РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к распределенным волоконно-оптическим датчикам на основе явления бриллюэновского рассеяния света, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно, и может быть использовано для измерения распределения механических напряжений и/или температуры с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.
Известны волоконно-оптические датчики измерения распределения физических величин, таких как температура, деформация и гидростатическое давление, вдоль чувствительного оптического волокна, которые используют методы на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, а именно бриллюэновского рассеяния, также называемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Определение места, в котором измеряется физический параметр (давление, деформация, температура), происходит на основе пересчета времени задержки от зондирования до регистрации сигнала рассеяния в расстояние, которое соответствует пути светового излучения по оптическому волокну от анализатора до места рассеяния и обратно.
Измерение времени задержки может производиться напрямую, как, например, в известном волоконно-оптическом бриллюэновском анализаторе (патент РФ на полезную модель 140707, опубликованный 20.05.2014). В известном анализаторе используется метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis), который использует принципы оптической рефлектометрии во временном представлении (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry). В известном анализаторе измеряется время задержки между импульсом оптического излучения, участвующим в бриллюэновском рассеянии, и регистрируемым фотоприемником сигналом, приписываемым явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется в оптическом волокне в противоположном импульсу направлении.
Другой известный способ измерения времени задержки (см., например., заявку на Европейский патент ЕР 2110646 А2, опубликована 11.12.2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, опубликована 04.1997). В известном способе используется метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis), который использует принципы, оптической рефлектометрии в частотном представлении (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry). В известных устройствах измеряется зависимость амплитуды и фазы оптического сигнала, приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, от частоты модуляции одной из оптических волн. Затем, путем преобразования Фурье частотной зависимости, рассчитывается временная зависимость сигнала, аналогичная зависимости, получаемой оптической рефлектометрией во временном представлении.
Бриллюэновское рассеяние в оптическом волокне можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке показателя преломления, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный от решетки сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния. Для точного определения деформации требуется измерение температуры и вычитание температурного вклада в Бриллюэновский сдвиг частоты, то есть термокомпенсация. При защите оптического волокна от внешних механических воздействий Бриллюэновский сдвиг зависит исключительно от температуры. Таким образом, измерение частотного Бриллюэновского сдвига позволяет измерять температуру и деформацию.
Существуют коммерчески доступные волоконно-оптические датчики температуры и деформации на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см., например, URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016; URL: http://www.neubrex.com/htm/products.htm, дата обращения 13/05/2016; URL: http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php, дата обращения 13/05/2016), которые предназначены для использования в системах обнаружения утечек транспортируемого по трубопроводу продукта, системах мониторинга подвижек грунта, системах мониторинга состояния зданий и сооружений, системах мониторинга линий электропередачи и др.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является известный распределенный оптоволоконный датчик для измерения деформации и/или температуры (см. Патент РФ №2346235, опубликованный 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении бриллюэновского рассеяния. Известный датчик содержит источник ступенчатого оптического светового (оптического) излучения для формирования оптического импульса, обладающего ступенчатым распределением интенсивности света, увеличивающейся по направлению к центру, и источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения. Также датчик содержит чувствительное оптическое волокно, на которое падает оптический импульс в качестве светового излучения зондирования, а непрерывное световое излучение является падающим в качестве светового излучения накачки, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между световым излучением зондирования и световым излучением накачки, и детектор бриллюэновского рассеяния во временной области для определения спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния. В известном датчике измерение деформации, вызванной внутри чувствительного оптического волокна, и/или температуры чувствительного оптического волокна производится на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.
Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет ограничить участок оптического волокна, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что на детектор попадает сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, которое происходит на всем протяжении чувствительного оптического волокна, что приводит к увеличению продолжительности измерения, уменьшает отношение сигнал/шум и ограничивает расстояние от источников световых излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна.
Решаемая заявленным датчиком задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик и обеспечение возможности проведения измерений на достаточно большом удалении от требовательных к условиям размещения составных частей датчика - источников оптических излучений и детектора.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного датчика, - увеличение расстояния от источников оптических излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна, уменьшение продолжительности измерения, увеличение отношения сигнал/шум.
