СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ С ЛОКАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК G01J11/00 G02B27/32 

Настоящее изобретение относится к способу измерения физической величины с локальным разрешением согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к устройству для измерения физической величины с локальным разрешением согласно ограничительной части п.8 формулы.

Определения: оптическая рефлектометрия в частотной области, известная также под английским названием Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR), называется ниже методом OFDR. Устройства или интегральные схемы или системы, пригодные для проведения прямого цифрового синтеза (DDS), называются далее системами DDS. Если ниже будут использованы термины: «свет», «оптическое излучение» или «оптический сигнал», то под этим имеется в виду электромагнитное излучение в оптическом спектральном диапазоне, в частности, от наиболее коротковолновой части ультрафиолетовой области спектра до дальней ИК-области спектра.

При волоконно-оптическом измерении температуры (Distributed Temperature Sensing - DTS) с использованием метода OFDR и во многих других случаях применения возникает задача быстрого и малошумного измерения амплитуды и фазы оптических или электрических сигналов. Это имеет решающее значение для разрешающей способности во времени и по температуре при волоконно-оптическом измерении температуры.

Способ и устройство указанного выше типа известны из "System description FibroLaser II", Siemens Cerberus Division W458e, Version 1.2e, январь 1999 года. Описанное устройство включает в себя генератор частоты для генерации частоты сигнала и локальной осцилляторной частоты, которая отличается от частоты сигнала на фиксированную разностную частоту. Оптическое излучение лазера частотно модулируется частотой сигнала и вводится в световодное волокно. Компоненты такого оптического излучения, обратно рассеянные вследствие комбинационного рассеяния, выводятся из волокна и преобразуются фотоэлектронными умножителями в электрические сигналы. Последние смешиваются с локальной осцилляторной частотой и фильтруются аналогично. Затем они оцифровываются и подвергаются преобразованию Фурье с переводом в локальный диапазон. Полученные таким образом профили обратного рассеяния сигналов, вызванных комбинационным рассеянием, образуют основу для расчета температуры.

Такая система измерения представляет собой так называемый гетеродинный приемник, в котором частота сигнала смешивается с локальной осцилляторной частотой для получения фиксированной разностной частоты. Она может быть усилена и отфильтрована в узкой полосе. Однако в аналоговых системах фильтрация ограничивается допусками и дрейфом конструктивных элементов. Кроме того, узкополосные фильтры требуют более длительные периоды, при которых фильтр воздействует на амплитуду и фазу.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа и устройства указанного выше типа, которые позволяют более быстро и/или с меньшими шумами измерять физическую величину.

Согласно изобретению это достигается в отношении способа посредством способа указанного выше типа с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения и в отношении устройства посредством устройства указанного выше типа с отличительными признаками пункта 8 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены предпочтительные варианты выполнения изобретения.

Согласно п.1 формулы изобретения предусмотрено, чтобы формировался третий электрический сигнал с третьей частотой, причем третья частота соответствует разностной частоте или же превышает ее в несколько раз, и чтобы при оцифровке смешанный сигнал сканировался с третьей частотой. Согласно п.8 формулы изобретения соответственно предусмотрено, чтобы устройство дополнительно включало в себя средства для формирования третьего электрического сигнала с третьей частотой, причем третья частота соответствует разностной частоте или же превышает ее в несколько раз, при этом цифро-аналоговый преобразователь может сканировать, по крайней мере, один смешанный сигнал с третьей частотой для его оцифровки. Таким образом может применяться цифровой фильтр вместо аналогового, так что становится возможным большее подавление шума и/или более быстрое измерение амплитуды и фазы оптических сигналов.

Может быть предусмотрено, чтобы первый и/или второй и/или третий электрический сигнал формировался с помощью прямого цифрового синтеза. Соответственно может быть предусмотрено, чтобы средствами формирования первого электрического сигнала являлась первая система DDS и/или чтобы средствами формирования второго электрического сигнала являлась вторая система DDS и/или чтобы средствами формирования третьего электрического сигнала являлась третья система DDS. Благодаря применению систем DDS при формировании трех электрических сигналов обеспечивается переход на цифровую технологию.

