РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для регистрации вибраций, шумов и акустических сигналов в широкой полосе частот (от единиц герца до ультразвука ~1 МГц для вибраций и до ~20 кГц для акустических сигналов) в строительных и несущих конструкциях, корпусах машин, трубопроводах, в технологических процессах, а также в воздушной акустике и гидроакустике для обнаружения и измерения параметров источников звука, их координат и распознавания по характерным частотным спектрам (портретам) при удалении на расстояния от ~1 км до ~100 км и больше (при использовании волоконных оптических усилителей).

Известен волоконно-оптический интерферометр Саньяка для подводных гидроакустических и гидрофизических исследований, построенный по однокольцевой [заявка на изобретение RU №94040286 от 01.11.1994 г.] или двухкольцевой [заявка на изобретение RU №94024639 от 30.06.1994 г.] схемах для повышения чувствительности и использовании катушек из волокна в контурах интерферометра.

Недостатком известных устройств является нечувствительность датчиков к статическим и низкочастотным внешним воздействиям по принципам функционирования интерферометров Саньяка. Кроме того, для построения волоконной системы принципиально необходимо замыкать волоконный контур в кольцо, что требует физического доступа к удаленному концу волоконной линии и оптического присоединения его к оптическому входу/выходу - направленному ответвителю в оптоэлектронном блоке.

Большей чувствительностью к статическим и низкочастотным воздействиям, включая и высокочастотные воздействия, обладают волоконные интерферометры, построенные с использованием когерентного лазерного источника и волоконного интерферометра, состоящего из опорного и измерительного плеч равной длины по схеме интерферометра Майкельсона или Маха-Цандера.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является волоконно-оптическая система для предупреждения о землетрясениях и цунами [патент RU №2349939 от 14.08.2007 г.], принятая за прототип. В этой системе когерентный источник излучения и фотоприемник установлены в наземном центре управления и регистрации на удалении от собственно волоконного датчика, а сам датчик представляет собой волоконный интерферометр Майкельсона с опорной катушкой и сигнальной катушкой, установленных в герметичном корпусе дистанционно на морском дне. Модулирующим излучение в сигнальном плече является сейсмический приемник-маятник с оптоэлектронным считыванием его перемещения относительно корпуса.

Недостатком прототипа является сложность специализированной конструкции сейсмометра, большие его габариты и масса, нечувствительность к статическим и медленно меняющимся воздействиям, а также к высокочастотным акустическим сигналам. Датчик является локальным устройством, требующим обслуживания и определенной ориентации относительно координат на земле.

Задачей изобретения является создание дешевой, надежной и простой по конструкции системы регистрации, обеспечивающей высокую чувствительность измерения в широкой полосе частот как вибрационных воздействий, так и акустических сигналов с помощью одной волоконно-оптической линии, подключаемой к измерительной оптоэлектронной системе с одного конца при значительной длине волоконной линии, сохранении гибкости, помехозащищенности от электромагнитных воздействий и простыми мерами по увеличению локальной чувствительности с помощью многовитковых элементов из оптического волокна в линии.

Поставленная задача решается тем, что используется распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов, содержащая кабельную или отдельную волоконно-оптическую измерительную линию на одномодовом оптическом волокне длиной L_и от ~10 м до ~100 км с установленным на ее удаленном конце френелевским зеркалом или фарадеевским отражателем с одной стороны и присоединенную с другой стороны к оптоэлектронному блоку системы, состоящему из одночастотного непрерывного и малошумящего лазерного источника с волоконным выходом, с узкой спектральной линией и большой длиной когерентности L_к=1-10 км излучения, оптически соединенного с одним первым входом направленного одномодового разветвителя Х-типа, первый выход которого оптически присоединен к указанной измерительной волоконной линии, а второй выход оптически присоединен к звукоизолированной катушке из одномодового волокна длиной плеча опорного канала длиной L_o, примерно равной по длине плечу измерительной кабельной волоконной линии L_o≈L_и с разницей длин меньше длины когерентности излучения лазерного источника L_и-L_o≤L_к, последовательно присоединенной к френелевскому или фарадеевскому отражателю на втором конце, образующие разомкнутую двухплечевую схему волоконного интерферометра Майкельсона, сигналы с которого поступают со второго входа/выхода направленного волоконного разветвителя на малошумящий фотоприемник и регистратор виброакустических сигналов; при этом в качестве локальных датчиков вибрационных сигналов используются линейные отрезки одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии, непосредственно укрепленные на вибрирующей поверхности объекта, а в качестве датчиков акустических сигналов используется, по меньшей мере, одна малогабаритная катушка из одномодового оптического волокна или, по меньшей мере, один многовитковый элемент из одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии.

