СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к способам измерения параметров физических полей, предпочтительно динамических по характеру, например, электромагнитных, акустических, сейсмических, тепловых и т.п.

Известен способ контроля параметров физических полей, включающий формирование измерительного канала из оптоволокна, пропускание по нему зондирующих сигналов, в качестве которых используют когерентное световое излучение, и фиксацию изменения параметров светового излучения (см. пат. РФ №2066466, кл. G 01 V 1/00, 1996 г.).

Недостаток этого решения - невозможность полного восстановления любого векторного поля, обладающего как потенциальной, так и вихревой компонентами.

Известен также способ контроля параметров физических полей, включающий формирование измерительной сети, покрывающей измерительную зону, включающей по меньшей мере две системы измерительных каналов, параллельных друг другу в пределах отдельной системы, которые выполняют из волоконных световодов, размещаемых так, чтобы каждый измерительный канал одной системы многократно пересекал измерительные каналы другой системы, подачу в измерительные каналы оптического излучения, с фиксацией измерительного сигнала, в качестве которого используют изменения параметров оптического излучения после прохождения по измерительным каналам, и последующей обработкой фиксируемого сигнала (см. пат. РФ №2148267, кл. G 01 V 1/00, 2000 г.).

Недостаток этого решения - сложность организации системы восстановления распределенных параметров физических полей и большая продолжительность процесса восстановления, кроме того, для реализации способа требуется громоздкий комплект оборудования и большой расход волоконных световодов на организацию линий связи измерительных каналов с регистрирующей аппаратурой, что повышает трудоемкость процесса “разворачивания” измерительной сети и, соответственно, способа в целом.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в упрощении системы восстановления распределенных параметров физических полей и повышении ее быстродействия, при снижении трудоемкости способа.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что обеспечивается возможность минимизации материальных средств на реализацию способа (снижение материалоемкости измерительной сети, трудоемкости ее монтажа), кроме того, обеспечивается возможность организации измерительных полей произвольной конфигурации, возможность регистрации большего числа мест проявления возмущений (в том числе реакции физического поля на внешнее воздействие) в пределах измерительного поля и упрощение определения величины этого возмущения.

Для решения поставленной задачи способ контроля параметров физических полей, включающий формирование измерительной сети, покрывающей измерительную зону, включающей по меньшей мере две системы измерительных каналов, параллельных друг другу в пределах отдельной системы, которые выполняют из волоконных световодов, размещаемых так, чтобы каждый измерительный канал одной системы многократно пересекал измерительные каналы другой системы, подачу в измерительные каналы оптического излучения, с фиксацией измерительного сигнала, в качестве которого используют изменения параметров оптического излучения после прохождения по измерительным каналам, и последующей обработкой фиксируемого сигнала, отличается тем, что каждую систему измерительных каналов формируют из одного волоконного световода, предпочтительно одномодового, который укладывают в виде зигзага с предпочтительно прямоугольными зубцами, при этом рабочие участки волоконного световода каждой системы измерительных каналов, пересекающие измерительную зону, параллельны друг другу, а соединяющие их участки этого волоконного световода размещают вне измерительной зоны и (или) изолируют от воздействия измеряемых физических полей, причем оптическое излучение от излучателей рефлектометров вводят одновременно в каждый волоконный световод в виде оптических импульсов, длительность которых определяют из выражения:

τ<L_p/v,

где τ - длительность оптических импульсов;

L_p - длина рабочего участка волоконного световода;

v - скорость света в волоконном световоде,

при этом используют регистрирующий оптический рефлектометр, посредством которого также фиксируют изменения измерительных сигналов, в качестве которых используют часть введенного в волоконный световод оптического импульса, отражаемую соответствующими изгибами световода, кроме того, фиксируют и временную привязку каждого отраженного сигнала. Кроме того, измеряют мощность фиксируемого сигнала и время его фиксации. Кроме того, нижний предел длительности оптических импульсов задают из выражения:

τ_н>L_Н/v,

где τ - длительность оптических импульсов;

L_Н - длина нерабочего участка волоконного световода (ортогонального рабочему);

v - скорость света в волоконном световоде.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения и признаков известных аналогов и прототипа показывает, что заявленный способ соответствует критерию "новизна".

Приведенные в отличительной части формулы изобретения признаки решают следующие функциональные задачи.

Признаки "каждую систему измерительных каналов формируют из одного волоконного световода, предпочтительно одномодового, который укладывают в виде зигзага с предпочтительно прямоугольными зубцами, при этом рабочие участки волоконного световода каждой системы измерительных каналов, пересекающие измерительную зону, параллельны друг другу, а соединяющие их участки этого волоконного световода размещают вне измерительной зоны и (или) изолируют от воздействия измеряемых физических полей" позволяют снизить трудоемкость реализации способа, материалоемкость измерительной сети и упростить математический аппарат, используемый при реализации способа, и обеспечивают осуществимость способа, поскольку в этом случае по длине световода формируются изгибы, которые обеспечивают частичное отражение подаваемых в световод оптических импульсов и, тем самым, обеспечивают возможность точной привязки отраженного сигнала к тем или иным рабочим участкам одного длинного волоконного световода, кроме того, признаки, задающие изолирование (от воздействия измеряемых физических полей) или размещение вне измерительной зоны участков волоконного световода, соединяющих его рабочие участки, исключают возможность искажения результатов измерения за счет реакции измерительной сети на внешние помехи.

Признаки "оптическое излучение вводят одновременно в каждый волоконный световод в виде оптических импульсов" обеспечивают осуществимость способа с учетом использования оптических рефлектометров.

Признаки, задающие длительность оптических импульсов, обеспечивают осуществимость способа, поскольку при их величине, большей задаваемой, будет невозможна однозначная привязка местоположения возмущений (в том числе реакции физического поля на внешнее воздействие) по длине отдельного рабочего участка системы измерительных каналов.

Признаки "используют регистрирующий оптический рефлектометр, посредством которого также фиксируют изменения измерительных сигналов, в качестве которых используют часть введенного в волоконный световод оптического импульса, отражаемую соответствующими изгибами световода, кроме того, фиксируют и временную привязку каждого отраженного сигнала" вместе с признаком "каждую систему измерительных каналов формируют из одного волоконного световода" обеспечивают осуществимость способа и решение поставленной технической задачи, при этом названные признаки взаимно обуславливают друг друга, поскольку использование в качестве измерительного сигнала - импульсного при применении регистрирующих оптических рефлектометров (как средства ввода оптического излучения и вывода измерительного сигнала) позволяет “разделить” один длинный световод на отдельные измерительные участки и тем самым проводить из одной точки комплекс измерений по всем рабочим участкам.

Признаки второго пункта формулы изобретения раскрывают содержание признака временная привязка каждого отраженного сигнала и позволяют оценить интенсивность возмущения.

Признаки третьего пункта формулы изобретения дополнительно позволяют исключить возможность искажения результатов измерения за счет реакции измерительной сети на внешние помехи, воспринимаемые “нерабочими” участками световода.

На фиг. 1 показана схема измерительной сети, обеспечивающей реализацию заявленного способа, на фиг. 2 - зависимость интенсивности оптического излучения на входе в волоконный световод от времени.

На чертежах показаны: 1 и 2 - системы измерительных каналов, каждый из которых выполнен из одного сплошного волоконного световода, регистрирующие оптические рефлектометры 3 и 4, соответственно, подключенные к 1 и 2 системам измерительных каналов и связанные с блоком 5 согласования информации. Кроме того, на чертежах показаны измерительная зона 6, рабочие участки 7 и 8 волоконных световодов, соответственно, 1 и 2 систем измерительных каналов, и участки 9 и 10 этих же волоконных световодов, ортогональные рабочим участкам, соответственно, 7 и 8, связывающие отдельные рабочие участки одного волоконного световода в один длинный волоконный световод. Кроме того, на чертежах показаны изгибы волоконных световодов, составляющих измерительный канал соответствующей измерительной системы, обозначенные от t₁ до t₁₂ (для первой системы измерительных каналов) и от t₁₃ до t₂₄ (для второй системы измерительных каналов).

При реализации способа используют следующий комплект аппаратуры: волоконный световод, один конец которого снабжен оптическим разъемом для подключения через оптическую розетку к регистрирующему оптическому рефлектометру. Кроме того, в комплект аппаратуры включены регистрирующие оптические рефлектометры 3, 4 (по одному на каждую систему измерительных каналов), блок согласования информации 5 и ЭВМ 11.

В качестве световодов использованы стандартные волоконные световоды, конструктивно одинаковые и предпочтительно сплошные и длинные (с длиной, многократно превышающей размеры измерительной зоны 6). Оптические разъемы и оптические розетки конструктивно аналогичны и представляют из себя стандартные волоконно-оптические элементы, обычно применяемые для соединения оптического волокна типоразмера, соответствующего использованному в конструкции измерительного канала.

