Faskänslig optisk reflektometer

Faskänslig optisk tidsdomänreflektometer ( ϕ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer )  är en anordning för vibroakustisk kontroll av utvidgade objekt [ 1] . Denna enhet i den vetenskapliga och tekniska litteraturen kallas också en koherent reflektometer [2] eller en distribuerad akustisk stötsensor [3] .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för enheten liknar en konventionell optisk reflektometer . Den största skillnaden ligger i koherenslängden hos den använda strålkällan [4] . I en konventionell reflektometer är den mindre än längden på sonderingspulsen, vilket resulterar i att den genomsnittliga strålningseffekten sprids tillbaka . I en faskänslig reflektometer är koherenslängden för källan längre än pulslängden, på grund av vilket strålningen spridd från inhomogeniteter inom pulslängden läggs till med hänsyn till faserna . Dessa faser för varje våg är en slumpmässig variabel , som ett resultat av vilket den inspelade spridningssignalen, som kallas reflektogrammet , har fluktuationer . Denna signal är en endimensionell analog till fläckmönstret .

Dessa avvikelser hos reflektogrammet kvarstår ungefär tills faserna för spridningscentrumen på någon sektion av kabeln ändras. Detta inträffar när den optiska fibern deformeras , vilket kan orsakas antingen av direkt påverkan på kabeln eller av en akustisk våg som har nått den från miljöhändelser.

Genom att analysera stabiliteten hos de erhållna reflektogrammen kan man alltså dra slutsatser om de händelser som inträffar runt sensorn . I det här fallet ackumuleras inte reflektogram för medelvärdesberäkning (som det händer i en optisk reflektometer), utan bearbetas ständigt för att identifiera effekter. Ett typiskt sätt att använda den här enheten är att lägga en sensorfiber längs ett kontrollerat objekt (väg, rörledning , territoriums perimeter, etc.) och sedan spåra de uppkommande händelserna som visas på operatörens skärm.

Strukturdiagram

Strålningen från källa 1 förstärks i booster 2 till erforderlig effekt, sedan genererar den akustooptiska modulatorn 5 en sondpuls under verkan av styrsignaler från FPGA 3 och drivenhet 4, som kommer in i sensorkanalerna genom splittern 6 (det kan finnas 1 i ett förenklat schema eller 2 för redundans). ), i var och en av vilka strålningen genom cirkulatorn 7 kommer in i sensorfibern 8. Den tillbakaspridda strålningen från varje punkt på sensorn riktas av cirkulatorn 7 till förförstärkaren 9, vilket ökar den låga effekten till en detekterbar nivå. Filtret 10 stänger av den spontana strålningen från förförstärkaren 9. Den optiska signalen omvandlas till en elektrisk signal på fotodioden 11, sedan digitaliseras den på ADC 12, förbehandlas och filtreras på FPGA 3. I den slutliga formen , informationen matas till operatörens dator 13. Funktioner hos schemat:

  1. Laserkällan måste ha en lång koherenslängd och god centrumvåglängdsstabilitet.
  2. Boostern ska tillåta förstärkning av signalen upp till 1 W i kontinuerligt läge (kretsen med en pulsad boosterdrift är acceptabel, men ger en högre brusnivå)
  3. FPGA:n måste ha tillräcklig datorkraft för att ge kontroll över alla komponenter och förbearbeta mottagna data
  4. Modulatordrivrutinen måste ge låga stigtider och lågt jitter .
  5. Modulatorn måste ge ett högt dämpningsförhållande för att undertrycka koherent brus, låga pulsfronter och högt strålningsmotstånd. Därför används akusto-optiska modulatorer i anordningar av denna typ.
  6. Delaren måste tåla strålning upp till 1 W.
  7. Cirkulatorn ger strålning till sensorn och till fotodetektorn med minimala förluster. Den måste också ha hög strålningsmotstånd.
  8. Sensorfibern kan vara vilken enkelmodsfiber som helst, vilket är en fördel med anordningen.
  9. Förförstärkaren när du använder en tvåsensorkrets bör vara tvåkanalig och låta dig justera uteffekten.
  10. Det optiska filtret måste ha en smal spektral bredd för att stänga av spontant brus.
  11. Fotodioden måste arbeta vid frekvenser i storleksordningen 10 MHz.
  12. ADC måste vara tvåkanaligt och motsvara fotodiodens frekvens
  13. PC:n måste tillhandahålla den slutliga bearbetningen och visningen av data. Flera datorer kan bearbeta data med olika algoritmer.