В частности, лазерный источник может иметь длину волны в диапазоне 1,53-1,57 мкм, соответствующем полосе усиления эрбиевых оптических усилителей на одномодовом волокне.

В частности, лазерный источник может иметь непрерывную оптическую мощность в волокне не более 1 мВт для устранения эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и нарушения работы измерительной системы на основе волоконного интерферометра Майкельсона с большими длинами плеч ~1-100 км. При мощности лазерного источника 10 мВт и больше один одночастотный лазер может использоваться в качестве источника высокогерентного излучения одновременно по меньшей мере в десяти измерительных системах по схеме фиг.1 при разветвлении излучения направленным разветвителем на 10 волоконных каналов.

В частности, для увеличения квантовой чувствительности фотоприемника между вторым входом/выходом направленного разветвителя перед фотоприемником может быть включен волоконно-оптический малошумящий усилитель (эрбиевый, рамановский или полупроводниковый).

В частности, в качестве лазерного источника на длинах волн около 1,55 мкм с узкими спектральными линиями Δν~100 кГц÷1 МГц и с длиной когерентности излучения, соответственно, L_к=c/Δν~300 м ÷ 3 км может использоваться полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС-лазеры).

В частности, в качестве лазерного источника на длинах волн около 1,55 мкм с узкими спектральными линиями Δν~10 кГц ÷ 1 МГц и с длиной когерентности излучения, соответственно, L_к=c/Δν~300 м ÷ 30 км может использоваться полупроводниковый лазер с внешним резонатором на волоконных брэгговских решетках (РОС-ВБР).

В частности, в волоконно-оптической измерительной линии могут использоваться типы волоконного кабеля с гидрофобным наполнителем и покрытий волокна, повышающие чувствительность волокна в кабеле к вибрациям и звуку.

В частности, для определения координат отдельных чувствительных элементов датчиков звука или вибраций на волоконно-оптической измерительной линии могут применяться локальные периодически излучающие источники (например, пьезоизлучатели или виброзвонки), обозначающие координату датчика по заранее заданной определенной частоте звучания.

В частности, френелевский отражатель может иметь 4%-ный скол торца одномодового волокна или полированный торец оптического наконечника.

В частности, волоконно-оптическая измерительная линия может имееть два или несколько витков в многовитковых элементах диаметром не более 10 см, сохраняющих верхнюю рабочую частоту чувствительного элемента как приемной акустической антенны - датчика звука.

В частности, волоконно-оптическая измерительная линия может имееть многовитковые чувствительные элементы диаметром не более 10 см с длиной волокна в них ~10-100 м.

Описание изобретения поясняется блок-схемой, приведенной на фиг.1, где: одночастотный лазерный источник 1 с узкой спектральной линией и большой длиной когерентности излучения L_k~1-10 км, выход которого связан с первым входом направленного разветвителя 3 через волоконно-оптический изолятор 2; один выход направленного разветвителя присоединяется к опорному плечу 4 длиной L_o с фарадеевским отражателем 5 на другом конце, а к другому выходу разветвителя через оптический разъем 6 присоединяется измерительное плечо в виде распределенной волоконно-оптической линии длиной L_и с фарадеевским отражателем 5 на ее удаленном конце и локальными участками для регистрации вибрационных воздействий ВИБР на вибрирующих участках поверхности исследуемых объектов и многовитковых чувствительных элементов 9-1, 9-2, 9-3 и др. для регистрации акустических сигналов и волн АК; второй вход/выход волоконно-оптического направленного разветвителя 3 через оптический квантовый усилитель 10 соединяется с фотоприемником 7, электрический сигнал с которого поступает на регистратор 8, в качестве которого применяется персональный компьютер с соответствующим специальным программным обеспечением; направленный разветвитель 3, катушка с одномодовым волокном 4 и фарадеевским отражателем 5 на конце устанавливаются внутри корпуса специального контейнера 11 для обеспечения изоляции от внешних звуковых, температурных и вибрационных воздействий и стабильности опорного канала волоконного интерферометра Майкельсона; элементы 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 11 размещаются внутри в отдельном оптоэлектронном блоке 12, к которому с одной стороны с помощью оптического одномодового разъема-соединителя 6 присоединяется распределенная измерительная волоконно-оптическая линия связи ВОЛС, а электрический выход с фотоприемника 7 с помощью USB-порта соединяется с персональным компьютером 8; питание оптоэлектронного блока производится также через USB-разъем.

