УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТЯЖЕННОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2014 года по МПК G01D5/353 G01H9/00 

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, предназначенных для обнаружения механических работ или движения людей и механизмов вблизи чувствительного элемента устройства. Заявленное устройство может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, например периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов.

Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брегга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала. Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент РФ №2141102). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.

Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде волоконного лазера с модуляцией добротности, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент РФ №2271446). Недостатком известного устройства является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, связанных с импульсным режимом работы лазера и чувствительностью волоконного лазера к техническим шумам. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства, а также затрудняет его использование в полевых условиях.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительный элемент в виде оптического волокна, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент США №5194847).

Недостатком известного устройства (прототипа) является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, обусловленных конечной шириной полосы излучения полупроводниковых лазеров, типичное значение которой превышает несколько МГц, а также наличие паразитного слабого излучения, проходящего через модулятор в выключенном состоянии. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащем непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, кроме того, перед узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент введен оптический усилитель мощности излучения, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен оптический предварительный усилитель, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен узкополосный оптический фильтр с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц, кроме того, узкополосный оптический фильтр выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки с уменьшенной до 10 ГГц максимальной полосой пропускания, при этом непрерывный полупроводниковый лазер с брэгговским селективным отражателем и узкополосный оптический фильтр помещены в один термостатированный блок, кроме того, узкополосный оптический фильтр и брэгговский селективный отражатель непрерывного полупроводникового лазера выполнены на одной подложке, кроме того, оптический предварительный усилитель выполнен на основе активного эрбиевого волокна, кроме того, между фотоприемником рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем введен оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:

на фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство;

на фиг.2 показана схема размещения брэгговского отражателя лазера и оптического фильтра в виде отражательной брэгговской решетки на одной подложке;

на фиг.3 показана типичная рефлектограмма от одного импульса;

на фиг.4 показан результат наложения многих рефлектограмм, на котором хорошо видна область воздействия;

на фиг.5 показаны зависимости разностей сигналов последовательных рефлектограмм от расстояния до места воздействия.

Устройство включает в себя непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, усилитель мощности 3, узел 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 и вывода рассеянного излучения, оптический предварительный усилитель 6, оптический фильтр 7, фотоприемник 8, узел 9 обработки сигнала с процессором, оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена, брэгговский селективный отражатель 11 лазера 1 (фиг.2, лазер 1 обозначен пунктирным контуром), термостатированный блок 12 (фиг.2, обозначен пунктирным контуром), подложка 13 (фиг.2, обозначена сплошным контуром), активный элемент 14 лазера 1, циркулятор 15 оптического фильтра 7 (для случая, когда оптический фильтр 7 - на фиг.2 показан пунктирным контуром - выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки).

Устройство работает следующим образом.

От лазера 1 непрерывное узкополосное излучение поступает на акустооптический модулятор 2, вырезающий из него короткие импульсы прямоугольной формы. Длина волны излучения, в частности, может составлять 1550 нм. Импульсы прямоугольной формы усиливаются в усилителе мощности 3 и через узел 4 поступают в чувствительный элемент 5 - оптический кабель, расположенный внутри или рядом с контролируемым объектом (не показан).

В оптическом волокне излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (релеевское рассеяние).

Рассеянное излучение через узел 4 поступает на оптический предварительный усилитель 6 и после усиления в нем поступает на узкополосный оптический фильтр 7, после фильтрации узкополосным оптическим фильтром 7 излучение поступает на фотоприемник 8, преобразуется в электрический сигнал и поступает на узел 9 для анализа и обработки.

Кроме того, рассеянное излучение после усиления в оптическом предварительном усилителе 6 на основе активного эрбиевого волокна может дополнительно усиливаться введенным в устройство оптическим усилителем 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера 1.

При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и, соответственно, фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайной фазе интерферирующего рассеянного излучения. В отсутствие виброакустических воздействий и изменений несущей частоты прямоугольного тестирующего импульса рефлектограммы от разных импульсов, полученные в разные моменты времени, совпадают. При наличии виброакустического воздействия на чувствительный элемент 5 рефлектограммы от разных импульсов в области воздействия оказываются разными. Величина изменений определяет интенсивность воздействия, а временная задержка относительно тестирующего прямоугольного импульса однозначно определяет координату воздействия.

Характер и координату воздействия определяет блок 9 из сравнения множества рефлектограмм путем определения мест их существенных изменений.

Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.

Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что непрерывный полупроводниковый лазер 1 содержит брэгговский селективный отражатель 11, обеспечивающий сужение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц. Данный признак обеспечивает уменьшение паразитного шума, возникающего при обнаружении виброакустических воздействий и их локализации. Принцип обнаружения виброакустических воздействий в заявляемом устройстве и в прототипе основан на сравнении двух или более рефлектограмм, полученных от разных тестирующих импульсов, и обнаружении участков, на которых полученные от разных импульсов рефлектограммы отличаются. Отличие в рефлектограммах и есть результат виброакустического воздействия на чувствительный элемент. Однако в прототипе из-за случайных изменений во времени частоты несущей тестирующего оптического импульса (до нескольких МГц) форма рефлектограммы изменяется даже в отсутствие воздействия на чувствительный элемент. Это приводит к формированию паразитного шумового сигнала, маскирующего полезный сигнал и, следовательно, снижающего чувствительность, разрешающую способность и дальность действия устройства. В заявляемом устройстве уменьшение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц снижает уровень паразитных шумов более чем на порядок и обеспечивает увеличение чувствительности, разрешающей способности и дальности действия устройства.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс с длительностью фронта и спада менее 20 нс, следующих с частотой от 200 Гц до 50 кГц, с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, что в соотношении с прототипом означает не менее 30 дБ. В прототипе для формирования из непрерывного излучения импульсного сигнала используются обычные электрооптические модуляторы с коэффициентом гашения 20-25 дБ, это означает, что примерно одна сотая мощности непрерывного излучения проходит в чувствительный элемент, рассеивается и попадает на фотоприемник. Это излучение не несет полезной информации, является паразитным шумовым излучением и приводит к уменьшению отношения сигнал-шум, т.е. в конечном счете к уменьшению чувствительности и дальности действия устройства. Использование в заявляемом устройстве акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне позволяет снизить уровень засветки на порядок.

Другие отличия в свете заявленного технического результата:

- перед узлом 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 расположен оптический усилитель мощности 3 излучения: увеличение мощности сигнала приводит к увеличению полезного сигнала и тем самым увеличивает чувствительность;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен оптический предварительный усилитель 6: увеличивается мощность рассеянного излучения - увеличивается чувствительность;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен узкополосный оптический фильтр 7 с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц: уменьшается мощность шума, а мощность сигнала не изменяется, т.к. ширина спектра сигнала меньше полосы фильтра, а ширина полосы шума больше полосы фильтра;

- узкополосный оптический фильтр 7 выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки и его максимальная полоса пропускания уменьшена до менее 10 ГГц, при этом непрерывный полупроводниковый лазер 1 с брэгговским селективным отражателем 11 и узкополосный оптический фильтр 7 помещены в один термостатированный блок 12: положительный эффект от узкополосного фильтра - уменьшение мощности шума. Однако при ширине оптического фильтра менее 10 ГГц необходима термостабилизация и взаимная привязка полосы фильтра и спектра излучения лазера. В отсутствие термостабилизации тепловые уходы полосы могут приводить к случайным уходам полосы фильтра и/или лазера такой величины, при которой уменьшается амплитуда и искажается форма сигнала. Расположение брэгговского селективного отражателя 11 лазера 1 и узкополосного оптического фильтра 7 в одном термостабилизирующем блоке 12 обеспечивает поддержание в них одинаковой температуры, что снижает тепловое рассогласование частоты лазера и полосы фильтра. При этом, если узкополосный оптический фильтр 7 и брэгговский селективный отражатель 11 непрерывного полупроводникового лазера 1 изготовлены на одной подложке 13, то тепловое рассогласование еще больше уменьшается, т.к. температурные вариации будут в лазере и фильтре одинаковыми: частота излучения лазера и полоса фильтра могут термически перестраиваться, но взаимного рассогласования происходить не будет;

- оптический предварительный усилитель 6 выполнен на основе активного эрбиевого волокна: увеличение мощности рассеянного излучения достигается при минимальном увеличении оптического отношения сигнал/шум благодаря малому значению шум-фактора такого усилителя - увеличивается чувствительность;

- между фотоприемником 8 рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем 6 расположен оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюена: поскольку ширина полосы усиления такого усилителя находится в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, то мощность сигнала значительно возрастает, а мощность широкополосного шума практически не изменяется, т.к. ширина спектра шума значительно больше полосы усиления, а ширина полосы сигнала совпадает с полосой усиления усилителя - увеличивается чувствительность.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом наглядно показано в табл.1.

Таблица 1 Виды технического результата и их размерность Показатели фактические или расчетные Объяснение, за счет чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом   прототипа заявляемого объекта Дальность действия, км 50 100 сужение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц; увеличение коэффициента гашения более 30 дБ; усилитель мощности и предусилитель; узкополосный оптический фильтр; оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена Чувствительность, рад 0,1 0,02 То же, что и дальность Диапазон рабочих температур, град От +10 до +40 От -20 до +60 Термостатирование узкополосного фильтра и расположение его на одной подложке с лазером

Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности периметра протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что заявленный технический результат - повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства - достигнут.

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, при этом непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования. Техническим результатом от применения изобретения является повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, отличающийся тем, что непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент введен оптический усилитель мощности излучения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотоприемником рассеянного излучения введен оптический предварительный усилитель.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотоприемником рассеянного излучения введен узкополосный оптический фильтр с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оптический предварительный усилитель выполнен на основе активного эрбиевого волокна.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узкополосный оптический фильтр выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки с уменьшенной до 10 ГГц максимальной полосой пропускания.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что непрерывный полупроводниковый лазер с брэгговским селективным отражателем и узкополосный оптический фильтр объединены в один термостатированный блок.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узкополосный оптический фильтр и брэгговский селективный отражатель непрерывного полупроводникового лазера выполнены на одной подложке.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, между фотоприемником рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем введен оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера.