Волоконно-оптическое акустическое измерение



Волоконно-оптическое акустическое измерение
Волоконно-оптическое акустическое измерение
Волоконно-оптическое акустическое измерение
Волоконно-оптическое акустическое измерение
Волоконно-оптическое акустическое измерение
Волоконно-оптическое акустическое измерение

 


Владельцы патента RU 2518978:

ОПТАСЕНС ХОЛДИНГЗ ЛИМИТЕД (GB)

Изобретение относится к волоконно-оптическому распределенному акустическому измерению для регистрации P- и S-волн в твердой среде. Распределенного акустического измерения можно добиться с использованием немодифицированной волоконной оптики, запуская оптические импульсы в волокно и регистрируя излучение, которое испытывает рэлеевское обратное рассеяние, оттуда. Анализируя отклики в бинах анализа, можно регистрировать акустические возмущения в совокупности дискретных продольных отрезков волокна. Технический результат - обеспечение распределенного волоконно-оптического акустического измерения S- и P- волн. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическому акустическому измерению и, в частности к волоконно-оптическому распределенному акустическому измерению.

Известны различные акустические датчики на основе волоконной оптики. Многие такие датчики используют сложное интерферометрическое оборудование и/или волоконно-оптические точечные датчики или отражающие элементы, размещенные на протяжении длины волокна, для обеспечения акустического измерения.

В последнее время было предложено использование внутреннего рассеяния из непрерывного отрезка волоконно-оптического кабеля, т.е. использование стандартного волоконно-оптического кабеля без намеренно внедренных отражающих элементов, например, волоконной брэгговской решетки и т.п. В GB опубликованной патентной заявке № 2,442,745 описана система, в которой акустические колебания регистрируются путем запуска совокупности групп импульсно-модулированных электромагнитных волн в стандартное оптическое волокно. Частота одного импульса в группе отличается от частоты другого импульса в группе. Рэлеевское обратное рассеяние света от внутренних отражающих элементов в волокне дискретизируется и демодулируется на разности частот между импульсами в группе. Используется N разных бинов анализа, каждый из которых связан с конкретным отрезком волокна, и можно регистрировать акустическое возмущение в отдельном бине анализа.

Использование таких волоконных систем распределенного акустического измерения было предложено для мониторинга периметра или мониторинга нефте- или газопроводов. Однако, в общем случае, такие акустические системы известны для регистрации акустического события в конкретном бине анализа, например, для указания нарушения охраняемого периметра в конкретной точке.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение новых приложений волоконных систем распределенного акустического измерения и способов и устройства, относящихся к волоконному распределенному акустическому измерению для использования в таких приложениях.

В первом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ регистрации P- и S-волн в твердой среде, содержащий этапы, на которых: регулярно запускают, по меньшей мере, первый оптический импульс и второй оптический импульс в оптическое волокно, находящееся, по меньшей мере, частично, в твердой среде, причем первый и второй импульсы имеют первую разность оптических частот; регистрируют свет, который испытывает рэлеевское обратное рассеяние из оптического волокна; анализируют свет, претерпевший обратное рассеяние, для определения меры возмущения для каждого из совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна, и анализируют развитие возмущения в дискретных продольных измерительных участках для регистрации P- и S-волн.

Таким образом, этот первый аспект настоящего изобретения предусматривает способ регистрации P- и S-волн, распространяющихся в твердой среде, например грунте или структуре, сформированной из материала, например бетона и т.п.

P- и S-волны представляют разные типы волн, которые могут распространяться в материале, в зависимости от характера возбуждения. P-волны, иногда именуемые первичными волнами или волнами давления, представляют собой волны сжатия, которые могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах. S-волны, иногда именуемые вторичными или сдвиговыми волнами, представляют собой поперечные волны и возникают только в твердом материале. Заметим, что используемый здесь термин «твердый» применяется исключительно для обозначения отличия от жидкостей и газов и не подразумевает какой-либо непрерывный материал. Твердый материал может представлять собой агрегат или коллоидную смесь, например почву, песок или т.д.

Способ предусматривает использование оптического волокна, которое может быть, например, немодифицированным оптическим волокном, например, используемым для приложений телекоммуникационного типа, которое располагается, по меньшей мере, частично в твердой среде, т.е., по меньшей мере, какая-то часть волокна пролегает в материале. Удобно, чтобы волокно полностью или по большей части располагалось в среде.

Способ предусматривает распределенное акустическое измерение. По меньшей мере, два оптических импульса запускаются в оптическое волокно, и излучение, претерпевшее рэлеевское обратное рассеяние, регистрируется. Чтобы гарантировать, что излучение является излучением, претерпевшим рэлеевское обратное рассеяние, оптическая мощность импульсов поддерживается ниже порога нелинейности оптического волокна, т.е. ниже пороговой мощности, за пределами которой могут возникать нелинейные оптические эффекты. Зарегистрированное излучение анализируется для определения меры возмущения для каждого из совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна. Определенное возмущение является мерой механических колебаний, действующих на волокно на этом конкретном участке волокна. Волокно, в сущности, выступает в роли последовательности независимых акустических датчиков, распределенных с регулярным интервалом на протяжении длины волокна.

Как упомянуто выше, распределенное акустическое измерение известно для использования в ситуациях, когда желательно определять местоположение конкретного акустического события на измерительном участке волокна.

Однако, в общем случае, в таких известных системах распределенного акустического измерения (DAS), обработка ищет акустическое событие, происходящее на измерительном участке волокна, которое имеет амплитуду, превышающую порог.

Настоящее изобретение частично опирается на тот факт, что система DAS может обеспечивать достаточную информацию для регистрации P- и S-волн, распространяющихся в среде. Традиционная система DAS не предусматривает регистрацию обеих P- и S-волн. В традиционной системе DAS отслеживаемое возмущение может быть таким, чтобы S-волны не генерировались с большой амплитудой.

Способ согласно этому аспекту настоящего изобретения предусматривает использование развития возмущений, регистрируемых системой DAS, для идентификации P- и S-волн. P- и S-волны имеют разные характеристики прохождения через материал, и, в общем случае, S-волны распространяются медленнее P-волн в определенном отношении, хотя абсолютные скорости зависят от конкретного материала, в котором распространяются волны. Таким образом, если удаленное событие генерирует обе P- и S-волны, P-волна будет приходить раньше S-волны. Этот аспект настоящего изобретения использует этот факт для обеспечения регистрации и идентификации P- и S-волн. Для любого данного измерительного участка оптического волокна возмущение, вызванное P-волнами, будет происходить раньше возмущения, вызванного S-волной. В традиционных системах DAS любые падающие S-волны, приходящие вскоре после P-волн, будут наблюдаться как часть общего акустического возмущения и не будут распознаваться как отдельная объемная волна.

Таким образом, способ может содержать этап, на котором идентифицируют первую последовательность возмущений в совокупности дискретных продольных измерительных участков волокна, сопровождаемую второй, связанной последовательностью возмущений. Другими словами, способ содержит этапы, на которых регистрируют возмущения, вызванные P-волной, сопровождаемые возмущениями, вызванными S-волной. Вторая последовательность возмущений связана с первой последовательностью возмущений таким образом, что, по существу, одни и те же дискретные продольные измерительные участки испытывают возмущение, по существу, одного порядка в каждой из первой и второй последовательностей. Другими словами, если P-волна из конкретного источника падает на волокно, она может вызывать возмущение в различных отрезках волокна в определенной последовательности. Например, представим себе линейное волокно, на которое сбоку падает P-волна. В первый период времени P-волна может падать на первый измерительный участок, в результате чего в этой точке регистрируется возмущение сравнительно большой амплитуды. В следующий период времени P-волна может достигнуть отрезков волокна с любой стороны от первого измерительного участка. В последующие периоды времени волна может падать на отрезки все более и более удаленные от первого отрезка. В некоторый момент придет S-волна и упадет на первый отрезок, вызвав другое большое возмущение на первом отрезке. Затем S-волна будет последовательно падать на соседние отрезки и все более удаленные отрезки, и, таким образом, возникнет аналогичная последовательность возмущений. Настоящее изобретение предусматривает использование такой характерной последовательности возмущений для идентификации P- и S-волн.

Вышеописанный простой пример не учитывает изменений скорости распространения, которые могут применяться к другой части падающих волн. Например, для P- и S-волн, распространяющихся в грунте, тип породы или другого материала, в котором распространяются волны, будет влиять на скорость распространения волн. Таким образом, поскольку разные части P-волны могут распространяться в разных материалах, волновой фронт может иметь более сложную форму, чем указано выше. Кроме того, возможно, что волновой фронт для P-волны отличается от волнового фронта S-волны. Однако, в общем случае, по существу, одни и те же дискретные измерительные участки будут подвергаться воздействию P-волны в, по существу, том же порядке, что и для S-волны. Таким образом, этот аспект настоящего изобретения использует регистрацию возмущений на нескольких разных дискретных измерительных участках для регистрации и идентификации конкретного события, в этом случае падения P- и S-волн.

Поскольку S-волны распространяются медленнее, чем P-волны, вторая последовательность возмущений развивается медленнее, чем первая последовательность возмущений, т.е. разность времен между регистрацией возмущения на одном измерительном участке и другом, удаленном измерительном участке будет больше для возмущений, вызванных S-волной, чем для возмущений, вызванных P-волной. Это изменение скорости развития возмущений также можно использовать для идентификации возмущений, вызванных P- и S-волнами.

