СПОСОБ И УСТРОЙСТВО БРИЛЛЮЭНОВСКОГО ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01D5/353 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу оптоэлектронного измерения и соответствующему устройству. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к способу и устройству оптоэлектронного измерения, которые могут быть использованы для контроля физических характеристик инженерного сооружения.

Описание соответственной техники

Известно, что во многих конструкциях, например, трубопроводах, линиях электропередач или подводных линиях, используются измерительные приборы для непрерывного контроля конструкции и/или для контроля функциональных параметров. Измерительные приборы могут применяться также в области гражданского строительства и, в частности, при создании конструкций больших размеров.

Измерительные приборы обычно используются для контроля тенденции изменения во времени температуры или напряжения (деформации), то есть геометрической меры деформации, или удлинения, возникающих от напряжений и определяющих величину растяжения или сжатия вдоль волокна на соответствующей структуре. Если более подробно, то эти измерительные приборы подходят для предоставления информации локального характера и, поэтому, они могут быть использованы для контроля, в зависимости от времени, температуры или деформации, связанных с множеством участков и/или компонентов контролируемого инженерного сооружения, для предоставления полезной информации относительно протечки, движения в грунте, деформации, и т.д. конструкции.

Среди измерительных приборов, используемых для контроля состояния инженерных или архитектурных конструкций, оптоэлектронные устройства, основанные на оптических волокнах, имеют большое значение. В частности, эти аппараты обычно содержат электронное измерительное устройство, снабженное оптическим волоконным зондом, длина которого обычно составляет порядка нескольких десятков километров. При использовании, это оптическое волокно надежно соединяется и по существу приводится в контакт с участками или компонентами инженерной конструкции, соответствующие физические параметры которой должны быть проконтролированы. Например, это оптическое волокно может быть вытянуто вдоль канала нефтепровода, или оно может быть помещено в конкретную опору здания, так, чтобы оно могло быть использовано для отображения тенденции изменения локальной температуры или деформации этих структур. Иначе говоря, эти оптоэлектронные устройства содержат волоконные оптические датчики, то есть датчики, использующие оптическое волокно в качестве чувствительного элемента. Волоконными оптическими датчиками могут быть:

- точечные датчики, в которых только одно местоположение вдоль оптического волокна делается чувствительным к температуре и/или деформации;

- квазираспределенные датчики, или мультиплексированные датчики, в которых много точечных датчиков соединяются друг с другом посредством оптического волокна и мультиплексируются по длине волокна при использовании различных длин волн света для каждого датчика; или

- распределенные или полностью распределенные датчики, причем оптическое волокно представляет собой протяженный непрерывающийся линейный датчик.

Эти измерительные приборы на основе оптических волокон могут быть подразделены на различные типы в зависимости и от физической величины(-ин), которую они могут измерить, и от физического принципа, используемого для регистрации этой величины (этих величин).

Когда мощный световой импульс с длиной волны λ₀ (или частотой ν₀=c/λ₀, где c - скорость света), известный как накачка, распространяется через оптическое волокно, то малая часть всей падающей мощности рассеивается во всех направлениях вследствие локальных неоднородностей в пределах оптического волокна. Если оптическое волокно представляет собой одномодовое волокно (SMF), то есть волокно, спроектированное для пропускания только единственного луча света (моды), то имеет место только рассеяние вперед и назад, поскольку рассеянный свет в других направлениях оказывается не направляемым. Рассеяние в обратном направлении особенно интересно, поскольку оно распространяется назад, к концу волокна, где лазерный свет первоначально был запущен в оптическое волокно.

Процессы рассеяния возникают вследствие примесей в веществе (Рэлеевское рассеяние), вследствие термически возбуждаемых акустических волн (Бриллюэновское рассеяние), или вследствие атомных или молекулярных колебаний (Рамановское рассеяние).

Методики распределительного считывания основаны на анализе рассеянного назад сигнала, создаваемого в различающихся местоположениях вдоль волокна.

- РЭЛЕЕВСКОЕ РАССЕЯНИЕ представляет собой взаимодействие светового импульса с примесями вещества. Оно оказывается наибольшим из трех рассеянных назад сигналов в кварцевых волокнах и имеет ту же самую длину волны, что и падающий свет. Рэлеевское рассеяние - это физический принцип, лежащий в основе Оптического Рефлектометра во Временной Области (OTDR).

- БРИЛЛЮЭНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ представляет собой взаимодействие светового импульса с термически возбужденными акустическими волнами (также называемыми акустическими фононами). Акустические волны, посредством упругооптического эффекта, слабо, локально и периодически изменяют показатель преломления. Соответствующая движущаяся решетка отражает назад малое количество падающего света и сдвигает его частоту (или длину волны) вследствие эффекта Доплера. Этот сдвиг зависит от скорости акустических волн в волокне, тогда как его знак зависит от направления распространения акустических волн. Таким образом, Бриллюэновское рассеяние назад образуется на двух различных частотах вблизи частоты падающего света, называемых Стоксовой и анти-Стоксовой компонентами. В кварцевых волокнах Бриллюэновский сдвиг частоты находится в области частот порядка 10 ГГц (0,1 нм при длине волны 1550 нм) и зависит от температуры и деформации.

- РАМАНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ представляет собой взаимодействие светового импульса с термически возбужденными атомными или молекулярными колебаниями (оптическими фононами) и оказывается наименьшим по интенсивности из трех рассеянных назад сигналов. Рамановское рассеяние характеризуется большим частотным сдвигом, обычно 13 ТГц в кварцевых волокнах, соответствуя 100 нм для длины волны света 1550 нм. Интенсивность Рамановской анти-Стоксовой компоненты зависит от температуры, тогда как Стоксова компонента почти нечувствительна к температуре.

На Фиг.1 схематично показан спектр рассеянного назад света, создаваемого в каждой точке вдоль оптического волокна, когда лазерный свет вводится в оптическое волокно. Наиболее высокий пик, на длине волны λ₀, соответствующий длине волны одномодового лазера, представляет собой Рэлеевский пик, образованный рассеянием на примесях вещества. Так называемые Стоксовы компоненты, и так называемые анти-Стоксовы компоненты, представляют собой пики с правой и с левой стороны, соответственно, относительно Рэлеевского пика. Анти-Стоксов Рамановский пик, образованный от атомных или молекулярных колебаний, имеет амплитуду, зависящую от температуры T. Стоксовы и анти-Стоксовы Бриллюэновские пики, образованные от термически возбужденных акустических волн, имеют частоту, зависящую от температуры T и от деформации ε.

Бриллюэновский сдвиг (положение пика на оси длин волн относительно первоначального лазерного света) отображает внутреннее физическое свойство волоконного материала и предоставляет важную информацию о распределении деформации и температуры, имеющемся в оптическом волокне.

Информация о частоте рассеянного назад Бриллюэновского света может быть использована для измерения локальной температуры или деформации вдоль оптического волокна. В качестве чувствительных элементов могут быть использованы стандартные, или специальные, одномодовые телекоммуникационные волокна и кабели. Метод измерения локальной температуры или деформации обозначается как метод на основе частоты, поскольку информация о температуре или деформации содержится в Бриллюэновском сдвиге частоты. По существу это оказывается более надежным и более воспроизводимым, чем какой-либо метод на основе интенсивности, основанная на эффекте Рамана, который чувствителен к дрейфам, потерям и вариациям затуханий. В результате, методика, основанная на Бриллюэновском эффекте, обеспечивает долгосрочную стабильность и большую нечувствительность к затуханию. Кроме того, Бриллюэновское рассеяние должно удовлетворять очень жесткому фазовому условию, и взаимодействие проявляется как спектрально узкий резонанс, обеспечивая точное измерение. Этот процесс распространения светового импульса в оптическое волокно и измерение сигнала рассеяния назад называют Спонтанным Бриллюэновским Рассеянием (SPBS): это слабый процесс, который приводит к малой интенсивности рассеянного света.

Процесс Бриллюэновского рассеяния имеет ту особенность, что оно может стимулироваться вторым оптическим сигналом, называемым зондом, в дополнение к первому оптическому сигналу, называемому накачкой, который образует рассеяние, обеспечивая то, что зонд удовлетворяет определенным условиям. Это свойство особенно интересно для применений с зондированием и может быть достигнуто при помощи зондового индикатора, распространяющегося относительно накачки. Стимулирование оказывается максимальным, когда частоты (или длины волн) накачки и зонда точно разделены Бриллюэновским сдвигом. В этом случае, энергия, передаваемая от накачки к зонду (или наоборот, в зависимости от выбранной Стоксовой/анти-Стоксовой компоненты рассеянного назад сигнала) приводит к большому усилению рассеянной назад интенсивности и, таким образом, большому Отношению Сигнал/Шум (SNR). Это рассматривается как резонансное явление, где увеличение мощности зонда происходит за счет накачки, когда выполнено условие резонанса, то есть, когда разность частот между накачкой и зондом соответствует локальной Бриллюэновской частоте.

В известных решениях накачка образована оптическими импульсами длительностью в одну или несколько наносекунд, и зонд представляет собой Непрерывную Волну - CW-свет, как будет рассмотрено ниже.

Оптоэлектронные измерительные устройства, основанные на Стимулированном Бриллюэновском Рассеянии назад (SBS), известны как Бриллюэновские Оптические Анализаторы во Временной Области или BOTDA; в противоположность Бриллюэновским Оптическим Рефлектометрам во Временной Области (BOTDR), которые основаны на спонтанном Бриллюэновском рассеянии назад (SPBS).

Оптоэлектронное измерительное устройство, основанное на BOTDA, обычно выполняет анализ в частотной области и анализ во временной области.

- Анализ в частотной области: информация о температуре/деформации закодирована в Бриллюэновском сдвиге частоты. Сканирование частоты зонда относительно накачки, при контроле интенсивности сигнала рассеянного назад, позволяет находить Бриллюэновский максимум и, таким образом, соответствующий Бриллюэновский сдвиг частоты, из которого могут быть рассчитаны температура или деформация. Это достигается использованием двух оптических источников, например, лазеров, или единственного оптического источника, из которого образуются и сигнал накачки, и зондовый сигнал. В этом случае используется оптический модулятор (обычно телекоммуникационный компонент), чтобы сканировать частоту зонда контролируемым образом.

