода) используется вместо парных кодов, использовавшихся в первом и втором вариантах осуществления. Поэтому в конфигурации, в которой оптический импульс разделяют на множество элементов посредством модуляции интенсивности, как в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10В обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления, следует использовать, по меньшей мере, четыре источника 220C, 220D, 220E, 220F света.
i
i
i
i
Первый модулятор 251 интенсивности осуществляет модуляцию интенсивности первого оптического импульса посредством первой-1 кодовой последовательностью A1, вводимой из генератора 28B импульсов (блока 244В формирования кодов). Второй модулятор 252 интенсивности осуществляет модуляцию интенсивности второго оптического импульса посредством первой-2 кодовой последовательности A2, вводимой из генератора 28В импульсов (блока 244В формирования кодов). Третий модулятор 253 интенсивности осуществляет модуляцию интенсивности третьего оптического импульса посредством второй-1 кодовой последовательности B1, вводимой из генератора 28B импульсов (блока 244В формирования кодов). Четвертый модулятор 254 интенсивности осуществляет модуляцию интенсивности четвертого оптического импульса посредством второй-2 кодовой последовательности B2, вводимой из генератора 28B импульсов (блока 244В формирования кодов).
В результате модуляции интенсивности оптических импульсов с первого по четвертый, осуществляемой таким образом посредством модуляторов 51, 252, 253, 254 интенсивности, соответственно, оптические импульсы разделяются на множество элементов с заданной шириной d так же, как в первом и втором вариантах осуществления.
i
Блок 30B приема рэлеевского рассеяния света имеет блок 32B получения изменения фазы и блок 34 обнаружения звуковых волн и принимает рэлеевское рассеяние света, полученное в обнаруживающем оптическом волокне 12 за счет падения оптического импульса P (оптического импульса, полученного путем объединения первого оптического импульса, второго оптического импульса, третьего оптического импульса и четвертого оптического импульса, которые имеют взаимно различные длины волн).
Блок 32B получения изменения фазы имеет разделительный блок 310В для рассеянного света, блок 313B приема, блок 315В фотоэлектрического преобразования, блок 324b демодуляции и блок 36B получения.
Разделительный блок 310В для рассеянного света разветвляет рэлеевское рассеяние света из обнаруживающего оптического волокна 12 в отношении 1/4 (25:25:25:25) и выдает разделенный свет в блок 313В приема. Разделительный блок 310В для рассеянного света согласно данному варианту осуществления и представляет собой светоделительное устройство с параметром 6 дБ (делительную призму с параметром 6 дБ).
Блок 313В приема имеет принимающие устройства 313a, 313b, 313c, 313d с первого по четвертое и выделяет первое рэлеевское рассеяние света, которое представляет собой составляющую, соответствующую первому оптическому импульсу, второе рэлеевское рассеяние света, которое представляет собой составляющую, соответствующую второму оптическому импульсу, третее рэлеевское рассеяние света, которое представляет собой составляющую, соответствующую третьему оптическому импульсу, и четвертое рэлеевское рассеяние света, которое представляет собой составляющую, соответствующую четвертому оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света из обнаруживающего оптического волокна 12.
Первое принимающее устройство 313a соединено с блоком 310В деления рассеянного света, заставляет первый оптический импульс из разделительного блока 230 интерферировать в качестве локального света с рэлеевским рассеянием света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выделяет первое рэлеевское рассеяние света, соответствующий первому оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света. Затем первое принимающее устройство 313а разделяет и выдает P-поляризованный свет и S-поляризованный свет выделенного первого рэлеевского рассеяния света. Второе принимающее устройство 313b соединено с блоком 310В деления рассеянного света, заставляет второй оптический импульс из разделительного блока 231 интерферировать в качестве локального света с рэлеевским рассеянием света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выделяет второе рэлеевское рассеяние света, соответствующее второму оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света. Затем второе принимающее устройство 313b разделяет и выдает P-поляризованный свет и S-поляризованный свет выделенного второго рэлеевского рассеяния света. Третье принимающее устройство 313c соединено с блоком 310В деления рассеянного света, заставляет третий оптический импульс из разделительного блока 232 интерферировать в качестве локального света с рэлеевским рассеянием света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выделяет третье рэлеевское рассеяние, соответствующее третьему оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света. Затем третье принимающее устройство 313с разделяет и выдает P-поляризованный свет и S-поляризованный свет выделенного третьего рэлеевского рассеяния света. Четвертое принимающее устройство 313d соединено с блоком 310В деления рассеянного света, заставляет четвертый оптический импульс из разделительного блока 233 интерферировать в качестве локального света с рэлеевским рассеянием света из обнаруживающего оптического волокна 12, и выделяет четвертое рэлеевское рассеяние света, соответствующий четвертому оптическому импульсу, из рэлеевского рассеяния света. Затем четвертое принимающее устройство 313d разделяет и выдает P-поляризованный свет и S-поляризованный свет выделенного четвертого рэлеевского рассеяния света.
