Reflectometru optic sensibil la fază

Reflectometrul optic în domeniul timpului sensibil la fază ( ϕ-OTDR, Reflectometrul în domeniul timpului optic sensibil la fază )  este un dispozitiv pentru controlul vibroacustic al obiectelor extinse [ 1 ] . Acest dispozitiv din literatura științifică și tehnică este numit și reflectometru coerent [2] sau senzor de impact acustic distribuit [3] .

Cum funcționează

Principiul de funcționare al dispozitivului este similar cu un reflectometru optic convențional . Principala diferență constă în lungimea de coerență a sursei de radiații utilizate [4] . Într-un reflectometru convențional, este mai mică decât lungimea impulsului de sondare, drept urmare puterea medie a radiației este împrăștiată înapoi . Într-un reflectometru sensibil la fază, lungimea de coerență a sursei este mai mare decât durata impulsului, din cauza căreia radiația împrăștiată din neomogenități în durata impulsului este adăugată ținând cont de faze . Aceste faze pentru fiecare undă sunt o variabilă aleatorie , ca urmare a căreia semnalul de împrăștiere înregistrat, numit reflectogramă , are fluctuații . Acest semnal este un analog unidimensional al modelului speckle .

Aceste abateri ale reflectogramei rămân aproximativ până când se schimbă fazele centrelor de împrăștiere pe orice secțiune a cablului. Acest lucru se întâmplă atunci când fibra optică este deformată , ceea ce poate fi cauzat fie de impactul direct asupra cablului, fie de o undă acustică care a ajuns la ea din cauza evenimentelor din mediu.

Astfel, analizând stabilitatea reflectogramelor obținute, se pot trage concluzii despre evenimentele care au loc în jurul senzorului . În acest caz, reflectogramele nu sunt acumulate pentru mediere (cum se întâmplă într-un reflectometru optic), ci sunt procesate în mod constant pentru a identifica efectele. Un mod tipic de utilizare a acestui dispozitiv este așezarea unei fibre senzoriale de-a lungul unui obiect controlat (drum, conductă , perimetrul teritoriului etc.) și apoi urmărirea evenimentelor emergente afișate pe ecranul operatorului.

Diagrama structurală

Radiația de la sursa 1 este amplificată în amplificatorul 2 la puterea necesară, apoi modulatorul acusto-optic 5 generează un impuls de sondă sub acțiunea semnalelor de control de la FPGA 3 și driverul 4, care intră în canalele senzorilor prin splitter-ul 6 (pot fi 1). într-o schemă simplificată sau 2 pentru redundanță). ), în fiecare dintre care radiația prin circulatorul 7 pătrunde în fibra senzorului 8. Radiația retroîmprăștiată din fiecare punct al senzorului este direcționată de către circulatorul 7 către preamplificatorul 9, care crește puterea scăzută la un nivel detectabil. Filtrul 10 oprește radiația spontană a preamplificatorului 9. Semnalul optic este convertit într-un semnal electric pe fotodioda 11, apoi este digitizat pe ADC 12, preprocesat și filtrat pe FPGA 3. În forma finală , informațiile sunt transmise computerului operatorului 13. Caracteristici ale schemei:

  1. Sursa laser trebuie să aibă o lungime mare de coerență și o bună stabilitate a lungimii de undă centrală.
  2. Booster-ul ar trebui să permită amplificarea semnalului până la 1 W în modul continuu (circuitul cu o funcționare amplificator în impulsuri este acceptabil, dar oferă un nivel de zgomot mai mare)
  3. FPGA trebuie să aibă suficientă putere de calcul pentru a asigura controlul tuturor componentelor și a preprocesa datele primite
  4. Driverul modulatorului trebuie să ofere timpi de creștere mici și jitter scăzut .
  5. Modulatorul trebuie să ofere un raport de amortizare ridicat pentru a suprima zgomotul coerent, fronturile de impuls scăzute și rezistența ridicată la radiații. Prin urmare, modulatorii acusto-optici sunt utilizați în dispozitivele de acest tip.
  6. Splitter-ul trebuie să reziste la radiații de până la 1 W.
  7. Circulatorul furnizează radiații senzorului și fotodetectorului cu pierderi minime. De asemenea, trebuie să aibă rezistență mare la radiații.
  8. Fibra senzorului poate fi orice fibră monomod, ceea ce reprezintă un avantaj al dispozitivului.
  9. Preamplificatorul atunci când utilizați un circuit cu doi senzori ar trebui să fie cu două canale și să vă permită să reglați puterea de ieșire.
  10. Filtrul optic trebuie să aibă o lățime spectrală îngustă pentru a elimina zgomotul spontan.
  11. Fotodioda trebuie să funcționeze la frecvențe de ordinul a 10 MHz.
  12. ADC trebuie să fie cu două canale și să corespundă frecvenței fotodiodei
  13. PC-ul trebuie să asigure procesarea și afișarea finală a datelor. Mai multe computere pot procesa date folosind algoritmi diferiți.

Caracteristici

Raza maximă

Un impuls de radiație optică scade pe măsură ce se propagă prin fibră . Pentru fibra monomod , atunci când funcționează la o lungime de undă de 1550 nm, valoarea tipică a coeficientului de atenuare este de 0,18 dB/km [5] . Deoarece radiația după împrăștiere merge și în sens invers, atenuarea finală la 1 km de senzor va fi de 0,36 dB. Distanța maximă este aceea la care nivelul semnalului împrăștiat devine atât de mic încât nu poate fi distins de zgomotul sistemului. Această limitare nu poate fi depășită prin creșterea puterii radiației de intrare, deoarece de la o anumită valoare aceasta va provoca efecte neliniare care vor face sistemul imposibil de funcționare [6] . Raza de operare tipică a sistemului este de 50 km.

Rezoluția spațială și rata de eșantionare

Rezoluția spațială este determinată preponderent de durata pulsului, fiind jumătate din durata pulsului din fibră . Astfel, pentru o durată a impulsului de 200 ns, rezoluția spațială va fi de 10 m. Trebuie remarcat că durata pulsului afectează cantitatea de putere retroîmprăștiată, deci rezoluția este legată de intervalul maxim. Cu toate acestea, creșterea duratei pulsului duce la o deteriorare a rezoluției spațiale, astfel încât duratele în intervalul de la 100 la 1000 ns sunt utilizate în mod obișnuit. Frecvența de eșantionare ar trebui să fie diferențiată de rezoluția spațială. Este determinată de viteza ADC -ului dispozitivului și poate fi de până la 10 ns. Dar acest lucru nu înseamnă că dispozitivul poate distinge evenimente cu o rezoluție de 1 m, deoarece aceste evenimente sunt „amestecate” într-un puls de zece metri.

Frecvența sonoră înregistrată

O reflectogramă este un set de valori de intensitate la fiecare punct senzor. Adică, cu cât este mai mare numărul de reflectograme pe care le primim, cu atât este mai mare frecvența pe care o putem înregistra. Dar este limitat de sus, deoarece pentru a obține un model de retroîmprăștiere, este necesar ca pulsul de lumină să ajungă mai întâi în punctul cel mai îndepărtat al senzorului, iar apoi radiația retroîmprăștiată să revină. Pentru o fibră de 50 km cu un indice de refracție de 1,5, aceasta ar necesita 500 µs, adică rata de eșantionare a senzorului este de 2 kHz. Conform teoremei lui Kotelnikov , un astfel de sistem poate înregistra semnale cu frecvențe de până la 1 kHz.

Măsurători de temperatură

Un sistem de împrăștiere Rayleigh, precum și un dispozitiv bazat pe împrăștierea Raman și Brillouin, pot detecta schimbările de temperatură, deoarece încălzirea și răcirea vor afecta fazele aleatorii ale centrelor de împrăștiere. Cu toate acestea, această tendință nu a câștigat încă o acceptare largă.

Aplicație

Dispozitivul este capabil să înregistreze impacturile acustice folosind un cablu din fibră senzor de până la 50 km lungime cu o rezoluție de până la 10 m, afișând rezultatele pe ecranul operatorului. Astfel de oportunități fac ca aplicarea sa să fie relevantă în mai multe domenii [7] .

În primul rând, pentru controlul obiectelor extinse [8] . Aparatul poate notifica despre apropierea unei persoane (pe 5 metri), a unei mașini (pentru 50 de metri) sau a altor obiecte care emit unde sonore, a căror apariție poate reprezenta un pericol pentru obiectul controlat.

În al doilea rând, pentru profilarea seismică verticală și înregistrarea puțurilor [12] . În aceste scopuri se folosesc reflectometre sensibile la fază cu recuperare de fază [13] . Au cea mai slabă sensibilitate (ceea ce este un minus atunci când se creează un sistem de monitorizare pentru obiecte extinse), dar vă permit să restabiliți forma originală a semnalului sonor (ceea ce este un plus atunci când construiți un profil de puț).

Beneficii

Senzorul acestui dispozitiv este o fibră de telecomunicații obișnuită , care oferă imediat următoarele avantaje:

Dispozitivul în ansamblu are următoarele avantaje:

Direcții de dezvoltare

Sistemul de senzori bazat pe un reflectometru optic sensibil la fază are o serie de caracteristici tehnice la care se lucrează în prezent de către principalele grupuri de cercetare:

  1. „Zone moarte”, care se datorează neregularității reflectogramei. La acestea, există o scădere semnificativă a sensibilității. Acest neajuns poate fi eliminat în mai multe moduri. În primul rând, prin stivuirea mai multor fibre, în care zonele cu sensibilitate redusă se vor compensa reciproc. În al doilea rând, prin scanarea la mai multe lungimi de undă. În al treilea rând. folosind o deplasare secvențială a lungimii de undă de către modulator.
  2. Posibilitate de rupere a cablului senzorului. Fiabilitatea este crescută atunci când așezați două cabluri, precum și atunci când vă conectați la cablul senzorului de pe ambele părți (așezarea „inelului”)
  3. Imperfecțiunea algoritmilor de înregistrare a influențelor externe. Izolarea evenimentelor pe fondul zgomotului sistemului este o sarcină complexă, metodele de rezolvare care sunt în permanență îmbunătățite de companiile de dezvoltare [14] . FPGA -urile mai puternice cu algoritmi mai avansați pot crește probabilitatea detectării corecte. Unul dintre domeniile cel mai activ în dezvoltare este utilizarea rețelelor neuronale și a instrumentelor de învățare automată [15]
  4. Cerințe pentru înlocuirea rapidă a componentelor eșuate de către unele organizații de utilizatori de securitate. De obicei, instrumentele optice sunt fabricate ca un singur dispozitiv, a cărui reparație este efectuată de compania producătoare. Dar, în acest caz, este posibil să se fabrice un dispozitiv conform unei scheme bloc, cu posibilitatea înlocuirii la cald a surselor de alimentare, a amplificatoarelor și a altor componente.

Note

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. Brevet Statele Unite ale Americii: 5194847 - Aparat și metodă pentru detectarea intruziunii cu fibre optice (16 martie 1993). Preluat la 6 mai 2016. Arhivat din original pe 8 decembrie 2016.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Reflectometru coerent cu un interferometru cu lumină împrăștiată cu două fibre  // Quantum Electronics. - T. 41 , nr. 2 . — S. 176–178 . - doi : 10.1070/qe2011v041n02abeh014467 . Arhivat din original pe 4 iunie 2016.
  3. ↑ Marchenko, K.V., Naniy, O.E., Nesterov, E.T., Ozerov, A.Zh., Treshchikov, V.N. Protecție FOCL printr-un senzor acustic distribuit bazat pe un reflectometru coerent Vestnik svyazi  . — 2011-01-01. - Problemă. 9 . Arhivat din original pe 24 septembrie 2016.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. Influența gradului de coerență al unui laser semiconductor asupra statisticii intensității retroîmprăștiate într-o fibră optică monomod  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 28-12-2011. — Vol. 56 , iss. 12 . — P. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . - doi : 10.1134/S106422691112014X . Arhivat din original pe 6 iunie 2018.
  5. ↑ Corning SMF-28e+® LL Fibră optică . www.corning.com. Data accesului: 6 mai 2016. Arhivat din original pe 4 iunie 2016.
  6. ↑ ET Nesterov, AA Zhirnov, KV Stepanov, AB Pnev, VE Karasik. Studiu experimental al influenței efectelor neliniare asupra intervalului de funcționare al reflectometrului optic în domeniul timpului sensibil la fază  (engleză)  // Journal of Physics: Conference Series. — 01-01-2015. — Vol. 584 , iss. 1 . — P. 012028 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Progrese recente în senzorii cu fibră optică distribuită   // Senzori . — 26.06.2012. — Vol. 12 , iss. 12 . — P. 8601–8639 . - doi : 10.3390/s120708601 . Arhivat din original pe 4 aprilie 2016.
  8. ↑ Juan C. Juarez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, Henry F. Taylor. Sistem de senzori de intruziune cu fibră optică distribuită (EN) // Journal of Lightwave Technology. - 2005-06-01. - T. 23 , nr. 6 . Arhivat din original pe 7 august 2016.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. Către prevenirea amenințărilor la adresa integrității conductelor folosind un sistem inteligent de supraveghere prin fibră optică  // Journal of Lightwave Technology. — 01-01-2016. - T. PP , nu. 99 . — S. 1–1 . — ISSN 0733-8724 . - doi : 10.1109/JLT.2016.2542981 .
  10. ↑ Yi Shi, Hao Feng, Zhoumo Zeng. Un reflectometru optic pe domeniu temporal sensibil la distanță lungă, cu structură simplă și precizie mare de localizare   // Senzori . — 2015-09-02. — Vol. 15 , iss. 9 . — P. 21957–21970 . - doi : 10.3390/s150921957 . Arhivat din original pe 5 mai 2016.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Analiza matematică a sistemului de monitorizare a scurgerilor de conducte marine bazat pe OTDR coerent cu lungimea senzorului și frecvența de eșantionare îmbunătățite  //  Journal of Physics: Conference Series. — 01-01-2015. — Vol. 584 , iss. 1 . — P. 012016 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012016 .
  12. ↑ Distributed Acoustic Sensing Technology | Schlumberger . www.slb.com. Preluat la 6 mai 2016. Arhivat din original la 10 mai 2016.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorshkov, VT Potapov, IA Sergachev. Reflectometru cu coerență optică sensibil la fază cu defazare diferențială a impulsurilor sondei  // Quantum Electronics. - T. 44 , nr. 10 . — S. 965–969 . - doi : 10.1070/qe2014v044n10abeh015470 . Arhivat din original pe 4 iunie 2016.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Recunoașterea unui sistem de detectare OTDR cu sensibilitate de fază bazat pe extracția caracteristicilor morfologice   // Senzori . — 29.06.2015. — Vol. 15 , iss. 7 . — P. 15179–15197 . - doi : 10.3390/s150715179 . Arhivat din original la 1 iulie 2016.
  15. ↑ WB Lyons, E. Lewis. Rețele neuronale și tehnici de recunoaștere a modelelor aplicate senzorilor cu fibră optică  //  Tranzacții ale Institutului de Măsurare și Control. - 2000-12-01. — Vol. 22 , iss. 5 . - P. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . - doi : 10.1177/014233120002200504 .