Устройство и способ контроля структуры с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, для определения локализации возмущений

 

Изобретение относится к измерительной технике, включает световод и источник света для введения света в оба торца световода так, чтобы в световоде производились световые сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях. Световод применяется в виде оптического волокна или волоконного пучка, изготовленного из двуокиси кремния, в котором характеристика света изменяется или испытывает влияние некого внешнего параметра, вызванного возмущением. Обеспечивается детектор для детектирования света из обоих торцов световода и для определения временной задержки или разности между измененными сигналами, на которые повлиял параметр, с целью определения локализации возмущения вдоль длины световода. 5 с. и 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройству и способу контроля структуры, который использует способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и к соответствующим системам для определения локализации возмущений в волоконно-оптических чувствительных системах.

Под термином "структура", который используется в этом описании и в формуле изобретения, следует понимать машины, строения, инфраструктуру, такую как трубопроводы и т.п., к которым могут быть применены устройство и способ изобретения, а также к самим световодам, которые функционируют в качестве линии связи для передачи данных с одного места в другое.

Также следует понимать, что под термином "свет", который используется в этом описании и в формуле изобретения, подразумевается как видимая, так и невидимая части спектра электромагнитного излучения.

Оптические приборы обычно используются в промышленности и в науке и включают квантовые генераторы, световоды, линзы, фильтры и другие оптические элементы и их комбинации. Такие оптические приборы используются в разнообразных инструментах и установках.

Фотонные технологии революционизировали области связи и датчиков. Это обусловлено быстрым развитием оптических и оптико-электронных приборов. Сейчас доступно широкое разнообразие стеклянных материалов, легирующих добавок и структур световодов, и изобретение относится к способу с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и к связанным системам для определения местонахождения возмущений в волоконно-оптических чувствительных системах.

В настоящее время существуют очень высокие требования к датчикам и системам, которые обеспечивают контроль в реальном масштабе времени целостности или состояния структур, таких как машины, строения и волоконно-оптические линии связи. В частности, волоконно-оптические датчики являются очень перспективными для этих применений из-за их диэлектрических свойств, их малых размеров, их способности располагаться на удаленных расстояниях и, в случае встроенных датчиков, быстрого времени отклика. Также они имеют особенные преимущества в опасных окружающих средах. Кроме того, они имеют несколько явных преимуществ над существующими известными технологиями восприятия, такими, как объемные оптические измерения, потенциометрические электроды, резистивные фольговые тензодатчики и пьезоэлектрические преобразователи.

Инженерные сооружения обычно не контролируются в реальном масштабе времени из-за трудности внедрения известных датчиков в среду восприятия и из-за ограничений самих датчиков. Кроме того, известные датчики в основном являются точечными чувствительными приборами, таким образом, требуя большого количества датчиков для охвата нужных больших площадей или больших длин. Являющаяся результатом этого стоимость и сложность таких систем чаще всего делает их практически нецелесообразными.

Волоконно-оптические датчики преодолевают многие из этих недостатков в силу их собственных свойств. В дополнение, оптические датчики и оптические системы обработки являются чрезвычайно быстродействующими и не испытывают электромагнитных помех (EMI) в отличие от их электронных аналогов. Технология завоевывает широкое применение контроля и ожидается, что она будет играть главную роль в реализации систем контроля в реальном масштабе времени целостности или состояния структур, предлагая новое передовое поколение инженерных датчиков.

В последнее десятилетие технология волоконно-оптических датчиков развивалась быстрыми темпами. Было разработано много различных методов восприятия для контроля специфических параметров. Были разработаны различные конфигурации чувствительных волоконно-оптических приборов для контроля специфических параметров, каждый из которых отличается принципом модуляции света. Волоконно-оптические датчики могут быть встроенными или внешними, в зависимости от того, является ли чувствительное волокно чувствительным элементом или носителем информации соответственно. Они называются "точечными" датчиками, когда длина чувствительного датчика локализована в дискретных областях. Если датчик способен воспринимать измеряемые поля непрерывно по всей длине, то он считается "распределенным" датчиком, "квази-распределенные" датчики используют "точечные’’ датчики в различных местоположениях по длине волокна. Волоконно-оптические датчики могут работать на пропускание или же могут использоваться в конфигурации с отражением посредством использования торца оптического волокна в качестве зеркала. Таким образом, волоконно-оптические датчики фактически являются классом чувствительных приборов. Они не ограничиваются простой конфигурацией и функционируют отличающимся образом от многих известных датчиков типа электрических тензодатчиков и пьезоэлектрических преобразователей.

Однако до настоящего времени большинство систем волоконно-оптических датчиков основывалось на точечных чувствительных приборах, таким образом снова требуя большого числа датчиков, чтобы охватить большую площадь или большую длину.

Было разработано совсем немного методов распределенных чувствительных измерений, которые являются коммерчески доступными. Среди разработанных методов лишь немногие по-прежнему имеют способность действительно определять локализацию области или локализацию воспринимаемого параметра или возмущение по длине волокна, они просто детектируют, воспринимают и иногда количественно определяют, что возмущение произошло.

Способы, известные из уровня техники для распределенного восприятия, которые способны определять локализацию воспринимаемого параметра, включают самые современные методы для контроля целостности волоконно-оптического кабеля, основаны на статических или незначительно изменяющихся измерениях, применяющих оптическую временную рефлектометрию (OTDR) (т.е. крутые изгибы, разрывы волокна, затухание в волокне, потери на соединителях и т.п.). Этот способ по существу основан на методе оптического локатора, в котором очень узкий импульс света, введенного в оптическое волокно, обратно рассеивается или обратно отражается аномалиями в материале волокна или структурой по длине волокна (т.е. разрыв, локальное сжатие, дефект и т.п.), и по времени пролета определяются местонахождения аномалий.

Системы волоконно-оптических датчиков распределенной температуры (DTS) были разработаны для непрерывных температурных измерений по всей длине оптического волокна или любой поверхности или структуры, к которой прикрепляется волокно. В большинстве случаев распределенного восприятия температуры отношение интенсивности стоксова и антистоксова отраженных сигналов измеряется в конфигурации оптической временной рефлектометрии (OTDR). Конечным результатом является истинное измерение температурного профиля по всей длине датчика.

Также были исследованы различные методы обратного рассеяния в конфигурации оптической временной рефлектометрии (OTDR) для измерения натяжения и давления, хотя коммерческая технология еще недоступна.

Для детектирования и определения локализации распределенных возмущений волокна также использовалось физическое размещение контуров интерферометра Сагнака в специфических местоположениях или геометрических конфигурациях. В интерферометре Сагнака свет вводится в противоположные торцы чувствительного волоконного контура, так что два луча циркулируют по контуру в противоположных направлениях, а затем снова объединяются для формирования фазовой интерференционной картины в одном фотодетекторе. В этих способах не используется время прохождения или временная задержка сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях.

Наиболее общие методы для определения локализации возмущений, использующие обратное рассеяние или обратное отражение чрезвычайно узких импульсов лазерного света, объединяются с некоторыми другими формами механизма восприятия для выделения дополнительной информации о действительном воспринимаемом параметре (т.е. температуре, натяжении, давлении и т.п.). Однако, несмотря на то, что современные достижения в фотонных приборах обеспечили возможность развития и коммерциализации прецизионных и точных систем, они часто являются очень сложными и дорогостоящими. Главные причины сложности и высокой стоимости этих модулей в основном заключаются в требовании высокоточных и быстродействующих компонентов, необходимых для генерации чрезвычайно узких импульсов лазерного света, детектирования оптических сигналов чрезвычайно низкой мощности (часто это включает счет фотонов и значительное усреднение сигналов) и обеспечения синхронизации для измерений по времени пролета импульсов света.

Вследствие требования измерения и усреднения времени пролета очень узких импульсов низкой мощности эти методы часто ограничиваются контролем статистических и очень незначительно изменяющихся параметров. Кроме того, до настоящего времени большинство систем, основанных на этом принципе, контролировали только температуру. Однако они могут предложить одно значительное преимущество над многими другими методами, включая метод предлагаемого описания, а именно способность обеспечивать профиль воспринимаемого параметра по всей длине волокна.

