КОГЕРЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Российский патент 2013 года по МПК G01D5/353 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для вибродиагностики сооружений, обнаружения несанкционированных воздействий на объекты, охраны периметров и обнаружения утечек газа или жидкости из трубопроводов.

Известен фазочувствительный когерентный импульсный рефлектометр, описанный в статье « Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System», Juan C. Juarez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, and Henry F. Taylor. Journal of Lightwave Technology, Vol.23, Issue 6, pp.2081 (2005) и защищенный патентом US 5194847, 1993. Указанный рефлектометр содержит в качестве источника оптического излучения непрерывный волоконный лазер с узкой полосой (до 3 кГц) и импульсный модулятор.

Недостатком известного устройства является существенная нелинейность выходного сигнала, обусловленная случайным начальным положением рабочей точки виртуальных интерферометров. Это приводит к появлению малочувствительных точек и ухудшению характеристик чувствительности информационно-измерительной системы.

Известен принятый за ближайший аналог более простой по конструкции когерентный рефлектометр (RU 2287131, 2006), содержащий электронный импульсный модулятор 1, источник когерентного излучения - импульсный полупроводниковый лазер 2 с шириной спектра порядка 1/Т (одночастотный лазер), где Т - длительность импульса излучения, светоделительное устройство 3 для организации рефлектометрического канала, которое может представлять собой циркулятор, направленный волоконный ответвитель или светоделитель на объемных оптических элементах, чувствительное волокно значительной протяженности (до 30-100 км), предпочтительно одномодовое, 4, фотоприемник с усилителем 5 и блок управления и обработки сигнала 6. Последний связан с модулятором 1. Лазер 2, светоделительное устройство 3 и чувствительное волокно 4 соединены последовательно. Выходной порт устройства 3 связан с фотоприемником 5, а последний - с блоком управления и обработки сигнала 6. Указанная выше ширина спектра полупроводникового лазера при работе в импульсном режиме обеспечивается либо применением распределенной обратной связи на полупроводниковом кристалле (РОС-лазер), либо путем организации распределенной обратной связи с помощью брэгговской внутриволоконной решетки. Требуемое пространственное разрешение устройства обеспечивается длительностью импульса оптического излучения Т и временным разрешением фотоприемника 5, которое должно быть не хуже длительности импульса Т. Для увеличения импульсной мощности между лазерным диодом 2 и циркулятором 3 может быть установлен волоконный усилитель, например, на основе эрбиевого активного волокна.

Недостатком ближайшего аналога является также существенная нелинейность выходного сигнала, обусловленная случайным начальным положением рабочей точки виртуальных интерферометров. Это приводит к появлению малочувствительных точек и ухудшению характеристик чувствительности информационно-измерительной системы.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обладающего высокой чувствительностью и позволяющего управлять положением рабочих точек виртуальных интерферометров, в том числе организовывать фазовую модуляцию (или фазовую манипуляцию) для получения неискаженных акустических сигналов от всех виртуальных чувствительных элементов, расположенных по длине чувствительного волокна (оптического кабеля).

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение чувствительности к вибрационным воздействиям за счет возможности управления рабочими точками виртуальных интерферометров.

Технический результат достигается тем, что в когерентном оптическом рефлектометре для обнаружения вибрационных воздействий, содержащем связанные между собой импульсный модулятор и импульсный источник излучения, средство организации двунаправленной передачи излучения, имеющее связь с импульсным источником излучения, с чувствительным волокном и через фотоприемник - с блоком управления и обработки, соединенным с входом импульсного модулятора, связь средства организации двунаправленной передачи излучения с импульсным источником излучения выполнена в виде двух оптических путей, образованных двумя оптическими разветвителями, один из которых подсоединен к выходу импульсного источника, другой - к средству организации двунаправленной передачи излучения, при этом один из оптических путей имеет линию задержки и в одном из них расположен фазовый модулятор, связанный с блоком управления и обработки.

