Fázisérzékeny optikai reflektométer

A fázisérzékeny optikai időtartomány reflektométer ( ϕ-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer )  kiterjesztett objektumok vibroakusztikus vezérlésére szolgáló eszköz [ 1] . Ezt az eszközt a tudományos és műszaki irodalom koherens reflektométernek [2] vagy elosztott akusztikus ütközésérzékelőnek [3] is nevezi .

Hogyan működik

A készülék működési elve hasonló a hagyományos optikai reflektométerhez . A fő különbség a felhasznált sugárforrás koherenciahosszában rejlik [4] . A hagyományos reflektométerben ez kisebb, mint a szondázó impulzus hossza, aminek következtében az átlagos sugárzási teljesítmény visszaszóródik . A fázisérzékeny reflektométerben a forrás koherencia-hossza hosszabb, mint az impulzus időtartama, ami miatt az impulzusidőn belüli inhomogenitásokból szórt sugárzás a fázisok figyelembevételével adódik össze . Ezek a fázisok minden hullámhoz egy valószínűségi változó , aminek következtében a rögzített szórási jel, az úgynevezett reflektogram , ingadozásokkal rendelkezik . Ez a jel a foltmintázat egydimenziós analógja .

A reflektogram ezen eltérései körülbelül addig maradnak, amíg a kábel bármely szakaszán a szórási központok fázisai meg nem változnak. Ez akkor fordul elő, amikor az optikai szál deformálódik , amit vagy a kábelre gyakorolt ​​közvetlen hatás, vagy a környezeti események miatt elért akusztikus hullám okozhat.

Így a kapott reflektogramok stabilitásának elemzésével következtetéseket vonhatunk le a szenzor körüli eseményekre . Ebben az esetben a reflektogramokat nem halmozzák fel az átlagoláshoz (ahogy ez egy optikai reflektométernél történik), hanem folyamatosan dolgozzák fel a hatások azonosítására. Az eszköz használatának tipikus módja az érzékelő szálak vezérlése egy ellenőrzött objektum (út, csővezeték , terület kerülete stb.) mentén, majd a megjelenő események követése a kezelő képernyőjén.

Szerkezeti diagram

Az 1-es forrás sugárzása a 2-es erősítőben felerősödik a szükséges teljesítményre, majd az 5-ös akuszto-optikai modulátor az FPGA 3- tól és a 4-es meghajtótól érkező vezérlőjelek hatására szondaimpulzust generál , amely a 6-os osztón keresztül jut be az érzékelőcsatornákba (1 darab lehet). egyszerűsített sémában vagy 2 redundancia esetén). ), amelyek mindegyikében a 7 keringtetőn keresztüli sugárzás a 8 érzékelőszálba jut. Az érzékelő minden pontjáról visszaszórt sugárzást a 7 keringető a 9 előerősítőhöz irányítja , ami növekszik. az alacsony teljesítményt egy érzékelhető szintre. A 10 szűrő levágja a 9 előerősítő spontán sugárzását . Az optikai jelet a 11 fotodiódán elektromos jellé alakítják , majd a 12 ADC - n digitalizálják , előfeldolgozzák és az FPGA 3-on szűrik. , az információ a kezelő számítógépébe kerül 13. A séma jellemzői:

