RU2801071C1 - Device for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object with recognition system based on machine learning and neural networks - Google Patents

Abstract

FIELD: metrology.

SUBSTANCE: system contains interconnected narrow-band continuous laser, acousto-optic modulator, transmitting optical amplifier, optical circulator, sensitive element in the form of an optical fibre, receiving optical amplifier, optical filter, quadrature optical receiver for two polarization planes, four-channel signal processing unit, frequency filter, post-processing, control and synchronization unit, computer, four-channel adjustable amplifier, four-channel analogue-to-digital converter, polarization-maintaining splitter, transmit-receive optical module, amplifying optical module.

EFFECT: increased sensitivity of the device for monitoring vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам мониторинга амплитудно-фазовых характеристик обратно рассеянного (рэлеевского рассеяния) оптического излучения от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента виброакустических характеристик протяженных объектов и может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, таких, например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции, так и мониторинга повреждений при проведении работ вблизи таких объектов. В основу работы изобретения положен принцип гетеродинного приема в сочетании с системами, позволяющими разделить виброакустические и температурные воздействия и обучающей системой на основе нейросети, позволяющей классифицировать воздействия на распределенный волоконно-оптический чувствительный элемент.The invention relates to the field of distributed measurements, namely to devices for monitoring the amplitude-phase characteristics of backscattered (Rayleigh scattering) optical radiation from different sections of the fiber-optic sensing element of vibroacoustic characteristics of extended objects and can be used to monitor and protect extended objects, such as, for example such as pipelines, bridges, roads, electrical and optical cables and other critical structures, as well as damage monitoring during work near such facilities. The operation of the invention is based on the principle of heterodyne reception in combination with systems that allow separating vibroacoustic and temperature effects and a training system based on a neural network that allows classifying effects on a distributed fiber-optic sensing element.

Известно волоконно-оптическое охранное устройство на основе рэлеевского рассеяния (патент RU №128372 U1, опубл. 20.05.2013), относящееся к волоконно-оптическим охранным устройствам сигнализации несанкционированного проникновения на охраняемую территорию объектов с большой площадью, что обеспечивается за счет увеличения дальности обнаружения механического воздействия на оптоволоконный кабель. В основу работы такого устройства положен принцип гетеродинного приема с двойным преобразованием частоты. На выходе фильтра нижних частот такого устройства формируется сигнал с полосой 20 МГц, в котором заключена информация о характере воздействия на распределенный оптоволоконный чувствительный элемент.A fiber-optic security device based on Rayleigh scattering is known (patent RU No. 128372 U1, publ. 05/20/2013), related to fiber-optic security devices for signaling unauthorized entry into a protected area of objects with a large area, which is ensured by increasing the detection range of a mechanical impact on fiber optic cable. The operation of such a device is based on the principle of heterodyne reception with double frequency conversion. At the output of the low-pass filter of such a device, a signal with a bandwidth of 20 MHz is generated, which contains information about the nature of the impact on the distributed fiber optic sensitive element.

Существенным недостатком такого устройства являются его ограниченные технические возможности, обусловленные необходимостью согласования вектора поляризации опорного оптического излучения для каждого анализируемого участка оптического волокна с произвольной ориентацией вектора поляризации принимаемого сигнала, отраженного от центров рэлеевского рассеяния на этом участке. Анализ виброакустических воздействий на оптическое волокно (распределенный чувствительный элемент) на предельных расстояниях (в патенте заявлена дальность 100 км) требует от генератора лазерного излучения повышенной мощности (десятки и сотни мВт) и узкой ширины спектральной линии, что проблематично. Также в этом устройстве отсутствуют технические решения, позволяющие разделять виброакустические и температурные воздействия на распределенный оптоволоконный чувствительный элемент и классифицировать информацию об окружающих воздействиях.A significant disadvantage of such a device is its limited technical capabilities, due to the need to match the polarization vector of the reference optical radiation for each analyzed section of the optical fiber with an arbitrary orientation of the polarization vector of the received signal reflected from the Rayleigh scattering centers in this section. The analysis of vibroacoustic effects on an optical fiber (distributed sensitive element) at extreme distances (a range of 100 km is declared in the patent) requires an increased power (tens and hundreds of mW) and a narrow spectral linewidth from the laser radiation generator, which is problematic. Also, this device lacks technical solutions that allow separating vibroacoustic and temperature effects on a distributed fiber optic sensitive element and classifying information about environmental effects.

Известно устройство для измерения акустической среды вокруг оптического волокна (заявка ЕР №2816323 В1, опубл. 24.12.2014). Устройство предназначено для одновременного акустического мониторинга вытянутой или крупномасштабной пространственной области, аналогично тому, как это делается с использованием различных микрофонов. В качестве датчика используется волоконно-оптическое волокно. В основу работы этого устройства также положен принцип гетеродинного приема, но, в отличие от аналога, рассмотренного ранее, показаны решения передачи, приема и обработки отраженного сигнала с произвольной ориентацией вектора поляризации принимаемого сигнала с помощью оптического квадратурного приемника для двух плоскостей поляризации или при отсутствии квадратурного приемника посредством численно сформированных из дискретных значений сигнала при двух-импульсной передаче оптического излучения, причем один из двух импульсов имеет фазовую модуляцию относительно другого.A device for measuring the acoustic environment around an optical fiber is known (application EP No. 2816323 B1, publ. 24.12.2014). The device is designed for simultaneous acoustic monitoring of an elongated or large-scale spatial area, similar to how it is done using various microphones. An optical fiber is used as a sensor. The operation of this device is also based on the principle of heterodyne reception, but, unlike the analog discussed earlier, solutions are shown for transmitting, receiving and processing a reflected signal with an arbitrary orientation of the polarization vector of the received signal using an optical quadrature receiver for two polarization planes or in the absence of a quadrature receiver by means of numerically formed from discrete signal values in a two-pulse transmission of optical radiation, with one of the two pulses being phase modulated with respect to the other.

Данному техническому решению присущи те же недостатки, что и рассмотренные в рассмотренном выше аналоге (за исключением необходимости подстройки вектора поляризации). Кроме того, возникают дополнительные ошибки при вычислении квадратурных сигналов из-за неидентичности детекторов квадратурных каналов, а формирование квадратурных сигналов численно за несколько периодов наблюдения существенно увеличивает период детектирования. Кроме того, для реализации дальности работы рассмотренных технических решений порядка 100 км, требуется пиковая мощность импульсного оптического излучения порядка 150-200 мВт, что проблематично получить от высокостабильного полупроводникового лазера.This technical solution has the same disadvantages as those discussed in the analogue discussed above (with the exception of the need to adjust the polarization vector). In addition, additional errors occur in the calculation of quadrature signals due to the non-identity of quadrature channel detectors, and the formation of quadrature signals numerically over several observation periods significantly increases the detection period. In addition, to implement the operating range of the considered technical solutions of the order of 100 km, a peak power of pulsed optical radiation of the order of 150–200 mW is required, which is problematic to obtain from a highly stable semiconductor laser.

Наиболее близким к заявленному техническому решению прототипом является многофункциональная система технологического мониторинга и охраны критически важных объектов - программно-аппаратный комплекс «Дунай», представляющий собой устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей (Т8 Сенсор (t8-sensor.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://t8.ru/wp-content/uploads/2022/08/T8-Sensor_web_2022_rus.pdf, вход свободный - (23.03.2023). Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта (также упоминается, как распределенный акустический сенсор - Distributed Acoustic Sensor, DAS) позволяет обнаруживать вибрацию грунта (акустические колебания) на расстоянии до нескольких десятков километров вдоль оптического кабеля. В качестве чувствительного элемента, как правило, используется стандартное телекоммуникационное одномодовое волокно (G.652, G.655, G.657). К волокну подключают программно-аппаратный комплекс (ПАК) с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, который осуществляет непрерывный мониторинг виброакустических событий вдоль оптоволоконного кабеля. Отметим, что некоторые аспекты прототипа более подробно раскрыты в размещенном в вышеуказанном источнике сопутствующем патенте РФ №2650620, а соответствующие программные решения, в том числе системы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, представлены свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин №2018664507 от 19.11.2018 «Программа предварительной обработки сигналов для оптических рефлектометров с нейронной системой распознавания», №2020618095 от 17.07.2020 «Модуль первичной обработки и конвертирования сигнала с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618096 от 17.07.2020 «Модуль получения, сохранения и перенаправления информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618097 от 17.07.2020 «Модуль распознавания информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618098 от 17.07.2020 «Генератор отчетов», №2020618099 от 17.07.2020 «Модуль отображения информации с оптоволоконной системы мониторинга» и др.The prototype closest to the claimed technical solution is a multifunctional system for technological monitoring and protection of critical facilities - the Dunay hardware and software complex, which is a device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks (T8 Sensor (t8 -sensor.ru), [Electronic resource] - Access mode: https://t8.ru/wp-content/uploads/2022/08/T8-Sensor_web_2022_rus.pdf, admission is free - (03/23/2023). monitoring of the vibroacoustic characteristics of an extended object (also referred to as a distributed acoustic sensor - Distributed Acoustic Sensor, DAS) allows you to detect ground vibration (acoustic vibrations) at a distance of up to several tens of kilometers along an optical cable.As a sensing element, as a rule, a standard telecommunication single-mode fiber (G.652, G.655, G.657) A hardware-software complex (HSS) with a recognition system based on machine learning and neural networks is connected to the fiber, which continuously monitors vibroacoustic events along the fiber optic cable. Note that some aspects of the prototype are disclosed in more detail in the accompanying patent of the Russian Federation No. 2650620 placed in the above source, and the corresponding software solutions, including recognition systems based on machine learning and neural networks, are presented by the Russian Federation certificates of registration of programs for electronic computers No. 2018664507 dated 11/19/2018 "Program for preliminary signal processing for optical reflectometers with a neural recognition system", No. 2020618095 dated 07/17/2020 "Module for primary processing and converting a signal from a fiber-optic monitoring system", No. 2020618096 dated 07/17/2020 "Module for receiving, saving and redirecting information from the fiber optic monitoring system", No. 2020618097 dated 07/17/2020 "Information recognition module from the fiber optic monitoring system", No. 2020618098 dated 07/17/2020 "Report generator", No. 2020618099 dated 07/17/2020 "Module for displaying information from the fiber optic monitoring system" and etc.

К недостаткам прототипа следует отнести его относительно невысокую чувствительность, обусловленную отсутствием когерентного квадратурного приема с калиброванными каналами.The disadvantages of the prototype should include its relatively low sensitivity due to the lack of coherent quadrature reception with calibrated channels.

Таким образом, проблема, решаемая заявленным техническим решением, сводится к устранению вышеуказанных недостатков.Thus, the problem solved by the claimed technical solution is to eliminate the above disadvantages.

Технический результат - повышение чувствительности устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей.EFFECT: increased sensitivity of a device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks.

Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, содержащем функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход акустооптического модулятора соединен с входом передающего оптического усилителя, вход оптического фильтра соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход блока обработки сигналов через фильтр частот соединен с входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, приемо-передающий оптический модуль снабжен разветвителем с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем, блок обработки сигналов выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника, выход узкополосного непрерывного лазера соединен с входом разветвителя с сохранением поляризации, первый выход которого соединен со входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя, выходы которого соединены со входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены со входами четырехканального блока обработки сигналов.The identified problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that in a device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks, containing a functionally connected receiving-transmitting optical module, an amplifying optical module, a sensing element made in the form optical fiber, and a computer with a recognition system based on machine learning and neural networks, moreover, the transmitting-receiving optical module contains a narrow-band continuous laser, an acousto-optic modulator, a signal processing unit, a frequency filter and a post-processing, control and synchronization unit, and an amplifying optical module contains a transmitting and receiving optical amplifiers, an optical circulator and an optical filter, wherein the output of the acousto-optic modulator is connected to the input of the transmitting optical amplifier, the input of the optical filter is connected to the output of the receiving optical amplifier, the output of the signal processing unit through the frequency filter is connected to the input of the post-processing, control and synchronization unit, the first output of which is connected to the modulating input of the acousto-optic modulator, and the second output is connected to the computer input, and the output of the transmitting optical amplifier and the input of the receiving optical amplifier are connected to the sensitive element through the optical circulator, the transmitting-receiving optical module is equipped with a polarization-maintaining splitter, a quadrature optical receiver for two planes of polarization, a four-channel adjustable amplifier and a four-channel analog-to-digital converter, the signal processing unit is made four-channel, the output of the optical filter of the amplifying optical module is connected to the input of a quadrature optical receiver, the output of a narrow-band continuous laser is connected to the input of a polarization-maintaining splitter, the first output of which is connected with the input of the acousto-optic modulator, and the second output is connected to the heterodyne input of the quadrature optical receiver, the quadrature outputs of which are connected to the inputs of the four-channel adjustable amplifier, the outputs of which are connected to the inputs of the four-channel analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the inputs of the four-channel signal processing unit.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:The invention is illustrated by images, where:

на Фиг. 1 представлено схематическое изображение заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей;in FIG. 1 shows a schematic representation of the claimed device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks;

на Фиг. 2 представлена экспериментальная диаграмма калибровки квадратурных каналов заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей.in FIG. Figure 2 shows an experimental chart for calibrating quadrature channels of the claimed device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks.

Позиции на представленных изображениях означают следующее:The positions in the images shown mean the following:

1 - узкополосный непрерывный лазер;1 - narrow-band continuous laser;

2 - акустооптический модулятор;2 - acousto-optic modulator;

3 - передающий оптический усилитель;3 - transmitting optical amplifier;

4 - оптический циркулятор (узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения из него);4 - optical circulator (node for input of optical radiation into the sensitive element and output of scattered radiation from it);

5 - чувствительный элемент (оптическое волокно);5 - sensitive element (optical fiber);

6 - приемный оптический усилитель;6 - receiving optical amplifier;

7 - оптический фильтр;7 - optical filter;

8 - квадратурный оптический приемник для двух плоскостей поляризации;8 - quadrature optical receiver for two planes of polarization;

9 - четырехканальный блок обработки сигналов;9 - four-channel signal processing unit;

10 - фильтр частот;10 - frequency filter;

11 - блок постобработки, управления и синхронизации;11 - post-processing, control and synchronization block;

12 - компьютер;12 - computer;

13 - четырехканальный регулируемый усилитель;13 - four-channel adjustable amplifier;

14 - четырехканальный аналого-цифровой преобразователь;14 - four-channel analog-to-digital converter;

15 - разветвитель с сохранением поляризации;15 - splitter with preservation of polarization;

16 - приемо-передающий оптический модуль;16 - transceiver optical module;

17 - усилительный оптический модуль.17 - amplifying optical module.

Заявленное устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей содержит функционально связанные приемо-передающий оптический модуль 16, усилительный оптический модуль 17, чувствительный элемент 5, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер 12 с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. Приемо-передающий оптический модуль 16 содержит узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, блок обработки сигналов 9, фильтр частот 10 и блок постобработки, управления и синхронизации 11, а усилительный оптический модуль содержит передающий 3 и приемный 6 оптические усилители, оптический циркулятор 4 и оптический фильтр 7, при этом выход акустооптического модулятора 2 соединен с входом передающего оптического усилителя 3, вход оптического фильтра 7 соединен с выходом приемного оптического усилителя 6, выход блока обработки сигналов 9 через фильтр частот 10 соединен с входом блока постобработки 11, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с входом компьютера 12, а выход передающего оптического усилителя 3 и вход приемного оптического усилителя 6 через оптический циркулятор 4 соединены с чувствительным элементом 5. В этой части заявленное техническое решение практически совпадает с прототипом. В отличие от прототипа, приемо-передающий оптический модуль 16 снабжен разветвителем 15 с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником 8 для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем 13 и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем 14, блок обработки сигналов 9 выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра 7 усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника 8, выход узкополосного непрерывного лазера 1 соединен с входом разветвителя 15 с сохранением поляризации, первый выход которого соединен с входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника 8, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя 13, выходы которого соединены со входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя 14, выходы которого соединены с входами четырехканального блока обработки сигналов 9.The claimed device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks contains a functionally connected transceiver optical module 16, an optical amplifying module 17, a sensitive element 5 made in the form of an optical fiber, and a computer 12 with a recognition system based on based on machine learning and neural networks. The transceiver optical module 16 contains a narrow-band continuous laser 1, an acousto-optic modulator 2, a signal processing unit 9, a frequency filter 10 and a post-processing, control and synchronization unit 11, and the amplifying optical module contains a transmitting 3 and receiving 6 optical amplifiers, an optical circulator 4 and optical filter 7, wherein the output of the acousto-optic modulator 2 is connected to the input of the transmitting optical amplifier 3, the input of the optical filter 7 is connected to the output of the receiving optical amplifier 6, the output of the signal processing unit 9 through the frequency filter 10 is connected to the input of the post-processing unit 11, control and synchronization, the first output of which is connected to the modulating input of the acousto-optic modulator 2, and the second output is connected to the input of the computer 12, and the output of the transmitting optical amplifier 3 and the input of the receiving optical amplifier 6 are connected to the sensing element 5 through the optical circulator 4. In this part, the claimed technical solution practically coincides with a prototype. Unlike the prototype, the transceiver optical module 16 is equipped with a splitter 15 with polarization conservation, a quadrature optical receiver 8 for two planes of polarization, a four-channel adjustable amplifier 13 and a four-channel analog-to-digital converter 14, the signal processing unit 9 is made four-channel, the output of the optical filter 7 amplifying optical module is connected to the input of the quadrature optical receiver 8, the output of the narrow-band cw laser 1 is connected to the input of the splitter 15 with polarization preservation, the first output of which is connected to the input of the acousto-optic modulator 2, and the second output is connected to the heterodyne input of the quadrature optical receiver 8, the quadrature outputs of which connected to the inputs of a four-channel adjustable amplifier 13, the outputs of which are connected to the inputs of a four-channel analog-to-digital converter 14, the outputs of which are connected to the inputs of a four-channel signal processing unit 9.

