СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD AND DEVICE FOR FIBER-OPTIC MEASUREMENTS

Область техники
Изобретение относится к распределенным оптическим волоконным датчикам, в частности к некоторым вариантам таких датчиков с отражающими элементами, интегрированными в чувствительное оптическое волокно.
Уровень техники
Системы распределенных датчиков, основанные на использовании оптических волокон, находят многочисленные применения, особенно в нефтегазовой промышленности для мониторинга потоков и сейсмического обнаружения и в промышленности средств безопасности для охранного мониторинга площади или периметра или мониторинга вдоль длинной линии, такой как трубопровод или железнодорожная линия. Заявитель настоящего изобретения, Силикса  Лтд. (Silixa Ltd, Великобритания), поставляет две оптоволоконные системы распределенных датчиков: систему Silixa iDAS™, которая является очень чувствительным оптоволоконным распределенным акустическим датчиком, и систему Silixa Ultima™, которая является распределенным оптоволоконным датчиком температуры. На дату приоритета настоящего изобретения дополнительные данные по системе iDAS™ были доступны на сайте http://www.silixa.com/technology/idas/, а дополнительные данные по системе Ultima™ - на сайте http://www.silixa.com/technologу/dts/. Кроме того, дополнительные технические сведения о работе указанной системы на базе распределенного акустического датчика приведены в предшествующей международной патентной заявке WO 2010/136810, поданной заявителем настоящего изобретения. Содержание этой заявки в части, необходимой для понимания настоящего изобретения, полностью включено в данное описание посредством ссылки.
Система Silixa iDAS™ в настоящее время является лидером в своем классе в отношении пространственного разрешения, частотных характеристик и чувствительности. Она способна обеспечить выделение индивидуальных акустических сигналов с пространственным разрешением вплоть до 1 м по длине волокна на частотах до 100 кГц. Однако всегда существует стремление улучшить технические показатели в отношении таких упомянутых параметров, как разрешение, частотные характеристики или чувствительность.
Раскрытие изобретения
Варианты изобретения обеспечивают создание усовершенствованной оптоволоконной системы для распределенных акустических измерений, в которой, с целью улучшить чувствительность системы в целом (в некоторых вариантах более чем десятикратно), используется специально модифицированное оптическое волокно. Эта модификация заключается во введении в волокно слабых (т.е. имеющих низкую отражательную способность) широкополосных отражателей, распределенных с постоянным шагом вдоль волокна. Отражатели отражают в обратном направлении вдоль волокна только небольшую долю оптического излучения, подводимого к ним от распределенного акустического датчика (РАД). В типичном случае коэффициент отражения отражателя выбирается в интервале 0,001-0,1%, но предпочтительно составляет примерно 0,01%. В дополнение, чтобы обеспечить температурную компенсацию, полоса отражения задается относительно широкой, т.е. с границами, отстоящими не менее чем на ±2 нм, предпочтительно на ±5 нм, от номинальной длины волны излучения лазера. Такое выполнение решает проблему температурной зависимости отражательной способности отражателей, особенно существенной, если отражатели являются решетками, которым, как известно, часто свойственна температурная зависимость длины волны отражения в пределах полосы с шириной, составляющей, например, ±2 нм. В некоторых вариантах отражатели сформированы в виде серии волоконных брэгговских решеток, причем каждая решетка характеризуется центральной частотой полосы отражения, отличной от соответствующих частот других решеток. Эти частоты и значения ширины полосы отражения решеток выбираются такими, чтобы обеспечить широкополосное отражение. В других вариантах для получения того же эффекта могут применяться решетки с линейно изменяющейся постоянной. Согласно некоторым вариантам короткая решетка с низкой отражательной способностью и широкой полосой может быть записана в волокне датчика с использованием метода записи фемтосекундным лазером. В некоторых вариантах отражатели отстоят друг от друга на расстояние, равное базовой длине, т.е. желательному пространственному разрешению оптоволоконного РАД. В других вариантах расстояние между отражателями рассчитывают в зависимости от базовой длины, например как составляющую ее долю или кратную ей.
В дополнение, некоторые варианты позволяют работать с двумя пространственными разрешениями или с селективным выбором пространственного разрешения. Эти эффекты реализуются путем управления временными интервалами между отражениями при распространении оптического импульса по оптическому волокну. Например, в одном варианте изобретения оптический импульс проходит вдоль волокна и, по мере своего продвижения, отражается от очередных отражателей. Эти отражения принимаются распределенной акустической детекторной системой, причем им придают известную задержку, чтобы получить задержанную версию отражения, которая затем интерферирует с версией, не имеющей задержки, чтобы сформировать выходной сигнал. Используемая задержка однозначно связана с базовой длиной. Следовательно, задержанная версия может рассматриваться как виртуальный импульс, который "следует" за реальным импульсом, будучи отделен от него базовой длиной. Базовая длина или задержка виртуального импульса относительно реального импульса определяет пространственное разрешение, обеспечиваемое системой. Управляя базовой длиной относительно известного расстояния между отражающими частями, можно обеспечить селективность пространственного разрешения или доступность двух разрешений. В частности, базовой длиной можно управлять таким образом, чтобы эффективное пространственное разделение импульсов (соответствующее смещению во времени (задержке) задержанного импульса относительно исходного импульса) перекрывало желательную пару отражающих частей, например, с целью изменить пространственное разрешение желательным образом. Функционирование с двумя пространственными разрешениями при детектировании обеспечивается путем задания определенного значения базовой длины, при котором, в процессе прохождения импульса вдоль волокна, альтернативно реализуются первое и второе разрешения.
Таким образом, согласно некоторым вариантам предлагается оптоволоконная система для распределенных акустических измерений, содержащая: источник оптического излучения, сконфигурированный для формирования оптических сигнальных импульсов; оптическое волокно, сконфигурированное с возможностью развертывания в исследуемом окружающем пространстве для приема оптических сигнальных импульсов, и детекторное устройство, сконфигурированное для детектирования излучения оптических сигнальных импульсов, отраженного обратно вдоль оптического волокна, и для определения, по уровню отраженного излучения, акустических сигналов, воздействующих на оптическое волокно. Система по изобретению характеризуется тем, что оптическое волокно содержит отражающие части, регулярным образом распределенные по его длине по меньшей мере в его первой области детектирования.
Другие признаки, варианты и преимущества изобретения раскрыты в прилагаемой формуле.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны различные варианты изобретения, причем одинаковым или сходным элементам и частям будут даны одинаковые обозначения.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 схематично изображено интерферометрическое устройство, применимое в различных вариантах изобретения и содержащее циркуляторы и оптроны, связанные с несколькими оптическими волокнами, соответствующими различным оптическим путям в интерферометрах, зеркала фарадеевского вращения и фотодетекторы.
Фиг. 5 и 6 схематично иллюстрируют возможность использования интерферометров в каскадной конфигурации и/или в конфигурации звезды согласно вариантам изобретения.
На фиг. 7 схематично представлена детекторная система, использующая интерферометр для быстрых измерений рассеянного и отраженного излучений, принимаемых из оптического волокна.
На фиг. 8 схематично представлена система для распределенных измерений, использующая интерферометр для генерирования серии импульсов, имеющих различные частоты, чтобы обеспечить возможность взаимной интерференции различных частей рассеянного излучения, имеющих небольшой сдвиг по частоте, с получением в результате гетеродинного сигнала биений.
На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ обработки данных.
На фиг. 10 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ калибровки интерферометра.
На фиг. 11 схематично представлена система для распределенных измерений, в которой модуляция излучения производится с использованием быстрого оптического модулятора, формирующего боковые полосы, задаваемые используемым оптическим фильтром.
На фиг. 12А иллюстрируется промодулированный спектр излучения и выбор вышеупомянутых боковых полос.
На фиг. 12В схематично представлена временная диаграмма для способа согласно фиг. 11.
На фиг. 13-1 схематично показан вариант волокна согласно изобретению.
На фиг. 13-2 схематично показан другой вариант волокна согласно изобретению.
На фиг. 14-1 схематично иллюстрируются полосы отражения для серии волоконных брэгговских решеток, использованных в варианте изобретения.
На фиг. 14-2 схематично иллюстрируются полосы отражения коротких волоконных брэгговских решеток, использованных в варианте изобретения.
На фиг. 15 схематично представлена альтернативная отражающая конструкция.
На фиг. 16 схематично представлена еще одна альтернативная отражающая конструкция.
Фиг. 17 и 18 иллюстрируют математические соотношения для вариантов изобретения.
На фиг. 19 представлена серия результатов измерений, иллюстрирующих преимущества, достигнутые с использованием вариантов изобретения.
Фиг. 20 иллюстрирует принцип варианта использования отражения импульсов для получения двух различных разрешений согласно варианту изобретения.
На фиг. 21-1 A-J иллюстрируются результаты, полученные с использованием двух различных разрешений согласно варианту изобретения.
На фиг. 21-2 иллюстрируются результаты, полученные с использованием двух различных разрешений и с подавлением лазерного импульса в области, в которой отсутствует наложение в зоне отражения.
На фиг. 22 A-F иллюстрируется другой вариант, в котором используется более плотное размещение компонентов для обеспечения селективности разрешения согласно варианту изобретения.
На фиг. 23 представлена схема, иллюстрирующая процесс обработки данных, полученных от системы с двумя разрешениями.
На фиг. 24 схематично иллюстрируется использование отражателей только в одной секции волокна.
На фиг. 25 представлена схема, иллюстрирующая возможность использования отражательных решеток с полосами отражения, имеющими различную ширину.
На фиг. 26 представлена схема, иллюстрирующая использование решеток, отражательная способность которых увеличивается по длине волокна.
На фиг. 27 представлена схема, показывающая, что решетки могут быть сформированы не в самой сердцевине волокна, а внутри его оболочки и оптически сопряжены с сердцевиной волокна.
На фиг. 28 представлена схема, показывающая, что отражатели могут быть сформированы в сердцевине многомодового волокна.
На фиг. 29 представлена схема, показывающая, что при соответствующей настройке временных параметров импульса решетки могут присутствовать только в одном сегменте волокна.
На фиг. 30 представлена схема, иллюстрирующая альтернативный вариант с двумя разрешениями, обеспеченными использованием различных расстояний между отражателями, которые могут иметь при этом различные центральные длины волн.
На фиг. 31 представлена схема, иллюстрирующая возможность формирования отражателей в сердцевине многомодового волокна.
На фиг. 32 и 33 схематично представлены варианты, иллюстрирующие использование отражателей для создания "возвращающих" каналов, свободных от обратного рассеяния в многомодовых волокнах и в волокнах с несколькими сердцевинами.
На фиг. 34-1 и 34-2 иллюстрируется возможность выбора разрешения путем использования решеток с различной шириной полосы отражения, центрированных относительно частоты излучения лазера.
На фиг. 35 и 36 приведены графики, иллюстрирующие свойства отражателей, использованных в вариантах изобретения.
На фиг. 37 А-С иллюстрируются дополнительные варианты изобретения.
Осуществление изобретения
Обзор вариантов
Варианты изобретения позволяют получить улучшенный распределенный оптоволоконный датчик, в частности распределенный оптоволоконный акустический датчик, превосходящий систему Silixa iDAS™, описанную в WO 2010/136810, за счет улучшения отношения сигнал/шум (ОСШ). Данное улучшение достигнуто использованием чувствительного волокна детектора (далее - детекторное волокно), имеющего распределенные по его длине слабые, относительно широкополосные отражающие точки, расположенные на равных расстояниях одна от другой. Эти расстояния соответствуют базовой длине, которая равна длине пути, обеспечивающей задержку отраженного импульса в одном плече интерферометра в составе РАД, и от которой зависит достигаемое пространственное разрешение. Как следствие низкой отражательной способности (предпочтительно соответствующей коэффициенту отражения, равному 0,01%), потери на отражение вдоль волокна малы, и, следовательно, могут иметься тысячи отражающих точек. Например, при детектировании с разрешением 10 м 1000 отражающих точек вносит дополнительные потери, составляющие всего 0,4 дБ, причем детектирование может осуществляться на длине 10 км. Обработка сигналов в системе на основе РАД, по существу, идентична обработке сигналов обратного рассеяния от стандартного волокна. Однако, поскольку в данном случае специально обеспечивается преимущественно отражение (а не рассеяние) в обратном направлении, в блок РАД поступает более интенсивный отраженный сигнал, который является также более стабильным. Оба этих фактора вносят вклад в повышение ОСШ. Специальный фактор, способствующий дальнейшему повышению ОСШ, состоит в том, что, поскольку положения отражающих точек по длине волокна фиксированы, 1/f шум (фликкерный шум), обусловленный фундаментально стохастической природой обратного рассеяния, снижается до уровня, не поддающегося измерению. Это способствует снижению уровня базового шума для обработанного сигнала. Таким образом, результирующее отношение сигнал/шум повышается за счет повышения уровня оптического сигнала в сочетании со снижением 1/f шума. Проведенное тестирование показало, что достигается более чем десятикратный выигрыш в ОСШ.
