СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОЛЯ ВИБРАЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01D5/353 

Предложение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или трехмерных объектов в различных областях промышленности и строительства (мониторинг скважин, трубопроводов, мостов) и охраны периметров.

Известен способ обнаружения нарушителей по создаваемой ими вибрации (патент US 5194847, 1993), состоящий в генерировании когерентных лазерных импульсов, вводе этих импульсов в чувствительное волокно, соединенное с контролируемым объектом, приему рассеянного в обратном направлении излучения и выработке сигналов воздействия на основе изменений в обратно рассеянном сигнале. Соответствующее устройство называют когерентным или фазочувствительным рефлектометром, который позволяет определять наличие вибраций во множестве виртуальных каналов дальности (Горшков Б.Г., Парамонов В.М., Курков А.С., Кулаков А.Т., Зазирный М.В. Распределенный датчик внешнего воздействия на основе фазочувствительного волоконного рефлектометра. Квантовая электроника. 2006. Т. 36. №10. С. 963-965).

Указанный способ конкретизирован в патенте RU 2287131, 2006, как способ мониторинга состояния протяженных объектов, включающий оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производство последовательности когерентных оптических импульсов длительностью T с шириной спектра порядка 1/T и временным интервалом T₁ между импульсами, организацию рефлектометрического канала и подачу указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния, сравнительный анализ указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделение в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений, по длине чувствительного оптического волокна определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал T₁ между импульсами превосходит величину 2L/V, где V - скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса Т.

Недостаток названных известных способов состоит в том, что каждый из виртуальных каналов измерения (по дальности) обладает собственной, в общем случае случайной чувствительностью, связанной с двумя случайными параметрами: крутизной модуляционной характеристики и положением рабочей точки на этой характеристике. Информация о фазовых воздействиях на волокно получается сильно искаженной, а в ряде ситуаций утраченной (например, когда воздействие приходится на участок модуляционной характеристики с нулевой крутизной).

Известно устройство, позволяющее управлять положением рабочей точки виртуального интерферометра (патент RU 2477838, 2013). Оно позволяет, управляя фазой в фазомодулированном зондирующем импульсе, за счет получения информации в течение трех реализаций получать один отсчет, несущий информацию о реальном фазовом сдвиге. Недостаток состоит в том, что втрое снижается частотный диапазон. Кроме того, в течение указанных трех реализаций не допускается быстрое изменение измеряемой фазы, в противном случае возможны значительные ошибки.

Указанный недостаток устранен в решении, раскрытом в источнике информации (публикация WO 2010/136810 по заявке PCT/GB 2010/050889). Разнесение сигналов по фазе при анализе одной реализации выполнено на основе использования оптического гибрида, представляющего собой разветвитель 3×3. Однако способ разнесения сигналов по фазе, использованный в указанном известном решении (источник информации WO 2010/136810), имеет пониженную чувствительность, что связано с незначительностью (малостью) сигналов рассеяния и необходимостью разделения их на 3 отдельных фотоприемника. В свою очередь, увеличение сигналов рассеяния за счет увеличения мощности зондирующих импульсов возможно только до некоторых пределов, ограниченных наступлением нелинейных процессов в оптическом волокне (обычно около 200 мВт для контролируемого волокна длиной более 10 км).

Известно устройство для зондирования и мониторинга трафика в любом месте вдоль протяженных объектов, например дороги длиной 5 км (US 7652245, 2010). Оно содержит чувствительное волокно, в которое вводятся два импульса оптического излучения различной частоты с разностью Ω. Принимается сигнал рэлеевского рассеяния, который дискретизируется (оцифровывается) трижды на одном интервале времени, соответствующем элементу разрешения по длине волокна, таким образом, чтобы получить наибольший сигнал частоты Ω. Технический результат при этом состоит в том, что удается исключить замирание (фединг), связанный с неудачным положением рабочей точки виртуальных интерферометров относительно модуляционной характеристики.

Задачей настоящего предложения (группы технических решений, связанных между собой единым изобретательским замыслом) является разработка способа контроля поля вибраций и устройства для его осуществления, позволяющих поднять чувствительность и точность определения фазовых сдвигов виртуальных чувствительных элементов в составе распределенного датчика вибраций на основе фазочувствительного (когерентного) рефлектометра.

Технический результат состоит в повышении информативности распределенного измерения вибраций с получением истинного изменения фазового набега, что выражается при выполнении охранных функций в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. Кроме того, получение фазовой информации предельно облегчает создание фазированных акустических антенных решеток.

Технический результат в отношении объекта изобретения - способа достигается тем, что в соответствии с предложенным способом контроль поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта заключается в размещении оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом, генерировании импульсной зондирующей посылки, содержащей две оптические частоты с разностью частот F, длительностью импульса T, близкой к 2L/c,

где L - потребное пространственное разрешение;

c - скорость света в оптическом волокне, вводе импульсной зондирующей посылки в указанное оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении оптического излучения с полосой частот не менее разности частот F с получением рефлектограммы, извлечении информации о воздействии на оптическое волокно из фазы гармоники частотой, равной разности частот F, содержащейся в указанной рефлектограмме.

Способствует достижению технического результата то, что:

- введение импульсной зондирующей посылки, содержащей две оптические частоты с разностью частот F, осуществляют в виде одного импульса или в виде двух импульсов;

- разность частот F выбирают из условия F=(2…50)Т^-1.

Технический результат в отношении объекта изобретения - устройства достигается тем, что устройство для контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта содержит одномодовое оптическое волокно значительной длины, имеющее механическую связь с объектом контроля, импульсный лазер, связанный с одномодовым оптическим волокном значительной длины через последовательно установленные и связанные между собой фазовый модулятор и ответвитель (циркулятор), блок приема и обработки рассеянного в обратном направлении излучения в виде вычислителя, связанного с ответвителем (циркулятором) через последовательно установленные и соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор и фотоприемник, при этом устройство снабжено драйвером, связанным с фазовым модулятором и синхронизированным с импульсным лазером.

Способствует достижению технического результата то, что:

- фазовый модулятор выполнен электрооптическим;

- импульсный лазер имеет стабильность частоты не хуже (0,001-0,01)T^-1;

- импульсный лазер выполнен в виде комбинации непрерывный лазер-амплитудный модулятор-волоконный усилитель.

Техническая сущность способа иллюстрируется фиг. 1, на которой показана кривая 1, относящаяся к известным способам (например, RU 2287131), в которых имеется типичная рефлектограмма, получаемая от когерентного рефлектометра, а локальные изменения сигнала в рефлектограмме обозначены позициями (исходный - 1, в результате воздействия - 2).

Позициями 3, 4 на фиг. 1 обозначены локальные изменения сигнала в рефлектограмме (исходный - 3, в результате воздействия - 4), при получении которой применен предлагаемый способ. Позицией 5 обозначен один элемент пространственного разрешения.

Характерная изрезанность рефлектограммы 1 (относящейся к известному способу) во времени соответствует длительности зондирующего импульса и требуемому пространственному разрешению измерений, а также полосе фотоприемника, используемого для детектирования. Всякое фазовое воздействие на один измерительный канал (элемент пространственного разрешения 5) приводит к локальным изменениям сигнала в рефлектограмме (позиция 2). Ввиду случайного положения рабочей точки на модуляционной характеристике виртуального измерительного канала знак воздействия и его абсолютную величину определить невозможно, при этом фиксируется факт и координата воздействия.

