Распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов

Распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов

Реферат

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.

1. 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.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что лазерный источник имеет длину волны в диапазоне 1,53-1,57 мкм, соответствующем полосе усиления эрбиевых оптических усилителей на одномодовом волокне.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что лазерный источник имеет 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 при разветвлении излучения направленным разветвителем на 10 волоконных каналов.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что для увеличения квантовой чувствительности фотоприемника между вторым входом/выходом направленного разветвителя перед фотоприемником включен волоконно-оптический малошумящий усилитель (эрбиевый, рамановский или полупроводниковый).

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что 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=с/Δν~300 м ÷ 3 км используется полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС-лазеры).

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что 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=с/Δν~300 м ÷ 30 км используется полупроводниковый лазер с внешним резонатором на волоконных брэгговских решетках (РОС-ВБР).

7. Волоконно-оптическая измерительная линия по п.1, отличающаяся тем, что используются типы волоконного кабеля с гидрофобным наполнителем и покрытий волокна, повышающие чувствительность волокна в кабеле к вибрациям и звуку.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что для определения координат отдельных чувствительных элементов датчиков звука или вибраций на волоконно-оптической измерительной линии применяются локальные периодически излучающие источники (например пьезоизлучатели или виброзвонки), обозначающие координату датчика по заранее заданной определенной частоте звучания.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что френелевский отражатель имеет 4%-ный скол торца одномодового волокна или полированный торец оптического наконечника.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что волоконно-оптическая измерительная линия имеет два или несколько витков в многовитковых элементах диаметром не более 10 см, сохраняющих верхнюю рабочую частоту чувствительного элемента как приемной акустической антенны - датчика звука.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что волоконно-оптическая измерительная линия имеет многовитковые чувствительные элементы диаметром не более 10 см с длиной волокна в них ~10-100 м.