Что касается отражающих точек, в некоторых вариантах для формирования каждой из них используется серия волоконных брэгговских решеток (ВБР) с различными пиковыми длинами волн и с взаимным наложением полос отражения. Такие решетки записываются в волокне с последовательным расположением и отстоящими одна от другой на небольшое расстояние, порядка 5-15 мм, предпочтительно около 10 мм. При использовании 5 решеток и при расстояниях между ними, равных 10 мм, суммарная длина каждой отражающей точки составляет около 45 мм, тогда как полная ширина полосы отражения, достаточная для обеспечения взаимного наложения полос отражения индивидуальных решеток, составляет ±2 нм, хотя в некоторых вариантах она может достигать по меньшей мере ±5 нм. В других вариантах идеальным является использование единственного относительно слабого широкополосного отражателя; например решетки с линейно изменяющейся постоянной или короткого широкополосного зеркала с низким отражением, имеющего диаметр менее 1 мм и в типичном случае толщину 100 мкм. Далее будут описаны и другие варианты.
Применение отражающих точек, распределенных вдоль волокна, открывает также другие возможности, особенно в отношении пространственного разрешения РАД. Например, в некоторых вариантах, путем выбора соответствующей базовой длины и пространственной протяженности импульса по отношению к расстоянию между отражателями вдоль волокна, могут быть одновременно обеспечены два различных разрешения. Например, если расстояние между отражателями равно L, пространственная протяженность импульса меньше L, например составляет около 0,75L, а базовая длина, т.е. разность длин пути в различных плечах интерферометра в РАД (связанная с пространственным разрешением), выбрана такой, что отраженное оптическое излучение и его задержанная версия последовательно отражаются от смежных отражающих точек, а затем от несмежных отражающих точек, будет успешно реализовано функционирование с различными разрешениями. В частности, если L равно 10 м, пространственная протяженность импульса равна 7,5 м, а базовая длина (эффективное отставание виртуального импульса, обеспеченное в интерферометре в соответствии с разностью длин пути в его плечах) равна (равно) 15 м, то, по мере прохождения импульсов вдоль волокна, альтернативно реализуются разрешения, равные 10 м и 20 м.
В других вариантах управление временными характеристиками импульса относительно расстояний между отражателями позволяет обеспечить селективность разрешения. В данных вариантах эти расстояния могут быть меньше, чем исходная базовая длина, и при таком соотношении реализуется первое пространственное разрешение. Затем, уменьшая базовую длину для ее соответствия меньшему расстоянию между отражателями, получают второе, улучшенное разрешение. Таким образом, изменяя плотность пространственного распределения отражателей, можно обеспечить селективность пространственного разрешения в одном и том же волокне. В предпочтительных вариантах расстояние между отражателями равно половине базовой длины, что соответствует уменьшенному вдвое желательному пространственному разрешению в оптическом волокне РАД.
С учетом изложенного, а также того, что распределенный акустический датчик может быть идентичен описанным ранее, в приводимой далее части "Подробное описание вариантов изобретения" для полноты раскрытия изобретения описывается, со ссылками на фиг. 1-12, распределенный акустический датчик, раскрытый в WO 2010/136810. Дальнейшее описание относится к волокнам, соответствующим различным вариантам изобретения, и к возможностям адаптации описанных вариантов системы для распределенных акустических измерений к использованию предлагаемого волокна в качестве детекторного волокна с целью улучшения чувствительности и пространственного разрешения.
Подробное описание вариантов изобретения
На фиг. 1 представлен первый вариант интерферометра 100 для измерения амплитуды, фазы и частоты оптического сигнала. Оптическое излучение, поступающее от источника излучения (не изображен), предпочтительно усиливается в оптическом усилителе 101 и подается к оптическому фильтру 102, который отфильтровывает шумы усиленного спонтанного излучения (УСИ) усилителя 101. Далее оптический сигнал поступает в оптический циркулятор 103, который подключен к оптрону 104 3×3. Часть излучения направляют на фотодетектор 112, чтобы осуществлять мониторинг интенсивности входного излучения. Другие части излучения направляются в первое и второе оптические плечи 105 и 106, отличающиеся друг от друга длиной оптического пути. Разница этих длин вносит временную задержку в одном плече (плече 105) интерферометра, так что излучение, отраженное обратно для интерференции в любой момент времени, в этом плече 105 приходит из более близкой точки по длине волокна, чем излучение, пришедшее для интерференции из другого плеча 106. Эта разница длин оптического пути в плечах интерферометра, которая связана с достигаемым пространственным разрешением (но не равна ему), далее именуется базовой длиной. Зеркала фарадеевского вращения (ЗФВ) 107 и 108, установленные на концах плеч интерферометра, отражают излучение обратно по первому и второму плечам 105 и 106. Зеркала фарадеевского вращения обеспечивают компенсацию самопроизвольной поляризации вдоль оптических плеч 105 и 106, так что два составляющих пучка излучения эффективно интерферируют на каждом из входов оптрона 104. Оптрон 104 вносит в интерференционный сигнал сдвиги фаз на 0°, +120° и -120°; в результате создаются первый, второй и третий компоненты интерференционного сигнала с различными сдвигами по фазе.
Первый и второй компоненты интерференционного сигнала направляются оптроном 104 на фотодетекторы 113 и 114, которые измеряют интенсивность соответствующих компонентов интерференционного сигнала.
Циркулятор 103 обеспечивает эффективный путь для входного излучения и для возвращающегося (третьего) компонента интерференционного сигнала через тот же порт оптрона 104. Компонент интерференционного сигнала, поступающий на оптический циркулятор 103, направляется к фотодетектору 115, обеспечивающему измерение интенсивности компонента интерференционного сигнала.
Как будет более подробно описано далее со ссылками на фиг. 7 и 9, выходы фотодетекторов 113, 114 и 115 связаны между собой для измерения относительной фазы поступающего излучения.
Как вариант, в плечах 105 и 106 могут иметься преобразователи 110 и 111 частоты и/или оптический модулятор 109, используемые для гетеродинной обработки сигнала. В дополнение, преобразование частот преобразователями 110 и 111 может поочередно изменяться от f1, f2 на f2, f1, чтобы ослабить эффект частотной зависимости между двумя составляющими пучками излучения, распространяющимися в оптических плечах 105 и 106.
Описанный вариант обеспечивает получение устройства, пригодного для быстрого количественного измерения возмущений оптических полей, и, в частности, может быть использован в распределенных и мультиплексных датчиках, имеющих высокую чувствительность и малые времена отклика, чтобы обеспечить соответствие требованиям таких применений, как прием и обработка акустических сигналов.
Фиг. 7 иллюстрирует применение интерферометра по фиг. 1 для распределенного детектирования оптического сигнала от оптической системы. Однако должно быть очевидно, что хотя данное применение описывается в контексте распределенного детектирования, оно пригодно и для точечного детектирования, например, путем приема излучения, отраженного от одного или более точечных датчиков, подключенных к оптическому волокну.
В этом варианте излучение, испускаемое лазером 701, модулируется импульсным сигналом 702. На выходе оптического усилителя 705, который используется для усиления импульсного лазерного излучения, установлен полосовой фильтр 706, чтобы отфильтровать шумы УСИ усилителя. Далее оптический сигнал поступает в оптический циркулятор 707. К одному из входов циркулятора 707 может быть подключен дополнительный оптический фильтр 708. Затем излучение поступает в волокно 712 датчика, которое, например, является одномодовым или многомодовым волокном, помещенным в среду, в которой желательно осуществлять мониторинг акустических возмущений. Отрезок этого волокна может быть изолирован и использован в качестве референтного (опорного) участка 710, например, для размещения в «тихом» месте. Референтный участок 710 может быть сформирован между отражателями или комбинацией светоделителей и отражателей 709, 711.
Отраженное излучение и излучение обратного рассеяния, присутствующие по длине волокна 712 датчика, через циркулятор 707 направляется в интерферометр 713. Функционирование интерферометра 713 уже было подробно описано со ссылками на фиг. 1. В данном варианте излучение преобразуется в электрические сигналы с использованием быстрых малошумящих фотодетекторов 112, 113, 114 и 115. Эти электрические сигналы преобразуются в цифровую форму, и затем быстродействующий процессорный блок 714 рассчитывает (как это будет описано далее) относительную модуляцию оптической фазы вдоль референтного участка 710 и вдоль волокна 712 датчика. Временная синхронизация процессорного блока осуществляется импульсным сигналом 702. Разность длин оптического пути в плечах 105 и 106 определяет пространственное разрешение. Выходные сигналы фотодетекторов могут быть оцифрованы с целью получения множества отсчетов при заданном пространственном разрешении. Затем множество отсчетов комбинируется (чтобы улучшить различимость сигналов и чувствительность) с использованием алгоритма взвешенного усреднения, обеспечивающего комбинирование сигналов фотодетекторов.
Может оказаться желательным слегка изменить частоту оптического излучения, чтобы улучшить чувствительность для сигналов, соответствующих обратному рассеянию или отражению. Оптический модулятор 703 может работать на микроволновой частоте (примерно 10-40 ГГц), чтобы получить боковые полосы при модуляции оптической несущей. Чтобы выбрать боковые полосы, смещенные относительно несущей, можно использовать оптический фильтр 708. Изменяя частоту модуляции, можно быстро промодулировать выбранную оптическую частоту.
Обработка данных
На фиг. 9 схематично проиллюстрирован способ, посредством которого по выходным сигналам фотодетекторов 113, 114, 115 определяют фазовый угол оптического сигнала. Пространственное разрешение системы определяется разностью оптических длин пути в плечах 105 и 106. Выходные сигналы фотодетекторов могут быть оцифрованы с целью получения множества отсчетов при заданном пространственном разрешении, т.е. для обеспечения избыточной дискретизации значений интенсивности. Затем, чтобы улучшить различимость сигналов и чувствительность, множество отсчетов комбинируется с использованием алгоритма взвешенного усреднения, обеспечивающего комбинирование сигналов фотодетекторов.
1
2
3
На шаге 902 комбинируют значения I, I I, интенсивностей, измеренные фотодетекторами 113, 114, 115, чтобы рассчитать относительную фазу и амплитуду поступившего из детекторного волокна излучения обратного рассеяния или отраженного излучения. Относительную фазу рассчитывают (на шаге 904) для каждой точки семплирования. Поскольку способ использует избыточную дискретизацию, имеется больше дискретных отсчетов, чем это необходимо для реализации требуемого пространственного разрешения системы.
Способы расчета относительных фаз и амплитуд для трех смещенных по фазе компонентов интерференционного сигнала описаны в литературе. Например, в документах Zhiqiang Zhao et al. ("Improved Demodulation Scheme for Fiber Optic Interferometers Using an Asymmetric 3×3 Coupler", J. Lightwave Technology, Vol. 13, No. 11, November 1997, pp. 2059-2068) и Huang et al. (US 5946429) раскрыты методики демодуляции выходов оптронов 3×3 в приложениях с мультиплексированием незатухающих волн. Описанные методы применимы к временным сериям данных, обеспечиваемых в рассматриваемом варианте.