- Анализ во временной области: вследствие импульсного характера накачки, взаимодействие накачки/зонда имеет место в отличающемся местоположении вдоль волокна в разное время. Для любого данного местоположения, участок сигнала зонда, который взаимодействовал с накачкой, поступает на детектор через время задержки, равное удвоенному времени распространения от волоконного входа до указанного местоположения. Таким образом, контроль рассеянной назад интенсивности во времени, при известной скорости света в волокне, предоставляет информацию относительно того положения, где рассеяние имело место.

Типичные коммерческие оптоэлектронные измерительные устройства, основанные на BOTDA, могут измерить температуру/деформацию более чем на 30 км волокна с пространственным разрешением 1 м. (эквивалентно 30000 отдельным независимым датчикам). Разрешение по температуре составляет типично <1 K. Пределы определяются линейными потерями в волокне и наличием других нелинейных эффектов, ограничивающих взаимодействие, что препятствует любому увеличению мощности для компенсации потерь.

Однако важно предоставить оптоэлектронное измерительное устройство с 100-километровым пределом и метровым пространственным разрешением. Большинство предложенных решений оказываются не удовлетворительными, поскольку они требуют сложных, удаленно питаемых аппаратных средств, что оказывается неудобным.

Адаптивное кодирование с использованием импульсной последовательности может улучшить отношение сигнал-шум, поддерживая все другие параметры измерения (время измерения, пространственное разрешение и точность по температуре). Со стандартными потерями в волокне это уже соответствует измерениям температуры/деформации более чем на 50 км волокна. Эта демонстрация была основана на кодировании, называемом SIMPLEX, обычно используемом в других инженерных приложениях. Осуществление такого кодирования не требует модификации аппаратных средств устройства, но только изменения в программном обеспечении, управляющем устройством, и не требует существенного превышения вычислений, так, что это может рассматриваться как обновление при очень малой добавленной стоимости. Однако, SIMPLEX код эффективен, если он составлен сигналами "возврата к нулю" (RZ), которые труднее обрабатывать, чем сигналы "не возврата к нулю" (NRZ), что ограничивает его практичность.

Для улучшения отношения сигнал-шум получаемых сигналов известно кодирование интенсивности первого и второго сигналов электромагнитного излучения, используемых в методиках, основанных на SBS. Однако такое кодирование не обеспечивает удовлетворительного решения, поскольку отношение сигнала к шуму полученных сигналов существенно не увеличивается. Соответственно, в значительной степени ставятся под угрозу пространственное разрешение и точность выполняемых измерений температуры и деформации.

В WO 10058438A описано измерительное оптоэлектронное устройство для контроля физических параметров структуры на основании стимулированного Бриллюэновского рассеяния. В этом случае оно содержит оптический(е) источник(и) для испускания первого и второго излучения, распространяющегося в противоположных направлениях вдоль волокна. Аппарат основан на кодированных по времени сигналах (Симплекс).

GB2243210 относится к распределенному оптическому волоконному датчику с использованием стимулированного Бриллюэновского обратного рассеяния (SBS) для регистрации температуры, деформации и любого внешнего параметра, который влияет на частоту, или фазу, или амплитуду оптического обратного рассеяния.

FR 2710150 относится к устройству для измерения Бриллюэновского рассеяния, разработанному для создания сигнала накачки и тестового сигнала, которые вводятся на одном конце волокна. Значение Бриллюэновского рассеяния в волокне позволяет определить физические параметры, внешние для волокна. Документ описывает только временное кодирование сигнала.

EP 0887624 относится к системе измерения искажения оптического волокна (то есть, к устройству и способу), предоставляемой для выполнения измерения на оптическом волокне, сконструированном поочередным соединением оптических волокон двух видов, у которых Бриллюэновские сдвиги частоты различаются. В данном случае, система последовательно подает оптические импульсы на измеряемое оптическое волокно при изменении их световых частот, так что рассеянные назад Бриллюэновские лучи выходят из измеряемого оптического волокна. Сначала, система подает оптический импульс, имеющий заданную частоту света на измеряемое оптическое волокно в неискаженном состоянии, так что устройство формирует начальные данные, отображающие изменения во времени интенсивности света для рассеянного назад Бриллюэновского света, выводимого из измеряемого оптического волокна. Затем система измеряет изменяющуюся во времени форму волны, отображающую интенсивность света для рассеянного назад Бриллюэновского света, который выводится из измеряемого оптического волокна, возбуждаемого оптическим импульсом заданной частоты. Сравнивая измеренное изменение во времени формы волны с начальными данными, система определяет возникновение искажения в измеряемом оптическом волокне. Затем система различает тип искажения, которое соответствует расширению или сжатию, на основании соотношения между Бриллюэновскими сдвигами частоты, которые соответственно вычисляются относительно точки детектирования и ее смежной точки на измеренном изменении во времени формы волны.

В США 2010/014071 представлен метод оптической рефлектометрии во временной области со сканированием по частоте, включающий в себя запуск множества запрашивающих импульсов в оптическое волокно при множестве оптических несущих частот. Сигнал Рэлеевского обратного рассеяния регистрируется для каждого запрашивающего импульса как функция времени между запуском импульса и регистрацией сигнала обратного рассеяния. Разрешенный по времени сигнал Рэлеевского обратного рассеяния на каждой оптической частоте может быть затем проанализирован для определения распределения физического параметра вдоль длины оптического волокна.