Предпочтительно, чтобы при этом для прямого цифрового синтеза первого и/или второго и/или третьего электрического сигнала использовался тактовый сигнал, причем, в частности, для прямого цифрового синтеза первого, второго и третьего электрических сигналов используется один и тот же тактовый сигнал. Соответственно может быть предусмотрено, чтобы устройство дополнительно содержало тактовый генератор, который может обеспечивать первую систему DDS и/или вторую систему DDS и/или третью систему DDS тактовым сигналом. Привязка всех трех систем DDS к одному и тому же тактовому сигналу приводит к точному цифровому считыванию оцифровываемого сигнала в рамках разрешения DDS, составляющего, например, 0,12 Гц. При этом является предпочтительным расчет частоты на основе цифровых слов, благодаря чему отсутствуют погрешности округления при пересчете на реальные числа. Дрейф тактового сигнала одинаково сказывается на всех трех системах DDS, в результате чего постоянно достигается точная частота сканирования.

Благодаря такой концепции генерации и сканирования частоты становится возможным применение новой цифровой технологии фильтрования.

Цифровой фильтр не требует времени регулирования. От узкополосных аналоговых фильтров в конструкции можно отказаться. Благодаря точному сканированию могут быть реализованы с помощью узкополосного детектирования более высокие разностные частоты, чем с помощью аналоговой технологии.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из последующего описания предпочтительных примеров выполнения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 - схематический вид первого варианта выполнения устройства согласно изобретению;

фиг.2 - схематический вид второго варианта выполнения устройства согласно изобретению;

фиг.3 - схематический вид третьего варианта выполнения устройства согласно изобретению;

фиг.4 - схематический вид четвертого варианта выполнения устройства согласно изобретению.

На фигурах одинаковые или функционально одинаковые сигналы, элементы или блоки обозначены одинаковыми позициями.

Показанный на фиг.1 первый вариант выполнения включает в себя в качестве средств формирования электрических сигналов первую систему DDS 1, вторую систему DDS 2 и третью систему DDS 3. Устройство дополнительно содержит тактовый генератор 4, который выдает тактовый сигнал (CLK) 5. Все три системы DDS 1, 2, 3 используют один и тот же тактовый сигнал 5.

Первая система DDS 1 формирует первый изменяющийся во времени электрический сигнал 6, который имеет первую изменяющуюся во времени частоту f_RF(t). Вторая система DDS 2 формирует второй изменяющийся во времени электрический сигнал 7, который имеет вторую изменяющуюся во времени частоту f_LO(t). Вторая частота f_LO(t) отличается от первой f_RF(t) на фиксированную, не изменяющуюся во времени разностную частоту f_ZF.

Третья система DDS 3 формирует третий изменяющийся во времени электрический сигнал 8, который имеет третью изменяющуюся во времени частоту, соответствующую произведению разностной частоты f_ZF на коэффициент 2^N. При этом N может составлять 0, 1, 2, … . Предпочтительными значениями N являются, например, 2, 3, 4 или 5, вследствие чего третья частота превышает разностную частоту f_ZF в четыре, восемь, шестнадцать или тридцать два раза.

При этом проводится предпочтительно расчет трех частот f_RF(t), f_LO(t) и f_ZF с помощью цифровых слов, вследствие чего отсутствуют погрешности округления при пересчете на реальные числа. Дрейф тактового сигнала 5 одинаково влияет на все три системы DDS 1, 2, 3, т.е. относительные изменения частоты являются одинаковыми.

Позицией 9 обозначена лишь схематически показанная часть измерительного прибора, содержащего помимо оптического источника излучения для формирования оптического сигнала объект измерения, как, например, световодное волокно, и фотодетектор. Оптический сигнал модулируется по амплитуде и частоте сигналом 6. При этом модуляция может производиться, например, соответствующим управлением оптического источника излучения, выполненного, например, в виде лазера. В качестве альтернативы оптическим модулятором может также модулироваться выходящий из оптического источника излучения оптический сигнал.

Модулированный оптический сигнал может вводиться в объект измерения и после взаимодействия с ним выводиться из него. Соответствующие средства для обеспечения взаимодействия могут включать в себя, например, средства для введения, средства для выведения, светоделители и фильтры. Затем оптический сигнал, модифицированный в результате взаимодействия, может быть преобразован в фотодетекторе по меньшей мере в один электрический сигнал 10. Применяемые при этом средства преобразования могут представлять собой, например, ФЭУ, фотодиод или другие сенсорные средства.

Выходящий из измерительного прибора 9 электрический сигнал 10 смешивается в смесителе 11 со вторым сигналом 7. Смешанный сигнал 12 имеет при этом точную разностную частоту f_ZF, причем обусловленная взаимодействием с измерительным объектом измерительная информация содержится в амплитуде и фазе смешанного сигнала 12.

Смешанный сигнал 12 оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе 13. При этом смешанный сигнал 12 сканируется третьей частотой третьего электрического сигнала 8. Благодаря одинаковому тактовому сигналу 5, присущему каждой из трех систем DDS 1, 2, 3, постоянно достигается точная требуемая частота сканирования.