1
2
3
На шаге 906 для каждой точки семплирования по трем измеренным фотодетекторами 113, 114, 115 значениям I, I, I интенсивности рассчитывают коэффициент V видности для каждого импульса согласно уравнению (1).
В точке низкой видности значения интенсивности при соответствующих сдвигах по фазе являются близкими и, следовательно, значение V является низким. Характеризуя точку семплирования в соответствии со значением V, можно определить (на шаге 908) значение фазового угла, взвешенное относительно точек семплирования с хорошей видностью. Такая методология повышает качество данных по фазовому углу (910).
Как вариант, коэффициент V видности можно также использовать для настройки (на шаге 912) хронирования цифрового семплирования излучения для определения положений, соответствующих максимальной чувствительности к сигналу. Такие варианты используют цифратор с динамически варьируемыми циклами синхронизации. Такой синхрогенератор с динамическим варьированием может быть использован для настройки хронирования цифровых отсчетов выходных сигналов фотодетекторов для положения максимальной чувствительности к сигналу и/или для смещенных положений, в которых имеет место ослабление сигнала излучения.
Данные по фазовому углу чувствительны к акустическим возмущениям, имевшим место в волокне датчика. Звуковая волна, проходя по оптическому волокну, вызывает сжатия и растяжения в структуре стекла. Это создает разницу длин оптического пути для излучения обратного рассеяния, отраженного от двух мест в волокне (т.е. излучения, распространяющегося в двух плечах интерферометра), которая измеряется в интерферометре как относительное изменение фазы. Этим методом данные по оптической фазе могут быть обработаны (на шаге 914), чтобы измерить акустический сигнал в точке, в которой было сгенерировано излучение.
В предпочтительных вариантах изобретения способ 900 обработки данных реализуется с использованием специализированного процессора, такого как вентильная матрица, программируемая в условиях эксплуатации.
Калибровка датчика
Чтобы обеспечить точность измерений фазы, важно измерить смещенные сигналы и относительные усиления фотодетекторов 113, 114 и 115. Эти измерения могут быть проведены и скорректированы посредством способа, описываемого далее со ссылками на фиг. 10.
Каждый фотодетектор имеет электрическое смещение, т.е. выходное напряжение фотодетектора в отсутствие падения излучения на фотодетектор (данное смещение может именоваться также смещением при "нулевом уровне излучения"). В качестве первого шага 1002 предусматривается прерывание излучения от оптического волокна и оптического усилителя 101. Будучи отключенным, оптический усилитель 101 действует как эффективный аттенюатор, не допускающий попадания на фотодетекторы какого-либо значительного излучения. В этом состоянии измеряются (на шаге 1004) выходные сигналы фотодетекторов, чтобы определить электрическое смещение, которое представляет собой базовый уровень для калибровки.
Относительные усиления фотодетекторов могут быть измерены (на шаге 1008) после включения (на шаге 1006) оптического усилителя 101 при отключенном входном излучении. После этого внутриполосное спонтанное излучение (т.е. УСИ, соответствующее ширине полосы полосового фильтра 102), которое может рассматриваться как некогерентный источник излучения, можно использовать, чтобы определить коррекции для нормализации и смещения (шаг 1010) с целью прокалибровать комбинацию эффективности связи между плечами интерферометра и усилений фотодетекторов 113, 114 и 115 для взаимного полного сопротивления. Этот сигнал может быть также использован, чтобы измерить сигнал смещения, обусловленный внутриполосным спонтанным излучением.
Целесообразно использовать оптический усилитель, который является компонентом интерферометра, в качестве некогерентного источника излучения, так что дополнительный источник излучения не потребуется. Некогерентность источника необходима, чтобы избежать интерференционных эффектов на фотодетекторах, т.е. когерентная длина излучения должна быть короче, чем оптическая длина пути в интерферометре. Однако для обеспечения точной калибровки желательно, чтобы полоса частот источника была близка к частоте излучения от источника излучения или центрирована относительно этой частоты. Таким образом, полосовой фильтр 102 выбран таким, чтобы отфильтровывать излучение с частотами вне желательной ширины полосы УСИ.
В случае применения в импульсной системе, которая может быть применена в распределенном датчике, описанный способ может использоваться в интервалах между оптическими импульсами от источника излучения, чтобы эффективно калибровать систему в процессе ее использования перед каждым импульсом (или выбранными импульсами) от источника излучения, по существу, в непрерывном процессе измерения.
1
2
2
1
Изобретение охватывает также модификации описанных вариантов, причем некоторые альтернативные варианты будут описаны далее. На фиг. 2 представлен вариант нового интерферометра, схожего с изображенным на фиг. 1, но с дополнительным зеркалом 201 фарадеевского вращения вместо фотодетектора 112. Схожие компоненты имеют схожие цифровые обозначения. В этом варианте интерференция между различными путями, которые могут иметь различные длины, может иметь место на трех различных частотах f, f и (f-f). Преимущество конфигурации по этому варианту состоит в обеспечении дополнительной гибкости функционирования. Например, различные гетеродинные частоты могут обеспечить различные режимы функционирования для проведения измерений при различных пространственных разрешениях.
2
1
3
2
3
1
На фиг. 3 представлен еще один вариант нового интерферометра, аналогичного представленному на фиг. 1. Схожие компоненты имеют схожие цифровые обозначения. Данный вариант использует оптрон 314 4×4, дополнительную оптическую ветвь 301 с преобразователем 304 частоты, фазовым модулятором 303 и зеркалом 302 фарадеевского вращения и дополнительный фотодетектор 308. В этом случае интерференция между различными ветвями, которым могут соответствовать различные разности длин пути, может иметь место на трех различных частотах (f-f), (f-f) и (f-f). Альтернативно, зеркало 302 фарадеевского вращения может быть заменено изолятором или согласованным концом волокна, так что в ветви 301 отраженное излучение будет отсутствовать, т.е. возможна интерференция только между плечами 105 и 106.
Оптрон 4×4 в этой конфигурации генерирует 4 компонента интерференционного сигнала с относительными сдвигами по фазе, равными -90°, 0°, 90°, 180°.
На фиг. 4 представлен другой вариант интерферометра. В этом варианте в интерферометр введено дополнительное плечо 401 с фазовым модулятором 403 путем установки зеркала 402 фарадеевского вращения вместо фотодетектора 112.
Во всех описанных вариантах для изменения и/или выбора различных комбинаций оптических длин пути в интерферометре могут быть использованы оптические переключатели. Это облегчает переключение между измерениями с различными пространственными разрешениями (соответствующими выбранным разностям оптических длин пути).
На фиг. 5 и 6 представлены примеры интерферометрических систем 500, 600, адаптированных для использования в каскадной конфигурации или в конфигурации звезды, чтобы сделать возможным измерение относительных оптических фаз для различных разностей длин пути. На фиг. 5 показаны три установленных последовательно интерферометра 501, 502, 503, имеющих различные разности длин пути (и, следовательно, различные пространственные разрешения). На фиг. 6 скомбинированы четыре интерферометра 602, 603, 604 и 605 с различными разностями длин пути (и, следовательно, с различными пространственными разрешениями), причем интерферометры 602, 603, 604 установлены параллельно, а интерферометры 603 и 605 - последовательно. На фиг. 6 показан также оптрон 601 3×3, используемый для распределения излучения между интерферометрами. Система 600 может быть также скомбинирована с компонентами для разделения по длинам волн, чтобы обеспечить параллельные выходы для различных длин волн.
Описанные выше варианты относятся к устройству и к способам быстрых количественных измерений акустических возмущений полей оптического излучения, проходящего, отраженного и/или рассеянного по длине оптического волокна. Варианты изобретения могут быть применены или реализованы и другими путями, например, чтобы осуществлять мониторинг оптического сигнала, генерируемого лазером, и/или чтобы осуществлять мониторинг функционирования генератора гетеродинного сигнала и генерировать оптические импульсы для преобразования в оптический сигнал. Соответствующий пример описан со ссылками на фиг. 8.
На фиг. 8 представлена система, содержащая интерферометр 801 в соответствии с вариантом изобретения и используемая для генерирования двух оптических импульсов, взаимно смещенных по частоте. Интерферометр принимает, через оптический циркулятор 103, входной импульс от лазера 701. Оптрон 104 3×3 направляет один компонент входного импульса на фотодетектор, а другие компоненты - в плечи (ветви) интерферометра. В одном плече, по которому проходит радиочастотный (РЧ) сигнал 805, имеется преобразователь 110 частоты. Мониторинг интерференции между двумя импульсами осуществляется демодулятором 802. Излучение, отраженное зеркалами 107, 108 фарадеевского вращения, комбинируется на оптроне 104 с использованием задержки 803, чтобы согласовать длины пути в плечах интерферометра так, чтобы частоты смещенного и входного импульсов взаимно налагались. Оптрон 104 создает относительный сдвиг по фазе для интерференционного сигнала, и интерферометр, следовательно, осуществляет мониторинг трех гетеродинных частот компонентов сигнала при наличии относительных сдвигов по фазе. Оптический циркулятор 103 вводит два импульса в волокно датчика.
В этом варианте отраженное излучение и излучение обратного рассеяния не детектируется интерферометром согласно изобретению. Вместо этого, данные излучения проходят через оптический усилитель 804 и оптический фильтр 806, а затем направляются на быстрый, малошумный фотодетектор 807. Электрический сигнал расщепляется, а затем преобразуется, известным способом, по частоте к сигналам в базовой полосе путем смешивания с РЧ сигналом 805 при различных фазовых углах. Электрические сигналы оцифровываются, и рассчитывается, с помощью быстрого процессора 808, модуляция относительной оптической фазы в каждой секции волокна путем комбинирования оцифрованных сигналов.
Фиг. 11 иллюстрирует следующий вариант устройства для точечного, а также для распределенного датчика. В этом случае частота 704 модуляции, обеспечиваемая оптическим модулятором 703, переключается с f1 на f2 внутри огибающей модулированного сигнала оптического импульса.
Оптический фильтр 708 выбирает две пары боковых полос 1202/1203 и 1204/1205, генерируемых оптическим модулятором (см. фиг. 12). Частотный сдвиг между боковыми полосами 1202 и 1203 первого порядка пропорционален разности частот модуляции (f2-f1), а частотный сдвиг между боковыми полосами 1204 и 1205 второго порядка пропорционален 2(f2-f1). Таким образом, выходной сигнал фотодетектора 807 (обрабатываемый в процессоре 1101) соответствует двум сигналам биения, один из которых центрирован у (f2-f1), а другой - у 2(f2-f1). Используя демодулятор, можно независимо измерить относительную оптическую фазу сигналов биения. Чтобы улучшить видность сигнала, чувствительность и динамический диапазон вдоль волокна датчика, можно скомбинировать два независимых измерения.
На фиг. 12А иллюстрируется промодулированный спектр излучения и выбор вышеупомянутых боковых полос.
0
На фиг. 12В проиллюстрирован исходный лазерный импульс 1201 с шириной Т на частоте f, промодулированный на частотах f1, f2 и f3 в течение периодов Т1, Т2 и Т3 соответственно. Задержка между периодами Т1, Т2 и Т3 также может варьироваться. Для того чтобы сгенерировать смещенные по частоте оптические импульсы, которые вводятся в волокно, посредством оптического фильтра 708, производится выбор одной или более боковых полос. Отраженные и/или рассеянные назад сигналы от волокна направляют через циркулятор 707 на фотодетектор. Отраженное и/или рассеянное излучения, соответствующие различным импульсам, смешивают, чтобы получить на выходе фотодетектора гетеродинные сигналы, например с частотами (f2-f1), (f3-f1), (f3-f2), 2(f2-f1), 2(f3-f1) и 2(f3-f2). Генерируются также и другие гетеродинные сигналы, имеющие намного более высокие частоты: (2f2-f1), (2f3-f1), (2f1 -f2), (2f1-f3), (2f3-f1) и (2f3-f2). Гетеродинные сигналы преобразуются в синфазные сигналы или сигналы со сдвигом по фазе на 90° с понижением частоты к базовой полосе. Сигналы оцифровываются посредством быстрых аналого-цифровых преобразователей, после чего, посредством быстрого цифрового процессора сигналов, рассчитывается фазовый угол.
Как уже было отмечено, описанные варианты соответствуют уже опубликованным в международной патентной заявке WO 2010/136810 (поданной заявителем настоящего изобретения) и относятся к различным версиям оптоволоконного распределенного акустического датчика, который лежит в основе вариантов изобретения. Как было пояснено выше, варианты изобретения используют любой из указанных опубликованных вариантов с модифицированным волокном, которое имеет распределенные по его длине особые отражающие точки, расстояние между которыми задается в зависимости от требуемого пространственного разрешения (строго говоря, от базовой длины) РАД. В некоторых вариантах предусмотрена некоторая дополнительная обработка сигналов, чтобы значительно повысить чувствительность образованной в результате оптоволоконной детекторной системы в целом. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены далее.
Для большинства приложений эксплуатационные показатели оптоволоконного РАД ограничены обеспечиваемым системой отношением акустического сигнала к шуму (ОАСШ). Улучшение ОАСШ может, например, сделать возможной квантификацию расхода потока, а также сейсмических сигналов и сигналов утечки, которые нельзя измерить другими способами. ОАСШ для РАД, в свою очередь, зависит от отношения оптического сигнала к ассоциированному с ним шуму детектирования (ООСШД). ООСШД и, следовательно, ОАСШ оптимизируются путем максимизации оптического сигнала, возвращаемого оптическим волокном.
Возвращаемый оптический сигнал может быть максимизирован с использованием различных технологий, включая использование источника, излучающего на более коротких длинах волн (которые сильнее рассеиваются), и использование волокна с большим коэффициентом рассеяния или с большим входным углом. Далее будет описан метод, использующий отражающие точки, создаваемые в заданных положениях вдоль волокна. Эти отражающие точки должны обладать функциональностью частично отражающих зеркал - в идеале они должны отражать малое количество излучения (в типичном случае менее 0,1%) в пределах относительно большой ширины полосы (например порядка >2 нм) и пропускать остальное излучение. Даже при такой малой отражательной способности амплитуда отраженного излучения будет более чем на порядок превышать уровень излучения, рассеянного обычным образом в пределах того же отрезка. Следовательно, применение отражателей имеет то преимущество перед другими методами (например перед использованием более высокого коэффициента рассеяния), что фактически все излучение, не пропущенное волокном, отражается обратно к РАД, а не рассеивается во всех направлениях.
В дополнение к повышению уровня оптического сигнала, использование отражающих точек значительно улучшает также шумовые характеристики РАД. Это объясняется тем, что в случае использования в стандартных волокон РАД в типичном случае имеет место 1/f шум. Это значит, что акустический шум на низких частотах (особенно ниже 10 Гц) значительно выше, чем шум на более высоких частотах. Присутствие 1/f шума является фундаментальным свойством, обусловленным стохастическим характером обратного рассеяния и оказывающим доминирующее влияние на характеристики РАД при низкочастотных измерениях, которые составляют главную часть применений РАД. Однако в случае использования отражающих точек характеристики отражения являются скорее фиксированными, чем случайными, и это приводит к снижению 1/f шума до уровня, не поддающегося измерению. Управление рассеянием приводит также к получению базового уровня шума, однородного как пространственно, так и во времени, тогда как в присутствии случайного рассеяния характеристики базового уровня шума в типичном случае быстро варьируют по пространственным координатам и медленно во времени. В дополнение, отражение с фиксированными характеристиками приводит к более стабильным измеренным значениям акустической амплитуды, чем при использовании обратного рассеяния.
В идеальном варианте каждая отражающая точка в волокне будет эквивалентна зеркалу с низким отражением: она будет одинаково отражать излучение на всех длинах волн, т.е. иметь постоянный коэффициент отражения. В типичном случае коэффициент отражения будет близким к 0,01% (т.е. уровень отраженного излучения будет в 100 раз превышать уровень излучения, рассеянного назад в расчете на 1 м волокна). Другими словами, каждое зеркало отражает 0,01% и пропускает 99,99% падающего излучения. Однако, с учетом конструктивных соображений, допустимы и коэффициенты отражения в определенном интервале, например от 0,002% до 0,1%. В общем случае меньший коэффициент отражения будет приводить к уменьшенному количеству отраженного излучения и, следовательно, к менее значительному улучшению характеристик, но позволит обеспечить большее расчетное расстояние. В то же время более высокий коэффициент отражения увеличит количество отраженного излучения и, следовательно, обеспечит повышение отношения сигнал/шум, но может неблагоприятно повлиять на длину детектирования вдоль волокна, особенно при более высоких пространственных разрешениях, когда отражающие точки расположены ближе одна к другой. При использовании коэффициента отражения 0,01%, с учетом малых потерь на каждой отражающей точке, становится реальным размещение в волокне многих сотен таких слабых зеркал без введения значительных оптических потерь. Например, 1000 отражающих точек создаст дополнительные потери, составляющие всего 0,4 дБ (что эквивалентно потерям на 2 км стандартного оптоволокна).
В типичном случае расстояние между смежными отражающими точками соответствует пространственному разрешению ("базовой длине") РАД. Это означает, что, если пространственное разрешение при детектировании для РАД равно 10 м, можно использовать 1000 отражающих точек, чтобы получить полное расстояние, на котором возможно детектирование, равное 10 км. В некоторых вариантах РАД не требует никаких модификаций, чтобы обеспечить его совместимость с волокном, содержащим отражающие точки - концептуально РАД воспринимает новое волокно так же, как и стандартное волокно (хотя и с более высоким коэффициентом рассеяния). Однако в других вариантах обработка сигнала РАД может быть оптимизирована применительно к этому волокну за счет использования того, что теперь все детектируемые положения между каждой парой отражающих точек соответствуют одному и тому же сигналу. Это, в частности, означает, что можно измерить многие положения между отражающими точками, а затем усреднить сигналы от этих положений, чтобы улучшить ОСШ.
Кроме того, повышение ОСШ может быть использовано для значительного улучшения пространственного разрешения, обеспечиваемого РАД при сохранении приемлемого уровня шума. Например, в то время как достижение приемлемого ОСШ для большинства применений РАД, использующего рассеяние назад, требует базовой длины около 1 м, при использовании отражателей приемлемое ОСШ может быть получено при базовой длине около 5 см. Такое улучшение пространственного разрешения делает возможным точное измерение ультразвуковых сигналов и, например, отслеживание деталей, ассоциированных с малыми размерами, такими как завихрения в трубах. Чтобы обеспечить удовлетворительное ОСШ, может оказаться необходимым использовать метод фазовой корреляции при малой ширине полосы детектирования. Преимущества данного подхода могут также проявиться в приложениях, связанных с большими расстояниями, такими как обнаружение утечек, применения в трубопроводах и в подводных морских сооружениях.
Другая возможность состоит в измерении в секции трубы очень малых изменений температуры (вплоть до милликельвинов при частотах до нескольких герц), вызванных потоком текучей среды. Измерение температуры с высоким разрешением может быть использовано для измерений течения текучей среды по наблюдению распространения турбулентного теплообмена.
Следует отметить, что, поскольку конфигурация РАД может быть идентичной при измерениях с применением как стандартных волокон, так и волокон с отражающими точками, имеется возможность проводить гибридные измерения, в которых РАД использует для измерений одновременно волокна обоих типов. Так, отражающие точки могут находиться в стратегических участках, в которых требуется более высокая чувствительность (например, для измерения потока), тогда как остальная, немодифицированная часть волокна используется, например, для сейсмических измерений, в которых требуется широкий пространственный охват при меньшей чувствительности.
Хотя, как было отмечено выше, идеальной отражающей точкой было бы слабое зеркало - которое отражало бы излучение на всех длинах волн равномерно, с постоянным коэффициентом отражения, - наиболее подходящая современная технология формирования отражающих точек использует волоконные брэгговские решетки (ВБР). ВБР обычно описывается либо как оптический фильтр, либо как средство детектирования, при применении которого пиковая длина волны излучения, отраженного решеткой, используется, чтобы определять расстояние между решетками и, тем самым, деформацию или температуру ВБР. ВБР может быть записана в оптическом волокне посредством соответствующего процесса с применением фемтосекундного лазера. В частности, теперь ВБР может быть записана в оптическом волокне непосредственно в процессе его вытяжки, до нанесения на него покрытия. Это делает производство волокна с тысячами ВБР коммерчески и технически реалистичным. Альтернативно, ВБР могут быть сформированы в оптическом волокне путем изменения его показателя преломления с использованием процесса записи фемтосекундным лазером или записи УФ лазером в процессе вытяжки волокна.
Один из недостатков коммерческих ВБР состоит в том, что они обычно разрабатываются для максимизации пикового отражения и селективности отражения на конкретной длине волны (которая может изменяться при изменении температуры или при деформации). В отличие от этого, предлагаемые варианты направлены на достижение противоположных характеристик - низкого уровня отражения в широком интервале длин волн, так что при изменении температуры ВБР (например при развертывании кабеля в нефтяной скважине) уровень отражения лазерного излучения остается постоянным.
Чтобы проверить такой подход, в экспериментально исследованных авторами изобретения опытных образцах исследовалась температурная зависимость длины волны, соответствующей пиковому отражению, путем использования в каждой отражающей точке пяти ВБР с взаимным наложением по длинам волн. Каждая ВБР в этом примере имеет длину около 1 мм, а расстояние между ВБР равно 10 мм, что соответствует суммарной длине каждой отражающей точки около 45 мм. Суммарная ширина полосы отражения составляет примерно ±2 нм. Однако было обнаружено, что эта конфигурация не является идеальной. Дело в том, что взаимное наложение (по длинам волн), требуемое для использованных решеток с целью обеспечить отражение по всей ширине полосы, приводит к интерференции между ВБР в каждой отражающей точке, если лазер в составе РАД излучает в области взаимного перекрытия (см. фиг. 14). По этой причине в других вариантах предлагается использовать ВБР, имеющие одну из двух следующих модифицированных конструкций.
1. Единственная широкополосная решетка. В общем случае широкополосная решетка также является слабой решеткой, которая полезна в приложениях, в которых желательны слабое отражение и высокое пропускание. В типичном случае оптимальной для такого применения является ВБР, которая обычно рассматривается как "плохая решетка", поскольку тенденция состоит в сужении полосы и в повышении отражательной способности. По контрасту, решетка, идеальная в контексте изобретения, способна обеспечить низкую, но широкополосную отражательную способность и быть пригодной для записи в волокне с использованием метода записи фемтосекундным лазером.
2. Дифракционная решетка с линейно изменяющейся постоянной. Длина волны отражения у этой решетки изменяется по ее длине. Это позволяет получить широкополосную отражательную способность без вышеупомянутых проблем интерференции. В этом случае отражательная способность в пределах полосы отражения также является слабой (т.е. соответствующей требованиям).
Перекрестные наводки
Использование отражающих точек вызывает, в результате многократных отражений между отражающими точками, появление перекрестных наводок (перекрестных помех). Более конкретно, к перекрестным наводкам (к неоднозначности в локализации части оптического сигнала) приводят возникающие при этом многочисленные траектории. Проведенное авторами моделирование показало, что для приложений, являющихся для изобретения ключевыми, это не будет иметь важного значения при условии, что сумма коэффициентов отражения отражающих точек не превысит ~10%. Данное условие позволяет, в частности, иметь эквивалент 1000 отражающих точек, каждая из которых имеет коэффициент отражения 0,01%.
