EA034423B1 - Способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния - Google Patents
Способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния Download PDFInfo
- Publication number
- EA034423B1 EA034423B1 EA201800304A EA201800304A EA034423B1 EA 034423 B1 EA034423 B1 EA 034423B1 EA 201800304 A EA201800304 A EA 201800304A EA 201800304 A EA201800304 A EA 201800304A EA 034423 B1 EA034423 B1 EA 034423B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- frequency
- signal
- brillouin
- optical fiber
- fiber
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 85
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 68
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 37
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 23
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 12
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 5
- 238000010009 beating Methods 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 2
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 9
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 description 5
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35303—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using a reference fibre, e.g. interferometric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
- G01D5/35354—Sensor working in reflection
- G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
- G01D5/35354—Sensor working in reflection
- G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
- G01D5/35364—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using inelastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Brillouin or Raman backscattering
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния, при этом указанное устройство содержит источник непрерывного света (1), разветвитель (2), акустооптический модулятор (3), тестируемое оптоволокно (5), в котором возникает обратный сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния с частотой ν, равной ν-ν, где ν- бриллюэновская частота, измеряемая в каждой точке z оптоволокна (5), гетеродин (16), излучающий другой световой сигнал, предназначенный для смешивания с обратным сигналом, возникающим в результате бриллюэновского рассеяния в тестируемом оптоволокне (5), модуль детектирования (9), выполненный с возможностью определять частоту бриллюэновского сдвига νв каждой точке z оптоволокна, и процессорный модуль для привязки частоты бриллюэновского сдвига νв каждой точке z оптоволокна к значениям температуры и деформации. В соответствии с изобретением гетеродин (16) содержит эталонное оптоволокно (18), бриллюэновская частота которого идентична бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна (5) или близка к ней, при этом в эталонном оптоволокне (18) возникает сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния под воздействием непрерывного светового сигнала, поступающего во второе плечо от источника света (1), при этом сигнал бриллюэновского обратного рассеяния излучается на частоте ν=ν-ν, где ν- бриллюэновская частота эталонного волокна без деформаций при эталонной температуре.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к распределенному оптоэлектронному измерительному устройству на основе бриллюэновского рассеяния в оптическом волокне с использованием одночастотного лазера для генерации светового импульса. Подобные устройства также называются распределенными оптоволоконными датчиками на основе бриллюэновского обратного рассеяния.
Такие устройства используются для непрерывного контроля целостности и безопасности систем и конструкций в гражданском строительстве и нефтяной промышленности. Они применяются, в частности, для мониторинга линейных сооружений, таких как мосты, дамбы, гидротехнические земляные плотины, а также сетей, используемых для транспортировки текучих сред (воды, углеводородов, газов), с целью контроля перемещений грунта (оползней, оседания) и деформации подземных и надземных трубопроводов. Оптическое волокно прокладывается вдоль контролируемого сооружения, и в волокно вводят световой сигнал. Состояние конструкции и структуры сооружения может быть определено на основе обратного рассеяния светового сигнала в оптоволокне.
Предшествующий уровень техники
Распределенные оптоэлектронные измерительные устройства на основе бриллюэновского рассеяния, в частности, используются для измерения температуры или деформации крупных инфраструктурных объектов в режиме реального времени с целью контроля целостности их конструкции и поддержания их в надлежащем состоянии. При каждом измерении они выдают информацию о температуре и деформации в каждой точке присоединенного к ним оптического волокна. Измерения, как правило, выполняются на дистанции от нескольких метров до нескольких десятков километров с разрешающей способностью порядка метров или даже сантиметров. Таким образом, например, измерения могут выполняться через каждый метр на сооружении длиной 20 км.
Такие устройства, использующие явление бриллюэновского обратного рассеяния, уже известны и применяются для измерения температуры и деформаций в гражданском строительстве.
Бриллюэновская частота vB линейно зависит от температуры и деформации материала. Следовательно, сдвиг частоты ΔνΒ между прямой волной и обратно-рассеянной волной изменяется в зависимости от колебаний температуры AT и колебаний деформации ε согласно следующему уравнению: ΔvB=СТΔT+Сεε, где СТ и C.A - температурный коэффициент и коэффициент чувствительности к деформации используемого оптоволокна соответственно. При длине волны λ0=1550 нм и при использовании стандартного волокна в соответствии со стандартом ITU-G652 (например, волокна Coring® - SMF-28™) эти коэффициенты имеют значения порядка СТ«1 МГц/°С и Ce~0,06 МГц/με.
Для анализа колебаний интенсивности на дистанции в десятки километров с пространственным разрешением порядка метра в измерительных системах, как правило, используется оптическая временная рефлектометрия (сокращенное название - OTDR, образованное от аббревиатуры английского термина Optical Time Domain Reflectometry). Принцип OTDR состоит в распространении светового импульса по анализируемому оптоволокну и измерении интенсивности обратной волны в зависимости от времени. Время, необходимое для прихода и приема обратно-рассеянного света, позволяет определить местонахождение измеряемого события (координату z точки вдоль оптоволокна). Пространственное разрешение зависит от ширины светового импульса, например ширина импульса 10 нс обеспечивает разрешающую способность около 1 м.
Явление бриллюэновского обратного рассеяния в сочетании с методом OTDR позволяет измерять температуры и деформации вдоль волокна на дистанции в десятки километров с разрешающей способностью порядка метров или даже сантиметров.
Измерения вдоль волокна выполняются с помощью устройства, схематически показанного на фиг. 1. Свет от источника света 1 (например, лазера) распределяется по двум плечам. Одно плечо, называемое источником накачки, позволяет направлять световой сигнал в форме импульсов через акустооптический модулятор 3 в тестируемое оптоволокно 5. В оптоволокне 5 происходит бриллюэновское обратное рассеяние сигнала. Согласно эффекту Бриллюэна спектральные составляющие света обратно рассеянного материалом оптоволокна (как правило, диоксидом кремния) имеют частоту vBz, сдвинутую относительно частоты прямой световой волны v0. Бриллюэновский сдвиг частоты, как правило, составляет порядка 11 ГГц для прямой волны длиной λ0=1550 нм. Это очень высокая частота. Для обеспечения возможности обработки обратно-рассеянного сигнала частота может быть преобразована в более низкую, что позволяет уменьшить полосу пропускания используемого детектора и, следовательно, устранить большую часть шума. Для этого выполняется гетеродинное детектирование, как описано, например, в документе US 7283216. Гетеродинное детектирование состоит в объединении анализируемого обратнорассеянного сигнала с волной из другого плеча, называемого гетеродином 6. В качестве гетеродина 6 может выступать, например, бриллюэновский кольцевой лазер. В этом случае непрерывный световой сигнал с частотой v0 направляется в циркулятор 7, который, в свою очередь, направляет его в эталонное волокно. В эталонном волокне за счет усиленного спонтанного рассеяния возникает излучение противоположного направления с частотой v0-vBref, которое циркулятор направляет в разветвитель 13. Последний использует часть энергии для формирования выходного сигнала и перенаправляет другую часть в эта- 1 034423 лонное волокно, где происходит усиление излучения с коэффициентом G за счет вынужденного бриллюэновского рассеяния, и затем это излучение перенаправляется в циркулятор 7, который передает усиленное излучение обратно в разветвитель 13 и на выход. В результате гетеродин 6 формирует кольцо усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния. Фотоприемник 9 позволяет выделить биения между двумя сигналами. Выделенные биения усиливаются и передаются в электрический анализатор спектра 10.
Такое распределенное оптоэлектронное измерительное устройство на основе бриллюэновского рассеяния в оптическом волокне с использованием одночастотного лазера для генерирования светового импульса более подробно описано в документе US 7283216. Устройство согласно этому документу позволяет выполнять одновременные измерения температуры и механических напряжений в режиме реального времени. Гетеродинный детектор позволяет выделять биения между сигналом гетеродина и обратнорассеянным сигналом из анализируемого волокна, при этом биения попадают в диапазон частот, подходящий для аналогового приемника. Гетеродин, используемый в этом документе, представляет собой бриллюэновский кольцевой лазер, для которого требуется когерентный контур (т.е. обратная волна должна совпадать по фазе с прямой волной). Следовательно, длина эталонного волокна и частота лазера должны задаваться и регулироваться таким образом, чтобы резонатор гетеродина выдавал правильную частоту ·ν0, позволяющую преобразовать частоту обратно-рассеянного сигнала из тестируемого волокна в более низкую частоту. Таким образом, устройство, описанное в этом документе, отличается сложностью в реализации, поскольку оно требует проведения предварительных проверок для предотвращения возникновения искажений в обратном сигнале. Кроме того, используется метод аналогового гетеродинного детектирования, требующий применения относительно крупногабаритных аналоговых электронных компонентов, потребляющих много энергии.
В документе CA 2274505 описываются устройство и способ точного и одновременного измерения температуры и изменения напряжений по всей длине оптоволокна, проложенного вдоль сооружения, конструкция которого подлежит мониторингу. Однако описанное устройство отличается сложностью в реализации. Действительно, анализ детектируемого сигнала представляет трудности, поскольку необходимо учитывать не только явление бриллюэновского обратного рассеяния, но и явление рэлеевского обратного рассеяния. Оптический детектор, содержащий сканирующий оптический фильтр, позволяет устранить рэлеевские и бриллюэновские пики и преобразовать оптические сигналы в электрические сигналы, которые затем обрабатываются аналоговыми средствами обработки. Измерение температуры и механических напряжений в каждой точке вдоль волокна сводится к определению частоты сканирования оптического фильтра, которая должна быть ниже частоты повторения оптических импульсов, измерению амплитуды и частоты бриллюэновских спектральных линий относительно рэлеевских спектральных линий в зависимости от времени и их сравнению с характеристиками в эталонном волокне. Кроме того, устройство, описанное в этом документе, выполняет прямое оптическое детектирование, а не гетеродинное детектирование. Наконец, такое устройство обеспечивает лишь низкое частотное разрешение из-за использования сканирующего оптического фильтра.
Объекты гражданского строительства, конструкция которых подлежит анализу, часто расположены в отдаленных местах, где нет человеческой деятельности и, следовательно, отсутствуют электрические сети. В этом случае для мониторинга всего сооружения или его части необходима энергетически автономная измерительная система. Существующие распределенные измерительные устройства на основе бриллюэновского рассеяния не приспособлены для автономной работы с низким энергопотреблением. Следовательно, они должны размещаться рядом с техническими объектами, зачастую удаленными друг от друга на сотни километров. Поскольку эти расстояния превышают максимальную дальность действия таких устройств, непрерывный мониторинг некоторых объектов гражданского строительства с помощью существующих распределенных измерительных устройств на основе бриллюэновского рассеяния оказывается невозможным.
Кроме того, еще одним недостатком существующих систем является большая продолжительность измерений. Действительно, типичная продолжительность одного измерения превышает 1 мин для волокна длиной 10 км.
Полагаем, что документ JP 2010217029 A (D1) отражает предшествующий уровень техники, наиболее близкий к настоящему изобретению. Однако в этом документе описывается способ обработки результатов, отличный от способа, предлагаемого в настоящем изобретении. Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, основан на другом принципе, позволяющем оптимизировать время расчета с достижением наилучшего возможного пространственного разрешения.
Техническая задача.
Изобретение направлено на преодоление недостатков, свойственных предшествующему уровню техники. В частности, задача изобретения состоит в создании простого и компактного распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния, оптоэлектронная конфигурация которого обеспечивает значительное снижение потребления электроэнергии по сравнению с существующими устройствами, благодаря чему оно может работать от низковольтного источника (как правило, напряжением 12 или 24 В), например батареи.
- 2 034423
Устройство, предлагаемое в настоящем изобретении, содержит меньшее количество элементов, чем существующие системы, описанные выше, и является энергетически автономным, что позволяет создать портативное устройство, с которым удобно работать пешему оператору или которое подходит для выполнения периодических измерений. Кроме того, в устройстве реализуется цифровая обработка выходного сигнала фотоприемника. Последующая обработка сигнала выполняется в цифровом виде на спектральном уровне, а не непосредственно на сигнале. За счет этого продолжительность измерения сокращается по сравнению с системами согласно предшествующему уровню техники. Как правило, продолжительность измерения составляет от одной до нескольких секунд для волокна длиной 10 км.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением способ цифровой обработки позволяет обрабатывать сигнал от вышеуказанного распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния и содержит шаги, необходимые для расчета значений температуры или деформации в соответствующей точке тестируемого оптоволокна. Обработке подвергается выходной сигнал фотоприемника оптоэлектронного устройства, при этом обработка, в частности, содержит разбиение оцифрованного сигнала на несколько интервалов, ширина которых равна временной ширине импульса сигнала, подаваемого в тестируемое оптоволокно, по уровню 1/2 (полумаксимум).
