СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, ОСНОВАННАЯ НА ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ БЕЗ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G01H9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к структуре системы распределенного акустического зондирования для устранения ухудшения рабочих характеристик распределенного акустического зондирования, вызванного конечным коэффициентом ослабления оптических элементов, которые используются для генерирования оптических импульсов.

Уровень техники

Волоконно-оптическое распределенное акустическое зондирование (DAS), основанное на технологии фазового OTDR (оптического рефлектометра во временной области), является надежным и недорогим решением для мониторинга протяженных линейных объектов, например, нефте- и газопроводов, линий электропередачи, железнодорожного полотна и границ объектов от среднего до большого размеров. В волоконно-оптических DAS могут быть использованы волоконно-оптические кабели дальней связи как в качестве среды измерения, так и в качестве среды передачи, что обеспечивает их невосприимчивость к электромагнитным излучениям и помехам. Поскольку эти кабели обычно зарыты в земле, решения по мониторингу, основанному на DAS, также являются защищенными от ручного вскрытия. Кроме того, в отличие от решений по активному зондированию, например, камер для видимого или инфракрасного спектра, DAS не требует размещения вдоль объекта дополнительных линий электропитания.

Фазовая OTDR (или фазочувствительная OTDR) основана на точном измерении физического явления, которое называют рэлеевским рассеянием и в естественных условиях наблюдают в волоконно-оптических кабелях [1]. В самой простой форме рэлеевское рассеяние можно представить как частичное обратное рассеяние проходящего по волоконно-оптическому кабелю света, вызванное неоднородностями на молекулярном уровне, которые действуют как микроскопические зеркала и которые еще называют центрами рассеяния. Механические волны вблизи от волоконно-оптического кабеля могут физически взаимодействовать с кабелем и вызывать небольшие, но измеряемые изменения наблюдаемых в естественных условиях уровней рэлеевского рассеяния. Путем измерения и анализа этих флуктуаций обратно рассеянного света можно обнаружить физическую активность, например, копание или хождение вблизи от зарытого волоконно-оптического кабеля, а при соответствующей обработке сигнала даже классифицировать ее [2], [3].

OTDR основана на том, что в волоконно-оптический кабель вводят импульсы некогерентного света и измеряют на том же конце кабеля интенсивность отраженного обратно света. В наше время OTDR широко используется для распределенного измерения потерь сигнала и обнаружения точек обрыва вдоль волоконно-оптических кабелей. В традиционной OTDR используют некогерентный свет и поэтому могут измерять только изменения интенсивности вдоль волокна; она не может быть использована для обнаружения вибраций рядом с волоконно-оптическим кабелем, если только вибрации не вызывают физическое повреждение структуры волоконно-оптического кабеля. Однако в фазочувствительной OTDR используют источник света с высокой когерентностью, и отражения от разных центров рассеяния интерферируют когерентно с получением следа обнаруженной оптической мощности [4], [5], [6], [7]. Когда источник механической вибрации физически взаимодействует с волоконно-оптическим кабелем, физическое расположение упомянутых выше центров рассеяния немного меняется. С помощью лазерного источника с высокой когерентностью механические вибрации вызывают меняющиеся фазовые сдвиги света, обратно рассеянного от разных центров рассеяния. Эти фазовые сдвиги влияют на совокупную интерференционную картину участка волоконно-оптического кабеля, на который воздействуют механические вибрации. При изменении интерференционной картины меняется результирующая интенсивность света, и это изменение измеряют, отсюда и термин «фазочувствительная OTDR».

Обычная система DAS, основанная на фазовой OTDR, показана на фиг. 1. Источником света является лазер с непрерывным излучением (CW) с малой шириной линии и конкретной длиной волны, выбранной исходя из характеристик потерь волоконно-оптического кабеля. Выходное излучение лазера усиливается усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Затем усиленный оптический сигнал направляют на акустооптический модулятор (AOM), которым управляет радиочастотный импульсный сигнал, генерируемый генератором импульсов и блоками формирователей импульсов для создания очень коротких (≈ 100 нс) оптических импульсов. Затем сгенерированные оптические импульсы направляют в измерительное волокно через циркулятор. Проходящие в измерительном волокне оптические импульсы испытывают случайное рэлеевское рассеяние. Благодаря высокой когерентности лазерного источника сигналы рассеяния с очень близкими частотами интерферируют когерентно, вследствие чего образуется оптический сигнал со случайной интенсивностью. Любые внешние акустические возмущения, действующие на волокно (которые могут быть вызваны ходьбой, копанием и т. п.) вызывают небольшие изменения оптической фазы обратно рассеянного света. Эти изменения оптической фазы модулируют оптическую интенсивность света, что обнаруживается фотодетектором (PD). Сигнал фотодетектора оцифровывают и обрабатывают.

В широко используемой структуре фазового оптического рефлектометра, показанной на фиг. 1 для получения запрашивающих импульсов от источника света непрерывной волны можно вместо акустооптических модуляторов (AOM) также использовать электрооптические модуляторы (EOM). В идеальном случае предполагается, что части волоконно-оптического кабеля вне зоны нахождения входящего импульса света полностью темные, и из темных областей не поступает обратно рассеянный сигнал. С другой стороны, ни AOM, ни EOM не соответствуют условиям такого предположения насчет полной темноты, и в любое время в каждой точке волоконно-оптического кабеля всегда есть небольшое количество света. В литературе такое явление называют коэффициентом ослабления (ER) и измеряют как отношение максимального уровня оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический кабель (импульс включен), к минимальному уровню оптической мощности (импульс выключен), как изображено на фиг. 2.

В фазовой OTDR целью использования коротких импульсов является независимое опрашивание конкретных участков кабеля, причем длина активно опрашиваемого участка кабеля определяется длительностью оптического импульса. Это возможно только в том случае, если в волоконно-оптический кабель не вводят свет, кроме входного импульса света. Нежелательный просачивающийся оптический сигнал (выключенное состояние OFF импульса или P_min на фиг. 2) делает недействительным принцип измерения с использованием фазовой OTDR. В таком случае опрашиваемые участки волоконно-оптического кабеля не могут быть независимыми, активность на разных участках кабеля может влиять друг на друга. Иначе говоря, в любое время обратно рассеянные сигналы, поступающие со всего волоконно-оптического кабеля, мешают друг другу, что сказывается на общих рабочих характеристиках измерения, в особенности для длинных кабелей. В результате ER является имманентным ограничивающим фактором, оказывающим непосредственное влияние на рабочие характеристики обнаружения в системах DAS, основанных на фазовой OTDR [8], [9].

В известном уровне техники исследователи пытаются решать проблемы ухудшения рабочих характеристик в системах с фазовой OTDR, вызванные конечным коэффициентом ослабления (ER), двумя разными способами. Некоторые исследователи пытаются создать лучшие механизмы генерирования оптических импульсов, в которых мощность оптического сигнала в состоянии OFF вводимого импульса намного ниже, чем в доступных на рынке EOM или AOM, как указано в [8] и в заявках на патент с номерами CN106961069A и GB2550789A. С другой стороны, некоторые исследователи используют доступные на рынке EOM или AOM и пытаются изменить структуру направления оптических импульсов, чтобы ослабить влияние ER на рабочие характеристики системы, как поясняется в документах GB2442745A, US8537345B2, WO2017069724A1, WO2018039046A1 и WO2017127212A1. Подробные сведения об этих способах будут приведены в следующих разделах.

Генерирование оптических импульсов с более высоким коэффициентом ослабления

В первой группе решений имеются некоторые работы, в которых предлагается использовать более чем одно доступное на рынке EOM и/или AOM, включенные последовательно, чтобы уменьшить коэффициент ослабления. Хотя при последовательном включении двух EOM (или AOM) с коэффициентом ослабления 30 дБ коэффициент ослабления может составить 60 дБ, нельзя гарантировать получение чрезвычайно высокого коэффициента ослабления (например, 120 дБ), который требуется для хороших рабочих характеристик для длинного волоконно-оптического кабеля [9]. Действительно, нет производителей, выпускающих EOM или AOM с гарантированным коэффициентом ослабления, превышающим 70 дБ.

В документе [8] предлагается вместо EOM или AOM использовать нелинейный эффект Керра для генерирования оптических импульсов с чрезвычайно высоким коэффициентом ослабления. В этой работе также теоретически показано, что для длинных волоконно-оптических кабелей (> 40 км) для удовлетворительных рабочих характеристик измерения требуется коэффициент ослабления по меньшей мере 90 дБ.

В патентном документе под номером CN106961069A представлена система генерирования сигналов в виде периодических импульсов с высоким коэффициентом ослабления, основанная на структуре с обратной связью. Цепь обратной связи, образованную оптическим фазосдвигающим устройством, оптическим усилителем, оптическим волокном с временной задержкой и регулируемой оптоволоконной линией задержки, используют для подачи части световыхода модулятора обратно на входной конец модулятора. Оптические соединители используются для соединения выходных оптических сигналов лазера CW с оптическим модулятором, и затем реализуется повторная модуляция. Путем изменения интенсивности и фазы сигналов обратной связи цепи обратной связи и показателей разветвления двух оптических соединителей реализуется выход периодических импульсных сигналов, удовлетворяющих требованиям к пиковой мощности и коэффициенту ослабления.

В патентном документе Великобритании под номером GB2550789A предлагается использовать механизм оптического затвора для снижения оптического шума в системе распределенного акустического зондирования, которая будет использована в стволах скважин. Механизм затвора образован контроллером, выполненным с возможностью передачи сигнала на затвор, для открытия затвора для обеспечения возможности передачи оптического импульса через затвор и закрывания затвора для предотвращения прохождения постороннего оптического сигнала. Таким способом можно уменьшить нежелательный просачивающийся свет, вызванный значениями конечного коэффициента ослабления. Затвор можно рассматривать как каскадирующий механизм группы генераторов оптических импульсов, и он имеет те же ограничения, что и EOM или AOM.