При необходимости, для уменьшения перекрестных наводок может быть использована специальная конфигурация, например использующая "угловые" решетки типа решетки, показанной на фиг. 15, или комбинацию оптронов и зеркал типа показанной на фиг. 16. Более конкретно, фиг. 15 иллюстрирует использование угловой решетки 1510, расположенной поперек волокна. В осевом сечении решетка имеет форму угольника 1530, ориентированного так, что он принимает излучение, распространяющееся вдоль волокна в первом направлении, и отражает его обратно, т.е. в противоположном направлении, в результате двух отражений от решетки под углом 90°. Таким образом, излучение, идущее в первом направлении, падает на "внутреннюю" сторону угловой решетки (обращенную к другой внутренней стороне), так что затем оно отражается в направлении, с которого оно пришло.
И наоборот, излучение, распространяющееся вдоль волокна во втором направлении, противоположном первому направлению, падает на "наружную" сторону решетки, так что затем оно отражается на 90° относительно первоначального направления и выводится за пределы волокна (рассеивается). Такая конфигурация должна обеспечить ослабление перекрестных наводок за счет предотвращения многократных отражений между различными близкорасположенными решетками.
Другой метод ослабления перекрестных наводок состоит в повышении отражательной способности в зависимости от расстояния. Это дает эффект, поскольку основной вклад в перекрестные наводки вносят близлежащие маркеры. Преимущество такой конфигурации еще и в том, что профиль отражательной способности может быть выбран так, чтобы скомпенсировать потери в волокне, обеспечивая тем самым равномерное ОСШ по длине волокна.
На фиг. 16 иллюстрируется альтернативная конфигурация, в которой оптронный компонент использован для переноса небольшой части излучения в другое волокно 1610, которое подведено к зеркалу 1620. В этом случае зеркало предпочтительно является полностью отражающим (с коэффициентом отражения 100%), тогда как коэффициентом передачи оптрона управляют таким образом, чтобы передавать только небольшую долю излучения, направленную в сторону зеркала (составляющую, например, 0,01% или имеющую, как было упомянуто выше, близкое значение). В результате также обеспечивается желательное (как это показано выше) слабое суммарное отражение.
Фиг. 17 и 18 иллюстрируют концепцию вариантов изобретения в количественной форме. На фиг. 17А иллюстрируется типичный сценарий для РАД, соответствующего уровню техники. В этом случае главным ограничением для РАД являются потери за счет рассеяния излучения, поскольку только небольшая часть рассеянного излучения  распространяется обратно вдоль волокна. Причем часто практически использовать можно даже меньшую часть излучения . По контрасту, в типичной схеме интерферометрии с мультиплексированием во временной области, проиллюстрированной на фиг. 17В (и взятой из работы Kersey et al. Cross talk in fiber-optic sensor array with ring reflectors, Optics Letters, Vol. 14, No. 1, Jan 11989), для целей измерения можно использовать до одной трети фотонов.
Следовательно, с целью увеличить количество излучения, возвращаемого по оси волокна и доступного для целей детектирования в типичном РАД, рассматриваемом в данном описании, может быть использована промежуточная схема (показанная на фиг. 17С), в которой обратное рассеяние намеренно усилено размещением слабых широкополосных отражателей в различных точках вдоль волокна. В моделируемом варианте все отражатели являются волоконными брэгговскими решетками (ВБР), рассмотренными выше. Чтобы перекрестные наводки составляли менее 1%, суммарное отражение по всей длине волокна предпочтительно должно быть менее 10% (NR<0,1). При выполнении указанных условий в волокне длиной 3 км можно разместить решетки с периодом 10 м. Как было отмечено выше, в такой системе дробовой шум может быть улучшен более чем в 10 раз по сравнению с известными системами РАД.
Возвращаясь к проблеме перекрестных наводок, оценка их уровня для известных конфигураций РАД (охарактеризованных уравнениями А на фиг. 18) соответствует оптимистичным результатам, получаемым при некогерентном суммировании излучения, рассеянного назад, когда для акустических измерений доступно в 100-1000 раз больше фотонов, чем при идеальном обратном рэлеевском рассеянии (, где  - это телесный угол рассеяния). Если же принять, что все излучение является когерентным, так что должны суммироваться оптические поля, а не интенсивности, то результат окажется весьма пессимистичным (см. уравнения В на фиг. 18). В этом случае , т.е. множество низкоконтрастных интерферометров Фабри-Перо (таких как описанные в указанной работе Kersey et al.) не более эффективно, чем обратное рассеяние (при том же уровне перекрестных наводок, равном 1%). Результат, полученный в указанной работе (и представленный на фиг. 18, как уравнения С), является промежуточным , незначительно превосходящим результат для рэлеевского рассеяния. Этот результат может служить объяснением того, почему такие простые акустические антенны не были популярны в течение последних 25 лет использования гидрофонов с мультиплексированием во временной области. Тем не менее, с учетом реальных значений видности и потерь в РАД, в реальных системах потенциально может быть достигнуто почти 10-кратное повышение ОСШ.
Фиг. 19 иллюстрирует результаты тестирования концепции на модели волокна с 4 решетками с коэффициентом отражения 0,001%, которые отстоят одна от другой на 10 м и которые имеют высокую видность при освещении короткими импульсами (10 нс) (см. фиг. 19А). Поскольку использовался РАД с разрешением 10 м, можно видеть также дополнительные отражения с задержкой, соответствующей базовой длине (разности длин пути между плечами 105 и 106 интерферометра в составе РАД, которая определяет исходное пространственное разрешение РАД). Таким образом, интерференция имела место между тремя низкоконтрастными интерферометрами Фабри-Перо. Как можно видеть из среднего графика (построенного с семплированием через 1 м), акустический сигнал подавался только на два из них. Можно видеть также, что акустический сигнал подавался по времени в виде примерно 30 импульсов на расстоянии между 50 м и 70 м по длине волокна. Как следует из фиг. 19В, оптический импульс большей длительности (70 нс) способен генерировать больший сигнал. Горизонтальная линия в спектре соответствует зоне акустической модуляции (т.е. зоне, в которой подавался акустический сигнал). Оптические перекрестные влияния на третий интерферометр, расположенный на расстоянии между 70 м и 80 м, пренебрежимо малы.
Моделировались также очень слабые отражения (R=0,0001%), только в 10 раз превышавшие уровень обратного рассеяния - см. фиг. 19С. Тем не менее, уровень сигнала РАД был повышен (частично благодаря хорошей видности) даже по сравнению с его трехкратным повышением (которого можно было ожидать с учетом дробового шума). Результаты моделирования подтверждают возможность повышения ОСШ даже более чем в 10 раз.
Одно интересное преимущество использования регулярно расположенных отражателей в детекторном волокне состоит в том, что при соответствующем выборе параметров оптического импульса (особенно его ширины) в сочетании с выбором базовой длины интерферометра относительно расстояния между отражателями становится возможным одновременно проводить распределенные акустические измерения с различными разрешениями. Соответствующая схема иллюстрируется на фиг. 20 и 21.
Фиг. 20 построена для волокна с отражателями, которые могут, например, являться описанными выше решетками, размещенными через каждые 10 м и изображенными в виде отражателей 202, 204 и 206. Если желательно осуществлять детектирование с двумя различными разрешениями, регулярно расположенные отражатели должны находиться по меньшей мере в одной части волокна. Разумеется, в некоторых вариантах они могут быть распределены по всей длине волокна. В других вариантах на различных участках волокна отражатели могут находиться на различных расстояниях друг от друга, что позволит получить различные пространственные разрешения, обеспечиваемые соответствующими участками волокна.
В процессе управления системой на основе РАД (использующего подобное волокно) в волокно могут подаваться такие оптические импульсы, пространственная протяженность которых меньше расстояния между отражателями, тогда как базовая длина данной системы (т.е. разность длин пути между плечами 105 и 106 интерферометра 713 в составе РАД) больше расстояния между отражателями. Тогда при прохождении импульса по волокну будет иметь место момент, в который будет принято излучение импульса, отраженное в плечах 105 и 106 интерферометра от последующих отражателей. Пространственное разрешение детектированного в этот момент излучения равно расстоянию между отражателями. Затем будет иметься момент, в который, вследствие наличия задержки между плечами, принимается только излучение, отраженное в одном (но не в другом) плече интерферометра. В этом случае выходной сигнал отсутствует. После этого наступит момент, когда из плеч 105 и 106 интерферометра принимается излучение, отраженное от первого отражателя и не от расположенного непосредственно за ним отражателя, а от следующего отражателя, удаленного от первого отражателя вдоль волокна на удвоенное расстояние. В данный момент детектирование производится с разрешением, равным указанному удвоенному расстоянию. Следовательно, в данном варианте обеспечиваются чередующиеся между собой первое пространственное разрешение и второе, удвоенное разрешение. Фиг. 20 подробно иллюстрирует эту концепцию.
Для облегчения понимания на фиг. 20 иллюстрируется пара импульсов, распространяющихся (на фиг. 20 вниз) по волокну, снабженному отражателями 202, 202 и 206, отстоящими друг от друга на 10 м. Рассматриваемая пара импульсов соответствует реальному импульсу 210, распространяющемуся по волокну от РАД, и, в случае его поступления в интерферометр, виртуальному импульсу 212, распространяющемуся с задержкой, заданной базовой длиной интерферометра. Разумеется, в реальной ситуации этот виртуальный импульс 212 нс распространялся вдоль волокна, но, как это описано выше, был сгенерирован в плече 105 интерферометра 713 как имеющая задержку отраженная версия реального импульса 210. Однако, чтобы легче понять функционирование рассматриваемого варианта, виртуальный импульс, имеющий задержку, может рассматриваться как виртуально распространяющийся вдоль волокна позади реального импульса, отделенный от фактического импульса базовой длиной. Далее используется именно эта модель. Следует, однако, отметить, что в реальной ситуации этот виртуальный импульс существует только в форме части реального импульса, отраженной вдоль оси волокна в плече 105 интерферометра, обеспечивающем задержку. Таким образом, импульс 212 является виртуальным импульсом, введенным только из соображений удобства описания.
В данном примере импульсы имеют длину 7,5 м при расстоянии между импульсами (увязанном с базовой длиной и измеряемом, например, между задними (или передними) фронтами смежных импульсов), составляющем 15 м. Следовательно, между задним фронтом ведущего импульса и передним фронтом следующего за ним виртуального импульса имеется зазор 7,5 м. Эти временные интервалы между импульсами и соответствующие им расстояния сохраняются в процессе движения импульса вдоль волокна.
В момент А ведущий (реальный) импульс 210 находится в положении, когда он все еще проходит через отражатель 204, так что некоторая его часть отражается назад вдоль волокна. В отличие от него, следующий за ним виртуальный импульс 212 только начинает падать на отражатель 202, и, следовательно, некоторая его часть только начинает отражаться вдоль волокна (разумеется, как было отмечено выше, излучение, которое здесь рассматривается как отраженная часть виртуального импульса, реально является отраженным ранее излучением реального импульса, задержка которого задается базовой длиной в интерферометре). Таким образом, между моментами А и В малая часть реального импульса 210 отражается от отражателя 204, тогда как малая часть виртуального импульса 212 отражается от отражателя 202. Отраженные части обоих импульсов движутся обратно вдоль волокна, так что затем они могут быть обработаны в РАД, например, в форме интерференции в интерферометре РАД. Это позволяет РАД сформировать сигнал с разрешением, равным расстоянию между отражателями 202 и 204, т.е. единичному расстоянию между отражателями, составляющему в этом случае 10 м. Следовательно, между моментами А и В РАД сформирует один выходной сигнал с пространственным разрешением 10 м, равным расстоянию между смежными отражателями.
