СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРУЧИВАНИЯ КАБЕЛЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ С ДАТЧИКОМ СКРУЧИВАНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО КАБЕЛЯ
METHOD FOR DETECTING TWIST IN CABLE, POWER SUPPLY CABLE WITH TWISTING SENSOR AND METHODS OF MAKING SUCH CABLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу отслеживания для определения скручивания, распределенного вдоль электрического кабеля
Настоящее изобретение относится также к электрическому кабелю с датчиком скручивания, особенно пригодному для распределенных измерений скручивания вдоль кабеля, и к способу его изготовления.
Предшествующий уровень техники
Кабели для сверхмощных применений и, в частности, для подвижных установок, таких как подвижные береговые краны, причальные контейнерные краны, разгрузчики судна, спредеры, горно-шахтное и проходческое оборудование, ветряная мельница и ветровая ферма в особенности выполнены с возможностью выдерживать условия агрессивных сред и высокие механические напряжения, такие как силы растяжения и крутящие моменты. В настоящем описании мы будем, в основном, касаться сверхмощных кабелей, ссылаясь на кабели для сверхмощных применений и, в частности, но не исключительно, для подвижных установок.
В некоторых применениях, таких как сверхмощные применения, передача кабеля на барабаны оборудования и направление в натянутом состоянии во время фаз намотки и размотки могут приводить к нежелательным скручиваниям, которые могут изменяться вдоль длины кабеля. Хотя обычно рекомендуется внимательное обслуживание и установка кабеля в подвижных оборудованиях, например, непосредственная передача кабеля от исходного барабана на кабельный барабан, при этом исключая изменения направления или нарушения первоначального направления намотки, рабочие условия могут вызывать относительно большие и внезапные крутящие моменты. В дополнение, другие системы для перемещения кабеля, такие как направляющие устройства, системы блоков и бортовые системы, могут вызывать скручивания кабеля во время работы, в частности, если применения требуют высокоскоростной работы и/или множественное отклонение кабеля при сматывании кабеля.
Известны оптические датчики, применяемые для измерения и/или отслеживания механических напряжений в электрическом кабеле.
WO 2010/136062 описывает электрический кабель, содержащий датчик натяжения, продольно проходящий вдоль кабеля и включающий в себя оптическое волокно натяжения, размещенное в пределах нейтральной области изгиба, окружающей и включающей в себя нейтральную продольную ось изгиба электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных конструктивных элемента, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных конструктивных элементов представляет собой жилу, содержащую электрический проводник, причем датчик натяжения встроен в передающий натяжение наполнитель, механически соединяющий по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных конструктивных элементов с датчиком натяжения. С помощью раскрытой конструкции кабеля, натяжение, испытываемое по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных конструктивных элементов, передается датчику натяжения по меньшей мере в натянутом состоянии.
WO 2011/032587 относится к способу отслеживания скручивания кабеля, содержащему этапы обеспечения кабеля по меньшей мере одной идентификационной меткой, предпочтительно меткой RFID, размещенной в угловом положении метки в плоскости поперечного сечения, взятой поперечно продольному направлению, и обнаружения электромагнитного сигнала метки. Кабель обеспечен множеством идентификационных меток, при этом каждая метка размещена в соответственном угловом положении метки.
J. Burgmeier и др. в "Fiber optic sensor system for stress monitoring in power cables", опубликованной в 2009 на совещании по вопросам разработки лазеров и ОЭ приборов (CLEO), описывают систему волоконно-оптических датчиков для отслеживания стрессовых факторов, таких как температура, сдавливание, изгиб и скручивание в кабелях электропитания с использованием короткого импульса и широкополосного источника света. Отслеживание изгиба и скручивания выполняется с помощью волоконной решетки Брэгга (FBGs) и использует широкополосный источник, достигаемый генерацией суперконтинуума. Чтобы использовать стандартные одномодовые волокна, которые часто используются в кабелях электропитания для передачи данных, FBG записывается в волокно точечной надписью с помощью фемтосекундного лазера. Изгиб волокна, которое встроено в силовой кабель, приводит к изменению периода решетки FBG, и таким образом различные длины волн от широкополосного источника будут отражаться и легко обнаруживаться компактным спектрометром.
Потеря излучения возникает, когда одномодовое волокно изгибается. Поляризационно-оптическая временная рефлектометрия (P-OTDR) была предложена в качестве инструмента по измерению двупреломления одномодовых оптических волокон. P-OTDR обеспечивает развитие состояния поляризации (SOP) поля обратного рэлеевского рассеяния, тогда как информацию о двупреломлении от измеренных SOPs получают с помощью моделировании и анализа данных.
Поляризационно-чувствительные рефлектометры представляют собой специальный класс оптических рефлектометров, которые предназначены для измерения состояния поляризации (SOP) оптического поля, обратнорассеянного оптическим волокном за счет рэлеевского рассеивания, как функции от положения вдоль волокна, где происходит рассеивание. В общем, проверяемое оптическое волокно проверяется известным управляемым поляризацией пробным оптическим сигналом (например, импульсом или частотно-модулированным сигналом), тогда как обратнорассеянное оптическое поле измеряется как функция от времени поляризационно-чувствительным приемником. Благодаря знанию пробного сигнала и скорости распространения света в конкретном волокне возможно преобразовывать изменения времени в продольную картину локальных свойств исследуемого волокна.
Рассмотрение теории и применений поляризационно-оптической временной рефлектометрии (P-OTDR), в частности относящейся к поляризационной модовой дисперсии (PMD) в одномодовых волокнах, представлено в "Spatially Resolved PMD Measurements" авторами А. Galtarossa и L. Palmieri, опубликованной в журнале Lightwave Technology, столбец 22 (2004), страницы 1103-1115.
А. Galtarossa и др., "Reflectometric measurement of birefringence rotation in single-mode fibers", Optics Letters, том 33 (2008), страницы 2284-2286, раскрывают рефлектометрическую технологию измерения ориентации и модуля вектора линейного двупреломления в одномодовых оптических волокнах. Эта технология обеспечивает информацию также о круговом двупреломлении, хотя этот компонент, если представлен, возникает как вращение вектора линейного двупреломления. Обусловленное вращение может быть вызвано либо поворачиванием, либо вытягиванием, прикладываемым к волокну.
А. Galtarossa и др., "Spin-profile characterization in randomly birefringent spun fibers by means of frequency-domain reflectometry", Optics Letters, том 34 (2009), страницы 1078-1080 показывают, что угол вращения двупреломления, и в результате профиль свивки, оптического волокна может быть измерен с помощью поляризационно-оптической временной рефлектометрии (P-OFDR). Технология P-OFDR была применена к образцу волокна несколько десятков метров в длину.
Заявитель разрешил проблему отслеживания скручивания в кабеле во время использования и обеспечения надежного измерения фактического размещения кабеля, которые могут быть выполнены, например, периодически, в течение срока службы кабеля.
Заявитель обнаружил, что решение, которое описано в WO 2011/032587, обеспечивает информацию о локальном вращательном состоянии кабеля, в частности на продольном участке кабеля, который проходит через считывающее устройство, способное передавать электромагнитные сигналы запроса и принимать электромагнитный сигнал метки, передаваемый меткой(ами), размещенной(ыми) поперечно участку кабеля, обнаруженному считывающим устройством.
В некоторых применениях, например, в кабелях для сверхмощных применений, необходимо определять скручивание, распределенное вдоль длины кабеля. В частности, может быть необходимо отслеживать временное развитие распределенного скрученного состояния вдоль кабеля, например, путем сравнения результатов измерений, проведенных в различное время так, чтобы регулировать, если необходимо, направляющие ролики и барабаны. В некоторых применениях оценка скрученного состояния вдоль кабеля может предварительно оценивать остаточный срок службы кабеля.
Краткое изложение сущности изобретения
Заявитель обнаружил, что поляризационно-чувствительная рефлектометрия может эффективно характеризовать локальные свойства поляризации одномодового оптического волокна, вставленного в волоконно-оптический датчик, содержащийся в кабеле. Из свойств поляризации возможно получать двупреломление, распределенное вдоль волокна и из последнего - вычислять вращательное состояние волокна волоконно-оптического датчика.
Заявитель понял, что если волоконно-оптический датчик встроен в кабель таким образом, что крутящий момент, возникающий в кабеле, передается в неизменное и измеряемое вращение или поворот в волоконно-оптическом датчике, обнаружение локальных свойств поляризации волокна волоконно-оптического датчика обеспечивает информацию о скручивании, распределенном вдоль длины кабеля.
Заявитель обнаружил, что распределенное измерение скручивания электрического кабеля, содержащего продольный конструктивный элемент, может быть выполнено посредством анализа пространственного распределения состояния поляризации света, обратнорассеянного от волоконно-оптического датчика, встроенного в кабель, при этом датчик механически соединен с указанным продольным конструктивным элементом и содержит одномодовое оптическое волокно, размещенное по существу вдоль центральной продольной оси кабеля.
Механическое соединение волоконно-оптического датчика с указанным продольным конструктивным элементом обеспечивает очевидное соответствие между распределенным вращательным состоянием вдоль волокна волоконно-оптического датчика, полученным с использованием поляризационно-чувствительного рефлектометра, и скручиванием, распределенным вдоль длины кабеля. Далее волоконно-оптический датчик будет называться датчиком скручивания.
Оптическое волокно датчика скручивания в настоящем описании и приложенной формуле изобретения относится к одномодовому оптическому волокну.
Согласно аспекту настоящего раскрытия, обеспечен способ отслеживания скрученного состояния кабеля, имеющего центральную продольную ось, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают кабель, включающий в себя датчик скручивания, продольно проходящий вдоль кабеля, при этом указанный датчик скручивания включает в себя одномодовое оптическое волокно, размещенное по существу вдоль центральной продольной оси кабеля, и по меньшей мере три продольных конструктивных элемента, при этом по меньшей мере один из продольных конструктивных элементов представляет собой электропроводную жилу, причем датчик скручивания механически соединен с по меньшей мере одним из продольных конструктивных элементов;
измеряют скрученное состояние одномодового оптического волокна с помощью поляризационно-чувствительной оптической рефлектометрии, и
связывают скрученное состояние кабеля вдоль продольной оси с измеренным скрученным состоянием одномодового оптического волокна.
В некоторых вариантах выполнения способ дополнительно содержит этап, на котором сравнивают измеренное скрученное состояние одномодового оптического волокна с опорным скрученным состоянием одномодового оптического волокна до связывания скрученного состояния кабеля с измеренным скрученным состоянием одномодового оптического волокна.
В определенных предпочтительных вариантах выполнения измерение скрученного состояния одномодового оптического волокна содержит этапы, на которых:
подают пробный оптический сигнал, имеющий заданное входное состояние поляризации, в конец одномодового оптического волокна;
обнаруживают обратнорассеянный оптический сигнал, соответствующий поданному пробному оптическому сигналу, и
измеряют состояние поляризации обратнорассеянного оптического сигнала с помощью поляризационно-чувствительной оптической рефлектометрии.