Поэтому в силу вышеизложенного описания проблема наличия доступного оптоэлектронного способа измерения и устройства, которое используется для одновременного измерения изменяющейся во времени локальной температуры и локальной деформации для инженерной или архитектурной структуры, в настоящее время решается неудовлетворительным образом и представляет собой главную задачу для заявителя, который имеет цель предоставить измерительное устройство, одновременно эффективное, экономичное и надежное.

Имеется потребность улучшить эффективность оптоэлектронных измерений при увеличении дальности действия с известным пространственным разрешением или, иначе говоря, при поддержании дальности действия и увеличении пространственного разрешения.

Цель настоящего изобретения заключается в устранении или смягчении одного или нескольких из вышеупомянутых недостатков.

Сущность изобретения

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения, предоставляется способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, содержащий, этап предоставления сигнала в оптическом волокне, причем упомянутый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием.

В одном варианте реализации, сигнал с частотно-временным кодированием может быть составлен из двух или более длин волн, каждая с частотно-временным кодированием.

Способ по изобретению применим к системе BOTDA, а также и к системе BOTDR. В обоих случаях сигнал с частотно-временным кодированием представляет собой сигнал накачки. В системе BOTDA зондовый сигнал не является сигналом с частотно-временным кодированием.

В этом контексте сигнал с "частотно-временным кодированием" означает сигнал, содержащий последовательность кодовых слов, причем каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два импульса или кодовый знак, причем каждый импульс или кодовый знак кодового слова соответствует отличающейся частоте.

Каждый кодовый знак фактически представляет собой импульсный сигнал, имеющий амплитуду, частоту и временную длительность. Амплитуда может быть нулем или фиксированным значением, в последующем, нормированным к 1; частота отлична для каждого импульса, как будет описано, и временная длительность в одном предпочтительном варианте реализации составляет порядка наносекунд. Кодовое слово, содержащее, по меньшей мере, два кодовых знака, не обязательно представляет собой сигнал "возврата к нулю" (RZ).

В соответствии с одним вариантом реализации, способ по изобретению дополнительно содержит следующие этапы:

- определения, по меньшей мере, двух кодовых слов, причем каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два кодовых знака, каждый кодовый знак кодового слова ассоциирован с отличающейся частотой,

- создания кодирующей матрицы S посредством использования определенных, по меньшей мере, двух кодовых слов,

- частотно-временного кодирования сигнала посредством использования упомянутой кодирующей матрицы S,

- предоставления упомянутого сигнала в оптическом волокне оптической системы, основанной на Бриллюэновском эффекте (BOTDA и BOTDR),

- измерения отклика оптического волокна на сигнал и создания соответствующей измеренной матрицы S',

- создания обратной матрицы S^-1 кодирующей матрицы S,

- декодирования упомянутого отклика оптического волокна на основании упомянутого измерения и на основании упомянутой обратной матрицы.

Поскольку сигнал накачки, используемый в способе оптоэлектронного измерения, представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием, то его проще отличить от шума по сравнению с некодированными или кодированными по интенсивности сигналами; следовательно, достигается более высокое отношение сигнала к шуму. В результате более высокого отношения сигнала к шуму достигается улучшенное пространственное разрешение и увеличивается расстояние, на котором температура или состояния деформации могут быть измерены и проконтролированы.

Преимущественно улучшенное отношение сигнала к шуму достигается без излишней потери времени при сборе данных и с минимальными издержками аппаратных средств.

Преимущественно способ в соответствии с изобретением минимизирует возможные дрейфы при измерениях температуры/деформации. Кроме того, вследствие широкого диапазона кодирующих частот, он обеспечивает возможность меньшего ослабления сигнала, по сравнению с моночастотными кодами, например, по сравнению с Симплексным кодом.

Кроме того, чем больше длина L кодового слова, тем выше эффективность кодирования по сравнению с известными решениями. Поскольку матрица S отображает, как будет рассмотрено ниже, симметрию, которая представляет собой поворот некоторых субматриц М, эта симметрия позволяет минимизировать шум после декодирования.

В соответствии с одним вариантом реализации способ по изобретению, применимый к оптической системе, которая сконфигурирована для измерения стимулированного Бриллюэновского эффекта (BOTDA), дополнительно содержит следующие этапы:

- передачу первого сигнала в первом направлении по оптическому волокну, причем первый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием;

- передачу второго сигнала во втором направлении по оптическому волокну, так что первый и второй сигналы взаимодействуют в пределах оптического волокна и формируют комбинированный сигнал;

- зондирование оптического волокна в одной или более точках зондирования для измерения комбинированного сигнала.

В соответствии с другим вариантом реализации способ по изобретению, применимый к оптической системе, которая сконфигурирована для измерения спонтанного Бриллюэновского эффекта (BOTDR), дополнительно содержит следующие этапы:

- передачу первого сигнала в первом направлении по оптическому волокну, причем первый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием,

- зондирование оптического волокна в одной или более точках зондирования для измерения рассеянного назад сигнала.

В соответствии со способом по изобретению оказывается возможным идентифицировать нерегулярности в оптическом волокне на основании одного или более параметров измеренного комбинированного сигнала. Зондируя оптическое волокно, оказывается возможным измерить компоненту сигнала с временным кодированием и компоненту сигнала с частотным кодированием для комбинированного сигнала. Условие резонанса определяется затем на основании измеренной компоненты сигнала с частотным кодированием.

Изобретение относится также к оптоэлектронному измерительному устройству, подходящему для использования в способе Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, причем устройство содержит средство для частотно-временного кодирования сигнала, которое предоставляется в оптическом волокне при осуществлении в нем способа Бриллюэновского оптоэлектронного измерения.

Устройство в соответствии с изобретением содержит частотный генератор, подходящий для частотно-временного кодирования сигнала при использовании кодирующей матрицы S, построенной на основе задания, по меньшей мере, двух кодовых слов, каждое кодовое слово, содержащее, по меньшей мере, два кодовых знака, каждый кодовый знак кодового слова, связанный с отличающейся частотой.

В одном варианте реализации частотный генератор сконфигурирован для изменения частоты за период, равный длительности кодового знака, которая может быть порядка наносекунд.

Преимущественно устройство в соответствии с изобретением позволяет получить характерную пространственную разрешающую способность 1 м при известной дальности действия (50 км), или характерную 100-километровую дальность действия с известным пространственным разрешением (5 м).

Пространственное разрешение способа зависит от временной длины кодовых знаков, которые формируют сигнал с частотно-временным кодированием.

Краткое описание чертежей

Вариант реализации изобретения рассматривается ниже только в качестве примера со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид компоненты рассеянного назад света для света, введенного в одномодовое оптическое волокно.

Фиг.2 - схематичный вид, иллюстрирующий, как оптическое волокно, в котором способ оптоэлектронного измерения в соответствии с настоящим изобретением осуществляется с использованием оптоэлектронного измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением, применяется для BOTDA.

Фиг.3 - схематичный вид, иллюстрирующий пример оптоэлектронного измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением, применимого для BOTDA.

Фиг.4 - схематичный вид, иллюстрирующий пример оптоэлектронного измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением, применимого для BOTDR.

Фиг.5 - пример возможных кодовых слов для кода, имеющего длину L=5.

Фиг.6 - пример первого кодового слова из Фиг.5.

Фиг.7 - пример кодирующей матрицы S, построенной, начиная с кодовых слов из Фиг.5.

Фиг.8 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая этапы детектирования вариаций температуры и деформации оптического волокна при использовании оптоэлектронного измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание возможных вариантов реализации изобретения

На Фиг.2 показан схематичный вид, иллюстрирующий оптическое волокно 100, в котором способ оптоэлектронного измерения в соответствии с настоящим изобретением осуществляется с использованием оптоэлектронного измерительного устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 относится к BOTDA. Однако способ и устройство в соответствии с изобретением не ограничиваются случаем BOTDA, но могут применяться также для BOTDR и вообще к любой оптической системе, основанной на Бриллюэновском эффекте.

Устройство 1 содержит оптический источник, например лазер, работающий на определенной длине волны, например, на длине волны 1550 нм. Затем следует оптическая обработка 10 сигналов, сконфигурированная для создания первого сигнала s1, или накачки, которая представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием, и второго сигнала s2, или зонда. В другом варианте реализации два оптических источника, например, два лазера, создают отдельно сигналы s1 и s2.

Фильтр 20 с Мультиплексированием с Разделением длин Волн (WDM) разделяет s1 и s2. В предпочтительном варианте реализации два 1×N переключателей 30 могут управлять N каналами, где N - целое число, большее 1, например 2.

В одном варианте реализации оптическое волокно 100 содержит два волокна - волокно возврата и волокно считывания - связанные друг с другом соединителем или оптической муфтой, причем каждое волокно связывается с каналом ch1 или ch2 каждого переключателя 30.

Фотодетектор (PD) 40 сконфигурирован для детектирования рассеянного назад зондового сигнала s2′ как функцию времени, который оцифровывается и обрабатывается блоком 50 быстрой A/D цифровой обработки.

В одном предпочтительном варианте реализации оптический источник представляет собой DFB лазер (лазер с Распределенной Обратной Связью).

Оптическая обработка 10 сигналов может позволить частотно-временное кодирование первого сигнала s1, или сигнала накачки. Оптоэлектронное измерительное устройство может содержать частотный генератор, подходящий для частотно-временного кодирования сигнала посредством использования кодирующей матрицы S.

В одном варианте реализации частотный генератор может содержать DFB лазер 60 в качестве оптического источника, электрооптический модулятор (EOM) 16, управляемый радиочастотным (RF) источником, смеситель и Прямой Цифровой Синтезатор 14 (DDS); синтезатор DDS может быть связан с FPGA для обработки упомянутых кодовых слов.

Модулятор 16 мог быть смещен, чтобы работать в схеме с подавлением несущей, так, чтобы нижняя или верхняя боковая полоса, в зависимости от конфигурации Бриллюэновской модуляции потери/усиление, могла быть использована как сигнал s1 накачки после подавления верхней или нижней боковой полосы, посредством использования, например, Волоконной Брэгговской Решетки (FBG). В одном варианте реализации, усилитель, например, Усилитель с Легированным Эрбием Волокном (EDFA), может быть использован для усиления сигнала s1.