Блок 315В фотоэлектрического преобразования имеет цифровые когерентные принимающие устройства 315a, 315b, 315c, 315d с первого по четвертое и преобразует оптические сигналы (рэлеевское рассеяние света) из принимающих устройств 313a, 313b, 313c, 313d блока 313В приема в цифровые сигналы.
A1
A2
B1
B2
Первое цифровое когерентное принимающее устройство 315a осуществляет аналого-цифровое преобразование P-поляризованного света и S-поляризованного света первого рэлеевского рассеяния света из первого принимающего устройства 314a, объединяет преобразованные сигналы и выдает цифровой сигнал S. Второе цифровое когерентное принимающее устройство 315b осуществляет аналого-цифровое преобразование P-поляризованного света и S-поляризованного света второго рэлеевского рассеяния света из второго принимающего устройства 314b, объединяет преобразованные сигналы, и выдает цифровой сигнал S. Третье цифровое когерентное принимающее устройство 315c осуществляет аналого-цифровое преобразование P-поляризованного света и S-поляризованного света третьего рэлеевского рассеяния света из третьего принимающего устройства 314c, объединяет преобразованные сигналы, и выдает цифровой сигнал S. Четвертое цифровое когерентное принимающее устройство 315d осуществляет аналого-цифровое преобразование P-поляризованного света и S-поляризованного света четвертого рэлеевского рассеяния света из четвертого принимающего устройства 314d, объединяет преобразованные сигналы, и выдает цифровой сигнал S.
A1
A2
B1
B2
Блок 324В демодуляции имеет блоки 324e, 324f, 324g, 324h демодуляции с первого по четвертый и демодулирует цифровые сигналы S, S, S, и S из цифровых когерентных принимающих устройств 315a, 315b, 315c, 315d блока 315В фотоэлектрического преобразования соответственно модуляции интенсивности оптических импульсов (оптических импульсов с первого по четвертый), соответствующей цифровым сигналам (первому - четвертому свету рэлеевского рассеяния) в блоке 250 модуляции интенсивности.
A1
i
A1
A2
i
A2
B1
i
B1
B2
i
B2
∗
∗
∗
∗
Первый блок 324е демодуляции осуществляет демодуляцию (более конкретно, операцию S·A) на основании кода (первой-1 кодовой последовательности A1), использованного в модуляции интенсивности первого оптического импульса в блоке 24B модуляции, по отношению к цифровому сигналу S (сигналу, соответствующему первому рэлеевскому рассеянию света), выдаваемому из первого цифрового когерентного принимающего устройства 315a. Второй блок 324f демодуляции осуществляет демодуляцию (более конкретно, операцию S·A) на основании кода (первой-2 кодовой последовательности A2), использованного в модуляции интенсивности второго оптического импульса в блоке 24B модуляции, по отношению к цифровому сигналу S (сигналу, соответствующему второму рэлеевскому рассеянию света), выдаваемому из второго цифрового когерентного принимающего устройства 315b. Третий блок 324g демодуляции осуществляет демодуляцию (более конкретно, операцию S·В) на основании кода (второй-1 кодовой последовательности B1), использованного в модуляции интенсивности третьего оптического импульса в блоке 24B модуляции, по отношению к цифровому сигналу S (сигналу, соответствующему третьему рэлеевскому рассеянию света), выдаваемому из третьего цифрового когерентного принимающего устройства 315с. Четвертый блок 324h демодуляции осуществляет демодуляцию (более конкретно, операцию S·В) на основании кода (второй-2 кодовой последовательности B2), использованного в модуляции интенсивности четвертого оптического импульса в блоке 24B модуляции, по отношению к цифровому сигналу S (сигналу, соответствующему четвертому рэлеевскому рассеянию света), выдаваемому из четвертого цифрового когерентного принимающего устройства 315d.
Блок 36В получения включает в себя блок 330 объединения и блок 364 получения изменения фазы и определяет изменение ΔΦ фазы демодулированного рэлеевского рассеяния света.