Краткое описание изобретения
Предметом изобретения является способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния, содержащего источник непрерывного света (1), излучающий непрерывный световой сигнал с первой частотой ν0, разветвитель (2), выполненный с возможностью разделять непрерывный световой сигнал на два идентичных сигнала, распределенных между двумя плечами, при этом первое плечо содержит устройство (30) для генерирования сдвинутых по частоте импульсов, содержащее как минимум один акустооптический модулятор (3), выполненный с возможностью преобразовывать непрерывный сигнал в импульсный сигнал с частотой vp, предназначенный для подачи в тестируемое оптоволокно (5), таким образом, чтобы в нем возникал обратный сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния с частотой vF, равной vp-vBz, где vBz - бриллюэновская частота, измеряемая в каждой точке z оптоволокна (5), а второе плечо образует гетеродин (16), излучающий другой световой сигнал, предназначенный для смешивания с указанным обратным сигналом, возникающим в результате бриллюэновского рассеяния в тестируемом оптоволокне (5), что позволяет уменьшить частоту обратного сигнала таким образом, чтобы модуль детектирования (9) мог определить частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z оптоволокна, и чтобы процессорный модуль (12) мог привязать эту частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z оптоволокна к значениям температуры и деформации, при этом гетеродин (16) содержит эталонное оптоволокно (18), бриллюэновская частота которого идентична или близка к бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна (5), при этом в эталонном оптоволокне (18) возникает сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния под воздействием непрерывного светового сигнала, поступающего во второе плечо от источника света (1), при этом сигнал бриллюэновского обратного рассеяния излучается на частоте vOL=v0-vBRef где vBRef - бриллюэновская частота эталонного волокна без деформаций при эталонной температуре; отличающийся тем, что процесс содержит следующие шаги:
a) оцифровка сигнала, соответствующего биениям между обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна (5) и обратно-рассеянным сигналом от эталонного оптоволокна (18), выделенным фотоприемником (9),
b) разбиение этого оцифрованного сигнала на несколько интервалов (T1...Ti...TN) путем применения скользящего временного окна прямоугольного типа, или типа Хэмминга, или типа Ханна, или типа Блэкмана-Харриса, при этом каждый интервал имеет ширину, равную временной ширине импульса сигнала, подаваемого в тестируемое оптоволокно (5) по уровню 1/2 (полумаксимум), при этом каждый интервал центрирован около момента времени t, соответствующего точке с координатой z в тестируемом оптоволокне (5),
c) расчет с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT) частотного спектра для каждого из интервалов (T1...Ti...TN) оцифрованного сигнала;
d) повторение шагов а), b) и с) и усреднение спектров, полученных для каждой точки z тестируемого оптоволокна;
e) построение графика измеренных распределенных колебаний частоты в зависимости от времени прохождения обратно-рассеянного сигнала в обоих направлениях tz на основе результатов, полученных на предыдущем шаге,
f) применение, с одной стороны, коэффициента температурной чувствительности, а с другой - коэффициента чувствительности к деформации к полученному графику измеренных распределенных колебаний частоты с целью получения результатов распределенного измерения температуры или распределенного измерения деформации соответственно.
В соответствии с другими признаками настоящего способа предпочтительно цифровая обработка выполняется графическим процессором GPU (Graphical Processing Unit), поскольку этот алгоритм отличается высокой степенью параллельности, а именно одно и то
- 3 034423 же вычисление выполняется множество раз для разных отрезков сигнала;
бриллюэновская частота используемого эталонного оптоволокна идентична бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна или близка к ней, а именно разность этих частот составляет менее 50 МГц, при этом предпочтительно, чтобы разность частот составляла менее 20 МГц;
полоса частот биений ограничивается до уровня менее 1 ГГц, предпочтительно менее 500 МГц, при этом предпочтительно, чтобы полоса была центрирована относительно частоты 200 МГц, с помощью фотоприемника, выполненного с возможностью обнаружения биений между обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна и обратно-рассеянным сигналом от эталонного оптоволокна (18);
оцифрованный сигнал представляет собой сигнал биений, выделенный фотоприемником, при этом оцифровка выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя;
шум оптической интенсивности, образующийся в результате бриллюэновского рассеяния в эталонном волокне, устраняется с помощью низкочастотного электрического фильтра, установленного между разветвителем и фотоприемником;
импульсы сдвигаются по частоте на величину сдвига, превышающую 100 МГц, предпочтительно на величину сдвига от 200 до 300 МГц, с помощью акустооптического модулятора;
распределенное оптоэлектронное измерительное устройство на основе бриллюэновского рассеяния устанавливается на плате и питается от низковольтного источника, как правило, напряжением 12 или 24 В, например батареи;
устройство выполняет полосовую оптическую фильтрацию в полосе 10 ГГц или менее 10 ГГц на выходе гетеродина, пропуская только частоту v0-vBRef;
устройство обеспечивает возможность деполяризации на выходе гетеродина с последующим регулируемым затуханием для получения необходимого уровня сигнала гетеродина.
Для этой цели распределенное оптоэлектронное измерительное устройство на основе бриллюэновского рассеяния содержит источник света, излучающий непрерывный световой сигнал с первой частотой v0, разветвитель, выполненный с возможностью разделения непрерывного светового сигнала на два идентичных сигнала, распределенных между двумя плечами, при этом первое плечо содержит устройство для генерирования сдвинутых по частоте импульсов, содержащее как минимум один акустооптический модулятор, выполненный с возможностью преобразования непрерывного сигнала в импульсный сигнал с частотой vp, предназначенный для подачи в тестируемое оптоволокно, таким образом, чтобы в нем возникал обратный сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния с частотой vF, равной vp-vBz, где vBz - бриллюэновская частота, измеряемая в каждой точке z оптоволокна, а второе плечо образует гетеродин, излучающий другой световой сигнал, предназначенный для смешивания с обратным сигналом, возникающим в результате бриллюэновского рассеяния в тестируемом оптоволокне, что позволяет снизить частоту обратного сигнала таким образом, чтобы модуль детектирования мог определить частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z оптоволокна, и чтобы процессорный модуль мог привязать эту частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z оптоволокна к значениям температуры и деформации. Гетеродин указанного устройство содержит эталонное оптоволокно, бриллюэновская частота которого идентична или близка к бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна, при этом в эталонном оптоволокне возникает сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния под воздействием непрерывного светового сигнала, поступающего во второе плечо от источника света, при этом сигнал бриллюэновского обратного рассеяния излучается на частоте vOL=v0-vBRef, где vBRef - бриллюэновская частота эталонного волокна без деформаций при эталонной температуре.
Таким образом, вышеописанное устройство позволяет устранить необходимость в предварительных проверках при использовании гетеродина, выполненного в виде бриллюэновского кольцевого лазера. Действительно, в конфигурации, описанной в настоящем изобретении, обратный сигнал, возникающий в эталонном волокне, представляет собой сигнал усиленного спонтанного рассеяния, а не результат резонанса в лазерном резонаторе (который сильно зависел бы от точной длины резонатора и который было бы трудно контролировать ввиду воздействия таких параметров, как температура).
В соответствии с другими опциональными признаками устройства бриллюэновская частота эталонного оптоволокна идентична бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна или близка к ней, а именно разность этих частот составляет менее 50 МГц, при этом предпочтительно, чтобы разность частот составляла менее 20 МГц;
устройство в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит разветвитель как минимум с двумя входами для приема обратно-рассеянного сигнала, поступающего от циркулятора, и сигнала от гетеродина и их дальнейшего смешивания;
скремблер поляризации, расположенный перед входами разветвителя, модуль детектирования, содержащий фотоприемник, ограничивающий полосу частот до уровня менее 1 ГГц, предпочтительно менее 500 МГц, при этом предпочтительно, чтобы полоса была центрирована относительно частоты 200 МГц, выполненный с возможностью обнаружения биений между обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна и обратно-рассеянным сигналом от эталонного оптоволокна, и аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью оцифровки биений, зафиксированных фотоприемником;
- 4 034423 устройство также содержит низкочастотный электрический фильтр, расположенный после фотоприемника. Фильтр позволяет снизить низкочастотный шум и повысить отношение сигнал/шум;
акустооптический модулятор со сдвигом частоты более 100 МГц, предпочтительно от 200 до 300
МГц;
процессорный модуль представляет собой цифровой процессорный модуль, выполненный с возможностью расчета бриллюэновской частоты в каждой точке z тестируемого оптоволокна с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT) и последующего усреднения полученных спектров в частотной области для каждой точки z волокна для получения результатов распределенного измерения колебаний частоты вдоль волокна.