Ухудшающее воздействие коэффициента ослабления на рабочие характеристики измерения

Во второй группе решений исследователи пытаются изменить механизмы частей передатчика и/или приемника классической системы измерения, основанной на фазовой OTDR, таким образом, чтобы неизбежный просачивающийся свет не оказывал влияния на рабочие характеристики измерения. В этих решениях доступные на рынке EOM или AOM используют в механизме генерирования оптических импульсов, в котором применяются другие подходы по сравнению с классическими.

В патенте Великобритании под номером GB2442745A несколько групп импульсов с разными частотами передается в волоконно-оптический кабель для обнаружения акустических волн в окрестности закопанных оптических волокон. В этом документе целью использования нескольких импульсов с разными несущими частотами является уменьшение последствий проблемы когерентного затухания, которое наблюдается, когда длина когерентности лазерного источника значительно превышает длину импульса. Несколько импульсов обеспечивают резервирование и повышают вероятность того, что по меньшей мере некоторые из несущих частот будут в хорошем состоянии для измерения вибраций. Эта работа требует тщательного выбора разности несущих частот между оптическими импульсами и конструкции фильтра, чтобы выбрать конкретную пару оптических импульсов на стороне приемника.

В патенте США под номером US8537345B2 несколько разнесенных во времени оптических импульсов, возможно, с разной длиной волны, вводят в волоконно-оптический кабель. На стороне приемника отраженный сигнал принимают по трем разным линиям с разными оптическими процессами, которые представляют собой две версии со сдвигом частоты, получаемые с помощью двух разных AOM, и версия с задержкой, получаемая с помощью катушки задержки, перед фотодетекторами. В этом случае оптические сигналы с разными характеристиками, то есть нормальный сигнал фазовой OTDR и производная сигнала фазовой OTDR, могут быть получены с разными несущими частотами. Затем технологию измерения производной можно применить к распределенному акустическому зондированию для повышения чувствительности, как заявлено в патентном документе. Для применения предложенного решения нужно изменить как сторону передатчика, так и сторону приемника классической системы, основанной на фазовой OTDR. Также регулировка разницы во времени между введенными импульсами и длиной катушки задержки может быть очень важной для получения удовлетворительных рабочих характеристик измерения. Эта работа требует тщательного выбора разности несущих частот между оптическими импульсами и конструкции фильтра, чтобы выбрать конкретную пару оптических импульсов на стороне приемника.

В патентном документе под номером WO2017069724A1 последовательность оптических импульсов вдоль оптического волокна с по меньшей мере двумя разными значениями длительности используется для опрашивания с целью получения набора стойких к эффекту затухания измерений фазы. В другом патенте под номером WO2018039046A1 предложенная система опрашивания передает последовательность из M одновременно распространяющихся импульсов света по оптическому волокну с использованием пространственной моды, выбранной из набора, состоящего из N пространственных мод. Сторона приемника обнаруживает возмущения окружающей среды оптического волокна на основе анализа распространения последовательности из M импульсов света в оптическом волокне.

В заявке под номером CN107144339A в процессе опрашивания используют модулированный импульс, чтобы реализовать точное определение местоположения и измерение широкополосных вибраций на больших расстояниях. В этой работе не рассматривается вопрос влияния просачивающегося света на рабочие характеристики системы.

В патентном документе WO2017127212A1 несколько оптических импульсов передают в несколько связанных в жгут волоконно-оптических кабелей и подсчитывают пространственное усреднение отраженных обратно сигналов, принятых от этих кабелей, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум (SNR). В этой работе предполагается, что каждый пространственный канал обладает идентичной реакцией на акустические колебания и испытывает такую же фазу акустических колебаний. Такое предположение нельзя гарантировать.

Во всех работах, в которых используется несколько оптических импульсов с разными характеристиками частоты/моды, требуется тщательный выбор разницы несущей частоты/моды оптических импульсов и конструкций фильтра, чтобы на стороне приемника выбирать конкретные оптические импульсы.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения — устранить ухудшение рабочих характеристик измерения, вызванное конечным коэффициентом ослабления оптических элементов, которые используются для генерирования оптических импульсов. Для достижения этой цели для генерирования модифицированного оптического импульса для опрашивания с помощью доступных на рынке AOM или EOM объединены концепции классической OTDR и фазовой OTDR. Характеристики света внутри волоконно-оптического кабеля обладают свойствами систем, основанных как на классической OTDR, так и на фазовой OTDR. Предлагаемое решение не требует каких-либо модификаций в приемной части систем, основанных на фазовой OTDR, и его можно легко использовать с любым типом структуры системы, основанной на фазовой OTDR.

