Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей Российский патент 2023 года по МПК G01H9/00 G01D5/353 G06N3/02 

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам мониторинга амплитудно-фазовых характеристик обратно рассеянного (рэлеевского рассеяния) оптического излучения от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента виброакустических характеристик протяженных объектов и может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, таких, например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции, так и мониторинга повреждений при проведении работ вблизи таких объектов. В основу работы изобретения положен принцип гетеродинного приема в сочетании с системами, позволяющими разделить виброакустические и температурные воздействия и обучающей системой на основе нейросети, позволяющей классифицировать воздействия на распределенный волоконно-оптический чувствительный элемент.

Известно волоконно-оптическое охранное устройство на основе рэлеевского рассеяния (патент RU №128372 U1, опубл. 20.05.2013), относящееся к волоконно-оптическим охранным устройствам сигнализации несанкционированного проникновения на охраняемую территорию объектов с большой площадью, что обеспечивается за счет увеличения дальности обнаружения механического воздействия на оптоволоконный кабель. В основу работы такого устройства положен принцип гетеродинного приема с двойным преобразованием частоты. На выходе фильтра нижних частот такого устройства формируется сигнал с полосой 20 МГц, в котором заключена информация о характере воздействия на распределенный оптоволоконный чувствительный элемент.

Существенным недостатком такого устройства являются его ограниченные технические возможности, обусловленные необходимостью согласования вектора поляризации опорного оптического излучения для каждого анализируемого участка оптического волокна с произвольной ориентацией вектора поляризации принимаемого сигнала, отраженного от центров рэлеевского рассеяния на этом участке. Анализ виброакустических воздействий на оптическое волокно (распределенный чувствительный элемент) на предельных расстояниях (в патенте заявлена дальность 100 км) требует от генератора лазерного излучения повышенной мощности (десятки и сотни мВт) и узкой ширины спектральной линии, что проблематично. Также в этом устройстве отсутствуют технические решения, позволяющие разделять виброакустические и температурные воздействия на распределенный оптоволоконный чувствительный элемент и классифицировать информацию об окружающих воздействиях.

Известно устройство для измерения акустической среды вокруг оптического волокна (заявка ЕР №2816323 В1, опубл. 24.12.2014). Устройство предназначено для одновременного акустического мониторинга вытянутой или крупномасштабной пространственной области, аналогично тому, как это делается с использованием различных микрофонов. В качестве датчика используется волоконно-оптическое волокно. В основу работы этого устройства также положен принцип гетеродинного приема, но, в отличие от аналога, рассмотренного ранее, показаны решения передачи, приема и обработки отраженного сигнала с произвольной ориентацией вектора поляризации принимаемого сигнала с помощью оптического квадратурного приемника для двух плоскостей поляризации или при отсутствии квадратурного приемника посредством численно сформированных из дискретных значений сигнала при двух-импульсной передаче оптического излучения, причем один из двух импульсов имеет фазовую модуляцию относительно другого.

Данному техническому решению присущи те же недостатки, что и рассмотренные в рассмотренном выше аналоге (за исключением необходимости подстройки вектора поляризации). Кроме того, возникают дополнительные ошибки при вычислении квадратурных сигналов из-за неидентичности детекторов квадратурных каналов, а формирование квадратурных сигналов численно за несколько периодов наблюдения существенно увеличивает период детектирования. Кроме того, для реализации дальности работы рассмотренных технических решений порядка 100 км, требуется пиковая мощность импульсного оптического излучения порядка 150-200 мВт, что проблематично получить от высокостабильного полупроводникового лазера.

Наиболее близким к заявленному техническому решению прототипом является многофункциональная система технологического мониторинга и охраны критически важных объектов - программно-аппаратный комплекс «Дунай», представляющий собой устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей (Т8 Сенсор (t8-sensor.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://t8.ru/wp-content/uploads/2022/08/T8-Sensor_web_2022_rus.pdf, вход свободный - (23.03.2023). Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта (также упоминается, как распределенный акустический сенсор - Distributed Acoustic Sensor, DAS) позволяет обнаруживать вибрацию грунта (акустические колебания) на расстоянии до нескольких десятков километров вдоль оптического кабеля. В качестве чувствительного элемента, как правило, используется стандартное телекоммуникационное одномодовое волокно (G.652, G.655, G.657). К волокну подключают программно-аппаратный комплекс (ПАК) с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, который осуществляет непрерывный мониторинг виброакустических событий вдоль оптоволоконного кабеля. Отметим, что некоторые аспекты прототипа более подробно раскрыты в размещенном в вышеуказанном источнике сопутствующем патенте РФ №2650620, а соответствующие программные решения, в том числе системы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, представлены свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин №2018664507 от 19.11.2018 «Программа предварительной обработки сигналов для оптических рефлектометров с нейронной системой распознавания», №2020618095 от 17.07.2020 «Модуль первичной обработки и конвертирования сигнала с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618096 от 17.07.2020 «Модуль получения, сохранения и перенаправления информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618097 от 17.07.2020 «Модуль распознавания информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618098 от 17.07.2020 «Генератор отчетов», №2020618099 от 17.07.2020 «Модуль отображения информации с оптоволоконной системы мониторинга» и др.

К недостаткам прототипа следует отнести его относительно невысокую чувствительность, обусловленную отсутствием когерентного квадратурного приема с калиброванными каналами.

Таким образом, проблема, решаемая заявленным техническим решением, сводится к устранению вышеуказанных недостатков.

Технический результат - повышение чувствительности устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей.

Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, содержащем функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход акустооптического модулятора соединен с входом передающего оптического усилителя, вход оптического фильтра соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход блока обработки сигналов через фильтр частот соединен с входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, приемо-передающий оптический модуль снабжен разветвителем с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем, блок обработки сигналов выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника, выход узкополосного непрерывного лазера соединен с входом разветвителя с сохранением поляризации, первый выход которого соединен со входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя, выходы которого соединены со входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены со входами четырехканального блока обработки сигналов.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:

на Фиг. 1 представлено схематическое изображение заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей;

на Фиг. 2 представлена экспериментальная диаграмма калибровки квадратурных каналов заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей.

Позиции на представленных изображениях означают следующее:

1 - узкополосный непрерывный лазер;

2 - акустооптический модулятор;

3 - передающий оптический усилитель;

4 - оптический циркулятор (узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения из него);

5 - чувствительный элемент (оптическое волокно);

6 - приемный оптический усилитель;

7 - оптический фильтр;

8 - квадратурный оптический приемник для двух плоскостей поляризации;

9 - четырехканальный блок обработки сигналов;

10 - фильтр частот;

11 - блок постобработки, управления и синхронизации;

12 - компьютер;

13 - четырехканальный регулируемый усилитель;

14 - четырехканальный аналого-цифровой преобразователь;

15 - разветвитель с сохранением поляризации;

16 - приемо-передающий оптический модуль;

17 - усилительный оптический модуль.

Заявленное устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей содержит функционально связанные приемо-передающий оптический модуль 16, усилительный оптический модуль 17, чувствительный элемент 5, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер 12 с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. Приемо-передающий оптический модуль 16 содержит узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, блок обработки сигналов 9, фильтр частот 10 и блок постобработки, управления и синхронизации 11, а усилительный оптический модуль содержит передающий 3 и приемный 6 оптические усилители, оптический циркулятор 4 и оптический фильтр 7, при этом выход акустооптического модулятора 2 соединен с входом передающего оптического усилителя 3, вход оптического фильтра 7 соединен с выходом приемного оптического усилителя 6, выход блока обработки сигналов 9 через фильтр частот 10 соединен с входом блока постобработки 11, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с входом компьютера 12, а выход передающего оптического усилителя 3 и вход приемного оптического усилителя 6 через оптический циркулятор 4 соединены с чувствительным элементом 5. В этой части заявленное техническое решение практически совпадает с прототипом. В отличие от прототипа, приемо-передающий оптический модуль 16 снабжен разветвителем 15 с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником 8 для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем 13 и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем 14, блок обработки сигналов 9 выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра 7 усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника 8, выход узкополосного непрерывного лазера 1 соединен с входом разветвителя 15 с сохранением поляризации, первый выход которого соединен с входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника 8, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя 13, выходы которого соединены со входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя 14, выходы которого соединены с входами четырехканального блока обработки сигналов 9.

Заявленное устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей работает следующим образом. В основе изобретения, как и в прототипе, лежит утверждение, что различным физическим явлениям, таким как тепловой нагрев, виброакустические воздействия и прочие, свойственен свой частотный диапазон. Анализ совокупной информации на выходах фильтра (фильтр может быть многоканальным) об изменении во времени распределения интенсивности, частоты воздействия и аналогичной информации в соседних элементах разрешения позволяет классифицировать виброакустическое воздействие. Классификация событий осуществляется путем сравнения текущего события с совокупностью эталонов, хранящихся в системе распознавания и полученных в результате обучения нейронных сетей, реализованной программным образом в компьютере 12. При совпадении текущего события с одним из эталонов устройство выдает информацию о воздействующем событии. Подробно алгоритмы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей представлены свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин, раскрыты в материалах, упомянутых при анализе прототипа, и не являются предметом настоящего изобретения. Рассмотрим взаимодействие в процессе работы приемо-передающего оптического модуля 16, усилительного оптического модуля 17 и их функциональных узлов. В приемо-передающем оптическом модуле 16 непрерывное узкополосное излучение от лазера 1 поступает на вход разветвителя с сохранением поляризации 15, первый выход которого соединен со входом акустооптического модулятора 2, в соответствии с логикой управления из блока постобработки, управления и синхронизации 11, на модулирующий вход акустооптического модулятора 2 поступают радиоимпульсы длительностью т и периодом повторения Т. На выходе акустооптического модулятора 2 формируется последовательность оптических зондирующих импульсов. Следует заметить, что радиоимпульсы могут быть парными с разными фазовыми сдвигами между импульсами, или частоты заполнения радиоимпульсов могут быть различны. Формирование зондирующих импульсов тем или иным способом и выделение виброакустического воздействия из оптического излучения обратного рассеяния не является предметом настоящего изобретения. Примеры формирования зондирующих импульсов и особенности приема оптического излучения обратного рассеяния рассмотрены в материалах аналога и прототипа настоящей заявки. Оптическое излучение с выхода акустооптического модулятора 2 в виде последовательности оптических зондирующих импульсов поступает в усилительный оптический модуль 17, а именно на вход оптического усилителя мощности 3, в котором усиливается, и через оптический циркулятор 4 поступает в чувствительный элемент 5 - оптическое волокно, расположенное внутри или рядом с контролируемым объектом. В чувствительном элементе 5 излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (рассеяние Рэлея). Часть излучения рассеивается назад и распространяется по волокну обратно, затем через оптический циркулятор 4 поступает на приемный оптический усилитель 6, и после усиления и фильтрации оптическим фильтром 7 излучение поступает на вход квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 приемной части приемо-передающего оптического модуля 16. На гетеродинный вход квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 со второго выхода разветвителя с сохранением поляризации 15 поступает оптическое излучение узкополосного непрерывного лазера, где преобразуется в электрические сигналы синфазных и квадратурных составляющих для двух плоскостей поляризации. Частота оптического излучения на выходе акустооптического модулятора отличается от значения оптической частоты на его входе на величину частоты заполнения радиоимпульсов на его модулирующем входе.

В результате гетеродинного преобразования на выходах квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 получаем электрические сигналы, занимающие полосу частот ΔF≈2,2/τ, и центральная частота которых равна частоте заполнения радиоимпульсов, поступающих на модулирующий вход акустооптического модулятора 2. Число выходов квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 равно четырем - это две синфазные и две квадратурные составляющие для двух плоскостей поляризации. С выходов квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 две синфазные и две квадратурные составляющие для двух плоскостей поляризации поступают на входы четырехканального регулируемого усилителя 13, выходные сигналы которых поступают на входы четырехканального аналого-цифрового преобразователя. Совокупность синфазных и квадратурных составляющих в цифровом виде поступает в четырехканальный блок обработки сигналов 9 для предварительной обработки и вычисления распределения дифференциального фазового набега вдоль волокна. Сигналы, пропорциональные дифференциальному фазовому набегу, в разных точках волокна поступают на фильтр частот 10. Фильтр частот 10 позволяет предварительно разделить различные типы событий, так, например, температурные воздействия характерны для сигналов с частотами менее 10 Гц. Предварительно разделенные по спектру, сигналы с выхода фильтра подаются на блок постобработки, управления и синхронизации 11. Следует заметить, что фильтр частот 10 может быть многоканальным. Блок постобработки, управления и синхронизации 11 обеспечивает взаимодействие функциональных узлов по цепям управления и синхронизации, при необходимости может группировать для одних и тех же участков оптического волокна различные события. Полученная информация в блоке постобработки, управления и синхронизации 11 группируется в пакеты, пригодные для передачи по скоростному каналу, и передается в компьютер 12 для решения задач распознавания. При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности, сигнал обратного рассеяния и, соответственно, синфазные и квадратурные сигналы на выходах квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 (рефлектограммы) имеют вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эти рефлектограммы оказываются изрезаны случайным образом, благодаря случайному характеру интерференции рассеянного излучения. Типовые потери оптического излучения в телекоммуникационном одномодовом волокне (G.652, G.655, G.657) составляют порядка 0,2 дБ/км. Следовательно, при длине линии, равной 100 км, отраженный сигнал может изменяться на 20 дБ, поэтому важно на входах четырехканального аналого-цифрового преобразователя установить такие значения электрических сигналов, чтобы максимально использовать разрядность аналого-цифрового преобразователя 14. Необходимые величины сигналов на входах аналого-цифрового преобразователя 14 можно установить с помощью передающего оптического усилителя 3, изменяя мощность оптического сигнала на его выходе, и варьируя величину усиления приемного оптического усилителя. Каким способом осуществляется настройка уровней, не является предметом настоящего изобретения и поэтому не рассматривается.

В частности, обработку рефлектограмм с целью восстановления оптической фазы для синфазных и квадратурных составляющих, можно осуществлять, например, аналогично восстановлению фазы, рассмотренной в приведенном выше аналоге. Восстановление фазы текущего значения вектора оптического сигнала базируется на вычислении для каждой плоскости поляризации синфазной составляющей I и квадратурной составляющей Q, а вычисление текущего значения фазы Ф, например как Ф=arctg[Q/I]. Из приведенного выражения видно, что значение фазы Ф будет вычислено ошибочно, если будут ошибочно вычислены синфазные I и квадратурные составляющие Q и, как следствие, разностная фаза. Другими словами, ошибки в вычислении разностной фазы, и особенно при наличии шумов в электронном тракте, приводят к снижению чувствительности, вплоть до невозможности корректного вычисления разностной фазы. Выравнивание сигналов в синфазных и квадратурных каналах обеспечивается регулировкой коэффициентов передачи в каналах четырехканального регулируемого усилителя, а снижение уровня шумов достигается в ограничении полосы пропускания каждого канала и выбора ее, равной ΔF≈2,2/τ.

Изображение на Фиг. 2 иллюстрирует экспериментальную диаграмму калибровки квадратурных каналов заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. Горизонтальная ось соответствует синфазным составляющим, а вертикальная ось соответствует квадратурным составляющим, значения которых показаны в условных единицах. На Фиг. 2 видны концентрические окружности разного диаметра. Окружность наибольшего диаметра соответствует началу чувствительного элемента, наименьшая - его дальнему концу. В процессе настройки добиваются равенства горизонтального и вертикального диаметров соответствующих окружностей. В результате настройки разность горизонтального и вертикального диаметров должна быть менее 5%. Эксперименты показали, что существенное влияние на различие коэффициентов передачи в синфазном и квадратурном каналах оказывают различия коэффициентов передачи в квадратурном оптическом приемнике для двух плоскостей поляризации 8, реализованном на INTRADYNE COHERENT RECEIVER (ICR) WITH INTEGRATED MPD, VOA, AND PBS, OIF1.2 COMPLIANT, C-BAND, и четырехканальным регулируемым усилителем 13, реализованном на двух двухканальных микросхемах типа LMH6521, а полоса пропускания которого сформирована в каждом канале внешним полосовым фильтром. В результате проведенных экспериментов установлено, что выигрыш в чувствительности заявленного технического решения по сравнению с прототипом составил 7÷9%.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная техническая проблема решена, а заявленный технический результат - повышение чувствительности устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей - достигнут.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к системам для мониторинга и охраны протяженных объектов. Система содержит соединенные между собой узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, передающий оптический усилитель, оптический циркулятор, чувствительный элемент в виде оптического волокна, приемный оптический усилитель, оптический фильтр, квадратурный оптический приемник для двух плоскостей поляризации, четырехканальный блок обработки сигналов, фильтр частот, блок постобработки, управления и синхронизации, компьютер, четырехканальный регулируемый усилитель, четырехканальный аналого-цифровой преобразователь, разветвитель с сохранением поляризации, приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль. Технический результат - повышение чувствительности устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. 2 ил.

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, содержащее функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход акустооптического модулятора соединен с входом передающего оптического усилителя, вход оптического фильтра соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход блока обработки сигналов через фильтр частот соединен входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, отличающееся тем, что приемо-передающий оптический модуль снабжен разветвителем с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем, блок обработки сигналов выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника, выход узкополосного непрерывного лазера соединен с входом разветвителя с сохранением поляризации, первый выход которого соединен с входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя, выходы которого соединены с входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами четырехканального блока обработки сигналов.