СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для мониторинга физических воздействий на протяженных, площадных или трехмерных объектах в различных областях промышленности и строительства (мониторинг трубопроводов, мостов, тоннелей, плотин и дамб, иных строений, а также морских и речных судов и прочих объектов). К контролируемым квазистационарным физическим воздействиям относятся механические напряжения, температурные изменения, напряженность магнитного и электрического полей и другие, способные влиять на фазу сигналов, распространяющихся в оптическом волокне.

Известен способ измерения механических деформаций SU 1534304 (1988), состоящий в применении бриллюэновской рефлектометрии. Данный способ подразумевает использование узкополосного источника зондирующих оптических импульсов, которые, распространяясь вдоль волоконно-оптической линии, испытывают обратное рассеяние, обусловленное эффектом Манделынтама-Бриллюэна. При таком рассеянии происходит сдвиг оптической частоты относительно частоты зондирующего излучения, причем величина сдвига в первом приближении пропорциональна изменению температуры и механических напряжений. Измеряя указанную величину частотного сдвига, определяют величину данных воздействий. На основе способа по А.с. SU 1534304 разработаны устройства, описанные в патентах US 6813403 (2004) и RU 2346235 (2009).

Недостаток указанного способа состоит в сравнительно низкой чувствительности к физическим воздействиям, а также в сложности реализации.

Данный недостаток частично устранен в способе по патенту US 6545760 (2003). Способ состоит в использовании квазимонохроматической рэлеевской рефлектометрии. По технической сущности он наиболее близок к заявляемому способу.

Способ по патенту US 6545760 включает в себя следующие операции:

а) генерирование узкополосного оптического излучения с изменяемой длиной волны;

б) разделение оптического излучения на опорное и измерительное;

в) ввод измерительного излучения в оптическое волокно, в котором оно испытывает рассеяние Рэлея;

г) сбор рассеянного в обратном направлении излучения;

д) фотоприем измерительного и опорного излучений для формирования интерференционной картины;

е) регистрация результата интерференции на множестве длин волн - получение опорного спектра рассеяния Рэлея;

ж) регистрация результата интерференции на множестве длин волн после того, как оптическое волокно было подвержено измеряемому воздействию - получение измерительного спектра рассеяния Рэлея;

з) вычисление Фурье-образа опорного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;

и) вычисление Фурье-образа измерительного спектра как функции волнового числа для перехода из частотной области в пространственную;

к) определение измеряемого воздействия на основе сопоставления Фурье-образов измерительного и опорного спектров.

Использование в устройстве по патенту US 6545760 прецизионно перестраиваемого лазера с очень узкой спектральной полосой, ширина которой составляет порядка 100 кГц, обуславливает высокую чувствительность к вибрациям и иным динамическим воздействиям, что в случае определения квазистационарных воздействий приводит к недостаточно высокой точности измерений.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего производить вибронезависимый распределенный контроль квазистационарных физических воздействий, оказывающих влияние на фазу сигналов в оптическом волокне с одновременным упрощением технической реализации.

Технический результат применения изобретения состоит в определении величины физических воздействий на волокно с достаточно высокой точностью в условиях вибраций и иных динамических воздействий при помощи относительно несложной аппаратуры.

Технический результат достигается прежде всего тем, что определение величины воздействий на оптическое волокно производится путем сопоставления спектров рассеяния Рэлея, полученных при отсутствии воздействий (опорный спектр) и при их измерении (измерительный спектр), друг с другом с использованием низкокогерентного излучения. Поскольку излучение оптического диапазона характеризуется сравнительно большими волновыми числами k, составляющими, к примеру, для излучения с длиной волны λ=1550 нм k=2π/λ=4⋅10⁶ м, даже малые изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, вызванные внешними воздействиями, приводят к заметному изменению фаз сигналов, распространяющихся по данному волокну. Изменение фаз, в свою очередь, ведет к тому, что интерферирующие волны рассеянного излучения в сумме дают спектры, сдвинутые по длине волны относительно спектров, зарегистрированных при отсутствии воздействий. Таким образом, задача по определению искомых физических воздействий сводится к измерению или оценке данного спектрального сдвига. Использование низкокогерентного излучения позволяет получать спектры интерференции, практические не подверженные вибрациям, воздействующим на оптическое волокно, - то есть достигается существенная вибронезависимость результатов измерений.

Таким образом, патентуемый способ контроля физических воздействий на протяженном, площадном или трехмерном объекте включает в себя следующие операции:

- размещение оптического волокна на контролируемом объекте. В случае контроля механических воздействий необходимо обеспечить жесткую механическую связь волокна с объектом;

- генерирование широкополосных оптических импульсов длительностью Т, близкой к 2L/ν, где L - требуемое пространственное разрешение, ν - скорость света в оптическом волокне;

- пропускание указанных импульсов в контролируемое оптическое волокно;

- фильтрация излучения перестраиваемым узкополосным спектральным фильтром с шириной полосы пропускания от 0,1 до 1 нм, работающим в режиме сканирования длины волны во времени. Следует отметить, что эта операция может быть произведена как перед вводом импульсов в контролируемое волокно, так и для обратно рассеянного излучения, распространяющегося из волокна по направлению к фотоприемнику. То есть принципиально достичь лишь того, чтобы на вход фотоприемника поступало отфильтрованное излучение безотносительно того, на каком этапе производится сама спектральная фильтрация;

- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения из контролируемого волокна,

- разделение сигнала по виртуальным каналам дальности и выделение спектров для каждого из них,

- сопоставление указанных (измерительных) спектров с опорными спектрами и определение на этой основе величины внешних воздействий.

Техническая сущность предложенного способа иллюстрируется рис. 1, на котором в координатах длина волны - оптическая мощность при перестраиваемой фильтрации в достаточно широком диапазоне длин волн для одного и того же произвольного канала дальности приведены спектры сигналов при отсутствии воздействий (опорный спектр - толстая линия), а также при их наличии (измерительный спектр - тонкая линия). По результатам измерения величины спектрального сдвига Δλ и в соответствии с конкретной моделью зависимости Δλ от внешнего воздействия рассчитывается искомая его величина. В простейшем случае зависимость имеет линейный характер, как, например, при температурном воздействии, а также при растяжении-сжатии волокна. При этом, если измерения проводятся в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1560 нм, то коэффициенты пропорциональности Δλ/ΔТ, где ΔT - изменение температуры, и Δλ/Δε, где Δε - изменение относительной деформации, равны соответственно 10,8 пм/K и 1,2 пм/(мкм/м)

(В.G. Gorshkov, М.A. Taranov, А.Е. Alekseev. "Distributed stress and temperature sensing based on Rayleigh scattering of low-coherence light", Laser Phys. 27 085105 (2017)).

Устройство, реализующее описанный выше способ, включает в себя импульсный источник широкополосного оптического излучения, перестраиваемый узкополосный спектральный фильтр, средство организации рефлектометрического канала, контролируемое оптическое волокно, фотоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель.

Схема устройства, реализующего описанный способ, показана на рис. 2. Устройство включает в себя следующие узлы и модули: импульсный источник широкополосного излучения 1, к которому последовательно подключен оптический узкополосный перестраиваемый фильтр 2, выход которого соединен с входом средства для организации рефлектометрического канала (оптический ответвитель или циркулятор) 3, к которому, в свою очередь, подключено контролируемое оптическое волокно значительной длины 4, выполняющее функцию чувствительного элемента и размещенное на объекте мониторинга. В состав также входят фотоприемное устройство 5, подключенное к выходу средства 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, на вход которого подается сигнал с фотоприемного устройства 5, а выход соединен с вычислителем 7. Штриховая линия на схеме обозначает управление фильтром 2, осуществляемое вычислителем 7.

Устройство функционирует следующим образом:

1) источник 1 генерирует широкополосное импульсное излучение;

2) излучение источника 1 проходит через фильтр 2, установленный вычислителем 7 на некую начальную длину волны пропускания. На выходе фильтра 2 - импульсное излучение с узким спектром;

3) через средство 3 узкополосное излучение вводится в контролируемое волокно 4;

4) рассеиваемое в волокне 4 в обратном направлении излучение через средство 3 подается на вход фотоприемного устройства 5;

5) устройство 5 преобразует приходящий оптический сигнал в электрический;

6) АЦП 6 преобразует аналоговый сигнал, подающийся с устройства 5, в цифровой код;

7) вычислитель 7 принимает данный код, сохраняет его в памяти, затем перестраивает длину волны фильтра 2 и выполняет следующий цикл сбора сигнала;

8) когда вычислитель 7 завершает спектральное сканирование фильтром 2, в его памяти хранится массив рефлектограмм, каждая из которых была получена на различной длине волны. На текущем этапе вычислитель 7 выделяет спектры для каждого канала дальности из полученного массива рефлектограмм. Данные спектры считаются опорными;

9) вычислитель 7 инициирует следующий цикл спектрального сканирования, проходящий в последовательности, описанной в пп. 1-8. Спектры, полученные на данном этапе, считаются измерительными;

10) вычислитель 7 сопоставляет опорные и измерительные спектры и по результатам определяет величину физических воздействий для каждого из каналов дальности.

Величина сдвига спектров может быть рассчитана, в частности, как изменение положения центра масс кросскорреляционной функции от двух спектров, зарегистрированных в разные моменты времени, относительно положения центра масс автокорреляционной функции одного из данных спектров. Могут быть использованы и другие математические методы определения величины спектрального сдвига.

Поскольку размещение фильтра 2 непосредственно после источника излучения 1 принципиального значения не имеет - важно лишь обеспечить подачу обратно рассеянного излучения на вход фотоприемного устройства 5 в узкой полосе оптических частот - то помимо реализации устройства по описанной выше схеме, возможны 2 других варианта. Первый из них отличается тем, что фильтр 2 размещается не непосредственно после источника излучения 1, а непосредственно перед входом фотоприемного устройства 5 (рис. 3). Таким образом, спектральная фильтрация осуществляется не для зондирующего излучения, а для обратно рассеянного излучения, приходящего из волокна 4.

Второй вариант отличается от базового тем, что фильтр 2 размещается непосредственно после устройства 3 (рис. 4), что обеспечивает спектральную фильтрацию как зондирующего излучения, так и распространяющегося из волокна 4 в обратном направлении рассеянного излучения.

Импульсный источник 1 может быть выполнен в виде известного технического решения - последовательного соединения суперлюминесцентного диода с оптическим усилителем на основе волокна, легированного ионами эрбия. В этом случае суперлюминесцентный диод обеспечивает импульсное широкополосное излучение с непрерывным спектром (типичная ширина спектра 30-60 нм), а оптический усилитель позволяет существенно увеличить мощность данного излучения. Допустимо и использование источника непрерывного широкополосного излучения с модулятором интенсивности, например, акустооптическим, на выходе.

В качестве узкополосного перестраиваемого спектрального фильтра 2 может использоваться, например, техническое решение на основе дифракционной решетки и набора зеркал, расположение которых относительно решетки управляется микроэлектромеханической системой (МЭМС) с цифровым управлением.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что использование устройства по схеме на рис. 2 для мониторинга одномодового волокна длиной 8 км позволяет измерять натяжение и температуру по всей длине волокна с точностью не хуже соответственно 2 мкм/м и 0,24°С (среднеквадратические уровни шумов) при пространственном разрешении 2 м.

Применение изобретения позволяет повысить точность определения величины физических воздействий на объект распределенного мониторинга, что в свою очередь дает возможность с большей достоверностью оценивать различные факторы, действующие на контролируемый объект.