A1
A2
A1
A2
B1
B2
B1
B2
A
B
A1
A2
B1
B2
A
A1
A2
B
B1
B2
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
Блок 330 объединения объединяет цифровые сигналы, соответствующие лучам рэлеевского рассеяния света с первого по четвертый, демодулированных блоками 324e, 324f, 324g, 324h демодуляции, и определяет фазу Φ принимаемого рэлеевского рассеяния света. Более конкретно, блок 330 объединения определяет сигнал (S- S) · A из сигнала S· A, демодулированного первым блоком 324е демодуляции, и сигнал S· A, демодулированный вторым блоком 324f демодуляции, а также определяет сигнал (S- S) · B из сигнала S· B, демодулированного третьим блоком 324g демодуляции, и сигнал S· B, демодулированный четвертым блоком 324h демодуляции. Затем блок 330 объединения определяет сигнал S = (S· A + S · B), соответствующий фазе Φ рэлеевского рассеяния света, из сигналов (S- S) · A и (S- S) · B. В данном случае, S = S - S и S = S - S.
Блок 364 получения изменения фазы определяет разность ΔΦ (разность фаз) между фазой Φ рэлеевского рассеяния света, которая недавно определена в блоке 330 объединения, и фазой Φ рэлеевского рассеяния света, определенной в предыдущем цикле.
Когда оптический импульс делят на множество элементов посредством модуляции интенсивности, как в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10В обнаружения звуковых волн согласно данному варианту осуществления, за счет осуществления сжатия импульсов посредством заданной кодовой последовательности, можно также получить такой же эффект, как в случае, в котором обнаружение звуковых волн осуществляют посредством оптического импульса, имеющего малую ширину импульса (ширину импульса, соответствующую ширине d элемента) и большую мощность сигнала. В результате звуковые волны, попадающие в каждую область в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна 12, можно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также реализовать высокое продольное разрешение.
Излишне говорить, что распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн в соответствии с данным изобретением не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления с первого по третий, и в рамках сущности данного изобретения можно внести различные изменения.
Каждый из блоков 20, 20A, 20B излучения оптических импульсов согласно вариантам осуществления с первого по третий снабжен одним блоком (импульсным блоком), имеющим блок 22, 22A, 22B источника (источников) света и блок 24, 24A, 24B модуляции, но такая конфигурация не является ограничительной. Так, можно предусмотреть блок излучения оптических импульсов с множеством импульсных блоков.
D2
D
D
В этом случае, оптические импульсы, выдаваемые из импульсных блоков, имеют взаимно различные частоты и управляются блоком 16 управляемой обработки, так что оптические импульсы выдаются таким образом, что момент выдачи каждого из оптических импульсов сдвинут между импульсными блоками на второй временной интервал T, который короче, чем первый временной интервал T, а импульсные блоки соответственно выдают оптические импульсы с первым временным интервалом T, как показано на фиг.10. Оптические импульсы, выдаваемые импульсными блоками, выдаются в то же самое обнаруживающее оптическое волокно 12.
D2
D2
В результате распределение звуковых волн вдоль обнаруживающего оптического волокна 12 (то есть распределение звуковых волн, которые одновременно попали в области в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна 12) можно обнаруживать в течение каждого короткого временного интервала (второго временного интервала T). Таким образом, распределение звуковых волн вдоль обнаруживающего оптического волокна 12 можно обнаруживать с большой частотой выборки (большим вторым временным интервалом T).
D
i
i
2
Кроме того, в распределенных волоконно-оптических устройствах 10, 10A, 10B обнаружения звуковых волн согласно вариантам осуществления с первого по третий, множество оптических импульсов одновременно распространяются (сканируются) в течение первого временного интервала T в обнаруживающем оптическом волокне 12, но такая конфигурация не является ограничительной. Таким образом можно использовать конфигурацию, в которой один оптический импульс P выдается из блоков 20, 20A, 20B излучения оптических импульсов, а рэлеевское рассеяние света, которое получено посредством оптического импульса P на втором концевом участке 12b обнаруживающего оптического волокна 12 и возвратилось на первый концевой участок 12a, принимается блоками 30, 30A, 30B приема рэлеевского рассеяния света, и потом выдается оптический импульс P. Таким образом, распределенному волоконно-оптическому устройству обнаружения звуковых волн можно придать такую конфигурацию, что в обнаруживающем оптическом волокне 12 распространяется (сканируется) лишь один оптический импульс.
В распределенных волоконно-оптических устройствах 10, 10A, 10B обнаружения звуковых волн согласно вариантам осуществления с первого по третий, модуляцию оптического импульса проводят посредством парных кодов (например, кодовой последовательности Голея), для которых сумма автокорреляционных функций является δ-функцией, но такая конфигурация не является ограничительной. Так, кодовая последовательность, используемая для модуляции оптического импульса, может быть такой, что автокорреляционная функция независимо является δ-функцией, например - может быть M-последовательностью.
В распределенном волоконно-оптическом устройстве 10В обнаружения звуковых волн согласно третьему варианту осуществления можно предусмотреть такой же блок измерения фазы, как блоки измерения фазы согласно первому и второму варианту осуществления. Если в распределенном волоконно-оптическом устройстве 10В обнаружения звуковых волн согласно третьему варианту предусмотрен блок измерения фазы, то блок измерения фазы предусмотрен для каждого из источников света (источников света 220C, 220D, 220E, 220F с первого по четвертый). Таким образом, при наличии распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн посредством источника света с малым изменением фазы с течением времени (например, лазерного источника света с узкой шириной луча (менее чем 10 кГц)) в выдаваемом свете, можно гарантировать высокую точность при обнаружении звуковых волн даже без блока измерения фазы. Вместе с тем, если используют источник света (от 1 МГц до 3 МГц), который используется для обычной оптической связи, изменение фазы велико. Поэтому высокоточное обнаружение звуковых волн можно гарантировать, предусматривая блок измерения фазы и устраняя влияние изменения фазы (фазового шума), обуславливаемого источником света, из рэлеевского рассеяния света.
Когда измеряют изменение фазы, вызываемое источником света, фаза света легко подвергается влиянию изменений температуры и вибраций. Поэтому предпочтительно предусматривать блок измерения фазы в месте, где малы изменения температуры и колебания внутри основного корпуса устройства, который принадлежит распределенному волоконно-оптическому устройству обнаружения звуковых волн. Например, предпочтительно предусматривать блок 50 измерения фазы между источником 220 света и первым разделительным блоком 222, т.е. так, как показано на фиг.1, или между вторым разделительным блоком 224 и первым фазовым модулятором 240a (или вторым фазовым модулятором 240b), или между оптическим циркулятором 14 и первым концевым участком 12a обнаруживающего оптического волокна 12.
Вышеописанный конкретный вариант осуществления включает в себя главным образом изобретение, имеющее следующие признаки.
Распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн в соответствии с аспектом данного изобретения представляет собой распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн, которое предусматривает использование оптического волокна в качестве датчика и включает в себя блок излучения оптических импульсов, вызывающий падение оптического импульса на оптическое волокно с одного конца оптического волокна, и блок приема рэлеевского рассеяния света, принимающий рэлеевское рассеяние света, полученное внутри оптического волокна за счет падения оптического импульса. Блок излучения оптических импульсов выдает оптический импульс, модулируемый кодовой последовательностью, которая имеет заданную длину, основанную на размере длины оптического волокна, и посредством которой оптический импульс делится на множество элементов заданной ширины, а блок приема рэлеевского рассеяния света включает в себя блок получения изменения фазы, осуществляющий демодуляцию, соответствующую модуляции в блоке излучения оптических импульсов рэлеевского рассеяния света и определяет изменение его фазы исходя из демодулированного рэлеевского рассеяния света, и блок обнаружения звуковых волн, определяющий звуковую волну, которая попала в оптическое волокно из-за изменения фазы, определяемого блоком получения изменения фазы.
В соответствии с данным изобретением, оптический импульс (зондирующий свет), модулированный заданной кодовой последовательностью, вводят в оптическое волокно и осуществляют демодуляцию, соответствующую модуляции, по отношению к рэлеевскому рассеянию света, полученное внутри оптического волокна посредством оптического импульса (следовательно - осуществляют сжатие импульсов посредством заданной кодовой последовательности). Такая конфигурация делает возможным получение такого же эффекта, как в случае, в котором обнаружение звуковой волны осуществляют посредством оптического импульса, имеющего малую ширину импульса (ширину импульса, соответствующую ширине элемента) и большую мощность сигнала. В результате звуковую волну, которая попала в отличающуюся область в продольном направлении длинного оптического волокна, можно обнаружить с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также можно реализовать высокое разрешение в продольном направлении (также называемое в данном описании просто «продольным разрешением»).
Более конкретно, в результате модуляции оптического импульса кодовой последовательностью заданной длины (длины, заданной на основании размера длины оптического волокна), можно гарантировать достаточную энергию для обнаружения звуковой волны в оптическом импульсе, падающем на оптическое волокно. Это подробнее поясняется ниже.
Ширина импульса, присущая оптическому импульсу, модулированному посредством длинной кодовой последовательности, имеет величину, соответствующую длине этой кодовой последовательности, и поэтому оптический импульс, модулированный посредством длинной кодовой последовательности, обладает большей энергией. Соответственно, когда происходит прием рэлеевского рассеяния света, полученного в окрестности концевого участка оптического волокна на стороне, противоположной той, где находится входной конец (концевой участок, с которого вводят оптический импульс), для обнаружения звуковой волны используется оптический импульс, модулированный посредством длинной кодовой последовательности, который гарантирует достаточную мощность сигнала, необходимую для обнаружения звуковой волны. В результате, даже когда происходит прием рэлеевского рассеяния света, формируемого в любом положении в продольном направлении длинного оптического волокна, это рэлеевское рассеяние света имеет мощность сигнала, необходимую (достаточную) для обнаружения звуковой волны. Поэтому звуковую волну, которая попала в области в продольном направлении длинного оптического волокна, можно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью.
Кроме того, если оптический импульс делят посредством модуляции на множество элементов, то, когда рэлеевское рассеяние света вырабатывается внутри оптического волокна посредством оптического импульса, каждый элемент рэлеевского рассеяния света включает в себя (имеет) информацию о деформациях в месте, где получено рэлеевское рассеяние света. В результате посредством измерений посредством одиночного оптического импульса получают большое количество типов информации о деформациях. Таким образом, поскольку информацию о деформациях, заключенную в упомянутых элементах, сбирают воедино посредством демодуляции принимаемого рэлеевского рассеяния света, оказывается возможным получение информации о деформациях, эквивалентной той, которая получена путем измерения деформаций в месте, где рэлеевское рассеяние света получено посредством большого количества (количества, соответствующего количеству элементов) оптических импульсов. Таким образом, осуществляя сжатие импульсов посредством заданной кодовой последовательности, можно получить достаточное количество информации о деформациях в месте оптического волокна, где рэлеевское рассеяние света получено из рэлеевского рассеяния света, полученного посредством одиночного оптического импульса. В результате даже в случае деформаций, которые получены в оптическом волокне за счет звуковой волны, попадающей в оптическое волокно, и изменяются в течение очень короткого интервала времени, такие деформации можно обнаруживать с приемлемой точностью.
Помимо этого, в результате деления оптического импульса на множество элементов заданной ширины посредством модуляции, можно получить такое же продольное разрешение, как в случае, в котором измерения проводят посредством оптического импульса, ширина которого является такой же, как ширина элемента. Таким образом, в результате деления оптического импульса на элементы, количество которых соответствует кодовой последовательности заданной длины, такой, как описанная выше, можно реализовать высокое продольное разрешение, соответствующее ширине элемента, гарантируя при этом достаточную энергию оптического импульса и допуская обнаружение звуковой волны, которая попала в оптическое волокно в некотором положении, отдаленном от входного конца.
Более конкретно, когда оптический импульс (одиночный импульс), который не разделен на множество элементов, используется для обнаружения звуковых волн в двух точках, расположенных в продольном направлении оптического волокна, если ширина импульса меньше, чем расстояние между этими двумя точками, лучи рэлеевского рассеяния света, полученного в них, нельзя отличить друг от друга, когда происходит прием лучей рэлеевского рассеяния света, формируемого в таких точках. В этом случае, если оптический импульс делят на множество элементов посредством модуляции посредством заданной кодовой последовательности, каждый элемент действует так же, как оптический импульс с малой шириной импульса, как упоминалось выше. Поэтому, за счет деления оптического импульса на множество элементов малой ширины посредством модуляции кодовой последовательностью, можно получить различия между лучами рэлеевского рассеяния света, полученного в каждой точке. Как следствие, можно обнаружить изменение фазы рэлеевского рассеяния света, полученного в каждой точке. В результате можно обнаружить звуковую волну, которая попала в каждую точку, то есть можно реализовать высокое продольное разрешение.
Помимо этого, в результате деления оптического импульса на множество элементов малой ширины, можно также обнаруживать звуковые волны высоких частот.