Оцифрованный сигнал может быть отфильтрован цифровым фильтром 14. В примыкающих к нему средствах обработки 15 отфильтрованные данные могут быть обработаны, в результате чего могут быть определены данные измерения регистрируемой физической величины при локальном разрешении.

Согласно второму варианту выполнения устройства по изобретению на фиг.2 проводится подробно и дифференцированно распределенное измерение температуры в световодных волокнах (DTS) посредством способа OFDR.

В частности, на фиг.2 подробно показан измерительный прибор. Он содержит лазер 16, модулируемый первой частотой f_RF(t) первого электрического сигнала 6 по частоте и амплитуде. При этом модуляция может проводиться, например, путем соответствующего управления лазером 16. В качестве альтернативы может также модулироваться оптическим модулятором и выходящий из лазера 16 оптический сигнал 17.

Возможно использовать вместо лазера 16 другой источник оптического излучения, например светодиод сверхмощного излучения.

Объектом измерения служит оптическое волокно 18, в котором, в частности, температура должна быть определена с локальным разрешением. Позицией 19 обозначены средства для обеспечения взаимодействия с оптическим волокном 18. Такие средства 19 могут включать в себя, например, устройство для ввода, устройство для вывода, светоделители и фильтры.

Средства 19 содержат три выхода для оптических сигналов 20а, 20b, 20с. Возможно предусмотреть больше, чем три выхода, при этом четвертый выход может быть использован, например, для компоненты Рэлея обратно рассеянного излучения. Первый оптический сигнал 20а соответствует выходящему из лазера 16 первичному оптическому сигналу 17 и может быть, например, выделен из него с помощью светоделителя.

Второй оптической сигнал 20b модифицируется в отношении длины световой волны в результате комбинационного рассеяния света в оптическом волокне и соответствует стоксовой компоненте обратно рассеянного излучения. Для выделения стоксовой компоненты средства 19 могут иметь соответствующий фильтр.

Третий оптический сигнал 20 с также модифицируется в отношении длины световой волны в результате комбинационного рассеяния света в оптическом волокне и соответствует антистоксовой компоненте обратно рассеянного излучения. Для выделения этой антистоксовой компоненты средства 19 также могут иметь соответствующий фильтр.

Оптические сигналы 20а, 20b, 20с преобразуются в соответствующих средствах преобразования 21а, 21b, 21с в электрические сигналы 10а, 10b, 10с. Для этого средства преобразования 21а, 21b, 21с могут содержать, например, фотоэлектронные умножители, фотодиоды, лавинные фотодиоды или другие соответствующие сенсорные средства и, при необходимости, электрические усилители.

Электрические сигналы 10а, 10b, 10с, выходящие из средств преобразования 21а, 21b, 21с, смешиваются соответственно в смесителе 11а, 11b, 11с со вторым сигналом 7. Полученный смешением сигнал 12а имеет в данном случае частоту, соответствующую разностной частоте f_ZF. Полученные при смешении смешанные сигналы 12b, 12с имеют точную разностную частоту f_ZF и содержат информацию по амплитуде и фазе сигнала, которая образовалась в результате комбинационного рассеяния света в объекте измерения.

Смешанные сигналы 12а, 12b, 12с оцифровываются в АЦП 13а, 13b, 13с. При этом каждый из смешанных сигналов 12а, 12b, 12с сканируется третьей частотой третьего электрического сигнала 8. Благодаря наличию тактового сигнала 5 в каждой из трех систем DDS постоянно обеспечивается требуемая точная частота сканирования.

Фильтрация происходит в общем, последовательно подключенном цифровом фильтре 14, который может соответствовать цифровому фильтру 14 в первом варианте выполнения. В подключенных к нему средствах обработки 15 отфильтрованные данные могут обрабатываться и, в частности, подвергаться преобразованию Фурье, в результате чего могут быть определены данные измерения регистрируемой физической величины с локальным разрешением.

Третий вариант выполнения на фиг.3 отличается от варианта выполнения на фиг.2 по существу тем, что лазер 16 не модулируется непосредственно первой частотой f_RF(t) первого электрического сигнала 6 и первый оптический модулятор 22 используется для модуляции выходящего из лазера 16 оптического излучения 23. Выходящий из первого оптического модулятора 22 оптический сигнал 17 вводится в оптическое волокно 18 с помощью средств 19.

В дополнение к трем описанным выше со ссылкой на фиг.2 оптическим сигналам 20а, 20b, 20с, выходящим из средств 19, в третьем варианте выполнения выходит из средств 19 еще один оптический сигнал 20d. Им может являться, например, обратно рассеянный компонент Рэлея оптического излучения.

