Fázově citlivý optický reflektometr

Fázově citlivý optický reflektometr v časové oblasti ( ϕ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer )  je zařízení pro vibroakustické řízení vysunutých objektů [ 1] . Toto zařízení se ve vědecké a technické literatuře nazývá také koherentní reflektometr [2] nebo distribuovaný akustický snímač dopadu [3] .

Jak to funguje

Princip činnosti přístroje je podobný běžnému optickému reflektometru . Hlavní rozdíl spočívá v koherenční délce použitého zdroje záření [4] . V běžném reflektometru je kratší než délka snímacího pulsu, v důsledku čehož je průměrný výkon záření rozptylován zpět . U fázově citlivého reflektometru je koherenční délka zdroje delší než doba trvání pulsu, díky čemuž se záření rozptýlené z nehomogenit v rámci trvání pulsu sčítá s ohledem na fáze . Tyto fáze pro každou vlnu jsou náhodnou veličinou , v důsledku čehož má zaznamenaný rozptylový signál, nazývaný reflektogram , fluktuace . Tento signál je jednorozměrným analogem vzoru skvrnitosti .

Tyto odchylky reflektogramu přibližně zůstávají, dokud se nezmění fáze středů rozptylu na libovolné části kabelu. K tomu dochází, když je optické vlákno deformováno , což může být způsobeno buď přímým dopadem na kabel, nebo akustickou vlnou , která se k němu dostala z okolních událostí.

Analýzou stability získaných reflektogramů lze tedy vyvodit závěry o událostech vyskytujících se kolem senzoru . V tomto případě se reflektogramy neshromažďují pro zprůměrování (jak se to děje v optickém reflektometru), ale jsou neustále zpracovávány k identifikaci účinků. Typickým způsobem použití tohoto zařízení je položení senzorového vlákna podél kontrolovaného objektu (silnice, potrubí , obvod území atd.) a následné sledování vznikajících událostí zobrazených na obrazovce operátora.

Strukturální diagram

Záření ze zdroje 1 je zesíleno v boosteru 2 na požadovaný výkon, poté akusticko-optický modulátor 5 generuje puls sondy působením řídicích signálů z FPGA 3 a budiče 4, který vstupuje do kanálů senzoru přes splitter 6 (může být 1 ve zjednodušeném schématu nebo 2 pro redundanci). ), v každém z nich záření přes oběhové čerpadlo 7 vstupuje do senzorového vlákna 8. Zpětně rozptýlené záření z každého bodu senzoru je směrováno cirkulátorem 7 do předzesilovače 9, což zvyšuje nízký výkon na detekovatelnou úroveň. Filtr 10 odřízne spontánní vyzařování předzesilovače 9. Optický signál je na fotodiodě 11 převeden na elektrický signál, poté je digitalizován na ADC 12, předzpracován a filtrován na FPGA 3. V konečné podobě , informace jsou přiváděny do počítače operátora 13. Vlastnosti schématu:

  1. Laserový zdroj musí mít dlouhou koherenční délku a dobrou stabilitu střední vlnové délky.
  2. Booster by měl umožňovat zesílení signálu až na 1 W v kontinuálním režimu (obvod s pulzním boosterem je přijatelný, ale poskytuje vyšší hladinu šumu)
  3. FPGA musí mít dostatečný výpočetní výkon pro zajištění řízení všech komponent a předzpracování přijatých dat
  4. Ovladač modulátoru musí poskytovat nízké doby náběhu a nízký jitter .
  5. Modulátor musí poskytovat vysoký poměr tlumení pro potlačení koherentního šumu, nízkých čel pulzů a vysoké odolnosti vůči záření. Proto se v zařízeních tohoto typu používají akusticko-optické modulátory.
  6. Rozbočovač musí odolat záření do 1W.
  7. Oběhové čerpadlo dodává záření do senzoru a fotodetektoru s minimálními ztrátami. Musí mít také vysokou radiační odolnost.
  8. Senzorové vlákno může být libovolné jednovidové vlákno, což je výhoda zařízení.
  9. Předzesilovač při použití dvousnímačového obvodu by měl být dvoukanálový a umožňovat nastavení výstupního výkonu.
  10. Optický filtr musí mít úzkou spektrální šířku, aby odřízl spontánní šum.
  11. Fotodioda musí pracovat na frekvencích řádově 10 MHz.
  12. ADC musí být dvoukanálový a odpovídat frekvenci fotodiody
  13. Konečné zpracování a zobrazení dat musí zajistit PC. Několik počítačů může zpracovávat data pomocí různých algoritmů.

Funkce

Maximální dosah

Puls optického záření se při šíření vláknem rozpadá . Pro jednovidové vlákno při provozu na vlnové délce 1550 nm je typická hodnota koeficientu útlumu 0,18 dB/km [5] . Protože záření po rozptylu jde i opačně, bude výsledný útlum na 1 km snímače 0,36 dB. Maximální vzdálenost je ta, při které se úroveň rozptýleného signálu stane tak malou, že ji nelze odlišit od šumu systému. Toto omezení nelze překonat zvýšením výkonu vstupního záření, protože od určité hodnoty to způsobí nelineární efekty, které znemožní fungování systému [6] . Typický provozní dosah systému je 50 km.

Prostorové rozlišení a vzorkovací frekvence

Prostorové rozlišení je určeno převážně dobou trvání pulzu, která je poloviční než doba trvání pulzu ve vláknu . Pro dobu trvání pulsu 200 ns bude tedy prostorové rozlišení 10 m. Je třeba poznamenat, že trvání pulsu ovlivňuje množství zpětně odraženého výkonu, takže rozlišení souvisí s maximálním dosahem. Prodlužování doby trvání pulzu však vede ke zhoršení prostorového rozlišení, proto se běžně používají doby trvání v rozsahu od 100 do 1000 ns. Vzorkovací frekvence by měla být odlišena od prostorového rozlišení. Je určena rychlostí ADC zařízení a může být až 10 ns. To však neznamená, že zařízení dokáže rozlišit události s rozlišením 1 m, protože tyto události se „smísí“ v rámci desetimetrového pulzu.

Registrovaná frekvence zvuku

Reflektogram je soubor hodnot intenzity v každém bodě senzoru. To znamená, že čím větší počet reflektogramů přijímáme, tím vyšší je frekvence, kterou můžeme zaregistrovat. Je to však shora omezeno, protože pro získání jednoho vzoru zpětného rozptylu je nutné, aby světelný impuls nejprve dosáhl nejvzdálenějšího bodu snímače a poté se zpětně rozptýlené záření vrátilo. Pro 50 km vlákno s indexem lomu 1,5 by to vyžadovalo 500 µs, tj. vzorkovací frekvence snímače je 2 kHz. Podle Kotelnikovovy věty může takový systém registrovat signály s frekvencí až 1 kHz.

Měření teploty

Rayleighův rozptylový systém, stejně jako zařízení založené na Ramanově a Brillouinově rozptylu, dokáže detekovat teplotní změny, protože zahřívání a ochlazování ovlivní náhodné fáze rozptylových center. Tento trend však dosud nezískal široké přijetí.

Aplikace

Zařízení je schopno zaznamenat akustické dopady pomocí senzorového vláknového kabelu o délce až 50 km s rozlišením až 10 m, přičemž výsledky zobrazí na obrazovce operátora. Díky těmto příležitostem je jeho aplikace relevantní v několika oblastech [7] .

Jednak pro ovládání rozšířených objektů [8] . Zařízení dokáže upozornit na přiblížení osoby (na 5 metrů), automobilu (na 50 metrů) nebo jiných objektů vydávajících zvukové vlny, jejichž vzhled může představovat nebezpečí pro ovládaný objekt.

Za druhé pro vertikální seismické profilování a těžbu vrtů [12] . Pro tyto účely se používají fázově citlivé reflektometry s fázovou obnovou [13] . Mají nejhorší citlivost (což je mínus při vytváření monitorovacího systému pro rozšířené objekty), ale umožňují obnovit původní tvar zvukového signálu (což je plus při budování profilu studny).

Výhody

Senzor tohoto zařízení je obyčejné telekomunikační vlákno , které okamžitě poskytuje následující výhody:

Zařízení jako celek má následující výhody:

Směry vývoje

Senzorový systém založený na fázově citlivém optickém reflektometru má řadu technických funkcí, na kterých v současnosti pracují hlavní výzkumné skupiny:

  1. "mrtvé zóny", které jsou způsobeny nepravidelností reflektogramu. U nich dochází k výraznému poklesu citlivosti. Tento nedostatek lze odstranit několika způsoby. Jednak naskládáním několika vláken, ve kterých se oblasti se sníženou citlivostí budou vzájemně kompenzovat. Za druhé, skenováním na více vlnových délkách. Za třetí. pomocí sekvenčního posunu vlnové délky modulátorem.
  2. Možnost přerušení kabelu snímače. Spolehlivost se zvyšuje při pokládání dvou kabelů a také při připojení ke kabelu snímače z obou stran (položení "kroužku")
  3. Nedokonalost algoritmů pro registraci vnějších vlivů. Izolace událostí na pozadí systémového šumu je komplexní úkol, jehož metody řešení vývojové společnosti neustále zdokonalují [14] . Výkonnější FPGA s pokročilejšími algoritmy mohou zvýšit pravděpodobnost správné detekce. Jednou z nejaktivněji se rozvíjejících oblastí je využití neuronových sítí a nástrojů strojového učení [15]
  4. Požadavky na rychlou výměnu vadných součástí některými organizacemi uživatelů zabezpečení. Obvykle se optické přístroje vyrábí jako jedno zařízení, jehož opravu provádí výrobní společnost. Ale v tomto případě je možné vyrobit zařízení podle blokového schématu s možností hot-swapování zdrojů, zesilovačů a dalších komponent.

Poznámky

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. Patent Spojených států: 5194847 - Zařízení a metoda pro snímání vniknutí z optických vláken (16. března 1993). Staženo 6. 5. 2016. Archivováno z originálu 8. 12. 2016.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Koherentní reflektometr s dvouvláknovým interferometrem rozptýleného světla  // Quantum Electronics. - T. 41 , č.p. 2 . — S. 176–178 . - doi : 10.1070/qe2011v041n02abeh014467 . Archivováno z originálu 4. června 2016.
  3. ↑ Marčenko, K.V., Naniy, O.E., Nesterov, E.T., Ozerov, A.Zh., Treshchikov, V.N. Ochrana FOCL distribuovaným akustickým senzorem na bázi koherentního reflektometru Věstník svjazi  . — 01.01.2011. - Problém. 9 . Archivováno z originálu 24. září 2016.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. Vliv stupně koherence polovodičového laseru na statistiku intenzity zpětného rozptylu v jednovidovém optickém vláknu  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 28. 12. 2011. — Sv. 56 , iss. 12 . — S. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . - doi : 10.1134/S106422691112014X . Archivováno z originálu 6. června 2018.
  5. ↑ Optické vlákno Corning SMF-28e+® LL . www.corning.com. Datum přístupu: 6. května 2016. Archivováno z originálu 4. června 2016.
  6. ↑ ET Nesterov, AA Žirnov, KV Stěpanov, AB Pněv, VE Karasík. Experimentální studie vlivu nelineárních efektů na provozní rozsah fázově citlivého optického reflektometru v časové oblasti  (anglicky)  // Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Sv. 584 , iss. 1 . — S. 012028 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Nedávný pokrok v distribuovaných optických senzorech   // Senzory . — 26. 6. 2012. — Sv. 12 , iss. 12 . — S. 8601–8639 . - doi : 10.3390/s120708601 . Archivováno z originálu 4. dubna 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 , č.p. 6 . Archivováno z originálu 7. srpna 2016.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. Směrem k prevenci hrozeb integrity potrubí pomocí inteligentního systému sledování optických vláken  // Journal of Lightwave Technology. — 2016-01-01. - T. PP , č.p. 99 . — S. 1–1 . — ISSN 0733-8724 . - doi : 10.1109/JLT.2016.2542981 .
  10. ↑ Yi Shi, Hao Feng, Zhoumo Zeng. Dálkový fázově citlivý optický reflektometr v časové oblasti s jednoduchou strukturou a vysokou přesností lokalizace   // Senzory . — 2015-09-02. — Sv. 15 , iss. 9 . — S. 21957–21970 . - doi : 10.3390/s150921957 . Archivováno z originálu 5. května 2016.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Matematická analýza systému monitorování úniků z námořního potrubí založeného na koherentním OTDR s vylepšenou délkou senzoru a vzorkovací frekvencí  //  Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Sv. 584 , iss. 1 . — S. 012016 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012016 .
  12. ↑ Technologie distribuovaného akustického snímání | Schlumberger . www.slb.com. Staženo 6. 5. 2016. Archivováno z originálu 10. 5. 2016.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorškov, VT Potapov, IA Sergačov. Fázově citlivý optický koherenční reflektometr s diferenciálním klíčováním fázového posuvu pulzů sondy  // Quantum Electronics. - T. 44 , č.p. 10 . — S. 965–969 . - doi : 10.1070/qe2014v044n10abeh015470 . Archivováno z originálu 4. června 2016.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Rozpoznání fázově citlivého snímacího systému OTDR založeného na extrakci morfologických vlastností   // Senzory . — 29. 6. 2015. — Sv. 15 , iss. 7 . — S. 15179–15197 . - doi : 10.3390/s150715179 . Archivováno z originálu 1. července 2016.
  15. ↑ WB Lyons, E. Lewis. Neuronové sítě a techniky rozpoznávání vzorů aplikované na senzory z optických vláken  //  Transactions of the Institute of Measurement and Control. - 2000-12-01. — Sv. 22 , iss. 5 . - S. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . - doi : 10.1177/014233120002200504 .