Далее будет рассмотрен период между моментами В и С. В момент В ведущий (реальный) импульс 210 больше не проходит через отражатель 204, а движется между отражателем 204 и отражателем 206. Следовательно, отсутствует какое-либо отражение этого импульса. Следующий за ним виртуальный импульс 212 в момент В все еще "проходит" через отражатель 202, и, следовательно, некоторая его часть отражается от этого отражателя. Однако в этот момент никакого сигнала не генерируется, поскольку отсутствует излучение от реального импульса 210 для интерференции в РАД. Эта ситуация сохраняется до момента С. В этот момент ведущий импульс 210 начинает проходить через следующий отражатель 206, а следующий за ним виртуальный импульс 212 все еще "проходит" через отражатель 202, отстоящий от отражателя 206 на удвоенное расстояние между отражателями. Следовательно, обратно вдоль волокна отражаются части излучения от обоих импульсов, но на этот раз от отражателей, отстоящих друг от друга на расстояние, удвоенное по сравнению с предыдущим. Таким образом, излучение от двух отражающих точек может интерферировать в интерферометре в составе РАД (или обрабатываться в РАД каким-либо иным образом) с формированием выходного сигнала. Однако на этот раз, поскольку расстояние между детектируемыми точками является удвоенным, пространственное разрешение выходного сигнала РАД также удваивается (или уменьшается вдвое, в зависимости от используемого определения разрешения), т.е. соответствует удвоенному расстоянию между отражающими точками (равному в данном примере 20 м).
Это разрешение, соответствующее 20 м, затем сохраняется в течение периода от момента С до момента D, в течение которого реальный импульс 210 проходит через отражатель 206, а следующий за ним виртуальный импульс 212 проходит через отражатель 202. Следовательно, между моментами С и D разрешение при детектировании составляет 20 м, т.е. равно удвоенному расстоянию между отражателями. В момент D следующий за основным виртуальный импульс 212 завершает прохождение через отражатель 202; следовательно, начиная с момента D, никакого сигнала не формируется до тех пор, пока виртуальный импульс 212 нс упадет на следующий отражатель 204. В этот (непроиллюстрированный) момент реальный импульс 210 будет еще проходить через отражатель 206; следовательно, повторится та же ситуация, что и в момент А, за исключением того, что будет задействована следующая пара отражателей, т.е. отражатели 204 и 206, а не 202 и 204. Таким образом, процесс повторяется для каждой последующей пары отражателей, распределенных вдоль волокна.
Следовательно, как это показано выше, создан РАД с двумя разрешениями, т.е. РАД, у которого в процессе прохождения реального импульса по детекторному волокну разрешение при детектировании поочередно соответствует расстоянию между отражателями и удвоенному расстоянию между отражателями. Этот результат является важным, поскольку системы на основе РАД страдают от так называемого антенного эффекта. Он состоит в том, что, если длина падающей акустической волны, распространяющейся вдоль оси волокна, равна базовой длине, не регистрируется никакого сигнала: действительно, волокно в этом случае испытывает равное количество сжатий и растяжений в пределах базовой длины, что не позволяет измерить значимый сигнал. Однако в конфигурации, которая автоматически реализует два разрешения и которая образована при использовании отражателей, установленных на регулярных расстояниях друг от друга и при тщательном выборе ширины импульса и зависящей от нее базовой длины, антенный эффект может быть устранен, по меньшей мере при большем значении разрешения, причем измерения с меньшим значением разрешения также будут проводиться автоматически.
Фиг. 21 также иллюстрирует схему с двойной чувствительностью вместе с некоторыми результатами, полученными моделированием. Реализуемый принцип поясняется фиг. 21А, иллюстрирующей прохождение оптического импульса и его виртуального эха L0, следующего за импульсом вдоль волокна с задержкой, соответствующей одной или двум зонам между отражателями, отделенными друг от друга расстоянием L~2/3L0. Другими словами, по мере продвижения импульса по волокну базовая чувствительность РАД изменяется по длине волокна от L до 2L и обратно. Эта опция была исследована посредством моделирования для L0=15 м, длительности 75 нс (соответствующей пространственной протяженности импульса ~7,5 м) и уровня семплирования 1 м для различных акустических волн. Если длина волны (Λ) равна 60 м (т.е. значительно превышает L и L0 - см. фиг. 21В), то паттерн выходного сигнала РАД (фиг. 21С) следует за акустической волной; однако, некоторые пространственные зоны имеют удвоенную амплитуду (см. также спектр на фиг. 21D).
На фиг. 21E-G представлены результаты для случая, когда длина волны равна удвоенному расстоянию L между отражателями, т.е. Λ=2L=20 м. В этом случае в зонах, которые соответствуют базовой длине 2L, сигнал отсутствует вследствие рассмотренного выше антенного эффекта. Это подчеркивает преимущество предлагаемой концепции: для акустических волн с большой длиной волны (т.е. при Λ>>2L), чтобы улучшить ОСШ, можно увеличивать значение 2L (определяющее базовую чувствительность), тогда как для коротких длин волн (т.е. при Λ~2L) улучшенное ОСШ достигается при короткой базовой длине L.
В заключение, фиг. 21H-J иллюстрируют выходные сигналы РАД для случая, когда длина волны находится между двумя значениями, определяющими чувствительность, т.е. между 10 и 20 м (в общем случае L<Λ<2L). Здесь ОСШ остается умеренным, но необходима специальная обработка, чтобы придать выходному паттерну форму, соответствующую входному паттерну (это видно из сравнения фиг. 21Н и I). Один возможный алгоритм для такого преобразования представлен на фиг. 23. Здесь двумерный вектор каналов А разделен на зоны, каждая из которых соответствует L или 2L, чтобы получить В и С, которые по отдельности фильтруются (с использованием свертки, если необходимо) с получением Bf и Cf соответственно. После этого, комбинируя Bf и Cf, можно получить конечный результат (Af=Bf+Cf), соответствующий полному плоскому спектру с оптимальным ОСШ.
Следующий вариант будет описан со ссылками на фиг. 22А-С. На фиг. 22А и С снова представлены описанные выше варианты. Оптический импульс и его задержанное виртуальное эхо L0, изображенное, как серый прямоугольник, проходят через отражатели, разделенные расстоянием L=L0. Пространственная протяженность импульса в этом случае должна быть немного меньше расстояния между отражателями, составляя, например, ~1,0 м (10 нс) для L=1,5 м.
Рассмотрим теперь модификацию этой схемы, когда базовая длина (L0) выбирается кратной расстоянию между отражателями. Например, на фиг. 22В L0=3L В этом случае только освещаемые отражатели, т.е. те, через которые в текущий момент проходит импульс, участвуют в формировании отраженного сигнала, т.е. влияют на выходной сигнал. Следовательно, чтобы оптимизировать выходной сигнал, длину акустической антенны можно будет выбрать из набора длин, соответствующих различным множителям расстояния между отражателями. Другими словами, базовая длина может быть выбрана так, чтобы определить, сколько отражателей должно находиться между парами импульсов. Следовательно, пространственным разрешением РАД можно управлять, используя волокно с фиксированным набором отражающих точек.
Эта опция промоделирована для РАД при L0=4,5 м, длительности импульса 10 нс и семплирования с шагом 1 м при расстоянии L между отражателями, равном 1,5 м и при длине акустической волны Λ=7 м. В этом случае ОСШ оказалось лучше, чем для случаев, когда расстояние между импульсами (от заднего фронта до заднего фронта) равно расстоянию между отражателями, а также для случаев, когда указанное расстояние является малым (например ~1,5 м) и более значительным (например ~9 м) - это следует из сопоставления фиг. 22Е с фиг. 22D или 22F. Можно видеть, что формируется более четкое изображение.
Как уже было упомянуто, выбор пространственного разрешения осуществляется выбором пространственной протяженности импульса и расстояния между основным и виртуальным импульсами (базовой длины), так что желательное количество используемых отражателей определяется суммой протяженности импульса и расстоянием между импульсами, задающим требуемое разрешение. Таким образом, можно видеть (например, из фиг. 22 В), что, увеличивая расстояние до виртуального импульса (т.е. базовую длину) L0, чтобы охватить большее или меньшее количество отражателей, можно получить большее или меньшее пространственное разрешение. Следовательно, данный вариант обеспечивает очень удобный метод изменения пространственного разрешения DAS и делает возможными быстрые, от импульса к импульсу, изменения разрешения.
Другие варианты изобретения будут описаны далее на примерах различных модификаций и дополнений, проиллюстрированных на фиг. 24-34.
Фиг. 24 иллюстрирует модификацию, приемлемую для любого из рассмотренных вариантов. Из фиг. 24 видно, что не требуется размещать отражатели 1320 по всей длине волокна 1310. Вместо этого, они могут находиться только в определенных секциях волокна. Между этими секциями будут находиться секции, в которых нет никаких отражателей. Количество секций, каждая из которых содержит множество отражателей, распределенных по длине данных секций, может быть различным. Такие секции могут затем быть помещены между отрезками обычного волокна, не содержащими отражателей. Преимущество данной конфигурации состоит в том, что возможности оптоволоконной распределенной детекторной системы могут быть расширены размещением отражателей только в тех частях волокна, которые находятся там, где желательно фактически осуществлять детектирование. Длины отрезков волокна, находящиеся между этими частями и не содержащие отражателей эффективно функционируют как части с относительно низкими потерями на пропускание, служащие для транспортирования оптических импульсов между детектирующими частями, снабженными отражателями. Таким образом, оптическое волокно может быть охарактеризовано как имеющее части, пропускающие импульс, т.е. не содержащие отражателей, и находящиеся между ними одну или более детектирующих частей, в пределах которых распределены отражатели.
В такой конфигурации обеспечивается возможность проводить распределенные акустические измерения путем измерения обратного рассеяния между частями с решетками, используя iDAS. Подобные конфигурации могут быть реализованы с применением быстрого переключателя и аттенюаторов, распределенных по длине детектирующего волокна, а также множества интерферометров в iDAS для сегментов с различными пространственными разрешениями.
Фиг. 25 иллюстрирует модификацию рассмотренного варианта. В ней имеются детектирующие части 2510, 2520 и 2530 волокна, каждая из которых снабжена множеством отражателей 1320. Детектирующие части расположены в различных областях по длине волокна, причем они соединены пропускающими частями волокна, внутри которых никаких отражателей не имеется и которые, следовательно, вносят относительно низкие потери при переносе оптических импульсов от одной детектирующей части к другой. При этом в конфигурации по фиг. 25 каждая детектирующая часть 2510, 2520, 2530 содержит отражатели, которые отражают на различных, по существу, неперекрывающихся длинах волн. Более конкретно, отражатели в первой детектирующей части 2510 отражают излучение в интервале амкм, во второй детектирующей части 2520 - в интервале b мкм, а в третьей детектирующей части 2530 - в интервале с мкм. На длинах волн, на которых отражатели не отражают падающее излучение, оно пропускается ими, по существу, без дополнительных потерь.
Оптоволоконная система для распределенных измерений в такой конфигурации способна обеспечить пространственную селективность, т.е. выбор отражателей, находящихся в пространственной области, от которой требуется обеспечить отражения (и, тем самым, осуществить в ней детектирование), путем варьирования длин волн передаваемых импульсов так, чтобы они соответствовали длинам волн, которые отражаются отражателями выбираемого набора. Следовательно, варьирование длин волн обеспечивает выбор пространственной области, по отношению к которой будет чувствительной детекторная система, т.е. области, отражатели которой обеспечат отражения, используемые для детектирования.
При этом, поскольку невыбранные отражатели, по существу, не отражают излучение на длинах волн проходящих по волокну импульсов, подобранных для выбранного набора отражателей, потери в результате нежелательных отражений минимальны, что увеличивает диапазон датчика по дальности измерений.
Фиг. 26 иллюстрирует еще одну модификацию, расширяющую возможности вариантов изобретения. В ней волокно 1310, также подключенное к оптоволоконной системе для распределенных измерений (не изображена), имеет по меньшей мере одну детектирующую область (которая может соответствовать, альтернативно, всему волокну) с отражающими частями (отражателями), отражательная способность которых изменяется по длине волокна. Так, в варианте, представленном на фиг. 26, отражательная способность отражающих частей увеличивается по длине волокна, т.е. с ростом расстояния от источника оптического импульса в оптоволоконной детекторной системе. Соответственно, отражающие части, в большей степени удаленные от источника, имеют более высокую отражательную способность, чем те, которые находятся ближе к источнику.
В некоторых вариантах отражательная способность увеличивается точно заданным образом, в соответствии с математической функцией расстояния вдоль волокна. Эта математическая функция может быть, например, монотонной функцией, определенным образом связывающей расстояние вдоль волокна с отражательной способностью.