Возможно предусмотреть и в третьем варианте выполнения только три выходящих оптических сигнала 20а, 20b, 20с. Кроме того, и во втором варианте выполнения может быть предусмотрено, чтобы одновременно регистрировался четвертый выходящий сигнал 20d.

Также предусмотрен второй оптический модулятор 24, в котором часть оптического излучения 23 лазера 16 модулируется второй частотой f_LO(t). Оптический сигнал 25, выходящий из второго оптического модулятора 24, оптически смешивается с оптическими сигналами 20а, 20b, 20с, 20d или же вводится в них.

Смешанные оптические сигналы 26а, 26b, 26с, 26d преобразуются в соответствующих средствах преобразования 21а, 21b, 21с, 21d в электрические сигналы 12а, 12b, 12с, 12d. Так же, как во втором примере выполнения, сигнал 12а имеет частоту, которая соответствует разностной частоте f_ZF. Кроме того, сигналы 12b, 12с, 12d имеют точную разностную частоту f_ZF и содержат информацию по амплитуде и фазе, образованную в результате комбинационного рассеяния света в объекте измерения.

Аналогично второму варианту выполнения смешанные сигналы 12а, 12b, 12с, 12d оцифровываются в АЦП 13а, 13b, 13с, 13d. При этом каждый из смешанных сигналов 12а, 12b, 12с, 12d сканируется третьей частотой третьего электрического сигнала 8. Благодаря присутствию одинакового тактового сигнала 5 в каждой из трех систем DDS 1, 2, 3 постоянно обеспечивается требуемая точная частота сканирования.

Четвертый вариант выполнения (фиг.4) отличается лишь незначительно от третьего варианта выполнения (фиг.3). Оптический сигнал 17, выходящий из первого оптического модулятора 22, вводится через циркулятор 27 в оптическое волокно 18. Выходящий из волокна 18 сигнал попадает через циркулятор во второй оптический модулятор 24. Там происходит дополнительная модуляция второй частотой f_LO(t), в результате чего выходящий из второго оптического модулятора 24 оптический сигнал 28 модулируется разностной частотой f_ZF.

Сигнал 28 поступает в средства 29 для светоделения и фильтрации, в которых он фильтруется и при этом разделяется на отдельные каналы, вследствие чего из средств 29 выходят оптические сигналы 26а, 26b, 26с, 26d. Последние дополнительно обрабатываются, как описано во втором и третьем примерах.

Возможно предусмотреть и в этом варианте выполнения только три выходящих оптических сигнала 26а, 26b, 26с. Кроме того, во втором и третьем вариантах выполнения также могут применяться соответствующие конструктивные элементы, как, например, циркулятор 27.

Устройство для измерения физической величины с локальным разрешением, содержащее средства формирования первого электрического сигнала (6) с первой частотой и второго электрического сигнала (7) со второй частотой, отличающейся от первой на величину разностной частоты, источник оптического излучения для формирования оптического сигнала, который модулируется первой частотой и может взаимодействовать с объектом измерения, в результате чего может быть модифицирован; смеситель (11), который может смешивать полученный на основе оптического сигнала электрический сигнал (10) со вторым сигналом (7), ЦАП (13) для оцифровывания по меньшей мере одного смешанного сигнала (12) и, в частности, выполненные в виде системы DDS (3) средства формирования третьего электрического сигнала (8) с третьей частотой, причем третья частота соответствует разностной частоте или превышает ее в несколько раз, при этом ЦАП (13) может сканировать смешанный сигнал (12) для его оцифровывания с третьей частотой. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения физической величины с локальным разрешением, включающий этапы, на которых:
формируют первый электрический сигнал (6) с первой изменяющейся во времени частотой (f_RF(t)),
формируют второй электрический сигнал (7) со второй изменяющейся во времени частотой (f_RF(t)), отличающейся от первой частоты (f_RF(t)) на разностную частоту (f_RF),
формируют оптический сигнал (17), модулированный первой частотой (f_RF(t)),
модифицируют оптический сигнал (17) путем взаимодействия с объектом измерения, при этом полученный модифицированный сигнал содержит информацию об измеряемой физической величине с локальным разрешением,
преобразуют модифицированный оптический сигнал (20а, 20b, 20с, 20d) по меньшей мере в один электрический сигнал (10, 10а, 10b, 10с), при этом:
либо модифицированный оптический сигнал (20а, 20b, 20с, 20d) модулируют второй частотой (f_LO(t) перед преобразованием,
либо модифицированный оптический сигнал (20а, 20b, 20с, 20d) перед преобразованием смешивают со вторым сигналом (25), модулированным второй частотой (f_LO(t)),
либо по меньшей мере один электрический сигнал (10, 10а, 10b, 10с) смешивают со вторым сигналом (7),
оцифровывают смешанный сигнал (12, 12а, 12b, 12с, 12d),
определяют измеряемую физическую величину с локальным разрешением на основе оцифрованных данных,
отличающийся тем, что
дополнительно формируют третий электрический сигнал (8) с третьей частотой, причем третья частота соответствует разностной частоте (f_ZF) или превышает ее в несколько раз, причем
смешанный сигнал (12, 12а, 12b, 12с, 12d) при оцифровывании сканируют с третьей частотой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что третья частота соответствует произведению разностной частоты (f_ZF) и коэффициента 2^N, где N составляет 0, 1, 2,….

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первый, и/или второй, и/или третий электрический сигнал (6, 7, 8) формируют с помощью прямого цифрового синтеза.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для прямого цифрового синтеза первого, и/или второго, и/или третьего электрического сигнала (6, 7, 8) применяют тактовый сигнал (5), в частности для прямого цифрового синтеза первого, второго и третьего электрических сигналов используют один и тот же тактовый сигнал (5).

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что третья частота превышает разностную частоту (f_ZF) в несколько раз.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что является методом измерения в частотной области, в частности методом оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR).

7. Устройство измерения физической величины с локальным разрешением для осуществления способа по любому из пп.1-6, содержащее:
средства для формирования первого электрического сигнала (6) с первой изменяющейся во времени частотой (f_RF(t));
средства для формирования второго электрического сигнала (7) со второй изменяющейся во времени частотой (f_LO(t)), отличающейся от первой частоты (f_RF(t)) на разностную частоту (f_ZF);
источник оптического излучения, в частности лазер (16), для формирования оптического сигнала (17), выполненный с возможностью управления таким образом, чтобы формировать оптический сигнал (17), модулированный первой частотой (f_RF(t)), или выполненный с возможностью модулирования выходного сигнала с формированием оптического сигнала (17), модулированного первой частотой f_RF(t);
средства (19) для обеспечения взаимодействия оптического сигнала (17) с объектом измерения, причем оптический сигнал (17) в результате взаимодействия с объектом измерения модифицируется в зависимости от информации о физической величине, измеряемой с локальным разрешением;
средства преобразования (21а, 21b, 21с, 21d), выполненные с возможностью преобразования модифицированного оптического сигнала (20а, 20b, 20с, 20d) по меньшей мере в один электрический сигнал (10, 10а, 10b, 10с);
средства для смешения и/или модуляции, выполненные с возможностью:
либо модулировать модифицированный оптический сигнал (20а, 20b, 20с, 20d) с использованием второй частоты (f_LO(t)) перед преобразованием,
либо смешивать модифицированный оптический сигнал (20а, 20b, 20с, 20d) с сигналом (25), модулированным второй частотой (f_LO(t)); перед преобразованием;
либо смешивать указанный по меньшей мере один электрический сигнал (10, 10а, 10b, 10с) со вторым сигналом (7);
цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (13, 13а, 13b, 13с) для оцифровывания по меньшей мере одного смешанного сигнала (12, 12а, 12b, 12с, 12d);
обрабатывающие средства (15) для определения измеряемой физической величины с пространственным разрешением на основе оцифрованных данных,
отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для формирования третьего электрического сигнала (8) с третьей частотой, причем третья частота соответствует разностной частоте (f_ZF) или превышает ее в несколько раз, при этом ЦАП (13, 13а, 13b, 13с) выполнен с возможностью сканирования по меньшей мере одного смешанного сигнала (12, 12а, 12b, 12с) для его оцифровывания с третьей частотой.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что средствами формирования первого электрического сигнала (6) является первая система прямого цифрового синтеза (DDS) (1), и/или средствами формирования второго электрического сигнала (7) является вторая система прямого цифрового синтеза (DDS) (2), и/или средствами формирования третьего электрического сигнала (8) является третья система прямого цифрового синтеза (DDS) (3).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что дополнительно содержит тактовый генератор (4), обеспечивающий тактовым сигналом (5) первую систему DDS (1), и/или вторую систему DDS (2), и/или третью систему DDS (3).

10. Устройство по любому из пп.7-9, отличающееся тем, что объект измерения представляет собой оптическое волокно (18), которое предпочтительно охватывается устройством, причем измеряемой физической величиной с локальным разрешением, в частности, является локальная температура оптического волокна (18).