СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОЛЯ ВИБРАЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MONITOR FIELD OF VIBRATIONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или объемных (трехмерных) объектов в различных областях промышленности и строительства (мониторинг трубопроводов, мостов и т.д.) и охраны периметров.
Известно техническое решение, в котором распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов содержит кабельную или отдельную волоконно-оптическую измерительную линию на одномодовом оптическом волокне длиной Lи от ~10 м до ~100 км с установленным на ее удаленном конце френелевским зеркалом или фарадеевским отражателем с одной стороны и присоединенную с другой стороны к оптоэлектронному блоку системы, состоящему из одночастотного непрерывного и малошумящего лазерного источника с волоконным выходом, с узкой спектральной линией и большой длиной когерентности Lк=1-10 км излучения, оптически соединенного с одним первым входом направленного одномодового разветвителя X-типа, первый выход которого оптически присоединен к указанной измерительной волоконной линии, а второй выход оптически присоединен к звукоизолированной катушке из одномодового волокна длиной плеча опорного канала длиной Lo, примерно равной по длине плечу измерительной кабельной волоконной линии Lo≈Lи с разницей длин меньше длины когерентности излучения лазерного источника Lи-Lo≤Lк, последовательно присоединенной к френелевскому или фарадеевскому отражателю на втором конце, образующие разомкнутую двухплечевую схему волоконного интерферометра Майкельсона, сигналы с которого поступают со второго входа/выхода направленного волоконного разветвителя на малошумящий фотоприемник и регистратор виброакустических сигналов; при этом в качестве локальных датчиков вибрационных сигналов, используются линейные отрезки одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии, непосредственно укрепленные на вибрирующей поверхности объекта, а в качестве датчиков акустических сигналов используется по меньшей мере одна малогабаритная катушка из одномодового оптического волокна или по меньшей мере один многовитковый элемент из одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии (заявка RU 2011125945, 2012).
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности определения координаты воздействия, а также разделения сигналов при множественном воздействии на чувствительный элемент.
Известен способ (патент US 5194847, 1993), состоящий в генерировании когерентных лазерных импульсов, вводе этих импульсов в чувствительное волокно, соединенное с контролируемым объектом, приеме рассеянного в обратном направлении излучения и выработке сигналов воздействия на основе изменений в обратно рассеянном сигнале. В описании указывается, что предпочтительно использование задающего лазера с предельно узким спектром. Соответствующее устройство называют когерентным или фазочувствительным рефлектометром, который позволяет определять наличие вибраций во множестве виртуальных каналов дальности (Горшков Б.Г., Парамонов В.М., Курков А.С., Кулаков А.Т., Зазирный М.В. Распределенный датчик внешнего воздействия на основе фазочувствительного волоконного рефлектометра. Квантовая электроника. 2006. Т. 36. №10. С. 963-965).
Недостаток указанного способа состоит в том, что каждый из виртуальных каналов измерения (по дальности) обладает собственной, в общем случае случайной абсолютной чувствительностью, связанной с двумя случайными параметрами: крутизной модуляционной характеристики и положением рабочей точки на этой характеристике.
Известен также способ (патент RU 2287131, 2006) мониторинга состояния протяженных объектов, включающий оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производство последовательности когерентных оптических импульсов длительностью T с шириной спектра порядка 1/T и временным интервалом T1 между импульсами, организацию рефлектометрического канала и подачу указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния, сравнительный анализ указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделение в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений, по длине чувствительного оптического волокна определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал T1 между импульсами превосходит величину 2L/v, где v - скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса Т.
Известны модификации указанного способа, позволяющие управлять положением рабочей точки виртуального интерферометра (патент RU 2477838, 2013), а также бороться с нелинейными искажениями сигналов (патент WO 2010/136810 по заявке PCT/GB 2010/050889). Однако и в том, и в другом случае чувствительность может существенно (в десятки раз) различаться от канала к каналу, что снижает ценность получаемой информации и при выполнении, например, охранных функций повышает вероятность ложных срабатываний системы или снижает вероятность правильного обнаружения искомого воздействия.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего произвести выравнивание чувствительности к вибрационным воздействиям по всем виртуальным измерительным каналам.