Предпочтительно, этапы подачи и обнаружения содержат этапы, на которых подают множество пробных оптических сигналов, имеющих четко выраженные входные состояния поляризации, в конец одномодового оптического волокна и обнаруживают соответствующее множество обратнорассеянных оптических сигналов. В частности и согласно определенным вариантам выполнения, входное состояние поляризации каждого из множества пробных оптических сигналов отличается от входного состояния поляризации оставшихся сигналов из множества пробных оптических сигналов.
В настоящем описании и формуле изобретения выражение "множество" значит "два или более", кроме тех случаев, когда установлено иначе.
Согласно предпочтительным вариантам выполнения, измерение скрученного состояния одномодового оптического волокна содержит этапы, на которых:
подают множество поляризованных пробных оптических сигналов, имеющих четко выраженные входные состояния поляризации в конец одномодового оптического волокна;
обнаруживают множество обратнорассеянных оптических сигналов, при этом каждый из множества обратнорассеянных оптических сигналов имеет выходное состояние поляризации;
измеряют выходные состояния поляризации обратнорассеянных оптических сигналов;
вычисляют функцию угла двупреломления как функцию от продольного положения одномодового оптического волокна из измеренных выходных состояний поляризации, и
вычисляют функцию вращательного угла одномодового оптического волокна из функции угла двупреломления как функцию от продольного положения в одномодовом оптическом волокне, и
связывают скрученное состояние кабеля с вычисленной функцией вращательного угла.
Предпочтительно, до подачи множества поляризованных пробных оптических сигналов способ содержит этап, на котором подготавливают исходную функцию угла двупреломления относительно исходного вращательного состояния кабеля, причем вычисление функции вращательного угла содержит этап, на котором вычисляют изменение вычисленной функции угла двупреломления относительно исходной функции угла двупреломления.
В некоторых вариантах выполнения до подачи множества пробных оптических сигналов способ содержит этап, на котором соединяют конец одномодового оптического волокна с измеряющим устройством, используя технологию поляризационно-чувствительной оптической рефлектометрии, причем подачу множества пробных оптических сигналов выполняют в соединенный конец одномодового волокна.
Технология поляризационно-чувствительной рефлектометрии, анализирующая обратнорассеянное поле от проверяемого оптического волокна, может быть осуществлена в различных конфигурациях. По меньшей мере одно измеряющее устройство может быть использовано для осуществления способа согласно настоящему раскрытию.
В некоторых вариантах выполнения измеряющее устройство представляет собой поляризационно-оптический временной рефлектометр. Предпочтительно, этот рефлектометр использует множество поляризованных оптических импульсов в качестве множества поляризованных пробных оптических сигналов.
В других вариантах выполнения измеряющее устройство представляет собой поляризационно-чувствительный частотный рефлектометр. Предпочтительно, это измеряющее устройство проверяет одномодовое оптическое волокно множеством частотно-модулированных непрерывных оптических сигналов.
В некоторых вариантах выполнения каждый из множества обратнорассеянных оптических сигналов обратнорассеиваются от конца одномодового оптического волокна после подачи соответственного пробного оптического сигнала из множества поляризованных пробных оптических сигналов. Однако настоящее раскрытие не ограничивается способом, в котором в проверяемое волокно последовательно подают одиночные пробные оптические сигналы.
В некоторых вариантах выполнения множество поляризованных пробных оптических сигналов представляет собой множество N пробных оптических сигналов, имеющих четко выраженные входные состояния поляризации, где N≥3, так, что количество измеренных выходных состояний поляризации равно N, и способ дополнительно содержит этапы, на которых:
группируют N измеренных выходных состояний поляризации в G групп измеренных выходных состояний поляризаций, при этом каждая группа содержит по меньшей мере два измеренных выходных состояния поляризации и отличается от оставшихся (G-1) групп по меньшей мере одним измеренным выходным состоянием поляризации,
вычисляют функцию угла двупреломления из каждой группы так, чтобы получать множество функций угла двупреломления группы,
вычисляют среднее значение функций угла двупреломления группы, и
вычисляют функцию вращательного угла из среднего значения функций угла двупреломления группы.
В варианте выполнения для того, чтобы выявить и откорректировать артефакты измерения, например, резко выраженные разрывы или скачки угла, после вычисления функции угла двупреломления для каждой группы и до вычисления средней функции угла двупреломления, способ содержит этап, на котором анализируют множество функций угла двупреломления группы для выявления разрывов, вызванных этими артефактами. Когда разрыв в первой функции угла двупреломления группы выявляют в продольном положении вдоль длины волокна, разрыв может быть откорректирован, и может быть вычислено среднее значение из первой функции угла группы, откорректированной так, чтобы исключать этот разрыв, и из оставшегося множества функций угла группы.
Согласно варианту выполнения, вычисление функции угла двупреломления дополнительно содержит этапы, на которых:
вычисляют разностную функцию между каждой парой функций угла двупреломления группы из двух различных групп;
анализируют каждую разностную функцию для обнаружения наличия разрыва в функции угла двупреломления группы, содержащейся в паре, в продольном положении в одномодовом оптическом волокне, при этом разрыв представляет скачок угла 2πm, где m - целое число;
определяют, какая функция угла двупреломления группы пары содержит разрыв, и
отмечают область длины разрыва в функции угла двупреломления группы пары, содержащей разрыв, при этом область длины разрыва находится вблизи и содержит продольное положение, соответствующее разрыву,
причем функцию угла двупреломления, содержащую разрыв, принимают во внимание при вычислении среднего значения функций угла двупреломления группы только для продольных положений снаружи области длины разрыва.
Предпочтительно, N составляет от 3 до 7.
В предпочтительном варианте выполнения каждая группа имеет одинаковое количество М измеренных выходных состояний поляризаций.
В предпочтительном варианте выполнения М равно (N-1).
В варианте выполнения определение, какая функция угла двупреломления группы пары содержит разрыв, содержит этап, на котором определяют равномерность функции угла двупреломления группы пары в области длины разрыва.
Предпочтительно, датчик скручивания механически соединен с по меньшей мере с тремя продольными конструктивными элементами.
Предпочтительно, датчик скручивания встроен в соединяющий наполнитель, механически соединяющий датчик с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов кабеля. Более предпочтительно, соединяющий наполнитель механически соединяет датчик скручивания с по меньшей мере тремя продольными конструктивными элементами.
Предпочтительно, одномодовое оптическое волокно волоконно-оптического датчика механически совмещено с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов электрического кабеля. "Механическое совмещение" означает способность двух или более частей перемещаться или выдерживать крутящий момент по существу как одно целое. Более предпочтительно, одномодовое оптическое волокно механически совмещено с по меньшей мере тремя продольными конструктивными элементами. В предпочтительном варианте выполнения механическое совмещение получают встраиванием датчика скручивания в соединяющий наполнитель.
В настоящем описании и приложенной формуле изобретения "скручивание" означает состояние напряжение и деформации, вызванное, когда один конец кабеля вращается (поворачивается) в одном направлении, а противоположный конец закреплен (или неподвижен) или поворачивается с другой скоростью и/или в противоположном направлении. Скручивание может быть вызвано, также когда первая продольная секция длины кабеля поворачивается, а вторая продольная секция закреплена или поворачивается с другой скоростью и/или в противоположном направлении.
В настоящем описании и приложенной формуле изобретения выражение "продольный конструктивный элемент" обозначает компонент электрического кабеля, по существу продольно продолжающийся вдоль длины кабеля. Продольные конструктивные элементы согласно настоящему описанию и формуле изобретения могут способствовать функции электрической транспортировки кабеля, как станет ясно из следующего ниже описания.
По меньшей мере один из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов электрического кабеля представляет собой электропроводную жилу. Предпочтительно, по меньшей мере два из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов электрического кабель представляют собой жилы.
Выражение "электропроводная жила" обозначает компонент электрического кабеля, содержащий по меньшей мере один электропроводный элемент, например, электрический проводник и, обычно, по меньшей мере один изолирующий слой, окружающий электрический проводник. В типичных конфигурациях электрические проводники содержат множество свитых электропроводных проводов.
В настоящем описании и приложенной формуле изобретения выражение "механическое соединение" обозначает, что волоконно-оптический датчик и продольный конструктивный элемент связаны один с другим таким образом, что деформации, по меньшей мере деформации кручения, прикладываемые к продольному конструктивному элементу, передаются датчику на существенном участке.
В настоящем описании и формуле изобретения, ссылаясь на два оптических сигнала, имеющих четко выраженные состояния поляризации (SOPs), нужно понимать, что вектор Стокса, представляющий в трехмерном пространстве Стокса первое SOP первого сигнала, ни параллелен, ни встречно-параллелен вектору Стокса, представляющему второе SOP второго сигнала. В частности, угол между вектором Стокса, представляющим первое SOP, и вектором Стокса, представляющим второе SOP, больше 0° и меньше 180°. Предпочтительно, угол, замыкаемый векторами Стокса, представляющий два четко выраженных SOP составляет от 30° до 150°.
Согласно другому аспекту настоящего раскрытия, обеспечен способ изготовления электрического кабеля, при этом кабель имеет центральную продольную ось и содержит:
по меньшей мере три продольных конструктивных элемента, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов представляет собой электропроводную жилу, содержащую электрический проводник, и
датчик скручивания, содержащий одномодовое оптическое волокно, при этом указанный датчик скручивания размещен по существу вдоль центральной продольной оси и механически соединен с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов,
причем способ содержит образование волоконно-оптического датчика скручивания посредством этапов, на которых:
предварительно поворачивают одномодовое оптическое волокно с шагом поворота, имеющим первое значение, и стороной поворота;
покрывают одномодовое оптическое волокно по меньшей мере одним защитным слоем;
встраивают волоконно-оптический датчик скручивания в соединяющий наполнитель;
механически соединяют соединяющий наполнитель, заключающий волоконно-оптический датчик скручивания, с продольным конструктивным элементом, и
свивают продольные конструктивные элементы вокруг соединяющего наполнителя с шагом свивки, имеющим второе значение, по существу равное первому значению шага поворота, и стороной свивки, противоположной стороне поворота, посредством чего электрический кабель имеет одномодовое оптическое волокно с шагом поворота, по существу равным нулю.
Предпочтительно, покрытие одномодового оптического волокна содержит этап, на котором прикладывают по меньшей мере один из плотного буфера и защитной оболочки.
Предпочтительно, предварительный поворот оптического волокна и покрытие оптического волокна могут быть выполнены в любом порядке.
Предпочтительно, шаг поворота и шаг свивки имеют первое и второе значения от 2 до 3 оборотов/метров.
