RU2562689C1 - Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий - Google Patents

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий Download PDF

Info

Publication number
RU2562689C1
RU2562689C1 RU2014122233/28A RU2014122233A RU2562689C1 RU 2562689 C1 RU2562689 C1 RU 2562689C1 RU 2014122233/28 A RU2014122233/28 A RU 2014122233/28A RU 2014122233 A RU2014122233 A RU 2014122233A RU 2562689 C1 RU2562689 C1 RU 2562689C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
test signals
optical
source
phase
periodic sequence
Prior art date
Application number
RU2014122233/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Николаевич Трещиков
Олег Евгеньевич Наний
Сергей Петрович Никитин
Антон Владимирович Манаков
Алексей Викторович Сергеев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" (ООО "Т8 НТЦ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" (ООО "Т8 НТЦ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" (ООО "Т8 НТЦ")
Priority to RU2014122233/28A priority Critical patent/RU2562689C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2562689C1 publication Critical patent/RU2562689C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Также датчик содержит соединенный с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, и приемник рассеянного излучения. Указанный источник выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса. Технический результат - достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, обеспечение равномерного распределения чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Description

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, предназначенных для обнаружения механических работ или движения людей и механизмов вблизи чувствительного элемента устройства, в частности к распределенным датчикам акустических и вибрационных воздействий. Заявленный распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий может быть использован для мониторинга и охраны протяженных объектов, например, периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов.
Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала (патент на изобретение РФ №2319988 C2 опубл. 20.03.2008). Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент на изобретение РФ №2141102 C1 опубл. 10.11.1999). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.
Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник (United States Patent 5,194,847 March 16, 1993), устройство может иметь узел обработки сигнала с таймером (патент на изобретение РФ №2287131 C1 опубл. 10.11.2006) и спектральный мультиплексор для улучшения чувствительности (патент на изобретение РФ №2271446 C1 опубл. 10.03.2006). Недостатком известных устройств является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, связанных с импульсным режимом работы лазера и чувствительностью лазера к техническим шумам, что ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства, а также затрудняет его использование в полевых условиях. Кроме того, в таких устройствах наблюдается нелинейность выходного сигнала, формируемого в приемнике интенсивности сигнала рассеянного обратно из оптического волокна, неравномерное распределение чувствительности благодаря случайному характеру оптической интерференции в объеме волокна.
Известно устройство (патент на изобретение РФ №2477838 C1 опубл. 20.03.2013), в котором импульсный источник света соединен с волокном (датчиком) при помощи разноплечного интерферометра, в одном из плеч которого расположен фазовый модулятор, что позволяет улучшить линейность сигнала на выходе рефлектометра. Недостатками данного устройства являются оптические потери в интерферометре, чувствительность интерферометра к внешним механическим вибрациям и невозможность изменять временную задержку между двумя импульсами, формирующимися на выходе из интерферометра, что приводит к ограничениям в обработке принятого сигнала, ухудшению отношения регистрируемого сигнала к шуму и ограничению максимальной длины волокна (датчика).
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий, содержащий чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен в виде последовательно оптически соединенных непрерывного полупроводникового лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов (патент на изобретение РФ №2516346, заявка №2012153403/28(084926), решение о выдаче патента от 03.02.2014).
Недостатками известного устройства (прототипа) также являются нелинейность регистрируемого отклика волокна (датчика) на внешнее воздействие и неравномерное распределение чувствительности волокна к воздействию вдоль его длины, вплоть до появления участков полной нечувствительности, что ухудшает надежность и затрудняет обработку детектируемых устройством сигналов.
Задача изобретения - повышение надежности устройства.
Техническим результатом изобретения является достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, обеспечение равномерного распределения чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности. При этом сохраняется присущая прототипу простота и управляемость, отсутствие дополнительных оптических потерь и технических шумов, что улучшает надежность работы устройства, упрощает обработку и интерпретацию полученных устройством сигналов.
Поставленная задача и заявленный технический результат при осуществлении изобретения достигаются тем, что в распределенном датчике акустических и вибрационных воздействий, содержащем чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов, и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, соединенный с блоком управления и синхронизации, соединенным с источником периодической последовательности оптических импульсов, источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса, при этом источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, ½π, π и 3/2π, кроме того, источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, 2/3π и 4/3π, вместе с тем источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов от 50 нс до 500 нс, помимо этого источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с различной частотой несущей волны, дополнительно источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с длительностью фронтов и спадов менее 20 нс, еще источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с задержкой второго импульса относительно первого на величину от 100 до 1000 нс, и наконец источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов длительностью от 50 нс до 500 нс.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где