  1. A lézerforrásnak hosszú koherencia-hosszúságúnak és jó középső hullámhossz-stabilitással kell rendelkeznie.
  2. Az erősítőnek lehetővé kell tennie a jel 1 W-ig történő erősítését folyamatos üzemmódban (az impulzusos erősítő működésű áramkör elfogadható, de magasabb zajszintet ad)
  3. Az FPGA-nak elegendő számítási teljesítménnyel kell rendelkeznie az összes összetevő vezérléséhez és a fogadott adatok előfeldolgozásához
  4. A modulátor meghajtónak alacsony felfutási időt és alacsony jittert kell biztosítania .
  5. A modulátornak magas csillapítási arányt kell biztosítania a koherens zaj, az alacsony impulzusfrontok és a magas sugárzási ellenállás elnyomása érdekében. Ezért az ilyen típusú eszközökben akusztikus-optikai modulátorokat használnak.
  6. Az elosztónak 1 W-ig ki kell bírnia a sugárzást.
  7. A keringetőszivattyú minimális veszteséggel sugározza az érzékelőt és a fotodetektort. Ezenkívül nagy sugárzásállósággal kell rendelkeznie.
  8. Az érzékelőszál bármilyen egymódusú szál lehet, ami a készülék előnye.
  9. Két érzékelős áramkör használata esetén az előerősítőnek kétcsatornásnak kell lennie, és lehetővé kell tennie a kimeneti teljesítmény beállítását.
  10. Az optikai szűrőnek szűk spektrális szélességűnek kell lennie, hogy kiküszöbölje a spontán zajt.
  11. A fotodiódának 10 MHz-es nagyságrendű frekvencián kell működnie.
  12. Az ADC-nek kétcsatornásnak kell lennie, és meg kell felelnie a fotodióda frekvenciájának
  13. A PC-nek kell biztosítania az adatok végső feldolgozását és megjelenítését. Számos számítógép képes adatokat feldolgozni különböző algoritmusok segítségével.

Jellemzők

Maximális hatósugár

Az optikai sugárzás impulzusa a szálon keresztül terjedve lecseng . Az egymódusú szálak esetében 1550 nm hullámhosszon üzemelve a csillapítási együttható tipikus értéke 0,18 dB/km [5] . Mivel a szórás utáni sugárzás az ellenkező irányba is megy, a végső csillapítás 1 km-enként 0,36 dB lesz. A maximális távolság az, amikor a szórt jel szintje annyira kicsi lesz, hogy nem lehet megkülönböztetni a rendszer zajától. Ezt a korlátot a bemenő sugárzás teljesítményének növelésével nem lehet áthidalni, mivel ez egy bizonyos értéktől nemlineáris hatásokat okoz, amelyek ellehetetlenítik a rendszer működését [6] . A rendszer jellemző működési hatótávja 50 km.

Térbeli felbontás és mintavételi gyakoriság

A térbeli felbontást túlnyomórészt az impulzus időtartama határozza meg, amely fele a szálban lévő impulzus időtartamának . Így 200 ns impulzusidőtartam esetén a térbeli felbontás 10 m. Megjegyzendő, hogy az impulzus időtartama befolyásolja a visszaszórt teljesítmény nagyságát, így a felbontás a maximális hatótávolsághoz kapcsolódik. Az impulzus időtartamának növelése azonban a térbeli felbontás romlásához vezet, ezért általában 100 és 1000 ns közötti időtartamokat használnak. A mintavételezési gyakoriságot meg kell különböztetni a térbeli felbontástól. Ezt az eszköz ADC -jének sebessége határozza meg, és akár 10 ns is lehet. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a készülék 1 m-es felbontással képes megkülönböztetni az eseményeket, mivel ezek az események tízméteres impulzuson belül „keverednek”.

Regisztrált hangfrekvencia

A reflektogram az intenzitásértékek halmaza minden érzékelőponton. Azaz minél több reflektogramot kapunk, annál nagyobb frekvenciát tudunk regisztrálni. De felülről korlátozott, hiszen egy visszaszórási mintázat eléréséhez az szükséges, hogy a fényimpulzus először az érzékelő legtávolabbi pontját érje el, majd a visszaszórt sugárzás visszatérjen. Egy 50 km-es, 1,5 törésmutatójú szálnál ez 500 µs-ot igényel, azaz az érzékelő mintavételi frekvenciája 2 kHz. Kotelnyikov tétele szerint egy ilyen rendszer akár 1 kHz-es frekvenciájú jeleket is képes regisztrálni.

Hőmérséklet mérések

A Rayleigh-szórási rendszer, valamint a Raman- és Brillouin-szóráson alapuló eszköz képes érzékelni a hőmérséklet-változásokat, mivel a fűtés és a hűtés befolyásolja a szórási központok véletlenszerű fázisait. Ez a tendencia azonban még nem nyert széles körű elfogadottságot.

Alkalmazás

A készülék legfeljebb 50 km hosszú szenzorszálas kábellel, legfeljebb 10 m felbontású akusztikus ütközések rögzítésére képes, az eredményeket megjelenítve a kezelő képernyőjén. Az ilyen lehetőségek több területen is relevánssá teszik alkalmazását [7] .

Először is kiterjesztett objektumok vezérlésére [8] . A készülék személy (5 méteres távolságra), autó (50 méteres távolságra) vagy egyéb olyan hanghullámot kibocsátó tárgy közeledtéről tud értesíteni, amelyek megjelenése veszélyt jelenthet az irányított tárgyra.

Másodszor a függőleges szeizmikus profilalkotáshoz és a kútfakitermeléshez [12] . Erre a célra fázis-visszanyeréssel ellátott fázisérzékeny reflektométereket használnak [13] . A legrosszabb érzékenységgel rendelkeznek (ami mínusz a kiterjesztett objektumok megfigyelőrendszerének létrehozásakor), de lehetővé teszik a hangjelzés eredeti alakjának visszaállítását (ami plusz a kútprofil építésénél).

Előnyök

Ennek az eszköznek az érzékelője egy közönséges távközlési szál , amely azonnal a következő előnyöket nyújtja:

A készülék egésze a következő előnyökkel rendelkezik:

Fejlesztési irányok

A fázisérzékeny optikai reflektométeren alapuló szenzorrendszer számos műszaki jellemzővel rendelkezik, amelyeken jelenleg is dolgoznak a fő kutatócsoportok:

  1. "Holt zónák", amelyek a reflektogram egyenetlensége miatt keletkeznek. Ezekben jelentősen csökken az érzékenység. Ezt a hiányosságot többféleképpen kiküszöbölhetjük. Először is több szál egymásra helyezésével, amelyekben a csökkent érzékenységű területek kompenzálják egymást. Másodszor, több hullámhosszon történő pásztázással. Harmadszor. a hullámhossz modulátor általi szekvenciális eltolásával.
  2. Lehetőség van az érzékelő kábelének megszakítására. A megbízhatóság megnövekszik két kábel lefektetésekor, valamint az érzékelőkábel mindkét oldalról történő csatlakoztatásakor ("gyűrű" lefektetése)
  3. A külső hatások regisztrálására szolgáló algoritmusok tökéletlensége. Az események elkülönítése a rendszerzaj hátterében összetett feladat, melynek megoldási módszereit a fejlesztő cégek folyamatosan fejlesztik [14] . Az erősebb FPGA -k fejlettebb algoritmusokkal növelhetik a helyes észlelés valószínűségét. Az egyik legaktívabban fejlődő terület a neurális hálózatok és a gépi tanulási eszközök használata [15]
  4. A meghibásodott összetevők gyors cseréjének követelményei egyes biztonsági felhasználói szervezetek által. Az optikai műszereket jellemzően egyetlen készülékként gyártják, melynek javítását a gyártó cég végzi. De ebben az esetben lehetőség van egy blokkvázlat szerinti készülék gyártására, amelyen lehetőség van a tápegységek, erősítők és egyéb alkatrészek üzem közbeni cseréjére.