Свет из того же самого оптического источника 60 используется для синтезирования второго сигнала s2, или зонда. Устройство может содержать изолятор 70 для обеспечения возможности передачи второго сигнала s2 только в одном направлении. Оптический циркулятор 80 позволяет управлять направлениями сигналов s1 и s2.

Оптоэлектронное измерительное устройство может содержать измерительное средство, подходящее для измерения отклика оптического волокна на упомянутый сигнал. Измерительное средство может быть фотодетектором (PD) 40, сконфигурированным для детектирования рассеянного назад зондового сигнала s2 как функцию времени.

Средства FPGA или DDS представляют собой примеры вычислительных средств, подходящих для определения, по меньшей мере, двух кодовых слов, или последовательностей, каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два кодовых знака, каждый кодовый знак кодового слова ассоциирован с отличающейся частотой, и для создания кодирующей матрицы S посредством использования заданных, по меньшей мере, двух кодовых слов.

На Фиг.3 показан упрощенный пример системы BOTDA в соответствии с изобретением. Изобретение может также быть применено к системе BOTDR, показанной на Фиг.4. В соответствии с этим вариантом реализации изобретения, измерительное устройство включает в себя оптический источник 60, электрооптический модулятор (EOM) 16, управляемый радиочастотным (RF) источником, смеситель, и Прямой Цифровой Синтезатор 14 (DDS), сконфигурированный для запуска сигнала (s1) с частотно-временным кодированием в волокно 100, как объяснено выше. Оптический циркулятор 80 и фотодетектор 40 сконфигурированы для измерения рассеянного назад сигнала, созданного спонтанным Бриллюэновским обратным рассеянием в волокне 100.

Длина "L" кодового слова с частотно-временным кодированием, то есть число его кодовых знаков, равно числу частот, которые могут быть использованы для частотно-временного кодирования сигнала. В одном предпочтительном варианте реализации, L является простым числом. В другом варианте реализации, одна из этих частот может появиться максимум два раза в кодовом слове.

В одном предпочтительном варианте реализации каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, один кодовый знак, ассоциированный с частотой, равной нулю для матрицы S, соответственно частоте, где Бриллюэновское усиление составляет нуль: иначе говоря, число кодовых знаков, ассоциированных с частотами, отличными от нуля для матрицы S, используемыми в каждом кодовом слове, равно L-1. Наличие этого нуля очень полезно для инвертирования матрицы S и последующего вычисления S^-1.

Каждый кодовый знак представляет собой импульсный сигнал, характеризуемый амплитудой, частотой и временной длительностью. Амплитуда может быть нулем или фиксированным значением, в последующем нормированным к 1; частота отличается для каждого импульса, и временная длительность в одном предпочтительном варианте реализации составляет порядка наносекунд. Кодовое слово, содержащее, по меньшей мере, два кодовых знака, не обязательно представляет собой сигнал "возврата к нулю" (RZ). Сигнал "не возврата к нулю" (NRZ) менее труден для обработки, чем RZ сигнал.

На Фиг.5 показан пример возможных кодовых слов, или последовательностей кода, имеющих длину L=5. Выражения "Pos[1], Pos[2]..., Pos[5]" указывают временную позицию кодовых знаков, или импульсов, формирующих кодовое слово, для задания временного порядка. В частности, Pos[5] следует по времени за Pos[4], которое следует по времени за Pos[3], и так далее.

Если взять первую строку таблицы на Фиг.5, можно получить первое кодовое слово, показанное на Фиг.6, которое составлено пятью кодовыми знаками:

- в Pos[1] имеется первый кодовый знак, соответствующий частоте f1

- в Pos[2] имеется второй кодовый знак, соответствующий частоте f2

- в Pos[3] имеется третий кодовый знак, соответствующий частоте f4

- в Pos[4] имеется четвертый кодовый знак, соответствующий частоте f2

- в Pos[5] имеется пятый кодовый знак, соответствующий частоте, на которой Бриллюэновское усиление составляет 0.

Длина "L", в этом случае L=5, слова с частотно-временным кодированием, то есть число его кодовых знаков, равна числу частот (f1-f5), которые могут быть использованы для частотно-временного кодирования сигнала. В этом случае, одна из этих частот может появиться максимум два раза в кодовом слове. Например, в кодовом слове на Фиг.6 частота f2 появляется два раза, в Pos[2] и Pos[4].

Каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, один кодовый знак, сопоставленный с частотой, соответствующей нулевому Бриллюэновскому усилению. Наличие этого нуля используется для инвертирования матрицы S и последующего вычисления S^-1.

Кодовые слова в строках 2-5 на Фиг.5 получены посредством вертикального поворота частот каждой временной позиции от Pos[1] до Pos[4] таким образом, что каждое кодовое слово 2-5 содержит максимум два кодовых знака, имеющих ту же самую частоту. Обращаясь, например к Pos[1], столбец C1, первое кодовое слово имеет в этой позиции частоту f1, второе кодовое слово - f2, третье кодовое слово - f3, четвертое - f4 и пятое - f5.