Технический результат состоит в повышении достоверности результатов мониторинга путем выравнивания чувствительности по виртуальным каналам дальности, что выражается при выполнении вибромониторинга или охранных функций в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий.
-1
Технический результат в отношении объекта изобретения - способа достигается тем, что способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или объемного объекта заключается в размещении оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом, генерировании оптических импульсов длительностью T, близкой к 2L/с, где L - требуемое пространственное разрешение; c - скорость света в оптическом волокне, со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T, вводе указанных импульсов в указанное оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении оптического излучения, разделении сигналов фототока по виртуальным каналам дальности, определении значения амплитуды сигналов фототока, выявлении уровня шума в каждом из сигналов фототока и коррекции амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума.
Способствует достижению технического результата то, что:
-1
- в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)Т осуществляют случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо осуществляют изменение частоты четных импульсов относительно нечетных. Причем случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо изменение частоты четных импульсов относительно нечетных осуществляют изменением тока инжекции задающего диодного лазера в процессе их генерирования. Также случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо изменение частоты четных импульсов относительно нечетных может быть осуществлено фазовым модулятором, включенным после задающего лазерного диода;
- коррекцию амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума осуществляют путем деления значения амплитуды сигнала фототока на среднеквадратичное отклонение (СКО) амплитуды шума;
- коррекцию амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума осуществляют путем деления значения амплитуды сигнала фототока на СКО амплитуды шума, скорректированное на уровень мощности шума фотоприемника.
Технический результат в отношении объекта изобретения - устройства достигается тем, что устройство для контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта содержит оптическое волокно, находящееся в механической связи с контролируемым объектом, связанный с оптическим волокном через ответвитель или циркулятор импульсный источник лазерного излучения и блок оценки уровня шума в каждом из сигналов фототока отдельных виртуальных каналов дальности и последующей коррекции амплитуды упомянутых сигналов фототока, выполненный в виде подключенного к ответвителю или циркулятору фотоприемника, связанного с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь сигнала фототока.
Способствует достижению технического результата то, что:
- в качестве импульсного источника лазерного излучения применен узкополосный лазер, а устройство снабжено связанным с импульсным источником лазерного излучения блоком управления частотой упомянутого узкополосного лазера;
- импульсный источник лазерного излучения выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода, импульсного амплитудного модулятора и волоконного усилителя, либо в другом случае импульсный источник лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода, импульсного амплитудного модулятора, фазового модулятора и волоконного усилителя.
-1
Группа изобретений иллюстрируется чертежами, на которых на фиг. 1 показана иллюстрация предложенного способа, согласно которому в координатах фазовый сдвиг - сигнал в рефлектограмме (фототок) приведены (показаны жирными линиями поз. 1 и поз. 2) характерные состояния модуляционной характеристики виртуального интерферометра; на фиг. 2 приведена возможная модификация способа, когда в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T осуществляют изменение частоты четных импульсов относительно нечетных; на фиг. 3 показано схематически устройство, реализующее предложенный способ; на фиг. 4 - устройство, в котором источник 10 лазерного излучения выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода 17, импульсного амплитудного модулятора 18, фазового модулятора 16 и волоконного усилителя 19.
Параметры лазерного импульса, а именно стабильность частоты, ограничивается определенными пределами, при этом в виртуальных каналах дальности возникает шумоподобный сигнал (частотный шум), пропорциональный чувствительности в данный момент времени в каждом из каналов. Таким образом, оценивая уровень шума в каждом канале дальности, можно произвести нормировку чувствительности и в значительной мере выровнять чувствительность во всех каналах. Использование высококогерентных источников, имеющих стабильность частоты на уровне единиц кГц (при разрешении L=5 м), не предоставляет такой возможности, поскольку частотный шум заглушается тепловым или дробовым шумом фотоприемника и в этом случае информацию о чувствительности отдельных виртуальных каналов становится получить невозможно.
Таким образом, предложенный способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта включает в себя следующие операции:
- размещение оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом;
- генерирование оптических импульсов длительностью T, близкой к 2L/c, где: L - требуемое пространственное разрешение; c - скорость света в оптическом волокне, со стабильностью частоты оптического излучения от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)Т-1;
- ввод указанных импульсов в указанное оптическое волокно;
- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения;
- разделение сигналов фототока по виртуальным каналам дальности;
- определение значения амплитуды сигналов фототока;
- выявление уровня шума в каждом из указанных сигналов фототока;
- коррекция амплитуды сигналов фототока в каждом канале дальности с учетом выявленного уровня шума.