Предпочтительно, электрический кабель имеет круглое внешнее поперечное сечение.
Дополнительный аспект согласно настоящему раскрытию относится к электрическому кабелю, имеющему центральную продольную ось и содержащему:
по меньшей мере три продольных конструктивных элемента, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов представляет собой электропроводную жилу, содержащую электрический проводник, при этом продольные конструктивные элементы свиты с шагом свивки, равным или выше 1 оборота/м, и
датчик скручивания, содержащий одномодовое оптическое волокно, при этом указанный датчик скручивания размещен по существу вдоль центральной продольной оси и механически соединен с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов,
причем волоконно-оптический датчик содержит одномодовое оптическое волокно, поворачиваемое вокруг центральной продольной оси с шагом поворота, равным или ниже 1 оборота/м.
Предпочтительно, одномодовое оптическое волокно кабеля настоящего раскрытия имеет шаг поворота по существу 0 оборотов/м.
Предпочтительно, продольные конструктивные элементы имеют шаг свивки, равный или выше 2 оборотов/м.
В определенных предпочтительных вариантах выполнения датчик скручивания встроен в кабель и размещен так, чтобы оставаться по существу неповрежденным изгибанием кабеля на его минимальном радиусе изгиба. В этих вариантах выполнения датчик скручивания расположен в пределах нейтральной области изгиба, проходящей продольно вдоль кабеля и имеющей поперечное сечение, проходящее по существу симметрично вокруг нейтральной оси изгиба кабеля, при этом нейтральная ось изгиба соответствует центральной продольной оси электрического кабеля в случае круглых кабелей.
Используемое здесь выражение "нейтральная область" предназначено для описания области вокруг нейтральной оси изгиба кабеля (т.е. центральной оси в круглых кабелях), где вызванные изгибом удлинения минимальны.
Способ согласно настоящему раскрытию может быть использован для измерения скручивания кабеля во время установки кабеля или для выполнения запрограммированной периодической проверки кабеля во время работы, например, для прогнозирования остаточного срока службы и/или для регулирования отклонений направляющих роликов или шкива и систем блоков.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены в и образуют часть этого описания, иллюстрируют определенные варианты выполнения и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов раскрытого способа. Чертежи, иллюстрирующие варианты выполнения, представляют схематические изображения без соблюдения масштаба.
В настоящем описании и приложенной формуле изобретения, за исключением случаев, когда указано иное, все числа, выражающие величины, количества, проценты и т.п., во всех примерах должны пониматься в значении с выражением "около". Также, все диапазоны включают максимальное и минимальное раскрытые значения и включают в себя любые промежуточные диапазоны, которые могут или не могут быть отдельно перечислены здесь.
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном сечении электрического кабеля согласно варианту выполнения.
Фиг. 2а представляет собой схематический вид в перспективе датчика скручивания, используемого в примерном раскрытом электрическом кабеле.
Фиг. 2b представляет собой схематический вид в поперечном сечении датчика скручивания, показанного на Фиг. 2а.
Фиг. 3 представляет собой схематическую диаграмму для иллюстрации устройства технологии поляризационно-оптической временной рефлектометрии в способе отслеживания скручивания согласно примерному раскрытому варианту выполнения.
Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму для иллюстрации устройства технологии поляризационно-оптической частотной рефлектометрии в способе отслеживания скручивания согласно примерному раскрытому варианту выполнения.
Фиг. 5 представляет собой график, показывающий угол двупреломления (измеренный в кратных 2π числах, т.е. измеренный в целых числах оборотов) как функцию от расстояния z (метры) от входа одномодового оптического волокна (z=0) датчика скручивания, окруженного соединяющим наполнителем (т.е. узлом соединяющего датчик наполнителя), полученный из измерений, проведенных с помощью измеряющего устройства, использующего технологию P-OFDR.
Фиг. 6 показывает изменение (обороты) вращательного угла как функцию от расстояния z (метры) от входа одномодового оптического волокна узла соединяющего датчик наполнителя на Фиг. 5.
Фиг. 7(а) представляет собой график, показывающий две непрерывные кривые, представляющие проекции плоскости вектора двупреломления как функции от продольного положения z в волокне, для двух четко выраженных входных SOPs (сплошная линия и пунктирная линия).
Фиг. 7(b) показывает функции вращательного угла ψ(z), полученные из двух кривых на Фиг. 7(а).
k
Фиг. 8(а) показывает примерные функции угла двупреломления группы ψ(z), полученные из одномодового оптического волокна согласно варианту выполнения в соответствии с настоящим раскрытием.
k,j
k
Фиг. 8(b) показывает разностные функции ψ(z) между каждой парой углов ψ(z) на Фиг. 8(а).
Фиг. 8(c) показывает средний угол двупреломления ϕ(z), вычисленный из функций угла двупреломления группы на Фиг. 8(а) согласно процедуре, описанной в варианте выполнения в соответствии с настоящим раскрытием.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Фиг. 1 иллюстрирует вид в поперечном сечении электрического кабеля согласно примерному раскрытому варианту выполнения. Показанный кабель этого варианта выполнения может быть пригоден для сверхмощных применений, конкретнее для подвижных установок. Кабель 1 представляет собой круглый кабель, содержащий три электропроводных жилы 2 (далее называемые "жила"), радиально размещенные вокруг центральной продольной оси Z кабеля. Жилы 2 могут обеспечивать трехфазную электропередачу. Кабель 1 может быть силовым кабелем низкого или среднего напряжения, где низкое напряжение обозначает напряжение до 1 кВ, и среднее напряжение обозначает напряжение от 1 кВ до 60 кВ. Каждая жила 2 содержит электрический проводник 12, например, медный проводник, образованный пучком луженых или неизолированных медных электрических проводов, свитых вместе согласно традиционным способам. В радиальном внешнем положении в отношении к каждому электрическому проводнику 12, последовательно обеспечены внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16, внешний полупроводящий слой 17. Внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16 и внешний полупроводящий слой 17 изготовлены из материалов на основе полимера, которые могут быть экструдированы один сверху другого или соэкструдированы на проводник 12. Изолирующий слой 16 может быть, например, поперечно-сшитым этилен-пропиленовым каучуком (EPR); внутренний и внешний полупроводящие слои 12 и 17 могут быть, например, EPR, этилен/пропилен/диеновыми терполимерами (EPDM) или их смесью, наполненными пригодным количеством электропроводного наполнителя, который может быть обычно углеродной сажей.
Альтернативно, во всех случаях, когда рабочие условия обеспечены таким образом, и изолирующий слой, и полупроводящие слои могут быть выполнены из термопластичных компаундов, например, компаундов на основе полипропилена.
В некоторых применениях жила 2 кабеля содержит по меньшей мере один металлический экранирующий слой 22 в радиально внешнем положении в отношении к внешнему полупроводящему слою 17.
Должно быть понятно, что выше приведенное описание жил 2 представляет только одну из возможных структур жил, содержащихся в электрическом кабеле, которые в общем могут быть фазными жилами для электропередачи или заземления, жилами для передачи управляющих сигналов или жилами, проводящими и силовые, и управляющие сигналы.
Согласно признаку раскрытия, электрический кабель 1 содержит датчик 5 скручивания. Датчик 5 скручивания размещен по существу вдоль центральной продольной оси Z.
min
min
Имея минимальный радиус изгиба для электрического кабеля, который в общем соответствует наименьшему радиусу кривизны, ρ, который обеспечивается для кабеля для того, чтобы исключать какое-либо постоянное повреждение, нейтральная область может быть определена как область, где датчик скручивания подвергается удлинению не большие чем на 2%, и предпочтительно не большие чем на 1%, за счет изгиба на радиус кривизны не меньше чем ρ. Позиционирование оптического волокна натяжения в нейтральной области предотвращает его разрыв или постоянное повреждение из-за изгиба кабеля.
min
min
Предпочтительно, датчик скручивания расположен вдоль кабеля в пределах радиального расстояния от нейтральной оси не более 0,02ρ и более предпочтительно не более 0,01ρ.
В круглых кабелях, например в тех, что показаны на Фиг. 1, центральная продольная ось соответствует оси симметрии радиально внешних жил и/или, как описано далее, это совместимо с процессом изготовления кабеля.
В настоящем описании выражение "по существу", когда оно относится к конструкции датчика скручивания вдоль центральной продольной оси, значит, что датчик расположен в пределах нейтральной области изгиба, окруженной и включающей в себя центральную продольную ось.
Изгиб кабеля может вызывать удлинение датчика скручивания и таким образом одномодового оптического волокна. Заявитель обнаружил, что удлинение одномодового оптического волокна может определять изменение двупреломления волокна и таким образом может влиять на измеренные состояния поляризации света, обратнорассеянного от волокна.
min
Если датчик скручивания расположен в пределах кабеля таким образом, что одномодовое оптическое волокно не подвержено изгибу кабеля на какой-либо радиус изгиба, который не меньше минимального радиуса изгиба, ρ, который соответствует минимальному радиусу, при котором кабель может быть согнут без постоянного повреждения, натяжение, вызванное в одномодовом оптическом волокне из-за изгиба, минимизируется. За счет минимизации вызванного изгибом натяжения одномодового оптического волокна точность измерений скручивания кабеля может быть улучшена.
Область кабеля, проходящая вдоль длины кабеля, в которой одномодовое оптическое волокно остается неповрежденным из-за изгиба кабеля, определена как нейтральная область (изгиба) кабеля. В круглых кабелях в плоскости поперечного сечения кабеля, нейтральная область представляет собой радиальную область вокруг нейтральной оси, которая соответствует в настоящем варианте выполнения центральной продольной оси Z.
min
Предпочтительно, в пределах нейтральной области оптического кабеля датчик скручивания подвергается удлинению, равному или ниже 2%, более предпочтительно равному или ниже 1%, за счет изгиба на ρ.
min
min
Заявитель обнаружил, что значение ρ, установленное для сверхмощных кабелей, в особенности для применений в подвижных оборудованиях, может быть относительно низким, например, 250 мм, и таким образом для того, чтобы гарантировать сопротивление изгибу датчика скручивания, нейтральная область может иметь относительно маленькое радиальное расстояние от центральной продольной оси, например, не больше 5 мм. Например, всегда со ссылкой на круглые кабели, для ρ=300 мм, радиальное расстояние для того, чтобы иметь 1% удлинения, составляет 3 мм.
min
min
В определенных предпочтительных вариантах выполнения нейтральная область расположена вдоль длины кабеля в пределах расстояния от центральной продольной оси (а именно, нейтральной оси) не более, чем 0,02ρи предпочтительно не более, чем 0,01ρ.