Очевидно, что количество измерительных участков волокна, испытывающих возмущение, вызванное P- и S-волнами, зависит от относительной интенсивности P- и S-волн, когда они достигают оптического волокна, и пространственного размера измерительных участков. Пространственный размер дискретного измерительного участка определяется импульсами, запускаемыми в волокно. Минимальный пространственный размер частично зависит от длины волокна. Импульсы ограничены по мощности таким образом, чтобы в волокне не возникали нелинейные эффекты, и для данной ширины импульса существует максимальная длина, при превышении которой невозможно надежно регистрировать излучение, претерпевшее обратное рассеяние. Пространственный размер дискретных измерительных участков во многих вариантах осуществления может быть меньше или равен 30 м, и в определенных вариантах осуществления меньше или равен 20 м или 10 м. В определенных вариантах осуществления оптическое волокно опрашивается для обеспечения измеренных данных на расстоянии, большем или равном 20 км, и в других вариантах осуществления достижимы расстояния, большие или равные 30 км или 40 км.

Способ может содержать этап, на котором анализируют развитие возмущения дискретных продольных измерительных участков совместно с положением каждого дискретного продольного измерительного участка для идентификации первого волнового фронта, сопровождаемого вторым, более медленным волновым фронтом. Другими словами, если относительные положения дискретных измерительных участков известны, можно определить фактические волновые фронты P- и S-волн. В общем случае, предполагается, что P- и S-волны имеют волновые фронты аналогичной формы, но они развиваются с разными скоростями распространения. Способ может содержать этап, на котором определяют степень кривизны одного или обоих из первого волнового фронта и второго волнового фронта. Если оптическое волокно размещено в прямолинейной конфигурации, относительное положение дискретных измерительных участков просто соответствует дальности до соответствующего измерительного участка. Однако, возможны другие конфигурации волокна, например петлевая или криволинейная конфигурация, и в этом случае геометрия волокна может храниться в памяти или поисковой таблице и т.п.

Способ может содержать дополнительный этап, на котором анализируют зарегистрированные P- и S-волны для определения источника P- и S-волн. Таким образом, этот аспект настоящего изобретения предусматривает способ определения положения источника акустического или сейсмического события путем регистрации и идентификации P- и S-волн, вызванных этим событием, и затем с использованием P- и S-волн определения положения события.

Различие во времени прихода P- и S-волн на двух или более разных дискретных продольных измерительных участках можно использовать для определения источника P- и S-волн. Хотя абсолютная скорость зависит от материала, в котором распространяются волны, S-волны, в общем случае, распространяются со скоростью примерно 0,6 от скорости P-волн. Если существует первая разность времен между регистрацией P-волны и последующей регистрацией S-волны на первом дискретном измерительном участке и вторая разность времен между временами прихода P- и S-волн на втором дискретном участке, отношение первой и второй разностей времен, предположительно, равно отношению расстояний первого и второго измерительных участков от источника. На основании разностей времен для нескольких разных измерительных участков можно определить источник P- и S-волн. Заметим, однако, что, если волокно является, по существу, прямолинейным, то с определением источника может быть связана некоторая неопределенность. Способ может также предусматривать использование формы, по меньшей мере, одного первого и второго волновых фронтов для определения источника P- и S-волн.

Хотя способ описан применительно к опрашиванию волокна и обработке полученных данных, данные не требуется обрабатывать в реальном времени или в положении оптического источника и детектора. Данные можно записывать для дальнейшего анализа и/или передавать в удаленное положение для обработки.

Во втором аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ обработки данных распределенного акустического датчика для регистрации P- и S-волн, содержащий этапы, на которых: берут данные, соответствующие совокупности измерений регистрируемого света, который испытывает рэлеевское обратное рассеяние, после чего регулярно запускают, по меньшей мере, первый и второй оптические импульсы, между которыми существует разность оптических частот, в оптическое волокно, по меньшей мере, частично содержащееся в твердой среде; анализируют данные для определения меры возмущения для каждого из совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна, и анализируют развитие возмущения в дискретных продольных измерительных участках для регистрации P- и S-волны.

Этот способ обработки допускает использование всех вышеописанных вариантов осуществления в отношении первого аспекта изобретения и также извлекает все их преимущества.

Изобретение также предусматривает компьютерную программу и компьютерный программный продукт для осуществления любого из описанных здесь способов и/или для реализации любого из описанных здесь признаков устройства, и компьютерно-считываемый носитель, на котором хранится программа для осуществления любого из описанных здесь способов и/или для реализации любого из описанных здесь признаков устройства. Надлежащим образом запрограммированный компьютер может управлять и оптический источник и принимать данные от надлежащего оптического детектора. Компьютерная программа может быть реализована в сигнале передачи.

Настоящее изобретение также относится к устройству для регистрации P- и S-волн. Таким образом, в дополнительном аспекте изобретения предусмотрено устройство для регистрации P- и S-волн в твердой среде, содержащее: оптическое волокно, находящееся, по меньшей мере, частично, в среде; оптический источник, приспособленный запускать, по меньшей мере, первый оптический импульс и второй оптический импульс в оптическое волокно, причем первый и второй импульсы имеют первую разность оптических частот, оптическая мощность импульсов ниже порога нелинейности, оптический детектор, приспособленный для регистрации рэлеевского обратного рассеяния из оптического волокна; и процессор, приспособленный: анализировать свет, претерпевший обратное рассеяние, для определения меры возмущения для совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна; и анализировать развитие возмущения в дискретных продольных измерительных участках для регистрации P- и S-волн.

Устройство согласно этому аспекту изобретения может содержать процессор, приспособленный осуществлять способ согласно первому или второму аспектам изобретения. Устройство этого аспекта изобретения дает все те же преимущества и может быть реализовано для использования любых вышеописанных вариантов осуществления. В частности, процессор может быть приспособлен для определения источника P- и S-волн относительно оптического волокна.

Оптическое волокно может представлять собой непрерывное, немодифицированное оптическое волокно, например стандартное волокно для связи и т.п. Другими словами, оптическое волокно не снабжено раздельными точечными датчиками или специфическими отражающими элементами и т.п.

В общем случае, настоящее изобретение относится к регистрации P- и S-волн. Другой аспект изобретения предусматривает использование волоконно-оптического распределенного акустического датчика для регистрации и идентификации P- и S-волн в твердой среде. Как упомянуто выше, традиционная волоконно-оптическая DAS использовалась только для регистрации отдельных акустических событий, и попытки регистрации P- и S-волн в материале с использованием системы DAS не считались возможными или предпочтительными. Распределенный акустический датчик, предпочтительно, является датчиком, в котором используется немодифицированное оптическое волокно для обеспечения совокупности независимых акустических каналов с использованием оптической рефлектометрии во временном измерении.

Изобретение распространяется на способы, устройство и/или использование, по существу, описанные здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Любой признак в одном аспекте изобретения можно применять к другим аспектам изобретения в любой надлежащей комбинации. В частности, аспекты способа можно применять к аспектам устройства и наоборот.

Кроме того, признаки, реализованные аппаратными средствами, в общем случае, можно реализовать программными средствами и наоборот. Соответственно допустима любая ссылка на программные и аппаратные признаки.

Ниже будут описаны предпочтительные признаки настоящего изобретения исключительно в порядке примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг.1 - основные компоненты распределенного волоконно-оптического датчика;

фиг.2a - система распределенных акустических датчиков, погруженная в грунт;

фиг.2b - система распределенных акустических датчиков, заключенная в структуре;

фиг.3 - идеализированный график возмущений, регистрируемых распределенным акустическим датчиком, обусловленных падением P- и S-волн; и

фиг.4a и 4b - данные, полученные от системы распределенных акустических датчиков.

На фиг.1 показана схема распределенной конфигурации волоконно-оптического измерения. Отрезок измерительного волокна 104 одним концом подключен к опросчику 106. Выходной сигнал опросчика 106 поступает на процессор 108 сигнала и в необязательном порядке на пользовательский интерфейс 110, который на практике можно реализовать в виде надлежащим образом настроенного ПК.

Измерительное волокно 104 может иметь многокилометровую длину, и в этом примере имеет длину около 40 км. Удобно, чтобы измерительное волокно являлось стандартным, немодифицированным оптическим волокном, например одномодовым оптическим волокном, которое используется в телекоммуникационных приложениях. При использовании измерительное волокно, по меньшей мере, частично содержится в среде, подлежащей мониторингу. Например волокно 104 может быть закопано в грунт 200, как показано на фиг.2a, для обеспечения мониторинга периметра или мониторинга заглубленного оборудования, например, трубопровода и т.п. Волокно может быть заключено, по меньшей мере, частично, в часть структуры 202, как показано на фиг.2b, для обеспечения структурного мониторинга.

В ходе работы опросчик 106 запускает в измерительное волокно опрашивающий оптический сигнал, который, например, может содержать последовательность импульсов, имеющих выбранный частотный шаблон. Оптические импульсы могут иметь частотный шаблон, описанный в британском патенте GB 2,442,745, содержание которого, таким образом, включено сюда в порядке ссылки. Согласно GB 2,442,745 явление рэлеевского обратного рассеяния приводит к тому, что некоторая доля света, входящего в волокно, отражается обратно к опросчику, где регистрируется для обеспечения выходного сигнала, выражающего акустические возмущения вблизи волокна. Поэтому удобно, чтобы опросчик содержал, по меньшей мере, один лазер 112 и, по меньшей мере, один оптический модулятор 114 для создания совокупности оптических импульсов, разделенных известной разностью оптических частот. Опросчик также содержит, по меньшей мере, один фотодетектор 116, предназначенный для регистрации излучения, претерпевшего обратное рассеяние от внутренних рассеивающих элементов в волокне 104.

