ФАЗОВОЕ СЧИТЫВАНИЕ Российский патент 2015 года по МПК G01H9/00 

Настоящее изобретение относится к оптоволоконному считыванию и, в частности, к распределенному акустическому считыванию (DAS).

Распределенное акустическое считывание (DAS) предлагает альтернативную форму оптоволоконного считывания точечных датчиков, посредством которого оптически опрашивается только один отрезок протяженного волокна, обычно одним или несколькими импульсами, чтобы обеспечить, по существу, непрерывное считывание акустического/вибрационного воздействия вдоль его длины. Один отрезок волокна обычно представляет собой одномодовое волокно, предпочтительно, свободное от каких-либо зеркал, отражателей, решеток, или изменения оптических свойств вдоль его длины.

В распределенном акустическом считывании, обычно, используется обратное рассеяние Рэлея. Из-за случайных неоднородностей в стандартных оптических волокнах небольшое количество света из импульса, попавшего в волокно, отражается назад от каждой точки вдоль отрезка волокна, в результате чего получается непрерывный возвращенный сигнал в ответ на один входной импульс. Анализируя рассеянное в обратном направлении внутри волокна излучение, волокно можно эффективно разделить на множество дискретных чувствительных частей, расположенных вдоль по длине волокна, которые могут быть (но не обязано) смежными.

Если вдоль волокна появляется возмущение, оно изменяет рассеиваемый в обратном направлении свет в этой точке. Это изменение может детектироваться в приемнике и по нему может быть оценен сигнал источника возмущения. Низкие уровни шума и высокая разрешающая способность могут быть достигнуты с использованием подхода когерентного оптического рефлектометра временной области (C-OTDR), как описано выше.

Альтернативный подход для DAS основан на гетеродинной интерферометрии. При этом подходе свет, который прошел через данную секцию волокна, интерферирует со светом, который через нее не прошел. Любое возмущение в этой секции волокна вызывает изменение фазы между двумя частями света, которые интерферируют, и это изменение фазы может быть измерено для того, чтобы получить более точную оценку сигнала возмущения, по сравнению с оценкой возможной в C-OTDR. Динамический диапазон для такой системы ограничен, особенно, когда выполняется считывание очень длинных волокон, и часто желательным является использование какого-либо способа увеличения динамического диапазона.

Для этой цели предложено множество различных способов. Один особенно подходящий пример - это способ считывания производной (DST), изложенный в параллельной заявке WO 2008/110780, на которую дается ссылка. Этот документ описывает известный тип сборного датчика, содержащего четыре чувствительных катушки оптического волокна, расположенные между пятью соединенными волокнами зеркалами. Опрос сборного датчика производится путем ввода пары оптических импульсов, причем катушки и импульсы организованы так, что возвращается серия импульсов, и информация от каждой чувствительной катушки извлекается из фазы, полученной соответствующими импульсами. В WO 2008/110780 указано, что если вместо этого измеряется изменение, или производная фазы, она будет иметь намного меньшую амплитуду, чем сам сигнал, если разность между двумя моментами времени, в которые сигнал измеряется, намного меньше, чем период измеряемого сигнала. Далее, предложены система и способ, который управляет хронированием импульсов, возвратившихся от сборного датчика таким образом, что они попеременно содержат прямую или "нормальную" информацию о фазе и производную фазы. Фиг. 6 в WO 2008/110780 воспроизводится на сопроводительной Фиг. 4 и показывает комбинацию последовательности возвратившихся импульсов 604 и 606, содержащую информацию о производной (например, в момент времени 614), перемеженную по времени с комбинацией последовательности возвратившихся импульсов 602 и 608, которая содержит прямую информацию о фазе (например, в момент времени 612).

Цель настоящего изобретения - предложить улучшенные способы и устройство для обеспечения распределенного акустического считывания.

Согласно первому аспекту изобретения, предлагается способ распределенного акустического считывания (DAS) путем опроса отрезка оптического волокна, причем упомянутое оптическое волокно обеспечивает изменение в фазе распространения сигнала в зависимости от считываемого параметра, причем упомянутый метод содержит: введение входного сигнала в отрезок оптического волокна; прием возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на упомянутый входной сигнал; сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени; и выведение из упомянутого сравнения измерения скорости изменения фазы во времени упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения, первый возвращенный сигнал смещен по частоте относительно упомянутого второго возвращенного сигнала.

При этом подходе, способ считывания производной может быть применен к распределенному акустическому считыванию (DAS), несмотря на тот факт, что DAS обеспечивает, по существу, непрерывный возвращенный сигнал. Это противоположно случаю импульсных возвращенных сигналов, обеспечиваемых точечными датчиками, которые естественным образом обеспечивают возможность перемежения нормального и производного выходных сигналов.

DAS дает преимущество в том, что может использоваться не модифицированный, по существу, непрерывный отрезок стандартного волокна (например, SMF28), требующий мало или не требующий модификаций или подготовки к использованию. Предпочтительно, детектируются и анализируются сигналы обратного рассеяния Рэлея. Один пример установки распределенного акустического считывания работает с протяженным волокном до 40 км длиной и способен разделять считанные данные по множеству каналов, соответствующих отрезкам в 10 м. Подходящая DAS система описана, например, в GB 2442745.

Так как волокно не имеет разрывов, длина и расположение секций волокна, соответствующих каждому каналу, определяется опросом волокна. Они могут выбираться согласно физическому устройству волокна и структуры или пространства, которое оно контролирует, а также согласно типу требуемого контроля. При этом подходе, расстояние вдоль волокна и длина каждой секции волокна, или разрешающая способность канала, могут легко изменяться с помощью регулировок устройства опроса, изменяющих длину входного импульса, интервал разнесения между импульсами и коэффициент заполнения входного импульса, без каких-либо изменений в волокне.

На смещение частоты, наложенное между первым и вторым возвращенными сигналами, может оказываться влияние смещение, приложенное к одному или другому из возвращенных сигналов, например, посредством использования акустооптического модулятора (АОМ). В таком случае, можно ожидать минимального смещение частоты примерно в 40 МГц. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, первый возвращенный сигнал модулирован первым смещением частоты, а второй возвращенный сигнал модулирован вторым смещением частоты. Это позволяет реализовать небольшие разницы и большую гибкость в выборе используемых частот. Удобный способ выполнения этого состоит в пропускании принятых возвращенных сигналов через выходной интерферометр, причем упомянутый выходной интерферометр выполняется с возможностью модулировать сигнал в каждом плече разным смещением частоты. Могут использоваться интерферометры Майкельсона и Маха-Цендера.

В некоторых вариантах осуществления изобретения, сигнал, вводимый в исследуемое волокно, содержит пару разнесенных во времени импульсов. Эти импульсы обычно будут иметь различные смещения частоты, и гетеродинная интерферометрия может использоваться при анализе рассеянных сигналов. Смещение (смещения) частоты, приложенные к первому и второму возвращенным сигналам, и смещения частоты во входных импульсах желательно выбирать так, чтобы обеспечить возможность простого выделение желаемых выходных компонентов, то есть различных несущих частот, как объясняется ниже. В качестве альтернативы или дополнительно, можно управлять длиной волны входных импульсов, чтобы обеспечить дополнительное управление выходными компонентами, как описано в примерах ниже.

Первый и второй возвращенный сигналы разделяются примерно на 125 нс в одном варианте осуществления изобретения, однако это может меняться, чтобы удовлетворить требованиям применения; в различных вариантах осуществления изобретения могут быть желательными разделения меньше 500 нс, или меньше чем 250 нс или 100 нс.

В вариантах осуществления изобретения, способ дополнительно содержит сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от первой части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от второй части упомянутого волокна, по существу, в тот же самый момент времени. Это обеспечивает "нормальное" измерение фазы и, таким образом, "прямой" акустический сигнал. Предпочтительно, чтобы измерения фазы и измерения скорости изменения фазы определялись, по существу, одновременно, в ответ на общий входной сигнал. Варианты осуществления изобретения, демонстрирующие эту особенность, могут использоваться в способах обеспечения множества чувствительных выходных сигналов, как описано в заявке PCT № GB 2009/01480, опубликованной как WO 2010/004249.

Дополнительный аспект изобретения обеспечивает систему распределенного акустического считывания (DAS) для опроса отрезка оптического волокна, причем упомянутое оптическое волокно обеспечивает изменение в фазе распространения сигнала в зависимости от считываемого параметра, и упомянутая система содержит: приемник для приема сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на входной сигнал; выходной интерферометр, выполненный с возможностью комбинировать первый принятый сигнал, рассеянный в обратном направлении от первой части упомянутого волокна в первый момент времени, и второй принятый сигнал, рассеянный в обратном направлении в той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени, причем упомянутый выходной интерферометр включает в себя модулятор частоты, по меньшей мере, в одном плече, для наложения разницы частоты между упомянутым первым и вторым возвращенными сигналами; и фазовый детектор для приема упомянутых комбинированных сигналов и определения скорости изменения фазы во времени у упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

Система может включать в себя источник света для обеспечения входного сигнала исследуемого волокна.

Изобретение распространяется на способы, устройство и/или использование как, по существу, описано здесь, со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Любой признак одного из аспектов изобретения может быть применен к другим аспектам изобретения, в любой подходящей комбинации. В частности, аспекты способа могут быть применены к аспектам устройства, и наоборот.

Более того, признаки, реализуемые в аппаратных средствах, могут, в целом, быть реализованы в программном обеспечении, и наоборот. Любая ссылка на признаки программного обеспечения и аппаратных средств должна толковаться соответствующим образом.

Предпочтительные признаки настоящего изобретения будут описаны далее, исключительно для примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает первый пример осуществления изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует альтернативную схему импульса;

Фиг. 3 показывает альтернативный пример осуществления изобретения;

Фиг. 4 иллюстрирует импульсный выходной сигнал предыдущего уровня техники.

Как показано на фиг. 1, два оптических импульса 102 и 104 генерируются со смещениями частоты f1 и f2, и разделением между их началами в x метров. Эти импульсы включают в себя входной сигнал, который проходит через циркулятор 106 в исследуемое волокно (FUT) 108, которое, как объяснялось, может быть отрезком не модифицированного одномодового волокна. Свет, который рассеивается в обратном направлении в ответ на входные импульсы, проходит назад через циркулятор и затем через выходной интерферометр 110 перед тем, как достигнет фотодетектора 112. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения интерферометр и фотодетектор сконфигурированы для работы с Рэлеевскими обратно рассеянными сигналами. Выходной интерферометр имеет акустооптические модуляторы (АОМ) 116 и 118 в каждом плече, которые работают непрерывно, прикладывая смещения частоты f3 и f4 Гц соответственно. Одно плечо также имеет катушку задержки для приложения задержки, равной разнесению импульсов, то есть длиной х метров.

Начиная с позиций, показанных на фиг. 1, можно увидеть, что, проходя к и от циркулятора, свет из f2 импульса 104, который проходит через с задержкой выходного интерферометра, проходит то же расстояние, что свет из f1 импульса 102, который проходит через более короткое плечо интерферометра. Таким образом, если свет от этих импульсов приходит на фотодетектор в одно и то же время, они должны были отразиться от одной и той же секции волокна, но в разные моменты времени, и, таким образом, они формируют сигнал производной. То есть, так как они прошли один и тот же оптический путь, разность фаз между ними - это только изменение длины оптического пути в течение интервала времени разнесения между двумя импульсами. Смещения частот этих двух импульсов равны f2+f4 и f1+f3, и таким образом, они смешиваются, чтобы образовать сигнал несущей с частотой

С1=(f2-f1)+(f4-f3).

Свет от f2 импульса, который проходит через более короткое плечо интерферометра, должен пройти дополнительные 2х метров (то есть удвоенный путь х метров) в исследуемом волокне для того, чтобы прийти на фотодетектор в одно и то же самое время, что и свет от импульса f1, который прошел через плечо с задержкой. Это произведет нормальный сигнал (то есть не производную), который соответствует х метрам FUT. Импульсы, которые генерируют этот нормальный сигнал, имеют частоты f2+f3 и f1+f4, которые смешиваются, чтобы образовать сигнал несущей с частотой

С2=(f2-f1)+(f3-f4).

Другие несущие частоты, которые генерируются, происходят от обоих импульсов, проходящих через одно и то же плечо интерферометра

С3=f2-f1

или от одного и того же импульса, проходящего через оба плеча интерферометра, что дает

С4=f3-f4.

Соответствующим выбором f1-4 мы можем обеспечить то, что все C1-4 будут различными, и будет возможно разделить каждый сигнал несущей. Например, если

f1=0 МГц, f2=10 МГц, f3=20 МГц, f4=50 МГц, тогда

С1=40 МГц, С2=20 МГц, С3=10 МГц, С4=30 МГц, отметим, что во всех показанных случаях частота положительна. Следует отметить, что все частоты, показанные для импульсов f1-f4, относятся к произвольной опорной частоте и, таким образом, могут иметь нулевое или отрицательное значение, так же, как и положительное.

Несущая, которая имеет нормальный сигнал с самой большой пространственной разрешающей способностью, - это С3, и она получается из импульсов, отражающихся от секций волокна, разделенных на х/2 метров. Однако этот выходной сигнал интерферометра состоит из двух версий этого сигнала (соответствующих плечу с задержкой и плечу без задержки в интерферометре) от секций волокна, разделенных на х/2 метров, наложенных друг на друга. Эта проблема может быть решена, если, как показано на фиг. 1, выходной сигнал волокна разделяется, и одно ответвление идет на фотодетектор 114, который будет видеть только одну несущую С3 с этим нормальным сигналом с высокой пространственной разрешающей способностью.

GB 2442745 описывает то, как некоторое количество пар импульсов, каждая из которых формирует различную несущую частоту, может быть одновременно использовано для опроса DAS системы. В этом документе, целью множества несущих является обеспечение дублирования, чтобы устранить проблему когерентного фединга, приводящего к тому, что амплитуда одной несущей становится слишком низкой для демодуляции.

В вариантах осуществления настоящего изобретения также возможно передавать набор пар импульсов с различными частотами, чтобы преодолеть проблему когерентного фединга. Например, использование значений f1=-5 МГц, f2=15 МГц, и затем f1=-10 МГц, f2=20 МГц, приведет к С1=50, и затем 60 МГц, соответственно, причем все другие частоты останутся на уровне 30 МГц или меньше. На фотодетекторе 114, нормальные сигналы с несущими 10, 20 и 30 МГц будут получаться для трех наборов пар импульсов.

В одном предложенном варианте осуществления изобретения, задержка между двумя импульсами будет примерно 125 нс. Амплитуда сигнала производной пропорциональна интервалу разнесения между двумя импульсами, и с такой относительно небольшой задержкой сигнал производной в некоторых приложениях может иметь достаточно низкое отношение сигнал/шум (SNR), когда нормальный сигнал избыточен, особенно, если частота возмущения низкая. Амплитуда сигнала производной могла бы быть улучшена путем увеличения интервала разнесения импульсов, однако это оказало бы неблагоприятное воздействие на пространственную разрешающую способность системы.

Предложенный способ решения этой проблемы может состоять в передаче серии из трех импульсов, как показано в варианте осуществления изобретения на фиг. 2.

Входные импульсы f1 и f2 снова имели бы интервал разнесения х метров, и смешивались бы на фотодетекторе 114, чтобы сформировать нормальный сигнал для секции волокна длиной х/2 метров. Входные импульсы f1 и вновь введенный импульс f5 имели бы гораздо больший интервал разнесения у метров, и после прохождения через выходной интерферометр (теперь, с катушкой задержки у метров) импульс f5 смешивался бы с импульсом f1 на фотодетекторе 112, чтобы дать сигнал производной, основанный на интервале времени разнесения yn/c, где n - показатель преломления волокна, и с - скорость света. Например, временное разнесение между упомянутым входным импульсом fl и вновь введенным импульсом было бы больше, чем удвоенное временное разнесение между входными импульсами f1 и f2.

Так как каждый из этих импульсов должен иметь, предпочтительно, различную частоту, это увеличивает количество генерируемых несущих частот, что делает более трудным нахождение набора частот, которые производят желаемые сигналы на несущих, хорошо отделенных от каких-либо других частот. В качестве альтернативы, система могла бы генерировать пары импульсов на двух различных длинах волн, используя схему, показанную на фиг. 3. Длина волны 2 (входные импульсы 302 и 306) имела бы больший интервал разнесения импульсов, чтобы производить сигналы производной, тогда как длина волны 1 (входные импульсы 302 и 304) имели бы более короткий интервал разнесения импульсов, чтобы производить нормальные сигналы. На приемной стороне, длины волн разделялись бы демультиплексором длин волн 310 с λ2, проходящей через выходной интерферометр на фотодетектор 312, и λ1, проходящей непосредственно на фотодетектор 314. Одна и та же пара смещений частот (f1 и f2) могла бы использоваться для двух длин волн.

Будет понятно, что настоящее изобретение было описано выше исключительно в качестве примера, и в рамках объема изобретения может выполняться модификация его деталей.

Каждый признак, изложенный в описании изобретении, и (в соответствующих случаях) формуле изобретения, и чертежах, может обеспечиваться отдельно, или в любой подходящей комбинации.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам фазометрии для определения акустических или вибрационных возмущений. Способ распределенного акустического считывания обеспечивает измерение производной или скорости изменения сигнала, рассеянного в обратном направлении в волокне. Способ осуществляется путем введения входного сигнала в отрезок оптического волокна, приема возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на упомянутый входной сигнал, сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени. При этом первый возвращенный сигнал модулирован первым смещением частоты, а упомянутый второй возвращенный сигнал модулирован вторым смещением частоты. В дальнейшем осуществляется вычисление скорости изменения фазы во времени для упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала. Устройство содержит оптическое волокно, приемник сигнала, рассеянного в обратном направлении, выходной интерферометр, содержащий модулятор частоты, фазовый детектор. Технический результат - улучшение качеств считывания фазовой составляющей. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ распределенного акустического считывания (DAS) путем опроса отрезка оптического волокна, причем упомянутое оптическое волокно обеспечивает изменение в фазе распространения сигнала в зависимости от считываемого параметра, причем упомянутый способ содержит:
введение входного сигнала в отрезок оптического волокна;
прием возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на упомянутый входной сигнал;
сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени;
причем первый возвращенный сигнал модулирован первым смещением частоты, а упомянутый второй возвращенный сигнал модулирован вторым смещением частоты; и
получение из упомянутого сравнения измерения скорости изменения фазы во времени для упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

2. Способ по п. 1, в котором упомянутый первый возвращенный сигнал смещен по частоте относительно упомянутого второго возвращенного сигнала.

3. Способ по п. 1, причем упомянутый способ содержит пропускание принятых возвращенных сигналов через выходной интерферометр, причем упомянутый выходной интерферометр выполнен с возможностью модулировать сигнал в каждом плече упомянутыми первым и вторым смещениями частоты.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутый входной сигнал содержит пару разнесенных во времени импульсов.

5. Способ по п. 4, в котором упомянутые импульсы имеют различные смещения частоты.

6. Способ по одному из пп. 1-3, дополнительно содержащий получение значения фазы на основе упомянутой измеренной скорости изменения фазы.

7. Способ по одному из пп. 1-3, дополнительно содержащий сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от первой части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от второй, отличающейся части упомянутого волокна, по существу, в тот же самый момент времени; и вывод из упомянутого сравнения измерения фазы упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

8. Способ по п. 7, в котором упомянутое измерение фазы и упомянутое измерение скорости изменения фазы определяются, по существу, одновременно в ответ на общий входной сигнал.

9. Способ по одному из пп. 1-3, в котором упомянутый входной сигнал содержит три разнесенных во времени импульса.

10. Способ по п. 9, в котором упомянутые входные импульсы включают в себя, по меньшей мере, две различные длины волны.

11. Способ по п. 9, в котором временное разнесение между упомянутым первым и третьим импульсами больше, чем удвоенное временное разнесение между первым и вторым импульсами.

12. Способ по п. 10, в котором временное разнесение между упомянутым первым и третьим импульсами больше, чем удвоенное временное разнесение между первым и вторым импульсами.

13. Система распределенного акустического считывания (DAS) для опроса отрезка оптического волокна, причем упомянутое оптическое волокно обеспечивает изменение в фазе распространения сигнала в зависимости от считываемого параметра, причем упомянутая система содержит:
приемник для приема сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на входной сигнал;
выходной интерферометр, выполненный с возможностью комбинировать первый принятый сигнал, рассеянный в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени и второй принятый сигнал, рассеянный в обратном направлении от той же части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени, причем упомянутый выходной интерферометр включает в себя модулятор частоты, по меньшей мере, в одном плече, для наложения разницы частоты между упомянутым первым и вторым возвращенными сигналами; и
фазовый детектор для приема упомянутых комбинированных сигналов и определения скорости изменения фазы во времени у упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

14. Система по п. 13, в которой упомянутый выходной интерферометр включает в себя модулятор частоты в каждом плече упомянутого выходного интерферометра, причем каждый модулятор частоты накладывает различное смещение частоты.

15. Система по п. 13 или 14, причем упомянутая система включает в себя второй фазовый детектор для определения фазы упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала.

16. Система по п. 13 или 14, причем упомянутая система включает в себя демультиплексор для разделения сигналов, рассеянных в обратном направлении от входных сигналов, имеющих различные длины волн.

17. Система по п. 16, в которой рассеянные в обратном направлении сигналы на первой длине волны пропускаются к упомянутому выходному интерферометру, а сигналы на второй длине волны пропускаются непосредственно к упомянутому второму фазовому детектору.