Способ и устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе бриллюэновского рассеяния



Способ и устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе бриллюэновского рассеяния
Способ и устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе бриллюэновского рассеяния
Способ и устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе бриллюэновского рассеяния
Способ и устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе бриллюэновского рассеяния

 


Владельцы патента RU 2635816:

ЛИОС ТЕХНОЛОГИ ГМБХ (DE)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры и натяжения оптического волокна. Предложено устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе рассеяния Бриллюэна, содержащее по меньшей мере один лазерный источник (1) света, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения, оптическое волокно (5), в которое вводят лазерное излучение и из которого выводят генерированный на основе рассеяния Бриллюэна бриллюэновский сигнал. Устройство также содержит датчики, детектирующие выведенные бриллюэновские сигналы, средства обработки данных, определяющие на основе детектированных бриллюэновских сигналов локальную температуру и/или натяжение, по меньшей мере, участков оптического волокна (5), по меньшей мере один оптический поляризационный разделитель (10, 11) пучка, разделяющий выведенные бриллюэновские сигналы на две компоненты (12, 13) с отличающейся поляризацией, по меньшей мере один оптический объединитель (16, 17), добавляющий лазерное излучение к бриллюэновскому сигналу. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе рассеяния Бриллюэна.

Рассеяние Бриллюэна в оптических волокнах можно использовать для локального измерения температуры и натяжения вдоль оптического волокна, так как частота и амплитуда рассеяния Бриллюэна являются зависимыми от температуры и натяжения (Galindez-Jamioy & , 2012, Brillouin Distributed Fiber Sensors: An Overview and Applications. 2012, 17).

Часто измеряют только частоту рассеяния Бриллюэна, которая проявляя очень высокую чувствительность, например, примерно 1 МГц/°C или 0,05 МГц/με в кварцевом стекле, зависит от измеряемых параметров, и ее можно очень точно определить. Однако при этом существует проблема разделения влияния обоих измеряемых параметров.

Разделение влияния двух измеряемых параметров возможно в отдельных случаях путем сравнительных измерений в различно установленных оптических волокнах, например в свободных трубках с незакрепленным волокном или в тесной трубке с неподвижным волокном. (Inaudi & Glisic, 2006, Reliability and field testing of distributed strain and temperature sensors, 6167, 61671D-61671D-8). Альтернативно, для разделения измеряемых параметров измерение частоты Бриллюэна возможно либо в волокнах с несколькими пиками Бриллюэна (Liu & Вао, 2012, Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement. J. Lightwave Technol., 30 (8), 1053-1059) или в олигомодных волокнах с небольшим количеством различных пространственных мод (Weng, Ip, Pan, & Wang, 2015, Single-end simultaneous temperature and strain sensing techniques based on Brillouin optical time domain reflectometry in few-mode fibers, Opt. Express, 23 (7), 9024-9039) с различной зависимостью частоты от температуры и натяжения.

Все эти методы, однако, не являются общеприменимыми, так как не всегда в распоряжении имеются соответствующие оптоволокна. Кроме того, монтаж и измерение на нескольких оптических волокнах или специальных волокнах связаны со значительными затратами.

Следующим методом разделения двух измеряемых параметров является измерение частоты и амплитуды одного или нескольких пиков Бриллюэна (Parker, Farhadiroushan, Handerek, & Rogers, 1997, Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers, Opt. Lett., 22 (11), 787-789, а также Maughan, Kee, & Newson, 2001, Simultaneous distributed fibre temperature and strain sensor using microwave coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter, Measurement Science and Technology, 12 (7), 834). За счет этого сохраняют два независимых параметра измерения, на основе которых можно принципиально определить оба необходимых физических параметра. Однако зависимость амплитуды от температуры и натяжения незначительна и составляет примерно 0,3%/°C. Поэтому амплитуду необходимо измерять очень точно, чтобы практически обеспечить релевантное разрешение по температуре и точность примерно в 1°C.

Известным методом повышения точности является сравнение амплитуды рассеяния Бриллюэна с амплитудой рэлеевского рассеяния из одного и того же волокна (Wait & Newson, 1996, Landau Placzek ratio applied to distributed fibre sensing, Optics Communications, 122, 141-146). На основе отношения амплитуды рассеяния Бриллюэна и амплитуды рэлеевского рассеяния, называемого отношением Ландау-Плачека, можно рассчитать влияние затухания в волокне.

Как правило, просто измерение бриллюэновского сигнала с помощью оптического фильтра и фотодиода не проводят, так как необходимые для этого узкополосные оптические фильтры сложны в изготовлении и не обладают хорошей термической стабильностью. Кроме того, альтернативное измерение рассеяния Бриллюэна с помощью оптического супергетеродинного приемника может обеспечить измерение более слабых сигналов (Maughan, Kee, & Newson, 2001). При этом на сигнал рассеяния Бриллюэна накладывают свет лазера с такой же частотой, как и у лазера, инициирующего рассеяние Бриллюэна, или с частотой, смещенной на несколько ГГц частотой (локальный осциллятор ЛО). В этом случае фотоприемник обнаруживает наложенный сигнал с частотой, соответствующей разности между частотой Бриллюэна и лазерной частотой или частотой ЛО соответственно. При добавлении излучения возбуждающего лазера, разностная частота в кварцевом стекле составляет примерно 10 ГГц. Как правило, этот ГГц-сигнал смешивают с сигналом электронного локального осциллятора, чтобы получить более точное измерение разностной частоты ниже 1 ГГц (Shimizu, Horiguchi, Koyamada, & Kurashima, 1994, Coherent self-heterodyne Brillouin OTDR for measurement of Brillouin frequency shift distribution in optical fibers, Lightwave Technology, Journal of, 12 (5), 730-736).

Однако кроме проблемы затухания в волокне существует также проблема поляризационной зависимости измеряемого сигнала. Эта проблема снижает точность измерения обоих параметров - частоты и амплитуды. При наложении на бриллюэновский сигнал сигнала оптического локального осциллятора, только компонента сигнала, которая соответствует поляризации локального осциллятора, добавляется к разностной частоте. Это приводит к потере при измерении сигнала с другой поляризацией. Кроме того, поляризация бриллюэновского сигнала изменяется при передаче по оптическому волокну из-за индуцированного напряжением двойного преломления в оптическом волокне. Это означает, что амплитуда измеренной поляризованной компоненты бриллюэновского сигнала сильно варьируется в зависимости от расстояния. Такая зависимость от поляризации значительно затрудняет точное определение амплитуды и снижает точность определения частоты. До настоящего времени предпринимались попытки компенсировать этот эффект путем усреднения измерений с различной поляризацией возбуждающего лазера или локального осциллятора (Fan, Huang, & Li, 2009, Brillouin-based distributed temperature and strain sensor using the Landau-Placzek Ratio, 7381, 738105-738105-9 sowie Song, Zhao, & Zhang, 2005, Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception, Chin. Opt. Lett., 3 (5), 271-274). Однако было необходимо большое количество усреднений для более или менее точного измерения, что не решало проблему потери сигнала.

В основе настоящего изобретения лежит проблема создания устройства и способа вышеупомянутого типа для более простого и/или точного определения температуры и натяжения.

Согласно настоящему изобретению эту задачу решают с помощью устройства с признаками по пункту 1 формулы изобретения, а также способом с признаками по пункту 11 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения устройство содержит:

- по меньшей мере один лазерный источник света, испускающий лазерное излучение,

- оптическое волокно для осуществления измерения, в которое вводят лазерное излучение и из которого выводят бриллюэновские сигналы, вызываемые рассеянием Бриллюэна,

- датчики для детектирования выведенных бриллюэновских сигналов,

- средства обработки данных для определения локально распределенной температуры и/или натяжения по меньшей мере участков оптического волокна,

- по меньшей мере один оптический разделитель пучка для разделения выведенных бриллюэновских сигналов на две компоненты с отличающейся поляризацией,

- по меньшей мере один оптический объединитель для добавления лазерного излучения к бриллюэновскому сигналу.

При этом существует возможность раздельного детектирования датчиками обеих компонент. В частности, в устройстве по данному изобретению бриллюэновский сигнал разделяют на две поляризованные компоненты, на которые затем накладывают сигнал с подходящей поляризацией и детектируют двумя оптическими детекторами. Благодаря этому постоянно измеряется весь сигнал целиком и отпадает необходимость усреднения измерений с различной поляризацией. Добавление лазерного излучения к бриллюэновскому сигналу повышает чувствительность устройства, так как такое добавление значительно усиливает сигнал, подлежащий обработке.

Устройство может содержать два оптических объединителя, каждый из которых способен добавлять лазерное излучение к разделенным, по меньшей мере одним поляризационным разделителем пучка, компонентам бриллюэновского сигнала.

Устройство может содержать один разделитель пучка, способный перед введением в используемое для измерения оптическое волокно отделить часть лазерного излучения лазерного источника, используемого для возбуждения бриллюэновского сигнала, причем эту часть лазерного излучения добавляют к бриллюэновскому сигналу.

В альтернативном варианте, устройство содержит два лазерных источника света, испускающих лазерное излучение, добавляемое к бриллюэновскому сигналу.

Частота второго лазерного источника света отличается, в частности, от частоты первого лазерного источника света, в частности, примерно на 10 ГГц. Устройство может содержать разделитель пучка, отделяющий часть лазерного излучения лазерного источника, предназначенного для возбуждения рассеяния Бриллюэна, до его введения в оптическое волокно, предназначенное для измерения, причем эту часть используют для настройки второго лазерного источника света. Устройство, в частности, содержит оптическую систему ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), стабилизирующую разностную частоту между первым и вторым лазерным источником света. В связи с указанным выбором разностной частоты, в качестве оптических детекторов применяют приемники с пограничной частотой ниже 1 ГГц, имеющие более низкую границу детектирования.

В альтернативной варианте в качестве второго лазерного источника света применяют лазер Бриллюэна, как это описано в US 7.283.216 B1. При этом устройство содержит также разделитель пучка, отделяющий часть лазерного излучения источника света, предназначенного для возбуждения рассеяния Бриллюэна, до его введения в оптическое волокно, предназначенное для измерения, причем эту часть используют для оптической накачки лазера Бриллюэна, частота Бриллюэна которого отличается от частоты измеряемого бриллюэновского сигнала. Благодаря этой разности по частоте излучения лазер Бриллюэна применяют в качестве оптического локального осциллятора (ОЛО).

Устройство может содержать компоненты для измерения рэлеевского рассеяния. Это повышает точность измерительного устройства.

Компоненты для измерения рэлееевского рассеяния включают, в частности, дополнительный лазерный источник света, отличающийся от первого лазерного источника света, причем дополнительный лазерный источник света также отличается от имеющегося при необходимости второго лазерного источника света, генерирующего лазерное излучение для добавления к бриллюэновскому сигналу. Дополнительный лазерный источник света используется специально для возбуждения рэлеевского рассеяния.

Устройство содержит в качестве эталона оптическое волокно или эталонный участок предназначенного для измерения оптического волокна, выполненный, например, в виде опорной катушки и генерирующий постоянный бриллюэновский сигнал по меньшей мере на заданной длине, так что бриллюэновский сигнал может детектироваться датчиками и использоваться для калибровки чувствительности. Даже если оптические элементы обоих приемных каналов обладают по какой-либо причине отличающейся чувствительностью, это обеспечивает получение надежных результатов измерения.

Способ по пункту 11 формулы содержит следующие этапы:

- генерирование лазерного излучения,

- ввод лазерного излучения в оптическое волокно для измерения температуры и натяжения,

- вывод из оптического волокна бриллюэновских сигналов, возбужденных лазерным излучением в оптическом волокне,

- разделение выведенных бриллюэновских сигналов на две компоненты с различной поляризацией,

- детектирование обоих компонент выведенных бриллюэновских сигналов,

- определение с помощью средств обработки данных локально распределенную температуру и натяжение по меньшей мере участков оптического волокна, на основе детектированных компонент бриллюэновских сигналов.

При этом обе компоненты выведенных бриллюэновских сигналов могут детектироваться раздельно.

В частности, два выходных сигнала, которые соответствующим образом объединяют, в частности, до или после оцифровки, могут быть получены из двух детектированных компонент бриллюэновских сигналов, так чтобы получить выходной сигнал, независящий от поляризации, для определения температуры и/или натяжения.

Другие признаки и предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения наглядно раскрыты в последующем описании со ссылкой на приложенные фигуры чертежей. На фигурах изображено:

фиг. 1 - схема первого варианта выполнения устройства по данному изобретению;

фиг. 2 - схема второго варианта выполнения устройства по данному изобретению;

фиг. 3 - схема третьего варианта выполнения устройства по данному изобретению.

На фигурах одни и те же или функционально аналогичные элементы имеют одинаковые условные обозначения. Пунктирными линиями обозначены оптические сигналы предпочтительно в оптических волокнах. Сплошными линиями обозначены электрические сигнальные линии.

В показанном на фиг. 1 устройстве по изобретению используется оптическое наложение лазерного излучения, применяемого для возбуждения рассеяния Бриллюэна.

Показанное на фиг. 1 устройство содержит лазерный источник 1 света, испускающий узкополосное лазерное излучение, например с шириной спектральной линии 1 МГц. Кроме того, лазерный источник 1 света имеет постоянную мощность лазерного излучения, например, несколько 10 мВт. Предпочтительно в качестве лазерного источника 1 света применяют диодные лазеры, стабилизированные по частоте, например DFB-лазер (с распределенной обратной связью) или другие типы узкополосных лазеров, с длиной волны излучения в близкой инфракрасной области спектра, например 1550 нм.

Показанное на фиг. 1 устройство также содержит разделитель 2 пучка, выполненный в виде волоконно-оптического разделителя, для деления лазерного излучения от лазерного источника 1 света на две части 3, 4. Первую часть 3 вводят в применяемое для измерения оптическое волокно 5, в котором определяют с помощью возбуждения рассеяния Бриллюэна локально распределенные температуру и/или натяжение. Вторая часть 4 используется для наложения излучения на бриллюэновский сигнал, полученный за счет рассеяния Бриллюэна и выведенный из оптического волокна 5, что будет подробно описано ниже.

Устройство содержит также оптический модулятор 6, модулирующий соответствующим образом первую часть 3 лазерного излучения для локальной привязки сигналов рассеяния. Например, из первой части 3 могут быть сформированы импульсы или серии импульсов с использованием оптического рефлектометра OTDR, а при использовании оптического рефлектометра OFDR могут быть сформированы амплитудно-модулированные сигналы. Не показанный здесь оптический усилитель может усиливать первую часть 3 лазерного излучения, применяемую для измерения, перед введением ее с помощью оптического, в частности волоконно-оптического, циркулятора 7 в предназначенное для измерения оптическое волокно 5.

В предназначенном для измерения оптическом волокне 5 возникают рассеянные бриллюэновские сигналы, которые возвращаются в оптический циркулятор 7 с временной задержкой, соответствующей расстоянию, примерно 10 мкс/км, и направляются из него с помощью приемного тракта 8 устройства. Не показанный здесь необязательный оптический фильтр, например FBG (оптоволоконная брэгговская решетка), применяется для подавления рэлеевского рассеянного света, чтобы исключить помехи в измерении более слабого бриллюэновского сигнала. В приемном тракте 8 происходит также оптическое усиление с помощью необязательного оптического усилителя 9.

Бриллюэновский сигнал, а также вторая часть 4 лазерного излучения разделяются оптическими, в частности волоконно-оптическими поляризационными делителями 10, 11 пучка на компоненты 12, 13 с линейной поляризацией. При этом вторая часть 4 лазерного излучения вводится в поляризационный разделитель 11 пучка, предпочтительно под углом в 45° к направлению поляризации, чтобы получить две по возможности равной интенсивности, ортогонально поляризованные компоненты 14, 15.

Вместо предназначенного для разделения второй части 4 лазерного излучения поляризационного разделителя 11 пучка можно использовать не показанный здесь разделитель с постоянной поляризацией, делящий лазерное излучение в соотношении 50:50.

Сигнал Бриллюэна из предназначенного для измерения оптического волокна 5 в зависимости от пути прохождения через волокна и, следовательно, от расстояния, имеет отличающиеся состояния поляризацию. Поэтому соотношение между компонентами 12, 13 не постоянное, а в значительной степени зависит от расстояния.

Ниже по потоку от поляризационных разделителей 10, 11 пучка установлены два оптических, в частности волоконно-оптических объединителя 12, 13, которые объединяют компоненту 14, 15 бриллюэновского сигнала с компонентой 14, 15 второй части 4 лазерного излучения. Две компоненты 14, 15 с различной поляризацией второй части 4 лазерного излучения и две компоненты 12, 13 с различной поляризацией бриллюэновского сигнала объединяются в волоконно-оптических объединителях 16, 17 с учетом соответствующей поляризации.

В случае несбалансированного детектирования предпочтительно применяют асимметричные объединители, в которых объединяются большая часть бриллюэновского сигнала и меньшая часть второй части 4 лазерного излучения и направляются к оптическим детекторам 18, 19, более подробно описанным ниже. Это исключает нежелательное ослабление бриллюэновского сигнала. Соотношение связи такого асимметричного объединителя составляет, например, 95:5, в частности между 90:1 и 99:1. Асимметричные соотношения связи предотвращают нежелательные потери сигнала, причем более высокая потеря добавленной к бриллюэновскому сигналу лазерной мощности не критична, так как этот сигнал значительно сильнее.

В схеме детектирования со сбалансированном приемным диодом предпочтительно применяют симметричное соотношение связи.

В оптических детекторах 18, 19 происходит наложение объединенных с правильной поляризацией бриллюэновских сигналов и частей лазерного излучения. При этом, в частности, каждый из них порождает соответствующий сигнал 20, 21 биения с разностной частотой между сигналом Бриллюэна и частью лазерного излучения, примерно 10 ГГц. Частота сигнала 20, 21 биения зависит от материала оптического волокна 5, применяемого для измерения температуры и натяжения.

Мощность сигналов 20, 21 биения пропорциональна корню квадратному из произведения мощностей бриллюэновского сигнала и части лазерного излучения. Таким образом, при применении более высоких лазерных мощностей получают значительно более мощный сигнал измерения, чем при непосредственном измерении бриллюэновского рассеянного света, что значительно улучшает чувствительность устройства.

Каждый из сигналов 20, 21 биения смешивают в соответствующем электронном микшере 23, 24 с сигналом электронного локального осциллятора 22, чтобы надежно измеряемая частота была ниже 1 ГГц. Выходные сигналы 25, 26 этих микшеров 23, 24 для обеих поляризаций затем усиливают и оцифровывают.

При этом первый выходной сигнал 25 соответствует, в частности, горизонтальной поляризации, а второй выходной сигнал 26 соответствует вертикальной поляризации сигналов 20, 21 биения или бриллюэновского сигнала соответственно. До или после оцифровки оба выходные сигнала 25, 26 объединяют соответствующим образом, так чтобы получить выходной сигнал, не зависящий от поляризации, для определения параметров рассеяния Бриллюэна в зависимости от места, и в конечном итоге температуры или натяжения.

Для полностью определенного и стабильного наложения компонентов с требующейся поляризацией, предпочтительно, световод от лазерного источника 1 через поляризационные разделители 10, 11 пучка до волоконно-оптических объединителей 16, 17, а также, при необходимости, световод до оптических детекторов 18, 19 выполняется в виде волокна, сохраняющего поляризацию. Альтернативно, предпочтительно также применение одномодовых волокон.

В отличие от устройства по фиг. 1, устройство по фиг. 2 помимо первого лазерного источника 1 света содержит второй узкополосный лазерный источник 27 света, лазерное излучение которого используется для наложения на бриллюэновский сигнал. При этом частоту второго лазерного источника 27 света устанавливают так, чтобы он имел смещение относительно частоты первого лазерного источника 1, чтобы разностная частота между рассеянным бриллюэновским светом и вторым лазерным источником 27 света была ниже 1 ГГц. Например, когда применяют оптические волокна из кварца, необходимое смещение частоты лазерных источников 1, 27 относительно друг друга составляет более 10 ГГц.

Разностная частота ниже 1 ГГц позволяет применять оптические детекторы 18, 19 с частотой среза ниже 1 ГГц, эти детекторы имеют более низкую границу детектирования. Кроме того, усиление и фильтрация сигналов в этом диапазоне частот проще и эффективнее.

Для стабилизации второго лазерного источника 27 света с необходимым частотным сдвигом относительно первого лазерного источника 1 света применяют схему синхронизации с оптическим входным сигналом, далее называемую оптической системой ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты). Часть лазерного излучения обоих лазерных источников 1, 27 отделяют посредством разделителя 2, 29 пучка, выполненного в виде волоконно-оптического разделителя, объединяют, при правильной поляризации, посредством волоконно-оптического объединителя 30 и затем подают на оптический детектор 31. Измеренный сигнал содержит часть сигнала на разностной частоте двух лазерных источников, которая должна находиться в диапазоне примерно 10 ГГц. В схеме фазовой синхронизации, далее называемой схемой 32 ФАПЧ, частоту сигнала сравнивают с частотой электронного локального осциллятора 33, настроенного на необходимую разностную частоту. Частоту одного из двух лазерных источников 1, 27 света подстраивают на основе сравнительного сигнала таким образом, чтобы разностная частота лазерных источников 1, 27 света совпадала с частотой локального осциллятора 33. В случае применения диодного лазера установку частоты лазера осуществляют с помощью тока питания.

Устройство на фиг. 3 отличается от устройства на фиг. 2 наличием дополнительной компоненты для измерения рэлеевского рассеяния.

Если возбуждать рэлеевское рассеяние тем же узкополосным лазером, что и рассеяние Бриллюэна, то будет возникать сигнал обратного рассеяния, амплитуда которого сильно варьируется из-за когерентного рэлеевского шума (CRN). Такой сигнал не подходит в качестве контрольной величины для расчета отношения Ландау-Плачека.

Устранить CRN возможно путем усреднения нескольких измерений с узкополосными лазерными источниками света с различной длиной волны.

На фиг. 3 показан вариант с дополнительным, в частности, третьим лазерным источником 34 света для возбуждения рэлеевского рассеяния. Этот дополнительный лазерный источник 34 света выполнен в виде широкополосного лазера, например, с полушириной в несколько нм. Необходимо отметить, что лазерное излучение дополнительного источника 34 света является значительно более широкополосным, чем лазерное излучение первого лазерного источника 1 света.

С помощью оптического переключателя можно попеременно выбирать первый и дополнительный лазерный источник 1, 34 света для инициирования рассеяния Бриллюэна и рэлеевского рассеяния или же объединить лазерные излучения посредством волоконно-оптического объединителя (не показан), чтобы затем включать лазерные источники 1, 34 света по необходимости.

Предназначенный для инициирования рэлеевского рассеяния лазерный источник 34 света может быть непосредственно импульсным, импульсно-кодированным или модулированным. В альтернативном варианте необходимую временную характеристику амплитуды получают с помощью оптического модулятора.

Бриллюэновский сигнал отделяют от рэлеевского сигнала оптическим фильтром 36, например оптической брэгтовской решеткой (FBG), причем рэлеевский сигнал принимают, фильтруют и усиливают дополнительным оптическим детектором 37. Полученный таким образом выходной сигнал 38 оцифровывают и обрабатывают в оцифрованном виде.

В варианте выполнения согласно фиг. 3 установлены два оптических циркулятора 7, каждый с тремя соединителями. Существует возможность установить вместо двух оптических циркуляторов только один оптический циркулятор с четырьмя соединителями.

Если оптические элементы, фотоприемник и усилитель в двух приемных каналах за поляризационными разделителями 10, 11 пучка обуславливают различную чувствительность, часть измерительного участка выполняют в виде эталонной катушки 39. Это в качестве примера показано на фиг. 3. Существует возможность установить такую эталонную катушку 39 и варианте выполнения по фиг. 1 и/или фиг. 2. С другой стороны в варианте по фиг. 3 можно отказаться от эталонной катушки 39.

Оптическое волокно определенной длины, например 100 м, устанавливается в эталонной катушке 39 так, что вся длина оптического волокна производит один и тот же бриллюэновский сигнал. Оптическое волокно должно иметь, в частности, постоянную температуру и постоянное натяжение, в частности не иметь натяжения. В этом случае бриллюэновский сигнал от эталонной катушки 39 можно измерить с помощью двух приемных каналов и использовать для калибровки чувствительности приемных каналов.

Предполагая, что сигнал от эталонной катушки 39 имеет одинаковую интенсивность для обеих поляризаций, приемные каналы калибруют таким образом, чтобы они измеряли вместе сигналы равной интенсивности для эталонной катушки. Установленная таким образом одинаковая чувствительность приемных каналов является предпочтительной для оптимального объединения двух приемных каналов.

В отличие от показанных на фиг. 3 примеров выполнения соответственно с двумя оптическими детекторами 18, 19 для раздельного детектирования двух компонент 12, 13, возможна также установка комбинированных оптических детекторов (не показано) для компонент 12, 13. Например, для этого устанавливают, два фотодиода на одном чипе или обеспечивают только две зоны на фотодиоде. При этом оба тока, генерированные этими фотодиодами или в этих раздельных зонах, подключают параллельно, так чтобы только их сумму усиливать и оцифровывать.

Преимуществом такого исполнения является улучшенное отношение сигнала к шуму в аналоговом сигнале. Для этого варианта должна быть предусмотрена возможность калибровки оптического сигнала, так чтобы оба сигнала принимались с одинаковой интенсивностью. Это можно обеспечить, например, посредством переменного оптического аттенюатора в одном из приемных трактов, управляемого на основе характеристик измерительного сигнала.

Перечень условных обозначений:

1, 27, 34 лазерный источник света
2, 29 разделитель пучка
3 первая часть лазерного излучения
4 вторая часть лазерного излучения
5 оптическое волокно для измерения
6 оптический модулятор
7 оптический циркулятор
8 приемный тракт
9 оптический входной усилитель
10, 11 оптический поляризационный разделитель пучка
12, 13, 14, 15 компоненты с линейной поляризацией
16, 17, 30 оптический объединитель
18, 19, 31,37 оптический детектор
20, 21 сигнал биения
22, 33 электронный локальный осциллятор
23, 24 электронный смеситель
25, 26, 38 выходной сигнал
28 оптическая система ФАПЧ
32 схема ФАПЧ
35 оптический переключатель
36 оптический фильтр
39 эталонное оптическое волокно

1. Устройство для волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе рассеяния Бриллюэна, содержащее

по меньшей мере один лазерный источник (1) света, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения,

оптическое волокно (5), используемое для измерения, выполненное с возможностью ввода в него лазерного излучения и вывода бриллюэновских сигналов, полученных в результате бриллюэновского рассеяния,

датчики, выполненные с возможностью детектировать выведенные бриллюэновские сигналы,

средства обработки данных для определения локальной температуры и/или натяжения, по меньшей мере, участков оптического волокна (5) на основе полученных бриллюэновских сигналов,

по меньшей мере один оптический поляризационный разделитель (10, 11) пучка, выполненный с возможностью разделения выведенных бриллюэновских сигналов на две компоненты (12, 13) с отличающейся друг от друга поляризацией,

по меньшей мере один оптический объединитель (16, 17), выполненный с возможностью добавления лазерного излучения к бриллюэновскому сигналу.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчики выполнены с возможностью детектировать указанные две компоненты (12, 13) раздельно друг от друга.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержит два оптических объединителя (16, 17), каждый из которых выполнен с возможностью добавления лазерного излучения к указанным двум компонентам (12, 13) бриллюэновского сигнала, выделенным с помощью указанного по меньшей мере одного оптического поляризационного разделителя (10, 11).

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что содержит разделитель (2) пучка, выполненный с возможностью отделения части (4) лазерного излучения указанного лазерного источника (1) света, предназначенного для возбуждения рассеяния Бриллюэна, для введения указанной части (4) лазерного излучения в измеряемое оптическое волокно, причем указанная часть (4) лазерного излучения добавляется к бриллюэновскому сигналу.

5. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что содержит второй лазерный источник (27) света, генерирующий лазерное излучение, добавляемое к бриллюэновскому сигналу.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что частота второго лазерного источника (27) света отличается от частоты первого лазерного источника (1) света, в частности, примерно на 10 ГГц.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что содержит оптическую систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (28), стабилизирующую разностную частоту между первым и вторым лазерными источниками (1, 27) света.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что содержит компоненты для измерения рэлеевского рассеяния.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что указанные компоненты для измерения рэлеевского рассеяния включают в себя дополнительный лазерный источник (34) света, отличающийся от первого лазерного источника (10 света, причем дополнительный лазерный источник (34) предпочтительно отличается и от установленного, при необходимости, второго лазерного источника (27) света, предназначенного для возбуждения лазерного излучения, добавляемого к бриллюэновскому сигналу.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что содержит оптическое волокно в качестве эталона или участок указанного предназначенного для измерения оптического волокна (5) выполняет функцию эталона, который выполнен, например, в виде эталонной катушки (39) и генерирует постоянный бриллюэновский сигнал, по меньшей мере, на заданной длине так, чтобы этот бриллюэновский сигнал детектировался датчиками и использовался для калибровки чувствительности.

11. Способ волоконно-оптического измерения температуры и/или натяжения на основе рассеяния Бриллюэна, включающий этапы, на которых

генерируют лазерное излучение,

вводят лазерное излучение в оптическое волокно (5) для измерения температуры и натяжения,

выводят из оптического волокна (5) бриллюэновские сигналы, генерированные в оптическом волокне (5),

разделяют выведенные бриллюэновские сигналы на две компоненты (12, 13) с различной поляризацией,

детектируют указанные две компоненты (12, 13) выведенных бриллюэновских сигналов и

с помощью средств обработки данных определяют локальную температуру и/или натяжение, по меньшей мере, участков оптического волокна (5) исходя из детектированных компонент (12, 13) бриллюэновских сигналов.

12. Способ по п. 11, в котором указанные две компоненты (12, 13) выведенных бриллюэновских сигналов детектируют раздельно друг от друга.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором из указанных двух детектированных компонент (12, 13) бриллюэновского сигнала генерируют два выходных сигнала (25, 26), которые соответствующим образом объединяют, в частности, до или после оцифровки для получения выходного сигнала, не зависящего от поляризации, для определения температуры и/или натяжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству геосинтетических материалов из химических волокон (нитей), и испытанию их на определение сопротивления ударной динамической нагрузке.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам неразрушающего контроля мостовых сооружений. Способ предполагает возбуждение свободных колебаний вантового элемента путем приложения импульсного воздействия в месте его прикрепления к анкерному устройству.

Настоящее изобретение относится к строительству шахтной системы, в частности к устройству и способу определения натяжения на направляющем канате висячих подмостей при строительстве шахты.

Изобретение относится к контролю и диагностике преднапряженных железобетонных балок и пролетных строений мостов. Способ заключается в воздействии сосредоточенной динамической ударной нагрузкой на балку после преднапряжения арматуры, измерении основной частоты колебаний, определении аналитической величины собственной частоты колебаний конструкции с учетом прогнозируемой расчетной величины напряжения в середине пролета в верхней сжатой фибре балочной конструкции, силы предварительного натяжения в арматуре, модуля упругости, расчетной длины арматуры, расстояния от нейтральной оси до сжатой фибры, силы Эйлера.

Изобретение относится к железнодорожным ручным тормозам. Железнодорожный ручной тормоз содержит пустотелый корпус, создающую силу цепь, отходящую от корпуса и соединенную с рычажной тормозной системой вагона, и цепной барабан.

Изобретение относится к силоизмерительной технике, в частности к способам определения натяжений протяженных изделий, например металлических проводов и тросов, оптоволоконных кабелей, полимерных канатов, арматуры и др.

Изобретение относится к области опто-акустических измерений натяжений упругих материалов. Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов заключается в механическом измерении и контроле за усилиями натяжения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вантовых конструкций. Способ определения натяжения шнура заключается в защемлении шнура между двумя зажимами, в центр которого приложена постоянная поперечная нагрузка и измерение максимального прогиба.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения натяжений мембранных элементов конструкций. Способ состоит в том, что мембрану защемляют двумя кольцами, расположенными по разные стороны поверхности мембраны, и прикладывают поперечную нагрузку, распределенную по площади круга, центр которого совпадает с центрами защемляющих колец, измеряют величину максимального прогиба мембраны и определяют равномерное натяжение мембраны σ(0) по формуле σ ( 0 ) = P 2 I H π ; I = ∫ d b [ B 2 [ 1 − 1 1 + H 2 B 2 ] − 1 r ∫ b r B 2 1 + H 2 B ​ 2 d r ] r d r B = 4 b 2 r 2 ln r b + 2 b 2 ( d 2 + r 2 ) − 2 r 2 ( b 2 + d 2 ) r ( b 4 − d 4 + 4 b 2 d 2 ln d b ) Где σ(0) - величина равномерного натяжения мембраны, Н/м.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и индикации величины натяжения проводов, тросов. Заявляемое устройство включает фиксатор, рычажный элемент для создания изгиба измеряемого изделия, электронный блок, размещенный в протяженной балке со встроенным чувствительным элементом в виде тензодатчика и с тремя опорами - центральной и концевыми.

Группа изобретений относится к области оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в качестве основы системы контроля технического состояния конструкций. Способ включает организацию рефлектометрической оптической схемы.

Комплексная система текущего контроля для обеспечения безопасности в подземных угольных шахтах с использованием выполненных на основе решетки волоконно-оптических датчиков, содержащая надземную часть и подземную часть.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры для выработанного пространства действующего забоя при добыче угля в угольной шахте.

Устройство относится к технике оптических измерений, в частности к устройствам для измерения параметров физических полей (температура, давление, натяжение и т.д.) с помощью оптических датчиков.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения места несанкционированного подключения нагрузки к линии электрической передачи.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры при помощи оптического волокна. Заявлено устройство (100) температурной калибровки оптоволоконного температурного датчика, предназначенное для оборудования оптического волокна (10) оптоволоконного температурного датчика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры расплава. Устройство для измерения температуры расплава, в частности расплавленного металла, содержащее оптическое волокно и направляющую трубку, имеющее погружной конец и второй конец, противоположный погружному концу.

Изобретение относится к области термометрии и может применяться для решения широкого круга задач в нефтяной и газовой промышленности. Располагают чувствительное оптическое волокно в тепловом контакте с объектом, организуют рефлектометрическую измерительную схему, содержащую оптический путь обратно рассеянного излучения, Подключают оптический путь обратно рассеянного излучения через оптический фильтр, выполненный с возможностью селекции обратно рассеянного антистоксова рамановского сигнала, к фотоприемнику.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения температурного распределения вдоль оптоволоконной линии. Способ включает в себя выделение реального сигнала, обусловленного электронным фототоком из измеряемой суперпозиции реального (электронного) и «дырочного» сигналов.
Наверх