RU2797773C1 - Многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов содержит функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент в виде оптического волокна и компьютер с программной системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, фотоприемник, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, кроме того, датчик содержит по крайней мере один точечный извещатель, снабженный виброакустическим выходом, виброакустически соединенным с упомянутым чувствительным элементом, и фильтр сигналов извещателей, вход которого соединен с упомянутым выходом фильтра частот, а выход соединен с вторым входом упомянутого блока постобработки, управления и синхронизации. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей многоканального распределенного датчика с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. 4 ил.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для анализа амплитудно-фазовых характеристик светового излучения, рассеянного от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента, и может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, таких, например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции как от повреждений при проведении работ вблизи таких объектов, так и сбора информации с удаленных точечных извещателей для блокирования преграждающих устройств (дверей, ворот, крышек люков, шкафов, щитов и т.п.) системы охраны протяженных объектов.

Известен оптический блок контроля точечных извещателей ВОЛНА-БКИ-8, предназначенный для контроля состояния (закрыто/открыто) преграждающих устройств, блокируемых оптическими извещателями, который обеспечивает подключение до восьми оптических извещателей ВОЛНА-БКИ, а связь извещателей с блоком контроля, подключенного к интегрированной системе безопасности по линии связи Ethernet, осуществляется по волоконно-оптическому тракту (Уникальные волоконные приборы (ufdcom.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ufdcom.ru/volna-bki-8, вход свободный - (12.09.2022).

Существенным недостатком такого устройства являются его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные необходимостью задействования для каждого извещателя отдельного оптического волокна, что делает проблематичной применение таких извещателей для охраны телекоммукационных оптических каналов связи, число волокон в которых может быть ограничено, например, передача информации по оптическому волокну, встроенному в грозотрос или фазные провода высоковольтных линий электропередач. Кроме того, данное устройство не позволяет регистрировать распределенные виброакустические воздействия на собственно оптический канал.

Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является многофункциональная система технологического мониторинга и охраны критически важных объектов - программно-аппаратный комплекс «Дунай», представляющий собой многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов (Т8 Сенсор (t8-sensor.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://t8.ru/wp-content/uploads/2022/08/T8-Sensor_web_2022_rus.pdf, вход свободный - (12.09.2022). Многоканальный распределенный датчик (так же упоминается, как распределенный акустический сенсор - Distributed Acoustic Sensor, DAS) позволяет обнаруживать вибрацию грунта (акустические колебания) на расстоянии до нескольких десятков километров вдоль оптического кабеля. В качестве чувствительного элемента, как правило, используется стандартное телекоммуникационное одномодовое волокно (G.652, G.655, G.657). К волокну подключают программно-аппаратный комплекс (ПАК) с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, который осуществляет непрерывный мониторинг виброакустических событий вдоль оптоволоконного кабеля. Отметим, что некоторые аспекты прототипа более подробно раскрыты в размещенном в вышеуказанном источнике сопутствующем патенте РФ №2650620, а соответствующие программные решения, в том числе системы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, представлены свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин №2018664507 от 19.11.2018 «Программа предварительной обработки сигналов для оптических рефлектометров с нейронной системой распознавания», №2020618095 от 17.07.2020 «Модуль первичной обработки и конвертирования сигнала с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618096 от 17.07.2020 «Модуль получения, сохранения и перенаправления информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618097 от 17.07.2020 «Модуль распознавания информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618098 от 17.07.2020 «Генератор отчетов», №2020618099 от 17.07.2020 «Модуль отображения информации с оптоволоконной системы мониторинга» и др.

К недостаткам прототипа следует отнести его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные отсутствием возможности использования точечных извещателей для контроля состояния преграждающих устройств (дверей, ворот, крышек люков, шкафов, щитов и т.п.) системы охраны протяженных объектов и, как следствие, необходимостью задействования для этих целей иных технических средств, например, таких как вышеприведенный оптический блок контроля точечных извещателей.

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

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей многоканального распределенного волоконно-оптического датчика для мониторинга и охраны протяженных объектов.

Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в многоканальном распределенном волоконно-оптическом датчике для мониторинга и охраны протяженных объектов, содержащем функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, фотоприемник, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход узкополосного непрерывного лазера соединен с оптическим входом акустооптического модулятора, выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя, выход фотоприемника, вход которого через оптический фильтр соединен с выходом приемного оптического усилителя, соединен с входом блока обработки сигналов, выход которого через фильтр частот соединен с первым входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, содержит по крайней мере один точечный извещатель, снабженный виброакустическим выходом, виброакустически соединенным с упомянутым чувствительным элементом, и фильтр сигналов извещателей, вход которого соединен с упомянутым выходом фильтра частот, а выход соединен с вторым входом упомянутого блока постобработки, управления и синхронизации.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:

на Фиг. 1 представлено схематическое изображение заявленного многоканального распределенного волоконно-оптического датчика для мониторинга и охраны протяженных объектов;

на Фиг. 2 представлен фронтальный вид компоновки многоканального распределенного волоконно-оптического датчика для мониторинга и охраны протяженных объектов в корпусе, выполненном в виде трехслотового крейта (3U);

на Фиг. 3 представлен вид сбоку компоновки на Фиг. 2;

на Фиг. 4 представлена интерференционная картина сигнала обратного рассеяния с выделенным сигналом точечного извещателя, полученная в ходе проведенных экспериментов.