Тем не менее, было бы значительным достижением также получать в реальном масштабе времени квазистатическую и динамическую информацию о любой форме возмущений оптического волокна, особенно о переходных событиях, которые происходят слишком быстро для того, чтобы их можно было детектировать методами оптической временной рефлектометрии (OTDR). Этого можно достичь посредством объединения метода распределенного восприятия, неспособного определять локализацию возмущений, с совместимым методом, который способен определять локализацию возмущений. Этот объединенный метод мог бы иметь дополнительное преимущество контроля любой структуры или материала вблизи волокна или к которым прикреплено волокно. Такая способность должна обеспечить возможность применений правильно распределенного восприятия, таких, как контроль структурной целостности, обнаружение утечки трубопроводов, контроль земной поверхности, контроль состояния машин и несанкционированное детектирование территорий высокой секретности.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и соответствующие системы для определения локализации возмущений в световодных чувствительных системах.

Изобретение обеспечивает устройство для контроля структуры и для определения локализации возмущения, которое включает источник света, световод для приема света из источника света таким образом, чтобы свет был вынужден распространяться в обоих направлениях вдоль световода, чтобы таким образом обеспечить оптические сигналы, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в световоде, световод, способный пропускать оптические сигналы, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, или некоторую характеристику сигналов, которая может изменяться или на которую может влиять некий внешний параметр, вызываемый событием или являющийся показателем события, чтобы обеспечить измененные оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, и средства детектора для детектирования измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет некий параметр, а также для определения временной задержки между измененными оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения.

Изобретение рассчитано на измерение временной задержки между передаваемыми оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет одно и то же возмущение. В этой установке, обладающей новизной, оптические сигналы, предпочтительно оптические сигналы в виде непрерывной гармонической волны (CW), вводятся предпочтительно из одного источника света в световод и одновременно детектируются детектором, например, в виде двух отдельных фотодетекторов. Импульсная модуляция оптических сигналов необязательна, хотя она может быть использована в некоторых установках. Любой воспринимаемый параметр, который действует так, чтобы изменять сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, будет влиять на оба сигнала одинаково, но из-за того, что каждый из подверженных влиянию сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, должен продолжать проходить остаток длины световода до своего соответствующего фотодетектора, имеется результирующая временная задержка или временная разность между детектируемыми сигналами. Временная задержка прямо пропорциональна локализации воспринимаемого возмущения вдоль длины световода. Следовательно, если можно детектировать или измерить временную задержку или разность, то можно определить локализацию возмущения. В то же время, если используется совместимый механизм восприятия, то воспринимаемое событие может быть количественно выражено и/или идентифицировано (т.е. натяжение, вибрация, акустическая эмиссия, перепад температуры и т.п.). Кроме того, к световоду на любом или на обоих торцах могут быть присоединены нечувствительные волоконно-оптические линии задержки для того, чтобы вносить дополнительную задержку между передаваемыми сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, а также, чтобы обеспечить нечувствительные концевые вводные волокна. Это может способствовать инженерному внедрению метода в практические работающие системы.

Также изобретение имеет преимущество функционирования фактически при любом существующем типе передающего распределенного волоконно-оптического датчика, обеспечивающего возможность детектирования, количественного выражения и определения локализации динамических и переходных возмущений в любом месте вдоль оптического волокна, которое образует световод. Кроме того, оно функционирует в передающей конфигурации, таким образом подавая по существу весь оптический сигнал и мощность обратно в детектор и не требуя усреднения сигнала, и оно определяет локализацию возмущений посредством измерения временной задержки между оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет некоторое возмущение.

Примеры не определяющих локализацию волоконно-оптических методов распределенного восприятия, с которыми может совмещаться настоящее изобретение, включают модометрические интерферометры, интерферометры Сагнака, интерферометры Майкельсона, интерферометры Фабри-Перо с большой базой, интерферометры Маха-Цендера, двухмодовые интерферометры. Предпочтительно световодом является световод, изготовленный из двуокиси кремния. Предпочтительно свет из источника света вводится одновременно в два противоположных торца световода. Предпочтительно источником света является одиночный источник света. Однако в других вариантах воплощения для ввода света одновременно в два противоположных торца световода могут быть использованы два источника незатухающих гармонических волн (CW) или синхронизированного света. Предпочтительно световодом является одно или более оптических волокон, которые образуют оптическое волокно, воспринимающее события. Предпочтительно к чувствительному световоду на любом или на обоих торцах могут быть присоединены дополнительные световоды, изготовленные из двуокиси кремния для того, чтобы вносить дополнительную задержку между передаваемыми сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, и чтобы обеспечить нечувствительные вводные волокна.

Предпочтительно средства детектора содержат первый и второй фотодетекторы для одновременного приема излучения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в световоде, изготовленном из двуокиси кремния, и средство обработки для приема сигналов из первого и второго фотодетекторов с целью определения временной задержки между сигналами, на которые влияет одно и то же возмущение, и следовательно, с целью определения локализации воспринимаемого возмущения.

Предпочтительно между источником света, фотодетекторами и световодом, изготовленным из двуокиси кремния, устанавливается световодный ответвитель или набор ответвителей так, чтобы свет мог одновременно передаваться из источника света в оба торца световода, изготовленного из двуокиси кремния, причем средства детектора присоединяются к ответвителю или к набору ответвителей так, чтобы передаваемое излучение, распространяющееся во взаимно противоположных направлениях, могло быть направлено через ответвитель или набор ответвителей из световода, изготовленного из двуокиси кремния, в средства детектора.

Изобретение также обеспечивает способ контроля структуры с целью определения локализации возмущения, включающий следующие этапы: введение света в световод таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль световода, чтобы таким образом обеспечить оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях в световоде, световод, способный пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или характеристику сигналов, которые могут изменяться или на которые может влиять внешний параметр, вызываемый возмущением, чтобы обеспечить измененные оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, и детектирование измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет параметр, а также определение временной задержки между измененными оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения. Предпочтительно свет вводится в два торца световода для обеспечения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Предпочтительно свет вводится в два торца световода из одиночного источника света. Предпочтительный вариант воплощения обеспечивает способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и соответствующие системы для определения локализации возмущений в световодах, способ, который может включать обеспечение оптического волокна (одно- или многомодового), сформированного из световодного материала, сконструированного для одновременной передачи оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, обеспечение конфигурации датчика (одно- или многомодового) с любой соответствующей длиной световода, любой соответствующей геометрией, и совместимого со способом с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и с соответствующими системами для определения локализации возмущений в оптических световодах, сконструированных так, чтобы оптимизировать чувствительность датчика и возможности детектирования, обеспечение вводного оптического волокна (одно- или многомодового), сформированного из световодного материала, которое действует как нечувствительный световод между чувствительным волокном и оптикой системы восприятия и определения локализации, а также оптоэлектронным интерфейсом, обеспечение вводного оптического волокна (одно- или многомодового), сформированного из световодного материала, которое действует как нечувствительный световод между чувствительным волокном и источником возбуждения, сращивание путем сплавления или соединение другим способом световода-датчика и вводных оптических волокон так, чтобы сердцевины световодов были центрированными и оставались фиксированными в месте сращивания, подачу сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях из световодного датчика, через соответствующие оптические и электронные устройства так, чтобы можно было измерить временную задержку между сигналами и использовать ее для определения локализации воспринимаемого возмущения, и регистрацию любых изменений в оптических сигналах световодного датчика, которая может применяться с помощью совместимого метода восприятия так, чтобы воспринимаемый параметр мог быть количественно выражен и/или идентифицирован.

Также можно сказать, что предпочтительный вариант воплощения заключается в развитии способа, связанного с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и соответствующих систем для определения локализации возмущений в оптических световодах, включая, но не ограничиваясь следующими этапами: изготовление оптического волокна (одно- или многомодового), сформированного из световодного материала, сконструированного для одновременной передачи оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, конструирование конфигурации датчика (одно- или многомодового) с любой соответствующей длиной световода, любой соответствующей геометрией, совместимого со способом с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, и с соответствующими системами для определения локализации возмущений в оптических световодах, сконструированных таким образом, чтобы оптимизировать чувствительность датчика и возможности детектирования.