Указанный технический результат достигается за счет того, что распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния содержит источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем первый конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику первого оптического излучения, второй конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику второго оптического излучения, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, а детектор подключен к первому концу чувствительного оптического волокна для регистрации излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, причем чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна, причем подключение источника первого оптического излучения к чувствительному оптическому волокну и подключение чувствительного оптического волокна к детектору оптического излучения выполнены с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов.
Подключение чувствительного оптического волокна линейным к трактам волоконно-оптической линии передачи может быть выполнено посредством оптического циркулятора.
Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления.
Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского усиления.
Источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения и детектор оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе.
Указанные преимущества заявленного датчика, а также его особенности поясняются с помощью фиг. 1.
Фиг. 1 изображает обобщенную функциональную схему заявленного распределенного волоконно-оптического датчика для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния.
Распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния содержит источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно 3 и детектор 4 оптического излучения.
Первый конец чувствительного оптического волокна 3 подключен к источнику 1 первого оптического излучения и детектору 4 оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов 5 и 6 соответственно. Подключение может быть выполнено при помощи оптического циркулятора 7.
Источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения и детектор 4 оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе 8, например, аналогично как в известных из уровня техники распределенных волоконно-оптических датчиках.
Работает распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) следующим образом.
Источник 1 излучает первое оптическое излучение, которое через линейный тракт 5 волоконно-оптической линии передачи и оптический циркулятор 7 попадает в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем. При этом линейный тракт 5 обеспечивает передачу первого оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Источник 2 излучает второе оптическое излучение, которое попадет в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем навстречу первому оптическому излучению. Источник 1 и источник 2 имеют характеристики, обеспечивающие их применимость для соответствующего метода бриллюэновского оптического анализа. В чувствительном оптическом волокне 3 происходит явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, в результате которого генерируется сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется по чувствительному оптическому волокну 3 и через линейный тракт 6 волоконно-оптической линии передачи попадает на детектор 4. При этом линейный тракт 6 обеспечивает передачу оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Подключение чувствительного оптического волокна 3 волоконно-оптической линии передачи, а именно к линейным трактам 5 и 6, может быть выполнено посредством оптического циркулятора 7. Оптический циркулятор 7 направляет первое оптическое излучение от линейного тракта 5, подключенного к источнику 1, в чувствительное оптическое волокно 3, а излучение из чувствительного оптического волокна 3 - направляет в линейный тракт 6, подключенный к детектору 4. Использование циркулятора 7 предотвращает паразитное попадание первого оптического излучения на детектор 4, а также предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 на источник 1 и обеспечивает передачу излучения из чувствительного оптического волокна 3 на детектор 4 с низкими потерями. Оптические циркуляторы являются стандартными компонентами и коммерчески доступны (см., например, URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373. дата обращения 13/05/2016).
Детектор 4 измеряет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления по оптическому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна 3 и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и определяет деформацию и/или температуру чувствительного оптического волокна 3, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.
Определение пространственного распределения измеряемой величины вдоль чувствительного оптического волокна производится известными из уровня техники методами. В заявленном датчике может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA), когда первое оптическое излучение представляет собой импульс и детектор оптического излучения регистрирует излучение, выходящее из чувствительного оптического волокна и приписываемое явлению бриллюэновского рассеяния в зависимости от времени задержки относительно импульса первого оптического излучения. Расстояние до точки измерения рассчитывается на основе пересчета соответствующего времени задержки. В этом случае источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в наиболее близком техническом решении (прототипе).
В заявленном датчике также может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA), когда первое оптическое излучение гармонически модулировано по амплитуде и детектор оптического излучения регистрирует фазу и амплитуду излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, в зависимости от частоты модуляции первого оптического излучения. В этом случае источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в известной из уровня техники коммерчески доступной системе на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см. URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016).
В отрасли связи для передачи и приема оптического сигнала достаточно широко используются волоконно-оптические линии передачи. Волоконно-оптическая линия передачи представляет собой совокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания в пределах действия устройств обслуживания. Обязательными каналообразующими элементами волоконно-оптической линии передачи являются оптические волокна. Оптические волокна характеризуются параметром затухания оптического сигнала и дисперсионными характеристиками. Типичная величина затухания излучения с длиной волны 1550 нм в связных одномодовых оптических волокнах составляет 0,19-0,22 дБ/км и величина хроматической дисперсии составляет около 20 пс/(нм км). При передаче оптического излучения по линейным трактам 5 и 6 происходит падение амплитуды оптического сигнала вследствие затухания, и может искажаться временная форма сигнала вследствие вклада хроматической дисперсии.
