СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВДОЛЬ ОПТОВОЛОКОННОЙ ЛИНИИ Российский патент 2016 года по МПК G01K11/32 

Область техники

Изобретение относится к технике измерения температурного распределения в протяженных объектах и может быть использовано, в частности, в нефтегазодобывающей промышленности для измерения температуры в добывающих скважинах на всем их протяжении, в энергетике, капитальном и гражданском строительстве в качестве систем противопожарной сигнализации с улучшенным пространственным разрешением и точностью измерения.

Уровень техники

Известен способ определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии, реализуемый при работе волоконно-оптического устройства для измерения температурного распределения (патент RU 2221225) [1]. Устройство содержит импульсный источник оптического излучения, включающий лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, снабжено фотоприемником синхронизации. Оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым. Лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера. Направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя. Узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов. Фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов. Таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями. Устройство может быть снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна. Одномодовый волоконный лазер выполнен на основе световода, легированного ионами редкоземельных элементов.

Недостатками данного изобретения является то, что при измерении учитывается импульсный отклик фотодиода, включающий две составляющие: отклик электронной проводимости и дырочной. Информацию о реальной температуре несет ток электронной проводимости. Вклад дырочного тока составляет до 5%. Это приводит к уменьшению пространственного разрешения и ошибки измерения температуры при резких изменениях его значения вдоль длины волокна. Данное изобретение является ближайшим аналогом заявляемого изобретения, т.е. прототипом.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением: создание способа определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии, основанного на выделении реального сигнала, обусловленного электронным фототоком из измеряемой суперпозиции реального (электронного) и «дырочного» сигналов.

Технический результат состоит в повышении точности измерений температурного распределения распределенного оптоволоконного датчика.

Поставленная задача решена созданием способа определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии, состоящего в том, что измеряют интенсивность комбинационного рассеяния света с помощью фотодиода, выражают передаточную функцию фотодиода как свертку где g_m - измеренный отклик сигнала вдоль оптоволоконной линии, t - текущее время измерения, g₀ - искомый исходный сигнал, обусловленный электронным фототоком, δ - дельта-функция, W - передаточная функция от дырок и последующими преобразованиями выделяют реальный сигнал, обусловленный электронным фототоком.

Обоснование разработанного способа

Известно, что комбинационное рассеяние (КР) света сопровождается появлением дополнительных сдвинутых по частоте спектральных компонент в рассеянном свете. Количество и спектральное положение этих линий зависят от структурных характеристик рассеивающего вещества. В КР происходит обмен энергией между падающим фотоном и молекулой вещества: если молекула переходит из основного состояния в возбужденное, то рассеянный фотон смещается по частоте в красную область спектра и таким образом генерируется стоксова компонента КР (Рис. 1). Возможен также и обратный процесс, когда структурная молекула теряет энергию и перерассеянный фотон с более высокой энергией генерирует антистоксову линию в синей области спектра относительно линии накачки. Очевидно, что заселенность возбужденного уровня напрямую зависит от температуры вещества, а значит, и интенсивность анти-стоксовой компоненты будет проявлять температурную зависимость. Таким образом, регистрируя временную динамику интенсивности антистоксовой компоненты КР при зондировании импульсным излучением, с помощью такого датчика можно проводить измерения температуры вдоль всего волокна. Отношение интенсивностей стоксовой I_s и антистоксовой I_as компонент описывается известной формулой:

где λ_s и λ_as - длины волн стоксовой и антистоксовой линий, k_B - постоянная Больцмана, h - постоянная планка. Коэффициенты затухания стоксовой и антистоксовой волн различны и зависят от температуры, что должно быть принято во внимание для корректного расчета температуры.

На рис. 1 приведен спектр комбинационного рассеяния в оптоволокне, измеренный в обратном направлении по отношению к распространению лазерного импульса. Видно, что интенсивность антистоксовой линии очень мала (на 30 дБ слабее амплитуды упругого рэлеевского рассеяния), и поэтому регистрация отношения интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент является сложной задачей. Кроме этого мощность зондирующего излучения не должна превышать нескольких Ватт, чтобы избежать проявления таких нелинейных эффектов, как вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Все это требует особенно тщательного подхода к выбору метода спектральной фильтрации полезного сигнала и качеству регистрирующей аппаратуры.

В рамановском измерителе температуры (RDTS) значение температуры вычисляется из отношения амплитуд стоксовой и антистоксовой компоненты рассеяния (обратного) от мощного оптического импульса по вышеуказанной формуле. Поэтому любое искажение исходной амплитуды приводит к искажению температурного распределения.