Регистрирующий оптический рефлектометр выполнен в стандартном едином корпусе и представляет собой излучатель с генератором импульсов требуемой длительности, приемник отраженного оптического сигнала, порты ввода-вывода и может содержать индикаторный экран для отображения получаемой информации.

Устройство согласования информации содержит мультиплицирующее устройство для ввода информации от систем измерительных каналов в ЭВМ.

Устройство согласования информации подключено непосредственно к ЭВМ, для чего выводы всех входных ячеек собраны в одну колодку, подключаемую непосредственно на входную колодку компьютера, программное обеспечение, позволяющее на основании информации от систем измерительных каналов производить восстановление распределенных параметров физических полей.

Способ осуществляется следующим образом.

Формируют измерительную сеть. Для этого в пределах исследуемого участка по двум ортогональным друг другу направлениям формируют две системы измерительных каналов, для чего на измерительной зоне 6 укладывают волоконные световоды в форме зигзагов с выпуклостями и впадинами, предпочтительно, прямоугольной формы со скругленными углами, при этом рабочие участки волоконного световода (например, 7 или 8) одной системы измерительных каналов, пересекающие измерительную зону 6, и рабочие участки волоконного световода (например, 8 или 7) других систем измерительных каналов параллельны друг другу, а ортогональные им участки волоконного световода, соответственно, 9 или 10, связывающие рабочие участки, размещают вне измерительной зоны 6 и (или) изолируют от воздействия измеряемых физических полей.

Выбор направления осей рабочих участков 7, 8 измерительных систем 1, 2 и число рабочих участков измерительных линий осуществляется с учетом предполагаемого распределения в спектре пространственных частот исследуемой функции распределения параметров физического поля в пределах измерительной зоны 6.

Число впадин и выступов зигзага определяет ту часть пространственных частот, о которых будет получена информация, что обуславливает качество восстановления исследуемой функции распределения.

Выход регистрирующего оптического рефлектометра 3 через оптическую розетку (на чертежах не показана) связывают с волоконным световодом системы измерительных каналов 1, а выход регистрирующего оптического рефлектометра 4 через оптическую розетку (на чертежах не показана) связывают с волоконным световодом системы измерительных каналов 2. Каждый выход регистрирующего оптического рефлектометра (и 3, и 4) связывают с соответствующими входными ячейками блока согласования информации 5, подключенного к ЭВМ 11.

Перечисленная последовательность операций по подготовке измерительной сети будет повторена при необходимости измерений на новых участках. Вместе с тем, при необходимости измерений в искусственно сооружаемых конструкциях, измерительную сеть формируют как стационарную, закрепляя (например, приклеивают или заливают бетоном и т.п.) ее в соответствующей плоскости внутри объекта.

Измерительную сеть разворачивают вышеописанным образом и подключают ее к регистрирующим оптическим рефлектометрам, которые в свою очередь связывают с устройством обработки данных. Включив источники оптического излучения регистрирующих оптических рефлектометров в работу, одновременно пропускают их оптическое излучение через все системы измерительных каналов измерительной сети.

Интенсивность оптического излучения от излучателя рефлектометра, после прохода через волоконные световоды, уложенные на измерительной зоне в виде зигзага с выпуклостями и впадинами, при отсутствии внешних физических воздействий уменьшается за счет собственных потерь в волоконных световодах, причем величина этих потерь зависит от типа используемого волокна и может составлять от десятых долей до сотен дБ/км. Это определяет плавный спад мощности оптического излучения в зависимости от времени, показанный на фиг. 2. При возникновении внешнего физического воздействия на измерительную зону происходит резкое уменьшение интенсивности оптического сигнала, проходящего по волоконным световодам, на которые пришлось данное воздействие, на расстоянии L₁=τ₁·v от источника оптического излучения первого регистрирующего оптического рефлектометра и на расстоянии L₂=τ₂·v от источника оптического излучения второго регистрирующего оптического рефлектометра. Таким образом, задавая на источниках оптического излучения регистрирующих оптических рефлектометров длину оптических импульсов, посылаемых по волоконным световодам, в соответствии с предлагаемыми выражениями (τ<L_p/v и τ_н>L_н/v) обеспечивают “считывание” информации только в тех областях волоконных световодов, которые образуют места пересечений рабочих участков измерительных зон. За счет этих пересечений образуется система координат, в которой, после дополнительной обработки в блоке согласования информации и ЭВМ, находятся координаты внешних физических воздействий.