- на фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство;
- на фиг. 2 показана амплитуда оптического поля для типичной последовательность двойных импульсов сформированная акустооптическим модулятором в частом случае тестирующей последовательности со сдвигом фаз на 0, ½π, π и 3/2π;
- на фиг. 3 показана типичная рефлектограмма для одной из парной последовательности импульсов;
- на фиг. 4 показан полученный из рефлектограмм сдвиг оптической фазы вследствие внешнего (лабораторного) воздействия на волокно как функция длины вдоль волокна и времени.
Устройство включает в себя узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, формирующий импульсы с требуемыми фазовыми сдвигами и временными задержками, оптический усилитель мощности 3, узел 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 и вывода рассеянного излучения, оптический предварительный усилитель 6, оптический фильтр 7, фотоприемник 8, узел 9, содержащий блок обработки сигнала с процессором и блок управления и синхронизации, оптический усилитель 10.
Устройство работает следующим образом.
От лазера 1 непрерывное узкополосное излучение поступает на акустооптический модулятор 2, в соответствии с программой управления, вырезающий из него зондирующие группы коротких импульсов и вносящий требуемый фазовые сдвиги между импульсами. Пример простейшей зондирующей группы импульсов в виде последовательности парных прямоугольных импульсов с переменным фазовым сдвигом приведен на Фиг. 2. Для работы устройства требуется, чтобы длина оптической когерентности лазера существенно превышала расстояние между импульсами в зондирующей группе. Акустооптический модулятор помимо фазовых сдвигов может также изменять величину оптической несущей и в более широком смысле, динамически манипулировать оптическим спектром зондирующих импульсов, что позволяет перераспределять зоны интерференционной нечувствительности вдоль длины волокна.
Длина волны излучения, в частности, может составлять 1550 нм, что соответствует технически хорошо освоенному диапазону телекоммуникационной техники. Группы импульсов усиливаются в оптическом усилителе мощности 3 и через узел 4 поступают в чувствительный элемент 5 - оптическое волокно в кабеле, расположенном внутри или рядом с контролируемым объектом.
В оптическом волокне 5 излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (рассеяние Рэлея). Часть излучения рассеивается назад и распространяется по волокну обратно, затем через узел 4 поступает на оптический предварительный усилитель 6 и после усиления и фильтрации узкополосным оптическим фильтром 7 излучение поступает на фотоприемник 8, где преобразуется в электрический сигнал и поступает на узел 9 для анализа и обработки.
При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и соответственно фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайному характеру интерференции рассеянного излучения. Типичный вид когерентной рефлектограммы соответствующий одной зондирующей группе импульсов показан на Фиг. 3.
В отсутствие виброакустических и других внешних воздействий на волокно, отличия между рефлектограммами от разных групп зондирующих импульсов, вызванные оптической интерференцией, зависят от набега оптической фазы в волокне. Поскольку фазовые и частотные характеристики каждой из групп известны, а набег оптической фазы одинаков для всех зондирующих групп, то этот фазовый набег вычисляется в результате анализа набора рефлектограмм. В частности, обработку рефлектограмм с целью восстановления оптической фазы можно осуществлять аналогично восстановлению фазы в широко используемом на практике методе оптического гетеродинирования.
При наличии виброакустического воздействия на чувствительный элемент 5 фазовый набег в области воздействия изменяется во времени пропорционально воздействию. Амплитуда изменения фазы определяется амплитудой воздействия, а временная задержка сигнала относительно момента запуска тестирующих импульсов в волокно однозначно определяет координату воздействия.
Оптический фазовый сдвиг, обусловленный внешним воздействием на волокно, и координату воздействия определяет блок 9 путем обработки последовательности рефлектограмм. Фиг. 4 показывает пример результата такой обработки рефлектограмм, полученных в эксперименте. В этом примере зависящий от времени набег оптической фазы создавался пьезомодулятором, воздействующим на волокно с частотой 30 Гц и расположенным на участке волокна вблизи отметки 200 м. В данном случае использовалась последовательность парных импульсов, схожая с показанной на Фиг. 2, при длительности импульсов 200 нс, задержке между ними 300 нс и задержке между группами импульсов равной 0,5 мсек.
Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.
Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что блок управления 9 с помощью акустооптического модулятора формирует группы зондирующих импульсов с индивидуальными фазочастотными характеристиками.
Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что сортировка и обработка рефлектограмм производится с учетом индивидуальных фазочастотных характеристик зондирующих групп, что позволяет однозначно восстановить набег оптической фазы в волокне, а также зафиксировать его изменение при возникновении внешнего воздействия.
Измерение оптической фазы рефлектограммы вместо интенсивности, как было реализовано в прототипе, позволяет добиться линейной и однородной чувствительности к внешнему воздействию вдоль всей длины волокна (датчика), что существенно упрощает обработку и интерпретацию данных о внешнем воздействии.
Другие отличия в свете заявленного технического результата: манипуляция временными задержками между импульсами, а также их фазочастотными характеристиками позволяет уменьшить вероятность возникновения зон нечувствительности в волокне-датчике, что дополнительно повышает надежность устройства по сравнению с прототипом и ближайшими аналогами.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом наглядно показано в Таблице 1.
Figure 00000001
Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности периметра протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - повышение надежности устройства - решена, и заявленный технический результат - достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, равномерное распределение чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности при сохранении присущей прототипу простоты и управляемости оптической схемы - достигнут.