Следующие кодовые слова 6-10 получены из кодовых слов 1-5, поворотом столбца C1 и следующих столбцов, как указано на Фиг.5. То же самое относится к кодовым словам 11-15, и так далее.

На Фиг.7 показан пример кодирующей матрицы S, построенной начиная с кодовых слов на Фиг.5.

Преимущественно, кодирующая матрица S содержит L×L различных субматриц М, то есть L субматрицы М, причем каждая субматрица М помещается L раз в матрицу S в соответствии с критерием поворота.

Каждая субматрица М имеет размерность L×L. Первая строка первой субматрицы М представляет собой отображение первого кодового знака первого кодового слова. В показанном на Фиг.7 примере, первая строка первой субматрицы M1 - [1, 0, 0, 0, 0], указывая, что в позиции Pos[1] частота кодового знака является первой частотой f1. Первая строка второй субматрицы M2, не показанной, - [0, 1, 0, 0, 0], указывая, что в позиции Pos[2] частота кодового знака является второй частотой f2. Первая строка третьей субматрицы M3, не показанной, - [0, 0, 0, 1, 0], указывая, что в позиции Pos[3] частота кодового знака является четвертой частотой f4, и так далее.

Первая строка матрицы S в этом случае представляет собой матричное представление кодового слова, показанного на Фиг.6.

Матрица S получена из различных поворотов субматриц L, как показано на Фиг.7.

Чем больше кодовое слово L, тем больше матрица S. Кроме того, чем больше L, тем выше эффективность кодирования по сравнению с известными решениями и, поскольку матрица S отображает симметрию, которая является поворотом субматриц М, эта симметрия позволяет минимизировать шум после декодирования.

Оптоэлектронное измерительное устройство может содержать декодер (не показан), подходящий для декодирования отклика оптического волокна на основании измерения и на основании обратной матрицы S^-1.

На Фиг.8 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая этапы, включенные в процесс детектирования температуры и деформации оптического волокна, используя оптоэлектронное измерительное устройство в соответствии с настоящим изобретением.

После начала, устанавливается длина L кода (этап 1000). Затем устанавливаются различные последовательности или кодовые слова (этап 2000). Затем собираются данные отклика оптического волокна во временной области по всей длине оптического волокна (этап 3000). Сбор данных соответствует записи интенсивности зонда как функции времени, преобразованию информации в информацию расстояния (обработка расстояния и картографирование), и расчету Бриллюэновского усиления в каждом положении вдоль волокна. Отклик волокна образуется выполнением повторяющегося сбора данных о рассеянном назад сигнале для построения матрицы S', выражающей измеренный отклик волокна (этап 4000). Этапы 2000-4000 повторяются, пока матрица не заполнена (этап 5000).

Затем матрица декодируется посредством использования обратной матрицы S^-1 (этап 6000). Если точка волокна промеряется более одного раза, декодирование содержит усреднение этих измерений. Затем выполняется расчет Бриллюэновского Частотного Профиля, то есть расчет Бриллюэновского Сдвига Частоты в каждом положении вдоль волокна (этап 7000). На этапе 8000 Бриллюэновский Частотный Профиль преобразуется в профиль деформации или температуры (этап 9000) при использовании калибровочных коэффициентов данных температуры или деформации волокна. Наконец, профили температуры или деформации сохраняются и доступны для дополнительной контролирующей обработки (этап 10000).

Оптимизация кода относится к поиску комбинаций поворотов субматриц М, что минимизирует дисперсию (среднеквадратичное отклонение). В одном предпочтительном варианте реализации код имеет усиление, равное (L/2)^1/2.

Различные модификации и вариации к описанным вариантам реализации изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники, без отступления от объема притязаний изобретения, как это определено в приложенной формуле. Хотя изобретение было описано в связи с конкретными предпочтительными вариантами реализации, следует понимать, что изобретение, как оно сформулировано, не должно быть неправомочно ограничено данным конкретным вариантом реализации.

Настоящее изобретение относится области Бриллюэновского оптоэлектронного измерения для использования контроля физических характеристик, таких как деформация и температура. Способ, и устройство для реализации указанного способа, содержит этап предоставления сигнала в оптическом волокне, причем упомянутый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием. Сигнал с частотно-временным кодированием может быть оптическим сигналом накачки, содержащим последовательность кодовых слов, каждое кодовое слово, содержащее, по меньшей мере, два световых импульса, каждый импульс кодового слова характеризуется отличающейся частотой. Технический результат - улучшение эффективности оптоэлектронных измерений при увеличении дальности действия с известным пространственным разрешением, то есть минимизация возможных дрейфов при измерении температуры и/или деформации. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, содержащий этапы, на которых предоставляют сигнал (s1) в оптическое волокно (100), причем упомянутый сигнал (s1) представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием, измеряют спонтанный Бриллюэновский эффект рассеяния назад путем передачи первого сигнала (s1) в первом направлении по оптическому волокну, причем первый сигнал (s1) представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием, и зондирования оптического волокна (100) в одной или более точках зондирования для измерения рассеянного назад сигнала.

2. Способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения по п. 1, дополнительно содержащий этапы
определения, по меньшей мере, двух кодовых слов, причем каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два кодовых знака, каждый кодовый знак кодового слова ассоциирован с отличающейся частотой,
создания кодирующей матрицы (S), используя определенные, по меньшей мере, два кодовых слова,
частотно-временного кодирования упомянутого сигнала при использовании упомянутой кодирующей матрицы (S),
измерения отклика оптического волокна на упомянутый сигнал,
создания обратной матрицы (S-1) для кодирующей матрицы (S) на основании упомянутого измерения и на основании упомянутой обратной матрицы, декодирования упомянутого отклика оптического волокна.

3. Способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения по п. 1 или 2, дополнительно содержащий частотно-временное кодирование каждой из упомянутых двух или более длин волн, если упомянутый сигнал (s1) содержит две или более длин волн.

4. Способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения по п. 1, причем упомянутая оптическая система сконфигурирована для измерения стимулированного Бриллюэновского эффекта, причем способ дополнительно содержит этапы
передачи первого сигнала (s1) в первом направлении по оптическому волокну, причем первый сигнал (s1) представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием;
передачи второго сигнала (s2) во втором направлении по оптическому волокну, так что первый и второй сигналы взаимодействуют в пределах оптического волокна и формируют комбинированный сигнал; зондирования оптического волокна в одной или более точках зондирования для измерения комбинированного сигнала.

5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап идентификации нарушений в оптическом волокне на основании одного или более параметров измеренного комбинированного сигнала.

6. Оптоэлектронное измерительное устройство, подходящее для использования в Бриллюэновском оптоэлектронном измерительном способе, причем устройство содержит средство для частотно-временного кодирования сигнала (s1), предоставляемого в оптическом волокне (100) при осуществлении в нем способа Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, причем упомянутая оптическая система является подходящей для использования в способе спонтанного Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, причем устройство дополнительно содержит передатчик (60, 14, 16), подходящий для передачи первого сигнала (s1) в первом направлении по оптическому волокну (100), причем первый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием; детектор (40) подходящий для зондирования оптического волокна (100) в одной или более точках зондирования для измерения рассеянного назад сигнала.

7. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 6, дополнительно содержащее средство вычисления, подходящее для определения, по меньшей мере, двух кодовых слов, каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два кодовых знака, каждый кодовый знак кодового слова ассоциирован с отличающейся частотой, для создания кодирующей матрицы (S) при использовании определенных, по меньшей мере, двух кодовых слов и для вычисления обратной матрицы (S-1) для кодирующей матрицы (S),
частотный генератор, подходящий для частотно-временного кодирования упомянутого сигнала при использовании упомянутой кодирующей матрицы (S),
передатчик, подходящий для предоставления упомянутого сигнала в оптическое волокно оптической системы, основанной на Бриллюэновском эффекте,
средство измерения, подходящее для измерения отклика оптического волокна на упомянутый сигнал,
декодер, подходящий для декодирования упомянутого отклика оптического волокна на основании упомянутого измерения и на основании упомянутой обратной матрицы (S-1).

8. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 7, причем упомянутый частотный генератор сконфигурирован для частотно-временного кодирования каждой из упомянутых двух или более длин волн сигнала, который содержит две или более длины волны.

9. Оптоэлектронное измерительное устройство по любому из пп. 6-8, причем упомянутая оптическая система является подходящей для использования в способе стимулированного Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, причем устройство дополнительно содержит передатчик, подходящий для передачи первого сигнала (s1) в первом направлении по оптическому волокну, причем первый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием;
передатчик, подходящий для передачи второго сигнала (s2) во втором направлении по оптическому волокну, так что первый и второй сигналы взаимодействуют в пределах оптического волокна и формируют комбинированный сигнал;
средство, подходящее для зондирования оптического волокна в одной или более точках зондирования для измерения комбинированного сигнала.

10. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 7, причем упомянутый частотный генератор сконфигурирован для изменения частоты за время, равное длительности кодового знака.

11. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 10, причем упомянутая длительность составляет порядка наносекунд.

12. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 6, содержащее
источник света (60),
электрооптический модулятор (16),
Прямой Цифровой Синтезатор (14),
оптическое волокно (100),
циркулятор (80),
фотодетектор (40).

13. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 12, дополнительно содержащее
оптическую обработку (10) сигналов,
маршрутизацию (20) оптической фильтрации,
изолятор (70).

14. Оптоэлектронное измерительное устройство по п. 12, дополнительно содержащее, по меньшей мере, одно выбранное из группы, содержащей Волоконную Брэгговскую решетку, A/D цифровое устройство обработки, смеситель.

15. Способ Бриллюэновского оптоэлектронного измерения, содержащий этапы, на которых предоставляют сигнал (s1) в оптическое волокно (100), причем упомянутый сигнал (s1) представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием такой, что сигнал содержит, по меньшей мере, два кодовых слова, причем каждое кодовое слово содержит, по меньшей мере, два импульса или кодовых знака, и каждый импульс или кодовый знак кодового слова ассоциирован с отличающейся частотой; осуществляют контроль физических параметров инженерного сооружения, основываясь по меньшей мере частично на предоставленном сигнале.