-1
Техническая сущность предложенного способа иллюстрируется фиг. 1, на которой в координатах фазовый сдвиг - сигнал в рефлектограмме (фототок) приведены (показаны жирными линиями поз. 1 и поз. 2) характерные состояния модуляционной характеристики виртуального интерферометра. Изображение иллюстрирует, что модуляционная характеристика представляет собой периодическую функцию, близкую к синусоиде, с периодом, соизмеримым с половиной длины волны в оптическом волокне 9 (для длины волны 1550 нм в кварцевых волокнах это примерно 500 нм). При этом фаза и размах модуляционной характеристики от канала к каналу измерения являются случайными и нестабильными во времени. В итоге измеряемое воздействие 3 преобразуется характеристикой 1 в сигнал 4 значительного размаха, а то же воздействие 3 при преобразовании характеристикой 2 преобразуется в сигнал 5 существенно меньшего размаха. Это обстоятельство является существенным недостатком, который преодолевается в настоящем изобретении следующим образом. Изменение частоты лазера импульсного источника 10 лазерного излучения приводит к перемещению рабочей точки виртуальных интерферометров. При этом при условии стабильности частоты оптического излучения от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T можно считать, что на вход поступает фазовый шум незначительной амплитуды, обозначенный на графике поз. 6. В зависимости от положения рабочей точки этот шум преобразуется в шум с размахом, пропорциональным крутизне модуляционной характеристики (поз. 7 и поз. 8). Видно, что уровень шума несет информацию о крутизне модуляционной характеристики, и эта информация позволяет выровнять чувствительность виртуальных измерительных каналов и тем самым снизить вероятность ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повысить вероятность правильного обнаружения таких воздействий.
-1
Модифицированный в рамках предложенного способа способ предполагает в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T изменение частоты четных импульсов относительно нечетных, как показано на фиг. 2, где поз. 1 обозначена мгновенная модуляционная характеристика, поз. 3 - принимаемый сигнал, поз. 19 - искусственный шумовой сигнал, в частном случае изменение частоты от импульса к импульсу, поз. 20 - получаемый в результате приема сигнал, содержащий искусственный шумовой сигнал, который может быть легко отфильтрован фильтром нижних частот, а также оценен для получения цифровой характеристики уровня шума.
В качестве конкретного примера реализации способа можно привести следующие данные: при требуемом пространственном разрешении 10 м для стандартных телекоммуникационных волокон длительность импульса T имеет порядок 100 нс, частота оцифровки обратно рассеянного сигнала не менее 20 МГц, стабильность частоты от импульса к импульсу должна быть в пределах 0,01-1 Мгц. В коррекции предусматривается деление амплитуды сигнала фототока на среднеквадратичное отклонение (СКО) шума.
В другом случае предлагается деление амплитуды сигнала фототока на СКО шума за вычетом из уровня шума компоненты, обусловленной шумами фотоприемника, которая одинакова для всех виртуальных каналов. В более общем случае коррекция осуществляется путем деления упомянутого сигнала на среднеквадратичное отклонение шума, скорректированное на шум фотоприемника.
Для разграничения сигнала и шума могут быть применены различные алгоритмы, в частности, для обнаружения и оценки воздействий импульсного характера, например, при проведении вертикального сейсмического профилирования уровень шума может вычисляться за некий промежуток времени с временной задержкой. В другом случае ограничивают прием сигналов вибрации по частоте, а уровень шума оценивают на высоких частотах, где невозможно появление полезных сигналов фототока в силу физических ограничений.
Устройство, реализующее предложенный способ (фиг. 3), содержит оптическое волокно 9 значительной длины, имеющее механическую связь с объектом вибромониторинга. Импульсный источник 10 лазерного излучения (импульсный лазер) связан через направленный ответвитель (или циркулятор) 11 с указанным волокном 9. Фотоприемник 12 входом также связан с волокном 9 через направленный ответвитель (или циркулятор) 11, а выходом - через аналого-цифровой преобразователь 13 сигнала фототока с вычислителем 14. Указанные фотоприемник 12, аналого-цифровой преобразователь 13 сигнала фототока и вычислитель 14 связаны между собой последовательно и образуют блок оценки уровня шума в каждом из сигналов фототока отдельных виртуальных каналов дальности и последующей коррекции амплитуды упомянутых сигналов фототока.
-1
В соответствии с настоящим предложением к стабильности частоты импульсного лазера 10 предъявляются определенные требования, а именно: стабильность частоты оптического излучения от импульса к импульсу должна находиться в пределах (0,001-0,1)T, где T - длительность импульса; вычислитель 14 должен производить разделение сигналов по виртуальным каналам дальности, определять уровень шума в каждом из указанных сигналов и осуществлять коррекцию амплитуды сигналов в каждом канале дальности с учетом указанного уровня шума. В одном из частных случаев в качестве импульсного источника 10 лазерного излучения может быть применен узкополосный лазер, а устройство при этом должно быть дополнительно снабжено связанным с импульсным источником 10 лазерного излучения блоком 15 управления частотой упомянутого узкополосного лазера.
В частном случае импульсный источник 10 лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода (задающего лазерного диода) 17, импульсного амплитудного модулятора 18 и волоконного усилителя 19.
-1
Еще в одном частном случае импульсный источник 10 лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода 17, импульсного амплитудного модулятора 18, фазового модулятора 16 и волоконного усилителя 19. Стабильность частоты от импульса к импульсу в этом случае определяется шириной полосы оптического излучения непрерывного лазера и для лазеров с распределенной обратной связью или внешним резонатором при современном уровне техники находится в пределах 1 кГц-20 МГц. Для удовлетворения соответствующих предложенному способу требований необходимо использовать лазерный диод, удовлетворяющий условию: ширина полосы должна находиться в пределах (0,001-0,1)T, где T - длительность импульса, формируемого амплитудным модулятором.
-1
Устройство работает следующим образом. Импульсный лазер 10 генерирует лазерное излучение со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T. Это излучение посредством, например, направленного ответвителя 11 вводится в оптическое волокно 9, имеющее механическую связь с объектом мониторинга. Рассеянное в обратном направлении излучение после фотоприема представляет собой изрезанную рефлектограмму, при отсутствии воздействия неизменную от импульса к импульсу при полном отсутствии вариации частоты от импульса к импульсу. При флуктуациях частоты в указанных выше пределах в каждом из виртуальных каналов дальности возникает шумоподобное поведение - частотный шум. Для учета этого шума рефлектограмма оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 13 сигнала фототока, а результаты оцифровки вводятся в вычислитель 14. Последний выполняет операции разделения сигналов по виртуальным каналам дальности, определения уровня шума в каждом из указанных сигналов и коррекции амплитуды сигналов в каждом канале дальности с учетом указанного уровня шума. При этом достигается технический результат, состоящий в эффективном выравнивании чувствительности отдельных виртуальных каналов дальности, что в конечном итоге повышает качество мониторинга объектов. В частности, снижается вероятность ложных тревог и/или повышается вероятность правильного обнаружения событий.
-1
В случае если задающий лазер (непрерывный полупроводниковый лазерный диод) 17 имеет более узкую полосу частот, чем предписывается условием (0,001-0,1)T, предлагаемый способ может быть реализован добавлением в устройство блока управления 15 частотой лазера 10, который связан электрически с лазером 10 и обеспечивает случайное (шумоподобное) изменение частоты лазера 10 в указанных пределах.
Кроме того, изменение частоты лазера 10 в указанных пределах может быть выполнено, например, повышением (или понижением) частоты на четных импульсах относительно нечетных.
Управление частотой задающего лазерного диода в указанных пределах обеспечивается незначительным (единицы мкА) изменением его тока инжекции, что обеспечивается блоком управления 15, при этом выходная мощность с точностью до долей процента не изменяется. Второй вариант управления частотой предусматривает использование фазового модулятора 16.
Применение изобретения позволяет повысить достоверность результатов вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов, снизить вероятность ложных срабатываний при выполнении охранных функций, повысить качество информации при сейсморазведке, в частности при вертикальном сейсмическом профилировании нефтяных и газовых скважин.