Заявленное устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей работает следующим образом. В основе изобретения, как и в прототипе, лежит утверждение, что различным физическим явлениям, таким как тепловой нагрев, виброакустические воздействия и прочие, свойственен свой частотный диапазон. Анализ совокупной информации на выходах фильтра (фильтр может быть многоканальным) об изменении во времени распределения интенсивности, частоты воздействия и аналогичной информации в соседних элементах разрешения позволяет классифицировать виброакустическое воздействие. Классификация событий осуществляется путем сравнения текущего события с совокупностью эталонов, хранящихся в системе распознавания и полученных в результате обучения нейронных сетей, реализованной программным образом в компьютере 12. При совпадении текущего события с одним из эталонов устройство выдает информацию о воздействующем событии. Подробно алгоритмы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей представлены свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин, раскрыты в материалах, упомянутых при анализе прототипа, и не являются предметом настоящего изобретения. Рассмотрим взаимодействие в процессе работы приемо-передающего оптического модуля 16, усилительного оптического модуля 17 и их функциональных узлов. В приемо-передающем оптическом модуле 16 непрерывное узкополосное излучение от лазера 1 поступает на вход разветвителя с сохранением поляризации 15, первый выход которого соединен со входом акустооптического модулятора 2, в соответствии с логикой управления из блока постобработки, управления и синхронизации 11, на модулирующий вход акустооптического модулятора 2 поступают радиоимпульсы длительностью т и периодом повторения Т. На выходе акустооптического модулятора 2 формируется последовательность оптических зондирующих импульсов. Следует заметить, что радиоимпульсы могут быть парными с разными фазовыми сдвигами между импульсами, или частоты заполнения радиоимпульсов могут быть различны. Формирование зондирующих импульсов тем или иным способом и выделение виброакустического воздействия из оптического излучения обратного рассеяния не является предметом настоящего изобретения. Примеры формирования зондирующих импульсов и особенности приема оптического излучения обратного рассеяния рассмотрены в материалах аналога и прототипа настоящей заявки. Оптическое излучение с выхода акустооптического модулятора 2 в виде последовательности оптических зондирующих импульсов поступает в усилительный оптический модуль 17, а именно на вход оптического усилителя мощности 3, в котором усиливается, и через оптический циркулятор 4 поступает в чувствительный элемент 5 - оптическое волокно, расположенное внутри или рядом с контролируемым объектом. В чувствительном элементе 5 излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (рассеяние Рэлея). Часть излучения рассеивается назад и распространяется по волокну обратно, затем через оптический циркулятор 4 поступает на приемный оптический усилитель 6, и после усиления и фильтрации оптическим фильтром 7 излучение поступает на вход квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 приемной части приемо-передающего оптического модуля 16. На гетеродинный вход квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 со второго выхода разветвителя с сохранением поляризации 15 поступает оптическое излучение узкополосного непрерывного лазера, где преобразуется в электрические сигналы синфазных и квадратурных составляющих для двух плоскостей поляризации. Частота оптического излучения на выходе акустооптического модулятора отличается от значения оптической частоты на его входе на величину частоты заполнения радиоимпульсов на его модулирующем входе.The claimed device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks operates as follows. The basis of the invention, as in the prototype, is the assertion that various physical phenomena, such as thermal heating, vibroacoustic effects, and others, have their own frequency range. Analysis of the aggregate information at the filter outputs (the filter can be multichannel) about the change in time of the intensity distribution, impact frequency and similar information in neighboring resolution elements allows us to classify the vibroacoustic effect. The classification of events is carried out by comparing the current event with a set of standards stored in the recognition system and obtained as a result of training neural networks implemented programmatically in computer 12. If the current event matches one of the standards, the device provides information about the influencing event. Detailed recognition algorithms based on machine learning and neural networks are presented by RF certificates of registration of programs for electronic computers, disclosed in the materials mentioned in the analysis of the prototype, and are not the subject of the present invention. Consider the interaction in the course of operation of the transmitting and receiving optical module 16, the amplifying optical module 17 and their functional units. In the receiving-transmitting optical module 16, continuous narrow-band radiation from laser 1 is fed to the input of a polarization-maintaining splitter 15, the first output of which is connected to the input of the acousto-optic modulator 2, in accordance with the control logic from the post-processing, control and synchronization block 11, to the modulating input of the acousto-optic Modulator 2 receives radio pulses of duration t and repetition period T. A sequence of optical probing pulses is formed at the output of acousto-optic modulator 2. It should be noted that the radio pulses can be paired with different phase shifts between the pulses, or the filling frequencies of the radio pulses can be different. The formation of probing pulses in one way or another and the separation of the vibroacoustic effect from the optical backscattering radiation is not the subject of the present invention. Examples of the formation of probing pulses and features of receiving optical backscattering radiation are discussed in the materials of the analogue and prototype of this application. Optical radiation from the output of the acousto-optic modulator 2 in the form of a sequence of optical probing pulses enters the amplifying optical module 17, namely, to the input of the optical power amplifier 3, in which it is amplified, and through the optical circulator 4 enters the sensitive element 5 - an optical fiber located inside or next to the controlled object. In the sensing element 5, the radiation is scattered by fixed inhomogeneities of the fiber without changing the frequency (Rayleigh scattering). Part of the radiation is scattered back and propagates back along the fiber, then through the optical circulator 4 it enters the receiving optical amplifier 6, and after amplification and filtering by the optical filter 7, the radiation enters the input of the quadrature optical receiver for two polarization planes 8 of the receiving part of the receiving-transmitting optical module 16 The heterodyne input of the quadrature optical receiver for two polarization planes 8 from the second output of the splitter with the preservation of polarization 15 receives optical radiation from a narrow-band cw laser, where it is converted into electrical signals of in-phase and quadrature components for two polarization planes. The frequency of optical radiation at the output of the acousto-optic modulator differs from the value of the optical frequency at its input by the value of the filling frequency of radio pulses at its modulating input.