Изготовление световодного датчика и оптоволоконного вывода посредством скалывания и полировки их торцов так, чтобы создать плоскую гладкую поверхность. После принятия мер предосторожности, необходимых для удаления любых загрязнений со сколотых или полированных торцовых поверхностей световодного датчика и волоконного вывода, световодный датчик и волоконный вывод помещают торец к торцу в установке сращивания путем сплавления и сплавляют между собой, используя соответствующее время и токи сплавления. Процедура сращивания путем сплавления при необходимости может повторяться несколько раз. Диаметры сердцевин и полные диаметры световодного датчика и волоконного вывода не ограничены, в установке сращивания путем сплавления могут быть использованы координатный стол или стол с направляющими в виде ласточкиного хвоста (V-образными) для центрирования сердцевин световодного датчика и волоконного вывода перед процедурой сращивания путем сплавления. Различные комбинации световодного датчика и волоконного вывода могут требовать отличающихся и уникальных наборов параметров сращивания путем сплавления, скалывание и полировка световодного датчика в любом местоположении после места сращивания так, чтобы создать плоскую гладкую поверхность. Положение скола или полированной поверхности задает локализованную длину или область восприятия датчика. После принятия мер предосторожности, необходимых для удаления любых загрязнений со сколотых или полированных торцевых поверхностей световодного датчика, он сращивается путем сплавления со вторым волоконным выводом в нужном положении, приготовление или осуществление соединения свободных торцов волоконных выводов любым способом, который способствует прикреплению, соединению, сращиванию или сцеплению волоконных выводов с соответствующей комбинацией и установкой источника света, ответвителей, фотодетекторов и электроники обработки сигналов, которые осуществляют способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях для определения локализации событий в оптических световодах.

Предпочтительно изготовленный датчик и/или открытые сращенные путем сплавления участки могут быть защищены посредством герметизации или покрытия нужного участка в подходящем приборе или материале (т.е. место сращивания путем сплавления, обеспечивающее тепловую усадку, акрилат, эмаль, эпоксидная смола, полиимид и т.п.).

В предпочтительном варианте воплощения датчик-световод является многомодовым волокном, а вводные волокна являются одномодовыми оптическими волокнами.

В других вариантах воплощения множество многомодовых волокон и одномодовых волокон сращиваются путем сплавления в конфигурации торец к торцу, чтобы образовать несколько чувствительных и нечувствительных участков вдоль всей волоконной сборки.

В других вариантах воплощения множество одномодовых волокон сращивается путем сплавления с соответствующими многомодовыми волокнами, и множество одномодовых волокон соединяется с ответвителем, который, в свою очередь, соединяется со следующим одномодовым волокном, чтобы сформировать мультиплексированное расположение датчиков.

В альтернативной установке, датчик-волокно может быть заменен двумя или более подходящим образом скомпонованными оптическими волокнами (одно- или многомодовыми), а для соединения множества датчиков-волокон к волоконно-оптическим выводам могут быть использованы дополнительные ответвители. В этой установке может потребоваться дополнительное число ответвителей и фотодетекторов, чтобы было удобно работать с увеличенным количеством чувствительных и вводных волокон.

В предпочтительном варианте воплощения вышеописанной альтернативной установки чувствительная часть формируется двумя подходящим образом скомпонованными одномодовыми волокнами, а нечувствительными волоконными выводами являются одномодовые волокна. Два чувствительных волокна соединяются с вводным волокном посредством использования одномодового ответвителя на любом или обоих торцах.

Изобретение является эффективным на любой оптической световодной технике распределенного восприятия, которая может быть сформирована в конфигурации на пропускание. В предпочтительном, но не ограничивающем варианте воплощения, техника распределенного восприятия основана на модометрической технике, использующей сращивание путем сплавления нечувствительного одномодового волокна с чувствительным одномодовым волокном. Еще в одном предпочтительном, но не ограничивающем варианте воплощения, техника распределенного восприятия основана на применении интерферометра Маха-Цендера или Майкельсона с использованием двух одномодовых волокон в качестве чувствительного участка.

Предпочтительно световод содержит по меньшей мере одно оптическое волокно и/или по меньшей мере один оптоволоконный прибор. В некоторых вариантах воплощения изобретения световод может просто содержать оптическое волокно без каких-либо дополнительных элементов. Однако оптическое волокно может включать пассивные или активные элементы вдоль его длины. Кроме того, оптическое волокно может включать чувствительные элементы вдоль его длины, и эти чувствительные элементы могут содержать приборы, которые будут реагировать на изменение нужного параметра в окружающей обстановке данного приложения и влиять на свойства и характеристики электромагнитного излучения, распространяющегося в световоде, чтобы таким образом обеспечить индикацию изменения в параметре.

Предпочтительно может быть использован любой соответствующий источник незатухающей гармонической волны (CW), или импульсный одночастотный источник, или источник с многочисленными длинами волн, или множество источников. В предпочтительном, но не ограничивающем варианте воплощения, для подачи оптического сигнала используется импульсный когерентный лазерный диод или источник незатухающей гармонической волны (CW). В альтернативном варианте воплощения для генерации сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, могут быть использованы многочисленные источники света с одинаковыми или отличающимися длинами волн. Предпочтительные варианты воплощения изобретения предлагают потенциальную возможность для использования полностью волоконных дешевых оптических приборов в сочетании с лазерными диодами, светодиодами, фотодетекторами, ответвителями, изоляторами, циркуляторами и фильтрами. Вместе с датчиком или с системой определения локализации может быть использована любая подходящая компоновка источников света, ответвителей и фотодетекторов. В предпочтительном варианте воплощения требуемые оптические свойства источника света таковы, что свет может вводиться в одномодовый световод и распространяться по нему. Для определения локализации свет, распространяющийся в одномодовом волокне, должен оставаться одномодовым во время всего периода прохождения в одномодовом волокне. Сразу после ввода света из одномодового волокна в многомодовое волокно могут возбуждаться несколько мод и многомодовое волокно будет чувствительно к различным параметрам. Как только свет вводится обратно в одномодовое волокно из многомодового волокна, поддерживается и проходит к оптическим компонентам системы только одна мода. Таким способом достигается десенсибилизация вводного/выводного волокна и локализация датчика. На практике одномодовое волокно должно быть сделано достаточно длинным для того, чтобы ослаблять различные моды плакировочной оболочки, с тем, чтобы улучшить отношение сигнал/шум. Этот предпочтительный вариант воплощения применим для обоих направлений прохождения передаваемых оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях.

Применение свойств и характеристик электромагнитного излучения, распространяющегося в световодном датчике, обеспечивает возможность проведения контроля без повреждений. Таким образом, для контроля и определения локализации нужного параметра датчик не нужно повреждать, ломать или разрушать.

В способе согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения электромагнитное излучение вводится в оптический световод (одно- или многомодовый), такой, как оптическое волокно, из источника света, такого, как лазерный диод с гибкими выводами, волоконный лазер или светодиод, и распространяется вдоль оптического световода. Оптический световод соединяется (временно или постоянно) с одним плечом оптического световодного светоделителя или ответвителя, а когда электромагнитное излучение достигает светоделителя, оно может ответвляться в два выходных световодных плеча светоделителя. Каждое из выходных плеч этого светоделителя сращивается путем сплавления с другими ответвителями, таким образом оптическое излучение из лазерного источника одновременно вводится в каждый из двух других ответвителей. Эти два ответвителя образуют порты введения и детектирования для вышеописанного способа распространения во взаимно противоположных направлениях с двумя концами. Оптический сигнал одновременно вводится в выходные световодные плечи ответвителей. В каждом ответвителе используется только одно выходное плечо, остальные отламываются или завершаются каким-либо другим способом, чтобы избежать обратного отражения. Выходные плечи ответвителя подсоединяются (временно или постоянно) либо непосредственно к световодному чувствительному элементу, либо к вводному оптическому световоду, который подсоединяется (временно или постоянно) к световодному чувствительному элементу. Любое из выходных световодных плеч светоделителя может быть использовано для подачи электромагнитного излучения в датчик-световод через оптический световодный вывод. В другом случае можно использовать множество выходных световодных плеч для подачи электромагнитного излучения в несколько отдельных или мультиплексированных световодных датчиков. Каждый из сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых в световодный датчик, распространяется вдоль всей длины световода, пока не достигнет противоположных торцов, и вводится обратно в предшествующие ответвители в направлении, противоположном исходным вводимым сигналам. Каждый из сигналов расщепляется в обратном направлении через предшествующие ответвители. Часть сигналов проходит обратно в первый ответвитель и лазер, а остальные сигналы проходят вдоль неиспользуемых плеч предшествующих ответвителей, которые заканчиваются на фотодетекторах. Оптические сигналы контролируются одновременно двумя фотодетекторами. Соответствующая электроника, схемы обработки сигналов и алгоритмы обрабатывают сигналы из каждого детектора и обеспечивают определение локализации воспринимаемого возмущения посредством определения временной задержки или разности между сигналами, на которые влияет одинаковое возмущение. Нечувствительные волоконно-оптические выводы могут быть очень длинными, чтобы обеспечивать дополнительную временную задержку между оптическими сигналами. Это может способствовать инженерному внедрению метода в практические работающие системы.