Устройство работает следующим образом.

Рабочая длина волны одночастотного лазера 1 выбирается в диапазоне 1,53-1,57 мкм, чтобы применять волоконные эрбиевые оптические усилители в качестве малошумящих квантовых предварительных усилителей для повышения чувствительности фотоприемников 7 на основе фотодиодов на гетероструктурах InGaAs, используемых в интерферометре Майкельсона в качестве квадратичных детекторов по отношению к световым полям интерферирующих оптических лучей из опорного и измерительного каналов, которые с помощью направленного разветвителя Х-типа пространственно объединяются в одном выходном одномодовом волоконном канале и направляются через оптический усилитель 10 в фотоприемник 7. Направленный одномодовый разветвитель Х-типа берется с разделением излучения в соотношении 50/50, то есть в опорное плечо и измерительное плечо направляется примерно одинаковая оптическая мощность зондирующего излучения. На рабочей длине волны около 1,55 мкм одномодовые оптические волокна на основе кварцевого стекла (химическая формула SiO₂, в сердцевине содержится небольшое количество примеси GeO₂) имеют оптические потери на уровне 0,2 дБ/км. Это означает, что при двукратном прохождении опорного или измерительного плеча длиной L_и≈L_o=100 км лазерное излучение на фотоприемник поступит с ослаблением максимум на ~43 дБ в каждом канале. На фотоприемник 7 даже без использования оптического усилителя 10 при мощности лазерного излучения ~1 мВт поступит оптическая мощность с каждого канала на уровне ~(-43) дБм (≈30 нВт). Современные типовые фотоприемники для регистрации постоянных и низкочастотных световых сигналов в области 1,55 мкм имеют порог чувствительности на уровне 1 нВт. Это означает, что фотоприемное устройство системы регистрации виброакустических сигналов будет работать с отношением сигнал/шум на выходе не менее 30, что свидетельствует о работоспособности системы регистрации и ее достаточной светосиле при длине измерительной ВОЛС до L_и=100 км при типовом фотоприемном устройстве 7. Применение эрбиевых волоконных оптических усилителей 10 в качестве малошумящих квантовых предусилителей перед фотоприемником 7 позволяет легко усилить оптический сигнал не менее чем на 20 дБ и увеличить отношение сигнал/шум на выходе системы обработки по меньшей мере на два порядка, доведя его до значения не менее 1000, достаточного для высококачественной обработки и записи сигналов.

Важным условием для стабильной и гарантированной работы системы регистрации виброакустических сигналов по данному изобретению является использование в качестве источника одночастотного лазера с узкой спектральной линией и длиной когерентности излучения L_к≈10 км. Это означает, что в измерительной схеме волоконного интерферометра Майкельсона нет необходимости в точном выравнивании длин плеч опорного и измерительного плеч до выполнения равенства L_и=L_o (это технически сложная операция при длинах ВОЛС порядка 1-100 км, требующая специальной лазерной измерительной системы и методики), а допустима разность длин плеч |L_и-L_o|=L_к≈10 км. Измерить и проконтролировать длину распределенной измерительной ВОЛС можно с помощью стандартной аппаратуры - волоконно-оптическими рефлектометрами типа AQ7250 (ANDO) или аналогичным, и при необходимости подобрать длину опорного плеча L_o в оптоэлектронном блоке 11, удлинив или укоротив волокно с точностью ~1 км или лучше. При разности длин плеч |L_и-L_o|=10 км степень когерентности γ-излучения лазерного источника выражается известной из оптики лазеров формулой для лоренцевской формы спектральной линии:

γ=exp(-Δν·τ/2),

где Δν=c/nL_к - ширина спектральной линии в среде с показателем преломления n, c=3·10⁸ м/с - скорость света в вакууме, τ=2(|L_и-L_o|)/(c/n) - задержка по времени хода интерферирующих лучей, n ≈ 1,5 - показатель преломления сердцевины одномодового волокна (показатель замедления групповой скорости).