В результате гетеродинного преобразования на выходах квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 получаем электрические сигналы, занимающие полосу частот ΔF≈2,2/τ, и центральная частота которых равна частоте заполнения радиоимпульсов, поступающих на модулирующий вход акустооптического модулятора 2. Число выходов квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 равно четырем - это две синфазные и две квадратурные составляющие для двух плоскостей поляризации. С выходов квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 две синфазные и две квадратурные составляющие для двух плоскостей поляризации поступают на входы четырехканального регулируемого усилителя 13, выходные сигналы которых поступают на входы четырехканального аналого-цифрового преобразователя. Совокупность синфазных и квадратурных составляющих в цифровом виде поступает в четырехканальный блок обработки сигналов 9 для предварительной обработки и вычисления распределения дифференциального фазового набега вдоль волокна. Сигналы, пропорциональные дифференциальному фазовому набегу, в разных точках волокна поступают на фильтр частот 10. Фильтр частот 10 позволяет предварительно разделить различные типы событий, так, например, температурные воздействия характерны для сигналов с частотами менее 10 Гц. Предварительно разделенные по спектру, сигналы с выхода фильтра подаются на блок постобработки, управления и синхронизации 11. Следует заметить, что фильтр частот 10 может быть многоканальным. Блок постобработки, управления и синхронизации 11 обеспечивает взаимодействие функциональных узлов по цепям управления и синхронизации, при необходимости может группировать для одних и тех же участков оптического волокна различные события. Полученная информация в блоке постобработки, управления и синхронизации 11 группируется в пакеты, пригодные для передачи по скоростному каналу, и передается в компьютер 12 для решения задач распознавания. При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности, сигнал обратного рассеяния и, соответственно, синфазные и квадратурные сигналы на выходах квадратурного оптического приемника для двух плоскостей поляризации 8 (рефлектограммы) имеют вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эти рефлектограммы оказываются изрезаны случайным образом, благодаря случайному характеру интерференции рассеянного излучения. Типовые потери оптического излучения в телекоммуникационном одномодовом волокне (G.652, G.655, G.657) составляют порядка 0,2 дБ/км. Следовательно, при длине линии, равной 100 км, отраженный сигнал может изменяться на 20 дБ, поэтому важно на входах четырехканального аналого-цифрового преобразователя установить такие значения электрических сигналов, чтобы максимально использовать разрядность аналого-цифрового преобразователя 14. Необходимые величины сигналов на входах аналого-цифрового преобразователя 14 можно установить с помощью передающего оптического усилителя 3, изменяя мощность оптического сигнала на его выходе, и варьируя величину усиления приемного оптического усилителя. Каким способом осуществляется настройка уровней, не является предметом настоящего изобретения и поэтому не рассматривается.As a result of heterodyne conversion at the outputs of the quadrature optical receiver for two planes of polarization 8, we obtain electrical signals occupying the frequency band ΔF≈2.2/τ, and the central frequency of which is equal to the duty frequency of the radio pulses arriving at the modulating input of the acousto-optical modulator 2. The number of outputs of the quadrature optical receiver for two planes of polarization 8 is equal to four - these are two in-phase and two quadrature components for two planes of polarization. From the outputs of the quadrature optical receiver for two planes of polarization 8, two in-phase and two quadrature components for two planes of polarization are fed to the inputs of a four-channel adjustable amplifier 13, the output signals of which are fed to the inputs of a four-channel analog-to-digital converter. The set of in-phase and quadrature components in digital form enters the four-channel signal processing unit 9 for pre-processing and calculation of the distribution of the differential phase shift along the fiber. Signals proportional to the differential phase shift at different points of the fiber arrive at the frequency filter 10. The frequency filter 10 allows you to pre-separate different types of events, for example, temperature effects are typical for signals with frequencies less than 10 Hz. Pre-separated by spectrum, the signals from the filter output are fed to the post-processing, control and synchronization block 11. It should be noted that the frequency filter 10 can be multi-channel. The post-processing, control and synchronization block 11 ensures the interaction of functional nodes along the control and synchronization circuits, if necessary, can group various events for the same sections of the optical fiber. The information received in the post-processing, control and synchronization block 11 is grouped into packets suitable for transmission over a high-speed channel and transferred to the computer 12 to solve recognition problems. With pulsed excitation, the time dependence of the average power, the backscatter signal, and, accordingly, the in-phase and quadrature signals at the outputs of the quadrature optical receiver for two polarization planes 8 (reflectograms) have a form close to the exponential. However, due to the high coherence of the initial radiation, these reflectograms turn out to be jagged due to the random nature of the interference of the scattered radiation. Typical losses of optical radiation in telecommunication single-mode fiber (G.652, G.655, G.657) are about 0.2 dB/km. Therefore, with a line length of 100 km, the reflected signal can change by 20 dB, so it is important to set such electrical signal values at the inputs of the four-channel analog-to-digital converter in order to maximize the use of the analog-to-digital converter 14. digital converter 14 can be set using the transmitting optical amplifier 3, changing the power of the optical signal at its output, and varying the gain of the receiving optical amplifier. How the levels are adjusted is not the subject of the present invention and therefore is not discussed.

В частности, обработку рефлектограмм с целью восстановления оптической фазы для синфазных и квадратурных составляющих, можно осуществлять, например, аналогично восстановлению фазы, рассмотренной в приведенном выше аналоге. Восстановление фазы текущего значения вектора оптического сигнала базируется на вычислении для каждой плоскости поляризации синфазной составляющей I и квадратурной составляющей Q, а вычисление текущего значения фазы Ф, например как Ф=arctg[Q/I]. Из приведенного выражения видно, что значение фазы Ф будет вычислено ошибочно, если будут ошибочно вычислены синфазные I и квадратурные составляющие Q и, как следствие, разностная фаза. Другими словами, ошибки в вычислении разностной фазы, и особенно при наличии шумов в электронном тракте, приводят к снижению чувствительности, вплоть до невозможности корректного вычисления разностной фазы. Выравнивание сигналов в синфазных и квадратурных каналах обеспечивается регулировкой коэффициентов передачи в каналах четырехканального регулируемого усилителя, а снижение уровня шумов достигается в ограничении полосы пропускания каждого канала и выбора ее, равной ΔF≈2,2/τ.In particular, the processing of reflectograms in order to restore the optical phase for the in-phase and quadrature components can be carried out, for example, similarly to the restoration of the phase discussed in the above analogue. The restoration of the phase of the current value of the optical signal vector is based on the calculation for each plane of polarization of the in-phase component I and the quadrature component Q, and the calculation of the current value of the phase Ф, for example, as Ф=arctg[Q/I]. It can be seen from the above expression that the value of the phase Ф will be calculated erroneously if the in-phase I and quadrature components Q and, as a result, the difference phase are erroneously calculated. In other words, errors in the calculation of the difference phase, and especially in the presence of noise in the electronic path, lead to a decrease in sensitivity, up to the impossibility of correct calculation of the difference phase. Equalization of signals in in-phase and quadrature channels is ensured by adjusting the transmission coefficients in the channels of a four-channel adjustable amplifier, and noise reduction is achieved by limiting the bandwidth of each channel and selecting it equal to ΔF≈2.2/τ.

Изображение на Фиг. 2 иллюстрирует экспериментальную диаграмму калибровки квадратурных каналов заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей. Горизонтальная ось соответствует синфазным составляющим, а вертикальная ось соответствует квадратурным составляющим, значения которых показаны в условных единицах. На Фиг. 2 видны концентрические окружности разного диаметра. Окружность наибольшего диаметра соответствует началу чувствительного элемента, наименьшая - его дальнему концу. В процессе настройки добиваются равенства горизонтального и вертикального диаметров соответствующих окружностей. В результате настройки разность горизонтального и вертикального диаметров должна быть менее 5%. Эксперименты показали, что существенное влияние на различие коэффициентов передачи в синфазном и квадратурном каналах оказывают различия коэффициентов передачи в квадратурном оптическом приемнике для двух плоскостей поляризации 8, реализованном на INTRADYNE COHERENT RECEIVER (ICR) WITH INTEGRATED MPD, VOA, AND PBS, OIF1.2 COMPLIANT, C-BAND, и четырехканальным регулируемым усилителем 13, реализованном на двух двухканальных микросхемах типа LMH6521, а полоса пропускания которого сформирована в каждом канале внешним полосовым фильтром. В результате проведенных экспериментов установлено, что выигрыш в чувствительности заявленного технического решения по сравнению с прототипом составил 7÷9%.The image in FIG. 2 illustrates an experimental quadrature channel calibration diagram of the claimed device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks. The horizontal axis corresponds to the in-phase components, and the vertical axis corresponds to the quadrature components, the values of which are shown in conventional units. On FIG. 2 concentric circles of different diameters are visible. The circle of the largest diameter corresponds to the beginning of the sensing element, the smallest - to its far end. In the process of tuning, equality of the horizontal and vertical diameters of the corresponding circles is achieved. As a result of tuning, the difference between the horizontal and vertical diameters should be less than 5%. Experiments have shown that the difference in the gains in the in-phase and quadrature channels is significantly affected by the differences in the gains in a quadrature optical receiver for two planes of polarization 8, implemented on the INTRADYNE COHERENT RECEIVER (ICR) WITH INTEGRATED MPD, VOA, AND PBS, OIF1.2 COMPLIANT , C-BAND, and a four-channel adjustable amplifier 13, implemented on two two-channel microcircuits of the LMH6521 type, and the bandwidth of which is formed in each channel by an external band-pass filter. As a result of the experiments, it was found that the gain in sensitivity of the claimed technical solution in comparison with the prototype was 7÷9%.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная техническая проблема решена, а заявленный технический результат - повышение чувствительности устройства для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей - достигнут.The foregoing allows us to conclude that the identified technical problem has been solved, and the claimed technical result - increasing the sensitivity of the device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks - has been achieved.

Claims (1)

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, содержащее функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход акустооптического модулятора соединен с входом передающего оптического усилителя, вход оптического фильтра соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход блока обработки сигналов через фильтр частот соединен входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, отличающееся тем, что приемо-передающий оптический модуль снабжен разветвителем с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем, блок обработки сигналов выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника, выход узкополосного непрерывного лазера соединен с входом разветвителя с сохранением поляризации, первый выход которого соединен с входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя, выходы которого соединены с входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами четырехканального блока обработки сигналов.A device for monitoring the vibroacoustic characteristics of an extended object with a recognition system based on machine learning and neural networks, containing a functionally connected receiving-transmitting optical module, an amplifying optical module, a sensitive element made in the form of an optical fiber, and a computer with a recognition system based on machine learning and neural networks, moreover, the receiving-transmitting optical module contains a narrow-band continuous laser, an acousto-optic modulator, a signal processing unit, a frequency filter and a post-processing, control and synchronization unit, and an amplifying optical module contains transmitting and receiving optical amplifiers, an optical circulator and an optical filter, while the output of the acousto-optic modulator is connected to the input of the transmitting optical amplifier, the input of the optical filter is connected to the output of the receiving optical amplifier, the output of the signal processing unit through the frequency filter is connected to the input of the post-processing, control and synchronization unit, the first output of which is connected to the modulating input of the acousto-optic modulator, and the second output is connected with the computer input, and the output of the transmitting optical amplifier and the input of the receiving optical amplifier through an optical circulator are connected to a sensitive element, characterized in that the receiving-transmitting optical module is equipped with a polarization-preserving splitter, a quadrature optical receiver for two polarization planes, a four-channel adjustable amplifier and a four-channel analog-to-digital converter, the signal processing unit is four-channel, the output of the optical filter of the amplifying optical module is connected to the input of the quadrature optical receiver, the output of the narrow-band cw laser is connected to the input of the polarization-maintaining splitter, the first output of which is connected to the input of the acousto-optic modulator, and the second output is connected to a heterodyne input of a quadrature optical receiver, the quadrature outputs of which are connected to the inputs of a four-channel adjustable amplifier, the outputs of which are connected to the inputs of a four-channel analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the inputs of a four-channel signal processing unit.