3
Одной из основных мотиваций для изменения отражательной способности отражателей вдоль волокна является желательность учета перекрестных наводок в результате наличия отражателей. Перекрестные наводки обусловлены присутствием нежелательного излучения, которое, испытав отражения на многочисленных отражателях, возвращается вместе с полезным сигналом, испытавшим только одно отражение. В то время как интенсивность полезного сигнала будет пропорциональна коэффициенту отражения R единственного отражателя, сигнал, обусловленный перекрестными наводками, будет приблизительно пропорционален (если пренебречь оптическими потерями и принять одинаковый коэффициент отражения для всех отражателей) N×R, где N - количество оптических путей, по которым излучение, обусловленное перекрестными наводками, доходит до детектора одновременно с полезным сигналом.
Перекрестные наводки можно минимизировать, уменьшая как N, так и R. Однако полезный оптический сигнал максимизируется путем увеличения R, а пространственное разрешение оптимизируется путем увеличения количества отражателей, т.е. N. Таким образом, необходимо, путем соответствующего выбора N и R, искать компромисс между перекрестными наводками, пространственным разрешением и ОСШ (которое зависит от уровня оптического сигнала) для конкретного приложения.
Можно отметить, что N и, следовательно, количество перекрестных наводок, испытываемых сигналом, возрастают по длине волокна. Например, для первой пары отражателей перекрестные наводки отсутствуют, поскольку отсутствует траектория, по которой излучение, соответствующее перекрестным наводкам, может попасть на детектор одновременно с полезным сигналом. Кроме того, вклад в перекрестные наводки со стороны акустического сигнала, сгенерированного на начальном отрезке волокна, больше, чем вклад того же сигнала в уровень наводок у конца волокна. Это обусловлено тем, что для перекрестных наводок имеется намного больше реальных оптических траекторий, охватывающих отражатели, находящиеся у начала волокна, чем у его конца. Например, не существует реальной траектории, идущее по которой излучение, отраженное от отражателя, расположенного в волокне последним, может внести вклад в перекрестные наводки, тогда как излучение, отраженное от первого отражателя, может участвовать в перекрестных наводках, отражая излучение, отраженное от любых других отражателей.
Таким образом, если уровень акустического сигнала является постоянным по длине волокна и если отражательная способность отражателей также постоянна, влияние перекрестных наводок увеличивается по длине волокна, а акустический сигнал, падающий на ближайший конец волокна, вносит больший вклад в эти наводки, чем сигнал, падающий на дальний конец волокна.
Существует элегантный подход к оптимизации функциональности с учетом этой проблемы, состоящий в варьировании отражательной способности отражателей по длине волокна. В этом случае более близким отражателям (вносящим больший вклад в перекрестные наводки) придают меньшую отражательную способность, чем удаленным отражателям. В результате становится возможным выровнять или иным желательным образом настроить отклик волокна в отношении перекрестных наводок. Соответствующий профиль отражательной способности полезен также тем, что его можно настроить также для компенсации оптических потерь в волокне (а также любых других потерь по длине оптического пути, например обусловленных наличием соединений или сращиваний) и, тем самым, выровнять или иным образом отрегулировать ОСШ одновременно с регулированием перекрестных наводок по длине волокна.
В дополнение, вклад перекрестных наводок от областей по длине оптического пути, в которых присутствует большой акустический сигнал, имеющий низкую полезность (например значительный поверхностный шум в нефтяной скважине), можно устранить, придавая отражателям в этих областях низкую отражательную способность или вообще не используя в них отражателей.
В некоторых приложениях интересующий сигнал генерируется у дальнего конца установки (например в перфорированной секции у дна нефтяной скважины). В этом случае вклад перекрестных наводок от ближнего конца установки (верхней части нефтяной скважины, где шумы могут быть очень большими) может быть минимизирован приданием волокну U-образной конфигурации, в которой отражатели могут быть размещены в дальнем конце входного волокна, а также в верхней части обратного волокна. В этом случае лазерное излучение сначала проходит по части волокна, не имеющей отражателей, так что первый отражатель встречается ему у дна скважины. Это гарантирует малые перекрестные наводки, поскольку интересующая область, находящаяся у дна скважины, предшествует другим областям вдоль оптического пути, так что она испытывает минимальные перекрестные наводки. Кроме того, секция с высоким уровнем шумов находится у конца оптического волокна, так что она не вносит перекрестных наводок в основную часть оптического пути, включая интересующую область.
Фиг. 27 иллюстрирует один из вариантов формирования отражательных элементов (а именно решеток) не в сердцевине волокна, а в окружающем ее слое (в оболочке), причем эти элементы оптически сопряжены с волокном посредством волноводов 2710. При использовании волокна излучение, распространяющееся внутри сердцевины, отводится посредством волноводов 2710 к решеткам 1320, которые отражают его обратно вдоль волокна.
Фиг. 29 иллюстрирует вариант, пригодный для адаптирования частоты повторения импульсов, посылаемых РАД. Как уже было описано для вариантов изобретения, РАД функционирует, посылая оптические импульсы вдоль волокна, а затем измеряя отражения от отражательных элементов, позиционированных вдоль волокна. При этом отмечалось, что отражатели можно разместить только в единственной части волокна, находящейся в зоне, в которой желательно осуществлять детектирование. На фиг. 29 в упрощенной форме представлена конфигурация, в которой имеется единственный комплект отражателей, находящийся в одной (детектирующей) части волокна, тогда как остальная часть волокна (между детектирующей частью и РАД), по существу, свободна от датчиков.
Как правило, если представляется желательным, используя такую конфигурацию, осуществлять детектирование по всей длине волокна, то в волокно подается только одиночный импульс, т.е. временной интервал между импульсами равен по меньшей мере сумме времени прохождения импульса по волокну и времени, за которое излучение обратного рассеяния проходит по длине волокна назад. Разумеется, с учетом скорости излучения в волокне, такая схема позволяет использовать очень высокую частоту повторения импульсов и, следовательно, высокие частоты семплирования, в типичном случае достигающие 100 кГц.
Однако, если желательно обеспечить чувствительность только для меньшей, детектирующей части волокна, такой как часть, снабженная отражателями, то важными являются только тот временной отрезок, который требуется импульсу, чтобы пройти детектирующую часть, и временной отрезок, требующийся излучению обратного рассеяния, чтобы пройти назад по длине детектирующей части. Если время прохождения импульсом указанной части равно тr, то, с учетом времени, требуемого для обратного рассеяния, минимальное время между импульсами равно 2 тr плюс, в типичном случае, некоторый небольшой временной запас g, который может составлять, например, 10% от тr. Это позволяет повысить частоту повторения импульсов до 1/(2тr+g), так что, в зависимости от относительной длины детектирующей части по сравнению с полной длиной волокна, данная частота может быть значительно выше, чем частота повторения импульсов, требуемая для обеспечения детектирования по всей длине волокна. Как следствие, может быть увеличена частота семплирования в РАД, так что РАД сможет детектировать более высокие частоты.
В общем случае частота повторения импульсов РАД может быть увеличена умножением на коэффициент, равный отношению длины пропускающей части волокна к длине детектирующей части. В частности, если детектирующая часть сформирована только на четверти длины волокна, то частота повторения импульсов может быть увеличена в четыре раза.
На фиг. 30 представлена еще одна конфигурация, в которой две системы, использующие РАД, сопряжены с единственным волокном, снабженным отражателями в двух отличающихся одна от другой детектирующих частях. Расстояния между отражателями в первой части больше, чем во второй. Отражатели в первой части сконфигурированы для отражения излучения на первой длине волны, равной а мкм, а отражатели во второй части - для отражения излучения на второй длине волны, равной Ь мкм. Как показано на фиг. 30, в этом примере отражатели в первой части отстоят друг от друга на 10 м, а отражатели во второй части расположены ближе друг к другу, чтобы обеспечить детектирование с более высоким пространственным разрешением (1 м).
Из двух систем на основе РАД (обозначенных как РАД1 и РАД2), которые связаны единственным детекторным волокном, РАД1 функционирует на первой длине волны (a мкм), а РАД2 - на второй длине волны (b мкм). Мультиплексирование систем на основе РАД с использованием единственного волокна обеспечивает одновременное многочастотное функционирование. В данном случае тем самым обеспечивается параллельная работа с различными расстояниями между отражателями. Значит, в такой конфигурации можно одновременно работать с детектированием при различных разрешениях, обеспечиваемых одновременно различными частями одного волокна.
В варианте описанной схемы вместо размещения отражателей для различных длин волн в различных частях волокна они формируются во взаимно налагающихся частях по длине волокна, но при сохранении тех же расстояний между отражателями. Поскольку отражатели сконфигурированы для отражения на различных длинах волн, соответствующих первой и второй длинам волн, на которые рассчитаны системы на основе РАД1 и РАД2 соответственно, при функционировании этих систем какая-либо интерференция отсутствует, так что различные пространственные разрешения при детектировании могут быть получены по всей длине одного и того же волокна.
На фиг. 31 представлен вариант многомодового волокна, в котором отражательные решетки показаны находящимися внутри многомодовой сердцевины. Как это известно из уровня техники, сердцевины многомодовых волокон имеют намного больший диаметр, чем сердцевины одномодовых волокон. Однако, поскольку системы на основе РАД являются, по существу, одномодовыми системами, достаточно локализовать отражательные решетки на оси сердцевины, чтобы отражать моду низшего порядка, которая в типичном варианте будет отводиться в РАД. Фиг. 28 иллюстрирует альтернативную версию, в которой, вместо решеток, в сердцевине сформированы слабоотражающие уголковые отражательные элементы. Они функционируют так же, как решетки, с той только разницей, что отражательные элементы являются истинно широкополосными, т.е. они будут отражать проходящее по волокну и падающее на них излучение с любой длиной волны.
На фиг. 32 и 33 представлены варианты, использующие волокна с несколькими сердцевинами. Использование таких волокон позволяет реализовать концепцию наличия "направляющих" каналов для направленного вперед импульса, поступающего от системы на основе РАД или распределенного температурного датчика (Distributed Temperature Sensing, DTS), и "возвращающих" каналов, по которым направленное вперед излучение может отражаться для возвращения в систему с РАД или DTS. Преимущество наличия отдельных направляющих и возвращающих каналов состоит в том, что возвращающий канал не будет переносить никакого излучения обратного рассеяния от направленного вперед импульса. Как следствие, может быть достигнуто улучшенное отношение сигнал/шум.
Фиг. 32 иллюстрирует базовую концепцию волокна с несколькими сердцевинами. Сердцевина 2 соответствует здесь направляющему каналу, в который поступают оптические импульсы от системы с РАД или DTS. Имеются также два отражателя 3210 и 3220, по одному для каждой из сердцевин 1, 2, установленные под углом 45° к оси соответствующей сердцевины и соответственно под углом 90° друг к другу. В такой конфигурации оптический импульс, распространяющийся по направляющему каналу, образованному сердцевиной 2, отражается от отражателя 3210, с поворотом на 90°, в сердцевину 1, где еще раз отражается на 90° отражателем 3220. После этого он движется по сердцевине 1 в противоположном (обратном) направлении, к системе с РАД или DTS. Как было отмечено выше, поскольку по сердцевине 1 направляющий импульс не проходит, по ней к системе с РАД возвращается только отраженное излучение.
Вариант по фиг. 33 является дальнейшим развитием данной концепции: в нем имеются две "возвращающие" сердцевины (сердцевины 1 и 3). Наличие двух (или более) возвращающих сердцевин открывает возможности для обеспечения различных пространственных разрешений по длине волокна за счет использования различных расстояний между отражателями в каждой из возвращающих сердцевин. В представленном примере наклонные отражатели типа описанных выше установлены между направляющей сердцевиной 2 и возвращающей сердцевиной 1 на расстоянии r1 друг от друга, а между направляющей сердцевиной 2 и возвращающей сердцевиной 3 - на расстоянии r2, где r2>r1. В такой конфигурации комбинация направляющей сердцевины 2 и возвращающей сердцевины 1 позволяет проводить детектирование с пространственным разрешением, зависящим от r1, а комбинация направляющей сердцевины 2 и возвращающей сердцевины 3 - детектирование с иным, более грубым пространственным разрешением r2.
