Фазочувствителен оптичен рефлектометър

Фазочувствителният оптичен рефлектометър (англ. ϕ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer)е устройство за виброакустичен контрол на протяжни обекти [1] . Това устройство в научната и техническата литература се нарича ощекохерентен рефлектометър[2] илиразпределен сензор за акустичен удар[3] .

може

Съдържание

Принципът на работа на устройството е подобен на конвенционалния оптичен рефлектометър. Основната разлика е в дължината на кохерентност на използвания източник на излъчване [4] . В конвенционален рефлектометър тя е по-малка от дължината на сондиращия импулс, в резултат на което средната мощност на излъчване се разпръсква обратно. Във фазово-чувствителен рефлектометър кохерентната дължина на източника е по-голяма от продължителността на импулса, поради което радиацията, разпръсната от нехомогенности в рамките на продължителността на импулса, се добавя, като се вземат предвид фазите. Тези фази за всяка вълна са случайна променлива, в резултат на което записаният сигнал на разсейване, нареченрефлектограма, има флуктуации. Този сигнал е едномерен аналог на модела на спекъл.

Тези отклонения на рефлектограмата остават приблизително до промяна на фазите на центровете на разсейване на който и да е участък от кабела. Това се случва, когато оптичното влакно е деформирано, което може да бъде причинено или от директен удар върху кабела, или от акустична вълна, достигнала до него от събития в околната среда.

По този начин, анализирайки стабилността на получените рефлектограми, могат да се направят изводи за събитията, случващи се около сензора. В този случай рефлектограмите не се натрупват за осредняване (както се случва в оптичния рефлектометър), а се обработват постоянно, за да се идентифицират ефектите. Типично приложение за този инструмент е полагане на сензорни влакнапо протежение на контролирания обект (път, тръбопровод, периметър на територия и др.) и последващо проследяване на възникващи събития, изобразени на екрана на оператора.

Излъчването от източник 1 се усилва в бустер 2 до необходимата мощност, след което акустооптичният модулатор 5 генерира импулс на сондата под действието на управляващи сигнали от FPGA 3 и драйвер 4, който влиза в сензорните канали през сплитер 6 (може да има 1 в опростена схема или 2 за излишък), във всеки от които излъчването през циркулатора 7 влиза в сензорното влакно 5. Обратно разсеяно лъчение от всеки точка на сензора се насочва от циркулатор 7 към предусилвател 9, който повишава ниската мощност до откриваемо ниво. Филтърът 10 прекъсва спонтанното излъчване на предусилвателя 9. Оптичният сигнал се преобразува в електрически сигнал на фотодиода 11, след което се дигитализира на ADC 12, предварително се обработва и филтрира на FPGA 3. В окончателния вид информацията се подава към компютъра на оператора 13. Характеристики на схемата:

  1. Лазерният източник трябва да има дълга кохерентна дължина и добра централна стабилност на дължината на вълната.
  2. Бустерът трябва да позволява усилване на сигнала до 1 W в непрекъснат режим (схемата с импулсен бустер е приемлива, но дава по-високо ниво на шум)
  3. FPGA трябва да има достатъчна изчислителна мощност, за да осигури управление на всички компоненти и предварителна обработка на получените данни
  4. Драйверът на модулатора трябва да осигурява ниски времена на нарастване и ниско трептене.
  5. Модулаторът трябва да осигурява високо съотношение на затихване за потискане на кохерентния шум, ниски импулсни фронтове и висока устойчивост на радиация. Следователно устройствата от този тип използват акустооптикамодулатори.
  6. Сплитерът трябва да издържа на радиация до 1 W.
  7. Циркулаторът осигурява излъчване към сензора и към фотодетектора с минимални загуби. Освен това трябва да има висока радиационна устойчивост.
  8. Сензорното влакно може да бъде всяко едномодово влакно, което е предимство на устройството.
  9. Предусилвателят при използване на схема с два сензора трябва да бъде двуканален и да ви позволява да регулирате изходната мощност.
  10. Оптичният филтър трябва да има тясна спектрална ширина, за да отсече спонтанния шум.
  11. Фотодиодът трябва да работи на честоти от порядъка на 10 MHz.
  12. АЦП трябва да е двуканален и да съответства на честотата на фотодиода
  13. Компютърът трябва да осигури окончателната обработка и показване на данните. Няколко компютъра могат да обработват данни, използвайки различни алгоритми.

Импулсът на оптичното излъчване отслабва, докато се разпространява през влакното. За едномодово влакно, когато работи при дължина на вълната 1550 nm, типичната стойност на коефициента на затихване е 0,18 dB/km [5] . Тъй като излъчването след разсейване също върви в обратната посока, крайното затихване на 1 km от сензора ще бъде 0,36 dB. Максималното разстояние е това, при което нивото на разпръснатия сигнал става толкова малко, че не може да се различи от шума на системата. Това ограничение не може да бъде преодоляно чрез увеличаване на мощността на входящото излъчване, тъй като от определена стойност това ще предизвика нелинейни ефекти, които ще направят системата невъзможна за работа [6] . Типичният работен обхват на системата е 50 км.

Пространствена разделителна способност и честота на дискретизация

Пространствената разделителна способност се определя предимно от продължителността на импулса, която е половината от продължителността на импулса във влакното. Да, за продължителностЗа импулс от 200 ns пространствената разделителна способност ще бъде 10 м. Трябва да се отбележи, че продължителността на импулса влияе на количеството обратно разпръсната мощност, така че разделителната способност е свързана с максималния обхват. Увеличаването на продължителността на импулса обаче води до влошаване на пространствената разделителна способност, така че обикновено се използват продължителности в диапазона от 100 до 1000 ns. Честотата на дискретизация трябва да се разграничава от пространствената разделителна способност. Определя се от бързодействието на АЦП на устройството и може да бъде до 10 ns. Но това не означава, че устройството може да различи събития с разделителна способност от 1 м, тъй като тези събития са „смесени“ в рамките на десетметров импулс.

Регистрирана звукова честота

Рефлектограмата е набор от стойности на интензитета във всяка сензорна точка. Тоест, колкото по-голям е броят на рефлектограмите, които получаваме, толкова по-висока е честотата, която можем да регистрираме. Но това е ограничено отгоре, тъй като за да се получи един модел на обратно разсейване, е необходимо светлинният импулс първо да достигне най-отдалечената точка на сензора и след това обратно разсеяното лъчение да се върне. За 50 km влакно с индекс на пречупване 1,5 това ще изисква 500 µs, т.е. честотата на вземане на проби от сензора е 2 kHz. Според теоремата на Котелников такава система може да записва сигнали с честота до 1 kHz.

Система за разсейване на Rayleigh, както и устройство, базирано на разсейване на Raman и Brillouin, могат да открият температурни промени, тъй като нагряването и охлаждането ще повлияят на произволните фази на центровете на разсейване. Тази тенденция обаче все още не е получила широко признание.

Устройството е способно да записва акустични въздействия с помощта на оптичен сензорен кабел с дължина до 50 км.резолюция до 10 m, извеждане на резултатите на екрана на оператора. Подобни възможности правят приложението му актуално в няколко области [7] .

Първо, за контрол на разширени обекти [8] . Устройството може да известява за приближаването на човек (на 5 метра), автомобил (на 50 метра) или други обекти, излъчващи звукови вълни, чиято поява може да представлява опасност за контролирания обект.

  • Защита на границата.
  • Периметрова охрана.
  • Мониторинг на дейност в близост до газопроводи и нефтопроводи [9] .
  • Контрол на връзките в нефтопроводи [10] .
  • Контрол на нерегламентирани работи в близост до оптични съобщителни линии (ВОЛС).
  • Вибрационен мониторинг на промишлени съоръжения.
  • Мониторинг на подводни тръбопроводи [11] .

Второ, за вертикално сеизмично профилиране и каротаж на кладенци [12] . За тези цели се използват фазочувствителни рефлектометри с фазово възстановяване [13] . Те имат най-лошата чувствителност (което е минус при създаването на система за наблюдение на разширени обекти), но ви позволяват да възстановите оригиналната форма на звуковия сигнал (което е плюс при изграждането на профил на кладенец).

Сензорът на това устройство е конвенционално телекомуникационно влакно, което веднага осигурява следните предимства:

  • ниска цена на сензора;
  • възможност за използване на вече положени телекомуникационни линии;
  • лекота на монтаж;
  • нечувствителност към електромагнитни смущения;
  • няма нужда от захранване с електричество;
  • няма нужда от поддръжка;
  • секретност на сензора (при полагане на кабела в земята).

Устройството като цяло има следните предимства:

  • възможност за дистанционно конфигуриранекомпоненти на устройството (усилвател, предусилвател и др.);
  • показване на нарушенията в реално време на картата;
  • възможността за едновременно регистриране на няколко аларми от различни части на сензора;
  • възможност за слушане на звук от избраната зона.