Позиции на представленных изображениях означают следующее:

1 - узкополосный непрерывный лазер;

2 - акустооптический модулятор, формирующий оптические импульсы с требуемыми фазовыми сдвигами и временными задержками;

3 - передающий оптический усилитель;

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

5 - чувствительный элемент (оптическое волокно);

6 - приемный оптический усилитель;

7 - оптический фильтр;

8 - фотоприемник;

9 - блок обработки сигналов;

10 - фильтр частот;

11 - блок постобработки, управления и синхронизации;

12 - компьютер;

13 - фильтр сигналов извещателей;

14 - извещатель (извещатели);

15 - корпус (крейт 3U);

16 - приемо-передающий оптический модуль;

17 - усилительный оптический модуль;

18 - вспомогательные элементы (блок питания, блок охлаждения и др.).

В соответствии с заявленным техническим решением, многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов содержит функционально связанные приемо-передающий оптический модуль 16, усилительный оптический модуль 17, чувствительный элемент 5, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер 12 с программной системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей (Фиг. 1). Приемо-передающий оптический модуль 16 содержит узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, фотоприемник 8, блок обработки сигналов 9, фильтр частот 10 и блок постобработки, управления и синхронизации 11. Усилительный оптический модуль 17 содержит передающий 3 и приемный 6 оптические усилители, оптический циркулятор 4 и оптический фильтр 7. Выход узкополосного непрерывного лазера 1 соединен с оптическим входом акустооптического модулятора 2, выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя 3. Выход фотоприемника 8, вход которого через оптический фильтр 7 соединен с выходом приемного оптического усилителя 6, соединен с входом блока обработки сигналов 9, выход которого через фильтр частот 10 соединен с первым входом блока постобработки, управления и синхронизации 11, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с входом компьютера 12, а выход передающего оптического усилителя 3 и вход приемного оптического усилителя 6 через оптический циркулятор 4 соединены с чувствительным элементом 5. В этой части распределенный датчик с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей практически не отличается от прототипа. В отличие от прототипа заявленный распределенный датчик с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей содержит по крайней мере один точечный извещатель 14, снабженный виброакустическим выходом, виброакустически соединенным с упомянутым чувствительным элементом 5, и фильтр 13 сигналов извещателей, вход которого соединен с упомянутым выходом фильтра частот 10, а выход соединен с вторым входом упомянутого блока постобработки, управления и синхронизации 11. Уточним, что конструктивно точечные извещатели 14 могут быть аналогичны используемым в приведенном выше аналоге, но снабжены виброакустическим выходом, например, как это исполнено в сенсоре для незрячих (ELECTROSCHEMATICS - https://www.electroschematics.com/, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.electroschematics.com/vibrating-proximity-sensor/, вход свободный - (12.09.2022), где световой сигнал (в нашем случае - от точечного извещателя, выполненного в соответствии с вышеприведенным аналогом) воспринимается фотоэлементом, преобразуется в соответствующий электрический сигнал, который подается на вибратор. Сформированный таким или иным образом виброакустический выход точечного извещателя 14 просто размещается в зоне чувствительности чувствительного элемента 5, что и обеспечивает упомянутое выше виброакустическое соединение. Так же отметим, что ограничений на количество точечных извещателей 14, которые могут быть размещены вдоль чувствительного элемента 5, не выявлено. На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлен возможный вариант компоновки многоканального распределенного волоконно-оптического датчика для мониторинга и охраны протяженных объектов в корпусе 15, выполненном в виде трехслотового крейта (3U) с установленными в нем вспомогательными элементами 18 (блоком питания, блоком охлаждения, блоком коммутаций, воздушными фильтрами и др.).

