ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ОСНОВАННОЙ НА ВНУТРИВОЛОКОННЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРАХ КОМПЕНСАЦИЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ Российский патент 2024 года по МПК G01D5/353 

Область техники

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам регистрации вибрационных воздействий на основе фазочувствительной рефлектометрии. Изобретение может быть использовано при мониторинге состояния протяженных объектов и определении наличия предметов или воздействий вдоль контролируемой линии, в том числе вдоль трубопроводов, в системах диагностики и контроля железнодорожного транспорта, а также в системах каротажа нефтяных скважин.

Уровень техники

Метод фазочувствительной рефлектометрии позволяет регистрировать распределенный по длине сенсора сигнал обратного рассеяния на случайных неоднородностях показателя преломления волокна (рефлектограмму), который остается неизменным во времени при условии стабильности длины волны источника излучения и отсутствии воздействия на чувствительное оптическое волокно, а при наличии акустических и вибрационных воздействий - изменяется с определенной частотой, что возможно выделить с помощью системы обработки, и обнаружить воздействие после фильтрации. В случае нестабильности длины волны источника излучения рефлектограмма подвержена случайным изменениям, что усложняет выделение изменений, вызванных акустическими и вибрационными воздействиями, и приводит к возникновению погрешности их обнаружения. Для уменьшения погрешности обнаружения нестабильность длины волны должна быть скомпенсирована, для чего требуется устройство, позволяющее измерять ее с высоким разрешением.

Базовое устройство и метод фазочувствительной рефлектометрии были описаны в патенте США US 5194847 (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC1-7): G08B 13/10; G08B 13/18, опубл. 16.03.1993 г. ). Метод фазочувствительной рефлектометрии заключается в том, что в чувствительный оптический кабель-датчик определенной длины, размещенный вдоль контролируемого периметра, подаются импульсы когерентного оптического излучения, осуществляется прием сигналов обратного рассеяния, и обнаружение внешнего воздействия происходит по возмущениям в указанных сигналах обратного рассеяния. Базовому методу соответствуют базовые схемы устройств реализации метода, а также множество производных схем устройств фазочувствительной рефлектометрии.

Известно изобретение по патенту США US 10162245 В2 (МПК G02F 1/335) опубл. 25.12.2018 г. В патенте описаны конфигурации, в которых может быть выполнена распределенная акустическая сенсорная система на оптическом гибридном фазовом демодуляторе с задержкой. Оптический гибридный фазовый демодулятор может иметь от 2 до 4 выходов, подключенных к зеркалам Фарадея и фотодетекторам. В одном или нескольких выходах, ведущих к зеркаламФарадея, могут находиться оптические линии задержки. Недостатком данного изобретения является отсутствие компенсации влияния нестабильности длины волны источника излучения на результаты измерения, что будет приводить к увеличению погрешности обнаружения воздействия.

Известно изобретение по патенту РФ RU2566603 С1 (МПК G01D 9/00 (2006.01) опубл. 27.10.2015 г. ). Устройство представляет собой распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий, содержащий источник излучения накачки с возможностью периодического изменения мощности накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала во времени до его регистрации приемником излучения, благодаря чему обеспечивается высокая чувствительность и дальность действия распределенного датчика. Недостатком данного изобретения является то, что в нем не учитывается высокий уровень шумов из-за влияния нестабильности длины волны источника излучения, что будет оказывать негативное влияние на результаты измерения и приводить к увеличению погрешности измерений.

Известно изобретение по патенту США US 6285806 (МПК G02B 385/10) опубл. 04.09.2001 г. В патенте в волокне контролируемой линии с постоянным периодом нанесены слабо отражающие волоконные брэгговские решетки, которые создают резонаторы интерферометров, благодаря чему формируется обратно отраженный интерференционный сигнал, по которому производится обнаружение акустического или вибрационного воздействия на линию. Недостатком данного изобретения является то, что в нем отсутствует компенсация дрейфа длины волны источника излучения, что будет приводить к увеличению погрешности системы.

Известно изобретение по патенту РФ RU2730887 С1 (МПК G01D 9/00 (2006.01) опубл. 26.08.2020 г.), выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа). В устройстве осуществляется восстановление фазы сигнала при помощи интерферометра Маха-Цендера, и влияния погрешностей, вызванные нестабильностью длины волны источника излучения, а также температурными и вибрационными колебаниями волоконного интерферометра в приемном узле, уменьшаются за счет прямой регистрации параметров источника излучения в приемной части и сравнения зашумленных сигналов с шумовыми составляющими для отделения полезного сигнала. Недостатком устройства прототипа является сложность реализации схемы из-за наличия большого количества приемников излучения, усилителя в приемной части и перестраиваемого фильтра, требующего также сложную схему подстройки частоты пропускания.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является измерение с высоким разрешением длины волны зондирующего импульса в контролируемой линии оптического волокна для компенсации нестабильности длины волны источника излучения, что приводит к уменьшению погрешности обнаружения вибрационных и акустических воздействий фазочувствительным рефлектометром.

Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с основанной на внутриволоконных интерферометрах компенсацией нестабильности длины волны, включает в себя узко полосный источник излучения 1, излучение которого попадает в усилитель оптического сигнала 2, после чего модулируется управляемым драйвером акустооптическим модулятором 3, полученные импульсы поступают на оптический циркулятор 4 через выход 4.1, затем через выход 4.2 следуют в контролируемую линию оптического волокна, в начале которой нанесены на расстоянии d друг от друга внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N, каждый из которых реализован из пары слабоотражающих волоконных брэгговских решеток (СВБР), с увеличивающимся в два раза расстоянием между решетками в паре между соседними внутриволоконными интерферометрами. Небольшая часть излучения, зависящая от коэффициента отражения СВБР, отражается от каждой СВБР, причем расстояния между СВБР во внутриволоконных интерферометрах и соседними внутриволоконными интерферометрами выбраны таким образом, что интерференционный сигнал обратно отраженного излучения от соседних внутриволоконных интерферометров не перенакладывается, а другая часть излучения проходит далее на последующие интерферометры и в контролируемую линию 6. После отражения на СВБР, образующих внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N, излучение возвращается обратно на выход 4.2 и через выход 4.3 поступает на приемник излучения 7, после чего сигнал оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе 8 и полученные значения обрабатываются на вычислительном устройстве 9.

Измерение с высоким разрешением длины волны зондирующего импульса в контролируемой линии оптического волокна достигается за счет того, что в контролируемой линии оптического волокна нанесены внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N на основе пар СВБР с увеличивающимся в два раза расстоянием между двумя решетками в паре между соседними внутриволоконными интерферометрами, от которых небольшая часть излучения, определяемая коэффициентом отражения СВБР, отражается от каждой СВБР и впоследствии интерферирует, а другая - проходит далее на последующие интерферометры и в контролируемую линию 6. После отражения от внутриволоконных интерферометров 5.1, 5.2,…5N, излучение возвращается обратно на выход 4.2, проходит через оптический циркулятор 4 и через выход 4.3 поступает на приемник излучения 7. При изменении в течение времени длины волны узкополосного источника излучения 1 регистрируемые приемником излучения 7 интерференционные сигналы, полученные от каждого из внутриволоконных интерферометров на основе СВБР 5.1, 5.2,…5N, изменяются по синусоидальному закону, период которых уменьшается соответственно расстоянию между решетками в паре, то есть в два раза между соседними внутриволоконными интерферометрами. Одновременная регистрация изменения сигналов с N интерферометров позволяет преобразовать изменение длины волны в числовые значения.

Перечень фигур

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства

На фиг. 2 представлен вид сигналов внутриволоконных интерферометров при изменении длины волны источника излучения с течением времени

На фиг. 3 проиллюстрирован принцип уточнения измерения длины волны

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит узкополосный источник излучения 1, усилитель оптического сигнала 2, акустооптический модулятор с драйвером 3, оптический циркулятор 4, внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N, контролируемую линию 6, приемники излучения 7, аналогово-цифровой преобразователь 8, вычислительное устройство 9.

Непрерывное излучение с длиной волны λ от узкополосного источника излучения 1 усиливается, проходя усилитель оптического сигнала 2. После этого усиленное непрерывное излучение попадает в управляемый драйвером акустооптический модулятор 3, где происходит преобразование непрерывного излучения в импульсы определенной длительности и скважности, определяемые из требования, чтобы интерференционные сигналы с разных пар решеток, образующих внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N, не перенакладывались. Проходя оптический циркулятор 4, пропускающий излучение от лазера в контролируемую линию через выходы 4.1 и 4.2 и от контролируемой линии в приемную часть через выходы 4.2 и 4.3, импульсное зондирующее излучение попадает в контролируемую линию оптического волокна, в которой нанесены внутриволоконные интерферометры 5.1, 5.2,…5N, образованные на основе пар СВБР с увеличивающимся в два раза расстоянием между двумя решетками в паре. После отражения на СВБР внутриволоконных интерферометров 5.1, 5.2,…5N, излучение возвращается обратно на выход 4.2, проходит через оптический циркулятор 4 и через выход 4.3 поступает на приемник излучения 7, после чего сигнал оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе 8 и обрабатывается на вычислительном устройстве 9.

При изменении длины волны источника излучения в течение времени регистрируемые приемником излучения 7 интерференционные сигналы, полученные от каждого из внутриволоконных интерферометров на основе СВБР 5.1, 5.2,…5N, изменяются по

синусоидальному закону в зависимости от изменения длины волны источника излучения (фиг. 2), период которого тем больше, чем меньше разность плеч интерферометра, образованного конкретно парой решеток, то есть, удвоенное расстояние, между двумя решетками в паре, которое проходит импульс излучения в прямом ходе и после отражения от второй решетки конкретной пары: T_n=k⋅T_min, где N=1,2,…N, k=2^N-1, a T_min - наименьшее расстояние между двумя решетками в паре, определяемое требуемым диапазоном измерения длины волны Δλ относительно λ. В каждом интерферометре 5.1, 5.2,…5N производится измерение изменения разности фаз между интерферирующими частями излучения. При изменении длины волны источника излучения на величину Δλ, в излучении, интерферирующем в интерферометре 5.1, возникает разность фаз, приводящая к изменению интерференционного сигнала в пределах одного периода:

ϕ(λ)-ϕ(λ+Δλ)=2π

Разность фаз, в результате появления которой образуется интерференция, выражается через расстояние между двумя решетками в паре 5.1:

Внутриволоконный интерферометр 5.1 с расстоянием между решетками T_min обеспечивает разрешение измерения длины волны не выше Δλ. Для увеличения разрешения измерения длины волны в этом диапазоне, используется интерференционный сигнал с интерферометров 5.2,…5N. Так как интерферометр 5.2 имеет расстоянием между решетками 2T_min, его интерференционный сигнал изменяется в два раза быстрее, то есть, при изменении длины волны источника излучения на Δλ - на два периода, сигнал интерферометра 5.3 - на 4 периода, и так далее, сигнал интерферометра 5.N - на 2^N-1 периодов. Сигналы оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе 8, и полученные значения обрабатываются на вычислительном устройстве 9: устанавливается порог на уровне среднего значения между максимумом и минимумом сигнала, и если значение сигнала превышает средний уровень, то в этот момент времени ему присваивается значение «1», а если значение сигнала находится ниже среднего уровня, то в этот момент времени ему присваивается значение «0», как показано на фиг. 3. Рассмотрим пример системы, в которой N=4. При отслеживании в каждый момент времени значения получаемого двоичного числа производится измерение длины волны с разрешением, увеличенным в 2^N=16 раз по сравнению с исходным Δλ. Четыре сигнала, полученные в каждый момент времени одновременно от четырех интерферометров на основе СВБР 5.1, 5.2,…5N, образуют двоичное число. Каждое число соответствует определенному изменению длины волны относительно начального значения λ в процентном соотношении (фиг. 3), и это изменение длины волны компенсируется системой последующей обработки данных фазочувствительного рефлектометра, уменьшая влияние нестабильности лазера на уровень шумов системы.

В результате достигается решение задачи измерения с высоким разрешением длины волны зондирующего импульса в контролируемой линии оптического волокна для компенсации нестабильности длины волны лазера, что приводит к уменьшению погрешности обнаружения вибрационных и акустических воздействий фазочувствительным рефлектометром.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам на основе фазочувствительной рефлектометрии, используемым в системах мониторинга протяженных объектов. Заявленное волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с основанной на внутриволоконных интерферометрах компенсацией нестабильности длины волны включает в себя: узкополосный источник излучения, усилитель оптического сигнала, управляемый драйвером акустооптический модулятор, циркулятор, а также контролируемую линию, в которой нанесены внутриволоконные интерферометры на основе пар слабоотражающих волоконных брэгговских решеток с увеличивающимся в два раза расстоянием между двумя решетками в паре между соседними внутриволоконными интерферометрами, на которых небольшая часть излучения, определяемая коэффициентом отражения СВБР, отражается и интерферирует, а другая проходит далее на последующие интерферометры. Оптический циркулятор служит также для направления излучения в обратном ходе на приемник излучения, после чего сигнал оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе и полученные значения обрабатываются на вычислительном устройстве. Технический результат - измерение с высоким разрешением длины волны зондирующего импульса в контролируемой линии для компенсации нестабильности длины волны источника излучения, что приводит к уменьшению погрешности обнаружения вибрационных и акустических воздействий. 3 ил.

Волоконно-оптическое устройство регистрации вибрационных воздействий с основанной на внутриволоконных интерферометрах компенсацией нестабильности длины волны, включающее в себя: последовательно соединенные узкополосный источник излучения 1, усилитель оптического сигнала 2, управляемый драйвером акустооптический модулятор 3, циркулятор 4 с выходами 4.1, 4.2, 4.3, отличающееся наличием внутриволоконных интерферометров 5.1, 5.2,…5.N, образованных при помощи пар слабо отражающих волоконных брэгговских решеток (СВБР) с увеличивающимся в два раза расстоянием между двумя решетками в паре, нанесенных в контролируемой линии 6, на которых небольшая часть излучения, зависящая от коэффициента отражения СВБР, отражается и интерферирует, а другая проходит далее на последующие интерферометры и в контролируемую линию 6 и после обратного хода возвращается через выход 4.2 на оптический циркулятор 4, через выход 4.3 поступает на приемник излучения 7, после чего сигнал оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе 8 и полученные значения обрабатываются на вычислительном устройстве 9.