Чтобы обнаружить звуковую волну высокой частоты в случае одиночного импульса, измерения следует проводить посредством оптического импульса с шириной импульса, меньшей, чем расстояние, проходимое звуковой волной высокой частоты за один период. В этом случае, если оптический импульс делят на множество элементов посредством модуляции заданной кодовой последовательностью, каждый элемент действует так же, как оптический импульс с малой шириной импульса, как упоминалось выше. Поэтому, за счет деления оптического импульса на множество элементов малой ширины посредством модуляции кодовой последовательностью, оказывается возможным обнаружение звуковая волна высокой частоты, соответствующее ширине каждого элемента.
Модуляция в блоке излучения оптических импульсов распределенного волоконно-оптического устройства обнаружения звуковых волн может быть фазовой модуляцией или модуляцией интенсивности. Таким образом, блок излучения оптических импульсов может выдавать оптический импульс, разделенный на множество элементов посредством фазовой модуляции кодовой последовательностью, или блок излучения оптических импульсов может выдавать оптический импульс, разделенный на множество элементов посредством модуляции интенсивности кодовой последовательностью. При любой из этих двух модуляций, оптический импульс делят на множество элементов, делая возможным осуществление высокочувствительного и высокоточного обнаружения звуковых волн, а также реализацию высокой продольной чувствительности при обнаружении звуковых волн посредством оптического волокна.
В распределенном волоконно-оптическом устройстве обнаружения звуковых волн, ширину каждого из элементов при обнаружении звуковых волн задают на основании разрешения в продольном направлении оптического волокна, а оптический импульс модулируют кодовой последовательностью, что позволяет образовывать элементы заданной ширины.
Когда сжатие импульсов осуществляют посредством вышеописанный кодовой последовательности, посредством одного оптического импульса получают достаточное количество информации о деформациях в месте, где рэлеевское рассеяние света получено в оптическом волокне. Поэтому не нужно проводить измерения путем развертывания частоты оптического импульса, который вводится в оптическое волокно. По этой причине, распределенному волоконно-оптическому устройству обнаружения звуковых волн можно придать такую конфигурацию, что блок излучения оптических импульсов будет иметь блок источника света, который выдает оптический импульс заданной частоты, и блок модуляции, который осуществляет фазовую модуляцию оптического импульса, выдаваемого из блока источника света, кодовой последовательностью. Таким образом, звуковые волны, которые попали в каждую область в продольном направлении длинного обнаруживающего оптического волокна, можно обнаруживать с высокой чувствительностью и высокой точностью, а высокое продольное разрешение можно реализовать даже посредством блока источника света, конфигурация которого проще, чем у блока источника света с изменяющимися частотами в блоке излучения оптических импульсов.
В случае вышеупомянутого сжатия импульсов, предпочтительна конфигурация, в которой: блок источника света выдает первый оптический импульс и второй оптический импульс; блок модуляции включает в себя: блок фазовой модуляции, который использует пару кодовых последовательностей, образованных первой кодовой последовательностью и второй кодовой последовательностью, таким образом, что сумма автокорреляционных функций - это δ-функция, осуществляет фазовую модуляцию первого оптического импульса первой кодовой последовательностью и осуществляет фазовую модуляцию второго оптического импульса второй кодовой последовательностью; и блок объединения, который объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс, подвергнутые фазовой модуляции блоком фазовой модуляции, с получением одиночного оптического импульса; а блок получения изменения фазы включает в себя блок разделения, который разделяет рэлеевское рассеяния света на первое рэлеевское рассеяние света, соответствующее первому оптическому импульса и второе рэлеевское рассеяние света, соответствующее второму оптическому импульсу; блок демодуляции, который осуществляет демодуляцию, соответствующую первой кодовой последовательности, по отношению к первому рэлеевскому рассеянию света, разделенного блоком разделения, и осуществляет демодуляцию, соответствующую второй кодовой последовательности, по отношению ко второму рэлеевскому рассеянию света; и блок получения, которые определяет изменение фазы исходя из демодулированных первого и второго лучей рэлеевского рассеяния света.
В результате осуществления сжатия импульсов посредством пары кодовых последовательностей таким образом, что сумма автокорреляционных функций является δ-функцией, при определении изменения фазы исходя из пары лучей рэлеевского рассеяния света (первого рэлеевского рассеяния света и второго рэлеевского рассеяния света), разделенных в блоке разделения, можно исключить влияние рэлеевского рассеяния света, не относящегося к упомянутой паре лучей рэлеевского рассеяния света. В результате можно с большей надежностью осуществлять высокочувствительное и высокоточное обнаружение звуковых волн.