Claims (7)

1. Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий, содержащий чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность импульсных тестирующих сигналов, и приемник рассеянного излучения, преобразующий рассеянное оптическое излучение в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, соединенный с блоком управления и синхронизации, соединенным с источником периодической последовательности оптических импульсов, отличающийся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса.
2. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, 1/2π, π и 3/2π.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью последовательной периодической задержки фазы несущей волны второго импульса относительно фазы одинаковой по частоте несущей волны первого импульса на 0, 2/3π и 4/3π.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов длительностью от 50 до 500 нс.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с различной несущей частотой.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с длительностью фронтов и спадов менее 20 нс.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
источник периодической последовательности тестирующих сигналов выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде импульсов с задержкой второго импульса относительно первого на величину от 100 до1000 нс.
RU2014122233/28A 2014-06-02 2014-06-02 Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий RU2562689C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014122233/28A RU2562689C1 (ru) 2014-06-02 2014-06-02 Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014122233/28A RU2562689C1 (ru) 2014-06-02 2014-06-02 Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2562689C1 true RU2562689C1 (ru) 2015-09-10

Family

ID=54073757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014122233/28A RU2562689C1 (ru) 2014-06-02 2014-06-02 Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2562689C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650620C1 (ru) * 2017-04-20 2018-04-16 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Распределенный датчик

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149295A1 (en) * 2008-08-27 2011-06-23 Qinetiq Limited Phased Based Sensing
US20120060615A1 (en) * 2009-05-27 2012-03-15 Mahmoud Farhadiroushan Method and apparatus for optical sensing
GB2489760A (en) * 2011-04-08 2012-10-10 Qinetiq Ltd Distributed fibre optic sensing with a phase value based on a quality metric
RU2477838C1 (ru) * 2011-10-28 2013-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" Когерентный оптический рефлектометр для обнаружения вибрационных воздействий

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149295A1 (en) * 2008-08-27 2011-06-23 Qinetiq Limited Phased Based Sensing
US20120060615A1 (en) * 2009-05-27 2012-03-15 Mahmoud Farhadiroushan Method and apparatus for optical sensing
GB2489760A (en) * 2011-04-08 2012-10-10 Qinetiq Ltd Distributed fibre optic sensing with a phase value based on a quality metric
RU2477838C1 (ru) * 2011-10-28 2013-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" Когерентный оптический рефлектометр для обнаружения вибрационных воздействий

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650620C1 (ru) * 2017-04-20 2018-04-16 Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор") Распределенный датчик

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10429234B2 (en) Distributed fiber optic acoustic detection device
EP3376169B1 (en) Temperature or strain distribution sensor
Posey Jr et al. Strain sensing based on coherent Rayleigh scattering in an optical fibre
CA2915971C (en) Improvements in fibre optic distributed sensing
US9983069B2 (en) Measuring apparatus and measuring method
CN105910633B (zh) 光学传感器及使用方法
Zhang et al. Analysis and reduction of large errors in Rayleigh-based distributed sensor
Zhu et al. Active Compensation Method for Light Source Frequency Drifting in $\Phi $-OTDR Sensing System
CN110470376B (zh) 一种干涉分布式光纤声传感装置及其传感方法
KR101130344B1 (ko) 브릴루앙 동적 격자의 시간 영역 분석을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법
US20140208855A1 (en) Distributed Acoustic Sensing with Multimode Fiber
CN106840222B (zh) 一种抑制共模噪声的分布式光纤传感***及其抑制方法
Chen et al. Distributed fiber-optic acoustic sensor with sub-nano strain resolution based on time-gated digital OFDR
RU2532562C1 (ru) Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий
Ren et al. Study of Ф-OTDR stability for dynamic strain measurement in piezoelectric vibration
RU2516346C1 (ru) Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта
Zhou et al. Distributed vibration and temperature simultaneous sensing using one optical fiber
Zhan et al. A high performance distributed sensor system with multi-intrusions simultaneous detection capability based on phase sensitive OTDR
RU2562689C1 (ru) Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий
Bengalskii et al. Effect of strong local stretching of sensing fibre on the operation of a phase-sensitive optical time-domain reflectometer
RU2566603C1 (ru) Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий
US11796419B2 (en) Distributed Brillouin laser sensor
Li et al. A high-performance DAS system using point-backscattering-enhanced fiber and study of its noise characteristics
Bao et al. OTDR and OFDR for distributed multi-parameter sensing
Alekseev et al. A Fiber Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer for Engineering Geology Application

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20160801

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20161201

QC41 Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20161201

Effective date: 20190328

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200116