Сигнал от фотодетектора обрабатывается процессором 108 сигнала. Удобно, чтобы процессор сигнала демодулировал возвращенный сигнал на основании разности частот между оптическими импульсами, например, как описано в GB 2,442,745. Процессор сигнала также может применять алгоритм развертывания фазы, описанный в GB 2,442,745.

Форма оптического ввода и способ регистрации позволяют пространственно разрешать единое непрерывное волокно на дискретные измерительные отрезки. Таким образом, акустический сигнал, зарегистрированный на одном измерительном отрезке, может обеспечиваться, по существу, независимо от зарегистрированного сигнала на соседнем отрезке. Пространственное разрешение в данном примере составляет приблизительно 10 м, в результате чего выходной сигнал опросчика принимает форму 4000 независимых каналов данных.

Таким образом, единое измерительное волокно может обеспечивать измеренные данные аналогично мультиплексированному массиву соседних независимых датчиков, размещенных на линейном пути.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения процессор 108 сигнала приспособлен анализировать собранные данные для регистрации P- и S-волн.

Специалисту в данной области техники очевидно, что P- и S-волны являются разными типами объемных волн, которые могут возникать в среде. Например, сейсмические волны, возбуждаемые значительными ударами по грунту или телу, могут содержать P- и S-волны. P-волны, часто именуемые первичными волнами или волнами давления, являются продольными волнами или волнами сжатия, которые распространяются за счет сжатия материала в направлении распространения волны. P-волны могут распространяться в твердых телах, а также в газах и жидкостях. S-волны, часто именуемые вторичными или сдвиговыми волнами, представляют собой поперечные волны, которые могут распространяться только в твердых материалах.

P- и S-волны распространяются в материале с разными скоростями, причем S-волны имеют скорость распространения примерно 0,6 от скорости P-волны в любой данной среде. Хотя абсолютная скорость распространения зависит от среды, относительная скорость остается примерно постоянной в большинстве материалов. Таким образом, от любого удаленного события, возбуждающего P- и S-волны, P-волны приходят первыми.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что вышеописанный волоконно-оптический распределенный акустический датчик пригоден для регистрации эффектов падающих P-волн и S-волн и что приход P- и S-волн можно регистрировать по отдельности. Кроме того, разность времен прихода между P- и S-волнами можно использовать не только для регистрации и идентификации P- и S-волн, но и для оценки направления источника и P- и S-волн, а также удаленности источника.

С учетом того, что P-волны распространяются быстрее, чем S-волны, P-волны первыми падают на оптическое волокно. Прохождение P-волны заставляет вибрировать различные отрезки волокна, что регистрируется как акустическое возмущение. Обычно P-волна имеет искривленный волновой фронт и поэтому в зависимости от геометрии волокна падает на разные отрезки волокна в разные моменты времени. Представим себе линейное волокно, на которое сбоку падает P-волна. Волновой фронт сначала встречается с волокном в некоторой позиции X, и, следовательно, измерительный участок волокна, соответствующий позиции X, первым испытывает возмущение, вызванное P-волной. С течением времени волновой фронт достигает отрезков, все более удаленных от позиции X.

На фиг.3 показан идеализированный отклик распределенного акустического волокна. По оси x на фиг.3 отложена позиция вдоль волокна, и по оси y отложено время. Трасса 301 иллюстрирует идеализированный отклик на падающую P-волну. Акустические возмущения сначала регистрируются в позиции X, и с течением времени возмущения достигают других отрезков волокна.

S-волна следует за P-волной. Поскольку P- и S-волны в общем случае имеют общий источник, S-волна также падает на волокно сначала в позиции X. Поэтому наблюдается аналогичный отклик. Возмущения в позиции X сопровождаются возмущениями вдоль волокна, распространяющимися от позиции X. Однако, поскольку S-волна распространяется медленнее, развитие возмущений происходит медленнее. Это показано на фиг.3 в виде того, что наклон трассы 302, обусловленной S-волной, имеет более крутой градиент.

На фиг.4a и 4b показан фактический график сигналов-откликов из распределенного акустического волокна. На фиг.4a и 4b показаны одни и те же данные, но на фиг.4b выделены отклики на S-волну. На фиг.4a и 4b показаны каскадные графики, где время отложено по оси y, расстояние вдоль волокна - по оси x, и акустическая амплитуда представлена интенсивностью точки данных. Из фиг.4a следует, что падение P-волны можно отчетливо распознать как первую последовательность возмущений, которые первоначально регистрируются на каналах вокруг 2400. Поскольку в этом случае каждый канал представляет 10-метровый отрезок волокна, это соответствует расстоянию около 24 км на протяжении длины волокна. С течением времени возмущение распространяется на соседние каналы. Из левой части графика можно видеть, что начало возмущений следует линии примерно постоянного градиента.

S-волна приходит в тот момент, когда эффекты P-волны все еще наблюдаются, что иллюстрирует трудность в различении эффектов P- и S-волн. Однако S-волну можно различить как изменение интенсивности, которое влияет на несколько каналов датчика в течение времени. К сожалению, это не проявляется так отчетливо, как в черно-белом изображении на фиг.4a и 4b. Тем не менее, можно выявить вторую последовательность возмущений, и приход этого вторичного волнового фронта выделен на фиг.4b. Из этих фигур следует, что S-волна имеет ту же общую точку падения на волокне и распространяется в общем случае таким же образом, как P-волна, но наклон S-волны круче, что указывает на более медленное распространение.

Процессор сигнала, таким образом, приспособлен для регистрации P- и S-волн путем регистрации первой последовательности акустических возмущений, воздействующих на каналы волокна в определенном порядке, и затем, короткое время спустя, второй последовательности акустических возмущений, воздействующих, по существу, на те же каналы волокна и, по существу, в том же порядке, но с более медленным развитием во времени, т.е. вторая последовательность возмущений распространяется медленнее. Из фиг.4a и 4b следует, что благодаря P-волне S-волна приходит в период повышенной акустической активности и, таким образом, вторая последовательность акустических возмущений представляет последовательность изменений акустической амплитуды. Зная характерный отклик на падение P- и S-волн, можно идентифицировать различные P- и S-волны посредством надлежащей обработки сигнала.

Идентифицировав S- и P-волны, можно использовать времена прихода в различных положениях на волокне для определения направления и/или дальности источника P- и S-волн относительно волокна. Волновые фронты одной или обеих из P- и S-волн можно определить и использовать для указания точечного источника на основании кривизны волнового фронта и любой предварительной информации о среде, в которой распространяются волны.

Дополнительно или альтернативно относительное время прихода P- и S-волн можно использовать для определения направления и/или расстояния до источника. При этом используется тот факт, что P- и S-волны имеют приблизительно постоянную относительную скорость. Таким образом, если разность времен между приходом P-волны и последующим приходом S-волны в первой позиции на волокне равна T1, и разность времен между приходом P-волны и последующим приходом S-волны во второй позиции на волокне равно T2, можно предположить, что отношение расстояния от первой позиции до источника к расстоянию от второй позиции до источника равно T1:T2. Исходя из относительных разностей времен в нескольких позициях вдоль волокна можно оценить относительную позицию источника. Фактическую разность времен прихода P- и S-волн также можно использовать, оценивая скорость распространения для оценивания точки источника.

Таким образом, настоящее изобретение относится к использованию волоконно-оптического измерения для регистрации P- и S-волн, распространяющихся в твердых телах, и к системам DAS, приспособленным для регистрации P- и S-волн, и к использованию регистрации P- и S-волн для определения их источника.

Заметим, что каждый признак, раскрытый в описании и (в надлежащих случаях) в формуле изобретения и чертежах, может быть обеспечен независимо или в любой надлежащей комбинации.

1. Способ регистрации Р- и S-волн в твердой среде, содержащий этапы, на которых
регулярно запускают, по меньшей мере, первый оптический импульс и второй оптический импульс в оптическое волокно, находящееся, по меньшей мере, частично, в твердой среде, причем первый и второй импульсы имеют первую разность оптических частот,
регистрируют свет, который испытывает рэлеевское обратное рассеяние из оптического волокна,
анализируют свет, претерпевший обратное рассеяние, для определения меры возмущения для каждого из совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна, и
анализируют развитие возмущения в дискретных продольных измерительных участках для регистрации P- и S-волн.

2. Способ по п.1, в котором на этапе анализа развития возмущения в дискретных продольных измерительных участках идентифицируют первую последовательность возмущений в совокупности дискретных продольных измерительных участков, сопровождаемую второй, связанной последовательностью возмущений.

3. Способ по п.2, в котором вторая последовательность возмущений связана с первой последовательностью возмущений тем, что оказывает воздействие, по существу, на одни и те же дискретные продольные измерительные участки, по существу, в одном и том же порядке.

4. Способ по п.3, в котором вторая последовательность возмущений имеет более медленное распространение, чем первая последовательность возмущений.

5. Способ по п.1, который содержит этап, на котором анализируют развитие возмущения дискретных продольных измерительных участков совместно с положением каждого дискретного продольного измерительного участка для идентификации первого волнового фронта, сопровождаемого вторым, более медленным волновым фронтом.

6. Способ по п.5, содержащий этап, на котором определяют степень кривизны одного или обоих из первого волнового фронта и второго волнового фронта.

7. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап, на котором анализируют зарегистрированные P- и S-волны для определения источника P- и S-волн.

8. Способ по п.7, в котором разности времен прихода P- и S-волн на двух или более разных дискретных продольных измерительных участках используются для определения источника P- и S-волн.

9. Способ по п.5, в котором форма, по меньшей мере, одного первого и второго волновых фронтов используется для определения источника P- и S-волн.

10. Компьютерно-считываемый носитель, на котором хранится компьютерная программа, причем упомянутая компьютерная программа при выполнении на соответствующем компьютере осуществляет способ по п.1.

11. Устройство для регистрации P- и S-волн в твердой среде, содержащее
оптическое волокно, находящееся, по меньшей мере, частично, в указанной среде,
оптический источник, конфигурированный для запуска, по меньшей мере, первого оптического импульса и второго оптического импульса в оптическое волокно, причем первый и второй импульсы имеют первую разность оптических частот, при этом оптическая мощность импульсов ниже порога нелинейности,
оптический детектор, конфигурированный для регистрации рэлеевского обратного рассеяния из оптического волокна,
и процессор, конфигурированный
анализировать свет, претерпевший обратное рассеяние, для определения меры возмущения для совокупности дискретных продольных измерительных участков оптического волокна, и
анализировать развитие возмущения в дискретных продольных измерительных участках для регистрации P- и S-волны.

12. Устройство по п.11, в котором оптическое волокно является непрерывным, немодифицированным оптическим волокном.

13. Устройство по п.11, в котором процессор выполнен с возможностью определения источника P- и S-волн относительно оптического волокна.



 

Похожие патенты:

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, при этом непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования.

Изобретение относится к датчикам с воздействием на передающую способность оптического волокна. Датчик содержит корпус, внутри которого размещен оптоволоконный чувствительный элемент, способный изменять характеристики излучения, распространяющегося в световоде, в зависимости от деформации.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для регистрации вибраций, шумов и акустических сигналов. .

Изобретение относится к устройствам измерения распределения деформации, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно. .

Изобретение относится к оптоволоконному датчику для измерения температуры и деформации в продольном направлении измерительного волокна. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры и/или напряжения в процессе непрерывной разливки. .

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для вибродиагностики сооружений, обнаружения несанкционированных воздействий на объекты, охраны периметров и обнаружения утечек газа или жидкости из трубопроводов.

Изобретение относится к области мониторинга деформации и термических процессов с использованием контрольно-измерительных систем на основе волоконных брэгговских решеток.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках, предназначенных для измерения температуры различных объектов, а также для измерения деформации, перемещения.

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к распределенным датчикам акустических и вибрационных воздействий. В распределенном датчике акустических и вибрационных воздействий, содержащем чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля и оптически соединенный с ним через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения с фотодетектором, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, а источник периодической последовательности оптических импульсов и/или приемник рассеянного излучения выполнен многоканальным с числом каналов не менее двух и с возможностью регистрации рефлектограмм, формирующихся в каждом из каналов, приемник рассеянного излучения содержит неравноплечный интерферометр Маха-Цендера или Майкельсона с фарадеевскими зеркалами, при этом интерферометр имеет не менее двух выходных каналов, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки сигналов с каждого из выходных каналов интерферометра. Техническим результатом изобретения является повышение гарантированной чувствительности и дальности действия распределенного датчика акустических и вибрационных воздействий. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Раскрыт способ обнаружения опасной ситуации при помощи оптоволоконной сенсорной системы. Опросное устройство содержит источник света, спектрометр и устройство обработки данных. Опросное устройство используют для проведения быстрого сканирования множества волоконно-оптических сенсорных элементов. Первые значения параметра окружающей среды вычисляют для каждого волоконно-оптического сенсорного элемента из спектрографических данных и сравнивают с первым пороговым значением. Если первое значение параметра окружающей среды превышает первое пороговое значение для любого волоконно-оптического сенсорного элемента, быстрое сканирование прерывают для осуществления медленного сканирования с высоким разрешением указанного волоконно-оптического сенсорного элемента. Оптоволоконная сенсорная система передает сигнал тревоги в случае, если указанное медленное сканирование с высоким разрешением выявляет опасную ситуацию. Технический результат - повышение пространственного и/или температурного разрешения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам контроля грунта, использующим для оценки состояния грунта измерения распределения деформации волоконно-оптического чувствительного элемента, связанного с грунтом. Изобретение позволяет выявлять и определять местоположение таких опасных для сооружений явлений, как разжижение грунта, вымывание грунта или эрозию грунта, которые приводят к потери механической связи чувствительного к деформации сенсорного кабеля с грунтом. Устройство для измерения распределения деформаций грунта и контроля его разжижения, и/или вымывания, и/или дефляции содержит сенсорный оптический кабель, чувствительный к деформации по всей своей длине и связанный механически с грунтом, измерительный блок, связанный с кабелем. Устройство снабжено закрепленными на кабеле пригрузами, провисание которых в случае разжижения, и/или вымывания, и/или дефляции грунта вызывает расчетную деформацию кабеля, регистрируемую измерительным блоком. Техническим результатом изобретения является возможность выявления и определения местоположения таких явлений, как разжижение грунта, вымывание грунта или эрозия грунта. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа. При измерении сигнала датчика в ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал добавляют один скачок напряжения за его период, амплитуда скачка равна амплитуде модулирующего сигнала, а длительность составляет половину длительности одной его ступени, причем скачок напряжения осуществляют в момент времени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала. Техническим результатом является обеспечение стабилизации масштабного коэффициента модулятора и повышенная точность измерения интерферометрического сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано для диагностики трубопроводов большой протяженности, в т.ч. подводных, с целью обнаружения утечек из них прокачиваемого материала. Устройство содержит высококогерентный лазер, импульсный модулятор, циркулятор, волоконно-оптический кабель с токоведущими жилами, оптические усилители, сенсорный оптический участок, приемник сигнала, блок обработки принимаемого сигнала, два оптических переключателя N каналов, оптический усилитель, оптико-электрический преобразователь, аналогово-цифровой преобразователь, передающий оптический модем, приемный оптический модем. Технический результат - повышение длины мониторинга протяженного объекта, а также расширение полосы частот регистрируемых акустических колебаний. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к спектральным многоточечным многопараметрическим оптоволоконным датчикам бокового освещения, не требующим чувствительной оболочки. Датчик содержит оптоволокно, у которого обнажена область оболочки как область зондирования. Источник света зондирования освещает волокно сбоку. Чувствительное оптоволокно подвергается оптическому воздействию среды измеряемой величины, которая может флуоресцировать, светиться, поглощать и/или рассеивать свет зондирования. Этот свет зондирования проводится сердцевиной волокна к датчику, который измеряет силу света, и эта сила света связывается с измеряемой величиной. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение интенсивности двойного светового сигнала, повышение точности определения местонахождения области детектирования в веществе с высоким пространственным разрешением. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 25 ил.

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Также датчик содержит соединенный с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, и приемник рассеянного излучения. Указанный источник выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса. Технический результат - достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, обеспечение равномерного распределения чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Настоящее изобретение относится области Бриллюэновского оптоэлектронного измерения для использования контроля физических характеристик, таких как деформация и температура. Способ, и устройство для реализации указанного способа, содержит этап предоставления сигнала в оптическом волокне, причем упомянутый сигнал представляет собой сигнал с частотно-временным кодированием. Сигнал с частотно-временным кодированием может быть оптическим сигналом накачки, содержащим последовательность кодовых слов, каждое кодовое слово, содержащее, по меньшей мере, два световых импульса, каждый импульс кодового слова характеризуется отличающейся частотой. Технический результат - улучшение эффективности оптоэлектронных измерений при увеличении дальности действия с известным пространственным разрешением, то есть минимизация возможных дрейфов при измерении температуры и/или деформации. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов. Оптическое волокно размещают в механической связи с контролируемым объектом и генерируют оптические импульсы длительностью T. Осуществляют фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения и разделяют сигналы фототока по виртуальным каналам дальности. Определяют значения амплитуды сигналов фототока и осуществляют их коррекцию с учетом выявленного уровня шума. Устройство, реализующее способ, содержит оптическое волокно, импульсный источник лазерного излучения, ответвитель или циркулятор с оптическим волокном. Блок оценки уровня шума в каждом из сигналов и последующей коррекции амплитуды выполнен в виде подключенного к ответвителю или циркулятору фотоприемника, связанного с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь сигнала фототока. Технический результат - повышение достоверности результатов мониторинга путем выравнивания чувствительности по виртуальным каналам дальности, что выражается в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга. Оптическое волокно размещают в механической связи с контролируемым объектом, генерируют лазерный импульс и вводят его в волокно. Осуществляют фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения с получением рефлектограммы. Извлекают информацию о воздействии на волокно из фазы гармоники частотой, равной разности частот, содержащейся в рефлектограмме. Устройство, реализующее способ, содержит одномодовое оптическое волокно, импульсный лазер, связанный с волокном через последовательно установленные и связанные между собой фазовый модулятор и ответвитель. Блок приема и обработки рассеянного в обратном направлении излучения выполнен в виде вычислителя, связанного с ответвителем через последовательно установленные и соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор и фотоприемник. Драйвер связан с фазовым модулятором и синхронизирован с импульсным лазером. Технический результат - снижение вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх