Система и способ коррекции искажений сигнала оптического излучения Российский патент 2023 года по МПК H04B10/2507 G01K11/32 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в средствах для распределенного измерения температуры, а также для измерения температурного распределения вдоль оптоволоконного кабеля в протяженных объектах, применяемых в сферах, связанных с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах и во многих других. Уровень техники

[0002] Волоконно-оптические системы пригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределенных измерительных датчиков. Физические величины измерения, например, температура или давление, а также сила растяжения могут воздействовать на оптическое волокно и менять свойства световодов в определенном месте. В результате затухания света в стеклянных волокнах за счет рассеяния место внешнего физического воздействия может быть точно определено, благодаря чему возможно применение оптоволокна в качестве линейного датчика.

[0003] Для измерения температуры с помощью оптоволоконных кабелей особенно подходит применение комбинационного рассеяния. В отличие от падающего на оптоволокно света, в его обратном рассеянии, помимо доли упругого рассеяния (рэлеевское рассеяние) на той же длине волны, что и излучаемый свет, обнаруживаются дополнительные компоненты на других длинах волн, которые связаны с колебаниями молекул оптоволокна и, следовательно, с локальной температурой. Однако, ввиду деградации оптоволокна во время его эксплуатации за счет проникновения в его сердцевину атомарного водорода, в рефлектограммах компонент рассеяния появляются шумовые паттерны.

[0004] Классическая распределенная термометрия не способна работать с оптическим волокном, в котором наблюдаются спектрально зависимые потери. В рамках термометрии основной проблемой, связанной с спектрально зависимыми потерями, является меняющаяся концентрация соединений водорода, спектральная область поглощения которого находится на длинах волн рассеяния, на которых работает распределенная термометрия. Не равномерный вклад в коэффициенты затухания на длинах волн стокса и антистокса приводит к искажению рефлектограмм и искажению расчета температуры.

[0005] Для определения температуры необходимо решать систему уравнений, в которой имеется три неизвестные: потери в волокне, температура волокна, концентрация водорода. Классическая термомтерия зачастую принимает во внимание лишь две компоненты рассеяния для расчета температуры, т.е. две переменные: рефлектограмма стокса и рефлектограмма антистокса. Превышение количества неизвестных над количеством аргументов (переменных) делает задачу не решаемой.

[0006] Из уровня техники известно техническое решение, раскрытое в патенте №US 9322721 В2 (опубл.: 26.04.2016 г., МПК: G01K 11/00; G01K 11/32). В представленном патенте описывается система распределенных датчиков температуры по оптическому волокну, имеющая функцию автоматической коррекции, а также способ измерения температуры с использованием этой системы, в котором автоматически скорректированная температура может быть измерена с использованием одного источника света и одним оптическим детектором.

[0007] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не предусмотрено наличие трех отдельных оптических каналов для рэлеевской, стоксовой и антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния соответственно. Весь рассеянный свет детектируется одним фотодетектором. Ввиду этого сложно разделить полученную рефлектограмму по компонентам для дальнейшего анализа и расчета температуры. Также в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений. Еще одним недостатком описанного технического решения является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры.

[0008] Также известен способ получения распределенного измерения по патенту № ЕР 1616161 В1 (опубл.: 12.09.2007 г., МПК: G01K 11/32). Способ включает развертывание оптического волокна в интересующей области измерения и запуск в него первого оптического сигнала на первой длине волны λ0 и высоком уровне мощности, второго оптического сигнала на второй длине волны λ-1 и третьего оптического сигнала с первой длиной волны λ0 и низким уровнем мощности. Эти оптические сигналы генерируют обратно рассеянный свет на второй длине волны λ-1, возникающий из-за комбинационного рассеяния первого оптического сигнала, который указывает на измеряемый параметр, на первой длине волны λ0, возникающий из-за рэлеевского рассеяния первого оптического сигнала, на второй на длине волны λ-1, возникающей из-за рэлеевского рассеяния второго оптического сигнала, и на первой длине волны λ0, возникающей из-за рэлеевского рассеяния третьего оптического сигнала. Обратно рассеянный свет обнаруживается для генерации четырех выходных сигналов, а окончательный выходной сигнал получается путем нормализации сигнала рамановского рассеяния по функции, полученной из трех сигналов рэлеевского рассеяния, которая устраняет эффекты зависимых от длины волны и нелинейных потерь.

[0009] Недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.

[0010] Известна также система калибровки измерения оптического FMCW-рассеяния, раскрытая в патенте № KR 101040032 В1 (опубл. 10.06.2011 г., МПК: G01K 11/32). Система включает блок оценки и возбуждения и датчик, расположенный в продольном направлении, причем датчик имеет первый конец и второй конец. Блок возбуждения и оценки выполнен с возможностью возбуждения светового сигнала модулированной частоты с частотой модуляции fin и для оценки сигнала датчика, полученного от первого конца датчика, при этом датчик выполнен с возможностью захвата сигнала данных на основе модулированной частоты световой сигнал, физические параметры которого могут быть извлечены из пространственно-распределенных точек измерения датчика по его длине между первым и вторым концами.

[0011] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.

[0012] Помимо этого, в заявке № US 20110231135 А1 (опубл. 22.09.2011 г.; МПК: G01K 15/00; G06F 19/00) раскрыт метод автокоррекции для повышения точности измерений распределенной температуры в оптоволокне, полученных на основе комбинационного обратного рассеяния, с использованием двух источников света с разными длинами волн, за счет соответствующего выбора длин волн двух источников, использования схемы модуляции одного импульса для двух источников света и использование одного из источников света в качестве основной измерительной системы и второго источника света в качестве случайного корректирующего источника.

[0013] Недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.

[0014] В патенте № US 7126680 В2 (опубл. 24.10.2006 г.; МПК: G01N 21/00) описаны способы калибровки и выполнения измерений с использованием волоконно-оптических датчиков раскрыты с использованием длин волн обратного рассеяния и независимых датчиков. В раскрытии излагаются способы, применимые к волоконно-оптическим датчикам либо в петле, либо в линейной конфигурации и полезные для измерений, включая измерения температуры.

[0015] Недостатком данного технического решения является то, что в нем используется брэгговская решетка. Волоконный фильтр на брэгговской решетке является нестабильным элементом, на который оказывают влияние температурные факторы, что ведет к снижению надежности работы устройства. При этом при использовании фильтра на брэгговской решетке спектр работы лазера должен подходить к рабочему спектру (брэгговские решетки должны иметь ту же длину волны, что и импульсный лазер). Спектры импульсных лазеров, а также спектры решеток определяются при производстве и порой могут немного отходить от ожидаемых значений. Это ухудшает технологичность прибора, так как необходимо проводить измерения спектров лазеров, спектров решеток и подбирать пары «лазер-фильтр». Спектры решеток зависят от натяжения волокна, которое в процессе сборки трудно контролировать, что также ухудшает технологичность прибора. Использование брэгговских решеток не позволяет использовать различные типы лазеров. Еще одним недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.

[0016] Известно устройство для измерения распределения температуры оптического волокна, раскрытое в патенте № US 8858069 В2 (опубл. 14.10.2014 г.; МПК: G01K 15/00; G01K 11/00; G01K 11/32). Устройство для измерения распределения температуры оптического волокна измеряет распределение температуры вдоль оптического волокна с использованием обратного комбинационного рассеяния света, генерируемого в оптическом волокне. Устройство включает в себя: термометр эталонной температуры, расположенный вблизи оптического волокна для измерения эталонной температуры оптического волокна; арифметический контроллер, который вычисляет температуру оптического волокна на основе обратного комбинационного рассеяния света; и корректор температуры, который корректирует вычисленную температуру на основе формулы коррекции, содержащей эталонную температуру в качестве параметра.

[0017] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не предусмотрено наличие трех отдельных оптических каналов для рэлеевской, стоксовой и антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния соответственно. Весь рассеянный свет детектируется одним фотодетектором. Ввиду этого сложно разделить полученную рефлектограмму по компонентам для дальнейшего анализа и расчета температуры. Также в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений. Еще одним недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры.

Сущность изобретения

[0018] Задачей настоящего изобретения является создание и разработка системы и способа коррекции искажений сигнала оптического излучения, обеспечивающих эффективное удаление искажений и шумов в полученном сигнале оптического излучения. [0019] Данная задача решается заявляемым изобретением за счет достижения таких технических результатов, как эффективное удаление искажений и шумов в полученном сигнале оптического излучения, за счет чего значительно повышается точность и достоверность измерений, производимых при помощи оптического излучения. Заявленный технический результат достигается в том числе, но не ограничиваясь, благодаря:

• применению рэлеевской компоненты Рамановского рассеяния для оценки степени деградации оптоволокна;

• вычислению искажений на основе оценки степени деградации оптоволокна;

• использованию оптических и цифровых каналов для измерения в количестве равном количеству измеряемых компонент.

[0020] Более полно, технический результат достигается системой коррекции искажений сигнала оптического излучения, включающей источник сфокусированного излучения, оптическую схему, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь, блок корректировки и блок расчета температуры. Причем, оптическая схема подключена к источнику оптического излучения посредством оптоволокна и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния, включая рэлеевскую компоненту рассеяния. Каждый из фотоприемников также подключен к оптической схеме посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью регистрации отдельной компоненты рассеяния. Блок корректировки, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна, а блок расчета температуры - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь и блок корректировки соединены друг с другом оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния.

[0021] Источник сфокусированного лазерного излучения необходим для генерации излучения, попадающего на оптоволокно. Это позволяет измерять температуру волоконно-оптическими методом. Оптическая схема, которая подключена к источнику сфокусированного оптического излучения посредством оптоволокна, необходима для выделения компонент рассеяния из оптического излучения посредством комбинационного рассеяния (эффекта Рамана), в том числе рэлеевской компоненты рассеяния. Благодаря выделению компоненты Рэлей становится возможным учитывать степень деградации оптоволокна, что, в свою очередь, позволяет достичь более высокой точности в последующем расчете температуры. Фотоприемники необходимы для регистрации каждой из компонент рассеяния. Отдельная регистрация каждой компоненты, проходящей по отдельному оптоволокну, в последующем позволяет вычислять температуру с учетом каждой компоненты, что, в свою очередь, повышает точность и достоверность измерений. Аналого-цифровой преобразователь необходим для преобразования полученных аналоговых рефлектограмм в цифровые рефлектограммы. Это позволяет впоследствии произвести корректировку искажений полученных рефлектограмм. Блок корректировки, в свою очередь, необходим для учета степени деградации оптоволокна и самой корректировки искажений с учетом этой деградации. Блок расчета температуры необходим для расчета температуры на основании рефлектограмм с скорректированными искажениями. То, что оптическая схема, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь и блок корректировки соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, позволяет учитывать степень деградации оптоволокна, что увеличивает достоверность и точность рассчитанной по этим данным температуры.

[0022] Оптическая схема может быть сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния.

[0023] Блок корректировки может включать модуль алгебраической корректировки, сконфигурированный с возможностью вычисления корректирующих коэффициентов. Это позволяет произвести правильный сдвиг и наклон полученной рефлектограммы, что дополнительно увеличивает точность вычисляемой температуры на основании этой рефлектограммы.

[0024] Также блок корректировки может включать модуль нормировки, сконфигурированный с возможностью нормирования рефлектограммы. Это может позволить сравнивать данные из разных диапазонов значений, приводя их единому виду.

[0025] Помимо этого, блок корректировки может включать модуль аппроксимации, сконфигурированный с возможностью вычисления функции, приближенной к полученной рефлектограмме. Таким образом, может стать возможным вычесть приближенную функцию из полученной рефлектограммы, в результате чего можно получить шумовой паттерн для каждой отдельной рефлектограммы. Причем, вычисленная функция может являться кривой, спадающей по логарифму. Это может позволить вычислить наиболее приближенную функцию.

[0026] Блок корректировки может включать также и модуль логарифмизации, сконфигурированный с возможностью приведения размерности рефлектограммы в логарифмический масштаб. Это позволяет привести размерность рефлектограммы в условные единицы.

[0027] Также блок корректировки может включать модуль вычисления отношения, сконфигурированный с возможностью деления рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисления результата деления. Помимо этого, блок корректировки может включать модуль вычитания шума, сконфигурированный с возможностью вычета шума из результата деления. Причем, блок расчета температуры при наличии этих блоков может дополнительно быть сконфигурирован с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы без шума и корректирующих коэффициентов. Так становится возможным вычислять температуру с большей точностью, т.к. расчет температуры производят на основании рефлектограмм без шумового паттерна.

[0028] Источник сфокусированного излучения может быть сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не.