В дополнение к жилам 2 для передачи мощности и/или управляющих сигналов, электрический кабель 1 возможно может содержать по меньшей мере один заземляющий проводник 7. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, кабель содержит два заземляющих проводника 7, например, в форме пучка свитых луженых или неизолированных медных электрических проводов. В особенности для применений со средним напряжением пучок электрических проводов заземляющих проводников может быть окружен полупроводящим слоем (не показан на фигуре). Заземляющие проводники 7 размещены радиально снаружи в отношении к датчику 5 скручивания и свиты вместе с жилами 2 вдоль продольного направления кабеля. Жилы 2 и, если представлены, заземляющие проводники 7 спирально обмотаны вокруг центральной продольной оси Z кабеля и вокруг датчика скручивания, как будет лучше объяснено позже в описании.
Электрический кабель может дополнительно содержать элемент 3 оптического волокна, включающий в себя множество оптических волокон, например, от 6 до 24 волокон, для передачи управляющих сигналов, звуковых и других сигналов данных. Элемент 3 оптического волокна может быть свит вместе с жилами 2 и, если представлены, с заземляющими проводниками 7. Возможно, кабель может содержать волоконно-оптический датчик температуры. Например, датчик температуры может быть обеспечен одним оптическим волокном, размещенным в буферной конструкции в виде трубки со свободной укладкой волокон в продольно продолжающемся модуле элемента 3 оптического волокна, как описано в WO 2010/136062.
Жилы 2 и, если представлены, заземляющие проводники 7 и/или элемент 3 оптического волокна в совокупности называются продольными конструктивными элементами электрического кабеля.
Датчик 5 скручивания встроен в кабель таким образом, что скручивание, испытываемое кабелем, передается одномодовому оптическому волокну. В связи с этим датчик скручивания предпочтительно механически совмещен с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов в кабеле таким образом, что скручивание, испытываемое по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом по меньшей мере частично, но в значительной степени, передается датчику скручивания. Согласно предпочтительным вариантам выполнения настоящего раскрытия, механическое совмещение осуществляется обеспечением кабеля соединяющим наполнителем 6, который механически соединяет датчик 5 скручивания с по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом электрического кабеля. Предпочтительно, соединяющий наполнитель механически соединяет датчик скручивания с каждой из жил, встроенных в электрический кабель, более предпочтительно с каждым из по окружности размещенных продольных конструктивных элементов.
В определенных предпочтительных вариантах выполнения для того, чтобы улучшать соотношение между удлинением датчика скручивания и удлинением кабеля, контакт между соединяющим наполнителем и по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов является таким, что значительные потери скольжения не возникают. Во многих представляющих интерес случаях существенное отсутствие потери скольжения между датчиком и элементом/ами предполагает адгезию с трением или соединением между ними. Механическое соединение между двумя элементами, вызывающее по существу одинаковую деформацию в результате отсутствия значительных потерей скольжения между элементами, здесь называется «механическим совмещением».
Исходя из геометрической конструкции электрического кабеля и количества продольных конструктивных элементов, встроенных в кабель, соединяющий наполнитель 6 кабеля на Фиг. 1 имеет форму приблизительно трилистника.
Соединяющий наполнитель 6 изготовлен из материала, имеющего такие упругие свойства, чтобы реагировать на максимальное натяжение, при котором кабель проявляет упругое поведение без постоянной деформации наполнителя (т.е. обратимость деформации). Материал соединяющего наполнителя выбран так, чтобы целесообразно растягиваться вдоль кабеля, подвергающегося удлинению и по существу компенсировать деформации, когда внешние растягивающие нагрузки удаляются, по меньшей мере для растягивающих нагрузок, соответствующих возможному максимальному натяжению, за пределами которого имеет место постоянная и необратимая деформация кабеля.
Соединяющий наполнитель 6 может быть основан на полимерном материале, предпочтительно экструдированном вокруг датчика 5 скручивания. В некоторых вариантах выполнения термореактивные эластомеры выбираются по тому, как они могут прилипать к поверхностям продольных конструктивных элементов. Например, было отмечено, что термореактивные эластомеры обеспечивают пригодную адгезию с полупроводящими материалами, которые обычно окружают жилы некоторых электрических кабелей, при этом проявляя трение, не вредное для полупроводящей внешней поверхности жил. Предпочтительно, материал соединяющего наполнителя является стойким к тепловым обработкам, которые могут выполняться во время изготовления кабеля, например, во время вулканизации внешней оболочки электрического кабеля, обычно выполняемой при приблизительно 100-200°C.
Предпочтительно, соединяющий наполнитель содержит сетчатый термореактивной эластомер, поперечно сшитый посредством давления пара, облучением пучком электронов, погружения в соляную ванну или с помощью систем силанольного сшивания. В общем соединяющий наполнитель предпочтительно изготовлен из эластомеров, имеющих модуль упругости между 0,01 и 0,7 ГПа. Например, соединяющий наполнитель выбирается из группы, состоящей из этиленпропилендиенового каучука (EPDM), этиленпропиленового каучука (EPR), нитрилбутадиенового каучука (NBR).
Хотя термореактивные эластомеры являются предпочтительными вследствие их свойств теплостойкой адгезии и большого диапазона упругости, использование термопластичных эластомеров не исключено. Примеры термопластичных эластомеров включают триблочные сополимеры стирол-диена-стирол; термопластичный полиэстеры эластомеры и термопластичные полиуретановые эластомеры; и термопластичный полиолефиновый каучук (полиолефиновые смеси).
В некоторых вариантах выполнения соединяющий наполнитель 6 может быть электропроводным.
Промежуточные области 11 наполняются полимерным наполнителем, например, компаундом на основе EPR. Внешняя оболочка 14 обеспечена, например, экструзией. Для увеличения сопротивления электрического кабеля механическим напряжениям внешняя оболочка 14 предпочтительно изготовлена из вулканизированного полимерного материала, предпочтительно на основе армированного сверхпрочного термореактивного эластомера, например, высокоплотного полиэтилена (HDPE), полихлоропрена, полиуретана или компаунда на основе NBR.
Может быть обеспечена армировка 15 в форме, например, оплеток или двойной спирали армирующих нитей, таких как металлические нити или нити из полиэстера, например, изготовленных компанией Kevlar (ароматический полиамид).
Фиг. 2а и 2b иллюстрируют частичный вид в перспективе и поперечное сечение, соответственно, датчика 5 скручивания, встроенного в электрический кабель на Фиг. 1, согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего раскрытия. Датчик 5 скручивания содержит одномодовое оптическое волокно 9, которое по существу размещено вдоль центральной продольной оси Z кабеля, когда датчик скручивания встроен в кабель. Волокно 9 датчика 5 скручивания представляет собой оптическое волокно на основе кремния с типичным номинальным диаметром 125 μм, покрытое системой покрытия. В некоторых вариантах выполнения оптическое волокно 9 представляет собой одномодовое волокно передачи, соответствующее рекомендациями G.652, G.653 или G655 ITU-T (Международный союз телекоммуникаций, Телекоммуникационный сектор ITU).
Предпочтительно, одномодовое оптическое волокно датчика скручивания имеет улучшенные характеристики изгиба, проявляющие низкие потери изгиба. В некоторых вариантах выполнения оптическое волокно соответствует рекомендациями G.657 ITU-T.
В некоторых вариантах выполнения система покрытия образована первичным покрытием, которое окружено вторичным покрытием, которое обычно контактирует с возможностью адгезии с первичным покрытием. Внешний диаметр (покрытого) оптического волокна может составлять 250+/-10 μм или 200+/-10 μм.
Предпочтительно, одномодовое оптическое волокно содержит систему покрытия, образованную одним слоем покрытия, который расположен в контакте с указанным внешним стеклянным участком (т.е. оболочкой оптического волокна) волокна. В предпочтительном варианте выполнения один слой покрытия имеет значение модуля упругости между -40°C и +60°C, содержащееся между 5 МПа и 600 МПа, как описано в WO 04/031091.
В предпочтительных вариантах выполнения оптическое волокно 9 плотно буферизовано буферным слоем 10, окружающим систему покрытия для улучшения механической защиты оптического волокна, например, от потерь микроизгибов. Равномерная адгезия буферного слоя с оптическим волокном, а именно с системой покрытия волокна, особенно важна для обеспечения механического совмещения между оптическим волокном и соединяющим наполнителем.
Например, буферный слой 10 экструдирован или нанесен в пределах 250 μм покрытого волокна, увеличивая внешний диаметр до 600-1000 μм, с типичным значением 800-900 μм.
Предпочтительно, буферный слой выбран так, чтобы прилипать к системе покрытия оптического волокна без по существу оползания, проскальзывания или нарушения адгезии. Предпочтительно, буферный слой основан на теплостойком материале, способном проявлять теплостойкость, достаточную, чтобы выдерживать тепловые обработки, выполняемые во время изготовления кабеля.
Предпочтительно, буферный слой изготовлен из вулканизируемого излучением акрилатного полимера.
Например, плотный буфер изготовлен из вулканизируемого УФ-излучением акрилатного полимера, например, который описан в WO 2005/035461, или из полимерной матрицы, наполненной огнезащитным наполнителем, например, который описан в WO 2008/037291.
Способствующий адгезии слой может быть обеспечен между системой покрытия оптического волокна и плотным буферным слоем.
Сверхмощные кабели выполнены с возможностью выдерживать боковые нагрузки и растягивающие усилия, которые вдавливают продольные конструктивные элементы внутрь кабелей. В определенных обстоятельствах предпочтительно, если датчик скручивания остается по существу не подвергнутым воздействию боковых сжатий кабеля, которые, при воздействии на одномодовое оптическое волокно, могут вызывать оптические потери из-за микроизгибов. Более того, когда оптическое волокно датчика скручивания сжимается, локальное изменение двупреломления может вызывать изменение поляризации, большее, чем изменение поляризации, которое появляется под воздействием измеряемого скручивания.
В определенных предпочтительных вариантах выполнения датчик скручивания защищен от боковых нагрузок, которые могут приводить к потерям из-за микроизгибов. Предпочтительно, защитная оболочка 8, выполненная с возможностью улучшать сопротивление боковым сжатиям, может быть предпочтительно обеспечена с возможностью окружать возможно плотное буферизованное оптическое волокно.
В круглых кабелях, например, которые проиллюстрированы на Фиг. 1, боковые сжатия в направлениях, поперечных продольному направлению кабеля, обычно возникают в направлениях радиально внутрь.
Заявитель обнаружил, что датчик скручивания может быть использован в качестве элемента прочности на отрыв на этапе экструзии соединяющего наполнителя в процессе изготовления кабеля. Согласно этому варианту выполнения, предпочтительно выполняют измерения для того, чтобы исключать, что материал датчика скручивания не смягчается в процессе экструзии соединяющего наполнителя так, чтобы гарантировать неизменное усилие натяжения. Наличие защитной оболочки 8 и пригодного выбора материала, образующего указанную оболочку, могут предпочтительно обеспечивать датчик скручивания с сопротивлением растяжению, достаточным, чтобы и улучшать сопротивление боковому сжатию, и позволять датчику скручивания функционировать в качестве элемента прочности на отрыв в процессе изготовления электрического кабеля.
Для того чтобы обеспечивать механическое совмещение между одномодовым оптическим волокном и соединяющим наполнителем, материал защитной оболочки выбирается так, чтобы обеспечивать сильную и относительно неизменную адгезию с дополнительно буферизованным оптическим волокном.
В предпочтительных вариантах выполнения, защитная оболочка 8 изготовлена из армированного волокном композита, в котором волокна могут быть углеродными, графитовыми, борными или стеклянными (не оптическими) волокнами.
В варианте выполнения защитная оболочка 8 представляет собой армированный стекловолокном полимер (GRP), причем этот полимер усилен стекловолокном, встроенным в полимер. Обнаружено, что относительно высокая прочность на растяжение датчика скручивания достигается наличием армирующих волокон, размещаемых параллельно продольной оси оптического волокна, тем самым упрощая изготовление кабеля, когда датчик скручивания используется в качестве элемента прочности на отрыв на этапе экструзии соединяющего наполнителя. Защитная оболочка 8 может быть изготовлена полтрузией на буферном слое 10 и находится в непосредственном контакте с ним.
Возможно, внешняя поверхность защитной оболочки, которая окружена соединяющим наполнителем, в который встроен датчик скручивания, содержит множество канавок или вырезов или обработана с возможностью образования шероховатой поверхности для того, чтобы увеличивать адгезию защитной оболочки с соединяющим наполнителем. Альтернативно или в дополнение, повышающий адгезию слой возможно может быть обеспечен на защитной оболочке.
Для того чтобы обеспечивать датчик скручивания требуемой гибкостью, предпочтительно, чтобы защитная оболочка была изготовлена из материала на основе полимера, имеющего упругие свойства. Предпочтительно, полимер, заключающий армирующие волокна, представляет собой поперечно сшитые каучуки, в частности вулканизируемые УФ-излучением поперечно сшитые каучуки или термореактивные поперечно сшитые каучуки, которые в общем обеспечивают сопротивление сжатиям. Поперечно сшитые каучуки могут быть ненасыщенными полиэфирами, эпоксидными смолами или виниловыми эфирами.
Обнаружено, что для того, чтобы улучшать гибкость датчика скручивания, толщина защитной оболочки при изготовлении из материала на основе полимера, предпочтительно содержится между 500 и 1000 μм. Например, защитная оболочка представляет собой слой GRP, который увеличивает внешний диаметр буферизованного оптического волокна до 1,8-2,5 мм.
Предпочтительно, чтобы защитная оболочка, окружающая оптическое волокно датчика, предотвращала усадку волокна при температурах, используемых в процессе изготовления, и в частности в процессе вулканизации определенных компонентов кабеля, например, внутренней и внешней оболочек.
Выбираются поперечно сшитые каучуки высокотемпературного класса, устойчивые к температуре вулканизации, например, высокотемпературный Polystal GRP от Polystal Composites GmbH.
За счет подходящего выбора материалов датчика скручивания и соединяющего наполнителя, которые обеспечивают механическое совмещение между различными элементами, достигается эффективная передача крутящего момента.
2
2
Например, защитная оболочка датчика скручивания представляет собой армированный волокном термопластичный полимер, имеющий модуль Юнга 72400 МПа, тогда как соединяющий наполнитель представляет собой термореактивный эластомер, имеющий модуль Юнга 671 МПа. Площадь поперечного сечения защитной оболочки составляет 3,4 мм, и площадь поперечного сечения соединяющего наполнителя составляет 75 мм, обеспечивая аксиальную прочность 250 кН для защитной оболочки и 50 кН для соединяющего наполнителя. Если армированный волокном термопластичный полимер имеет хорошую адгезию с соединяющим наполнителем и с нижележащими слоями, например, буферным слоем, этот термопластичный полимер помещается вдоль соединяющего наполнителя, даже если его площадь поперечного сечения намного меньше.
В варианте выполнения соединяющий наполнитель выбирается из группы, состоящей из: полиэстера с модулем Юнга от 1 до 5 ГПа, полиамида с модулем Юнга от 2 до 4 ГПа, поливинилхлорида (PVC) с модулем Юнга от 0,003 до 0,01 ГПа, низкоплотного полиэтилена с модулем Юнга от 0,1 до 0,3 ГПа и высокоплотного полиэтилена с модулем Юнга от 0,4 до 1,2 ГПа. Предпочтительно, применяются поперечно сшитые полимерные материалы.
Согласно другому варианту выполнения, для того, чтобы обеспечивать датчик скручивания сопротивлением боковым нагрузкам и прочностью на отрыв, защитная оболочка датчика скручивания может быть металлической трубкой, окружающей буферный слой дополнительно буферизованного оптического волокна (вариант выполнения не показан на фигурах). В этом случае, металлическая трубка содержит гелиевый или гелеобразный материал, возможно под давлением, способный обеспечивать желаемое механическое совмещение между металлической трубкой и оптическим волокном, содержащимся в нем. В предпочтительном варианте выполнения металлическая трубка изготовлена из стали.
Предпочтительно, только один в группе, состоящей из буферного слоя, окружающего покрытое волокно, защитной оболочки и соединяющего наполнителя, изготовлен из материала с пластичными свойствами.
Несмотря на то, что в некоторых предпочтительных вариантах выполнения датчик скручивания содержит буферный слой для того, чтобы улучшать прочность и упругость датчика скручивания, как в конструкции, показанной на Фиг. 2а и 2b, должно быть понятно, что датчик скручивания может содержать оптическое волокно, покрытое с помощью системы покрытия, непосредственно окруженное защитной оболочкой.
Фиг. 3 представляет собой схематическую блок-схему, иллюстрирующую рабочие принципы измеряющего устройства, использующего технологию P-OTDR для измерения вращательных изменений на длине кабеля. Измеряющее устройство 30 содержит источник 31 лазера, способный создавать оптический импульс, предпочтительно с узкой полосой пропускания и более предпочтительно с выбираемой продолжительностью. Продолжительность импульса связана с продольным продолжением импульса вдоль измеряющего волокна и таким образом влияет на пространственное разрешение. Вообще говоря, узкие импульсы обеспечивают более высокое пространственное разрешение, чем более широкие импульсы. Однако, так как более широкие импульсы обеспечивают большую интенсивность, чем более узкие импульсы, в некоторых вариантах выполнения продолжительность импульса выбирается с возможностью балансировки интенсивности оптического импульса (понимая во внимание ослабление света при перемещении в волокне) и требуемого пространственного разрешения.
Например, источник лазера может быть лазером с внешним резонатором (например, серии Yenista Tunics) или лазерным диодом DFB, создающим импульс продолжительностью от 3 до 1000 нс. В общем, эффективно, когда ширина линии излучения лазера меньше нескольких ГГц, и еще более эффективно, когда менее нескольких МГц. Как в общем известно, состояние поляризации (SOP) распространяющейся волны представляет собой отношение между поперечными компонентами электрического поля в неподвижной плоскости, которое двигается в такт с волной вдоль направления распространения.
В предпочтительном варианте выполнения оптический импульс создается источником лазера с одним состоянием поляризации. SOP оптического импульса возможно может быть изменено устройством 32 управления поляризацией, оптически соединенным с источником 31 лазера.
В другом варианте выполнения источник 31 лазера способен создавать неполяризованный оптический импульс. Одно SOP далее выбирается устройством 32 управления поляризацией, оптически соединенным с источником лазера. Например, контроллер поляризации представляет собой Agilent 8169А или Thorlab DPC5500 или более простой механический контроллер поляризации от FiberLogix.
В любом варианте выполнения создается пробный входной импульс с входным SOP. В случае, когда измеряющее устройство содержит контроллер поляризации, оптически соединенный с источником лазера, заданное входное SOP соответствует заданной конфигурации контроллера поляризации. Далее пробный импульс входит в оптическое устройство 35 расщепления/объединения через первое входное отверстие 37, и затем он пропускается через первое выходное отверстие 39 оптического расщепителя/объединителя в входной конец измеряющего одного оптического волокна датчика скручивания, содержащегося в кабеле 36 (датчик скручивания не показан). Устройство 35 расщепителя/объединения может содержать оптический циркулятор, например, трехплечий оптический циркулятор. В варианте выполнения кабель представляет собой электрический кабель, описанный со ссылкой на Фиг. 1. В более общем смысле, кабель 36 содержит по меньшей мере три продольных элемента и датчик скручивания, содержащий одномодовое оптическое волокно, размещенное по существу вдоль центральной оси кабеля, при этом волоконно-оптический датчик механически соединен с по меньшей мере одним из по меньшей мере трех продольных конструктивных элементов.
Пробный импульс, имеющий входное SOP, перемещается вдоль одномодового оптического волокна, и из-за колебаний коэффициента преломления в волокне происходит обратное рэлеевское рассеивание.
Расщепитель/объединитель 35 пучка отклоняет обратнорассеянное поле от одномодового оптического волокна в устройство 34 анализа поляризации. В варианте выполнения, показанном на фигуре, оптический расщепитель/объединитель представляет собой трехплечий оптический циркулятор, и обратнорассеянное поле входит в первое выходное отверстие 38 циркулятора, которое представляет собой входное/выходное отверстие, отклоняясь во второе выходное отверстие 39, оптически соединенное с анализатором 34 поляризации.
Анализатор поляризации преобразует изменения SOP обратнорассеянного поля в колебания мощности. Например, анализатор поляризации содержит калиброванные волновые пластины, расщепитель пучка поляризации и/или поляризующие волновые пластины. Колебания мощности оптического сигнала, выходящего из анализатора поляризации, записываются оптическим приемником 33, оптически соединенным с анализатором 34 поляризации.
Например, анализатор поляризации способен измерять входящий сигнал в трех состояниях поляризации посредством анализа компонентов сигнала по трем характеристическим числам, соответствующим состояниям поляризации, по существу известным образом.
Предпочтительно, оптический приемник 33 представляет собой фотодиод, который обнаруживает обратнорассеянный сигнал мощности. Например, пригодный оптический приемник представляет собой лавинный фотодиод (APD).
В некоторых вариантах выполнения может быть предпочтительно оптически усиливать пробный импульс и/или обратнорассеянный сигнал таким образом, чтобы увеличивать отношение сигнала к шуму (SNR) и полную воспроизводимость измерения. Возможно, пространственная фильтрация пробного импульса и/или обратнорассеянного сигнала может быть выполнена введением пространственного оптического фильтра после контроллера поляризации и/или после анализатора поляризации.
Исходные данные, которые записаны оптическим приемником, т.е. колебания мощности обратнорассеянного поля, вызванные изменениями SOP, загружаются в центральный блок обработки, содержащийся, например, в персональном компьютере (не показан на фигуре), где развитие SOP обратнорассеянного поля вычисляется как функция от времени с использованием алгоритмов, по существу известных из стандартной поляриметрии.
Зная коэффициент преломления одномодового оптического волокна, т.е. скорость оптических импульсов внутри волокна, возможно преобразовывать координату времени SOP обратнорассеянного поля в координату пространства и таким образом вычислять SOP как функцию от продольного положения вдоль волокна, где происходит рассеивание, т.е. как функцию от расстояния от точки рассеивания. Так как SOPs, излученные от измеряющего волокна, непосредственно получают из рефлектометрических измерений, в настоящем описании и формуле изобретения мы будем также касаться "измеренного" SOP обратнорассеянного поля, называемого далее также выходным SOP.
На практике, многие P-OTDR устанавливаются так, что во время измерений один и тот же пробный сигнал, имеющий заданное входное SOP, подается большое количество раз, например, несколько сотен, и обнаруживаются соответствующие обратнорассеянные сигналы. Обратнорассеянный оптический сигнал, для которого измеряется выходное SOP, представляет собой среднее значение обнаруженных оптических сигналов. Это улучшает SNR измеренного выходного SOP. Например, определенные коммерческие рефлектометры P-OTDR требуют около 1 минуты на измерение выходного SOP для каждого входного SOP.
Выходное SOP обратнорассеянного поля связывается с входным SOP посредством математического отношения, которое обеспечивает информацию о вращении оси двупреломления проверяемого волокна. Различные способы могут быть использованы для вычисления этого вращения, например способ двойного распределения, описанный в R.М. Jopson и др. в "Measurements of Second-Order Polarization-Mode Dispersion Vectors in Optical Fibers", опубликованной в IEEE Photonics Technology Letters, том 11 (1999), страницы 1153-1155, который определил матрицу вращения 3×3, которая соотносит входное SOP с выходным SOP и которая представляет двустороннее распространение обратнорассеянного поля.
Извлечение информации о распределении угла двупреломления одномодового оптического волокна вдоль длины волокна из измеренных двусторонних величин может быть достигнуто с использованием известной математической модели и ее алгоритмов.
Как описано в А. Galtarossa и др., "Reflectometric measurement of birefringence rotation in single-mode fibers', Optics Letters, том 33 (2008), страницы 2284-2286, из SOP обратнорассеянного поля, непосредственно полученного из измерений посредством поляризационно-чувствительной рефлектометрии, возможно вычислять "эквивалентный" вектор двупреломления, , определенный в формуле (4) изложенной статьи, где z - расстояние от точки рассеивания до входного конца волокна, вдоль продольной оси волокна. Вектор , полученный из измерений, непосредственно коррелируется с локальным вектором двупреломления  измеряющего волокна и содержит информацию об изменении вращательного состояния вдоль длины волокна, которое представлено локальным развитием прямолинейного компонента .
Математическое представление эквивалентного вектора двупреломления  осуществляется в трехмерном пространстве Стокса с {, , }, являющемся ортонормированным базисом пространства, где единичные векторы ,  и  соответствуют горизонтальной линейной поляризации, 45° линейной поляризации и правосторонней круговой поляризации, соответственно. Продольная координата z отображает точки выборки вдоль волокна.
Эквивалентный вектор двупреломления  является линейным по определению (т.е. его третий компонент - это нуль) и он вращается на угол ψ(z) относительно . Функция угла ψ(z), замыкаемая  и вектором , который представляет проекцию вектора двупреломления волокна в плоскости, перпендикулярной оси круговой поляризации, может быть выражена следующим образом
ψ(z)=η(z)+(2-g)θ (z) (1),
где η(z) - собственная ориентация двупреломления волокна, g≅0,15 - упруго-оптический коэффициент, известные в литературе, и θ(z) - функция вращательного угла, представляющая угол, на который волокно физически поворачивается в z. Далее ψ(z), которая может быть непосредственно получена с помощью известных алгоритмов из рефлектометрических измерений и которая представляет угол вращения (эквивалентного) вектора двупреломления волокна, называется функцией угла двупреломления.
Так как угол η(z) независим от вращения θ(z), применяемого к волокну, если собственная ориентация двупреломления измеряющего волокна в z известна, выражение η(z) может быть принято в качестве постоянной функции, и физическое вращение θ(z) может быть непосредственно вычислено из значений ψ(z), полученных из измерений обнаруженного поля обратного рассеяния.
Для определения эквивалентного вектора двупреломления и таким образом для вычисления функции вращательного угла, выполняются по меньшей мере два измерения выходного SOP обратнорассеянного поля, соответствующие двум отличающимся входным SOP пробного поля. Обнаружение по меньшей мере двух обратнорассеянных сигналов, соответствующих двум пробным сигналам с различными поляризациями, позволяет измерение трех степеней свободы, необходимых для определения вращения вектора двупреломления и таким образом определения функции угла двупреломления.
Если, например, волокном совершается n оборотов, функция угла двупреломления может быть выражена следующим образом:
,
n
где L - длина скрученной секции волокна. Как только становится известен собственный вклад η(z), из функции угла двупреломления ψ(z) возможно вычислять количества оборотов, прикладываемых к волокну, и в более общем смысле физическое вращение волокна.
Так как одномодовое оптическое волокно и таким образом датчик скручивания механически соединен с по меньшей мере одним продольным элементом кабеля, заключающего датчик, поворот, определенный вдоль одномодового оптического волокна, непосредственно коррелируется со скручиванием кабеля. В связи с этим определенное вращательное состояние измеряющего волокна связано со скрученным состоянием кабеля.
Эффект внешнего поворота волокна и таким образом скручивания кабеля может быть выявлен с помощью вычисления изменения функции угла двупреломления в отношении к исходной кривой. Исходная кривая может представлять первоначальное состояние кабеля, например, когда кабель устанавливается в качестве сверхмощного кабеля в кране или обматывается вокруг барабана для подвижных установок.
Исходя из отношения (1), изменение функции вращательного угла представлено следующим образом:
,
0
0
где ψ(z)=η(z)+(2-g)θ(z) - исходная кривая, например первоначальное распределение угла двупреломления вдоль длины волокна z, соответствующее первоначальному состоянию кабеля. Формула (3) непосредственно обеспечивает изменение поворота, прикладываемого к кабелю, как функцию от длины вдоль кабеля.
Отметим, что для относительных измерений изменения вращательного состояния кабеля, которые связываются с исходным состоянием кабеля, необязательно знать собственную ориентацию двупреломления волокна, так как она не зависит от вращательного состояния, применяемого к волокну.
0
На практике и согласно варианту выполнения, изменение функции вращательного угла Δθ(z), которая представляет изменение поворота, прикладываемого к кабелю в отношении к исходному состоянию, описанному исходной функцией угла ψ(z), определяется выполнением следующих этапов: подготавливают исходную функцию угла двупреломления; обнаруживают множество обратнорассеянных оптических сигналов после подачи соответствующего множества пробных оптических сигналов для измерения выходного SOP для каждого из множества обратнорассеянных оптических сигналов; из измеренных выходных SOPs вычисляют эквивалентный вектор двупреломления ; вычисляют функцию угла двупреломления ψ(z), замыкаемую  и , и вычисляют изменение функции вращательного угла из функции угла двупреломления ψ(z) и исходной функции угла двупреломления, при этом изменение функции вращательного угла представляет механический поворот волокна вокруг его продольной оси. Подготовка исходной функции угла может быть выполнено получением исходной функции угла из рефлектометрических измерений, которые описаны выше.
Когда к волокну прикладывается n оборотов, используя (2) и (3), изменение функции вращательного угла волокна может быть выражено следующим образом:
,
0
где ψ=η(z) - исходная кривая, например, соответствующая первоначальному состоянию кабеля, когда обороты не совершаются.
В более общем смысле, посредством уравнения (3), могут быть обнаружены неравномерные вращения или повороты вдоль кабеля.
Фиг. 4 представляет собой схематическую блок-схему, иллюстрирующую рабочие принципы измеряющего устройства, использующего технологию P-OTDR для измерения вращательных изменений на длине кабеля, в варианте выполнения в соответствии с настоящим раскрытием. Измеряющее устройство 40 содержит оптический источник 41 лазера, способный создавать поляризованный оптический сигнал в виде высококогерентных незатухающих колебаний (CW), частота которых изменяется линейно в заданной полосе пропускания. Например, источник лазера представляет собой лазер с внешним резонатором, имеющий частоту в пределах полосы, где измеряющее волокно является одномодовым, например между 1300 и 1630 нм. Оптический сигнал, созданный источником 41 лазера, разделяется на два участка посредством оптического разделителя 42, оптически соединенного с источником лазера. Один участок оптического сигнала отправляется в контроллер 43 поляризации и действует в качестве пробного сигнала, тогда как другой участок отправляется в оптический соединитель 47 и действует в качестве локального осциллятора для схемы гетеродинного детектирования, которая описана далее.
Пробный сигнал проходит через контроллер 43 поляризации, который выбирает и/или управляет входным SOP для пробного сигнала. В связи с этим на выходе контроллера поляризации создается пробный сигнал с SOP. Контроллер поляризации оптически соединен с расщепителем/объединителем 49 пучка, который подает поляризованный пробный сигнал в одномодовое оптическое волокно датчика скручивания (не показан), встроенного в кабель 50. В варианте выполнения кабель 50 представляет собой электрический кабель как кабель, описанный со ссылкой на Фиг. 1. В более общем смысле, кабель 36 содержит по меньшей мере один продольный элемент и волоконно-оптический датчик скручивания, содержащий одномодовое оптическое волокно, размещенное по существу вдоль центральной оси кабеля, при этом волоконно-оптический датчик механически соединен с по меньшей мере одним продольным элементом.
Оптический расщепитель/объединитель 49 пучка может быть осуществлен с оптическим циркулятором, например, трехплечным оптическим циркулятором.
Расщепитель/объединитель 49 пучка принимает обратнорассеянное поле из одномодового оптического волокна датчика скручивания кабеля 50 и отклоняет его в анализатор 48 поляризации, который преобразует изменения SOP обратнорассеянного поля в колебания мощности. Например, анализатор поляризации содержит калиброванные волновые пластины, расщепитель пучка поляризации и/или поляризующие волновые пластины. Анализатор 48 поляризации оптически соединен с оптическим соединителем 47, который принимает оптический сигнал, содержащий информацию о локальном двупреломлении одномодового оптического волокна. В оптическом соединителе 47, поляризованный оптический сигнал, выходящий из анализатора поляризации, смешивается с локальным осциллятором, т.е. с оптическим сигналом, созданным источником лазера, и смешанный сигнал обнаруживается устройством 51 гетеродинного детектирования. Это устройство детектирования содержит оптический разделитель 45 поляризации, который разделяет смешанный оптический сигнал, принятый оптическим соединителем 47, на два участка. Первый участок смешанного оптического сигнала передается в первый оптический приемник 44, и второй участок смешанного сигнала передается во второй оптический приемник 46 согласно гетеродинной конфигурации.
Используя известные алгоритмы для гетеродинного детектирования в P-OFDR, например, используя алгоритм, описанный в B.J. Soller, D.K. Gifford, M.S. Wolfe, M.E. Froggatt, "High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies", Optics Express, 2005, том 13, №2, страницы 666-674, возможно вычислять колебания мощности сигнала, передаваемого анализатором 48 поляризации и обнаруживаемого приемниками 44 и 46. Колебания мощности обратного рассеивания учитываются для данного входного SOP, которое соответствует данной конфигурации контроллера 43 поляризации.
Используя технологию P-OFDR, электрические сигналы, созданные оптическими приемниками 44 и 46, представляют собой частотно-модулированные сигналы. Обратное преобразование Фурье частотно-модулированного сигнала преобразует сигнал из частотной области во временную область обеспечением, посредством известных алгоритмов, выходного SOP обратнорассеянного поля как функции от времени.
Многие коммерческие P-OFDR могут быть установлены так, что во время измерений подается пробный оптический сигнал с заданным входным SOP, и далее выходное SOP измеряется, исходя из обратнорассеянного оптического сигнала. Измерение обратнорассеянного спектра может длиться несколько секунд. Обработка обратнорассеянного спектра может происходить после получения каждого обратнорассеянного спектра. После завершения получения обратнорассеянного спектра возможно подавать другой пробный оптический сигнал.
Зная коэффициент преломления одномодового оптического волокна, т.е. скорость оптических импульсов внутри волокна, возможно вычислять SOP обратнорассеянного поля как функцию положения вдоль волокна, где происходит рассеивание, т.е. как функцию от расстояния от точки рассеивания. Таким образом, может быть получено распределение угла двупреломления одномодового оптического волокна, т.е. функция угла двупреломления ψ(z). Уравнения (1)-(4) приемлемы также в случае измерений, использующих технологию P-OFDR.
В некоторых вариантах выполнения может быть предпочтительно оптически усиливать пробный сигнал и/или обратнорассеянный сигнал таким образом, чтобы увеличивать SNR и полную воспроизводимость измерения.
В другом варианте выполнения измеряющего устройства P-OFDR возможно исключать анализатор поляризации и вычислять SOP обратнорассеянного поля, как объяснено в R. Calvani, R. Caponi, F. Cisternino, "Real-time heterodyne fiberpolarimetry with narrow-and broad-band sources", J. Lightwave Technol, 1986, том 4, страницы 877-883, используя комплексные сигналы, записанные двумя оптическими приемниками. В этом варианте выполнения и со ссылкой на Фиг. 4 анализатор 48 поляризации исключается, и оптический сигнал, обратнорассеянный от одномодового оптического волокна, направляется из расщепителя/объединителя 49 пучка в оптический соединитель 47 для обнаружения оптическими приемниками 44 и 46.
Как описано выше, и P-OTDR, и P-OFDR позволяют вычислять функцию угла двупреломления одномодового оптического волокна датчика скручивания как функцию от положения вдоль волокна. Исходя из определения функции угла двупреломления, определяется скручивание, прикладываемое к кабелю, включающему датчик скручивания.
Фиг. 5 представляет собой график, показывающий угол двупреломления (обороты) как функцию от расстояния z (метры), начиная от входа одномодового оптического волокна (z=0) датчика скручивания, окруженного соединяющим наполнителем, т.е. узлом соединяющего датчик наполнителя, для различного количества оборотов от 0 до 11 оборотов, осуществляемых волокном. Измерения проводились с помощью измеряющего устройства, использующего технологию P-OFDR. Датчик скручивания содержит измеряющее волокно, буферизованное буфером из вулканизируемого УФ-излучением поперечно сшитого акрилата толщиной 900 μм и окруженное армированным стекловолокном полимером (GRP слоем), и соединяющий наполнитель из термопластичного эластомерного материала. Такой узел, образованный датчиком скручивания и соединяющим наполнителем, может быть использован как опорный разделитель для электрического кабеля. Входной конец измеряющего волокна, т.е. конец, на котором было присоединено измеряющее устройство P-OFDR для проведения измерений, был закреплен, а другой конец вращался на известное количества оборотов. В этом примере длина секции измеряющего волокна, которая испытывает вращение составляла 2,74 м. Каждая из кривых на графике на Фиг. 5 может быть описана с помощью уравнения (2). Самая нижняя кривая графика относится к волокну без поворота, тогда как самая верхняя кривая соответствует волокну, вращаемому на 11 оборотов. Самая нижняя кривая показывает отрицательный угол двупреломления. Это обусловлено собственным вращением (т.е. предварительным поворотом) на -2,1 оборотов/метров волокна внутри наполнителя.
Фиг. 6 представляет собой график, показывающий изменение (обороты) вращательного угла как функцию от расстояния z (метры), начиная от входа одномодового оптического волокна, содержащегося в узле соединяющего датчик наполнителя а примере на Фиг. 5. Изменение угла двупреломления вычисляется, используя уравнение (4), где самая нижняя кривая представляет собой исходную кривую без внешнего поворота.
Со ссылкой на выше описанное, по меньшей мере два измерения выходного SOP обратнорассеянного поля, соответствующие двум отличающимся входным SOPs пробного поля, необходимы для определения вращения вектора двупреломления.
Когда количество измеренных выходных SOPs больше двух, наилучшие алгоритмы подбора могут быть использованы для вычисления вращения, которое соотносит выходные SOPs с входными SOPs. В варианте выполнения наилучшая процедура подбора, описанная в "Analysis of 3-D Rotation Fitting" K. Kanatani, IEEE Transactions of Pattern Analysis and Machine Intelligence, том 16 (1994), страницы 543-549, используется для вычисления двусторонней матрицы Мюллера. Из матрицы вращения вычисляют эквивалентный вектор двупреломления, описанный выше.
Так как поляризация чувствительна к перемещению кабеля, измерение выполняется, только когда кабель относительно неподвижен. Сравнивая данные считывания скручивания вдоль кабеля в разное время, возможно регулировать направляющие ролики, которые переносят кабель с земли на барабан.
Вычисленные значения ψ(z) эквивалентного вектора двупреломления обеспечены по модулю 2π, так как любой угол является отличимым от углов, полученных добавлением множителя 2π к углу. На практике это означает, что измеренные углы вращения θ(z) могут проявлять резкие скачки 2π/(2-g), которые, однако, не соответствуют реальному резкому вращению волокна.
Решение этой проблемы заключается в развертывании угла ψ(z) как функции от продольного положения, т.е. в коррекции изменения угла как функции от продольного положения преобразованием значений угла для того, чтобы исключать резкие изменения или разрывы угла, которые неожиданно происходят в реальном волокне. Общеизвестные математические процедуры сглаживания доступны в коммерческом программном обеспечении для решения математических задач, наподобие MATLAB.
1
2
Заявитель обнаружил, что процедуры развертывания угла в определенных обстоятельствах могут не работать. Типичная ситуация представлена на Фиг. 7(а), которая показывает две непрерывные кривые, представляющие эквивалентный вектор двупреломления  в плоскости Стокса {s, s} для двух различных входных SOPs (сплошная линия и пунктирная линия). В некоторых секциях измеряющего волокна, например, секции, обозначенной "А" на Фиг. 7(а), эквивалентный вектор двупреломления является маленьким и в результате близок к исходному. В пределах этой секции волокна искажение измерений может легко заставлять эквивалентный вектор двупреломления проходить на другой стороне исходной плоскости, как показано пунктирной кривой, которая проходит от верхней полуплоскости до нижней полуплоскости и обратно до верхней полуплоскости. Когда эта ситуация возникает, угол двупреломления ψ(z), полученный из измерений, имеет аномальное резкое изменение 2π. Фиг. 7(b) показывает функции угла ψ(z) как функцию от продольного положения z в волокне, измеряемого из двух кривых Фиг. 7(а). Может быть обнаружено, что измерение, наиболее подверженное искажению (пунктирная кривая), имеет резкое скачкообразное изменение, т.е. разрыв.
Заявитель обнаружил, что скачок угла, например, который показан пунктирной кривой на Фиг. 7(b), не может быть компенсирован использованием процедуры развертывания, из-за того, что скачок 2π не возникает внезапно от измерения выходного SOP до следующего измерения, но он присутствует в одних и тех же измерениях поперечно множеству точек выборки выходного SOP.
Заявитель также обнаружил, что в определенных обстоятельствах эти скачки могут быть больше чем 2π и составляют в общем 2πm, где m - целое число. Далее мы называем эти артефакты "2π-скачками", независимо от их действующей амплитуды.
В принципе, одномодовое оптическое волокно может быть предпочтительно выбрано с достаточно неизменным и высоким двупреломлением (в соответствии с разрешением рефлектометра), так, чтобы минимизировать появление проблемы резких скачкообразных изменений в измеряемом угле. Однако из-за внешних возмущений (например, механических изменений и изменений температуры кабеля при использовании), которые воздействуют на измеряющее волокно, трудно, по меньшей мере в некоторых обстоятельствах, исключать артефакты измерения, например те, что показаны на Фиг. 7(b).
Заявитель понял, что если выходное SOP одномодового оптического волокна измеряется N раз, равное или большее чем 3, и N измерений группируются в G различных групп, каждая группа, содержащая множество по меньшей мере двух измерений и отличающаяся от других (G-1) групп на по меньшей мере одно измерение из множества измерений, анализ сравнения между функциями угла двупреломления, вычисленными для каждой из групп, делает возможным выявление и далее коррекцию скачков угла.
j
Для каждой группы эквивалентный вектор двупреломления вычисляется, как описано выше. Это в результате дает G оцененных значений эквивалентного вектора двупреломления и, из этих значений, вычисляют функции угла двупреломления, ψ(z), где j=1, 2, …, G, далее называемые также функциями угла двупреломления группы.
j
k
j
j
При отсутствии артефактов измерения из-за "2π-скачков", вычисленная ψ(z) должна быть по существу идентична для каждой группы, но с возможными незначительными отличиями, вызванными экспериментальными помехами. Однако, когда оцененные вращательные углы подвержены аномальным резким изменениям, по меньшей мере две вычисленные функции ψ(z) и ψ(z), где k≠j, отличаются друг от друга. При сравнение функций угла группы ψ(z), вычисленных для каждой группы, возможно обнаруживать артефакты измерения.
k,j
k
j
k,j
Согласно предпочтительному варианту выполнения, разностные функции Δψ(z)=ψ(z)-ψ(z), для любой совокупности двух углов, где k,j=1, 2,…G и k≠j, определяются и анализируются для того, чтобы обнаруживать скачки амплитуды близкие к 2π. В этих группах имеются совокупности G(G-l)/2. Разностные функции угла Δψ(z) должны быть по существу нулевыми при отсутствии разрыва, и таким образом любая разница, значительно отличающаяся от нуля, объясняется скачками 2π. В некоторых вариантах выполнения присутствие разрыва d определяется, если модуль разностной функции угла равен или большие чем π. Разрыв d объясняется скачком 2πm, где m - целое число, которое минимизирует величину |d-2πm|.
k,j
Обнаружение "2π-скачков" в кривых Δψ(z) может быть выполнено с использованием по существу известных алгоритмов контурного обнаружения, широко используемых в компьютерной графике и обработке изображений. В варианте выполнения алгоритм контурного обнаружения представляет собой алгоритм, который описан в J. Canny, "A Computational Approach to Edge Detection", опубликованной в IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1986, PAMI-8, том 6, страницы 679-698, причем он основан на первой производной фильтра Гаусса.
k,j
k
j
k
j
После обнаружения "2π-скачков" в разностной функции Δψ(z), определяется, где действительно возникает скачок в ψ(z) или в ψ(z). Это может быть выполнено путем анализа плавности двух кривых ψ(z) и ψ(z) в области длины вокруг и содержащей положение обнаруженного скачка. Функция, описывающая вращательный угол с аномальным скачком, будет, по-видимому, наименее плавной из двух функций.
k
k
j
k,j
Согласно варианту выполнения, кривые ψ(z) согласуются с параметром неровности в диапазонах значений z вокруг точек z, подверженных скачку, для того, чтобы определять, какая из двух кривых ψ(z) и ψ(z), имеющих Δψ(z)≠0, является наименее плавной, или другими словами, какая из двух кривых имеет наибольший параметр неровности вокруг скачка. Область длины разрыва определяется как область длины вдоль продольной оси z вокруг и содержащая разрыв, представляющий "2π-скачок".
Zn
При измерении выходного SOP как функции от времени, которое далее преобразуется в выходное SOP как функцию от продольного положения волокна, фактически выбирается продольная ось z с длиной выборки, δ, которая зависит от характеристики поляризационно-чувствительного рефлектометра, используемого для выполнения измерения.
h
k,j
k
k
h-s
h-s+1
h+s
k
Пусть z будет положением одного из "2π-скачков", обнаруженных в ψ(z), и пусть q(z) будет полиномиальной функцией, которая наилучшим образом подбирает ψ(z) в среднеквадратичном смысле, для z в области длины разрыва, которая представлена набором {z, z, …, z}, где s- положительное целое число, и (2s+l) представляет количество продольных положений вокруг скачка, рассмотренного в процедуре подбора. Предпочтительно, полиномиальная функция q(z) имеет первую степень, более предпочтительно вторую степень. Предпочтительно, положительное целое число s составляет от 5 до 50.
k
h
k
h
Параметр неровности ρ(z) для ψ(z) в z=z определяется так:
k
h
j
h
j
k
h
k
h
Если ρ(z)>ρ(z), тогда ψ(z) является более плавной, чем ψ(z) в выбранном диапазоне z. В таком случае, ψ(z) предполагается подвергаемой аномальному скачку в z.
k
k
h+s
k,j
h
h
Для компенсации артефакта в ψ(z) смещение ±2πm может быть добавлено к ψ(z) для каждого z≥z. Знак смещения будет «+», если "2π-скачок" функции Δψ(z) уменьшается с увеличением z, тогда как он должен быть «-», если "2π-скачок" увеличивается в z.
h-s
h+s
k
k,j
k
k
Заявитель обнаружил, что очень часто переход к скачку не может быть компенсирован добавлением смещения. Согласно варианту выполнения, область длины разрыва от z до z функции ψ(z) отмечается как "ненадежная" и не принимается во внимание при вычислении средней функции вращательного угла, как описано далее. Процедура вычисления параметра неровности повторяется для каждой разностной Δψ(z), по возможности анализируя каждую разницу более чем один раз, пока скачки не будут обнаружены. Процедура анализа обеспечивает G оценок функции угла двупреломления ψ(z). Среди анализируемых функций продольные выборки, соответствующие соответственным областям длины разрыва одной или более функций ψ(z), отмечаются как "ненадежные".
n
n
k
n
0
0
0
На финальном этапе наилучшая оценка угла двупреломления, ϕ(z), вычисляется следующим образом: для каждой выборки z, ϕ(z) устанавливается равным среднему значению из k функции ψ(z), где среднее значение ограничено выборками (т.е. участками в z функций угла двупреломления), не обозначенными как "ненадежные". В заключение, изменение вращательной функции волокна Δθ(z) в отношении к исходному состоянию ϕ(z) определяется как [ϕ(z)-ϕ(z)]/(2-g) с использованием уравнения (3), где ϕ(z)- наилучшая оценка исходной функции угла двупреломления, полученной в исходном состоянии.
В определенных обстоятельствах выбор пригодного числа N различных входных SOP и таким образом N измеренных выходных SOP зависит от компромисса между точностью результата и временем измерения. Предпочтительно, 3≤N≤7, более предпочтительно 3≤N≤5.
В общем, чем выше помехи измерения, тем больше предпочтительно должно быть количество N. В предпочтительном варианте выполнения G групп образованы в виде совокупностей N(N-l)/2 из N измерений, снятых (N-2) раз единовременно без повторения. Более предпочтительно, G групп образованы в виде N совокупностей из N измерений, снятых (N-1) раз единовременно без повторения.
k
k
k,j
k
Фиг. 8(а) показывает примерные функции угла двупреломления ψ(z), измеренные на одномодовом оптическом волокне, используя N=3 различных входных SOP и группируя соответствующие данные в G=3 групп по 2 измерения в каждой. Каждая группа определяет одну из трех функций угла двупреломления ψ(z), показанных на Фиг. 8(a). Фиг. 8(b) показывает разностные функции Δψ(z) между каждым соединением углов ψ(z); "2π-скачки" ясно видны. Фиг. 8(c) показывает (среднюю) функцию угла двупреломления, ϕ(z), вычисленную согласно выше описанной процедуре.
В кабеле настоящего раскрытия и согласно предпочтительным вариантам выполнения продольные конструктивные элементы свиты вокруг общей оси, которая представляет собой центральную продольную ось кабеля. Свивка продольных конструктивных элементов может быть осуществлена спиральной намоткой конструктивных элементов вокруг центральной оси или свивкой в виде рисунка SZ. Когда датчик скручивания размещен по существу вдоль центральной оси, свивка выполняется вокруг датчика скручивания.
В определенных предпочтительных вариантах выполнения процесс изготовления содержит соэкструзию соединяющего наполнителя на датчик скручивания, по возможности окруженный армирующим наполнителем так, что соединяющий наполнитель прилипает к внешней поверхности датчика скручивания. Далее, узел, образованный датчиком скручивания и соединяющим наполнителем, вставляется по центру относительно пучка продольных элементов, при этом последние свиваются вокруг узла. В конце процесса свивки продольные элементы спирально наматываются вокруг и находятся в плотном контакте с соединяющим наполнителем.
В одном варианте выполнения датчик скручивания - и одномодовое оптическое волокно, содержащееся в нем - имеет шаг поворота и сторону (т.е. направление свивки), называемую стороной поворота, которые по существу являются такими же, как шаг свивки и сторона свивки конструктивных продольных элементов.
n
Заявитель обнаружил, что определенные измерительные устройства, использующие поляризационно-чувствительную рефлектометрию, имеют ограничение максимального значения изменения угла двупреломления, Δθ(z) [Ур. (4)], которое может быть определено с помощью этой технологии. Наличие изначально поворота в одномодовом оптическом волокне без приложения внешних крутящих моментов действует в качестве ненулевой линии отсчета для измерений снаружи осуществляемого поворота волокна в том же направлении, что и направление процесса намотки. Поворот в оптическом волокне вначале может уменьшать обнаруживаемое максимальное количество оборотов, прикладываемых к кабелю в том же направлении, что и поворот намотки.
Для отслеживания скрученного состояния кабеля согласно настоящему раскрытию предпочтительно знать начальное скручивание или поворот оптического волокна, причем выражение "начальное" может означать поворот оптического волокна в кабеле до использования или на заводе-изготовителе до размещения кабеля на бобине. Более предпочтительно одномодовое оптическое волокно имеет шаг поворота, равный или меньше 1 оборота/м.
Заявитель обнаружил, что если датчик скручивания встроен в кабель с одномодовым оптическим волокном, предварительно скрученным в противоположную сторону поворота, который планируется прикладывать во время свивки продольных конструктивных элементов кабеля, максимальное значение изменения угла двупреломления может быть увеличено, и таким образом диапазон измеряемого количества оборотов кабеля может быть расширен.
Согласно варианту выполнения, в процессе изготовления кабеля одномодовое оптическое волокно предварительно поворачивается с шагом поворота, имеющим по существу такое же значение, что и шаг, который будет прикладываться к конструктивным продольным элементам на этапе свивки (с шагом свивки), и с противоположной стороной относительно стороны продольных элементов. Операция сообщения указанного шага поворота одномодовому оптическому волокну называется "предварительным поворотом".
Предварительный поворот одномодового оптического волокна может быть выполнен на различных этапах изготовления, предшествующих механическому соединению оптического волокна, встроенного в соединяющий наполнитель, с продольными элементами. Например, шаг поворота может быть сообщен оптическому волокну до или после нанесения плотного буфера и/или защитной оболочки (этап покрытия).
Предварительный поворот может быть выполнен оптическим волокном до или после нанесения плотного буфера и/или защитной оболочки, используя устройство поворота как в WO 2004/028989.
Предпочтительно, шаг поворота может быть сообщен оптическому волокну до или после нанесения плотного буфера и/или защитной оболочки, намоткой на бобину, имеющую периферию, по существу равную сообщаемому шагу поворота, и извлечением волокна от направления, параллельного оси бобины, без вращения бобины. Это сообщает волокну один оборота для каждой длины, по существу равной периферии бобины.
Например, шаг поворота составляет от 2 до 3 оборотов/метров.
Предварительно повернутое оптическое волокно, встроенное в соединяющий наполнитель, связывается с конструктивными продольными элементами кабеля до их свивки. На этапе свивки конструктивные продольные элементы свиваются с шагом свивки, имеющим по существу такое же значение, как шаг поворота, и со стороной свивки, противоположной стороне поворота одномодового оптического волокна датчика скручивания.
Таким образом, готовый кабель содержит волоконно-оптический датчик скручивания, содержащий одномодовое оптическое волокно с шагом поворота, по существу равным нулю.
Шаг поворота, по существу равный нулю, обеспечивает более точные считывания технологиями оптического обнаружения, например, измерением Бриллюэна.