Устройство измерения величины вибрационных или акустических воздействий вдоль протяженного объекта

 

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для распределенного измерения величины вибрационных или акустических воздействий вдоль протяженных объектов. Полезная модель представляет собой устройство измерения величины вибрационных или акустических воздействий вдоль протяженного объекта, состоящее из импульсного источника когерентного излучения, чувствительного элемента в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узла ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемника, аналого-цифрового преобразователя и узла обработки сигнала с процессором. Импульсный источник когерентного излучения выполнен перестраиваемым по частоте излучаемого импульса в пределах единиц или десятков мегагерц в соответствии с управляющим сигналом. В качестве импульсного источника когерентного излучения применяется полупроводниковый лазер и оптический модулятор или лазерный диод с распределенной обратной связью. В качестве импульсного источника когерентного излучения может применяется лазерный диод, стабилизированный оптоволоконной брэгговской решеткой, при этом управление частотой осуществляется механической деформацией брэгговской решетки. Механическая деформация брэгговской решетки осуществляется с помощью пьезокерамического элемента. Перестройка частоты излучаемого импульса может осуществляться с помощью внешнего оптического фазового модулятора, управляемого по линейному закону в процессе прохождения оптического импульса. Полезная модель позволяет повысить точность воспроизведения мгновенных значений фазового набега между центрами рэлеевского рассеяния в оптическом волокне в пределах каждого элемента разрешения волоконно-оптического датчика, и, следовательно, обеспечивает возможность оценки быстро меняющихся мгновенных значений вибрационных и акустических колебаний вдоль протяженного объекта. 1 н.п.ф., 5 з.п.ф., 1 фиг.

Предложение относится к измерительной технике и может быть использовано для распределенного измерения величины вибрационных или акустических воздействий вдоль протяженных объектов.

Волоконно-оптические датчики распределенного измерения величины вибрационных или акустических воздействий могут быть основаны на использовании эффектов рэлеевского рассеяния или рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Основное преимущество в построении измерительных систем с использованием оптического волокна в качестве сенсора заключается в их простоте и масштабируемости. Так, например, с помощью одного измерителя можно охватить объект протяженностью от сотен метров до десятков километров.

Известен способ мониторинга виброакустических колебаний вдоль протяженного объекта на основе устройства, содержащего узкополосный импульсный источник излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (пат. США 5194847, патент РФ 2271446).

Основным недостатком известного способа является невозможность оценки изменений мгновенных значений фазового набега между центрами рэлеевского рассеяния в оптическом волокне (обусловленных внешним давлением, деформацией или температурными изменениями), что связано с нелинейным характером воздействия фазового набега на амплитуду рэлеевского рассеяния, наблюдаемого на фотоприемнике.

Указанный недостаток устранен в известном устройстве-прототипе, где реализовано быстрое измерение величины возмущений в передаваемом, отраженном или рассеянном свете вдоль оптического волокна (пат. WO 2010/136810 A2), что позволяет осуществлять моноимпульсную оценку мгновенных значений измеряемого фазового набега между элементами разрешения.

Недостатком известного устройства-прототипа является точное воспроизведение мгновенного значения измеряемого воздействия только в случае точечного воздействия на распределенный чувствительный элемент, которое на практике не реализуется. В действительности применение телекоммуникационных кабелей со свободной укладкой оптических волокон приводит к закону растяжения (сжатия), близкому к равномерному на расстояниях, соизмеримых с пространственной протяженностью импульса лазера. Кроме того, реализующее указанный способ устройство сложно по конструкции приемной части.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности воспроизведения мгновенных значений фазового набега между центрами рэлеевского рассеяния в оптическом волокне в пределах каждого элемента разрешения волоконно-оптического датчика, и следовательно, возможность оценки быстро меняющихся мгновенных значений вибрационных и акустических колебаний вдоль протяженного объекта.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, состоящем из импульсного источника когерентного излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительного элемента в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узла ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемника, аналого-цифрового преобразователя и узла обработки сигнала с процессором, добавлена возможность перестройки частоты излучаемого импульса в пределах единиц или десятков мегагерц (т.е. достаточно узком диапазоне частот) в соответствии с управляющим сигналом, называемым далее «пилот-сигналом». В качестве варианта технического устройства, позволяющего реализовывать возможность перестройки частоты когерентного излучения может применяться лазерный диод с распределенной обратной связью или лазерный диод, стабилизированный оптоволоконной брэгговской решеткой. В последнем случае перестройка частоты осуществляет путем механической деформации брэгговской решетки, например, с помощью пьезокерамического элемента. Кроме того, возможно использование внешнего оптического фазового модулятора, в котором реализуется линейный закон управления фазовым сдвигом в процессе прохождения оптического импульса.

Как известно, причиной рэлеевского рассеяния в оптоволокне являются локальные отклонения показателя преломления, поэтому сигнал, полученный с полосы дальности, охватываемой излученным импульсом в определенный момент времени, состоит из суммы отражений от локальных неоднородностей, называемых также центрами рэлеевского рассеяния и имеющих случайную амплитуду и фазу. Однако, при отсутствии внешних воздействий и малом уровне шумов источника лазерного излучения эта сумма будет независимой от времени. Если оптоволокно подвержено равномерному растяжению, то между центрами рэлеевского рассеяния возникает линейный фазовый набег. Аналогично, при отклонении частоты лазерного излучения от некоторого центрального значения, излучаемый импульс приобретает линейный фазовый набег по сравнению с импульсом, излученным на центральной частоте. В связи с этим, суммарный фазовый набег между центрами рэлеевского рассеяния в пределах элемента разрешения можно записать следующим образом:

где z - координатная ось, совпадающая с направлением распространения импульса, z0 - координата начала текущего положения излученного импульса, 0 - волновое число, соответствующее центральной частоте излучения f0, s - продольная составляющая тензора деформации, f - текущее значение частоты излучения лазерного импульса.

В рамках метода временной рефлектометрии сигнал, полученный с выхода фотоприемника, равномерно разбивается на временные интервалы, соответствующие дискретным каналам дальности. С учетом выражения (1), последовательность отсчетов сигнала, соответствующих разным каналам дальности, может быть записана следующим образом:

где k - номер дискретного отсчета по времени, m - номер канала дальности, sm,k - значения продольной составляющей тензора деформации оптоволокна, которая предполагается постоянной в пределах m-го канала дальности, p k=(f-f0)/f0 - последовательность отсчетов «пилот-сигнала», описывающих закон относительного изменения частоты источника лазерного излучения, Fm () - модуляционная характеристика m-го канала дальности, заранее неизвестная на стороне измерителя, nm,k - шум фотоприемника.

Присутствие «пилот-сигнала» pk известной формы позволяет путем применения цифровой обработки последовательности значений наблюдаемого параметра um,k восстановить последовательность значений информационного параметра sm,k с точностью до константного смещения. Тем самым достигается возможность оценки мгновенных значений величины внешнего воздействия.

В предлагаемом устройстве, построенном на основе метода временной рефлектометрии, решается задача восстановления мгновенных значений информационного параметра, для решения которой достаточно изменения частоты (от сотен МГц до десятков ГГц), чтобы фазовый набег в пределах длительности сканирующего импульса не превышал долей радиана. Диапазон перестройки частоты излучаемого импульса оценивается по следующей формуле:

где fmax - максимальное отклонение несущей частоты излучаемого импульса, max - требуемый максимальный фазовый набег в пределах длительности излучаемого импульса T.

Так, например, при длительности импульса 25 нс для формирования фазового набега в 0.157 рад достаточно отклонения частоты на 1 МГц, что на несколько порядков меньше диапазона перестройки частот, используемого в частотной рефлектометрии.

Рассмотрим вариант реализации предлагаемого устройства, реализующего восстановление последовательности значений информационного параметра sm,k при условии, что модуляционная характеристика каждого канала дальности может быть достаточно хорошо приближена квадратичным полиномом:

где am, bm и cm - неизвестные коэффициенты, постоянные для заданного канала дальности.

Решение задачи восстановления последовательности значений информационного параметра sm,k можно условно разбить на два этапа, хотя возможно совмещение этих этапов в рамках единого вычислительного процесса. На первом этапе решается задача идентификации параметров канала дальности, то есть находятся оценки коэффициентов am, bm и cm, для чего используется некоторая выборка значений наблюдаемого параметра um,k и соответствующая ей выборка значений «пилот-сигнала». На втором этапе выполняется процедура оценки значений информационного параметра sm,k , при этом может быть использована та же выборка значений наблюдаемого параметра и «пилот-сигнала», что и для решения задачи идентификации.

Рассмотрим вариант решения задачи идентификации параметров канала дальности при условии, что «пилот-сигнал» является псевдослучайной последовательностью, имеющей равномерный закон распределения на интервале (-А, А) со следующими начальными моментами:

<pk2r+1>=0, <pk2r>=A2r/(2r+1), r=0, 1, 2, ,

где знак < > обозначает операцию вычисления математического ожидания.

Восстановление последовательности значений sm,k осуществляется с точностью до константы, поэтому можно ввести следующее дополнительное условие:

<sm,k>=0.

При указанном законе формирования «пилот-сигнала» справедливо сделать допущение о том, что текущее значение информационного параметра sm,k, «пилот-сигнала» pk и шума фотоприемника nm,k являются независимыми случайными величинами. Отсюда, с учетом свойства математического ожидания произведения независимых случайных величин, получим следующие тождества:

<um,k>=a m+cmDm+CmA2 /3,

<pkum,k>=b mA2/3,

<pk2um,k>=amA 2/3+cmDmA2/3+cm A4/5,

где Dm=<sm,k2>- дисперсия оцениваемого воздействия в m-ом канале дальности.

Данная система уравнений может быть однозначно разрешена относительно неизвестных коэффициентов при условии, что дисперсия информационного воздействия гораздо меньше дисперсии «пилот-сигнала», то есть Dm <<A2/3, тогда:

В реальности для оценки математических ожиданий, фигурирующих в выражениях (5)-(7), могут использоваться различные методы, в большинстве своем основанные на применении цифровых фильтров нижних частот. В результате будут получены оценки коэффициентов am, bm и c m.

Перейдем теперь к решению задачи оценки значений информационного параметра sm,k на основании данных, полученных на этапе решения задачи идентификации параметров канала дальности. Как вариант, данная задача может быть переформулирована как задача минимизации следующим образом:

s m,k=argmin||Fm(sm,k+pk )-Fm(pk)||,

где через || || обозначена норма в некотором функциональном пространстве. В зависимости от выбора той или иной нормы возможна реализация различных методов решения сформулированной задачи минимизации, отличающихся близостью полученной оценки к точному значению и устойчивостью к шумам.

Таким образом, описанная выше методика позволяет однозначно восстановить мгновенные значения информационного параметра. С учетом обобщенной теоремы дискретизации [Y.M. Zhu, Generalized sampling theorem, IEEE Transaction on circuits and systems, vol. 39, no. 8, 1992] (Ю.М. Жу Обобщенная теорема дискретизации, IEEE Вестник цепей и систем, том. 39, 8, 1992) можно сделать вывод, что верхняя частота оцениваемого информационного параметра совпадает с граничной частотой Котельникова-Найквиста, определенной для наблюдаемого параметра.

На чертеже, приведенном на фиг. 1, схематически изображено предлагаемое устройство. Устройство включает источник «пилот-сигнала» 1, перестраиваемый по частоте источник когерентного излучения 2, поддерживающий возможность оптической модуляции интенсивности излучения, узел ввода оптического излучения 3 в чувствительный элемент в виде оптического волокна 4, фотоприемник 5, задающий таймер 6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок цифровой обработки и индикации 8.

Источник «пилот-сигнала» 1, перестраиваемый по частоте импульсный источник когерентного излучения 2, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент 3 и чувствительный элемент в виде оптического волокна 4 соединены последовательно, фотоприемник 5 имеет связи с узлом ввода излучения 3 и аналого-цифровым преобразователем 7, а последний - с блоком цифровой обработки и индикации 8, задающий таймер 6 связан с источником пилот-сигнала 1, источником оптического излучения 2 и аналого-цифровой преобразователь 7.

Устройство работает следующим образом. Таймер 6 синхронизирует связанные с ним элементы 1, 2 и 7. Источник оптического излучения генерирует лазерные импульсы на частоте, задаваемой источником «пилот-сигнала», и эти импульсы через узел ввода 3 поступают в чувствительное волокно 4. Обратно рассеянное излучение через тот же узел 3 поступает на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения, рассеянного в каждый момент отдельным участком оптического волокна. Далее этот сигнал оцифровывается с частотой, соответствующей требуемому пространственному разрешению устройства и примерно равной обратной длительности оптического импульса. Результат оцифровки совместно с информацией о пилот-сигнале обрабатывается блоком 8, например, по описанному выше алгоритму. При этом восстанавливается истинное мгновенное значение сигнала вибрации, что необходимо для идентификации событий, ради обнаружения которых осуществляется вибромониторинг.

1. Устройство измерения величины вибрационных или акустических воздействий вдоль протяженного объекта, состоящее из импульсного источника когерентного излучения, чувствительного элемента в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узла ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемника, аналого-цифрового преобразователя и узла обработки сигнала с процессором, отличающееся тем, что импульсный источник когерентного излучения выполнен перестраиваемым по частоте излучаемого импульса в пределах единиц или десятков мегагерц в соответствии с управляющим сигналом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве импульсного источника когерентного излучения применяется полупроводниковый лазер и оптический модулятор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве импульсного источника когерентного излучения применяется лазерный диод с распределенной обратной связью.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве импульсного источника когерентного излучения применяется лазерный диод, стабилизированный оптоволоконной брэгговской решеткой, при этом управление частотой осуществляется механической деформацией брэгговской решетки.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что механическая деформация брэгговской решетки осуществляется с помощью пьезокерамического элемента.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перестройка частоты излучаемого импульса осуществляется с помощью внешнего оптического фазового модулятора, управляемого по линейному закону в процессе прохождения оптического импульса.



 

Похожие патенты:

Технический результат повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в качестве устройства обработки сигналов линейных антенных решеток в радиолокации
Наверх