Входной тракт прибора схематически представлен на рис. 2, где TIA - транс-импедансный усилитель, как правило, составляет единую сборку с фотоприемником (ФД модуль); HFA - high frequency amplifier - высокочастотный усилитель, собранный на дискретных элементах для согласования выходного сигнала ФД модуля с оптимальным диапазоном DAQ; DAQ - модуль регистрации данных (АЦП).

На рис. 3 также схематично изображены примеры идеального сигнала (спадающая экспонента с показателем, равным затуханию оптического сигнала в волокне) и реального сигнала. Здесь W(p) и W(p)^-1 - это прямая и обратная передаточные функции всего входного тракта. Один из способов вычисления этих функций - подача образцового (прямоугольного) сигнала на вход и аппроксимация выходного сигнала известными функциями. При этом обратная функция вычисляется при помощи преобразования Лапласа. Зная обратную функцию передаточного тракта, можно восстановить исходный сигнал. Для этой процедуры еще встречается определение «обратная свертка».

Таким образом, нам требуется определить минимальный набор функций, по которым можно разложить передаточную функцию входного тракта и реализовать способ восстановления исходного сигнала по произвольному измеренному сигналу. Решение этой задачи даст нам избавление от нелинейностей калибровок, что позволит получить линейное распределение с точностью лучше 1С.

Отклик, приведенный на рис. 3, обусловлен существенным отличием постоянных времени для импульсной характеристики дырочного и электронного фототока (обусловленного различной подвижностью носителей). InGaAs характеризуется очень большой разницей подвижности - два порядка (Т.Р. Pearsall, J.P. Hirtz, The carrier mobilitiesin Ga_0,47In_0.53 as grown by organo-metallic cvd and liquid-phase epitaxy. Journal of crystal growth, 54, pp. 127-131 (1981) [2], (S. Datta, K.P. Roenker, M.M. Cahay, William E. Stanchina. Implications of hole vs electron transport properties for high speed Pnp heterojunction bipolar transistors. Solid-State Electronics, 43, pp. 73-79 (1999) [3].

Т.е. получается, что сам фотодиод выдает на выход суперпозицию исходного оптического сигнала, пропущенного через два фильтра первого порядка с отличающимися в ~100 раз постоянными времени. Потом сигнал пропускается через общие фильтры (внутренняя схема фотоприемника, усилитель для фотоприемника и т.д.).

Если мы предполагаем, что верхняя полоса среза ФД, обусловленная электронной проводимостью, нам достаточна (50 МГц), и хотим избавиться только от вклада дырок, то передаточную функцию ФД можно записать как свертку следующим образом:

где g_m - измеренный отклик, g₀ - искомый исходный сигнал, обусловленный электронным фототоком, δ - дельта-функция, W - передаточная функция от дырок.

Если отклик дырок рассматривать как фильтр первого порядка, то его действие на дельта-функцию (импульсный отклик) можно описать обычной экспоненциальной функцией:

где α - параметр затухания, определяемый частотой среза фильтра, а - амплитуда, фактически определяющая вклад отклика дырок в общий сигнал.

Далее, если подставить (2) в (1) и сделать прямое преобразование Лапласа (L(t)), то свертка функций перейдет в умножение изображений, что в силу линейности самого преобразования можно записать как:

где s=c+iω - комплексная переменная, G_m(s) - изображение измеренного отклика ФД, G₀ - изображение исходного сигнала. Таким образом, чтобы «вычесть» из исходного сигнала вклад дырок, необходимо из последнего равенства в (4) выделить G₀ и выполнить обратное преобразование Лапласа:

В п. 4 §42 Б.К. Чемоданов, «Математические основы теории автоматического регулирования», Том 2, М. 1977 [4] дается связь между преобразованием Фурье и Лапласа. Главное условие состоит в выборе константы с в переменной s, чтобы интеграл преобразования был сходящимся. В нашем случае (рис. 3) сигнал рефлектограммы конечен по времени. Проблемы может доставлять лишь выброс в отрицательные значения после окончания рефлектограммы, вызванный ограничением полосы входного тракта снизу. Чтобы все было корректно с точки зрения преобразования фурье, нужно избавиться от разрыва на краях исследуемого промежутка, домножить весь сигнал на слабую затухающую экпоненту (exp(-β·t), где β - коэффициент затухания, t - текущее время измерения, β·t<1), такую, чтобы разность уровней в начальной и конечной точках не превышала уровня шума. После применения L^-1 (s), необходимо домножить получившийся сигнал на обратную экспоненту. Формулы (3) и (4) в этом случае переписывается следующим образом:

Пример использования способа

В качестве примера использования предлагаемого способа рассмотрим эксперимент, демонстрирующий возможность использования датчика для измерения криогенных температур. Измерительная линия состоит из 4-х отрезков. Первый и последний находятся при нормальных условия, второй и третий с длинами 40 и 25 м соответственно помещены с жидкий азот.