Для лучшего понимания настоящего изобретения следует ясно понимать основные характеристики лазерного источника, используемого в применениях, основанных на классической OTDR и фазовой OTDR. В хронологическом порядке было продемонстрировано, как первая классическая OTDR измеряет потерю сигнала и обнаруживает точки обрыва вдоль волоконно-оптических кабелей. В ней используются оптические импульсы, генерируемые некогерентным лазерным источником с непрерывным излучением (CW) для опрашивания с архитектурой системы, очень похожей на систему, основанную на фазовой OTDR, показанную на фиг. 1. Поскольку некогерентный лазерный источник обладает большой шириной линии, мешающие отраженные обратно сигналы благодаря рэлеевскому рассеянию имеют разные частоты. Когда имеет место конкретная деформация волоконно-оптического кабеля, мощность рэлеевского обратно рассеянного сигнала, отраженного обратно от этой точки, намного больше мощности рэлеевских обратно рассеянных сигналов, отраженных обратно от других точек. Это утверждение справедливо независимо от частоты отраженного сигнала. Поэтому некогерентный лазерный источник, используемый в системе, основанной на классической OTDR, подходит для измерения вариаций интенсивности вдоль волоконно-оптического кабеля. С другой стороны, эта система не подходит для измерения небольших вариаций вблизи от волоконно-оптического кабеля или на нем. Этот тип активности приводит к очень малым изменениям (≈ 50 нм) положения центров рассеяния, которые представляют собой всего лишь неоднородности жилы волоконно-оптического кабеля. Изменение положения центров рассеяния приводит к сдвигу фазы принимаемых обратно рассеянных сигналов. Если лазерный источник входного излучения некогерентный, изменение положения одного центра рассеяния наблюдается в виде нескольких фазовых сдвигов вследствие наличия нескольких частот в отраженном сигнале. Интерференция обратно отраженных сигналов с меняющимися случайными фазами взаимно нейтрализуется, и малые вибрации возле волоконно-оптического кабеля или на нем не могут быть измерены.

По мере совершенствования технологии лазерных источников появилась возможность производить лазерные источники с очень малой шириной линии (лазерный источник с высокой когерентностью). Использование лазерного источника с высокой когерентностью решает проблему нейтрализации сигнала вследствие некогерентной интерференции, поскольку все обратно отраженные сигналы имеют практически одинаковую частоту. В таком случае изменение положения одного центра рассеяния можно измерить как один фазовый сдвиг, что делает возможным измерить малые вибрации. В результате использование лазерного источника с высокой когерентностью вместо некогерентного лазерного источника делает процесс опрашивания чувствительным к малым вибрациям вдоль волоконно-оптического кабеля.

В условиях практического применения по длине волоконно-оптического кабеля всегда имеются малые вибрации, помимо целевой активности, которую требуется измерить. Если считать коэффициент ослабления бесконечным, эти паразитные колебания не искажают измерения, выполняемые для целевой активности. Однако, если допущение о бесконечном коэффициенте ослабления не соблюдается, нежелательный просачивающийся свет заполняет волоконно-оптический кабель по всей длине. Как результат, сигналы, когерентно интерферирующие на фотодетекторе, не ограничиваются сигналами, поступающими с участка волоконно-оптического кабеля, освещенного оптическим импульсом во включенном состоянии. Потенциально, обратно отраженный свет, поступающий из любого места волоконно-оптического кабеля, может когерентно интерферировать на фотодетекторе, приводя к меняющемуся оптическому фоновому шуму.

В то время как некогерентный лазерный источник в применениях, основанных на классической OTDR, не является чувствительным к небольшим изменениям по длине волоконно-оптического кабеля, лазерный источник с высокой когерентностью, используемый в применениях, основанных на фазовой OTDR, является чрезмерно чувствительным к небольшим изменениям вне исследуемого участка, и уровень чувствительности зависит от значения коэффициента ослабления и длины волоконно-оптического кабеля. Поэтому оптимальным решением при разработке усовершенствованной системы распределенного акустического зондирования является совместное использование некогерентного и когерентного лазерных источников в архитектуре системы, основанной на фазовой OTDR. Ключевой пункт настоящего изобретения — интеграция некогерентного лазерного источника в механизм генерирования импульсов системы, основанной на фазовой OTDR, с целью обеспечения нечувствительности системы к активности за пределами исследуемой точки без снижения чувствительности в исследуемой точке.

Отличия настоящего изобретения от имеющихся решений заключаются в следующем.

• Его удобно применять к имеющимся различным архитектурам систем, основанных на фазовой OTDR.

• Приемная сторона обычных систем, основанных на фазовой OTDR, не нуждается в модификациях.

• По сравнению со сценарием с несколькими оптическими импульсами не требуется строгая точность синхронизации во времени.

• Не требуются модификации алгоритмов / программного обеспечения в имеющихся системах, основанных на фазовой OTDR.

• Не требуется электронное перепроектирование имеющихся систем, основанных на фазовой OTDR. Оно реализуется на полностью оптических элементах.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 изображена блок-схема последовательности использующейся в настоящее время архитектуры, основанной на классической фазовой OTDR, в известном уровне техники.

На фиг. 2 показаны оптические импульсы, вводимые в волоконно-оптический кабель, где P_max и P_min — соответственно максимальный и минимальный уровни оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический кабель, а T_W и T_P — соответственно длительность импульсов и период повторения импульсов.

На фиг. 3 представлена схема системы распределенного акустического зондирования, основанной на фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, без влияния коэффициента ослабления.

На фиг. 4 показан лазер CW с большой шириной линии, образованный несколькими оптическими устройствами сдвига частоты.

На фиг. 5 показан лазер CW с большой шириной линии, образованный несколькими оптическими устройствами сдвига фазы.

Ссылочные позиции

10. Когерентный лазерный источник

20. Первый блок усилителя и фильтра

30. Генератор оптических импульсов

40. Генератор импульсов сигнала радиочастоты (RF)

50. Блок объединения

60. Циркулятор

70. Измерительный кабель

80. Некогерентный лазерный источник

90. Второй блок усилителя и фильтра

100. Третий блок усилителя и фильтра

110. Фотодетектор

120. Аналого-цифровой преобразователь (ADC)

130. Процессор

140. Устройство сдвига частоты

150. Устройство сдвига фазы

160. Блок объединения сигналов со сдвигом

Подробное описание

Настоящее изобретение относится к системе распределенного акустического зондирования, основанной на фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, которая устраняет ухудшение рабочих характеристик измерения, вызванное конечным коэффициентом ослабления оптических элементов. В этой системе когерентный лазерный источник (10) генерирует лазер CW с малой шириной линии (меньше 100 Гц) для обнаружения источников вибраций вблизи измерительного кабеля (70). Работа систем, основанных на фазовой OTDR, основана на измерении изменений фазы вернувшегося сигнала рэлеевского рассеяния, и это измерение возможно, когда вводимый в измерительный кабель (70) свет является когерентным. Измерительный кабель (70) представляет собой волоконно-оптический кабель дальней связи или волоконно-оптический кабель любого другого типа, который можно использовать для применений с удаленным измерением.

Первый блок (20) усилителя и фильтра усиливает и фильтрует излучение лазера, чтобы оно соответствовало критериям мощности и когерентности для вводимого в кабель (70) света. Блок (20) содержит оптический усилитель/ослабитель для регулировки мощности вводимого в кабель (70) света. Оптическую мощность можно регулировать, используя EDFA. Затем усиленный сигнал фильтруется с целью удаления нежелательных компонентов сигнала, возникающих вследствие неидеальности характеристик усилителя. В этом блоке (20) можно использовать несколько разных вариантов исполнения оптических фильтров.

Генератор (30) оптических импульсов формирует для опрашивания из лазера CW короткие оптические импульсы (≈ 100 нс) нужной формы импульса, которую генерирует генератор (40) импульсов сигнала RF. Критически важная задача при генерировании импульсов — получить высокий коэффициент ослабления, представляющий собой отношение оптической мощности внутри импульса (включенное состояние) к оптической мощности вне импульса (выключенное состояние). Оптический импульс можно генерировать акустооптическим модулятором (AOM) или электрооптическим модулятором (EOM), либо любым другим оптическим компонентом, таким как среда Керра. Форма оптического импульса может меняться, в зависимости от применения, например, импульс может быть прямоугольным, пилообразным и т. п.

На другой линии некогерентный лазерный источник (80) генерирует лазер CW с большой шириной линии для ослабления влияния эффекта нежелательной когерентной интерференции для просачивающегося света, вводимого в кабель, когда генератор (30) оптических импульсов находится в выключенном состоянии. Некогерентный лазерный источник (80) может быть выполнен из следующего:

• Лазерные источники, которые широко используются в применениях, основанных на классической OTDR, но не используются в применениях, основанных на фазовой OTDR, ввиду большой ширины линии,

• Комбинация нескольких лазеров CW с малой шириной линии, как показано на фиг. 4. Устройства (140) сдвига частоты могут сдвигать исходную частоту лазера на фиксированную величину, или величину сдвига можно менять с помощью внешнего источника сигнала.

• Комбинация нескольких разных версий со сдвигом фазы одного лазера CW с малой шириной линии, как показано на фиг. 5. Устройства (150) сдвига фазы могут сдвигать исходную фазу лазера на фиксированную величину, или величину сдвига можно менять с помощью внешнего источника сигнала.

• В этом варианте исполнения также можно использовать все другие возможности генерирования лазера с большой шириной линии.

Второй блок (90) усилителя и фильтра усиливает/ослабляет и фильтрует некогерентный лазер CW, поступающий от некогерентного лазерного источника (80), для удовлетворения критериям мощности и некогерентности. В этой части содержится оптический усилитель/ослабитель для корректировки мощности вводимого в измерительный кабель (70) некогерентного света таким образом, чтобы его мощность была сопоставимой с мощностью когерентного просачивающегося света, вводимого, когда генератор (30) оптических импульсов находится в выключенном состоянии. В этом блоке (90) можно использовать несколько разных вариантов исполнения оптического фильтра. Этот блок фильтра должен формировать частотный спектр вводимого в измерительный кабель (70) света таким образом, что результирующий некогерентный свет имеет большую ширину линии, причем его общая мощность сопоставима с мощностью когерентного просачивающегося света, вводимого, когда генератор (30) оптических импульсов находится в выключенном состоянии. Например, блок (90) усилителя и фильтра может быть выполнен в виде комбинации первого блока (20) усилителя и фильтра в комбинации с генератором (30) оптических импульсов и генератором (40) импульсов сигнала RF, где генератор (40) импульсов сигнала RF всегда находится в выключенном состоянии.

Блок (50) объединения объединяет оптический сигнал, поступающий от генератора (30) оптических импульсов и второго блока (90) усилителя и фильтра, и направляет объединенный оптический сигнал на циркулятор (60). Циркулятор (60) вводит объединенный оптический сигнал в измерительный кабель (70), а также направляет обратно отраженные сигналы рэлеевского рассеяния, поступающие от измерительного кабеля (70), в третий блок (100) усилителя и фильтра. Третий блок (100) усилителя и фильтра регулирует уровень мощности вернувшегося рэлеевского обратно рассеянного сигнала и отфильтровывает нежелательные частотные компоненты в вернувшемся рэлеевском обратно рассеянном сигнале для получения наилучших характеристик в блоке приемника. Блок приемника состоит из фотодетектора (110), ADC (120) и процессора (130). Блок приемника может быть в форме с прямым обнаружением, гетеродинным детектором, гомодинным детектором или в любом другом формате приемника, который можно использовать в применениях с распределенным акустическим зондированием. Фотодетектор (110) измеряет оптическую мощность вернувшегося рэлеевского обратно рассеянного сигнала как электрического сигнала (напряжения или тока). Блок (110) фотодетекторов может состоять из одного фотодетектора или нескольких фотодетекторов для измерения вернувшегося оптического рэлеевского обратно рассеянного сигнала на основании предпочтительного варианта осуществления. ADC (120) преобразует в цифровую форму измеренную аналоговую оптическую мощность для обработки процессором (130). Для измерений по предпочтительному варианту осуществления можно использовать один или несколько ADC (120).

В настоящем изобретении модифицирован только механизм генерирования оптических импульсов архитектуры, основанной на фазовой OTDR, а сторона приемника не изменена, как показано на фиг. 3. Для изменения характеристик оптического импульса, вводимого в измерительный кабель (70) для опрашивания, на стороне передатчика добавлена вторая линия. Во второй линии используется некогерентный лазерный источник (80) вместо лазерного источника с высокой когерентностью с такой же центральной частотой, что и у когерентного лазерного источника (10) в первой линии. В возможном варианте реализации другие оптические и электронные детали могут оставаться идентичными первой линии. Оптические сигналы, генерируемые в этих двух линиях, объединяют в блоке (50) объединения и подают в измерительный кабель (70). В этой конфигурации AOM в первой линии управляет очень короткий (≈ 100 нс) электронный импульс с включенным и выключенным состояниями, а управление AOM во второй линии постоянно осуществляется с выключенным состоянием. Поэтому, когда в первой линии генерируется оптический импульс, во второй линии генерируется только просачивающийся оптический сигнал с намного более широкой линией, чем у оптического сигнала в первой линии.

Оптический импульс, вводимый в оптический кабель (70), можно представить в виде

где f(t) и g(t) — оптические сигналы CW, генерируемые лазерным источником с высокой когерентностью и некогерентным лазерным источником (10, 80), соответственно; ϵ₁ и ϵ₂ — значения коэффициента ослабления оптических линий (AOM в первой и второй линиях) соответственно. Период повторения импульсов обозначен как T_P и Π(.) представляет прямоугольный импульс, который определен как

.

Обратите внимание на то, что, когда AOM обладают одинаковыми низкими коэффициентами ослабления, т. е. ϵ₁ ≈ ϵ₂ ≪ 1, вводимый оптический сигнал p(t) можно упростить до вида

где ϵ = ϵ₁ ≈ ϵ₂. В этом случае введение некогерентного лазерного сигнала g(t) в нормальный сигнал фазового OTDR можно интерпретировать как загрязнение когерентного просачивающегося света некогерентным светом. Поскольку ϵ ≪ 1, некогерентное загрязнение не меняет рабочие характеристики измерения системы во включенном состоянии оптического импульса. С другой стороны, оно существенно меняет характеристики отражаемого обратно сигнала благодаря просачивающемуся свету, вводимому в волоконно-оптический кабель в выключенном состоянии оптического импульса. В выключенном состоянии тогда как все обратно отраженные сигналы имеют почти одну и ту же частоту, когда g(t) не существует, обратно отраженные сигналы имеют случайные частоты в широком диапазоне, когда также вводится g(t). В таком случае наша предлагаемая архитектура системы становится устройством опрашивания с использованием оптического импульса с двумя состояниями, а именно когерентным включенным состоянием и некогерентным выключенным состоянием. Когерентное включенное состояние является желаемым оптическим сигналом, обладающим высокой чувствительностью к малым вибрациям вблизи волоконно-оптического кабеля или на нем. С другой стороны, некогерентное выключенное состояние неизбежно и является нежелательным просачивающимся сигналом из-за AOM или EOM с конечным коэффициентом ослабления, нечувствительным к малым вибрациям вблизи волоконно-оптического кабеля или на нем. Поэтому в предложенной конфигурации системы малые вибрации вне области опрашивания с включенным состоянием оптического импульса не влияют на рабочие характеристики измерения по сравнению с полностью когерентной системой, основанной на фазовой OTDR.

Ссылки

[1] Hill, D., “Distributed acoustic sensing (das): Theory and applications,” в [Frontiers in Optics 2015], Frontiers in Optics 2015, FTh4E.1, Optical Society of America (2015).

[2] Makarenko, A. V., “Deep learning algorithms for signal recognition in long perimeter monitoring distributed fiber optic sensors,” IEEE 26th Int. Workshop on Machine Learning for Signal Processing (MLSP), 1–11 (2016).

[3] Aktas, M., Akgun, T., Demircin, M. U., и Buyukaydin, D., “Deep learning based multi-thread classification for phase-otdr fiber optic distributed acoustic sensing applications,” в [Fiber Optic Sensors and Applications XIV], Proc. SPIE 10208 (2017).

[4] Juarez, J. C., Maier, E. W., Choi, K. N., и Taylor, H. F., “Distributed fiberoptic intrusion sensor system,” J. Lightw. Technol. 23, 2081–2087 (2005).

[5] Juarez, J. C. и Taylor, H. F., “Field test of a distributed fiber-optic intrusion sensor system for long perimeters,” Applied Optics 46, 1968–1971 (2007).

[6] Qin, Z., Chen, L., и Bao, X., “Wavelet denoising method for improving detection performance of distributed vibration sensor,” IEEE Photonic Tech. Lett. 24, 542–544 (2012).

[7] Koyamada, Y., Imahama, M., Kubota, K., и Hogari, K., “Fiber-optic distributed strain and temperature sensing with very high measurand resolution over long range using coherent otdr,” J. Lightw. Technol. 27, 1142–1146 (2009).

[8] Baker, C., Vanus, B., Wuilpart, M., Chen, L., и Bao, X., “Enhancement of optical pulse extinction-ratio using the nonlinear Kerr effect for phase-otdr,” Optics Express 24, 19424–19434 (2016).

[9] M. Aktas, H. M. и Akgun, T., “A model-based analysis of extinction ratio effects on phase-OTDR distributed acoustic sensing system performance,” SPIE Photonics West (2018).

Изобретение относится к метрологии. Система распределенного акустического зондирования содержит когерентный лазерный источник, генерирующий свет с малой шириной линии, первый блок усилителя и фильтра, генератор оптических импульсов, генератор импульсов сигнала радиочастоты, циркулятор, измерительный кабель, третий блок усилителя и фильтра. Устройство содержит приемник, преобразующий в цифровую форму измеренный сигнал, некогерентный лазерный источник, генерирующий лазер CW с большой шириной линии для ослабления влияния эффекта когерентной интерференции или длины когерентности для света, вводимого в кабель, когда генератор оптических импульсов находится в выключенном состоянии, второй блок усилителя и фильтра, регулирующий мощность лазера CW, сгенерированного некогерентным лазерным источником, и фильтрующий его таким образом, что результирующий некогерентный свет имеет большую ширину линии; причем его мощность сопоставима с мощностью когерентного просачивающегося света, вводимого, когда генератор оптических импульсов находится в выключенном состоянии, блок объединения, объединяющий оптический сигнал и направляющий объединенный сигнал на циркулятор. Технический результат - улучшение рабочих характеристик, устранение ослабления сигнала. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система распределенного акустического зондирования, основанная на фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, устраняющая ухудшение рабочих характеристик измерения, вызванное конечным коэффициентом ослабления оптических элементов, содержащая:

• когерентный лазерный источник (10), генерирующий лазер c непрерывным излучением (CW) с малой шириной линии для обнаружения источников вибраций вблизи измерительного кабеля (70),

• первый блок (20) усилителя и фильтра, усиливающий лазер CW, сгенерированный когерентным лазерным источником (10), для регулировки мощности и фильтрующий излучение лазера CW, вводимое в кабель, с целью удаления возможных нежелательных частотных компонентов, возникающих во время регулировки мощности,

• генератор (30) оптических импульсов, формирующий из лазера CW короткие оптические импульсы нужной формы импульса, которую генерирует генератор (40) импульсов сигнала радиочастоты (RF),

• циркулятор (60), вводящий оптический сигнал в измерительный кабель (70), а также направляющий обратно отраженные сигналы рэлеевского рассеяния, поступающие от кабеля, в третий блок (100) усилителя и фильтра,

• третий блок (100) усилителя и фильтра, регулирующий уровень мощности сигнала и отфильтровывающий нежелательные частотные компоненты в вернувшемся рэлеевском обратно рассеянном сигнале, направленном циркулятором (60),

• блок приемника, измеряющий оптическую мощность вернувшегося рэлеевского обратно рассеянного сигнала, преобразующий в цифровую форму измеренную аналоговую оптическую мощность и обрабатывающий преобразованную в цифровую форму мощность оптического сигнала,

отличающаяся тем, что содержит:

• некогерентный лазерный источник (80), генерирующий лазер CW с большой шириной линии для ослабления влияния эффекта когерентной интерференции или длины когерентности для света, вводимого в кабель, когда генератор (30) оптических импульсов находится в выключенном состоянии,

• второй блок (90) усилителя и фильтра, регулирующий мощность лазера CW, сгенерированного некогерентным лазерным источником (80), и фильтрующий его таким образом, что результирующий некогерентный свет имеет большую ширину линии, причем его мощность сопоставима с мощностью когерентного просачивающегося света, вводимого, когда генератор (30) оптических импульсов находится в выключенном состоянии,