Jegyzetek

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalom: 5194847 - Berendezés és eljárás száloptikai behatolás érzékelésére (1993. március 16.). Letöltve: 2016. május 6. Az eredetiből archiválva : 2016. december 8.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Koherens reflektométer kétszálas szórt fény interferométerrel  // Quantum Electronics. - T. 41 , sz. 2 . – S. 176–178 . - doi : 10.1070/qe2011v041n02abeh014467 . Archiválva az eredetiből 2016. június 4-én.
  3. ↑ Marcsenko, K.V., Nanij, O.E., Neszterov, E.T., Ozerov, A.Z., Trescsikov, V.N. FOCL védelem egy koherens reflektométeren alapuló elosztott akusztikus érzékelővel Vestnik svyazi  . — 2011-01-01. - Probléma. 9 . Az eredetiből archiválva : 2016. szeptember 24.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. A félvezető lézer koherenciájának mértéke a visszaszórt intenzitás statisztikájára egy egymódusú optikai szálban  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 2011-12-28. — Vol. 56 , iss. 12 . — P. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . - doi : 10.1134/S106422691112014X . Archiválva az eredetiből 2018. június 6-án.
  5. ↑ Corning SMF-28e+® LL Optikai szál . www.corning.com. Hozzáférés dátuma: 2016. május 6. Az eredetiből archiválva : 2016. június 4.
  6. ↑ ET Neszterov, AA Zhirnov, KV Stepanov, AB Pnev, VE Karasik. Kísérleti tanulmány a nemlineáris hatások hatásáról a fázisérzékeny optikai időtartomány reflektométer működési tartományára  (angol)  // Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Vol. 584 , iss. 1 . — P. 012028 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Legutóbbi fejlődés az elosztott száloptikai érzékelők terén   // Érzékelők . — 2012-06-26. — Vol. 12 , iss. 12 . — P. 8601–8639 . - doi : 10.3390/s120708601 . Archiválva az eredetiből 2016. április 4-én.
  8. ↑ Juan C. Juarez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, Henry F. Taylor. Elosztott optikai behatolásérzékelő rendszer (EN) // Journal of Lightwave Technology. - 2005-06-01. - T. 23 , sz. 6 . Archiválva az eredetiből 2016. augusztus 7-én.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. A csővezetékek integritását fenyegető veszélyek megelőzése felé intelligens száloptikai megfigyelőrendszerrel  // Journal of Lightwave Technology. — 2016-01-01. - T. PP , sz. 99 . – S. 1–1 . — ISSN 0733-8724 . - doi : 10.1109/JLT.2016.2542981 .
  10. ↑ Yi Shi, Hao Feng, Zhoumo Zeng. Nagy távolságra ható fázisérzékeny optikai időtartomány-reflexióméter egyszerű felépítéssel és nagy helymeghatározási pontossággal   // Érzékelők . — 2015-09-02. — Vol. 15 , iss. 9 . — P. 21957–21970 . - doi : 10.3390/s150921957 . Az eredetiből archiválva: 2016. május 5.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Tengeri csővezeték-szivárgás-figyelő rendszer matematikai elemzése koherens OTDR-en alapuló, javított szenzorhosszúsággal és mintavételi gyakorisággal  //  Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — Vol. 584 , iss. 1 . — P. 012016 . — ISSN 1742-6596 . - doi : 10.1088/1742-6596/584/1/012016 .
  12. ↑ Elosztott akusztikus érzékelő technológia | Schlumberger . www.slb.com. Letöltve: 2016. május 6. Az eredetiből archiválva : 2016. május 10.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorshkov, VT Potapov, IA Sergachev. Fázisérzékeny optikai koherencia reflektométer szondaimpulzusok differenciális fáziseltolásos kulcsával  // Quantum Electronics. - T. 44 , sz. 10 . — S. 965–969 . - doi : 10.1070/qe2014v044n10abeh015470 . Archiválva az eredetiből 2016. június 4-én.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Morfológiai jellemzők kivonásán alapuló fázisérzékeny OTDR érzékelőrendszer felismerése   // Érzékelők . — 2015-06-29. — Vol. 15 , iss. 7 . — P. 15179–15197 . - doi : 10.3390/s150715179 . Az eredetiből archiválva : 2016. július 1.
  15. ↑ WB Lyons, E. Lewis. Optikai szálas érzékelőkre alkalmazott neurális hálózatok és mintafelismerő technikák  //  A Mérés- és Vezérlési Intézet tranzakciói. - 2000-12-01. — Vol. 22 , iss. 5 . - P. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . - doi : 10.1177/014233120002200504 .