Ввиду наличия двух частот в зондирующей посылке рефлектограмма оказывается промодулированной разностной частотой F. Для получения указанной рефлектограммы фотоприем должен быть выполнен в полосе сигнала не хуже указанной разностной частоты F. В случае воздействия на оптическое волокно, характеризуемого изменением фазового сдвига рассеянного поля на Δµ радиан, на одном элементе пространственного разрешения, обозначенном позицией цифрой 5, происходит сдвиг гармоники разностной частоты F приблизительно на тот же фазовый угол Δµ радиан. При этом в иных виртуальных измерительных каналах изменения фазы указанной гармоники не происходит.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, показано на фиг. 2. Устройство содержит оптическое волокно 6 значительной длины, имеющее механическую связь с объектом вибромониторинга (протяженным, площадным или трехмерным). Импульсный лазер 7 связан с оптическим волокном 6 значительной длины через последовательно установленные и соединенные между собой фазовый модулятор 8 и ответвитель (или циркулятор) 9. Фотоприемник 10 также связан с оптическим волокном 6 значительной длины через ответвитель (циркулятор) 9. К фотоприемнику 10 присоединен фазовый детектор 11, с которым через аналого-цифровой преобразователь 12 связан вычислитель 13. Кроме того, в устройство введен синхронизированный с импульсным лазером 7 драйвер 14, связанный с фазовым модулятором 8 для управления последним.

Способ осуществляется при работе устройства следующим образом. В оптическое волокно направляется импульсная зондирующая посылка, содержащая две различных оптических частоты с разностной частотой F. Длительность посылки определяет пространственное разрешение рефлектометра. Фотоприем должен осуществляться в диапазоне частот, не менее указанной разностной частоты F. Рефлектограмма при этом содержит гармонику разностной частоты, и полезная информация о фазовых сдвигах, происходящих в виртуальных оптических каналах, извлекается из фазы сигнала разностной частоты, содержащейся в рефлектограмме. При этом рассеянный сигнал принимается единственным фотоприемником, что способствует достижению максимально возможного отношения сигнал/шум. Кроме того, поскольку в итоге извлекается фазовая информация о воздействии на волокно, возможны непосредственные измерения, сохраняющие знак воздействия и масштаб (фазовый сдвиг в рефлектограмме на Δµ радиан соответствует измеряемому воздействию также величиной Δµ радиан).

Таким образом, предлагаемый способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта включает в себя следующие операции:

- размещение оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом;

- генерирование импульсной зондирующей посылки длительностью T, близкой к 2L/c,

где L - требуемое пространственное разрешение;

c - скорость света в оптическом волокне;

- ввод зондирующей посылки в указанное оптическое волокно;

- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения с полосой частот не менее F с получением рефлектограммы;

- извлечение полезной информации о воздействии на волокно из фазы гармоники с частотой F, содержащейся в указанной рефлектограмме.

В конкретном случае указанная зондирующая посылка может представлять собой два импульса, в каждом из которых содержится отдельная гармоника с разностью частот между импульсами Ф.

В другом конкретном случае реализации зондирующая посылка может представлять собой один импульс, первая половина которого имеет одну частоту, а вторая - другую, при разности частот F.

Разностная частота F выбирается из условия F=(2…50)Т^-1 с тем, чтобы на участке рефлектограммы, соответствующем одному виртуальному каналу (элементу пространственного разрешения), помещалось 2…50 полных колебаний, по которым определяется фаза, содержащая измерительную информацию.

Применение предложенного способа позволяет определить как факт и место воздействия, так и его величину и знак (увеличение или уменьшение фазы) в каждом виртуальном измерительном канале. Это дает возможность классификации воздействий, а также создания фазированных антенных решеток.

Устройство работает следующим образом. Оптическое волокно 6 имеет механическую связь с контролируемым объектом. Импульсный лазер 7 генерирует лазерное излучение со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,01)Т^-1. Это излучение поступает в фазовый модулятор 8, на который от драйвера 14 поступает электрический сигнал треугольной формы, центрированный относительно середины оптического импульса. Благодаря линейной фазовой модуляции возникают две оптические частоты - одна в первой половине импульса, вторая - во второй половине. Тем самым формируется импульсная зондирующая посылка, данная в описании способа. Посредством направленного ответвителя (циркулятора) 9 эта посылка вводится в оптическое волокно 6, имеющее механическую связь с объектом контроля (мониторинга). Рассеянное в обратном направлении излучение после фотоприемника 10 представляет собой изрезанную рефлектограмму, содержащую преимущественно разностную частоту F. Как это описано выше, фаза гармоники этой частоты есть искомый параметр. Фазовый детектор 11 определяет фазу сигнала, а аналого-цифровой преобразователь 12 преобразует сигналы в цифровую форму для передачи данных в вычислитель 13. Последний выполняет операции разделения сигналов по виртуальным каналам дальности, управляет импульсным лазером 7, драйвером 14 и выдает опорный сигнал для работы фазового детектора 11.