• блок (50) объединения, объединяющий оптический сигнал, поступающий от генератора (30) оптических импульсов и второго блока (90) усилителя и фильтра, и направляющий объединенный оптический сигнал на циркулятор (60),

при этом когерентный лазерный источник (10) соединен с первым блоком (20) усилителя и фильтра, первый блок (20) усилителя и фильтра соединен с генератором (30) оптических импульсов, генератор (30) оптических импульсов соединен с блоком (50) объединения, генератор (40) импульсов сигналов RF соединен с генератором (30) оптических импульсов, блок (50) объединения соединен с циркулятором (60), некогерентный лазерный источник (80) соединен с вторым блоком (90) усилителя и фильтра, второй блок (90) усилителя и фильтра соединен с блоком (50) объединения, циркулятор (60) соединен с третьим блоком (100) усилителя и фильтра и измерительным кабелем (70), третий блок (100) усилителя и фильтра соединен с блоком приемника.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптический импульс, p(t), введенный в волоконно-оптический кабель, можно представить в виде

где f(t) и g(t) — оптические сигналы CW, генерируемые лазерным источником с высокой когерентностью и некогерентным лазерным источником (10, 80), соответственно; ϵ₁ и ϵ₂ — значения коэффициента ослабления оптических линий соответственно; T_P — период повторения импульсов, и Π(.) представляет прямоугольный импульс, который определен как

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что вводимый оптический сигнал p(t) можно упростить в виде

когда коэффициенты ослабления являются сопоставимыми, и ϵ = ϵ₁ ≈ ϵ₂ << 1, таким образом, система становится устройством опрашивания с использованием оптического импульса с двумя состояниями, а именно когерентным включенным состоянием и некогерентным выключенным состоянием.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что генератор (30) оптических импульсов представляет собой акустооптический модулятор, или электрооптический модулятор, или среду Керра.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулировка оптической мощности осуществляется с помощью оптического усилителя на волокне, легированном эрбием, в блоках (20, 90, 100) усилителя и фильтра.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок приемника состоит из фотодетектора (110), измеряющего оптическую мощность, аналого-цифрового преобразователя (120) и процессора (130), обрабатывающего преобразованную в цифровую форму мощность оптического сигнала.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит блок фотодетекторов, состоящий из одного фотодетектора (110) или нескольких фотодетекторов (110) для измерения вернувшегося оптического рэлеевского обратно рассеянного сигнала.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок приемника может быть в форме с прямым обнаружением, гетеродинным детектором, гомодинным детектором, который можно использовать в распределенном акустическом зондировании.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что некогерентный лазерный источник (80) представляет собой комбинацию нескольких лазеров CW с малой шириной линии, в которых выполнен сдвиг оптическими устройствами (140) сдвига частоты.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что некогерентный лазерный источник (80) представляет собой комбинацию нескольких лазеров CW с малой шириной линии, в которых выполнен сдвиг оптическими устройствами (150) сдвига фазы.

11. Система по п. 9 или 10, отличающаяся тем, что устройства (140, 150) сдвига частоты/фазы сдвигают частоту/фазу лазера на фиксированную величину, или величину сдвига меняют с помощью внешнего источника сигнала.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что измерительный кабель (70) представляет собой волоконно-оптический кабель.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что второй блок (90) усилителя и фильтра реализован с первым блоком (20) усилителя и фильтра в комбинации с генератором (30) оптических импульсов и генератором (40) импульсов сигнала.

14. Способ распределенного акустического зондирования, основанный на фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, устраняющий ухудшение рабочих характеристик измерения, вызванное конечным коэффициентом ослабления оптических элементов, включающий следующие этапы процесса:

• генерирование лазера CW с малой шириной линии для обнаружения источников вибраций вблизи волоконно-оптического кабеля,

• регулировку мощности лазера CW и фильтрацию с целью удаления возможных нежелательных частотных компонентов, возникающих во время регулировки мощности,

• формирование из лазера CW коротких оптических импульсов нужной формы импульса генератором оптических импульсов,

• генерирование лазера CW с большой шириной линии для ослабления влияния эффекта когерентной интерференции или длины когерентности для света, вводимого в кабель, когда генератор оптических импульсов находится в выключенном состоянии,

• регулировку мощности некогерентного света и фильтрацию его таким образом, что результирующий некогерентный свет имеет большую ширину линии, причем его мощность сопоставима с мощностью когерентного просачивающегося света, вводимого, когда генератор оптических импульсов находится в выключенном состоянии,

• объединение блоком объединения оптических сигналов, поступающих от оптических линий, и направление объединенного оптического сигнала на циркулятор,

• введение оптического сигнала в кабель и направление обратно отраженных сигналов рэлеевского рассеяния, поступающих от кабеля, в блок усилителя и фильтра,

• регулировку уровня мощности сигнала и отфильтровывание нежелательных частотных компонентов в вернувшемся рэлеевском обратно рассеянном сигнале,

• измерение оптической мощности вернувшегося рэлеевского обратно рассеянного сигнала,

• преобразование в цифровую форму измеренной аналоговой оптической мощности и обработку преобразованной в цифровую форму мощности оптического сигнала.