На рис. 4 сплошной линией приведена рефлектограмма для антистоксовой компоненты рассеяния (g_m). Здесь вклад медленной дырочной проводимости проявляется в слабом возрастании сигнала на участке после 50-ти метров, тогда как максимальная амплитуда оптического импульса приходится строго на фронт, и после монотонно идет на спад. Аналогичное явление происходит на заднем фронте рефлектограммы в районе 300 метров.

Здесь оптической сигнал уже равен нулю, тогда как электрический отклик с фотодиода затухает до 400 метров. Измерения, проведенные по описанному способу, позволяют избавится от этой паразитной составляющей. Восстановленный сигнал приведен на рис. 4 пунктирной линией.

На рис. 5 приведены результаты вычисления температуры по полученным рефлектограммам. В исходном случае видно, что измерения на участке, находящемся в жидком азоте и имеющем заведомо постоянную температуру, отличаются как от температуры жидкого азота, так и имеют некоторую линию тренда, проходящую через оба отрезка. При этом при использовании описанного метода измерения линия тренда отсутствует (рис. 5, пунктирная линия), а поправка к измеренному значению температуры достигает 10-ти градусов.

Использованные источники информации

[1] патент RU 2221225.

[2] Т.Р. Pearsall, J.P. Hirtz, The carrier mobilitiesin Ga_0,47In_0. 53 as grown by organo-metallic cvd and liquid-phase epitaxy. Journal of crystal growth, 54, pp. 127-131 (1981).

[3] S. Datta, K.P. Roenker, M.M. Cahay, William E. Stanchina. Implications of hole vs electron transport properties for high speed Pnp heterojunction bipolar transistors. Solid-State Electronics, 43, pp. 73-79 (1999).

[4] Б.К. Чемоданов, «Математические основы теории автоматического регулирования», Том 2, М., 1977.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии. Способ включает в себя выделение реального сигнала, обусловленного электронным фототоком из измеряемой суперпозиции реального (электронного) и «дырочного» сигналов. При этом измеряют интенсивность комбинационного рассеяния света с помощью фотодиода, выражают передаточную функцию фотодиода как свертку где g_m - измеренный отклик в заданном промежутке, g₀ - искомый исходный сигнал, обусловленный электронным фототоком, δ - дельта-функция, W - передаточная функция от дырок, и последующими преобразованиями выделяют реальный сигнал, обусловленный электронным фототоком. Технический результат состоит в повышении точности измерений. 5 ил.

Способ определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии, состоящий в том, что измеряют интенсивность комбинационного рассеяния света с помощью фотодиода и выделяют реальный сигнал, обусловленный электронным фототоком, при этом передаточную функцию фотодиода выражают как свертку

где g_m - измеренный отклик сигнала вдоль оптоволоконной линии, g₀ - искомый исходный сигнал, обусловленный электронным фототоком, δ - дельта-функция, W - передаточная функция от дырок, t - текущее время измерения,
рассматривают отклик дырок как фильтр первого порядка, и его действие на дельта-функцию (импульсный отклик) описывают экспоненциальной функцией

где α - параметр затухания, определяемый частотой среза фильтра, а - амплитуда, фактически определяющая вклад отклика дырок в общий сигнал,
подставляют (2) в (1) и осуществляют прямое преобразование Лапласа (L(t)), получают умножение изображений, что в силу линейности самого преобразования, записывают как

где s=c+iω - комплексная переменная, G_m(s) - изображение измеренного отклика ФД, G₀ - изображение исходного сигнала g₀,
выделяют G₀ и выполняют обратное преобразование Лапласа:

выбирают константу с в переменной s так, чтобы интеграл преобразования был сходящимся, домножают измеренный сигнал g_m на exp(-β·t), где β - коэффициент затухания, t - текущее время измерения, β·t<1, производят обратное преобразование Лапласа L^-1 (s) и домножают получившийся сигнал на обратную экпоненту exp(β·t), вычисляют исходный искомый сигнал g₀ из формул (3) и (4) следующим образом: