Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТЯЖЕННОГО ОБЪЕКТА

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, предназначенных для обнаружения механических работ или движения людей и механизмов вблизи чувствительного элемента устройства. Заявленное устройство может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, например периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов.

Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брегга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала. Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент РФ №2141102). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.

Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде волоконного лазера с модуляцией добротности, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент РФ №2271446). Недостатком известного устройства является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, связанных с импульсным режимом работы лазера и чувствительностью волоконного лазера к техническим шумам. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства, а также затрудняет его использование в полевых условиях.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительный элемент в виде оптического волокна, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент США №5194847).

Недостатком известного устройства (прототипа) является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, обусловленных конечной шириной полосы излучения полупроводниковых лазеров, типичное значение которой превышает несколько МГц, а также наличие паразитного слабого излучения, проходящего через модулятор в выключенном состоянии. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащем непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, кроме того, перед узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент введен оптический усилитель мощности излучения, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен оптический предварительный усилитель, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен узкополосный оптический фильтр с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц, кроме того, узкополосный оптический фильтр выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки с уменьшенной до 10 ГГц максимальной полосой пропускания, при этом непрерывный полупроводниковый лазер с брэгговским селективным отражателем и узкополосный оптический фильтр помещены в один термостатированный блок, кроме того, узкополосный оптический фильтр и брэгговский селективный отражатель непрерывного полупроводникового лазера выполнены на одной подложке, кроме того, оптический предварительный усилитель выполнен на основе активного эрбиевого волокна, кроме того, между фотоприемником рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем введен оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:

на фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство;

на фиг.2 показана схема размещения брэгговского отражателя лазера и оптического фильтра в виде отражательной брэгговской решетки на одной подложке;

на фиг.3 показана типичная рефлектограмма от одного импульса;

на фиг.4 показан результат наложения многих рефлектограмм, на котором хорошо видна область воздействия;

на фиг.5 показаны зависимости разностей сигналов последовательных рефлектограмм от расстояния до места воздействия.

Устройство включает в себя непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, усилитель мощности 3, узел 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 и вывода рассеянного излучения, оптический предварительный усилитель 6, оптический фильтр 7, фотоприемник 8, узел 9 обработки сигнала с процессором, оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена, брэгговский селективный отражатель 11 лазера 1 (фиг.2, лазер 1 обозначен пунктирным контуром), термостатированный блок 12 (фиг.2, обозначен пунктирным контуром), подложка 13 (фиг.2, обозначена сплошным контуром), активный элемент 14 лазера 1, циркулятор 15 оптического фильтра 7 (для случая, когда оптический фильтр 7 - на фиг.2 показан пунктирным контуром - выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки).

Устройство работает следующим образом.

От лазера 1 непрерывное узкополосное излучение поступает на акустооптический модулятор 2, вырезающий из него короткие импульсы прямоугольной формы. Длина волны излучения, в частности, может составлять 1550 нм. Импульсы прямоугольной формы усиливаются в усилителе мощности 3 и через узел 4 поступают в чувствительный элемент 5 - оптический кабель, расположенный внутри или рядом с контролируемым объектом (не показан).

В оптическом волокне излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (релеевское рассеяние).

Рассеянное излучение через узел 4 поступает на оптический предварительный усилитель 6 и после усиления в нем поступает на узкополосный оптический фильтр 7, после фильтрации узкополосным оптическим фильтром 7 излучение поступает на фотоприемник 8, преобразуется в электрический сигнал и поступает на узел 9 для анализа и обработки.

Кроме того, рассеянное излучение после усиления в оптическом предварительном усилителе 6 на основе активного эрбиевого волокна может дополнительно усиливаться введенным в устройство оптическим усилителем 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера 1.

При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и, соответственно, фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайной фазе интерферирующего рассеянного излучения. В отсутствие виброакустических воздействий и изменений несущей частоты прямоугольного тестирующего импульса рефлектограммы от разных импульсов, полученные в разные моменты времени, совпадают. При наличии виброакустического воздействия на чувствительный элемент 5 рефлектограммы от разных импульсов в области воздействия оказываются разными. Величина изменений определяет интенсивность воздействия, а временная задержка относительно тестирующего прямоугольного импульса однозначно определяет координату воздействия.

Характер и координату воздействия определяет блок 9 из сравнения множества рефлектограмм путем определения мест их существенных изменений.

Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.

Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что непрерывный полупроводниковый лазер 1 содержит брэгговский селективный отражатель 11, обеспечивающий сужение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц. Данный признак обеспечивает уменьшение паразитного шума, возникающего при обнаружении виброакустических воздействий и их локализации. Принцип обнаружения виброакустических воздействий в заявляемом устройстве и в прототипе основан на сравнении двух или более рефлектограмм, полученных от разных тестирующих импульсов, и обнаружении участков, на которых полученные от разных импульсов рефлектограммы отличаются. Отличие в рефлектограммах и есть результат виброакустического воздействия на чувствительный элемент. Однако в прототипе из-за случайных изменений во времени частоты несущей тестирующего оптического импульса (до нескольких МГц) форма рефлектограммы изменяется даже в отсутствие воздействия на чувствительный элемент. Это приводит к формированию паразитного шумового сигнала, маскирующего полезный сигнал и, следовательно, снижающего чувствительность, разрешающую способность и дальность действия устройства. В заявляемом устройстве уменьшение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц снижает уровень паразитных шумов более чем на порядок и обеспечивает увеличение чувствительности, разрешающей способности и дальности действия устройства.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс с длительностью фронта и спада менее 20 нс, следующих с частотой от 200 Гц до 50 кГц, с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, что в соотношении с прототипом означает не менее 30 дБ. В прототипе для формирования из непрерывного излучения импульсного сигнала используются обычные электрооптические модуляторы с коэффициентом гашения 20-25 дБ, это означает, что примерно одна сотая мощности непрерывного излучения проходит в чувствительный элемент, рассеивается и попадает на фотоприемник. Это излучение не несет полезной информации, является паразитным шумовым излучением и приводит к уменьшению отношения сигнал-шум, т.е. в конечном счете к уменьшению чувствительности и дальности действия устройства. Использование в заявляемом устройстве акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне позволяет снизить уровень засветки на порядок.

Другие отличия в свете заявленного технического результата:

- перед узлом 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 расположен оптический усилитель мощности 3 излучения: увеличение мощности сигнала приводит к увеличению полезного сигнала и тем самым увеличивает чувствительность;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен оптический предварительный усилитель 6: увеличивается мощность рассеянного излучения - увеличивается чувствительность;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен узкополосный оптический фильтр 7 с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц: уменьшается мощность шума, а мощность сигнала не изменяется, т.к. ширина спектра сигнала меньше полосы фильтра, а ширина полосы шума больше полосы фильтра;

- узкополосный оптический фильтр 7 выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки и его максимальная полоса пропускания уменьшена до менее 10 ГГц, при этом непрерывный полупроводниковый лазер 1 с брэгговским селективным отражателем 11 и узкополосный оптический фильтр 7 помещены в один термостатированный блок 12: положительный эффект от узкополосного фильтра - уменьшение мощности шума. Однако при ширине оптического фильтра менее 10 ГГц необходима термостабилизация и взаимная привязка полосы фильтра и спектра излучения лазера. В отсутствие термостабилизации тепловые уходы полосы могут приводить к случайным уходам полосы фильтра и/или лазера такой величины, при которой уменьшается амплитуда и искажается форма сигнала. Расположение брэгговского селективного отражателя 11 лазера 1 и узкополосного оптического фильтра 7 в одном термостабилизирующем блоке 12 обеспечивает поддержание в них одинаковой температуры, что снижает тепловое рассогласование частоты лазера и полосы фильтра. При этом, если узкополосный оптический фильтр 7 и брэгговский селективный отражатель 11 непрерывного полупроводникового лазера 1 изготовлены на одной подложке 13, то тепловое рассогласование еще больше уменьшается, т.к. температурные вариации будут в лазере и фильтре одинаковыми: частота излучения лазера и полоса фильтра могут термически перестраиваться, но взаимного рассогласования происходить не будет;

- оптический предварительный усилитель 6 выполнен на основе активного эрбиевого волокна: увеличение мощности рассеянного излучения достигается при минимальном увеличении оптического отношения сигнал/шум благодаря малому значению шум-фактора такого усилителя - увеличивается чувствительность;

- между фотоприемником 8 рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем 6 расположен оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюена: поскольку ширина полосы усиления такого усилителя находится в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, то мощность сигнала значительно возрастает, а мощность широкополосного шума практически не изменяется, т.к. ширина спектра шума значительно больше полосы усиления, а ширина полосы сигнала совпадает с полосой усиления усилителя - увеличивается чувствительность.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом наглядно показано в табл.1.

Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности периметра протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что заявленный технический результат - повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства - достигнут.