[0029] Аналого-цифровой преобразователь может дополнительно включать память, сконфигурированную с возможностью сохранения и накопления полученных рефлектограмм.

[0030] Также источник сфокусированного излучения может быть дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю посредством электронной линии. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя при начале измерений.

[0031] Помимо этого, источник сфокусированного оптического излучения может дополнительно включать тактовый генератор, сконфигурированный с возможностью опроса оптической схемы.

[0032] Также технический результат достигается способом коррекции искажений сигнала оптического излучения. Согласно способу, сначала генерируют сфокусированное оптическое излучение в направлении оптоволокна, подключенного к оптической схеме. Затем разделяют сфокусированное оптическое излучение на компоненты рассеяния, в том числе на рэлеевскую компоненту, при помощи оптической схемы. После этого регистрируют каждую компоненту рассеяния, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну и попадает в отдельный фотоприемник. Далее отправляют каждую зарегистрированную компоненту рассеяния в аналого-цифровой преобразователь по отдельным каналам, после чего преобразуют каждую компоненту рассеяния в цифровую рефлектограмму. Цифровые рефлектограммы каждой компоненты рассеяния отправляют в блок корректировки по отдельным каналам. На основании полученных рефлектограмм учитывают степень деградации оптоволокна. В результате рассчитывают температуру на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна.

[0033] Генерация сфокусированного оптического излучения в направлении оптоволокна, подключенного к оптической схеме необходима для измерения температуры волоконно-оптическими методом. При этом подключение к оптической схеме, а также разделение сфокусированного оптического излучения на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния при помощи оптической схемы необходимы для выделения компонент Рэлей, Стоке и Антистокс из оптического излучения посредством комбинационного рассеяния (эффекта Рамана). Благодаря выделению компоненты Рэлей становится возможным учитывать степень деградации оптоволокна, что, в свою очередь, позволяет достичь более высокой точности в последующем расчете температуры. Регистрация каждой компоненты, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну и попадает в отдельный фотоприемник, в последующем также позволяет вычислять температуру с учетом каждой компоненты, что, в свою очередь, повышает точность и достоверность измерений. Отправка каждой зарегистрированный компоненты в аналого-цифровой преобразователь оп отдельным каналам и преобразование рефлектограмм каждой зарегистрированной компоненты в цифровые рефлектограммы необходимо для последующей обработки данных цифровыми вычислительными средствами. Отправка цифровых рефтограмм в блок корректировки по отдельным каналам, а также учет степени деградации оптоволокна на основании полученных рефлектограмм необходимы для непосредственной коррекции искажений, возникших, в том числе, в результате деградации оптоволокна, в полученных рефлектограммах. Расчет температуры на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна необходим для повышения точности и достоверности вычисленной температуры.

[0034] На этапе учета степени деградации оптоволокна могут осуществлять следующее. Сначала могут отправлять рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния в модуль алгебраической корректировки. Затем могут вычислять корректирующие коэффициенты на основании рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния. Вычисленные корректирующие коэффициенты могут отправлять в модуль нормировки и в блок расчета температуры. Также могут отправлять рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в модуль нормировки и в модуль аппроксимации. После этого могут нормировать рефлектограмму каждой компоненты рассеяния. Нормированные рефлектограммы могут отправлять в модуль логарифмизации. Затем могут приводить размерности рефлектограмм каждой компоненты рассеяния в логарифмический масштаб. Нормированные рефлектограммы в логарифмическом масштабе могут отправлять в модуль вычисления отношения. Рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния могут делить на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычислять результат деления. Для каждой полученной рефлектограммы в модуле аппроксимации могут вычислять функции, приближенные к полученной рефлектограмме, вычисляя таким образом шумовой паттерн. После этого могут отправлять вычисленный шумовой паттерн и результат деления стоксовой компоненты рассеяния на антистоксовую компоненту рассеяния в модуль вычитания шума. В нем могут вычитать из отношения стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния шумовой паттерн. Так, возможно вычитать шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна, из рефлектограмм. При применении этого способа учета деградации оптоволокна температуру могут рассчитывать на основе корректировочных коэффициентов и рефлектограммы без шума. Таким образом, возможно еще больше повысить точность и достоверность расчета температуры.

[0035] На этапе генерации сфокусированного оптического излучения могут генерировать излучение с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не.

[0036] После преобразования каждой компоненты рассеяния в цифровую рефлектограмму могут сохранять цифровую рефлектограмму в память аналого-цифрового преобразователя.

[0037] Параллельно с генерацией оптического излучения могут подавать электронный сигнал по электронной линии на аналого-цифровой преобразователь при помощи источника сфокусированного оптического излучения. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя при начале измерений.

[0038] Также могут периодически опрашивать оптическую систему при помощи такового генератора источника сфокусированного оптического излучения.

Описание чертежей

[0039] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[0040] На Фиг. 1 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению.

[0041] На Фиг. 2 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению.

[0042] На Фиг. 3 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения с дополнительными элементами согласно настоящему изобретению.

[0043] Данные фигуры поясняются следующими позициями:

Позиция 1 - источник сфокусированного оптического излучения;

Позиция 2 - оптическая схема;

Позиция 3 - оптоволокно;

Позиция 41- первый фотоприемник;

Позиция 42 - второй фотоприемник;

Позиция 43 - третий фотоприемник;

Позиция 5 - аналого-цифровой преобразователь;

Позиция 6 - блок корректировки;

Позиция 61- модуль алгебраической корректировки;

Позиция 62 - модуль нормировки;

Позиция 63 - модуль аппроксимации;

Позиция 64 - модуль логарифмизации;

Позиция 65 - модуль вычисления отношения;

Позиция 66 - модуль вычитания шума;

Позиция 7 - блок расчета температуры.

Подробное описание изобретения

[0044] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

[0045] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[0046] Используемые в описании технического решения термины «модуль», «блок» и подобные используются для обозначения компьютерных сущностей, которые могут являться аппаратным обеспечением/оборудованием (например, устройством, инструментом, аппаратом, аппаратурой, составной частью устройства, например, процессором, микропроцессором, интегральной схемой, печатной платой, в том числе электронной печатной платой, макетной платой, материнской платой и т.д., микрокомпьютером и так далее), программным обеспечением (например, исполняемым программным кодом, скомпилированным приложением, программным модулем, частью программного обеспечения или программного кода и так далее) и/или микропрограммой (в частности, прошивкой). Так, например, блок может быть процессом, выполняющимся на процессоре (процессором), объектом, исполняемым кодом, программным кодом, файлом, программой/приложением, функцией, методом, (программной) библиотекой, подпрограммой, сопрограммой и/или вычислительным устройством (например, микрокомпьютером или компьютером) или комбинацией программных или аппаратных компонентов. Так, в частном случае, если блок является печатной платной с множеством подключенных друг к другу микропроцессоров и микроконтроллеров, модуль как раз представляет микропроцессор или микроконтроллер (или другой аппаратный элемент) с встроенной программой. В случае же, если блок является программой, то модуль может являться одной и функций этой программы. Блок/модуль может располагаться на одном вычислительном устройстве (например, микрокомпьютере, микропроцессоре, печатной плате и т.д.) и/или может быть распределен/разделен между несколькими вычислительными устройствами.

[0047] На Фиг. 1 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения включает источник сфокусированного излучения 1, оптическую схему 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5, блок корректировки 6 и блок расчета температуры 7. Причем, оптическая схема 2 подключена к источнику оптического излучения 1 посредством оптоволокна 3 и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния: Сток, Антистокс и Рэлей. Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) также подключен к оптической схеме 2 посредством оптоволокна 3. При этом первый фотоприемник 41 сконфигурирован с возможностью регистрации стоксовой компоненты рассеяния, второй 42 - антистоксовой компоненты, а третий 43 - рэлеевской компоненты рассеяния. Блок корректировки 6, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна 3, а блок расчета температуры 7 - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5 и блок корректировки 6 соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния. На Фиг. 1 сфокусированное оптическое излучение изображено сплошной волнистой линией, антистоксовая компонента рассеяния и каналы, по которым она распространяется, изображены штриховой линией, стоксовая компонента и каналы, по которым она распространяется, - штрихпунктирной линей, а рэлеевская компонента и соответствующие ей каналы передачи - штрихпунктирной линией с двумя точками.

[0048] На Фиг. 2 представлен схематичный вид системы, показанной на Фиг. 1, но с указанием типов передаваемых сигналов. Так, штриховой линией изображено передаваемое по оптоволокну 3 оптическое излучение; штрихпунктирной линией -зарегистрированный фотоприемниками (41, 42, 43) аналоговый сигнал для каждой компоненты рассеяния; а штрихпунктирной линией с двумя точками - цифровые данные, полученные в том числе благодаря преобразованию аналоговых рефлектограмм в цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя 5.

[0049] Представленная на Фиг. 1 и Фиг. 2 система позволяет осуществлять коррекцию спектрально зависимых потерь (искажений) в оптоволокне 3, связанных с неоднородной концентрацией водорода в оптоволокне 3, в рамках задач распределенной термометрии. В обычных условиях (не идеальных) при измерении температуры волоконно-оптическим методом возникают три неизвестные: потери в оптоволокне 3, температура оптоволокна 3 (измеряемая величина) и концентрация водорода. Именно водород, а именно атомарный водород, вызывает деградацию оптоволокна 3. Вследствие проникновения атомарного водорода нарушается кристаллическая решетка оптоволокна 3, что, в свою очередь, вызывает замутнения и приводит к шумам и потерям сигнала. Точное решение этой задачи возможно лишь при введении трех переменных, в качестве которых в настоящем изобретении используются рефлектограммы стоксовой, антистоксовой и рэлеевской компонент рассеяния. Использование третьей рефлектограммы при наличии спектра поглощения водорода позволяет оценить концентрацию водорода вдоль оптического волокна 3. Концентрация позволяет учесть вклад в коэффициент затухания для разных длин волн стокса и антистокса путем добавления поправки. Таким образом, крайне важным для достижения заявленного технического результата является использование трех отдельных каналов (в том числе оптоволоконных), каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, а также возможность учета деградации оптоволокна 3 блоком корректировки 6.

[0050] Источник сфокусированного оптического излучения 1 необходим для генерации излучения, попадающего на оптоволокно 3. На этом основывается распределенная термометрия. Физические параметры измерения, такие как, например, температура, могут влиять на оптоволокна 3 и локально изменять характеристики светопропускания в оптоволокне 3. В результате затухания света в волокнах за счет рассеяния может быть определено местоположение внешнего физического воздействия, так что оптическое волокно 3 может быть использовано в качестве линейного датчика.

[0051] В качестве источника сфокусированного оптического излучения 1 может использоваться лазер любого типа, способный генерировать сфокусированное видимое излучение. Помимо лазера могут использоваться и другие источники оптического излучения, в том числе расфокусированного, при условии, что расфокусированное излучение будет сначала направляться в дополнительную оптическую схему, сконфигурированную с возможностью фокусировки такого излучения. При этом важно отметить, что как в случае лазера, так и в случае иного источника, фокусировка должна быть такой, что ширина спектральной линии излучения одного порядка с диаметром оптоволокна 3. Так, сфокусированное излучение может полностью или практически полностью попадать на поверхность оптоволокна 3, благодаря чему возможно избежать значительных потерь оптического сигнала. При этом, источник сфокусированного оптического излучения 1 может быть сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не. При этом также возможно, чтобы оптическое излучение имело длину волны 1550 нм или 1000 нм.

[0052] Оптоволокно 3, подключенное к оптической схеме 2, предпочтительно изготавливать из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой форму диоксида кремния (SiO2) с аморфной твердой структурой. Тепловые эффекты вызывают колебания решетки внутри твердого тела. Когда свет падает на эти термически возбужденные молекулярные колебания, происходит взаимодействие между частицами света (фотонами) и электронами молекулы. Рассеяние света, также известное как комбинационное рассеяние (эффект Рамана), происходит в оптическом волокне 3 при попадании на него сфокусированного оптического излучения, генерируемое источником сфокусированного оптического излучения 1. В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний решетки. Таким образом, свет, рассеянный обратно от оптоволокна 3, содержит три различные спектральные доли: Рэлеевское рассеяние с длиной волны используемого источника сфокусированного оптического излучения 1; компоненты линии Стокса, излучаемой фотонами, чья длина волны сдвинута на более длинную длину волны относительно длины волны излучения источника сфокусированного оптического излучения 1 (более низкая частота); а компоненты линии Антистокса сдвинуты на более короткую длину волны (более высокая частота), чем рассеяние Рэлея, т.е. относительно длины волны излучения источника сфокусированного оптического излучения 1. Интенсивность так называемой антистоксовой компоненты зависит от температуры, в то время как стоксова компонента практически не зависит от температуры. Локальная температура оптического волокна 3 определяется соотношением антистоксовой и стоксовой интенсивностей света.

[0053] Зачастую оптоволокно 3 изготавливается из кварца с большим количеством примесей. Однако, предпочтительно минимизировать количество примесей, т.к. они ускоряют деградацию используемого оптоволокна 3.

[0054] Оптическая схема 2 может быть сконфигурирована различными известными способами и состоять из известных в данной области техники оптических элементов. Важно, чтобы при этом оптическая схема 2 была сконфигурирована с возможностью разделения каждой компоненты рассеяния по отдельным каналам. Это может быть реализовано, например, с помощью частотных фильтров, т.е. каждая из компонент имеет разную частоту излучения. Как уже было сказано ранее, именно выделение каждой компоненты и их отдельная передача по отдельным каналам позволяет сделать измерение температуры и последующий ее расчет более точным и достоверным.

[0055] Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) сконфигурирован с возможностью регистрации поступающего на него оптического излучения. Они представляют собой «датчики света». Фотоприемники могут быть классифицированы по их механизму детектирования. Например, могут использоваться фотоэмиссионные или фотоэлектрические фотоприемники, полупроводниковые и другие. При этом предпочтительно, чтобы каждый из фотоприемников (41, 42, 43) был сконфигурирован с возможностью работы по одному одинаковому механизму детектирования. Так будет возможно избежать дополнительных искажений рефлектограмм, связанных с разными методами детектирования. Однако, фотоприемник, в целом, предназначен для преобразования поступающего на него оптического сигнала в электрический (аналоговый) сигнал. При этом в фотоприемник может дополнительно быть встроен усилитель сигнала.

[0056] Аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП) представляет собой устройство, преобразующее входной аналоговый (непрерывный) сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). АЦП различаются разрешением и разрядностью. Предпочтительно применять АЦП с более высоким разрешением, т.к. так возможно будет снизить потерю данных, вызванную преобразованием. Это связано с тем, что любое преобразование непрерывного сигнала в дискретный влечет за собой потери. В целом, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре аналогового сигнала.

[0057] Преобразование аналогового сигнала в цифровой позволяет осуществлять цифровую обработку данных. Это является крайне важной функцией системы, т.к. удаление шумового паттерна из аналогового сигнала является достаточно трудоемким. Цифровые и компьютеризированные методы выделения и удаления шумового паттерна из цифрового сигнала (цифровой рефлектограммы), в свою очередь, позволяют сделать это проще и точнее, что непосредственно влияет на точность и достоверность рассчитанной впоследствии температуры.

[0058] Блок корректировки 6 предназначен для расчета поправки. Поправка необходима для непосредственной коррекции искажений сигнала, связанных с деградацией оптоволокна 3. Для расчета этой поправки (удаления шумового паттерна из сигнала) используются все три рефлектограммы. При этом блок корректировки 6 может включать память, в которой хранятся база данных спектрально зависимых затуханий водорода (спектр поглощения водорода) для каждой из компонент рассеяния, а также база данных калибровочных коэффициентов. При этом вычисляются поправки для стоксовой и антистоксовой рефлектограмм. Использование третей рефлектограммы при наличии спектра поглощения водорода позволяет оценить концентрацию водорода вдоль оптического волокна 3. Концентрация позволяет учесть вклад в коэффициент затухания для разных длин волн стокса и антистокса, путем добавления поправки. Таким образом, рефлектограммы стокса и антистокса становятся более точными и достоверными, т.к. из них вычитается шумовой паттерн, связанный с деградацией оптоволокна 3.

[0059] Блок расчета температуры 7 получает на вход скорректированные рефлектограммы Стокса и Антистокса и рассчитывает температуру оптоволокна 3 на их основании.

[0060] Система коррекции искажений сигнала оптического излучения, показанная на Фиг. 1 и Фиг. 2, работает следующим образом. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует сфокусированное оптическое излучение на оптоволокно 3. В оптоволокне 3 происходит комбинационное рассеяние оптического излучения. Обратное рассеяния содержит три компоненты: Стоке, Антистокс и Рэлей. В оптической схеме 2 они разделяются по трем отдельным, образованным оптоволокном 3, и попадают в фотоприемники (41, 42, 43). Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрический (аналоговый сигнал), который далее передают в аналого-цифровой преобразователь 5. В нем аналоговый сигнал преобразуется в цифровые рефлектограммы отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые рефлектограммы передают в блок корректировки 6 по отдельным каналам. Там из рефлектограмм Стокса и Антистокса убирают шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна 3 посредством вычисления поправки к рефлектограммам на основании рефлектограмм всех трех компонент рассеяния. Рефлектограммы Стокса и Антистокса без шумового паттерна передают в блок расчета температуры 7, где на основании их производят расчет температуры оптоволокна 3. Таким образом, в результате работы системы получают более точную и достоверную температуру в оптоволокне 3. Это, в свою очередь, позволяет продлить срок эксплуатации оптоволокна 3, т.к. при использовании иной системы для расчета температуры деградация оптоволокна 3 не учитывается при расчете температуры. Ввиду этого, когда оптоволокно 3 деградировало настолько, что погрешность измерений становится существенной, оптоволокно 3 заменяют на новое. В данной системе это не является необходимым, т.к. влияние деградации оптоволокна 3 не отражается на рефлектограммах, используемых при расчете. Так, если без учета деградации оптоволокна 3 его эксплуатацию осуществляют на протяжении одного-двух лет, то при учете степени деградации оптоволокна 3 становится возможным эксплуатировать одно и то же оптоволокно 3 по крайней мере три-пять лет в зависимости от процентного содержания водорода в среде измерения, например, в нефтяной скважине.

[0061] Учет степени деградации оптоволокна 3 может осуществляться посредством нижеописанных модулей, включающихся в блок корректировки 6.

[0062] Блок корректировки 6 может включать модуль алгебраической корректировки 61, сконфигурированный с возможностью вычисления корректирующих коэффициентов рефлектограммы. Это позволяет произвести правильный сдвиг и наклон полученной рефлектограммы, что дополнительно увеличивает точность вычисляемой температуры на основании этой рефлектограммы.

[0063] Также блок корректировки 6 может включать модуль нормировки 62, сконфигурированный с возможностью нормирования рефлектограммы. Это может позволить сравнивать данные из разных диапазонов значений, приводя их единому виду. Под нормированием понимается приведение диапазона значений в относительные единицы от 0 до 1.

[0064] Помимо этого, блок корректировки 6 может включать модуль аппроксимации 63, сконфигурированный с возможностью вычисления функции, приближенной к полученной рефлектограмме. Таким образом, может стать возможным вычесть приближенную функцию из полученной рефлектограммы, в результате чего можно получить шумовой паттерн для каждой отдельной рефлектограммы. Причем, вычисленная функция может являться кривой, спадающей по логарифму. Это может позволить вычислить наиболее приближенную функцию. Также возможно аппроксимировать рефлектограммы полиномами, однако, аппроксимация полиномами будет являться менее точной, т.к. рефлектограммы данных компонент более близки к логарифмической зависимости.

[0065] Блок корректировки 6 может включать также и модуль логарифмизации 64, сконфигурированный с возможностью приведения размерности рефлектограммы в логарифмический масштаб. Это позволяет привести размерность рефлектограммы в условные единицы.

[0066] Также блок корректировки 6 может включать модуль вычисления отношения 65, сконфигурированный с возможностью деления рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисления результата деления. Помимо этого, блок корректировки 6 может включать модуль вычитания шума 66, сконфигурированный с возможностью вычета шума из результата деления. Причем, блок расчета температуры 7 при наличии этих блоков (65, 66) может дополнительно быть сконфигурирован с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы без шума и корректирующих коэффициентов. Так становится возможным вычислять температуру с большей точностью, т.к. расчет температуры производят на основании рефлектограмм без шумового паттерна.

[0067] В целом, вычисление шумового паттерна может производиться и иными способами, например, посредством сопоставления полученных рефлектограмм с эталонными рефлектограммами и вычитанию эталонных из полученных. Однако, в том случае необходимо проводить измерения в одинаковых условиях одновременно с помощью оптоволокна, подвергшегося деградации и впервые эксплуатируемого оптоволокна. Тогда также предпочтительно, чтобы эталонное оптоволокно и измерительное оптоволокно состояли из кварца с долей примесей не более 10%.

[0068] Аналого-цифровой преобразователь 5 может дополнительно включать память, сконфигурированную с возможностью сохранения и накопления полученных рефлектограмм. Это может быть необходимо в случае, если обработку рефлектограмм и расчет температуры осуществляют позднее. Также это может быть необходимо, если к системе подключен механизм машинного обучения. Тогда, при помощи машинного обучения будет возможно анализировать рефлектограммы, вычисленный на их основании шумовой паттерн, а также рассчитанную на их основании температуру, благодаря чему системой со временем будет достигаться еще более высокая точность и достоверность измерений.

[0069] Также источник сфокусированного излучения 1 может быть дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю 5 посредством электронной линии. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя 5 при начале измерений. Это может быть важно в том случае, если источник сфокусированного оптического излучения 1, оптическая схема 2 и фотоприемники (41, 42, 43) пространственно отдалены от аналого-цифрового преобразователя 5. Например, если первые три упомянутых элемента находятся в среде измерения температуры или в непосредственной близости от нее, а аналого-цифровой преобразователь 5 расположен удаленно. Так при запуске источника сфокусированного оптического излучения 1 он будет посылать соответствующий сигнал на аналого-цифровой преобразователь 5, содержащий команду запуска.

[0070] Помимо этого, источник сфокусированного оптического излучения 1 может дополнительно включать тактовый генератор, сконфигурированный с возможностью опроса оптической схемы 2. Этот опрос может производиться с заранее определенной и заданной частотой.

[0071] На Фиг. 3 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения со всеми вышеперечисленными дополнительными элементами, согласно настоящему изобретению. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения включает источник сфокусированного излучения 1, оптическую схему 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5, блок корректировки 6 и блок расчета температуры 7. Причем, оптическая схема 2 подключена к источнику оптического излучения 1 посредством оптоволокна 3 и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния: Сток, Антистокс и Рэлей. Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) также подключен к оптической схеме 2 посредством оптоволокна 3. При этом первый фотоприемник 41 сконфигурирован с возможностью регистрации стоксовой компоненты рассеяния, второй 42 - антистоксовой компоненты, а третий 43 - рэлеевской компоненты рассеяния. Блок корректировки 6, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна 3, а блок расчета температуры 7 - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5 и блок корректировки 6 соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния. Источник сфокусированного оптического излучения 1 дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю 5. При этом блок корректировки 6 включает модуль алгебраической корректировки 61, модуль нормировки 62, модуль аппроксимации 63, модуль логарифмизации 64, модуль вычисления отношения 65 и модуль вычитания шума 66. Причем аналого-цифровой преобразователь 5 подключен к модулю нормировки 62 посредством трех каналов, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, а модуль нормировки 62, в свою очередь, подключен к модулю логарифмизации 64 аналогичным образом по трем отдельным каналам. При этом аналого-цифровой преобразователь также подключен к модулю аппроксимации 63 по трем отдельным каналам и к модулю алгебраической корректировки 61 по каналу стоксовой компоненты рассеяния. Модуль аппроксимации 63, в свою очередь, подключен к модулю вычитания шума 66. Модуль логарифмизации 64 подключен к модулю вычисления отношения 65, а модуль вычисления отношения 65 - к модулю вычитания шума 66. Модуль вычитания шума 66 и модуль алгебраической корректировки 61 подключены к блоку расчета температуры 7. На Фиг. 3 сфокусированное оптическое излучение изображено сплошной волнистой линией, антистоксовая компонента рассеяния и каналы, по которым она распространяется, изображены штриховой линией, стоксовая компонента и каналы, по которым она распространяется, - штрихпунктирной линей, а рэлеевская компонента и соответствующие ей каналы передачи - штрихпунктирной линией с двумя точками.

[0072] Система коррекции искажений сигнала оптического излучения, показанная на Фиг. 3, работает следующим образом. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует сфокусированное оптическое излучение на оптоволокно 3 и параллельно подает электронный сигнал запуска на аналого-цифровой преобразователь 5. В оптоволокне 3 происходит комбинационное рассеяние оптического излучения. Обратное рассеяния содержит три компоненты: Стоке, Антистокс и Рэлей. В оптической схеме 2 они разделяются по трем отдельным, образованным оптоволокном 3, и попадают в фотоприемники (41, 42, 43). Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрический (аналоговый сигнал), который далее передают в аналого-цифровой преобразователь 5. В нем аналоговый сигнал преобразуется в цифровые рефлектограммы отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые рефлектограммы передают в блок корректировки 6 по отдельным каналам, а именно в модуль нормировки 62 и в модуль аппроксимации 63. Также параллельно в модуль алгебраической корректировки 61 отправляют рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния по каналу передачи стоксовой компоненты. В модуль нормировки 62 рефлектограммы нормируют и передают в модуль логарифмизации 63, где рефлектограммы приводят в логарифмический масштаб. Оттуда их передают в модуль вычисления отношения 65, в котором вычисляют отношение рефлектограммы стокса и антистокса. Вычисленное отношение затем передают в модуль вычитания шума 66. В модуле аппроксимации 63 производят вычисление функции, спадающей по логарифму и приближенной к полученным рефлектограммам, вычитают ее из полученных рефлектограмм и вычисляют таким образом шумовой паттерн. Вычисленный шумовой паттерн отправляют в модуль вычитания шума 66. В модуле вычитания шума вычитают шумовой паттерн из отношения стокса к антистоксу. В модуле алгебраической корректировки 61, в свою очередь, на основании полученной рефлектограммы стокса вычисляют корректирующие коэффициенты для рефлектограмм, а именно сдвиг и наклон. Вычисленные корректирующие коэффициенты, а также отношение стокса к антистоксу без шумового паттерна отправляют в блок расчета температуры 7. Там на основании полученных данных производят расчет температуры оптоволокна 3. Таким образом, в результате работы системы получают более точную и достоверную температуру в оптоволокне 3. Это, в свою очередь, позволяет продлить срок эксплуатации оптоволокна 3, т.к. при использовании иной системы для расчета температуры деградация оптоволокна 3 не учитывается при расчете температуры. Ввиду этого, когда оптоволокно 3 деградировало настолько, что погрешность измерений становится существенной, оптоволокно 3 заменяют на новое. В данной системе это не является необходимым, т.к. влияние деградации оптоволокна 3 не отражается на рефлектограммах, используемых при расчете. Так, если без учета деградации оптоволокна 3 его эксплуатацию осуществляют на протяжении одного-двух лет, то при учете степени деградации оптоволокна 3 становится возможным эксплуатировать одно и то же оптоволокно 3 по крайней мере три-пять лет в зависимости от процентного содержания водорода в среде измерения, например, в нефтяной скважине.

[0073] Важно отметить, что дополнительные элементы системы, описанные выше, могут использоваться в системе коррекции искажений сигнала оптического излучения как по отдельности, все вместе, так и в любом сочетании. Помимо этого, могут использоваться и иные элементы. При этом будут достигаться дополнительные технические результаты и дополнительные улучшения. Учет степени деградации оптоволокна 3 может быть реализован и посредством других операций над рефлектограммами, однако, как уже говорилось ранее, важным является выделение рэлеевской компоненты рассеяния.

[0074] Также заявленный технический результат достигается способом коррекции искажений сигнала оптического излучения. Согласно способу, сначала генерируют сфокусированное оптическое излучение в направлении оптоволокна 3, подключенного к оптической схеме 2. Затем разделяют сфокусированное оптическое излучение на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния при помощи оптической схемы. После этого регистрируют каждую компоненту рассеяния, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну 3 и попадает в отдельный фотоприемник (41, 42, 43). Далее отправляют каждую зарегистрированную компоненту рассеяния в аналого-цифровой преобразователь 5 по отдельным каналам, после чего преобразуют каждую компоненту рассеяния в цифровую рефлектограмму. Цифровые рефлектограммы каждой компоненты рассеяния отправляют в блок корректировки 6 по отдельным каналам. На основании полученных рефлектограмм учитывают степень деградации оптоволокна 3. В результате рассчитывают температуру на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна 3.

[0075] На этапе учета степени деградации оптоволокна 3 могут осуществлять следующее. Сначала могут отправлять рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния в модуль алгебраической корректировки 61. Затем могут вычислять корректирующие коэффициенты на основании рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния. Вычисленные корректирующие коэффициенты могут отправлять в модуль нормировки 62 и в блок расчета температуры 7. Также могут отправлять рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в модуль нормировки 62 и в модуль аппроксимации 63. После этого могут нормировать рефлектограмму каждой компоненты рассеяния. Нормированные рефлектограммы могут отправлять в модуль логарифмизации 64. Затем могут приводить размерности рефлектограмм каждой компоненты рассеяния в логарифмический масштаб. Нормированные рефлектограммы в логарифмическом масштабе могут отправлять в модуль вычисления отношения 65. Рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния могут делить на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычислять результат деления. Для каждой полученной рефлектограммы в модуле аппроксимации 63 могут вычислять функции, приближенные к полученной рефлектограмме, вычисляя таким образом шумовой паттерн. После этого могут отправлять вычисленный шумовой паттерн и результат деления стоксовой компоненты рассеяния на антистоксовую компоненту рассеяния в модуль вычитания шума 66. В нем могут вычитать из отношения стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния шумовой паттерн. Так, возможно вычитать шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна 3, из рефлектограмм. При применении этого способа учета деградации оптоволокна 3 температуру могут рассчитывать на основе корректировочных коэффициентов и рефлектограммы без шума. Таким образом, возможно еще больше повысить точность и достоверность расчета температуры.

[0076] На этапе генерации сфокусированного оптического излучения могут генерировать излучение с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не. Важно при этом, чтобы длина волны излучения была больше, чем характерный размер изменения плотности сердцевины оптоволокна 3. В противном случае, комбинационное рассеяние не будет иметь места, ввиду чего будет невозможным измерение температуры.

[0077] После преобразования каждой компоненты рассеяния в цифровую рефлектограмму могут сохранять цифровую рефлектограмму в память аналого-цифрового преобразователя 5. Это может быть необходимо в случае, если обработку рефлектограмм и расчет температуры осуществляют позднее. Также это может быть необходимо, если к системе подключен механизм машинного обучения. Тогда, при помощи машинного обучения будет возможно анализировать рефлектограммы, вычисленный на их основании шумовой паттерн, а также рассчитанную на их основании температуру, благодаря чему системой со временем будет достигаться еще более высокая точность и достоверность измерений. Однако, если обработка осуществляется сразу и в способе не предполагается машинное обучение, то рефлектограммы возможно хранить лишь во временной памяти на время их обработки и расчета температуры на их основании.

[0078] Параллельно с генерацией оптического излучения могут подавать электронный сигнал по электронной линии на аналого-цифровой преобразователь 5 при помощи источника сфокусированного оптического излучения 1. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя 5 при начале измерений. Благодаря этому становится возможным упросить процесс запуска и избежать рассинхронизации. Так, например, при отсутствии автоматического запуска могут быть потеряны данные, направленные в аналого-цифровой преобразователь 5, если он был отключен.

[0079] Также могут периодически опрашивать оптическую схему 2 при помощи такового генератора источника сфокусированного оптического излучения 1.

[0080] Вышеописанные дополнительные этапы способа коррекции искажений сигнала оптического излучения могут использоваться в способе коррекции искажений сигнала оптического излучения как по отдельности, все вместе, так и в любом сочетании. Помимо этого, могут использоваться и иные этапы. При этом будут достигаться дополнительные технические результаты и дополнительные улучшения. Учет степени деградации оптоволокна 3 может быть реализован и посредством других операций над рефлектограммами, однако, как уже говорилось ранее, важным является выделение рэлеевской компоненты рассеяния.

[0081] Также важно отметить, что все дополнительные этапы способа могут считаться дополнительными для функционирования системы этапами. Аналогично все дополнительные элементы системы могут применяться для реализации способа.

[0082] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в средствах для распределенного измерения температуры, а также для измерения температурного распределения вдоль оптоволоконного кабеля в протяженных объектах, применяемых в сферах, связанных с безопасностью. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерений, производимых при помощи оптического излучения за счет эффективного удаления искажений и шумов в полученном сигнале оптического излучения. Упомянутый технический результат достигается применением рэлеевской компоненты Рамановского рассеяния для оценки степени деградации оптоволокна, вычислением искажений на основе оценки степени деградации оптоволокна, использованием оптических и цифровых каналов для измерения в количестве равном количеству измеряемых компонент. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения, включающая:

• источник сфокусированного оптического излучения;

• оптическую схему, подключенную к источнику сфокусированного излучения посредством оптоволокна и сконфигурированную с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния, включая рэлеевскую компоненту;

• фотоприемники для каждой компоненты рассеяния, при этом каждый фотоприемник подключен к оптической схеме посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью регистрации отдельной компоненты рассеяния;

• аналого-цифровой преобразователь, сконфигурированный с возможностью преобразования компонент рассеяния в цифровые рефлектограммы;

• блок корректировки, сконфигурированный с возможностью учета степени деградации оптоволокна и удаления шумового паттерна из цифровых рефлектограмм; и

• блок расчета температуры, сконфигурированный с возможностью расчета температуры на основании рефлектограмм,

причем оптическая схема, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь и блок корректировки соединены друг с другом оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния.

2. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что оптическая схема сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния.

3. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль алгебраической корректировки, сконфигурированный с возможностью вычисления корректирующих коэффициентов рефлектограммы.

4. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль нормировки, сконфигурированный с возможностью нормирования рефлектограммы.

5. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль аппроксимации, сконфигурированный с возможностью вычисления функции, приближенной к полученной рефлектограмме.

6. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 5, отличающаяся тем, что функция является кривой, спадающей логарифмически.

7. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль логарифмизации, сконфигурированный с возможностью приведения размерности рефлектограммы в логарифмический масштаб.

8. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 2, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль вычисления отношения, сконфигурированный с возможностью деления рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисления результата деления.

9. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 8, отличающаяся тем, что блок корректировки включает модуль вычитания шума, сконфигурированный с возможностью вычета шума из результата деления.

10. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 3 или 9, отличающаяся тем, что блок расчета температуры дополнительно сконфигурирован с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы, в которой отсутствует шум и учтены корректирующие коэффициенты.

11. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что источник сфокусированного оптического излучения сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 нс.

12. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что аналого-цифровой преобразователь дополнительно включает память, сконфигурированную с возможностью сохранения и накопления полученных рефлектограмм.

13. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 1, отличающаяся тем, что источник сфокусированного оптического излучения дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю посредством электронной линии.

14. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения, по которому:

• генерируют сфокусированное оптическое излучение в направлении оптоволокна, подключенного к оптической схеме;

• разделяют сфокусированное оптическое излучение на компоненты рассеяния, включая рэлеевскую компоненту рассеяния, при помощи оптической схемы;

• регистрируют каждую компоненту рассеяния, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну и попадает в отдельный фотоприемник;

• отправляют каждую зарегистрированную компоненту рассеяния в аналого-цифровой преобразователь по отдельным каналам;

• преобразуют каждую компоненту рассеяния в цифровую рефлектограмму;

• отправляют цифровые рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в блок корректировки по отдельным каналам;

• учитывают степень деградации оптоволокна на основании полученных рефлектограмм и удаляют из них шумовой паттерн;

• рассчитывают температуру на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна.

15. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 14, отличающийся тем, что на этапе учета степени деградации оптоволокна:

• отправляют рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния в модуль алгебраической корректировки;

• вычисляют корректирующие коэффициенты на основании рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния;

• отправляют рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в модуль нормировки и в модуль аппроксимации;

• отправляют вычисленные корректирующие коэффициенты в модуль нормировки и в блок расчета температуры;

• нормируют рефлектограмму каждой компоненты рассеяния;

• отправляют нормированные рефлекгограммы в модуль логарифмизации;

• приводят размерности рефлектограмм каждой компоненты рассеяния в логарифмический масштаб;

• отправляют нормированные рефлектограммы в логарифмическом масштабе в модуль вычисления отношения.

• делят рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисляют результат деления;

• для каждой полученной рефлектограммы в модуле аппроксимации вычисляют функции, приближенные к полученной рефлектограмме, вычисляя таким образом шумовой паттерн;

• отправляют вычисленный шумовой паттерн и результат деления стоксовой компоненты рассеяния на антистоксовую компоненту рассеяния в модуль вычитания шума;

• вычитают из отношения стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния шумовой паттерн.

16. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 15, отличающийся тем, что рассчитывают температуру на основе корректировочных коэффициентов и рефлектограммы без шума.

17. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 14, отличающийся тем, что генерируют сфокусированное оптическое излучение с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 нс.

18. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 14, отличающийся тем, что после преобразования каждой компоненты рассеяния в цифровую рефлектограмму сохраняют цифровую рефлектограмму в память аналого-цифрового преобразователя.

19. Способ коррекции искажений сигнала оптического излучения по п. 14, отличающийся тем, что параллельно с генерацией оптического излучения подают электронный сигнал по электронной линии на аналого-цифровой преобразователь при помощи источника сфокусированного оптического излучения.