Заявленный многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов работает следующим образом. В основе работы системы лежит принцип когерентной рефлектометрии. В когерентном рефлектометре, в отличии от обычного рефлектометра, используется более узкополосный и стабильный источник излучения. В волокно периодически вводятся оптические импульсы. Часть света рассеивается на неоднородностях волокна и распространяется в обратном направлении (Фиг. 3). При микродеформациях волокна, вызванных виброакустическими и температурными воздействиями, параметры рассеянного сигнала изменяются. Анализируя изменения в интерференционной картине сигнала обратного рассеяния (Фиг. 4), можно определить место и характер воздействия на волокно. Обработка сигнала происходит с использованием нейронной сети. Каждому сигналу, полученному оптическим блоком с участка линии, присваивается «вектор» вероятностей, который сравнивается с шаблонным типом сигнала. Блок распознавания анализирует полученную информацию со всех участков линии, в том числе и заранее заданным с возможностью однозначной идентификации сигналам с извещателей 14, и агрегирует вероятностные события в объект или множества объектов. Финальный этап - определение характеристик каждого объекта, таких как траектория движения, скорость и др. При этом, благодаря введению в конструкцию извещателей 14 и фильтра сигналов извещателей 13, расширяется спектр эксплуатационных возможностей заявленного многоканального распределенного волоконно-оптического датчика без существенного наращивания вычислительных мощностей. Работа нейронной сети может производиться как во встроенном компьютере 12 (Фиг. 2), так и на внешнем сервере, например, при необходимости классификации значительного числа событий. Применительно к заявленному техническому решению, узкополосный непрерывный лазер, как это следует из его названия, непрерывно формирует узкополосное лазерное излучение, поступающее в акустооптический модулятор 2, формирующий импульсы с требуемыми фазовыми сдвигами и временными задержками. Сформированные импульсы усиливаются передающим оптическим усилителем 3 и через оптический циркулятор 4 вводятся в чувствительный элемент 5. В чувствительном элементе 5, за счет неоднородностей образующего его волокна образуется отраженный рассеянный сигнал (сигнал обратного рассеяния), (Фиг. 3). Этот сигнал обратного рассеяния, соответственно, поступает из чувствительного элемента 5 обратно в циркулятор 4 и, далее, пройдя через приемный оптический усилитель 6, усиливающий этот сигнал обратного рассеяния до уровня, необходимого для его последующей обработки, и оптический фильтр 7, отсекающий часть оптического спектра, не характерную для измеряемых параметров, поступает на фотоприемник 8. Фотоприемник 8 преобразует оптический сигнал в электрический, который поступает далее на блок обработки сигналов 9, в котором для каждого участка волокна формируется электрический сигнал, характеризующий виброакустические и температурные воздействия, далее электрический сигнал для каждого участка волокна пропускается через фильтр частот 10 с полосой пропускания индуцируемых средой в чувствительном элементе колебаний в частотном диапазоне измеряемого параметра и, далее, поступает в блок постобработки, управления и синхронизации 11 для систематизации полученных сигналов и их преобразования в машиночитаемый формат, и, далее, в компьютере 12 осуществляется анализ сигналов с выхода блока 11, позволяющий определить место и характер воздействия на чувствительный элемента 5. В компьютере 12 на основе обучающих алгоритмов нейросети производится классификация событий по совокупностям сигналов, полученных с чувствительного элемента 5 (его участков). Процесс обучения нейросети требует многочисленных повторяющихся экспериментов, необходимых для получения массивов данных, характеризующих искомое событие и соответственно требует от процессора 12 вычислительных ресурсов и объемов памяти. Применение извещателей 14 с виброакустическими выходами позволяет исключить процесс дополнительного обучения нейросети, поскольку акустический сигнал, генерируемый извещателями 14, заранее известен и его образ заранее записан в памяти компьютера 12. При этом извещатели 14 своими виброакустическими выходами воздействуют (в случае несанкционированного доступа, иной нештатной ситуации) на чувствительный элемент 5 в точках их установки и вызывают соответствующие заранее известные изменения в интерференционной картине сигнала обратного рассеяния (см. выделение на Фиг. 4), которые могут быть однозначно идентифицированы (пропущены) фильтром сигналов извещателей 13 с последующей обработкой (определением временных, географических и, при необходимости, иных параметров) при их поступлении на второй вход упомянутого блока постобработки, управления и синхронизации 11 и далее на компьютер 12.

Проведенные опыты подтвердили, что использование заявленного технического решения позволяет оперативно и с большой точностью функционировать одновременно как в режиме многоканального распределенного датчика мониторинга протяженных объектов, так и в режиме сбора информации с удаленных точечных извещателей для блокирования преграждающих устройств.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - расширение эксплуатационных возможностей многоканального распределенного волоконно-оптического датчика для мониторинга и охраны протяженных объектов - достигнут.

Claims (1)

1. Многоканальный распределенный волоконно-оптический датчик для мониторинга и охраны протяженных объектов, содержащий функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, фотоприемник, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход узкополосного непрерывного лазера соединен с оптическим входом акустооптического модулятора, выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя, выход фотоприемника, вход которого через оптический фильтр соединен с выходом приемного оптического усилителя, соединен с входом блока обработки сигналов, выход которого через фильтр частот соединен с первым входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере один точечный извещатель, снабженный виброакустическим выходом, виброакустически соединенным с упомянутым чувствительным элементом, и фильтр сигналов извещателей, вход которого соединен с упомянутым выходом фильтра частот, а выход соединен с вторым входом упомянутого блока постобработки, управления и синхронизации.

Images