Если интенсивности интерферирующих лучей одинаковы и поля согласованы по поляризации, то видность V совпадает со степенью когерентности γ-излучения на выходе интерферометра, т.е. V=γ.

При разности длин плеч в волоконном интерферометре Майкельсона |L_и-L_o|=L_к≈10 км видность (контраст) V интерференционных биений интенсивности I на выходе интерферометра Майкельсона V=(I_max=I_min/(I_max+I_min) уменьшится от 1 до величины, определяемой вышеприведенной формулой для γ=V [«Новые волоконно-интерферометрические методы исследования когерентных свойств перестраиваемых одночастотных лазеров. - Труды ИОФАН, 1988, том 15, стр.164-181]. При указанных численных параметрах оценки для излучения в одномодовом оптическом волокне дают V=γ=е^-1=0,37. То есть видность интерференционного отклика регистрирующей системы сохраниться на уровне не менее V≈40%, что обеспечит работоспособность интерферометра при некритичности к выравниванию длин плеч (с ошибкой до ~10 км). Это существенно упрощает систему по конструкции и обеспечивает надежную регистрацию виброакустических сигналов с высокой (интерференционной) чувствительностью в части, зависящей от ширины спектральной линии излучения выбранного одночастотного лазерного источника для достижения цели изобретения. Рабочая точка волоконного интерферометра Майкельсона при длинах плеч L_и~L_o~100 км является плавающей, что обеспечивает гарантированную регистрацию максимальной амплитуды вибрационного или акустического сигнала.

Вибрационные воздействия на одномодовое волокно в распределенной измерительной ВОЛС непосредственно оказывают модулирующее воздействие на оптическую несущую когерентного лазерного излучения внутри сердцевины волокна, поскольку волокно тонкое (внешний диаметр ≈125 мкм) и оно легко удлиняется или укорачивается при креплении (приклеивании) его на вибрирующем корпусе механизма или установки, следуя профилю деформации корпуса. Модуляция фазы оптической несущей излучения преобразуется на выходе волоконного интерферометра Майкельсона в амплитудную модуляцию электрического сигнала после фотодетектора и далее обрабатывается и регистрируется как обычный звуковой сигнал.

Линейные отрезки ВОЛС могут регистрировать также звуковые волны, передающиеся по воздушной или водной среде, а также по корпусам машин, механизмов и коммуникаций. При длине линейного отрезка волокна около 10 см его чувствительность может быть небольшой и неотличимой от других рядом расположенных таких же линейных участков ВОЛС. Намотка волокна на катушки диаметром ~10 см позволяет радикально увеличить локальную чувствительность к акустическим сигналам таких многовитковых элементов или катушек с волокном пропорционально длине намотанного волокна по сравнению с длиной линейного участка 10 см. Этот факт увеличения чувствительности к регистрации звуковых волн пропорционально длине волокна в многовитковом элементе или катушке хорошо известен [Лямшев Л.М., Смирнов Ю.Ю. Волоконно-оптические приемники звука (обзор), Акустический журнал АН СССР, 1983, Том XXIX, стр.292, Фиг.3] и экспериментально проверен многими экспериментальными работами других авторов и нашими собственными экспериментами. В заявленном изобретении многовитковые элементы 9-1, 9-2 и др. могут быть намотаны в любом месте ВОЛС, как показано на фиг.1, и распределенная акустическая система на основе ВОЛС приобретает свойства высокой локальной чувствительности к звуковым волнам в выделенных участках трассы и образует таким образом квазираспределенную одномерную акустическую антенну или линейку датчиков. Этим достигается цель изобретения в повышении чувствительности локальных участков ВОЛС в 10-1000 раз по сравнению с прямолинейными участками длиной 10 см.