Преимущество устройства состоит в том, что оно выполнено на плате и питается от низковольтного источника, как правило, напряжением 12 или 24 В, например батареи. Следовательно, устройство является портативным и хорошо подходит для использования пешими операторами, а также для выполнения периодических измерений.
Другие преимущества и характеристики настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания, приведенного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1, уже описанной выше, приведена схема распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния в соответствии с предшествующим уровнем техники;
на фиг. 2 приведена схема распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3А-3Е приведены временные или спектральные характеристики, полученные на каждом шаге цифровой обработки оцифрованного сигнала после объединения обратно-рассеянных сигналов от тестируемого оптоволокна и эталонного оптоволокна;
на фиг. 4А-4С приведены результаты фактических измерений, выполненных с помощью описанного в настоящем изобретении устройства;
на фиг. 5 приведен набор спектров бриллюэновского рассеяния для волокна длиной приблизительно 250 м;
на фиг. 6 приведены результаты распределенных измерений, а именно набор максимумов спектров, приведенных на фиг. 5;
на фиг. 7 приведен спектр обратного рассеяния тестируемого волокна 5;
на фиг. 8 приведен спектр обратного рассеяния гетеродина (OL) 16 и проиллюстрирована фильтрация с помощью оптического фильтра с полосой пропускания менее 10 ГГц;
на фиг. 9 приведен спектр биений между обратно-рассеянным сигналом от гетеродина 16 и обратно-рассеянным сигналом от тестируемого волокна 5.
Подробное описание изобретения
Под тестируемым (или подлежащим тестированию) волокном понимается оптоволокно, проложенное вдоль подлежащего мониторингу сооружения и обеспечивающее возможность выполнения распределенных измерений.
Под эталонным волокном понимается волокно, бриллюэновская частота которого идентична бриллюэновской частоте тестируемого волокна или близка к ней. Волокно с близкой бриллюэновской частотой означает волокно, бриллюэновская частота которого отличается от бриллюэновской частоты тестируемого волокна менее чем на 50 МГц, при этом предпочтительно, чтобы разность этих частот составляла менее 20 МГц.
Продолжительность измерения означает время, необходимое системе для вывода результатов измерения с номинальной точностью (деформации или температуры). Эта продолжительность включает в себя время регистрации, время выполнения расчетов в системе (преобразований Фурье, усреднения...).
Настоящее изобретение, в целом, относится к распределенному оптоэлектронному измерительному устройству на основе бриллюэновского рассеяния в оптоволокне. Конкретнее, изобретение относится к оптоэлектронной конфигурации устройства, позволяющей уменьшить его энергопотребление и габариты.
Результаты измерений, полученные с помощью устройства, используются для оптимизации технического обслуживания объектов гражданского строительства. Непрерывность измерений вдоль оптоволокна гарантирует обнаружение событий, которые не могут быть обнаружены другими способами, основанными на отдельных локализованных измерениях. Раннее обнаружение конструктивных нарушений в объектах гражданского строительства позволяет устранить их до дальнейшего ухудшения ситуации. И наоборот, если нарушения не обнаружены, плановые работы по техническому обслуживанию могут быть отложены при отсутствии необходимости в них по какой-либо другой причине. В обоих случаях такое распределенное оптоэлектронное измерительное устройство на основе бриллюэновского обратного рассеяния позволяет операторам достичь значительной экономии при техническом обслуживании объектов
- 5 034423 гражданского строительства.
Конкретнее, на фиг. 2 схематично показана конфигурация распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского обратного рассеяния в оптоволокне в соответствии с настоящим изобретением. Обозначения элементов совпадают с обозначениями на фиг. 1. Устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит источник света 1, излучающий непрерывный световой сигнал. Предпочтительно, чтобы в качестве источника света 1 выступал лазер, предпочтительно лазер с распределенной обратной связью (сокращенное название - DFB, образованное от аббревиатуры английского термина Distributed Feedback) с брэгговской решеткой. Предпочтительно, чтобы длина волны излучения λ0 составляла 1550 нм при соответствующей частоте ν0. Спектральная линия излучаемой световой волны центрирована относительно длины волны излучения λ0, а ее ширина составляет не более 1 МГц. Лазер 1 излучает непрерывный световой сигнал средней мощности, как правило, порядка 20 мВт, в оптическое волокно, соединяющее его с разветвителем 2. Разветвитель 2 разделяет прямой световой сигнал, поступающий от лазера 1, на два идентичных сигнала, распределенных между двумя плечами устройства.
Первое плечо, также называемое источником накачки, содержит устройство 30 для генерирования сдвинутых по частоте импульсов. Устройство 30 содержит как минимум один акустооптический модулятор 3. Оно также может содержать один или несколько усилителей, если это необходимо для усиления сигнала. Акустооптический модулятор 3 преобразует непрерывный световой сигнал с частотой ν0 в импульсный сигнал с частотой νρ=ν0+νΑ, где νΑ - собственная частота модулятора 3, которая, как правило, больше или равна 100 МГц и меньше или равна 500 МГц, предпочтительно порядка 200 МГц. Временная ширина сформированного таким образом импульса составляет от 10 до 50 нс, предпочтительно 20 нс. Импульсный сигнал затем направляется в циркулятор 4, который передает его в тестируемое оптоволокно 5, где выполняется распределенное измерение. При прохождении импульсного сигнала в оптическом волокне 5 возникает сигнал спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния противоположного направления с частотой vf=v0+va+vBz; и ν0+νΑ-νΒζ, где νΒζ - бриллюэновская частота, измеряемая в каждой координатной точке ζ вдоль оптического волокна 5. Приведенная на фиг. 7 схема иллюстрирует спектр обратного рассеяния тестируемого волокна 5. Обратно-рассеянный сигнал направляется циркулятором 4 в разветвитель 8, где он объединяется с сигналом от гетеродина, образующего второе плечо устройства.
Предпочтительно, чтобы гетеродин 16 содержал циркулятор 17, который направляет непрерывный прямой световой сигнал с частотой ν0, поступающий от лазера 1, в эталонное оптоволокно 18. Предпочтительно, чтобы эталонное оптоволокно 18 было идентичным тестируемому оптоволокну 5. Эталонное оптоволокно 18 не подвергается никаким деформациям. Оно имеет эталонную температуру, обычно составляющую от 18 до 25°С, предпочтительно порядка 20°С. Эталонное оптоволокно 18 излучает сигнал бриллюэновского обратного рассеяния под воздействием непрерывного сигнала, поступающего от источника света 1, благодаря чему гетеродин 16 обеспечивает преобразование частоты прямого сигнала с частотой ν0 на частоту vOL=v0-vBref, где vBref- бриллюэновская частота эталонного оптоволокна 18, находящаяся в том же диапазоне частот, как и частота vBz обратно-рассеянного сигнала от тестируемого оптоволокна 5. Спектр обратного рассеяния гетеродина (OL) 16 вместе с иллюстрацией фильтрации с помощью оптического фильтра с полосой пропускания менее 10 ГГц приведен на схеме на фиг. 8. Спектр шумов на частоте ν0 соединителя 40, схематически показанного на фиг. 2, также виден на фиг. 8. Следовательно, бриллюэновская частота эталонного оптоволокна 18 находится в диапазоне частот около 11 ГГц, как правило, от 10,5 до 11,5 ГГц. Затем циркулятор 17 гетеродина 16 направляет обратнорассеянный сигнал в разветвитель 8, где он смешивается с обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна 5. Предпочтительно, чтобы на выходе циркулятора был дополнительно предусмотрен полосовой оптический фильтр 20 на 10 ГГц или менее 10 ГГц, обеспечивающий прохождение только частоты v0-vBref и отсекающий частоту ν0 для предотвращения биений между рэлеевским рассеянием в тестируемом волокне на частоте ν0+νΑ и слабым отражением частоты ν0 на соединении, обозначенном как 40 на фиг. 2, между эталонным волокном 18 и устройством. Это позволяет устранить источник шума. Оптический фильтр 20 является опциональным. Выполнение соединения 40 методом сращивания оптоволокна также позволяет снизить этот шум, но на практике оно препятствует замене эталонного волокна и, следовательно, регулировке частоты vBref.
Сигналы от тестируемого оптоволокна 5 и эталонного оптоволокна 18 объединяются в разветвителе
8. На выходе разветвителя 8 получается сигнал, содержащий биения между сигналом от тестируемого оптоволокна 5 и эталонного оптоволокна 18 гетеродина 16. На фиг. 9 показан спектр биений между обратно-рассеянным сигналом от гетеродина 16 и обратно-рассеянным сигналом от тестируемого волокна
5. Эти биения с более низкой частотой обнаруживаются электронными средствами с помощью фотоприемника 9 с полосой пропускания менее 1 ГГц, предпочтительно 500 МГц. Таким образом, на выходе фотоприемника 9 получается электрический сигнал, соответствующий выделенным биениям на частоте vBatt=vA+(±vBz+vBref). Биения имеют частоту ниже, чем частота входных сигналов, поскольку устраняется составляющая с частотой ν0 от источника света 1. Как правило, частота биений составляет менее 500 МГц, предпочтительно около 200 МГц, что соответствует порядку собственной частоты акустооптиче-
- 6 034423 ского модулятора 3. Таким образом, vA+(+vBz+vBref) составляет около 20 ГГц и, следовательно, не попадает в полосу пропускания, а биения пониженной частоты vA+(vBref-vBZ) находятся в полосе 200 МГц и используются при дальнейшей обработке.
Предпочтительно, чтобы устройство также содержало низкочастотный электрический фильтр 21, расположенный после фотоприемника (фотодиода). Этот фильтр позволяет снизить низкочастотный шум и, следовательно, повысить соотношение сигнал/шум.
Затем полученный сигнал биений оцифровывается с помощью модуля аналого-цифрового преобразователя 11. После этого он обрабатывается цифровым процессорным модулем 12.
Преимущество конфигурации гетеродина 16 в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что она устраняет необходимость в предварительных проверках за счет использования бриллюэновского кольцевого лазера, позволяющего избежать искажений сигнала (вызываемых нестабильностью лазерного резонатора). Она также позволяет снизить частоту, обнаруживаемую фотоприемником, до уровня менее 500 МГц, а конкретнее до полосы, центрированной относительно частоты 200 МГц. Таким образом, такая оптическая конфигурация позволяет повысить эффективность фотоприемника 9 за счет ограничения полосы частот до уровня менее 1 ГГц вместо 11 ГГц, предпочтительно до 500 МГц.
Что касается цифрового процессорного модуля 12 предпочтительно, чтобы в нем использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье (FFT), например, с помощью логической интегральной схемы, известной как программируемая пользователем вентильная матрица (сокращенное название - FPGA, образованное от аббревиатуры английского термина Field-Programmable Gate Array). Это позволяет непосредственно рассчитать бриллюэновскую частоту в каждой координатной точке z тестируемого оптоволокна 5. Цифровой процессорный модуль 12 позволяет в дальнейшем усреднить полученные спектры в частотной области для каждой точки z указанного волокна после завершения работы алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT) для получения результатов распределенного измерения колебаний частоты вдоль тестируемого оптоволокна 5.
В альтернативном варианте осуществления изобретения на выходе гетеродина 16 может предусматриваться скремблер поляризации, после которого устанавливается регулируемый аттенюатор для устранения чувствительности устройства к поляризации и регулировки уровня сигнала гетеродина с целью его адаптации к чувствительности фотодиода. Скремблер поляризации и аттенюатор обозначены пунктирным квадратом 50.
Различные шаги цифровой обработки оцифрованного сигнала более подробно проиллюстрированы на экспериментальных и пояснительных фиг. 3А-3Е, на которых приведены временные или спектральные характеристики, полученные на каждом шаге цифровой обработки оцифрованного сигнала после объединения обратно-рассеянных сигналов от тестируемого оптоволокна и эталонного оптоволокна.
На фиг. 3А приведен оцифрованный сигнал на выходе аналого-цифрового преобразователя 11.
Первый шаг цифровой обработки, выполняемый цифровым процессорным модулем 12, состоит в разбиении оцифрованного сигнала на интервалы. Разбиение на интервалы выполняется путем применения скользящего временного окна к сигналу. Предпочтительно, чтобы использовалось окно прямоугольного типа, или типа Хэмминга, или типа Ханна, или типа Блэкмана-Харриса. Разбиение оцифрованного сигнала на интервалы показано на фиг. 3В, при этом первый обрабатываемый интервал обозначен как Т1, а интервал N, в котором находится область измеряемого события - как TN. Ширина каждого интервала равна временной ширине импульса сигнала, подаваемого в тестируемое оптоволокно 5, по уровню 1/2 (полумаксимум). Каждый интервал T1...Ti...TN центрирован относительно момента t1, ...ti...tN, соответствующего координатной точке z на тестируемом оптоволокне. Таким образом, для координатного положения z на оптоволокне 5 z=v-tz, где v=c/(2n), где n - показатель преломления оптоволокна, с - скорость света, v - частота оптической волны, при этом время tz соответствует времени прохождения импульса в обоих направлениях (z) между начальной точкой передачи импульса и точкой измерения z.
Разница между двумя точками измерений может составлять всего 1 единицу дискретизации (скольжение интервала). Тем не менее, разница между 2 независимыми измерениями (пространственное разрешение) считается равной половине ширины импульса. Таким образом, разница между 2 независимым точками измерения z(t1), z(t2) равна ширине импульса по уровню 1/2 (полумаксимум).
Второй шаг цифровой обработки состоит в расчете спектра для каждого из интервалов T1...Ti...TN оцифрованного сигнала с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT). Таким образом, получается спектр частот для каждого из интервалов T1...Ti...TN оцифрованного сигнала. Такие спектры частот проиллюстрированы на фиг. 3С для интервалов Т1 и TN сигнала, приведенного на фиг. 3В. Эти спектры частоты позволяют получить частоту биений vBatt=vA+(vBref-vBz) и определить максимальную частоту биений, соответствующую каждому из интервалов T1...Ti...TN. Третий шаг состоит в повторении первых двух шагов (разбиение на интервалы и применение алгоритма быстрого преобразования Фурье) с последующим усреднением результатов для получения спектра, поддающегося интерпретации, т.е. спектра, максимум которого может быть определен. С этой целью выполняется усреднение кривых FFT, чтобы как можно точнее определить максимум. Например, может использоваться алгоритм корректировки Гаусса или Лоренца. Этот шаг можно рассматривать как опциональный, но на практике он необходим
- 7 034423 ввиду наличия шума в обрабатываемых сигналах.
Четвертый шаг цифровой обработки состоит в определении частотного положения максимумов, полученных с помощью алгоритмов корректировки, в зависимости от координаты z различных точек оптоволокна 5, и построении графика распределенного измерения колебаний частоты вдоль всего оптоволокна 5. Такой график приведен на фиг. 3D, где показаны колебания частоты при продолжительности t=500 нс, соответствующей области событий интервала TN на фиг. 3В.
Наконец, последний шаг цифровой обработки состоит в применении коэффициентов температурной чувствительности СТ и чувствительности к деформации Ce оптоволокна 5 для получения результатов распределенного измерения температуры и деформации соответственно. На фиг. 3Е показан график распределенного измерения деформации ε по всей длине оптоволокна, полученный путем применения коэффициента чувствительности к деформации G. Из этого графика видно, что анализируемое оптоволокно деформировалось на 680 мкм/м в точке z, соответствующей продолжительности t=500 нс. Коэффициент чувствительности к деформации Cε обычно составляет 0,05 МГц/(мкм/м), а коэффициент температурной чувствительности СТ обычно составляет 1 МГц/°С.
На фиг. 4А-4С приведены результаты практических измерений, выполненных с помощью настоящего изобретения.
На фиг. 4А показана временная характеристика, полученная непосредственно на выходе фотоприемника. Она имеет случайную модуляцию (в отличие от пояснительной картинки на фиг. 3А), но содержит, как показано на фиг. 4В, псевдосинусоидальную составляющую, соответствующую бриллюэновскому рассеянию. Из фиг. 4С видно, что усредненный спектр временного отрезка, показанного на фиг. 4В, соответствует пояснительной картинке на фиг. 2С. На фиг. 5 приведен набор спектров бриллюэновского рассеяния для волокна длиной около 250 м. На фиг. 6 приведены результаты распределенного измерения, а именно набор максимумов спектров, приведенных на фиг. 5.
Используемые волокна представляют собой одномодовые волокна, как правило, волокна типа G652 Coring® - SMF - 28™, с типичным показателем преломления 1,45, диаметром сердечника 9 мкм, оптической оболочкой толщиной 125 мкм и механической оболочкой толщиной 250 мкм. Длина может составлять от менее 1 км до более 50 км.
Изобретение позволяет избавиться от всех аналоговых электронных компонентов, кроме фотоприемника 9, и заменить их цифровым преобразователем 11 и цифровым процессорным модулем 12. За счет этого устраняются шумы, создаваемые активными аналоговыми компонентами, такими как усилители или генераторы колебаний. Кроме того, поскольку обработка сигнала происходит полностью в цифровом виде, на нее затрачивается меньше энергии, а само устройство получается более компактным, что позволяет разместить его на плате. Благодаря этому обеспечивается преимущество, состоящее в возможности работы устройства от низковольтного источника питания, как правило, напряжением 12 или 24 В, например батареи. Батарея может быть аккумуляторной и может подзаряжаться, например, от изолированной солнечной панели, от которой требуется непрерывная мощность порядка 100 Вт.
Кроме того, устройство позволяет использовать цифровой процессорный модуль 12 для параллельной обработки каждого интервала, благодаря чему сокращается время от измерений до регистрации, например, для волокна длиной 10 км количество регистрации может достигать 10000 в секунду при тактовой частоте процессора 10 кГц, что позволяет получить 10000 средних значений. Предпочтительно, чтобы цифровой процессорный модуль содержал графический процессор GPU (Graphical Processing Unit), на который может быть возложено выполнение в высокой степени параллельных вычислений. Таким образом, вычисления выполняются параллельно с регистрацией, а продолжительность измерения соответствует продолжительности регистрации. Время регистрации сокращается по сравнению с устройствами, соответствующими предшествующему уровню техники. Например, при длине волокна 10 км и тактовой частоте процессора 10 кГц за одну секунду выполняется 10000 регистрации, что позволяет получить 10000 средних значений, в то время как для предшествующего уровня техники продолжительность измерения на дистанции 10 км превышает одну минуту.
Claims (11)
1. Способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния, содержащего источник непрерывного света (1), излучающий непрерывный световой сигнал с первой частотой ν0, разветвитель (2), выполненный с возможностью разделять указанный непрерывный световой сигнал на два идентичных сигнала, распределенных между двумя плечами, при этом первое плечо содержит устройство (30) для генерирования сдвинутых по частоте импульсов, содержащее как минимум один акустооптический модулятор (3), выполненный с возможностью преобразовывать указанный непрерывный сигнал в импульсный сигнал с частотой vp, предназначенный для подачи в тестируемое оптоволокно (5) таким образом, чтобы в нем возникал за счет спонтанного бриллюэновского рассеяния обратный сигнал с частотой vF, равной vp-vBz, где vBz бриллюэновская частота, измеряемая в каждой точке z указанного оптоволокна (5), а второе плечо образует гетеродин (16), излучающий другой световой сигнал, предназначенный для смешивания с указан
- 8 034423 ным обратным сигналом, возникающим в результате бриллюэновского рассеяния в тестируемом оптоволокне (5), что позволяет снизить частоту указанного обратного сигнала таким образом, чтобы модуль детектирования (9) мог определить частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z указанного оптоволокна, и чтобы процессорный модуль (12) мог привязать эту частоту бриллюэновского сдвига vBz в каждой точке z оптоволокна к значениям температуры и деформации, при этом гетеродин (16) содержит эталонное оптоволокно (18), бриллюэновская частота которого идентична или близка к бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна (5), при этом в эталонном оптоволокне (18) возникает сигнал за счет спонтанного бриллюэновского обратного рассеяния под воздействием указанного непрерывного светового сигнала, поступающего во второе плечо от указанного источника света (1), при этом сигнал бриллюэновского обратного рассеяния излучают на частоте vOL=vo-vBRef, где vBref - бриллюэновская частота эталонного волокна без деформаций и при эталонной температуре; отличающийся тем, что способ содержит следующие шаги:
a) оцифровка сигнала, соответствующего биениям между обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна (5) и обратно-рассеянным сигналом от эталонного оптоволокна (18), зафиксированного фотоприемником (9),
b) разбиение указанного оцифрованного сигнала на множество интервалов (T1...Ti...TN) путем применения скользящего временного окна прямоугольного типа, или типа Хэмминга, или типа Ханна, или типа Блэкмана-Харриса, при этом каждый интервал имеет ширину, равную временной ширине импульса сигнала, подаваемого в тестируемое оптоволокно (5), по уровню 1/2 (полумаксимум), при этом каждый интервал центрируют относительно момента t, соответствующего координатной точке z тестируемого оптоволокна (5),
c) расчет с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT) частотного спектра для каждого из интервалов (T1...Ti...TN) указанного оцифрованного сигнала;
d) повторение шагов а), b) и с) и усреднение спектров, полученных для каждой точки z указанного тестируемого оптоволокна;
e) построение графика измеренных распределенных колебаний частоты в зависимости от времени прохождения обратно-рассеянного сигнала в обоих направлениях tz на основе результатов, полученных на предыдущем шаге,
f) применение, с одной стороны, коэффициента температурной чувствительности, а с другой стороны, - коэффициента чувствительности к деформациям к полученному графику измеренных распределенных колебаний частоты с целью получения результатов распределенного измерения температуры или распределенного измерения деформации соответственно.
2. Способ цифровой обработки по п.1, отличающийся тем, что указанную цифровую обработку выполняют графическим процессором GPU (Graphical Processing Unit) параллельно с регистрацией.
3. Способ цифровой обработки по п.1, в котором эталонное оптоволокно (18) имеет бриллюэновскую частоту, идентичную бриллюэновской частоте тестируемого оптоволокна (5) или близкую к ней, а именно разность этих частот составляет менее 50 МГц, при этом предпочтительно, чтобы разность частот составляла менее 20 МГ ц.
4. Способ цифровой обработки по п.1, в котором полосу частот биений ограничивают до уровня менее 1 ГГц, предпочтительно менее 500 МГц, при этом предпочтительно полосу центрируют относительно частоты 200 МГц с помощью фотоприемника (9), выполненного с возможностью обнаружения биений между обратно-рассеянным сигналом от тестируемого оптоволокна (5) и обратно-рассеянным сигналом от эталонного оптоволокна (18), оцифрованный сигнал представляет собой сигнал биений, выделенный фотоприемником (9), при этом оцифровку выполняют с помощью аналого-цифрового преобразователя (11).
5. Способ цифровой обработки по п.1, в котором интенсивный оптический шум, возникающий в результате бриллюэновского рассеяния в эталонном волокне, устраняют с помощью низкочастотного электрического фильтра, установленного между разветвителем (8) и фотоприемником (9).
6. Способ цифровой обработки по п.1, в котором импульсы сдвигают по частоте на величину сдвига, превышающую 100 МГц, предпочтительно на величину сдвига от 200 до 300 МГц с помощью акустооптического модулятора (3).
7. Способ цифровой обработки по п.1, в котором распределенное оптоэлектронное измерительное устройство на основе бриллюэновского рассеяния устанавливают на плате, и в качестве источника питания для него используют низковольтный источник питания, как правило, напряжением 12 или 24 В, например батареи.
8. Способ цифровой обработки по п.1, в котором указанное устройство выполняет полосовую оптическую фильтрацию в полосе 10 ГГц или менее 10 ГГц на выходе гетеродина (16), пропуская только частоту v0-vBRef.
9. Способ цифровой обработки по п.1, в котором указанное устройство обеспечивает возможность скремблирования деполяризации на выходе гете- 9 034423 родина (16) с последующим регулируемым затуханием для получения необходимого уровня сигнала гетеродина (50).
10. Способ цифровой обработки по п.1, в котором источник непрерывного света (1) представляет собой лазер с брэгговской решеткой.
11. Способ цифровой обработки по п.1, в котором источник непрерывного света (1) излучает световую волну, которая центрирована относительно длины волны излучения λ0, а ее ширина составляет не более 1 МГц.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1560681A FR3043457B1 (fr) | 2015-11-06 | 2015-11-06 | Dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion brillouin. |
| PCT/FR2016/052870 WO2017077257A1 (fr) | 2015-11-06 | 2016-11-04 | Dispositif optoelectronique de mesure repartie par diffusion brillouin |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201800304A1 EA201800304A1 (ru) | 2018-10-31 |
| EA034423B1 true EA034423B1 (ru) | 2020-02-06 |
Family
ID=54979829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201800304A EA034423B1 (ru) | 2015-11-06 | 2016-11-04 | Способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10274345B2 (ru) |
| EP (1) | EP3371554B1 (ru) |
| CN (1) | CN108603773B (ru) |
| CA (1) | CA3004394C (ru) |
| EA (1) | EA034423B1 (ru) |
| FR (1) | FR3043457B1 (ru) |
| WO (1) | WO2017077257A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230085614A1 (en) * | 2020-02-13 | 2023-03-16 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Device and method for detecting inundation of optical fiber |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3066280B1 (fr) * | 2017-05-11 | 2019-09-13 | Febus Optics | Dispositif optoelectronique de mesure repartie par fibre optique |
| CN108362214A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-08-03 | 广东电网有限责任公司清远供电局 | 一种变电站地基沉降隐患的监测装置 |
| CN108896274B (zh) * | 2018-06-14 | 2019-12-27 | 大连理工大学 | 一种基于子集窗长度优化算法的分布式光纤应变解调方法 |
| EP3757522B1 (en) | 2019-06-28 | 2021-07-21 | Alcatel Submarine Networks | Method and apparatus for suppression of noise due to local oscillator instability in a coherent fiber optical sensor |
| CN110361037B (zh) * | 2019-07-01 | 2021-11-23 | 武汉理工大学 | 基于弱光栅阵列分布式传感预处理***与寻峰方法 |
| EP3879234B1 (en) * | 2020-03-11 | 2024-07-31 | Nexans | Method and system for determining deformation in a cable |
| CN111486881A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-04 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种分布式光纤多参量传感装置 |
| US11965758B2 (en) * | 2020-05-21 | 2024-04-23 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Brillouin optical sensing device and optical sensing method |
| DE102020132210B4 (de) * | 2020-12-03 | 2022-08-25 | Nkt Photonics Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur Digitalisierung eines optischen Signals sowie zur ortsaufgelösten Messung von Temperatur und Dehnung vermittels Brillouin-Streuung |
| CN113702741A (zh) * | 2021-08-27 | 2021-11-26 | 中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司 | 一种新型电缆结构及电缆监测*** |
| CN113984126B (zh) * | 2021-11-04 | 2024-05-14 | 武汉理工大学威海研究院 | 基于不同掺杂双芯弱反射fbg阵列的温度应变监测***和方法 |
| GB2614551B (en) * | 2022-01-07 | 2024-05-15 | Sintela Ltd | Optical measurement system |
| CN114878910B (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-28 | 中国科学技术大学 | 一种基于差拍采样的高精度频率测量方法、装置及*** |
| FR3138207A1 (fr) * | 2022-07-19 | 2024-01-26 | Fosina | Système de capteur à fibre optique distribué |
| CN116858295B (zh) * | 2023-06-08 | 2024-05-14 | 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) | 一种基于分布式光缆的海洋岛礁近岸防卫监测***及方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010217029A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 後方ブリルアン散乱光測定方法及び装置 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9626099D0 (en) | 1996-12-16 | 1997-02-05 | King S College London | Distributed strain and temperature measuring system |
| US7283216B1 (en) * | 2004-06-22 | 2007-10-16 | Np Photonics, Inc. | Distributed fiber sensor based on spontaneous brilluoin scattering |
| GB2440952B (en) * | 2006-08-16 | 2009-04-08 | Schlumberger Holdings | Measuring brillouin backscatter from an optical fibre using digitisation |
| CN100504309C (zh) * | 2007-09-30 | 2009-06-24 | 南京大学 | 基于快速傅立叶变换的布里渊光时域反射测量方法 |
| GB201020827D0 (en) * | 2010-12-08 | 2011-01-19 | Fotech Solutions Ltd | Distrubuted optical fibre sensor |
| US9120286B2 (en) * | 2011-03-31 | 2015-09-01 | Fos Llc | Fiber optic sensor thermally matched support tubes for distributed fiber optic sensing |
| CN203310428U (zh) * | 2013-06-26 | 2013-11-27 | 武汉华之洋光电***有限责任公司 | 一种基于相干检测的分布式布里渊光纤传感*** |
| CN103674110B (zh) * | 2013-11-26 | 2016-06-01 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种基于布里渊光放大检测的分布式光纤温度应变传感器 |
-
2015
- 2015-11-06 FR FR1560681A patent/FR3043457B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2016
- 2016-11-04 EP EP16806253.7A patent/EP3371554B1/fr active Active
- 2016-11-04 WO PCT/FR2016/052870 patent/WO2017077257A1/fr active Application Filing
- 2016-11-04 EA EA201800304A patent/EA034423B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2016-11-04 CA CA3004394A patent/CA3004394C/en active Active
- 2016-11-04 US US15/773,626 patent/US10274345B2/en active Active
- 2016-11-04 CN CN201680078220.3A patent/CN108603773B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010217029A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 後方ブリルアン散乱光測定方法及び装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DAISUKE LIDA, FURNIHIKO ITO: "Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin optical time domain reflectrometry using a reference Brillouin scattering beam", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, US, vol. 48, no. 22, 1 August 2009 (2009-08-01), US, pages 4302 - 4309, XP001547153, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.48.004302 * |
| YUGUO YAO ; YUANGANG LU ; XUPING ZHANG ; FENG WANG ; RUGANG WANG: "Reducing Trade-Off Between Spatial Resolution and Frequency Accuracy in BOTDR Using Cohen's Class Signal Processing Method", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS., IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ., US, vol. 24, no. 15, 1 August 2012 (2012-08-01), US, pages 1337 - 1339, XP011451590, ISSN: 1041-1135, DOI: 10.1109/LPT.2012.2203299 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230085614A1 (en) * | 2020-02-13 | 2023-03-16 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Device and method for detecting inundation of optical fiber |
| US11747294B2 (en) * | 2020-02-13 | 2023-09-05 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Water immersion detection device and water immersion detection method for detecting inundation of optical fiber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108603773A (zh) | 2018-09-28 |
| US20190063963A1 (en) | 2019-02-28 |
| FR3043457A1 (fr) | 2017-05-12 |
| US10274345B2 (en) | 2019-04-30 |
| EP3371554A1 (fr) | 2018-09-12 |
| EP3371554B1 (fr) | 2020-01-01 |
| WO2017077257A1 (fr) | 2017-05-11 |
| CA3004394A1 (en) | 2017-05-11 |
| FR3043457B1 (fr) | 2020-02-07 |
| CN108603773B (zh) | 2020-05-29 |
| EA201800304A1 (ru) | 2018-10-31 |
| CA3004394C (en) | 2022-11-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA034423B1 (ru) | Способ цифровой обработки сигнала от распределенного оптоэлектронного измерительного устройства на основе бриллюэновского рассеяния | |
| US10794733B2 (en) | Optoelectronic device for distributed measurement by means of optical fibre | |
| Bao et al. | Recent development in the distributed fiber optic acoustic and ultrasonic detection | |
| Fan et al. | Distributed fiber-optic vibration sensing based on phase extraction from optical reflectometry | |
| Liu et al. | True Phase Measurement of Distributed Vibration Sensors Based on Heterodyne $\varphi $-OTDR | |
| EP2976603B1 (en) | Brillouin optical distributed sensing device and method with improved tolerance to sensor failure | |
| US9885619B2 (en) | Pump-power-independent double slope-assisted distributed and fast brillouin fiber-optic sensor | |
| US9784567B2 (en) | Distributed brillouin sensing using correlation | |
| JP5105302B2 (ja) | 光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法 | |
| US20080232242A1 (en) | Evaluating the Position of a Disturbance | |
| US10697807B2 (en) | Measurement system and temperature and/or shape change sensor using brillouin scattering analysis | |
| Chen et al. | Distributed fiber-optic acoustic sensor with sub-nano strain resolution based on time-gated digital OFDR | |
| JP7435160B2 (ja) | 光ファイバ振動検知装置及び振動検知方法 | |
| JP2019020143A (ja) | 光ファイバ振動検知センサおよびその方法 | |
| US11920963B2 (en) | Method and system for optical fiber sensing | |
| RU140707U1 (ru) | Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор | |
| KR102048459B1 (ko) | 이벤트 고속 검출 및 정밀 측정이 가능한 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법 | |
| Zhang et al. | A hybrid distributed optical fibre sensor for acoustic and temperature fields reconstruction | |
| RU2566603C1 (ru) | Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий | |
| RU2539849C2 (ru) | Способ и устройство распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации (варианты) | |
| Yang et al. | Distributed fiber vibration sensing based on phase extraction from phase-sensitive OTDR with phase noise compensation | |
| EP3100005A1 (en) | Optical distributed sensing device and method for measurements over extended ranges | |
| Lu et al. | Vibration monitoring with high frequency response based on coherent phase-sensitive OTDR method | |
| Peled et al. | Fast and distributed Brillouin time domain analysis of optical fibers | |
| Cai et al. | Suppression of fading in Ф-OTDR systems based on phase-modulated optical frequency combs |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM BY KZ KG TJ TM |