Чувствительное оптическое волокно 6 должно быть одномодовым. Импульсный лазер 7 должен обладать высокой стабильностью оптической частоты от импульса к импульсу, предпочтительно абсолютная стабильность частоты должна быть не хуже (0,001-0,01)Т^-1. В качестве импульсного лазера 7 может быть использовано сочетание: непрерывный полупроводниковый лазер-амплитудный модулятор-эрбиевый волоконный оптический усилитель. Фазовый модулятор 8 должен быть быстродействующим, поэтому предпочтительно использование электрооптического модулятора. Фотоприемник 10 может быть выполнен на основе p-i-n или лавинного фотодиода с трансимпедансным усилителем. Фазовый детектор 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, так же как и вычислитель 13 являются стандартными электронными изделиями. Драйвер 14 фазового модулятора 8 должен быть синхронизован с импульсным лазером 7.

Применение предложенной группы изобретений позволяет повысить достоверность результатов вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов, снизить вероятность ложных срабатываний при выполнении охранных функций, повысить качество информации при сейсморазведке, в частности, при вертикальном сейсмическом профилировании нефтяных и газовых скважин.

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга. Оптическое волокно размещают в механической связи с контролируемым объектом, генерируют лазерный импульс и вводят его в волокно. Осуществляют фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения с получением рефлектограммы. Извлекают информацию о воздействии на волокно из фазы гармоники частотой, равной разности частот, содержащейся в рефлектограмме. Устройство, реализующее способ, содержит одномодовое оптическое волокно, импульсный лазер, связанный с волокном через последовательно установленные и связанные между собой фазовый модулятор и ответвитель. Блок приема и обработки рассеянного в обратном направлении излучения выполнен в виде вычислителя, связанного с ответвителем через последовательно установленные и соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор и фотоприемник. Драйвер связан с фазовым модулятором и синхронизирован с импульсным лазером. Технический результат - снижение вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта, заключающийся в размещении оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом, генерировании импульсной зондирующей посылки длительностью T, содержащей две оптические частоты с разностью частот F, причем длительность T близка к 2L/c,
где L - потребное пространственное разрешение;
c - скорость света в оптическом волокне,
вводе импульсной зондирующей посылки в указанное оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении оптического излучения с полосой частот не менее разности частот F с получением рефлектограммы, извлечении информации о воздействии на оптическое волокно из фазы гармоники частотой, равной разности частот F, содержащейся в указанной рефлектограмме.

2. Способ по п. 1, в котором введение импульсной зондирующей посылки, содержащей две оптические частоты с разностью частот F, осуществляют в виде одного импульса.

3. Способ по п. 1, в котором введение импульсной зондирующей посылки, содержащей две оптические частоты с разностью частот F, осуществляют в виде двух импульсов.

4. Способ по одному из пп. 1-3, в котором разность частот F выбирают из условия F=(2…50)T^-1.

5. Устройство для контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта, содержащее одномодовое оптическое волокно значительной длины, имеющее механическую связь с объектом контроля, импульсный лазер, связанный с одномодовым оптическим волокном значительной длины через последовательно установленные и соединенные между собой фазовый модулятор и ответвитель, блок приема и обработки рассеянного в обратном направлении излучения в виде вычислителя, связанного с ответвителем через последовательно установленные и соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор и фотоприемник, при этом устройство снабжено драйвером, связанным с фазовым модулятором и синхронизированным с импульсным лазером.

6. Устройство по п. 4, в котором фазовый модулятор выполнен электрооптическим.

7. Устройство по п. 4, в котором импульсный лазер имеет стабильность частоты не хуже (0,001-0,01)T^-1.

8. Устройство по п. 4, в котором импульсный лазер выполнен в виде комбинации непрерывный лазер-амплитудный модулятор-волоконный усилитель.