Funktioner

Maximal räckvidd

En optisk strålningspuls avtar när den fortplantar sig genom fibern . För singelmodsfiber är det typiska värdet för dämpningskoefficienten 0,18 dB/km [5] när den arbetar vid en våglängd på 1550 nm . Eftersom strålningen efter spridning också går åt motsatt håll blir den slutliga dämpningen per 1 km av sensorn 0,36 dB. Det maximala avståndet är det vid vilket nivån på den spridda signalen blir så liten att den inte kan särskiljas från systemets brus. Denna begränsning kan inte övervinnas genom att öka kraften hos den ingående strålningen, eftersom detta från ett visst värde kommer att orsaka olinjära effekter som gör att systemet omöjligt att fungera [6] . Den typiska räckvidden för systemet är 50 km.

Rumslig upplösning och samplingshastighet

Den rumsliga upplösningen bestäms huvudsakligen av pulslängden, som är halva pulslängden i fibern . Sålunda, för en pulslängd på 200 ns, kommer den rumsliga upplösningen att vara 10 m. Det bör noteras att pulslängden påverkar mängden bakåtspridning, så upplösningen är relaterad till det maximala området. En ökning av pulslängden leder emellertid till en försämring av rumslig upplösning, så varaktigheter i intervallet från 100 till 1000 ns används vanligtvis. Samplingshastigheten bör särskiljas från den rumsliga upplösningen. Det bestäms av hastigheten på enhetens ADC och kan vara upp till 10 ns. Men detta betyder inte att enheten kan särskilja händelser med en upplösning på 1 m, eftersom dessa händelser är "blandade" inom en tio meters puls.

Registrerad ljudfrekvens

Ett reflektogram är en uppsättning intensitetsvärden vid varje sensorpunkt. Det vill säga, ju fler reflektogram vi får, desto högre frekvens kan vi registrera. Men det är begränsat ovanifrån, eftersom för att erhålla ett bakåtspridningsmönster är det nödvändigt att ljuspulsen först når sensorns längsta punkt, och sedan återvänder den tillbakaspridda strålningen. För en 50 km fiber med ett brytningsindex på 1,5 skulle detta kräva 500 µs, dvs. sensorns samplingshastighet är 2 kHz. Enligt Kotelnikovs teorem kan ett sådant system registrera signaler med frekvenser upp till 1 kHz.

Temperaturmätningar

Ett Rayleigh-spridningssystem, såväl som en enhet baserad på Raman- och Brillouin-spridning, kan detektera temperaturförändringar, eftersom uppvärmning och kylning kommer att påverka de slumpmässiga faserna av spridningscentra. Men denna trend har ännu inte fått bred acceptans.

Applikation

Enheten kan registrera akustiska stötar med en sensorfiberkabel upp till 50 km lång med en upplösning på upp till 10 m, vilket visar resultaten på förarens skärm. Sådana möjligheter gör dess tillämpning relevant inom flera områden [7] .

För det första för kontroll av utökade objekt [8] . Enheten kan meddela om närmande av en person (för 5 meter), en bil (för 50 meter) eller andra föremål som avger ljudvågor, vars utseende kan utgöra en fara för det kontrollerade föremålet.

För det andra, för vertikal seismisk profilering och brunnsloggning [12] . För dessa ändamål används faskänsliga reflektometrar med fasåterställning [13] . De har den sämsta känsligheten (vilket är ett minus när man skapar ett övervakningssystem för utökade objekt), men de låter dig återställa den ursprungliga formen på ljudsignalen (vilket är ett plus när man bygger en brunnsprofil).

Fördelar

Sensorn för denna enhet är en vanlig telekommunikationsfiber , som omedelbart ger följande fördelar:

Enheten som helhet har följande fördelar:

Utvecklingsriktningar

Sensorsystemet baserat på en faskänslig optisk reflektometer har ett antal tekniska egenskaper som för närvarande arbetar med av huvudforskargrupperna:

  1. "Döda zoner", som beror på reflektogrammets oregelbundenhet. Hos dessa finns en signifikant minskning av känsligheten. Denna brist kan elimineras på flera sätt. För det första genom att stapla flera fibrer, där områden med minskad känslighet kommer att kompensera varandra. För det andra genom att skanna vid flera våglängder. För det tredje. med användning av en sekventiell förskjutning av våglängden av modulatorn.
  2. Möjlighet att bryta sensorkabeln. Tillförlitligheten ökar vid läggning av två kablar, såväl som vid anslutning till sensorkabeln från båda sidor (lägger "ring")
  3. Ofullkomlighet av algoritmer för registrering av yttre påverkan. Isolering av händelser mot bakgrund av systembrus är en komplex uppgift, metoderna för att lösa dem förbättras ständigt av utvecklingsföretag [14] . Kraftfullare FPGA :er med mer avancerade algoritmer kan öka sannolikheten för korrekt upptäckt. Ett av de mest aktivt utvecklande områdena är användningen av neurala nätverk och verktyg för maskininlärning [15]
  4. Krav på att vissa säkerhetsanvändarorganisationer snabbt kan byta ut felaktiga komponenter. Typiskt tillverkas optiska instrument som en enda enhet, vars reparation utförs av tillverkningsföretaget. Men i det här fallet är det möjligt att tillverka en enhet enligt ett blockschema med möjlighet att hot-swapping strömförsörjning, förstärkare och andra komponenter.

Anteckningar

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. USA-patent: 5194847 - Apparat och metod för fiberoptisk intrångsavkänning (16 mars 1993). Hämtad 6 maj 2016. Arkiverad från originalet 8 december 2016.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Koherent reflektometer med en tvåfibrig interferometer för spritt ljus  // Quantum Electronics. - T. 41 , nej. 2 . — S. 176–178 . - doi : 10.1070/qe2011v041n02abeh014467 . Arkiverad från originalet den 4 juni 2016.
  3. ↑ Marchenko, K.V., Naniy, O.E., Nesterov, E.T., Ozerov, A.Zh., Treshchikov, V.N. FOCL-skydd av en distribuerad akustisk sensor baserad på en koherent reflektometer Vestnik svyazi  . — 2011-01-01. - Problem. 9 . Arkiverad från originalet den 24 september 2016.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. Inverkan av graden av koherens hos en halvledarlaser på statistiken över den tillbakaspridda intensiteten i en enkelmodig optisk fiber  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 2011-12-28. — Vol. 56 , iss. 12 . — S. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . - doi : 10.1134/S106422691112014X . Arkiverad från originalet den 6 juni 2018.
  5. ↑ Corning SMF-28e+® LL Optisk fiber . www.corning.com. Tillträdesdatum: 6 maj 2016. Arkiverad från originalet 4 juni 2016.
  6. ↑ ET Nesterov, AA Zhirnov, KV Stepanov, AB Pnev, VE Karasik. Experimentell studie av inverkan av icke-linjära effekter på faskänsliga optiska tidsdomänreflektometers arbetsområde  (engelska)  // Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Vol. 584 , utg. 1 . — P. 012028 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Nya framsteg inom distribuerade fiberoptiska sensorer   // sensorer . — 2012-06-26. — Vol. 12 , iss. 12 . — S. 8601–8639 . - doi : 10.3390/s120708601 . Arkiverad från originalet den 4 april 2016.
  8. ↑ Juan C. Juarez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, Henry F. Taylor. Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System (EN) // Journal of Lightwave Technology. - 2005-06-01. - T. 23 , nej. 6 . Arkiverad från originalet den 7 augusti 2016.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. Mot förebyggande av hot om rörledningsintegritet med hjälp av ett smart fiberoptiskt övervakningssystem  // 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. En långdistansfaskänslig optisk tidsdomänreflektometer med enkel struktur och hög lokaliseringsnoggrannhet   // Sensorer . — 2015-09-02. — Vol. 15 , iss. 9 . — S. 21957–21970 . - doi : 10.3390/s150921957 . Arkiverad från originalet den 5 maj 2016.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Matematisk analys av övervakningssystem för läckage av marina rörledningar baserat på koherent OTDR med förbättrad sensorlängd och provtagningsfrekvens  //  Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Vol. 584 , utg. 1 . — S. 012016 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012016 .
  12. ↑ Distribuerad akustisk avkänningsteknik | Schlumberger . www.slb.com. Hämtad 6 maj 2016. Arkiverad från originalet 10 maj 2016.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorshkov, VT Potapov, IA Sergachev. Faskänslig optisk koherensreflektometer med differentiell fasförskjutningsnyckel av sondpulser  // Quantum Electronics. - T. 44 , nej. 10 . — S. 965–969 . - doi : 10.1070/qe2014v044n10abeh015470 . Arkiverad från originalet den 4 juni 2016.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Igenkänning av ett faskänsligt OTDR-avkänningssystem baserat på morfologisk funktionsextraktion   // Sensorer . — 2015-06-29. — Vol. 15 , iss. 7 . — S. 15179–15197 . - doi : 10.3390/s150715179 . Arkiverad från originalet den 1 juli 2016.
  15. ↑ WB Lyons, E. Lewis. Neurala nätverk och mönsterigenkänningstekniker tillämpade på optiska fibersensorer  //  Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2000-12-01. — Vol. 22 , iss. 5 . - s. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . - doi : 10.1177/014233120002200504 .