В способе, согласно альтернативному предпочтительному варианту воплощения, чувствительная секция формируется двумя или более подходящим образом скомпонованными оптическими волокнами (одно- или многомодовыми), а нечувствительные выводы являются одномодовыми волокнами. Множество чувствительных волокон соединяется с вводными волокнами посредством использования дополнительных одномодовых ответвителей на любом или на обоих торцах чувствительных волокон.

Предпочтительно аппаратные оптические и электронные схемы при работе сопровождаются процессом минимизации шума.

Предпочтительно все оптические и электронные компоненты должны располагаться в одном аппаратном блоке управления с отдельными оптоволоконными входными портами.

В этой системе могут также использоваться электрооптические приборы, акустооптические приборы, магнитооптические приборы и/или интегральные оптические приборы.

Изобретение обеспечивает устройство для контроля оптоволоконной линии связи, в которую вводятся сигналы данных и из которой принимаются сигналы данных, и для определения локализации возмущения линии связи устройство, включающее источник света для введения света в линию связи таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль линии связи, чтобы таким образом обеспечить оптические сигналы, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в линии связи, линия связи, способная пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или некоторую характеристику сигналов, которые изменяются или на которые влияет возмущение, чтобы обеспечить изменяющиеся оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, и средства детектора для детектирования измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, а также для определения временной задержки между измененными оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения.

Далее изобретение обеспечивает способ для контроля оптоволоконной линии связи, в которую вводятся сигналы данных и из которой принимаются сигналы данных, а также способ для определения локализации возмущения в системе связи, способ, включающий этапы: введение света в линию связи таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль линии связи, чтобы таким образом обеспечить оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях в линии связи, линия связи, способная пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или некоторую характеристику сигналов, которые изменяются или на которые влияет возмущение, для того, чтобы обеспечить изменяющиеся оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях; детектирование измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет возмущение, а также определение временной задержки или разности между измененными оптическими сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг.1 изображает основной вариант воплощения изобретения, фиг.2 изображает вариант воплощения изобретения, использующий модометрический метод восприятия, фиг.3 изображает еще один вариант воплощения изобретения, использующий метод восприятия, основанный на интерферометре Маха-Цендера, фиг.4 изображает интегральную волоконно-оптическую систему восприятия и связи, использующую модометрический метод восприятия, фиг.5 изображает еще один вариант воплощения изобретения, фиг.6 изображает осциллограмму, иллюстрирующую реальный отклик системы, сформированной посредством способа предпочтительного варианта воплощения изобретения, который поясняется на фиг.5, когда возмущение действует на волокно линии связи длиной 14,71 км, фиг.7 изображает другую осциллограмму, иллюстрирующую реальный отклик системы, сформированной посредством способа предпочтительного варианта воплощения изобретения, который поясняется на фиг.5, когда возмущение действует на волокно линии связи длиной 14,71 км, фиг.8 изображает объединенную волоконно-оптическую систему восприятия и связи, использующую модометрический метод восприятия, и способность определять локализацию, обеспечиваемую способом предпочтительных вариантов воплощения изобретения, фиг.9 изображает еще один вариант воплощения изобретения, фиг.10 изображает еще один вариант воплощения изобретения.

Фиг.1 иллюстрирует основную установку, в которой распределенный датчик 10 может следовать за нечувствительными волоконными выводами 14а и 14б некоторой произвольной длины или предшествовать им. Важно отметить, что ни один, ни оба из нечувствительных волоконных выводов 14а и 14б не требуются в соответствии с методом, просто они обеспечивают дополнительные оптические линии задержки, чтобы вносить дополнительную задержку между передаваемыми сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, или чтобы обеспечивать нечувствительные вводные волокна, и/или чтобы способствовать специфическому размещению чувствительных участков. Это может способствовать инженерному внедрению метода в практические работающие системы. Нечувствительные волоконные выводы 14а и 14б могут сращиваться путем сплавления 17 или соединяться другим способом с чувствительным волокном 10.

Оптоволоконная линия связи (полная протяженность d_x) выполняется из нечувствительной секции 14а длиной d_a, сращенной путем сплавления 17 с чувствительной секцией 10 длиной d_b и, наконец, снова сращенной путем сплавления 17 с третьей нечувствительной секцией 14б длиной d_c. Цель установки состоит в том, чтобы определить локализацию возмущения 18 (в точке С) вдоль чувствительной секции волоконной линии связи 10 (между точками В и D). При введении лазерного света в обе точки А и Е одновременно волоконная линия связи имеет два луча света, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Возмущение 18 где-либо вдоль чувствительной части волоконной линии связи 10 будет вызывать два идентичных сигнала возмущения, распространяющихся в различных направлениях, т.е. из точки С к точке Е, и из точки С к точке А. Если разность во времени прибытия каждого сигнала (соответственно в точках А и Е) известна, то точка вдоль длины db, в которой происходит возмущение, может быть вычислена с использованием следующих уравнений:

Разность во времени прибытия каждого сигнала (соответственно в точках Δt и Е) задается выражением

где величины Δt_a, Δt_b1, Δt_b2, Δt_c относятся ко временам, взятым для оптического сигнала для прохождения по расстояниям d_a, d_b1, d_b2 и d_c, соответственно, и могут быть вычислены для известных расстояний, с использованием формулы t=d/ν, где ν - скорость оптического сигнала, задаваемая выражением c/n_fibre, где с - скорость света в вакууме (3×10⁸ м/с), a n_fibre - эффективный показатель преломления оптического волокна.

Переписывая уравнение для Δt, имеем

Используя уравнение для d_x, мы можем подставить выражение d_b2=d_x-d_a-d_c-d_b1, получив

Следовательно, точка возмущения, отсчитываемая от точки А, задается выражением

Точка возмущения А =

Точка возмущения, отсчитываемая от точки Е, задается выражением

Точка возмущения Е =

Интересно заметить, что этот результат иллюстрирует, что требуется знать только длину всей волоконной линии связи, d_x, a не соответствующих длин различных чувствительных и нечувствительных участков волокна в системе. Эта информация может быть легко получена на стадиях проектирования и реализации проекта или последующей реализации посредством использования оптической временной рефлектометрии (OTDR). Затем, сразу после того, как полная длина становится известной, и временная задержка Δt, измеряется системой, для определения локализации воспринимаемого возмущения используется прямое предварительное вычисление с использованием уравнений 5 и 6.

