Распределенная волоконно-оптическая система контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния
Распределенная волоконно-оптическая система контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния, которая может быть применена для контроля пожароопасных ситуаций в угольных шахтах и других объектах большой территории, включающая лазерный излучатель и фотоприемники с интерференционными фильтрами, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности и увеличения дальности действия, на концевом торце волокна установлен зеркальный отражатель, система снабжена генератором с линейно увеличивающейся частотой следования импульсов, начиная с частоты обратной времени распространения лазерного импульса до конца волокна и обратно, до удвоения упомянутой частоты, а усилитель фотоприемника снабжен интегратором с постоянной времени равной периоду конечной частоты, а также блоком усиления с квадратичным нарастанием коэффициента усиления по мере нарастания частоты следования импульсов.
Изобретение относится к области измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для контроля температуры вдоль оптического волокна в виде кабеля проложенного по контролируемой области длиной до 50 км. Устройство может использоваться в системах пожарной сигнализации, технологического контроля скважин глубиной до 5 км, в угольных шахтах, элеваторах и других объектах большой протяженности (до 50 км).
Методически представленное изобретение относится к оптической рефлектометрии временной области OTDR (optical time domain reflectometry) и аппаратам для выполнения таких операций.
В обычном OTDR-методе короткий лазерный импульс света на рабочей длине волны (
0) вводится в один конец оптического волокна, и измеряется релеевское оптическое излучение, рассеянное обратно от каждой точки вдоль волокна. В распределенном во времени считывании, используется осциллограмма рассеянного обратно излучения. По ней измеряют оптические потери и дефекты в различных местах волокна. В типовых OTD рефлектометрах, используемых для определения характеристик оптического волокна или кабеля, сигналом обратного релеевского рассеяния пользуются, например, чтобы установить расположение дефектов (разрывов, неисправностей) в волокне или измерить характеристики затухания волокна и длину волокна.
Рассеянные обратно сигналы могут быть результатом процессов упругого или неупругого рассеяния. Рэлеевское рассеяние производит беспорядочные (стохастические) сигналы от упругого рассеяния в основном с той же самой длиной волны, как и введенный сигнал (0). Сигналы бриллуэновского и комбинационного (рамановского) рассеяния возникают в результате процессов неупругого рассеяния, каждый из которых производит пары полос спектра. Каждая пара полос первого порядка включает одну полосу (стоксову компоненту), с центром около более длинной длины волны (+1), чем у введенного сигнала (0) и другую полосу (антистоксову компоненту), центрируемую на более короткой длине волны (-1), чем у введенного сигнала. Таким образом, пара компонент располагается симметрично около введенной сигнальной длины волны. Спектр сигналов бриллуэновского и рамановского рассеяния обычно содержит несколько поочередных порядков (на длинах волн ±n, где n=1,2,3 
), являющихся результатом частных процессов рассеивания, причем интенсивность полос уменьшается с увеличением порядка.
В патенте GB-2140554, G01D 5/26 от 12.06.92 предложен способ и устройство, в котором импульсный лазерный свет вводится в один конец оптического волокна и рассеянные обратно рамановские стоксовы и антистоксовы сигналы выделяют и измеряют. Соотношения измерений их мощностей во времени позволяет получать распределение температуры вдоль волокна.
В последующем известном устройстве ЕР 0502283, G01K 11/32 от 11.04.94, использованы оптические сигналы на длине волны 1.32 мкм от источника, включающего накачиваемый диодом твердотельный лазер, которые посылались вдоль оптического волокна с увеличенным рамановским рассеянием.
В европатенте ЕР 0 636 868 A1, G01K 11/32, G01D 5/26 от 19.07.94, взятом за прототип, предложена распределенная волоконно-оптическая система контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния, включающая полупроводниковый импульсный лазерный излучатель, устройство ввода лазерного излучения в оптическое волокно, фотоприемники с интерференционными фильтрами, выделяющими стоксовы и антистоксовы длины волн вынужденного комбинационного рассеяния, усилители сигналов фотоприемников, систему оцифровки, обработки и индикации распределения температуры вдоль волокна. Предложены также различные методы ограничения и преобразования стоксовых компонент первого порядка в компоненты более высокого порядка, а также дополнительные лазерные излучатели позволяющие увеличить величину стоксовых компонент и длину распределенной сенсорной линии до 50 км. Там же отмечается нежелательность высоких мощностей зондирующего излучения вследствие появления нелинейных эффектов ухудшающих точность измерения.
Недостатком этой системы является то, что для увеличения ее дальности действия до 50 км предлагается подключение дополнительных источников излучения, на длинах волн соответствующих стоксовой и антистоксовой компонентам. Это усложняет измерительную систему, увеличивает потребление электроэнергии и понижает ее надежность. Одновременно возрастает стоимость системы, что препятствует широкому использованию прототипа.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании не только обратного комбинационного рамановского рассеяния при прохождении зондирующего импульса, распространяющегося вдоль оптического волокна в прямом направлении, но и рамановского рассеяния, стимулированного импульсом, отраженным от концевого торца волокна, и распространяющемуся в обратном направлении.
Технический результат заключается в увеличении дальности действия системы без дополнительных генераторов, уменьшении мощности зондирующего излучения a , следовательно, потребляемой мощности, веса и стоимости измерительной системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе применен зеркальный отражатель на оконечном торце волоконной линии и специальный генератор с линейно нарастающей частотой следования зондирующие импульсов, начиная с частоты обратной времени распространения лазерного импульса до конца волокна и обратно до удвоения упомянутой частоты. Кроме того, усилители фотоприемников снабжены интеграторами с постоянной времени равной периоду конечной частоты, а также блоком усиления с квадратичным нарастанием коэффициента усиления по мере нарастания частоты следования импульсов.
Предлагаемое устройство распределенной волоконно-оптической системы контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния поясняется структурной схемой, представленной на Фиг.1.
На схеме приняты следующие обозначения: импульсный генератор с линейно нарастающей частотой следования импульсов 1, соединенный с полупроводниковым лазером 2; устройство ввода лазерного излучения 3 в оптическое волокно 4; отражающее зеркало 5, расположенное на концевом торце волокна 4; фотоприемники с фильтрами 6, выделяющими стоксову и антистоксову компоненты комбинационного рассеяния; предварительный усилитель 7 с интегратором 8; усилитель с изменяемым коэффициентом усиления 9; аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 10; ЭВМ 11 с индикаторным устройством 12 (дисплей).
Элементы 1, 5, 8 и 9, предлагаемого устройства, составляют отличительную часть, от устройств в известных системах и прототипе.
Устройство работает следующим образом.
Импульсный генератор 1 формирует короткие электрические импульсы длительностью 20 не с линейно нарастающей частотой следования импульсов, которые подают на полупроводниковый лазер 2, где преобразуются в импульсы лазерного излучения. Эти оптические импульсы поступают в устройство ввода излучения 3 и, через него, в оптическое волокно 4 длиной от 0,1 до 50 км. Достигнув конца волокна, оптические импульсы отражаются от зеркала 5 и возвращаются обратно по волокну к фотоприемникам с фильтрами 6. Интерференционные фильтры выделяют стоксову и антистоксовы компоненты комбинационного рассеяния и преобразуют их в электрические сигналы пропорциональные их интенсивности. Далее сигналы усиливают в предварительном усилителе 7, подают на интегратор 8, сглаживающий импульсные сигналы, а затем на усилитель с изменяемым коэффициентом усиления 9, для выравнивания сигналов разной удаленности, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и ЭВМ 11, где они проходят математическую обработку и подаются на индикаторное устройство 12 (дисплей) в виде распределения температуры вдоль волокна. Полученные последовательные цифровые коды, поступающие в ЭВМ, могут использоваться в базе данных диспетчерской ЭВМ.
Схема взаимодействия импульсов света, распространяющихся в прямом и обратном направлении, поясняется фиг.2, где показано, что импульс 2, отраженный от зеркала 5 и движущийся в обратном направлении, усиливает комбинационное рассеяние следующего импульса 1 движущегося по оптическому волокну 4 в прямом направлении. Схема распространения зондирующего 1 и отраженного 2 импульсов по волокну 4 до взаимодействия до взаимодействия показана на фиг.2, а. Схема прохождения этих импульсов после прохода через область взаимодействия 3 показана на фиг.2, б.
Благодаря изменению частоты импульсного генератора точка встречи прямого и отраженного импульса будет перемещаться от входного торца волокна к его концу «просматривая» последовательно каждый участок волокна.
Примеры реализации изобретения
Пример 1 реализации предлагаемой системы на основе кварц-германатного многомодового волокна со стандартными геометрическими размерами 
125/50 мкм, с параболическим показателем преломления и числовой апертурой 0,25, затуханием 0,29 дБ/км длиной 5 км.
Использовались оптические импульсы длительностью 20 нс с длиной волны 1.06 мкм, при введенной мощности в импульсе между 0,3 Вт и 1,0 Вт. Затухание на рамановской антистоксовой длине волны 1,00 мкм составляло 0,95 дБ/км и на стоксовой длине волны 1,12 мкм - 0,62 дБ/км. Наблюдаемый отраженный сигнал был ослаблен на 35 дБ, т.е. составлял 0,250,35 Вт. Сигнал стоксовой компоненты был слабее на 20 дБ, а антистоксовой на 30 дБ. Уровень этих сигналов после фильтрации был довольно высок и составлял 45 и 50 мкВт, т.е. не требовал высокочувствительных фотоприемных устройств. Отклонение на 1% от значения для линейного режима изменения отношения мощностей сигналов стоксовой и антистоксовой компонент в логарифмическом масштабе от длины волокна наблюдалось при изменении температуры на 1°С.
Таким образом, устройство позволяло регистрировать распределение температуры вдоль волокна длиной 5 км с разрешающей способностью по температуре 1°С и пространственной разрешающей способностью 15 м.
Пример 2 реализации предлагаемого изобретения на одномодовом волокне со стандартными геометрическими размерами 125/8,5 мкм, с несмещенной дисперсией затуханием на длине волны 1,55 мкм 0,20 дБ/км, числовой апертурой 0,12 длиной 50 км.
Использовались оптические импульсы длительностью 20 нс с длиной волны 1,35 мкм, при введенной мощности в импульсе между 0,9 Вт и 1,0 Вт. Затухание на рамановской антистоксовой длине волны 1,25 мкм составляло 0,49 дБ/км и на стоксовой длине волны 1,45 мкм - 0,42 дБ/км. Наблюдаемый отраженный сигнал на рабочей длине волны 1,35 мкм был ослаблен на 2526 дБ, т.е. составлял 0,81,0 мВт. Сигнал стоксовой компоненты рамановского рассеяния был слабее на 20 дБ, а антистоксовой на 30 дБ. Уровень этих сигналов после фильтрации составлял, соответственно, 45 и 5 мкВт, т.е. требовал умеренно чувствительных фотоприемных устройств. Отклонение на 1% от значения для линейного режима изменения отношения мощностей сигналов стоксовой и антистоксовой компонент в логарифмическом масштабе от длины волокна наблюдалось при изменении температуры на 1°С.
Таким образом, устройство позволяло регистрировать распределение температуры вдоль волокна длиной 50 км с разрешающей способностью по температуре 1°С и пространственной разрешающей способностью 15 м.
В табл.1 приведены сравнительные характеристики известного и предлагаемого устройств.
Согласно данным, приведенным в табл.1, предлагаемое устройство имеет более широкий диапазон рабочих длин волн и дальность действия, требует меньше мощности в импульсе, не требует дополнительных излучателей. Для регистрации стоксовых и антистоксовых компонент комбинационного рассеяния не требуется высокочувствительных приемников.
| Таблица 1. Сравнительные характеристики известного и предлагаемого устройств | |||
 пп | Параметры и характеристики | Известное устройство (прототип) | Предлагаемое устройство |
| 1 | Рабочие диапазоны длин волн, мкм | 1,31,55 | 0,851,55 |
| 2 | Мощность излучения в импульсе, Вт | 1,53,0 | 0,51,0 |
| 3 | Наличие дополнительного излучателя для усиления комбинационного рассеяния | есть | нет |
| 4 | Чувствительность приемника, мкВт | 0,1 | 5 |
| 5 | Длина оптического волокна в системе без дополнительных излучателей, км | 130 | 150 |
| 6 | Пространственная разрешающая способность, м | 15 | 15 |
| 7 | Разрешающая способность по температуре | 1,5°С | 1°С |
| 8 | Потребляемая мощность аппаратуры, Вт | 100 | 50 |
Распределенная волоконно-оптическая система контроля температуры на основе вынужденного комбинационного рассеяния, включающая полупроводниковый импульсный лазерный излучатель, устройство ввода лазерного излучения в оптическое волокно, фотоприемники с интерференционными фильтрами, выделяющими длины волн вынужденного комбинационного рассеяния, усилитель сигналов фотоприемника, систему оцифровки, обработки и индикации распределения температуры вдоль волокна, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности и увеличения дальности действия, на концевом торце волокна установлен зеркальный отражатель, система снабжена генератором с линейно увеличивающейся частотой следования импульсов, начиная от частоты, обратной времени распространения лазерного импульса до конца волокна и обратно, до удвоения упомянутой частоты, а усилитель фотоприемника снабжен интегратором с постоянной времени, равной периоду конечной частоты, а также блоком усиления с квадратичным нарастанием коэффициента усиления по мере нарастания частоты следования импульсов.