Для восстановления амплитуды оптического сигнала в линейных трактах 5 и 6 могут применяться широко используемые в отрасли связи усилители оптические, например Эрбиевые или Рамановские, которые устанавливаются через определенное расстояние так, чтобы величина усиления компенсировала общее затухание и потери оптической мощности на предыдущем участке волоконно-оптической линии передачи. Типичная длина участка линейного тракта без усилителей составляет 50 км, что соответствует потере мощности оптического сигнала на 10 дБ.
Кроме устройств обслуживания в виде усилителей оптических, в линейных трактах 5 и 6 могут использоваться спектральные оптические фильтры, которые отфильтровывают по спектру длин волн оптический полезный сигнал от спектральных шумов усилителей оптических, например от спонтанного излучения Эрбиевого усилителя. Для восстановления временной формы сигнала могут применяться компенсаторы дисперсии (волоконные или полупроводниковые), компенсирующие накопленную на предыдущем отрезке линейного тракта дисперсию. Использование поддерживающих состояние поляризации сигнала оптических волокон позволяет избавиться от поляризационно-модовой дисперсии и уменьшить искажение в линии передачи. Объединение усилителя оптического с последовательно установленным за ним в линейном тракте компенсатором дисперсии является повторителем, использование которого позволяет восстанавливать форму передаваемого по линейному тракту 6 сигнала до состояния исходного, то есть повторять сигнал.
Отметим, что в линейном тракте 6 отсутствует бриллюэновское рассеяние, вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, так как там отсутствует распространяющееся навстречу первое оптическое излучение. Таким образом использование линейного тракта 6 для подключения чувствительного оптического волокна 3 к детектору 4 предотвращает нелинейные искажения передаваемого оптического излучения и ограничивает область, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, чувствительным оптическим волокном 3.
Длина волоконно-оптической линии передачи выбрана не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3. Обозначим длину чувствительного оптического волокна 3 величиной L. При длине волоконно-оптической линии передачи L/2 (половина длины чувствительного оптического волокна 3) наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную 3L/4. Например, в случае, когда источники оптических излучений 1, 2 и детектор 4 расположены в общем корпусе 8, такое расстояние достигается, когда волоконно-оптическая линия передачи и чувствительное оптическое волокно 3 расположены вдоль одной прямой, так что волоконно-оптическая линия передачи подключается к чувствительному оптическому волокну на удалении L/2 от общего корпуса 8, которое удаляется дополнительно на L/4 и затем поворачивает обратно, так что его оставшейся длины 3L/4 хватает для подключения к расположенным в общем корпусе 8 источнику 1 и детектору 4. В случае отсутствия волоконно-оптической линии передачи очевидно, что наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную L/2. Так что увеличение указанного выше расстояния при использовании тракта 6 составит величину L/4, то есть на 50% относительно L/2. Таким образом, такой выбор длины волоконно-оптической линии передачи позволяет существенно увеличить максимально достижимое расстояние от наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4.
Увеличение отношения сигнал/шум достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4, за счет того, что линейный тракт 6 обеспечивает возможность передачи оптического излучения от чувствительного оптического волокна 3 до детектора 4 без указанных выше искажений, которые бы происходили при распространении излучения в чувствительном оптическом волокне. Заметим также, что использование циркулятора 7 предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 в линейный тракт 5, что предотвращает бриллюэновское рассеяние, вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, и, таким образом, обеспечивает возможность передачи первого оптического излучения от источника 1 до чувствительного оптического волокна 3 без указанных выше искажений, что дополнительно увеличивает отношение сигнал/шум.
Уменьшение продолжительности измерения достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4, за счет того, что в линейным тракте 5 не происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что анализируемый методом оптической рефлектометрии участок волокна сокращается до чувствительного оптического волокна 3, что уменьшает время измерения в соответствии с уменьшением времени распространения первого оптического излучения от волоконно-оптической линии передачи по чувствительному оптическому волокну 3 до источника 2 и обратно до детектора 4.
Заметим также, что типичная максимально допустимая длина чувствительного оптического волокна не превышает 50 км, так что длина волоконно-оптической линии передачи не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3 легко реализуема с использованием стандартных в отрасли связи решений.