ОСНОВАННЫЙ НА ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ САНЬЯКА РАСПРЕДЕЛЁННЫЙ ДАТЧИК РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01H9/00 G01D5/353 

Область техники

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам на основе распределенных интерферометров с восстановлением фазы, используемых в системах мониторинга протяженных объектов, и может быть использовано для контроля состояния и целостности, а также определения наличия предметов или действий вдоль контролируемой линии, в том числе трубопроводов, периметров, на основе метода распределенных оптических волоконных интерферометров Саньяка.

Уровень техники

Метод распределенного зондирования протяженных волоконных интерферометров позволяет регистрировать одиночные воздействия на оптический сенсор. При этом по характеристикам сигнала, формируемого интерференцией излучения, приходящего с сенсорного волокна в направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки, можно определить координату воздействия, а также по форме сигнала определить его источник. Кабель должен быть уложен кольцом вокруг объекта с подключением второго торца волокна к прибору. При этом определение координаты воздействия будет происходить на основе анализа спектра сигнала. Между приходом излучения в направлении по часовой стрелке и направлении против часовой формируется временная задержка, определяемая координатой воздействия. Из-за этой задержки на спектре сигнала возникают «нулевые частоты», на которых спектральная плотность близка к нулю, а их координата по оси частот пропорциональна координате воздействия на кабель. Поскольку координата определяется по низкому уровню спектральной плотности сигнала, то погрешность определения координаты возникает из-за частот, низкий уровень спектральной плотности на которых сформировался не из-за временной задержки, а из-за спектрального состава самого сигнала. Это может приводить к погрешности определения координаты в несколько километров. Электронная обработка сигнала позволяет регистрировать вибрационные воздействия на кабель с амплитудой более 0,2 рад. Это позволяет при закреплении кабеля на заборе охраняемого объекта регистрировать несанкционированный доступ к нему путем перелаза или иного действия, которое приводит к вибрации забора.

Известно изобретение по патенту КНР CN203147289 (IPC F17D 5/02) опубл. 21.08.2013 г. В патенте описывается принцип действия распределенной акустической сенсорной системы на основе интерферометра Саньяка, собранного по схеме с двумя петлями. Данные петли формируются неравноплечими интефрерометрами Маха-Цендера в несенсорной части петли. Положение воздействия определяется по частоте биений, возникающей из-за задержек приходящего от воздействия сдвига фазы в петлях, формируемых короткими и длинными плечами интерферометров Маха-Цендера.

Недостатком данного изобретения является его высокая чувствительность к шумам сигнала, которые могут подавить искомую частоту биений в спектре или сделать ее неразличимой, что приведет к пропуску сигнала тревоги или многокилометровой ошибке в определении его координаты. Также недостатком является необходимость кольцевой укладки кабеля, поскольку при линейной укладке воздействие будет оказываться сразу на обе части петли одновременно, и биений на нужной для определения координаты частоте не возникнет.

Известно изобретение по патенту КНР CN104456088 (IPC: F17D 5/02; опубл. 2017-03-01), выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа). Устройство включает в себя две ветви интерферометра Саньяка, собранного на основе оптических разветвителей 3×3 и фарадеевских зеркал. Обнаружение воздействия в одной из петель основано на выделении частоты биений сигнала, возникающей из-за задержки прихода сигналов с двух выходов разветвителя, а положение воздействия определяется по ее сдвигу. При этом за счет применения фарадеевских зеркал уменьшается влияние поляризационных эффектов на уровень сигнала.

Данное устройство позволяет прокладывать кабель не кольцом, а линейно, но чувствительность к шумовым пикам в спектре сигнала не устранена и может вызывать погрешность определения координаты воздействия в единицы километров.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является уменьшение влияния погрешностей, вызванных шумами системы, а также создание способа определения координаты воздействия, который не зависит от анализа спектра регистрируемого воздействия.

Технический результат достигается за счет того, что основанный на интерферометре Саньяка распределенный датчик регистрации вибрационных воздействий с повышенной точностью определения координаты воздействия, включает в себя широкополосный источник излучения 1, спектр которого включает в себя непересекающиеся диапазоны [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'], от которого через разветвитель по длинам волн (WDM) 2.1 часть излучения в спектральном диапазоне [λ1…λ1'] через выход 2.1.1 направляется через вход 3.1.1 циркулятора 3.1 и выход 3.1.2 к одной петле, образованной разветвителем 4.1 со сдвигом фаз 2π/3, разветвителями по длинам волн (WDM) 2.2, 2.4, 2.5, 2.3 и волоконным кабелем 5, в котором имеется как минимум четыре волокна: сенсорные 5.1 и 5.2 и подводящие 5.3 и 5.4, и проходит путь (разветвитель 4.1 - разъем WDM 2.2.1 - разъем WDM 2.2.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.4.3 - разъем WDM 2.4.1 - разъем WDM 2.5.1 - разъем WDM 2.5.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.3.3 - разъем WDM 2.3.1 - разветвитель 4.1) в прямой и обратной последовательности. Другая часть излучения в спектральном диапазоне [λ2…λ2'], не перекрывающемся с первым, направляется через выход 2.1.2 разветвителя по длинам волн (WDM) 2.1 на вход 3.2.1 циркулятора 3.2 через разъем 3.2.2 к второй петле, образованной разветвителем 4.2 со сдвигом фаз 2π/3, и разветвителями по длинам волн WDM 2.4, 2.2, 2.3, 2.5, и проходит путь (разветвитель 4.2 - разъем WDM 2.4.2 - разъем WDM 2.4.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.2.3 - разъем WDM 2.2.2 - разъем WDM 2.3.2 - разъем WDM 2.3.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.5.3 - разъем WDM 2.5.2 - разветвитель 4.2) в прямой и обратной последовательности. Далее излучение из первой петли, проинтерферировавшее в разветвителе 4.1, направляется частично на приемник излучения ПИ1 6.1, частично через разъем 3.1.2 циркулятора 3.1 и выход 3.1.3 - на приемник излучения ПИ2 6.2. Аналогично излучение из второй петли интерферирует в разветвителе 4.2 и направляется по волокну 5.4 на приемник излучения ПИ4 6.4 и по волокну 5.3 через разъем 3.2.2 циркулятора 3.2 и выход 3.2.3 на приемник излучения ПИЗ 6.3. Данные со всех приемников оцифровываются в блоке цифровой обработки (БЦО) 7, после чего там же обрабатываются, и выдается решение о наличии воздействия и рассчитывается его координата.

Уменьшение погрешности определения координаты воздействия достигается за счет того, что формируемый интерференционный сигнал в двух петлях имеет задержку во времени прихода сигнала на приемники, разную для каждой петли. Для первой петли с удалением координаты воздействия от источника излучения задержка возрастает, для второй петли с удалением координаты воздействия от источника излучения задержка уменьшается. Определение координаты воздействия осуществляется по разности задержек между зарегистрированными приемниками воздействиями. Два приемника в каждой из петель дают возможность восстановления формы (фазы) воздействия, что позволяет уменьшать погрешность определения координаты как с помощью порогового способа, так и с помощью автокорреляционного. При этом воздействие может быть оказано сразу на оба волокна сенсорной петли - это не будет увеличивать погрешность определения координаты, так как в данной схеме не анализируется частота биений сигнала, возникающей в одной петле из-за разницы прихода воздействий по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Перечень фигур

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлена схема и соотношения расстояний и временных задержек, позволяющих определять координату воздействия.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит широкополосный источник излучения 1, спектр которого включает в себя непересекающиеся диапазоны излучения [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'], разделители по длинам волн (WDM) 2.1, 2.2., 2.3, 2.4 и 2.5, имеющие с одной стороны общий вход/выход для излучения в диапазонах [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'], а с другой стороны - отдельный вход/выход для излучения в диапазоне [λ1…λ1'] и отдельный вход/выход для излучения в диапазоне [λ2…λ2'], оптические циркуляторы 3.1 и 3.2, оптические разветвители 4.1 и 4.2, сенсорный волоконно-оптический кабель 5 с как минимум четырьмя волоконными жилами 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4, приемники излучения 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4 и блок цифровой обработки 7.

Непрерывное излучение от широкополосного источника излучения 1 делится WDM 2.1 таким образом, что излучение в спектральном диапазоне [λ1…λ1'] направляется через циркулятор 3.1 к разветвителю 4.1, на основе которого собрана первая петля интеферометра Саньяка, включающая в себя элементы: разветвитель 4.1 со сдвигом фаз 2π/3, разветвители по длинам волн (WDM) 2.2, 2.4, 2.5, 2.3 и волоконный кабель 5, в котором имеется как минимум четыре волокна: сенсорные 5.1 и 5.2 и подводящие 5.3 и 5.4, и проходит путь (разветвитель 4.1 - разъем WDM 2.2.1 - разъем WDM 2.2.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.4.3 - разъем WDM 2.4.1 - разъем WDM 2.5.1 - разъем WDM 2.5.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.3.3 - разъем WDM 2.3.1 - разветвитель 4.1) в прямой и обратной последовательности. После прохождения петли излучение с направлений по часовой стрелке и против часовой стрелки интерферирует в разветвителе 4.1. Интерференционный сигнал делится между выходами разветвителя, в результате чего часть излучения попадает на приемник ПИ1 6.1, а часть через разъем 3.1.2 циркулятора 3.1 и выход 3.1.3 попадает на приемник ПИ2 6.2. Излучение в спектральном диапазоне [λ2…λ2'] от WDM 2.1 через выход 2.1.2 попадает на вход 3.2.1 циркулятора 3.2 и из разъема 3.2.2 по подводящему волокну 5.3 направляется к разветвителю 4.2, на основе которого собрана вторая петля интерферометра Саньяка, включающая в себя разделители по длинам волн WDM 2.2-2.5 и сенсорные волокна 5.1-5.2. Излучение проходит путь (разветвитель 4.2 - разъем WDM 2.4.2 - разъем WDM 2.4.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.2.3 - разъем WDM 2.2.2 - разъем WDM 2.3.2 - разъем WDM 2.3.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.5.3 - разъем WDM 2.5.2 - разветвитель 4.2) в прямой и обратной последовательности, после чего интерферирует в разветвителе 4.2. Интерференционный сигнал делится между выходами разветвителя, в результате чего часть излучения через подводящее волокно 5.3 попадает на разъем 3.2.2 циркулятора 3.2 и через выход 3.2.3 попадает на приемник ПИЗ 6.3, а часть - через подводящее волокно 5.4 попадает на приемник ПИ4 6.4. Сигнал с приемников излучения 6.1-6.4 оцифровывается и обрабатывается в БЦО 7, который выдает сигнал тревоги при превышении порогового разброса интенсивности в сигнале и определяет его координату по временной задержке между сигналами в первой и второй петле.

Излучение в разных спектральных диапазонах [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'] в данной схеме распространяется по одним и тем же сенсорным волокнам 5.1 и 5.2, но вход сенсорной петли для диапазона [λ1…λ1'] расположен в начале сенсорного кабеля, а для диапазона [λ2…λ2'] расположен в конце сенсорного кабеля, за счет чего при изменении положения воздействия от начала к концу кабеля задержка прихода интерференционного сигнала в первой петле будет увеличиваться, а во второй - уменьшаться. По разнице этих задержек можно определить координату воздействия. При этом нет необходимости анализа спектра сигнала с каждой петли с целью поиска частоты биений, поскольку применяемый способ определения координаты по временной задержке между сигналами с двух петель не чувствителен к шумовым пикам и нулевым частотам в спектральной области.

Аналитически процесс поиска и определения координаты воздействия можно описать следующим образом. Из источника 1 выходит непрерывное излучение, которое по спектру разделяется так, что диапазон [λ1…λ1'] распространяется в первой петле, а [λ2…λ2'] - во второй. При отсутствии каких-либо воздействий на кабель излучение, распространяющееся по часовой стрелке и против часовой стрелки, получает одинаковые фазовые сдвиги, и в результате интерференции получается постоянное значение интенсивности, которое плавно колеблется из-за шумов приемника, нестабильности поляризации и температуры. Математически это можно выразить формулой I(t)=I_const(t) ⋅ (1+cos (Δϕ(t)+Δϕ_р)),

где I(t) - результат интерференции,

I_const(t) - мощность излучения, распространяющегося по часовой стрелке и против часовой стрелки в петле,

Δϕ - разность фаз, генерируемая воздействием, в данном случае Δϕ=0,

Δϕ_р - разность фаз, вносимая разветвителем.

При воздействии на сенсорный кабель в точке на расстоянии х от дальнего конца кабеля в проходящем излучении создаются дополнительные сдвиги фаз (Δϕ≠0). В каждом волокне они будут отличаться из-за их разного расположения в кабеле и постепенного распространения вибраций. Если обозначить общую длину кабеля L, и длину сенсорной петли, соответственно, 2L, интерференционный сигнал для каждого приемника излучения ПИ1-ПИ4 можно описать выражениями:

На основе данных сигналов можно восстановить форму воздействия, для каждой петли она будет определяться выражением:

где I_Пi(t) - сигнал с i-ой петли,

P_2i-1(t)=I_2i-1(t)+I_2i(t),

P_2i(t)=I_2i-1(t)-I_2i(t).

Для восстановленных форм воздействия можно определить временную задержку между сигналами τ с двух петель либо пороговым, либо автокорреляционным методом. Далее координату воздействия можно определить исходя из того, что сформированная задержка образована разностью времени прихода интерференционных сигналов:

следовательно

На фиг. 2 представлены схема и соотношения расстояний и временных задержек, позволяющих определять координату воздействия.

В данном выражении вычисляется координата воздействия, точность определения которой зависит только от факта обнаружения воздействия и погрешности определения времени его начала. При этом анализируемый в аналогичных устройствах спектр сигнала, шумы которого могут генерировать ложные пики и нулевые частоты, в разы отличающиеся от истинных значений и дающие многокилометровые погрешности, не используется для определения координаты воздействия, а следовательно - не оказывает влияния на погрешность определения координаты воздействия в данной схеме.

В результате предложенное техническое решение решает задачу уменьшения погрешности определения координаты воздействия, и как следствие, повышает качество работы системы.

Распределенный датчик регистрации вибрационных воздействий включает широкополосный источник излучения 1, спектр которого включает непересекающиеся диапазоны [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'], разветвитель по длинам волн (WDM) 2.1, после которого часть излучения в спектральном диапазоне [λ1…λ1'] направляется к одной петле интерферометра Саньяка, образованной разветвителем 4.1 со сдвигом фаз 2π/3, разветвителями по длинам волн WDM и волоконным кабелем 5, и проходит путь в прямой и обратной последовательности, а другая часть излучения в спектральном диапазоне [λ2…λ2'] направляется к второй петле, образованной разветвителем 4.2 со сдвигом фаз 2π/3 и разветвителями по длинам волн WDM, и проходит путь в прямой и обратной последовательности. Излучение из первой петли проинтерферирует в разветвителе 4.1 и направляется на приемники излучения ПИ1 6.1 и ПИ2 6.2, аналогично излучение из второй петли интерферирует в разветвителе 4.2 и направляется на приемники излучения ПИ4 6.4 и ПИ3 6.3. По данным со всех приемников выдается решение о наличии воздействия и рассчитывается его координата. Технический результат - уменьшение влияния погрешностей, вызванных шумами системы, и определение координаты воздействия независимо от спектра регистрируемого воздействия. 2 ил.

Основанный на интерферометре Саньяка распределенный датчик регистрации вибрационных воздействий с повышенной точностью определения координаты воздействия включает в себя широкополосный источник излучения 1, спектр которого включает в себя непересекающиеся диапазоны [λ1…λ1'] и [λ2…λ2'], отличающийся наличием разветвителя по длинам волн (WDM) 2.1, после которого часть излучения в спектральном диапазоне [λ1…λ1'] через выход 2.1.1 направляется через вход 3.1.1 циркулятора 3.1 и выход 3.1.2 к одной петле интерферометра Саньяка, образованной разветвителем 4.1 со сдвигом фаз 2π/3, разветвителями по длинам волн (WDM) 2.2, 2.4, 2.5, 2.3 и волоконным кабелем 5, в котором имеется как минимум четыре волокна: сенсорные 5.1 и 5.2 и подводящие 5.3 и 5.4, и проходит путь (разветвитель 4.1 - разъем WDM 2.2.1 - разъем WDM 2.2.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.4.3 -разъем WDM 2.4.1 - разъем WDM 2.5.1 - разъем WDM 2.5.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.3.3 - разъем WDM 2.3.1 - разветвитель 4.1) в прямой и обратной последовательности, а другая часть излучения в спектральном диапазоне [λ2…λ2'], не перекрывающемся с диапазоном [λ1…λ1'], направляется через выход 2.1.2 разветвителя по длинам волн (WDM) 2.1 на вход 3.2.1 циркулятора 3.2 через разъем 3.2.2 к второй петле, образованной разветвителем 4.2 со сдвигом фаз 2π/3 и разветвителями по длинам волн WDM 2.4, 2.2, 2.3, 2.5, и проходит путь (разветвитель 4.2 - разъем WDM 2.4.2 - разъем WDM 2.4.3 - волокно 5.1 - разъем WDM 2.2.3 -разъем WDM 2.2.2 - разъем WDM 2.3.2 - разъем WDM 2.3.3 - волокно 5.2 - разъем WDM 2.5.3 - разъем WDM 2.5.2 - разветвитель 4.2) в прямой и обратной последовательности, после чего излучение из первой петли, проинтерферировавшее в разветвителе 4.1, направляется частично на приемник излучения ПИ1 6.1, частично через разъем 3.1.2 циркулятора 3.1 и выход 3.1.3 - на приемник излучения ПИ2 6.2, аналогично излучение из второй петли интерферирует в разветвителе 4.2 и направляется по волокну 5.4 на приемник излучения ПИ4 6.4 и по волокну 5.3 через разъем 3.2.2 циркулятора 3.2 и выход 3.2.3 на приемник излучения ПИ3 6.3, после чего данные со всех приемников оцифровываются в блоке цифровой обработки (БЦО) 7, там же обрабатываются, и выдается решение о наличии воздействия, и рассчитывается его координата.