СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПО ДЛИНЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
METHOD OF MEASURING DISTRIBUTION OF MECHANICAL DEFORMATIONS BY LENGTH OF OPTICAL FIBER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния ответственных конструкций (трубопроводов, мостов, эстакад, плотин и т.д.), в частности для предупреждения аварийных ситуаций, связанных с движением грунта и опор сооружений.
Известны и широко применяются для контроля конструкций и сооружений тензорезистивные датчики деформаций (Макаров Р.А., Ренский Л.Б. и др. Тензометрия в машиностроении. Москва,  Машиностроение, 1975, с. 15-16). Однако они осуществляют точечные измерения, и для получения распределения деформаций по объекту требуется осуществить монтаж и обеспечить считывание информации с множества отдельных датчиков. Для протяженных объектов, например магистральных трубопроводов значительной протяженности, указанное известное техническое решение оказывается практически не пригодным.
Известны также технические решения, основанные на использовании брэгговских волоконно-оптических решеток (например, патент RU 2522679, 2014) для измерения деформаций. Имея некоторые преимущества перед электрическими датчиками, в частности электрическую пассивность, проблему контроля состояния протяженных объектов они также не решают.
Известно техническое решение на основе волоконной оптики (Способ определения деформаций), раскрытое в источнике информации (SU 1534304, 1988), в котором распределение механических деформаций удлинения оптического волокна предполагалось измерять по частотному сдвигу мандельштам-бриллюэновского рассеяния (МБР) света. Позднее такого рода устройства стали называть бриллюэновскими рефлектометрами. Имеется множество вариантов реализации указанного способа. В качестве примера можно назвать техническое решение, описанное в источнике информации (патент RU 02444001, 2012).
Бриллюэновские рефлектометры позволяют измерять распределение деформаций на длинах в десятки километров с пространственным разрешением порядка 1 м.
Однако подобные устройства оказались сложными в реализации и крайне дорогостоящими, поскольку требуют либо применения особо стабильных перестраиваемых лазеров с узкой шириной спектра, либо использования СВЧ техники, типично работающей на частотах 10-11 ГГц, а также соответствующих оптических модуляторов и поляризационных скрэмблеров. Кроме того, пространственное разрешение ограничивается шириной спектра МБР, который для С-диапазона длин волн (1530-1565 нм) составляет 20-30 МГц.
Одной из проблем применения бриллюэновских рефлектометров является зависимость частотного сдвига МБР не только от деформации волокна, но и его температуры, что не позволяет однозначно судить о величине измеряемой деформации.
Задачей предлагаемого технического решения является получение технического результата, выражающегося в упрощении технологии измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна с дополнительной возможностью разделения деформационного и температурного воздействий при необходимости.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения распределения механических деформаций по длине оптического волокна, заключающемся в организации рефлектометрической оптической схемы, генерировании последовательности импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения, вводе указанного излучения посредством рефлектометрической оптической схемы в оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении излучения и построении рефлектограммы, перед фотоприемом рассеянного в обратном направлении излучения осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения, причем о величине механической деформации участков оптического волокна судят по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения.
Способствует достижению технического результата то, что используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов,
а также то, что организуют опорный канал, причем в качестве опорного канала используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния излучения.
Помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно измеряют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.
Таким образом, предлагается простой в реализации способ измерения распределения продольных механических деформаций по длине оптического волокна.
Предлагаемый способ основан на установленном авторами экспериментальном эффекте уменьшения интенсивности комбинационного (рамановского) рассеяния излучения при деформации удлинения оптического волокна. Так, при удлинении участка одномодового волокна Fujikura Future-Guide-LWP на 1 процент интенсивность рассеянного этим участком излучения падает приблизительно на 1,6 процента. При этом интенсивность рассеяния излучения последующими участками за деформированным участком волокна не изменяется.
Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют используемый в настоящем изобретении эффект.
На Фиг. 1 приведен участок рефлектограммы с 160 по 248 м для недеформированного волокна. Пространственное разрешение рефлектометра составляло 1 м, длина волны зондирующего излучения 1550 нм. Регистрировалась стоксова компонента рамановского рассеяния излучения.
-4
На Фиг. 2 приведена аналогичная рефлектограмма, полученная в результате деформации участка волокна длиной 3 м с 234 по 237 м. Величина относительной деформации при этом составляла 0,01. Видно локализованное на тех же координатах уменьшение интенсивности рассеянного излучения. Оценка шумов рефлектограммы показывает возможность регистрации относительных деформаций на уровне 10.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием рефлектометров любого известного типа, как с временным (OTDR), так и частотным (FDR) способом разделения каналов дальности. В частности, устройством, обеспечивающим реализацию способа, может служить описанное в известном патенте устройство (RU 2583060, 10.05.2016). Для реализации способа пригодны известные устройства на основе рамановских рефлектометров, используемые для распределенного измерения температуры.
Практическое применение способа позволяет в ряде случаев заменить дорогостоящие бриллюэновское рефлектометры и анализаторы.
Для повышения метрологических характеристик целесообразно обеспечить, чтобы оптическое волокно (чувствительный волоконный световод) имело участки длиной не менее пространственного разрешения, заведомо не испытывающие механической деформации растяжения, с известными координатами по длине указанного волокна, например, свернутые в бухту. Такие участки могут служить реперами для уточнения величины деформации на остальных (чувствительных) участках оптического волокна.
Использование конфигурации рамановского рефлектометра (например, RU 2583060) позволяет, помимо измерения деформаций, строить независимо температурное распределение по длине оптического волокна.
Способ реализуют следующим образом:
- организуют рефлектометрическую оптическую схему посредством направленного ответвителя/делителя или циркулятора;
- обычно используют оптическое волокно, имеющее локальные участки, заведомо не испытывающие продольных механических деформаций, с известными координатами по длине указанного оптического волокна в качестве реперов;
- генерируют последовательность импульсов излучения или частотно-модулированного оптического излучения;
- вводят указанное излучение посредством рефлектометрической схемы в оптическое (чувствительное) волокно;
- осуществляют спектральную фильтрацию рассеянного в обратном направлении излучения с выделением комбинационного излучения;
- производят фотоприем рассеянного назад излучения;
- строят рефлектограмму, т.е. зависимость интенсивности рассеянного в обратном направлении излучения от длины оптического волокна;
- может быть организован опорный канал, причем в качестве опорного канала обычно используют рефлектограмму, построенную на основе дополнительной регистрации интенсивности рэлеевского рассеяния света;
- определяют величину продольной деформации участков оптического волокна по интенсивности рассеянного в обратном направлении этими участками комбинационного излучения;
- помимо распределения механических деформаций по длине оптического волокна дополнительно вычисляют температурное распределение по отношению интенсивностей антистоксовой и стоксовой компонент комбинационного рассеяния излучения.
Использование изобретения позволяет простыми техническими средствами осуществлять решение задачи мониторинга протяженных объектов. Отличительной особенностью способа является отсутствие принципиальных ограничений на пространственное разрешение по длине оптического волокна.
Использование предлагаемого способа особенно целесообразно для обнаружения локальных аномалий, которые обычно и возникают в предаварийных ситуациях. Для их обнаружения следует производить сравнение текущей рефлектограммы с эталонной с целью выявления вновь возникших локальных деформаций.