В этом случае можно использовать конфигурацию, в которой блок источника света включает в себя источник света, который выдает линейно поляризованный оптический импульс, и разделительный блок, который разделяет оптический импульс, выдаваемый из источника света, на первый оптический импульс и второй оптический импульс, поддерживая при этом линейную поляризацию, и выдает разделенные оптические импульсы, и блок объединения, который объединяет первый оптический импульс и второй оптический импульс в состоянии с взаимно ортогональными направлениями поляризации, а также можно использовать конфигурацию, в которой блок источника света включает в себя первый источник света, который выдает первый оптический импульс, и второй источник света, который выдает второй оптический импульс, а первый оптический импульс и второй оптический импульс имеют взаимно различные длины волн. При наличии одной из этих двух конфигураций, поскольку принимаемое рэлеевское рассеяние света можно легко и устойчиво разделять на первое рэлеевское рассеяние и второе рэлеевское рассеяние света, можно надежно осуществить высокочувствительное и высокоточное обнаружение звуковых волн. Вместе с тем, конфигурация, в которой оптический импульс, выдаваемый источником света, разделяется на первый оптический импульс и второй оптический импульс посредством разделительного блока, может способствовать сокращению количества источников света.
Когда блок источника света имеет источник света и разделительный блок, предпочтительна конфигурация, которая дополнительно предусматривает блок измерения фазы, который измеряет фазу оптического импульса и получает изменение фазы оптического импульса, вызываемое источником света, и при этом блок демодуляции осуществляет демодуляцию первого рэлеевского рассеяния света и второго рэлеевского рассеяния света, которая скорректирована на основании изменения фазы, обнаруженного блоком измерения фазы. Кроме того, когда блок источника света имеет первый источник света и второй источник света, предпочтительна конфигурация, которая дополнительно предусматривает первый блок измерения фазы, который измеряет фазу первого оптического импульса и получает изменение фазы первого оптического импульса, вызываемое первым источником света, и второй блок измерения фазы, который измеряет фазу второго оптического импульса и получает изменение фазы второго оптического импульса, вызываемое вторым источником света, и при этом блок демодуляции осуществляет демодуляцию первого рэлеевского рассеяния света, скорректированную на основании изменения фазы, обнаруживаемого первым блоком изменения фазы, и осуществляет демодуляцию второго рэлеевского рассеяния света, скорректированную на основании изменения фазы, обнаруживаемой вторым блоком измерения фазы.
При наличии этих конфигураций, обнаруживают изменение фазы оптического импульса, вызываемое источником света, и корректируют принимаемое рэлеевское рассеяние света на основании результата измерения перед тем, как демодуляцию, соответствующую модуляции в блоке модуляции, проводят в блоке демодуляции, что делает возможным предотвращение влияния изменения фазы демодулированного рэлеевского рассеяния света, обуславливаемого источником света. В результате обнаружение звуковых волн можно проводить с большей точностью. Это подробнее описывается ниже.
При наличии нескольких источников света, фаза выдаваемого луча света (оптического импульса) изменяется с течением времени, и такое изменение фазы (временные изменения фазы) является неупорядоченным. Поэтому, если осуществляют непосредственную демодуляцию принимаемого рэлеевского рассеяния света, когда в распределенном волоконно-оптическом устройстве обнаружения звуковых волн используется источник света с изменяющейся фазой, предполагается состояние, в котором демодулированное рэлеевское рассеяние света включает в себя эффект (фазовый шум) изменения фазы, обуславливаемого источником света. Соответственно, фазовый шум можно удалить, а эффект фазового шума в демодулированном рэлеевском рассеянии света можно устранить путем измерения изменения фазы оптического импульса, обуславливаемого источником света, и коррекции рэлеевского рассеяния света перед демодуляцией на основании результата измерения, как в вышеописанных конфигурациях. В результате звуковые волны можно точно обнаруживать даже тогда, когда используется источник света, в котором фаза выдаваемого света изменяется с течением времени.
Кроме того, в распределенном волоконно-оптическом устройстве обнаружения звуковых волн в соответствии с данным изобретением, блок источника света предпочтительно выдает оптические импульсы с первым временным интервалом на основании частоты звуковой волны, обнаруживаемой посредством оптического волокна, а блок модуляции осуществляет фазовую модуляцию кодовой последовательностью, разной для каждого оптического импульса, выдаваемого из блока источника света.
При наличии такой конфигурации, можно использовать длинное оптическое волокно в качестве датчика и обнаруживать звуковую волну высокой частоты (то есть звуковую волну с коротким периодом), попавшую в каждую область в продольном направлении оптического волокна, как распределение звуковой волны вдоль оптического волокна. Это подробнее описано ниже.
В соответствии с теоремой дискретизации Найквиста, частота выборки должна в два или более раз превышать максимальную частоту звуковой волны, которую желательно обнаружить (измерить). Таким образом, период выборки (= 1/(частота выборки)) должен составлять половину периода звуковой волны, являющейся объектом обнаружения, или менее. В этом случае, распределение звуковых волн, которое можно обнаружить (сканировать) одним оптическим импульсом (распределение звуковых волн, которые попали в каждую область в продольном направлении), находится в пределах диапазона, в котором оптический импульс может двигаться взад и вперед внутри обнаруживающего оптического волокна в течение периода времени выборки. В звуковой волне с высокой частотой (например, ультразвуковой волне), один период является коротким, и поэтому диапазон, в котором оптический импульс может двигаться взад и вперед в обнаруживающем оптическом волокне в течение половины периода выборки (полупериода звуковой волны высокой частоты), является коротким. Как следствие, диапазон, в котором звуковую волну высокой частоты можно обнаружить одним оптическим импульсом как распределение вдоль обнаруживающего оптического волокна, является узким (коротким). По этой причине, если период выборки задают равным времени возвратно-поступательного движения оптического импульса или превышающим это время, когда обнаруживающее оптическое волокно, используемое в качестве датчика, длиннее диапазона, в котором оптический импульс может двигаться взад и вперед в течение полупериода звуковой волны, подлежащей обнаружению, возникает искажение в спектре звуковых волн, и обнаруживаемая звуковая волна оказывается искаженной. Кроме того, если период выборки задают равным периоду возвратно-поступательного движения оптического импульса или меньшим, чем этот период, прием рэлеевского рассеяния света происходит одновременно из множества областей в продольном направлении обнаруживающего оптического волокна, а полное распределение звуковых волн обнаружить не удается.
Соответственно, путем выдачи оптического импульса с временным интервалом (первым временным интервалом), меньшим, чем полупериод звуковой волны, являющейся объектом обнаружения (когда полоса частот звуковых волн, являющихся объектом обнаружения, является широкой, объектом обнаружения является звуковая волн с наибольшей частотой в этой полосе частот), в оптическом волокне возможно распространение множества оптических импульсов с заданным определенным интервалом (интервалом, соответствующим первому временному интервалу), что делает возможным сканирование всей области в продольном направлении оптического волокна в течение полупериода посредством множества оптических импульсов и последовательную посылку рэлеевского рассеяния света из каждой области в продольном направлении. Кстати, поскольку оптические импульсы, выдаваемые с упомянутым интервалом, являются фазомодулированными посредством взаимно различных (взаимно независимых) кодовых последовательностей, за счет демодуляции принимаемого рэлеевского рассеяния света можно идентифицировать оптический импульс, который привел к получению рэлеевского рассеяния света.
Поэтому, даже когда звуковую волну высокой частоты (один период которой является коротким) обнаруживают посредством длинного оптического волокна в качестве датчика, распределение звуковых волн вдоль оптического волокна можно обнаружить с приемлемой точностью путем выдачи оптических импульсов с первым временным интервалом.
Когда оптические импульсы выдаются с первым временным интервалом, можно использовать конфигурацию, в которой блок излучения оптических импульсов включает в себя множество импульсных блоков, каждый из которых имеет блок источника света и блок модуляции, оптические импульсы, выдаваемые из импульсных блоков, имеют взаимно различные частоты, а множество импульсных блоков выдают оптические импульсы последовательно, так что момент выдачи каждого из оптических импульсов сдвинут между импульсными блоками на второй временной интервал, который короче, чем первый временной интервал, а импульсные блоки соответственно выдают оптические импульсы с первым временным интервалом.
При наличии такой конфигурации, распределение звуковых волн высоких частот вдоль оптического волокна (то есть распределение звуковых волн, которые одновременно попали в области в продольном направлении оптических волокон) можно обнаружить для каждого короткого временного интервала (второй временного интервала). Поэтому распределение звуковых волн высоких частот вдоль оптического волокна можно обнаруживать с высокой частотой выборки (высоким разрешением по времени), соответствующей второму временному интервалу.
Из вышеизложенного следует, что данное изобретение может обеспечить распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн, которое может обнаруживать звуковую волну с высокой чувствительностью и высокой точностью, а также реализовать высокое разрешение.