В других модификациях этого варианта могут быть введены дополнительные возвращающие сердцевины с отражателями, размещенными на еще больших или еще меньших расстояниях, чтобы еще больше расширить набор доступных пространственных разрешений. Кроме того, некоторые варианты свободны от ограничения, состоящего в наличии только одной направляющей сердцевины. Таким образом, в зависимости от количества сердцевин, может иметься более одной направляющей сердцевины, причем каждая сердцевина будет окружена возвращающими сердцевинами с расстояниями между отражателями, изменяющимися от одной возвращающей сердцевины к другой. Следовательно, используя волокна с несколькими сердцевинами, можно проводить измерения, обеспечивая многие различные пространственные разрешения одновременно.
Фиг. 34-1 и 34-2 иллюстрируют следующий вариант изобретения. На фиг. 34-1 отражающие части 1320, чередующиеся по длине волокна, рассчитаны для отражения на различных длинах волн (а мкм и b мкм) при заданных значениях ширины полосы отражения и (как показано на чертеже) с взаимным перекрыванием этих полос. Длина волны лазерного излучения выбрана находящейся внутри области взаимного перекрывания, так что это излучение отражается всеми отражающими частями, причем эта длина волны отстоит на расстояние εz мкм от центральной длины волны а для одной группы отражателей и на расстояние ε(z+1) мкм от центральной длины волны b для другой группы отражателей. В такой конфигурации можно использовать указанные полосы отражения для прямого измерения изменений интенсивности отражения от различных отражателей и, соответственно, измерять статические деформации на различных участках волокна.
Вариант по фиг. 34-2 развивает конфигурацию по фиг. 34-1 использованием отражателей 1320, имеющих одну из трех полос отражения лазерного излучения, центрированных у a, b и с мкм, причем в этом случае длина волны излучения (соответствующая с мкм) отстоит на расстояние εz мкм от центральной длины волны соответствующей полосы а и на расстояние ε(z+1) мкм от центральной длины волны b другой полосы. В такой конфигурации также можно использовать полосы отражения для прямого измерения изменений интенсивности отражения от различных отражателей и, соответственно, измерять статические деформации на различных участках волокна.
Что касается расстояний между отражателями, в различных вариантах изобретения оно может и не быть регулярным, т.е. допустимо варьирование этих расстояний, пределы которого могут доходить до 10-20% при условии взаимного перекрытия полос отражения для излучения реального и виртуального импульсов в интерферометре.
В дополнение, как уже было упомянуто, расстояние между решетками может изменяться (например увеличиваться) по длине волокна по мере удаления от РАД. Кроме того, по мере удаления от РАД может увеличиваться также и отражательная способность решеток. Один особо предпочтительный вариант выбора расстояний между отражателями состоит в задании его равным половине базовой длины РАД, которая соответствует разности длин различных плеч интерферометра в РАД (например, при базовой длине, равной Юм, расстояние между отражателями составит 5 м).
Что касается характеристик решеток, образующих отражатели в различных вариантах изобретения, то, как это известно из уровня техники, они могут быть записаны в волокне в процессе его изготовления или по завершении изготовления. Отражающая способность каждого отражателя может составлять от -30 до -60 дБ, предпочтительно от -40 до -50 дБ, более предпочтительно около -45 дБ. Суммарная отражательная способность всех отражателей может составлять от -10 до -30 дБ.
На фиг. 35 и 36 представлены графики, которые содержат дополнительную информацию о характеристиках отражателей, таких как их количество, отражательная способность и ширина полосы отражения. Более конкретно, из фиг. 35 можно видеть, что при заданном (приемлемом) уровне перекрестных наводок количество точек детектирования, т.е. количество отражателей, обратно пропорционально их коэффициенту отражения, т.е. что количество отражающих точек может быть увеличено, если их отражательная способность будет уменьшена. Кроме того, при заданном количестве отражателей их отражательная способность связана также с желательным или допустимым уровнем перекрестных наводок, т.е. чем выше приемлемый уровень перекрестных наводок, тем выше приемлемый уровень отражательной способности. Таким образом, при задании характеристик волокна для конкретного приложения сначала может быть определено количество точек детектирования исходя из длины детектирования для волокна (т.е. длины, в пределах которой требуется осуществлять детектирование) и желательного пространственного разрешения, которые определят расстояние между отражателями. Затем, когда определено требуемое количество отражателей (в зависимости от желательной длины волокна, на которой будет производиться детектирование, и желательного пространственного разрешения в пределах этой длины), может быть задан приемлемый уровень перекрестных наводок, что, в свою очередь, позволит определить отражательную способность отражателей в соответствии с соответствующей функцией в форме графика.
Следует также определить ширину полосы отражения отражателей и ее положение по спектру, т.е. длины волн, на которых отражают отражатели. На фиг. 36 иллюстрируется, что эта полоса зависит от температуры, т.е. температурные изменения в волокне вызывают смещение длины волны в пике отражения решетки. В дополнение, желательной является большая ширина полосы отражения, нечувствительная, в дополнение к изменениям температуры, также и к изменениям напряжений в волокне, которые, как и температурные изменения, приводят к смещению центральной длины волны полосы отражения решетки.
Фиг. 36 иллюстрирует как температурную зависимость желательной ширины полосы отражения, так и ее зависимость от других характеристик волокна, например от того, прикреплено ли оно к какой-либо конструкции. Более конкретно, желательная ширина полосы (измеряемая в длинах волн) пропорциональна рабочему температурному интервалу: чем больше этот интервал, тем большей на практике должна быть требуемая ширина полосы. В целом, чтобы добиться нечувствительности к температурным изменениям, желательной является относительно широкая полоса, центрированная относительно длины волны излучения лазера. Более конкретно, желательной является ширина полосы, составляющая относительно длины волны излучения лазера по меньшей мере ±2 нм, предпочтительно по меньшей мере ±3 нм, более предпочтительно по меньшей мере ±4 нм, еще более предпочтительно по меньшей мере ±5 нм.
Параметром волокна, который может быть использован в качестве удобного конструктивного параметра, является "NR" (т.е. произведение количества маркеров (N) и среднего коэффициента (R) отражения маркеров, распределенных вдоль волокна). Чтобы добиться хороших показателей в рамках широких целей снижения перекрестных наводок и обеспечения желательного пространственного разрешения, максимальное значение NR предпочтительно выбрать составляющим 0,1.
На фиг. 37 представлен еще один вариант, направленный на решение проблемы перекрестных наводок использованием волокон с несколькими каналами. Для этого можно использовать индивидуальные волокна, проложенные совместно, например взаимно параллельно, или единственное волокно с несколькими сердцевинами, или комбинацию двух этих конфигураций. Независимо от выбранной конфигурации волокна, будет иметься группа волоконных каналов, которые на одном конце выведены параллельно и подсоединены к РАД, подобному описанному выше. В индивидуальных каналах волокна сформированы соответствующие области, в которых находятся отражатели, тогда как остальные части индивидуальных каналов не содержат отражателей, чтобы уменьшить перекрестные наводки и другие потери. Положения соответствующих областей в различных волокнах по длине параллельных волокон выбираются такими, чтобы данные области были, по существу, непрерывными в продольном направлении при наличии или отсутствии взаимного наложения или только при очень малом взаимном наложении.
Результатом такой конфигурации является способность осуществлять детектирование так, как если бы использовалось единственное волокно с отражателями, расположенными по всей его длине, но при значительно более слабых перекрестных наводках. Это обусловлено уменьшением количества отражателей в расчете на один параллельный канал в волокне по сравнению с единственным волокном, причем степень этого уменьшения зависит от количества индивидуальных каналов в волокне. Например, если имеются 4 таких канала, количество отражателей, которое бы требовалось разместить по длине единственного волокна, чтобы обеспечить детектирование с желательным пространственным разрешением, может быть разбито на 4 группы (по одной на волокно), расположенные вдоль волокон в виде соответствующих цельных групп, как это показано на фиг. 37. Это значит, что количество отражающих точек в расчете на индивидуальный волоконный канал уменьшается до четверти исходного количества. Отсюда (с учетом фиг. 35) следует, что при заданном желательном уровне перекрестных наводок можно использовать более высокую отражательную способность или, наоборот, при той же отражательной способности понизить уровень перекрестных наводок.
Чтобы реализовать отмеченные преимущества, целесообразно применить конфигурацию типа показанной на фиг. 37В или 37С. К сожалению, простое разделение пучков излучения посредством оптрона 1×N, как это показано на фиг. 37А, не может быть использовано, поскольку, вследствие потерь в таком оптроне, отраженное излучение, достигающее системы на основе РАД, остается, по существу, неизменным. Однако проблему потерь в оптроне можно преодолеть, используя в каждом канале средства, работающие в двух направлениях на каждой длине волокна (как это показано на фиг. 37В) или быстрое оптическое переключение между индивидуальными параллельными волокнами, (как это показано на фиг. 37С). Быстрые интегрированные оптические переключатели с временем переключения 2 нс доступны от ряда фирм, например от Photonic Corp (США).
-5
Рассмотренные варианты были сфокусированы на использовании изобретения в оптоволоконной системе для распределенных акустических измерений. Однако описанное оптическое волокно может применяться также с системами на основе оптоволоконного распределенного датчика температуры, например с системой Silixa Ultima™ DTS, (см. http://silixa.com/yechnology/ultima-dts/). Система Silixa Ultima™ DTS способна измерить отрезок 0,3 нм при базовой длине 10 м; соответственно, при базовой длине 10 см разрешение составит 30 нм. Температурный коэффициент волокна составляет около 10 1/К/м. Для длины 10 см этот коэффициент равен 1 мкм/ К или 1 нм/мК. Однако, используя описанное выше детекторное волокно с широкополосными слабыми отражателями, можно улучшить результат в 10 раз. Следовательно, на длине 10 см можно будет детектировать 3 мК с частотой 10 кГц, а за счет усреднения (с уменьшением результирующей частоты до 10 Гц) можно приблизиться даже к 0,1 мК.
Суммируя изложенное, можно сделать вывод, что варианты изобретения обеспечивают получение улучшенной оптоволоконной системы для распределенных измерений, использующей специально сконструированное оптическое волокно с целью повысить чувствительность системы в целом (в некоторых вариантах более чем в 10 раз). Такой результат обеспечивается введением в волокно слабых широкополосных отражателей, расположенных с постоянным шагом по длине волокна. Отражатели отражают в обратном направлении вдоль волокна только небольшую часть падающего на них излучения, поступающего от РАД. В типичном случае коэффициент отражения в расчете на отражатель составляет 0,001-0,1%, предпочтительно около 0,01%. В дополнение, для обеспечения температурной компенсации с целью гарантировать постоянство отражательной способности при изменениях температуры, ширина полосы отражения является относительно большой (составляющей от ±3 нм до ±5 нм) и центрированной относительно лазерной длины волны. В некоторых вариантах отражатели выполнены в виде серии волоконных брэгговских решеток, каждая из которых характеризуется центральной частотой полосы отражения, отличной от соответствующих частот других решеток. Эти частоты и значения ширины полосы выбираются для решеток такими, чтобы обеспечить широкополосное отражение. В других вариантах для получения того же эффекта могут использоваться решетки с изменяющейся постоянной. В предпочтительных вариантах отражатели отстоят друг от друга на половину базовой длины (соответствующей желательному пространственному разрешению системы с оптоволоконным датчиком). Оптоволоконная система для распределенных измерений может представлять собой систему акустического датчика, систему датчика вибраций, систему датчика температуры или любого другого детектируемого параметра, оказывающего возмущающее влияние на длину пути в оптическом волокне.
В описанные варианты могут быть внесены различные дополнительные модификации, например посредством дополнений, удалений или замен, чтобы получить новые варианты, каждый из которых должен рассматриваться как охватываемый прилагаемой формулой изобретения.