При этом на мониторе рефлектометра отображается пик, пропорциональный величине внешнего физического воздействия, в виде провала на графических кривых, а текстовая информация о величинах изменений поступает на блок согласования информации и ЭВМ для последующей окончательной обработки поступившей информации и ее визуализации.

Таким образом, в результате данного способа измерения параметров физических полей формируется информация как о координате, так и о величине внешнего физического воздействия на измерительную зону, распределенную на исследуемом пространстве.

Изобретение может быть использовано для измерения параметров физических полей. Сущность: способ включает формирование измерительной сети, покрывающей измерительную зону, включающей по меньшей мере две системы измерительных каналов, параллельных друг другу в пределах отдельной системы, которые выполняют из волоконных световодов, размещаемых так, чтобы каждый измерительный канал одной системы многократно пересекал измерительные каналы другой системы, подачу в измерительные каналы оптического излучения с фиксацией измерительного сигнала, в качестве которого используют изменения параметров оптического излучения после прохождения по измерительным каналам, и с последующей обработкой фиксируемого сигнала. Каждую систему измерительных каналов формируют из одного волоконного световода, предпочтительно одномодового, который укладывают в виде зигзага с предпочтительно прямоугольными зубцами, при этом рабочие участки волоконного световода каждой системы измерительных каналов, пересекающие измерительную зону, параллельны друг другу, а соединяющие их участки этого волоконного световода размещают вне измерительной зоны и/или изолируют от воздействия измеряемых физических полей, причем оптическое излучение от излучателей рефлектометров вводят одновременно в каждый волоконный световод в виде оптических импульсов, длительность которых определяют из выражения: τ<L_p/v, где τ - длительность оптических импульсов; L_p - длина рабочего участка волоконного световода; v - скорость света в волоконном световоде. При этом используют регистрирующий оптический рефлектометр, посредством которого также фиксируют изменения измерительных сигналов, в качестве которых используют часть введенного в волоконный световод оптического импульса, отражаемую соответствующими изгибами световода, кроме того, фиксируют и временную привязку каждого отраженного сигнала. Кроме того, измеряют мощность фиксируемого сигнала и время его фиксации. Кроме того, нижний предел длительности оптических импульсов задают из выражения: τ_н>L_н/v, где τ - длительность оптических импульсов; L_н - длина нерабочего участка волоконного световода (ортогонального рабочему); v - скорость света в волоконном световоде. Технический результат: упрощение системы восстановления распределенных параметров физических полей и повышение ее быстродействия, при снижении трудоемкости способа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля параметров физических полей, включающий формирование измерительной сети, покрывающей измерительную зону, включающей по меньшей мере две системы измерительных каналов, параллельных друг другу в пределах отдельной системы, которые выполняют из волоконных световодов, размещаемых так, чтобы каждый измерительный канал одной системы многократно пересекал измерительные каналы другой системы, подачу в измерительные каналы оптического излучения с фиксацией измерительного сигнала, в качестве которого используют изменения параметров оптического излучения после прохождения по измерительным каналам, и с последующей обработкой фиксируемого сигнала, отличающийся тем, что каждую систему измерительных каналов формируют из одного волоконного световода, предпочтительно одномодового, который укладывают в виде зигзага с предпочтительно прямоугольными зубцами, при этом рабочие участки волоконного световода каждой системы измерительных каналов, пересекающие измерительную зону, параллельны друг другу, а соединяющие их участки этого волоконного световода размещены вне измерительной зоны и/или изолированы от воздействия измеряемых физических полей, причем оптическое излучение от излучателей рефлектометров вводят одновременно в каждый волоконный световод в виде оптических импульсов, длительность которых определяют из выражения

τ<L_p/v,

где τ - длительность оптических импульсов;

L_p - длина рабочего участка волоконного световода;

v - скорость света в волоконном световоде,

при этом используют регистрирующий оптический рефлектометр, посредством которого также фиксируют изменения измерительных сигналов, в качестве которых используют часть введенного в волоконный световод оптического импульса, отражаемую соответствующими изгибами световода, и, кроме того, фиксируют временную привязку каждого отраженного сигнала.

τ_н>L_н/v,

где τ_н - длительность оптических импульсов;

L_н - длина нерабочего участка волоконного световода, ортогонального рабочему;

v - скорость света в волоконном световоде.