Fasefølsomt optisk reflektometer

Fasefølsomt optisk tidsdomænereflektometer ( ϕ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer )  er en enhed til vibroakustisk kontrol af udvidede objekter [ 1] . Denne enhed i den videnskabelige og tekniske litteratur kaldes også et kohærent reflektometer [2] eller en distribueret akustisk stødsensor [3] .

Sådan virker det

Funktionsprincippet for enheden svarer til et konventionelt optisk reflektometer . Den væsentligste forskel ligger i kohærenslængden af ​​den anvendte strålingskilde [4] . I et konventionelt reflektometer er det mindre end længden af ​​sonderingsimpulsen, hvilket resulterer i, at den gennemsnitlige strålingseffekt bliver spredt tilbage . I et fasefølsomt reflektometer er kohærenslængden af ​​kilden længere end pulsvarigheden, på grund af hvilken strålingen spredt fra inhomogeniteter inden for pulsvarigheden tilføjes under hensyntagen til faserne . Disse faser for hver bølge er en tilfældig variabel , som et resultat af hvilket det registrerede spredningssignal, kaldet reflektogrammet , har fluktuationer . Dette signal er en endimensionel analog af plettermønsteret .

Disse afvigelser af reflektogrammet forbliver tilnærmelsesvis indtil faserne af spredningscentrene på en hvilken som helst sektion af kablet ændres. Dette sker, når den optiske fiber er deformeret , hvilket kan skyldes enten direkte påvirkning af kablet eller af en akustisk bølge , der har nået det fra miljømæssige begivenheder.

Ved at analysere stabiliteten af ​​de opnåede reflektogrammer kan man således drage konklusioner om begivenhederne omkring sensoren . I dette tilfælde akkumuleres reflektogrammer ikke til gennemsnitsberegning (som det sker i et optisk reflektometer), men behandles konstant for at identificere effekter. En typisk måde at bruge denne enhed på er at lægge en sensorfiber langs et kontrolleret objekt (vej, rørledning , territoriums perimeter osv.) og derefter spore de opståede hændelser, der vises på operatørens skærm.

Strukturdiagram

Strålingen fra kilde 1 forstærkes i booster 2 til den nødvendige effekt, derefter genererer den akusto-optiske modulator 5 en sondeimpuls under påvirkning af styresignaler fra FPGA 3 og driver 4, som kommer ind i sensorkanaler gennem splitter 6 (der kan være 1 i et forenklet skema eller 2 for redundans). ), hvor strålingen gennem cirkulatoren 7 kommer ind i sensorfiberen 8. Den tilbagespredte stråling fra hvert punkt på sensoren ledes af cirkulatoren 7 til forforstærkeren 9, som øges den lave effekt til et detekterbart niveau. Filteret 10 afskærer den spontane stråling fra forforstærkeren 9. Det optiske signal konverteres til et elektrisk signal på fotodioden 11, hvorefter det digitaliseres på ADC 12, forbehandles og filtreres på FPGA 3. I den endelige form , informationen føres til operatørens computer 13. Funktioner af ordningen:

  1. Laserkilden skal have en lang kohærenslængde og god centerbølgelængdestabilitet.
  2. Boosteren skal tillade forstærkning af signalet op til 1 W i kontinuerlig tilstand (kredsløbet med en pulseret boosterdrift er acceptabel, men giver et højere støjniveau)
  3. FPGA'en skal have tilstrækkelig computerkraft til at give kontrol over alle komponenter og forbehandle de modtagne data
  4. Modulatordriveren skal give lave stigetider og lav jitter .
  5. Modulatoren skal give et højt dæmpningsforhold for at undertrykke kohærent støj, lave pulsfronter og høj strålingsmodstand. Derfor anvendes akusto-optiske modulatorer i enheder af denne type.
  6. Splitteren skal modstå stråling op til 1 W.
  7. Cirkulatoren giver stråling til sensoren og til fotodetektoren med minimale tab. Det skal også have høj strålingsmodstand.
  8. Sensorfiberen kan være en hvilken som helst single-mode fiber, hvilket er en fordel ved enheden.
  9. Forforstærkeren, når du bruger et to-sensor kredsløb, skal være to-kanal og give dig mulighed for at justere udgangseffekten.
  10. Det optiske filter skal have en smal spektral bredde for at afskære spontan støj.
  11. Fotodioden skal fungere ved frekvenser i størrelsesordenen 10 MHz.
  12. ADC skal være to-kanal og svare til fotodiodens frekvens
  13. PC'en skal sørge for den endelige behandling og visning af dataene. Flere pc'er kan behandle data ved hjælp af forskellige algoritmer.

Funktioner

Maksimal rækkevidde

En optisk strålingsimpuls henfalder, når den forplanter sig gennem fiberen . For single-mode fiber , når den opererer ved en bølgelængde på 1550 nm, er den typiske værdi af dæmpningskoefficienten 0,18 dB/km [5] . Da strålingen efter spredning også går den modsatte vej, bliver den endelige dæmpning pr. 1 km af sensoren 0,36 dB. Den maksimale afstand er den, hvor niveauet af det spredte signal bliver så lille, at det ikke kan skelnes fra systemets støj. Denne begrænsning kan ikke overvindes ved at øge effekten af ​​inputstrålingen, da dette fra en vis værdi vil forårsage ikke-lineære effekter, der vil gøre systemet umuligt at fungere [6] . Systemets typiske rækkevidde er 50 km.

Rumlig opløsning og samplinghastighed

Den rumlige opløsning bestemmes overvejende af pulsvarigheden, der er halvdelen af ​​pulsvarigheden i fiberen . For en pulsvarighed på 200 ns vil den rumlige opløsning således være 10 m. Det skal bemærkes, at pulsvarigheden påvirker mængden af ​​tilbagespredt effekt, så opløsningen er relateret til det maksimale område. Forøgelse af pulsvarigheden fører imidlertid til en forringelse af rumlig opløsning, så varigheder i området fra 100 til 1000 ns er almindeligt anvendte. Prøvetagningshastigheden bør skelnes fra den rumlige opløsning. Det bestemmes af hastigheden af ​​enhedens ADC og kan være op til 10 ns. Men dette betyder ikke, at enheden kan skelne hændelser med en opløsning på 1 m, da disse hændelser er "blandet" inden for en ti-meters puls.

Registreret lydfrekvens

Et reflektogram er et sæt af intensitetsværdier ved hvert sensorpunkt. Det vil sige, at jo større antal reflektogrammer, vi modtager, jo højere frekvens kan vi registrere. Men det er begrænset ovenfra, da det for at opnå ét tilbagespredningsmønster er nødvendigt, at lysimpulsen først når det fjerneste punkt af sensoren, og derefter vender den tilbagespredte stråling tilbage. For en 50 km fiber med et brydningsindeks på 1,5 ville dette kræve 500 µs, dvs. sensorens samplingshastighed er 2 kHz. Ifølge Kotelnikovs teorem kan et sådant system registrere signaler med frekvenser op til 1 kHz.

Temperaturmålinger

Et Rayleigh-spredningssystem samt en enhed baseret på Raman- og Brillouin-spredning kan registrere temperaturændringer, da opvarmning og afkøling vil påvirke de tilfældige faser af spredningscentre. Denne tendens har dog endnu ikke vundet bred accept.

Ansøgning

Enheden er i stand til at optage akustiske påvirkninger ved hjælp af et sensorfiberkabel op til 50 km langt med en opløsning på op til 10 m, og viser resultaterne på operatørens skærm. Sådanne muligheder gør dens anvendelse relevant på flere områder [7] .

For det første til kontrol af udvidede objekter [8] . Enheden kan give besked om tilgangen af ​​en person (i 5 meter), en bil (i 50 meter) eller andre genstande, der udsender lydbølger, hvis udseende kan udgøre en fare for det kontrollerede objekt.

For det andet til vertikal seismisk profilering og brøndlogning [12] . Til disse formål anvendes fasefølsomme reflektometre med fasegenvinding [13] . De har den værste følsomhed (hvilket er et minus, når du opretter et overvågningssystem for udvidede objekter), men de giver dig mulighed for at gendanne den oprindelige form af lydsignalet (hvilket er et plus, når du bygger en brøndprofil).

Fordele

Sensoren på denne enhed er en almindelig telekommunikationsfiber , som umiddelbart giver følgende fordele:

Enheden som helhed har følgende fordele:

Udviklingsretninger

Sensorsystemet baseret på et fasefølsomt optisk reflektometer har en række tekniske egenskaber, som hovedforskergrupperne i øjeblikket arbejder med:

  1. "Døde zoner", som skyldes reflektogrammets uregelmæssighed. Hos disse er der et signifikant fald i følsomheden. Denne mangel kan elimineres på flere måder. For det første ved at stable flere fibre, hvor områder med nedsat følsomhed vil kompensere hinanden. For det andet ved at scanne ved flere bølgelængder. For det tredje. ved hjælp af en sekventiel forskydning af bølgelængden af ​​modulatoren.
  2. Mulighed for at bryde sensorkablet. Pålideligheden øges ved lægning af to kabler, såvel som ved tilslutning til sensorkablet fra begge sider (lægning af "ring")
  3. Ufuldkommenhed af algoritmer til registrering af ydre påvirkninger. Isolering af hændelser på baggrund af systemstøj er en kompleks opgave, og metoderne til at løse dem bliver konstant forbedret af udviklingsvirksomheder [14] . Mere kraftfulde FPGA'er med mere avancerede algoritmer kan øge sandsynligheden for korrekt detektion. Et af de mest aktivt udviklende områder er brugen af ​​neurale netværk og maskinlæringsværktøjer [15]
  4. Krav til hurtig udskiftning af defekte komponenter af nogle sikkerhedsbrugerorganisationer. Typisk fremstilles optiske instrumenter som en enkelt enhed, hvis reparation udføres af produktionsvirksomheden. Men i dette tilfælde er det muligt at fremstille en enhed i henhold til et blokdiagram med mulighed for hot-swapping af strømforsyninger, forstærkere og andre komponenter.

Noter

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. US patent: 5194847 - Apparat og fremgangsmåde til fiberoptisk indtrængningsføling (16. marts 1993). Hentet 6. maj 2016. Arkiveret fra originalen 8. december 2016.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Kohærent reflektometer med et to-fiber spredt lys interferometer  // Quantum Electronics. - T. 41 , no. 2 . — S. 176–178 . - doi : 10.1070/qe2011v041n02abeh014467 . Arkiveret fra originalen den 4. juni 2016.
  3. ↑ Marchenko, K.V., Naniy, O.E., Nesterov, E.T., Ozerov, A.Zh., Treshchikov, V.N. FOCL beskyttelse med en distribueret akustisk sensor baseret på et sammenhængende reflektometer Vestnik svyazi  . — 01-01-2011. - Udstedelse. 9 . Arkiveret fra originalen den 24. september 2016.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. Indflydelsen af ​​graden af ​​sammenhæng af en halvlederlaser på statistikken over den tilbagespredte intensitet i en single-mode optisk fiber  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 2011-12-28. — Bd. 56 , udg. 12 . — S. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . - doi : 10.1134/S106422691112014X . Arkiveret fra originalen den 6. juni 2018.
  5. ↑ Corning SMF-28e+® LL Optisk fiber . www.corning.com. Dato for adgang: 6. maj 2016. Arkiveret fra originalen 4. juni 2016.
  6. ↑ ET Nesterov, AA Zhirnov, KV Stepanov, AB Pnev, VE Karasik. Eksperimentel undersøgelse af indflydelsen af ​​ikke-lineære effekter på fasefølsomme optiske tidsdomænereflektometers driftsområde  (engelsk)  // Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Bd. 584 , udg. 1 . — S. 012028 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Seneste fremskridt inden for distribuerede fiberoptiske sensorer   // Sensorer . — 2012-06-26. — Bd. 12 , udg. 12 . — S. 8601–8639 . - doi : 10.3390/s120708601 . Arkiveret fra originalen den 4. april 2016.
  8. ↑ Juan C. Juarez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, Henry F. Taylor. Distribueret Fiber-Optic Intrusion Sensor System (EN) // Journal of Lightwave Technology. - 2005-06-01. - T. 23 , nej. 6 . Arkiveret fra originalen den 7. august 2016.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. Mod Forebyggelse af Pipeline Integrity Trusler ved hjælp af et Smart Fiber Optic Surveillance System  // Journal of Lightwave Technology. — 2016-01-01. - T. PP , nej. 99 . — S. 1–1 . — ISSN 0733-8724 . - doi : 10.1109/JLT.2016.2542981 .
  10. ↑ Yi Shi, Hao Feng, Zhoumo Zeng. Et langdistance-fasefølsomt optisk tidsdomænereflektometer med enkel struktur og høj lokaliseringsnøjagtighed   // Sensorer . — 2015-09-02. — Bd. 15 , iss. 9 . — S. 21957–21970 . - doi : 10.3390/s150921957 . Arkiveret fra originalen den 5. maj 2016.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Matematisk analyse af havrørledningslækageovervågningssystem baseret på sammenhængende OTDR med forbedret sensorlængde og prøveudtagningsfrekvens  //  Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Bd. 584 , udg. 1 . — S. 012016 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012016 .
  12. ↑ Distribueret akustisk sensorteknologi | Schlumberger . www.slb.com. Hentet 6. maj 2016. Arkiveret fra originalen 10. maj 2016.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorshkov, VT Potapov, IA Sergachev. Fasefølsomt optisk kohærensreflektometer med differentiel faseforskydningstastning af probeimpulser  // Quantum Electronics. - T. 44 , no. 10 . — S. 965–969 . - doi : 10.1070/qe2014v044n10abeh015470 . Arkiveret fra originalen den 4. juni 2016.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Genkendelse af et fasefølsomt OTDR-sensorsystem baseret på morfologisk funktionsekstraktion   // Sensorer . — 2015-06-29. — Bd. 15 , iss. 7 . — S. 15179–15197 . - doi : 10.3390/s150715179 . Arkiveret fra originalen den 1. juli 2016.
  15. ↑ WB Lyons, E. Lewis. Neurale netværk og mønstergenkendelsesteknikker anvendt på optiske fibersensorer  //  Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2000-12-01. — Bd. 22 , udg. 5 . - S. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . - doi : 10.1177/014233120002200504 .