В варианте воплощения согласно фиг.2 когерентное непрерывное лазерное излучение вводится в одномодовое оптическое волокно 15 из лазерного диода 20 с гибкими выводами через волоконный изолятор 22 и распространяется вдоль оптического волокна 15. Оптическое волокно 15 сращивается путем сплавления 41 с одним плечом одномодового волоконно-оптического ответвителя 24, и свет может ответвляться в два выходных плеча ответвителя 24. Каждое из выходных плеч этого ответвителя 24 сращивается путем сплавления 42а и 42б с другими одномодовыми волоконно-оптическими ответвителями 26а и 26б, соответственно, таким образом свет из лазерного источника 20 одновременно вводится в каждый из двух других ответвителей 26а и 26б. Эти два ответвителя 26а и 26б образуют порты введения и детектирования для способа распространения во взаимно противоположных направлениях с двумя концами, использующего технику модометрического восприятия. Оптический сигнал одновременно вводится в выходные плечи 27а и 27б ответвителей 26а и 26б. Используется только по одному выходному плечу 27а и 27б из каждого ответвителя 26а и 26б, соответственно, все остальные неиспользуемые плечи исключаются или завершаются каким-либо другим способом, чтобы избежать обратного отражения 19. Выходные плечи 27а и 27б ответвителей 26а и 26б оканчиваются на одномодовых волоконно-оптических соединителях с перегородкой (через адаптеры 28а и 28б). Соединяемый одномодовый волоконный вывод 14а соединяется через адаптер 28а, так что свет из ответвителя 26а вводится в волоконную линию связи в одном направлении. Аналогично для сигнала, распространяющегося во взаимно противоположных направлениях, соединяемый одномодовый волоконный вывод 146 соединяется через адаптер 28б, так что свет из ответвителя 26б вводится в волоконную линию связи в противоположном направлении. Одномодовый волоконный вывод 14а сращивается путем сплавления 43 с одним торцом многомодового чувствительного волокна 10, а одномодовый волоконный вывод 14б сращивается путем сплавления 44 с противоположным торцом многомодового чувствительного волокна 10, таким образом формируя контур требуемой конфигурации, передающий во взаимно противоположных направлениях. Каждый из сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемый через волоконный датчик 10, проходит вдоль всей длины волоконной линии связи до тех пор, пока не достигнет противоположных концов, и вводится обратно через выводы 14а и 14б и перегородку, через адаптеры 28а и 28б в ответвители 26а и 26б, соответственно, в направлении, противоположном к исходным вводимым сигналам. Каждый из сигналов расщепляется в обратном направлении через ответвители 26а и 26б. Часть сигналов проходит обратно в первый ответвитель 24 и лазер 20, и остальная часть сигналов проходит по плечам 16а и 16б предшествующих ответвителей 26а и 26б, соответственно, которые заканчиваются на фотодетекторах 30а и 30б. Волоконный изолятор 22 используется для снижения количества света, попадающего обратно в лазерный диод. Оптические сигналы одновременно контролируются двумя фотодетекторами 30а и 30б. С использованием соответствующей электроники, схем обработки сигналов и алгоритмов производится обработка сигналов из каждого детектора 30а и 30б, и обеспечивается определение локализации 18 воспринимаемого события посредством определения временной задержки или разности между сигналами, на которые влияет одинаковое возмущение. Для того чтобы обеспечивать дополнительную временную задержку между оптическими сигналами, нечувствительные волоконно-оптические выводы 14а и 14б могут быть выполнены очень длинными.

В варианте воплощения согласно фиг.3 непрерывное когерентное лазерное излучение вводится в одномодовое оптическое волокно 15 из лазерного диода 20 с гибкими выводами через волоконный изолятор 22 и распространяется вдоль оптического волокна 15. Оптическое волокно 15 сращивается путем сплавления 41 с одним плечом одномодового волоконно-оптического ответвителя 24, и когда свет достигает ответвителя 24, он может разветвляться в два выходных плеча ответвителя 24. Каждое из выходных плеч этого ответвителя 24 сращивается путем сплавления 42а и 42б с другими одномодовыми волоконно-оптическими ответвителями 26а и 26б соответственно, таким образом свет из лазерного источника 20 одновременно вводится в каждый из двух других ответвителей 26а и 26б. Эти два ответвителя 26а и 26б образуют порты введения и детектирования для способа распространения во взаимно противоположных направлениях с двумя концами, использующего средства восприятия посредством интерферометра Маха-Цендера. Оптический сигнал одновременно вводится в выходные плечи 27а, 27в и 27б ответвителей 26а и 26б. Используется только одно выходное плечо 27б из ответвителя 26б, все остальные неиспользуемые плечи ответвителей исключаются или завершаются каким-либо другим способом, чтобы избежать обратного отражения 19. Выходные плечи 27а, 27в и 27б ответвителей 26а и 26б заканчиваются на одномодовых волоконно-оптических соединителях с перегородкой (через адаптеры 28а, 28в и 28б). Соединяемые одномодовые чувствительные волокна 10а и 10в соединяются через адаптеры 28а и 28в, соответственно, так что свет из ответвителя 26а одновременно вводится в волоконную линию связи в одном направлении. Альтернативно, с плечами 10а и 10в может быть использован дополнительный ответвитель, чтобы заменить использование плеча 27в и адаптера 28в. Аналогично, для сигнала, распространяющегося во взаимно противоположных направлениях, соединяемый одномодовый волоконный вывод 14 соединяется через адаптер 28б, так что свет из ответвителя 26б вводится в волоконную линию связи в противоположном направлении. Одномодовые чувствительные волокна 10а и 10в сращиваются путем сплавления 45 и 46, соответственно, с одним концом одномодового ответвителя 60, а одномодовый волоконный вывод 14 сращивается путем сплавления 47 с одним плечом ответвителя 60 на противоположной стороне, формируя таким образом контур, передающий во взаимно противоположных направлениях, требуемой конфигурации. Неиспользуемое плечо ответвителя 60 исключается или завершается каким-либо другим способом, чтобы избежать обратного отражения 19. Каждый из сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых через волоконную схему, проходит вдоль всей длины волоконной линии связи до тех пор, пока не достигнет противоположных концов, и вводится обратно через соединители с перегородкой 28а, 28в и 28б в ответвители 26а и 25б, соответственно, в направлении, противоположном к исходным вводимым сигналам. Каждый из сигналов расщепляется в обратном направлении через ответвители 26а и 26б. Часть сигналов проходит обратно в первый ответвитель 24 и лазер 20, а остальная часть сигналов проходит по плечам 16а и 16б предшествующих ответвителей 26а и 26б, соответственно, которые заканчиваются на фотодетекторах 30а и 30б. Волоконный изолятор 22 используется для снижения количества света, попадающего обратно в лазерный диод. Оптические сигналы одновременно контролируются двумя фотодетекторами 30а и 30б. Соответствующая электроника, схемы обработки сигналов и алгоритмы обрабатывают сигналы из каждого детектора 30а и 30б и обеспечивают определение локализации 18 воспринимаемого возмущения посредством определения временной задержки или разности между сигналами, на которые влияет одинаковое возмущение. Для того чтобы обеспечивать дополнительную временную задержку между оптическими сигналами, нечувствительный волоконно-оптический вывод 14 может быть выполнен очень длинным.

Фиг.4 иллюстрирует интегральную волоконно-оптическую систему восприятия и связи, использующую модометрический метод восприятия, и подробно описывается в примере далее.

Фиг.5 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, используемый для подтверждения реализуемости изобретения, и подробно описывается в примере далее.

Фиг.6 изображает осциллограмму, иллюстрирующую реальный отклик системы, сформированной посредством способа предпочтительного варианта воплощения изобретения, который подробно поясняется на фиг.5 и в примере далее, когда возмущение действует на волокно волоконно-оптической линии связи длиной 14,71 км.

Фиг.7 изображает другую осциллограмму, иллюстрирующую реальный отклик системы, сформированной посредством способа предпочтительного варианта воплощения изобретения, который подробно поясняется на фиг.5 и в примере далее, когда возмущение действует на волокно линии связи длиной 14,71 км.

Фиг.8 иллюстрирует объединенную волоконно-оптическую систему восприятия и связи, использующую модометрический метод восприятия и способность определять локализацию возмущения, обеспечиваемую способом предпочтительных вариантов воплощения изобретения. В практическом применении этого метода обычно бывает желательно, чтобы обе точки ввода сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, находились в одном физическом местонахождении. Это обычно достигается посредством многоволоконного кабеля, который будет эффективно формировать систему с одним концом. В такой конфигурации одно одномодовое волокно используется как коммуникационное волокно, тогда как для установки модометрического внедряемого датчика (детектирование и определение локализации событий) на специфическом нужном участке (заштрихованная область) требуется два волокна: одно одномодовое и одно многомодовое. Возмущение в любом месте вдоль многомодового волокна в заштрихованной области будет генерировать два сигнала возмущения, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Измерение временной разности в их соответствующее время прибытия на передающем конце линии связи позволяет определить локализацию возмущения.

На фиг.8 изображается коммуникационный кабель 150, который включает коммуникационное волокно 151. Один торец волокна 151 соединяется с передатчиком 152, а другой торец - с приемником 153. Передатчик 152 передает данные в волокно 151 для приема приемником 153.

Кабель 150 также включает многомодовое волокно 155, которое сращивается с одномодовым волокном 156 в точке сращивания 157. Дополнительное одномодовое волокно 158 сращивается с многомодовым волокном 155 в точке 159. Волокна 155, 156 и 158 формируются в конфигурации контура внутри кабеля 150 так, чтобы торцы 160 и 161 непрерывного волокна, сформированного волокнами 155, 156 и 158, были смежными друг другу.

Как объяснялось ранее, сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, вводятся в два торца 160 и 161 волокон 155, 156 и 158, а детекторы (не показаны) располагаются для детектирования двух распространяющихся во взаимно противоположных направлениях сигналов, которые испускаются из двух торцов 160 и 161.

Любая попытка вторгнуться в кабель 150, чтобы физически достать волокно 151, неизбежно внесет возмущение в многомодовое волокно 155, которое является чувствительным волокном, и следовательно, два сигнала возмущения, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, будут производиться и детектироваться на торцах 160 и 161 вышеописанным способом. Определяя временную разность между приемом двух измененных или возмущенных сигналов, можно определить локализацию попытки взлома.

Хотя в предпочтительном варианте воплощения, показанном на фиг.8, волокна 155, 156 и 158 образуют друг с другом контур, так что два конца 160 и 161 являются смежными друг с другом, можно было бы обеспечить одно чувствительное многомодовое волокно, которое проходит в основном параллельно с волокном 151, вводит свет в оба конца волокна из противоположных концов кабеля 150, и также детектирует свет из обоих концов, а также осуществить синхронизацию фотодетекторов таким образом, получить временную разность для определения локализации попытки взлома.

Предпочтительные варианты воплощения изобретения были протестированы, что иллюстрируется на следующих примерах. Способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по оптическому волокну, и соответствующие системы были сконструированы, чтобы продемонстрировать реализуемость выполнения изобретения, описанного здесь. В следующих примерах описываются не все результаты, полученные к настоящему времени.

Пример: определение локализации точки возмущения с использованием модометрического эффекта.

Давно известно, что, когда многомодовое оптическое волокно подвергается возмущению, возмущение оказывает влияние на распределение мод. Эта модуляция распределения мод в многомодовом волокне известна как модометрический эффект. Модометрический эффект в многомодовом волокне может быть использован для восприятия и контроля вибраций, возмущений или движения самого волокна или любой структуры или объекта, к которому прикреплено волокно, посредством детектирования изменения интенсивности в спекл-интерферограмме на выходе волокна. Следовательно, модометрические датчики могут быть использованы как вибрационные датчики в структурном контроле, контроле состояния высоковольтного оборудования, в детектировании вторжения в кабели или трубопроводы и в охране периметра ограждения.

Сначала оптические волокна размещались в основном в системах связи высокой протяженности и быстродействия. Однако с уменьшением стоимости оптоволоконного кабеля, а также оптоэлектронных источников и детекторов в настоящее время оптические волокна используются в качестве главного средства связи во многих других коммуникационных применениях типа магистралей локальной сети/глобальной сети (LAN/WAN), в частных коммуникационных сетях многих малых и больших организаций (т.е. банки, оборона, правительство, общественные предприятия коммунального обслуживания и транснациональные корпорации). Многие из их коммуникационных сетей осуществляют передачу важной информации, что создало высокий приоритет безопасности линий связи.

Модометрический эффект легко и эффективно может использоваться для защиты против вторжения в оптоволоконный кабель или вандализма. Типичная компоновка, в которой сбор информации интегрируется в волоконно-оптическую систему связи, изображена на фиг.4.

Обе системы, как система 100а восприятия (т.е. лазер) и 100б (детектор и процессор), так и система 200а связи (передатчик) и 200б (приемник) интегрируются в одно и то же оптическое волокно 10. Длина волны системы восприятия выбирается так, чтобы не вносить помех в сигнал связи (через мультиплексирование с разделением по длинам волн), а также так, чтобы волоконная линия связи была многомодовой для длины волны восприятия. Возможно несколько других конфигураций, однако все они работают по одному принципу. Модометрический блок обработки будет детектировать любое возмущение в любой точке вдоль волоконной линии связи.

До сих пор модометрический эффект восприятия имел только способность восприятия возмущений вдоль чувствительной длины оптического многомодового волокна, не имея способности точного определения точки возмущения. Последние эксперименты, выполненные заявителями, показали, что согласно описанному здесь способу изобретения теперь можно определять локализацию возмущения посредством определения временной задержки между двумя сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях. Далее описывается экспериментальная работа для компоновки, изображенной на фиг.5.

Компоновка, описанная на фиг.5, подобна компоновке фиг.1, с двумя световыми сигналами А¹ и В¹, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях в волоконно-оптической линии связи. Чувствительное волокно 10 (которое, например, может иметь длину 2 км и располагаться между точками 105 и 107 сращивания) может быть волокном специального назначения в волоконном кабеле или таким волокном, как коммуникационное волокно. Волокно 10 соединяется с нечувствительными вводными волокнами 109 и 111, которые образуют концы световодной сети. Вводное волокно 109 соединяется с нечувствительным волокном 113 значительной длины (например, 5 км) в точке сращивания 115, а волокно 113 сращивается в точке сращивания 117 с чувствительным многомодовым волокном 119. Волокно 119 соединяется с волокном 10 в точке сращивания 107. Волокно 119 может быть значительной длины, например, равной 8,8 км. Если к многомодовому волокну в указанной точке (точка А) будет приложено возмущение Р, то будут генерироваться два одинаковых или подобных сигнала, изменяющихся во времени, согласующиеся с модометрическим эффектом, каждый из сигналов распространяется во взаимно противоположных направлениях. Сигнал возмущения, согласующийся с входом 1 (PS1), достигнет порта 2 (выход 1) до того, как сигнал возмущения, соответствующий входу 2 (PS2), достигнет порта 1 (выход 2). Это обусловлено тем, что сигнал PS2 должен пройти через более длинное оптическое волокно, чем сигнал PS1, например большее на 14,71 км (разница между расстоянием от точки А до порта 1 и от точки А до порта 2). Локализация возмущения может быть рассчитана посредством измерения временной задержки между двумя сигналами возмущения. В вышеупомянутой конфигурации, принимая показатель преломления для волокна равным 1,457, временная разность между двумя сигналами может быть вычислена как

Было осуществлено несколько измерений на оптоволоконной установке с пропусканием излучения во взаимно противоположных направлениях, описанной на фиг.5. Для измерения возмущения использовалась такая же экспериментальная установка, как подробно описана на фиг.2, а для осуществления выборки сигналов возмущения и для ручного измерения результирующей временной разности использовался цифровой осциллограф типа Hewlett Packard 54810А Infinium. Фиг.6 и 7 иллюстрируют результаты двух таких выборок данных. Как можно видеть из обоих выборок, имеется явная задержка между двумя сигналами возмущения, которая была измерена равной 65 и 70 мкс соответственно, сравнительно хорошо согласующаяся с теоретическим вычислением 71,5 мкс. Ошибка (приблизительно 300 м) может быть результатом предположения о значении эффективного показателя преломления волокон. и погрешности при ручном измерении временной задержки. Эти ошибки могли бы быть уменьшены при знании действительного эффективного показателя преломления волокна и при использовании средства цифровой обработки сигнала для точного определения временной задержки.

Фиг.9 и 10 изображают дополнительные варианты воплощения изобретения, в которых используется общий световод как для передачи данных (например, линия оптоволоконной связи), так и для формирования чувствительного волокна для определения любой попытки возмущений волокна. Эти варианты воплощения имеют специфическое применение для обеспечения безопасности линий связи и для индикации любой попытки вторгнуться в линию связи, чтобы ответвить данные из линии связи. Фиг.10 изображает конфигурацию контура, а фиг.9 - конфигурацию без контура.

На фиг.9 оптическое волокно 200 образует линию связи для передачи данных из одного места в другое. Волокно 200 предпочтительно является одномодовым на длине волны 1550 нм (которая будет длиной волны передачи данных) и многомодовым волокном на длине волны 850 нм (которая будет частотой восприятия). Данные вводятся в волокно 200 из передатчика 210, который может включать лазерный диод с гибкими выводами, с интегрированным изолятором так, чтобы сигналы данных вводились в одномодовое волокно 212 на длине волны 1550 нм. Волокно 212 сращивается в точке 213 с волокном 214, которое соединяется к одному плечу ответвителя 216. Выход ответвителя 216 сращивается в точке 218 с ответвителем 220. Одно из плеч ответвителя 220 сращивается с одномодовым волокном 221, которое сращивается в точке 222 со следующим одномодовым волокном 224. Волокна 221 и 224 являются одномодовыми на длине волны 1550 нм. Волокно 224 соединяется к детектору 226, который является чувствительным к длине волны 1550 нм.

Первая система 240 восприятия с распространением сигналов во взаимно противоположных направлениях соединяется к другому плечу ответвителя 216 посредством одномодового волокна 241 и многомодового волокна-плеча 242 ответвителя 216, которые сращиваются между собой в месте сращивания 243. Волокна 241 и 242 являются одномодовым и многомодовым, соответственно, на длине волны 850 нм, которая является длиной волны восприятия, используемой в варианте воплощения фиг.9. Система 240 восприятия с распространением сигналов во взаимно противоположных направлениях включает передатчик, например лазерный диод с гибкими выводами, для введения света на длине волны 850 нм в волокно 241 и детектор для детектирования света, испускаемого из волокна 241, способом, который будет описан в дальнейшем. Система 240 может быть идентичной лазерному диоду 20 с гибкими выводами и детектору 30а, которые описаны со ссылкой на фиг.2. Система 240 может включать соответствующие ответвители для обеспечения возможности введения света в волокно 241 из лазерного диода с гибкими выводами и для обеспечения возможности приема света из волокна 241 детектором. Таким образом, световой сигнал восприятия вводится в волокно 241 из системы 240 восприятия с распространением сигналов во взаимно противоположных направлениях на длине волны 850 нм и объединяется с сигналом передачи данных из передатчика 210 в ответвителе 216. Оба сигнала: и сигнал передачи данных на длине волны 1550 нм, и сигнал восприятия на длине волны 850 нм проходят по волокну 200.

Ответвитель 220 имеет второе плечо, которое подсоединяется к многомодовому волокну 249, которое, в свою очередь, сращивается в точке сращивания 250 с следующим одномодовым волокном 251.

Волокна 249 и 251 являются, соответственно, многомодовым и одномодовым на длине волны 850 нм. Волокно 251 присоединяется к системе 260 восприятия с распространением сигналов во взаимно противоположных направлениях, которая идентична системе 240. Таким образом, система 260 и вводит и принимает световые сигналы восприятия на длине волны 850 или 670 нм в волокна 251 и 249 для распространением во взаимно противоположных направлениях в волокне 200 сигналов, которые вводятся системой 240.

Сигнал данных на длине волны 1550 нм, который проходит по волокну 200, вводится в волокна 221 и 224 ответвителем 220 с некоторой частью сигнала на длине волны 850 нм. Детектор 226 детектирует только сигнал на длине волны 1550 нм, и следовательно, данные, которые передаются из передатчика 210, он является InGaAs (арсенид индия-галия) детектором. Отражатели в системах 240 и 260 являются отражателями кремниевого (Si) типа и чувствительны только к длинам волн 850 и 670 нм.

Сигналы восприятия, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, которые вводятся системой 240 и 260, проходят в противоположных направлениях вдоль волокна 200, являющееся многомодовым на длинах волн 850 или 670 нм. Таким образом, многомодовое волокно 200 образует чувствительное волокно вдоль всей его длины, поскольку оно является многомодовым на длине волны 850 или 670 нм, и, следовательно, любая попытка вторгнуться в волокно 200 так, чтобы ответвить данные из волокна 200, вызовет изменение в световом сигнале на длине волны 850 или 670 нм, вводимом в волокно 200, так что изменяемые сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, которые изменяются из-за возмущения, вызванного попыткой вторгнуться в волокно, принимаются детектором в каждой из систем 240 и 260. Локализация попытки взлома может быть определена способом, описанным в предыдущих вариантах воплощения, посредством определения временной разности между приемом измененных сигналов в системе 240 и системе 260, так чтобы можно было определить положение вдоль длины волокна 200.

Детекторы в системах 240 и 260 синхронизируются соответствующим образом друг с другом с тем, чтобы можно было определить разность во времени приема измененного сигнала в системе 240 и приема измененного сигнала в системе 260.

Фиг.10 изображает еще один вариант воплощения, который подобен варианту воплощения фиг.9, за исключением того, что вместо двух систем 240 и 260 восприятия с распространением сигналов во взаимно противоположных направлениях используется единственная система 270, и волокно 271 возвратного контура подсоединяется к ответвителю 220 так, что волокно 200 эффективно образует обратный контур с одной системой 270 так же, как описано со ссылкой на фиг.2, 3, 5 и 8. Волокно 271 является одномодовым на длине волны восприятия, так что оно является нечувствительным, и, следовательно, любая попытка вторгнуться в волокно 200 вызовет изменение сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, введенных в волокно 200, но возмущение волокна 271 не вызовет никакого изменения сигналов в волокне 271, так что можно будет детектировать точку попытки взлома в волокне 220.

В этом варианте воплощения сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, вводятся из системы 270 в волокно 241 и также в волокно 271 для распространения во взаимно противоположных направлениях вдоль волокна 200 одновременно с сигналом данных, вводимым из передатчика 210. Сигнал данных принимается детектором 226 так же, как описано со ссылкой на фиг.9. Этот вариант воплощения имеет преимущество размещения детекторов для детектирования сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, в одном месте, посредством этого избегая необходимости дистанционной синхронизации детекторов, которые находятся в разных местонахождениях, как в варианте воплощения фиг.9.

В предпочтительных вариантах воплощения изобретения измененные сигналы, которые детектируются детекторами, испытывают влияние любого параметра световых сигналов, который изменяется вследствие возмущения чувствительного волокна. Параметром может быть интенсивность сигнала, так что детекторы для детектирования сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, эффективно отслеживают интенсивность принимаемого сигнала и, когда интенсивность изменяется, это является показателем приема измененного сигнала, вызванного возмущением чувствительного волокна.

Оптические приборы и системы, выполненные посредством способа настоящего изобретения, полезны в разнообразных применениях и областях. Следующие примеры, не ограничивающие, а иллюстративные, иллюстрируют некоторых потенциальных пользователей волоконно-оптических способов восприятия и определения локализации, описанных здесь: фирмы обслуживания дорог, рельсов, дамб и мостов; владельцы, операторы и страховые компании; компании строительства трубопроводов, подрядчики и операторы; нефтяные и нефтехимические компании; удаленные от берега операторы нефтяных платформ и фирмы обслуживания; охранные фирмы ограждений; охранные фирмы; правительственные и военные организации; энергетика; энергетическое, водное и топливное оборудование; владельцы и операторы башен; авиастроители, ремонтники и операторы; фирмы, осуществляющие контроль, и изготовители оборудования; исследовательские и разрабатывающие компании и лаборатории; изготовители инструментов и датчиков; изготовители и операторы спортивного оборудования и средств обслуживания; операторы рудников; владельцы, операторы и ремонтники морских судов; фирмы обеспечения и охраны качества; фирмы управления строениями; промышленные операторы оборудования и изготовители; изготовители, владельцы и операторы атомных электростанций.

Изобретение преодолевает недостатки и ограничения многих существующих оптоволоконных методов распределенного восприятия. Более того, оно способно детектировать и определять локализацию динамических и переходных возмущений, и оно менее сложное и более дешевое, чем большинство других волоконно-оптических распределенных датчиков, способных определять локализацию возмущений. Такие системы могли бы предложить более низкую стоимость и увеличенные эксплуатационные преимущества и защиту, по сравнению с существующими технологиями, и имеют потенциальные возможности для краткосрочного и долгосрочного контроля установок на заводах и экологии окружающей среды.

Специалистам должно быть понятно, что, не отклоняясь от сущности и не выходя за рамки изобретения, могут быть выполнены другие его модификации. Следовательно, вышеописанные варианты воплощения должны рассматриваться как иллюстративные, а не как ограничительные. Рамки изобретения определяются приложенной формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля структуры и для определения местоположения локального возмущения, включающее источник света, световод, выполненный с возможностью подсоединения к структуре, причем указанный световод предназначен для приема света из источника света таким образом, чтобы свет распространялся в двух направлениях вдоль световода, для обеспечения оптических сигналов, распространяющихся в световоде во взаимно противоположных направлениях, световод, способный пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или характеристику сигналов, зависимых или испытывающих влияние от внешнего параметра, вызываемого указанным возмущением или являющегося показателем возмущения, и обеспечивающим получение измененных оптических сигналов, распространяющихся вдоль световода во взаимно противоположных направлениях, которые продолжают распространяться вдоль световода, и средства детектора, предназначенные для детектирования измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет указанный параметр, и для определения временной разности между приемом измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, с целью определения местоположения локального возмущения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что световод изготовлен из двуокиси кремния.

3. Устройство по одному из п.1 или 2, отличающееся тем, что источник света предназначен для введения света одновременно в противоположные торцы световода.

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в качестве источника света используется одиночный источник света.

5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что в качестве световода используются одно или более оптических волокон, которые образуют оптическое волокно, чувствительное к возмущениям.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что к упомянутому световоду на любом или на обоих торцах могут быть присоединены дополнительные световоды, изготовленные из двуокиси кремния, для того, чтобы вносить дополнительную задержку между передаваемыми сигналами, распространяющимися во взаимно противоположных направлениях, а также чтобы обеспечить нечувствительные вводные световоды.

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что средства детектора содержат: первый и второй фотодетекторы для одновременного приема излучения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в световоде, и средство обработки для приема сигналов из первого и второго фотодетекторов с целью определения временной задержки или разности между сигналами, на которые влияет одно и то же возмущение, и, следовательно, для определения локализации воспринимаемого события.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между источником света, фотодетекторами и световодом, изготовленным из двуокиси кремния, устанавливается световодный ответвитель или набор ответвителей, так, чтобы свет мог одновременно передаваться из источника света в оба торца световода, изготовленного из двуокиси кремния, причем средства детектора присоединяются к ответвителю или к ответвителям так, чтобы передаваемое излучение, распространяющееся во взаимно противоположных направлениях, могло быть направлено через ответвитель или ответвители из световода, изготовленного из двуокиси кремния, в средство детектора.

9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что световод предназначен для подсоединения к структуре, для осуществления контроля структуры.

10. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что структура содержит световод, предназначенный для передачи данных из одного места в другое, и световод, одновременно принимающий свет из источника света, чтобы обеспечить оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, так чтобы обеспечить возможность целостности или защиты контролируемого световода.

11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что детектор также идентифицирует и количественно определяет параметр из измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях.

12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что световод устанавливается в конфигурации контура, так чтобы свет мог одновременно вводиться в оба торца световода из единственного источника света.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что сигналы данных подаются в световод таким образом, чтобы световод функционировал в качестве линии связи для передачи данных с одного места в другое, и чтобы введение в световод оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, обеспечивало возможность целостности или защиты контролируемого световода.

14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что световод подсоединяется к структуре, которую необходимо контролировать.

15. Способ контроля структуры путем определения местоположения локального возмущения, включающий введение света в световод таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль световода, для обеспечения оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в световоде, причем используют световод, способный пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или пропускать характеристику сигналов, которая может изменяться или на которую может влиять внешний параметр, вызываемый возмущением, для обеспечения измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, которые продолжают распространяться вдоль световода, и детектирование измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет параметр, а также определение временной разности между приемом измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что свет вводится в оба торца световода для обеспечения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что свет вводится в оба торца световода из одиночного источника света.

18. Способ по п.15, в котором осуществляется определение количественного значения параметра и идентифицирование параметра из измененных сигналов.

19. Способ с использованием сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, передаваемых по световоду, для определения локализации возмущений в оптических световодах, включающий использование чувствительного оптического волокна, сформированного из световодного материала, сконструированного для одновременной передачи оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, использование детектора, обеспечивающего определение локализации возмущения в оптических световодах, использование вводного оптического волокна, сформированного из световодного материала, которое действует как нечувствительный световод между чувствительным волокном и детектором, использование вводного оптического волокна, сформированного из световодного материала, которое действует как нечувствительный световод между чувствительным волокном и источником света, соединение световода-датчика и вводных оптических волокон таким образом, чтобы сердцевины световодов были центрированы и оставались фиксированными в месте сращивания, введение световых сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, в чувствительное оптическое волокно и вводные оптические волокна, при этом световые сигналы изменяются при возмущении чувствительного оптического волокна, так что измененные сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, продолжают распространяться вдоль чувствительного волокна, подачу измененных сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, из световодного волокна, через вводные оптические волокна в детектор, так, чтобы можно было измерить временную разность между приемом измененных сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, и использовать полученные данные для определения локализации воспринимаемого возмущения, а также регистрацию изменений в оптических сигналах световодного датчика для количественного выражения и/или идентифицирования воспринимаемого параметра возмущения.

20. Устройство для контроля оптоволоконной линии связи, в которую вводятся сигналы данных и из которой принимаются сигналы данных, путем определения местоположения локального возмущения линии связи, включающее источник света для введения света в линию связи таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль линии связи для обеспечения оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в линии связи, линию связи, способную пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или характеристику сигналов, которые изменяются или на которые влияет возмущение, и обеспечивающую получение измененных и распространяющихся во взаимно противоположных направлениях оптических сигналов, которые продолжают распространяться вдоль линии связи, и средства детектора, предназначенные для детектирования измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, и для определения временной разности между приемом измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, с целью определения локализации возмущения.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что линия связи является световодом, изготовленным из двуокиси кремния.

22. Устройство по п.20 или 21, отличающееся тем, что источник света предназначен для введения света одновременно в противоположные торцы световода.

23. Устройство по любому из пп.20-22, отличающееся тем, что в качестве источника света используется одиночный источник света.

24. Устройство по любому из пп.20-23, отличающееся тем, что средство детектора содержит: первый и второй фотодетекторы для одновременного приема излучения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях в линии связи, и средство обработки для приема сигналов из первого и второго фотодетекторов с целью определения временной задержки или разности между сигналами, на которые влияет одно и то же возмущение, и следовательно, с целью определения локализации возмущения.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что между источником света, фотодетекторами и линией связи устанавливается световодный ответвитель или набор ответвителей так, чтобы свет мог одновременно передаваться из источника света в оба торца линии связи, причем средство детектора подсоединяется к ответвителю или к ответвителям так, чтобы сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, могли быть направлены через ответвитель или ответвители из линии связи в средство детектора.

26. Способ контроля оптоволоконной линии связи, в которую вводятся сигналы данных и из которой принимаются сигналы данных, путем определения местоположения локального возмущения линии связи, включающий введение света в линию связи таким образом, чтобы свет распространялся в обоих направлениях вдоль линии связи, и получение оптических сигналов, распространяющихся в линии связи во взаимно противоположных направлениях, использование линии связи, способной пропускать оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, или характеристику сигналов, которые изменяются или на которые влияет возмущение, для того, чтобы получить изменяющиеся оптические сигналы, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, которые продолжают распространяться вдоль линии связи, и детектирование измененных оптических сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях, на которые влияет указанное возмущение, а также определение временной разности между приемом измененных сигналов для определения местоположения локального возмущения.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что свет вводится в оба конца линии связи для обеспечения сигналов, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях.

28. Способ по п.26, отличающийся тем, что свет вводится в оба конца линии связи из одиночного источника света.

Приоритет по пунктам:

18.12.1998 по пп.1-12, 14-25;

03.05.1999 по пп.13, 26-28.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10