В конкретных случаях реализации средство организации двунаправленной передачи излучения может быть выполнено в виде светоделителя (направленного ответвителя) или циркулятора, фазовый модулятор может быть интегрально-оптическим или, например, на основе пьезоэлемента, механически связанного с оптическим волокном, импульсный источник излучения - в виде одночастотного лазера (полупроводникового), например, в виде диода.

Для увеличения импульсной мощности между импульсным источником излучения и первым разветвителем или между вторым разветвителем и средством организации двунаправленной передачи излучения может быть установлен волоконный усилитель, например, на основе эрбиевого активного волокна.

С целью исключения возникновения интерференции между оптическими волнами, распространяющимися по двум оптическим путям между разветвителями, целесообразно, чтобы длина L линии задержки удовлетворяла соотношению

L>tc/n,

где L - длина линии задержки;

t - длительность импульса источника излучения;

с - скорость света в вакууме;

n - эффективный показатель преломления материала линии задержки.

На графических изображениях схематически показан предлагаемый когерентный оптический рефлектометр для обнаружения вибрационных воздействий (фиг.1) и импульс примерно удвоенной длительности, возникший в результате суммирования прямого и задержанного импульсов (фиг.2).

Устройство включает связанные между собой импульсный модулятор 1 и импульсный источник 2 излучения. Средство 3 организации двунаправленной передачи излучения имеет связь с импульсным источником 2 излучения, с чувствительным волокном 4 и через фотоприемник 5 - с блоком 6 управления и обработки. Связь средства 3 организации двунаправленной передачи излучения с импульсным источником 2 излучения выполнена в виде двух оптических путей, образованных двумя оптическими разветвителями 7, 8. Один из разветвителей 7 подсоединен к выходу импульсного источника 2 излучения, другой 8 - к средству 3 организации двунаправленной передачи излучения. Один из оптических путей имеет линию задержки 9. В одном из оптических путей расположен фазовый модулятор 10, связанный с блоком 6 управления и обработки. Блок 6 управления и обработки соединен с входом импульсного модулятора 1.

В конкретном примере осуществления изобретения для управления положением рабочей точки зондирующий оптический импульс выполняют составным как сумму двух полуимпульсов с фазовой модуляцией (или манипуляцией) между этими полуимпульсами. С этой целью в известное устройство, содержащее электронный импульсный модулятор 1, источник когерентного излучения - импульсный полупроводниковый лазер 2 с шириной спектра порядка 1/Т, где Т - длительность импульса излучения, светоделительное устройство - светоделитель (направленный ответвитель) 3 для организации рефлектометрического канала, чувствительное волокно значительной протяженности (до 30-100 км) 4, фотоприемник 5 с усилителем и блок 6 управления и обработки, дополнительно вводят первый оптический разветвитель 7 и второй оптический разветвитель 8. Волоконную линию 9 задержки, фазовый модулятор 10 размещают в одном из двух образованных между оптическими разветвителями 7, 8 оптических путей. Фазовый модулятор 10 управляется электрическим сигналом, вырабатываемым блоком 6 управления и обработки. Для увеличения импульсной мощности между лазерным диодом 2 и разветвителем 7 или между разветвителем 8 и направленный ответвитель 3 может быть установлен волоконный усилитель, например, на основе эрбиевого активного волокна (на графическом изображении не показан). Длина линии 9 задержки выбирается таким образом, чтобы не возникала интерференция между оптическими волнами, распространяющимися по двум оптическим путям между разветвителями 7 и 8. С этой целью значение длины L линии 9 задержки должно превышать значение отношения произведения длительности импульса источника 2 излучения (t) и скорости (с) света в вакууме к эффективному показателю (n) преломления материала линии задержки.

Направленные оптические разветвители 7 и 8 представляют собой стандартные изделия волоконно-оптической техники. Линия 9 задержки - есть отрезок оптического волокна длиной, которая обеспечивает задержку на длительность оптического импульса, генерируемого лазером 2. Фазовый модулятор 10 может быть включен в любой из оптических путей между разветвителями 7 и 8. Фазовый модулятор 10 может быть выполнен как интегрально-оптическим, так и на основе механически связанного с оптическим волокном пьезоэлемента или иного устройства, осуществляющего фазовую модуляцию или фазовую манипуляцию оптического сигнала.

Устройство работает следующим образом. По сигналу блока 6 управления и обработки модулятор 1 дает импульс заданной длительности на полупроводниковый лазер 2. В момент протекания по лазеру 2 тока инжекции он формирует когерентный импульс соизмеримой длительности. Этот лазерный импульс посредством разветвителя 7 разводится на два оптических пути, один из которых содержит линию 9 задержки. На оптическом разветвителе 8 происходит суммирование прямого и задержанного импульсов, в результате возникает импульс примерно удвоенной длительности, показанный схематически на фиг.2. Благодаря наличию фазового модулятора 10 обеспечивается управляемый фазовый сдвиг между показанными полуимпульсами. Излучение с изображенной на фиг.2. структурой поступает через направленный ответвитель 3 в чувствительное волокно 4, где рассеивается, в том числе в обратном направлении. Рассеянное излучение поступает через направленный ответвитель 3 на фотоприемник 5. Блок 6 управления и обработки воспринимает полученные сигналы и производит их оцифровку. По команде этого блока осуществляется управление фазовым модулятором 10, благодаря чему можно организовать различные режимы работы устройства (фазовую модуляцию), переключение фазы (манипуляцию) и т.д. Результатом использования предложенного устройства является повышение чувствительности за счет устранения нечувствительных участков или за счет линейного воспроизведения акустических сигналов.

Рефлектометр содержит связанные между собой импульсный модулятор и импульсный источник излучения и средство организации двунаправленной передачи излучения. Средство организации двунаправленной передачи излучения имеет связь с импульсным источником излучения, с чувствительным волокном и через фотоприемник - с блоком управления и обработки, соединенным с входом импульсного модулятора. Связь средства организации двунаправленной передачи излучения с импульсным источником излучения выполнена в виде двух оптических путей, образованных двумя оптическими разветвителями. Один из них подсоединен к выходу импульсного источника, другой - к средству организации двунаправленной передачи излучения. Один из оптических путей имеет линию задержки и в одном из них расположен фазовый модулятор, связанный с блоком управления и обработки. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Когерентный оптический рефлектометр для обнаружения вибрационных воздействий, содержащий связанные между собой импульсный модулятор и импульсный источник излучения, средство организации двунаправленной передачи излучения, имеющее связь с импульсным источником излучения, с чувствительным волокном и через фотоприемник - с блоком управления и обработки, соединенным с входом импульсного модулятора, отличающийся тем, что связь средства организации двунаправленной передачи излучения с импульсным источником излучения выполнена в виде двух оптических путей, образованных двумя оптическими разветвителями, один из которых подсоединен к выходу импульсного источника, другой - к средству организации двунаправленной передачи излучения, при этом один из оптических путей имеет линию задержки и в одном из них расположен фазовый модулятор, связанный с блоком управления и обработки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовый модулятор выполнен интегрально-оптическим.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовый модулятор выполнен на основе пьезоэлемента, механически связанного с оптическим волокном.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство организации двунаправленной передачи излучения выполнено в виде светоделителя или циркулятора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве светоделителя применен направленный ответвитель.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что импульсный источник излучения выполнен в виде одночастотного лазера.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что одночастотный лазер выполнен полупроводниковым, например, в виде диода.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между импульсным источником излучения и первым разветвителем или между вторым разветвителем и средством организации двунаправленной передачи излучения установлен волоконный усилитель, например, на основе эрбиевого активного волокна.

9. Устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что линия задержки имеет длину L, удовлетворяющую соотношению
L>tc/n,
где L - длина линии задержки;
t - длительность импульса источника излучения;
с - скорость света в вакууме;
n - эффективный показатель преломления материала линии задержки.