распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией (варианты)

Формула изобретения

1. Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией, содержащая лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, оптоволоконный кабель, блок управления и обработки, причем лазерный источник излучения соединен с первым выходом циркулятора, второй выход циркулятора соединен с оптоволоконным кабелем, выход интерферометра Маха-Цендера соединен с оптическим приемником, который электрически соединен с блоком управления и обработки, отличающаяся тем, что дополнительно введен оптический ответвитель, второй оптический приемник, при этом третий выход циркулятора соединен с входом оптического ответвителя, первый выход которого соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера, в одно из плеч которого введен электрооптический фазовый модулятор, а второй выход оптического ответвителя соединен со вторым оптическим приемником, соединенным электрически с блоком управления и обработки, управляющий выход которого соединен с электрооптическим фазовым модулятором.

2. Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией, содержащая лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, оптоволоконный кабель и блок управления и обработки, причем выход лазерного источника импульсов соединен с первым выходом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным кабелем, а третий выход соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера, выход которого соединен с оптическим приемником, который электрически соединен со входом блока управления и обработки, отличающаяся тем, что в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера введен электрооптический модулятор Маха-Цендера, выполненный с возможностью независимого управления плечами, а второй вход блока управления и обработки соединен с электрооптическим модулятором Маха-Цендера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике, в частности, к волоконной оптике и может быть использовано в системах защиты периметра территорий и помещений от несанкционированного доступа.

Известны «Метод и распределенная система акустического детектирования (DAS)» (WO 2011039501 (А2), МПК: G01D 5/353, дата публикации 2011-04-07), и представляет собой систему определение расстояния до воздействия на оптическое волокно. При воздействии на волокно обеспечивается изменение фазы оптического сигнала в ответ на обнаруживаемый параметр. Указанная система включает: приемник для приема отраженного сигнала от указанного оптического волокна в ответ на входной сигнал, выходной интерферометр, адаптированный для совмещения первого принимаемого отраженного сигнала, отраженного от участков указанных волокон на первом этапе, и второй принимаемый сигнал, отраженный от той же части указанных волокон на втором этапе. Причем указанный выходной интерферометр включает в себя частотный модулятор, по крайней мере, одно плечо интерферометра предназначено для создания разности частот между первым и вторым отраженными сигналами, кроме того, выходной интерферометр может включать в себя частотный модулятор на каждом плече, каждый частотный модулятор фиксирует различные сдвиги частоты, и фазовый детектор для приема вышеуказанных сигналов и определения скорости изменения фазы сигнала со временем. Кроме того, система может включать в себя второй фазовый детектор для определения фазы отраженного сигнала. Система включает в себя демультиплексор для разделения сигналов, отраженных от входа с различными длинами волн. Отраженные сигналы первой волны передаются через выходной интерферометр, а сигналы второй волны передаются непосредственно во второй фазовый детектор. Причем по одному из вариантов два оптических импульсов 102 и 104 создают со сдвигом частоты f1 и f2, а интервал между их запусками х метров. Эти импульсы включают входной сигнал, который распространяется через циркулятор 106 в чувствительное волокно (FUT) 108, которое, как объяснено, может быть отрезком стандартного одномодового оптоволокна. Свет, который является отраженным в ответ на входные импульсы, проходит обратно через циркулятор, и затем выходной интерферометр 110 прежде, чем достигнет фотоприемника 112. В предпочтительном варианте, интерферометр и фотодетектор адаптированы для работы на рэлеевских отраженных сигналах. Выходной интерферометр имеет акустооптические модуляторы (AOMs) 116, 118 в каждом плече, которые непрерывно работают, создавая сдвиг частоты +3 и 14 Гц соответственно. Одно плечо также имеет катушку задержки 120 для создания задержки, равной импульсу разделения, то есть длиной в х метров.

Недостатком данного изобретения является сложность, заключающаяся в использовании двух частот и двух импульсов, и последующем их совмещении и обработки.

Известно изобретение «Волоконно-оптический датчик, устройство и способ» (патент № WO 2005114226 (А1), МПК: G01M 11/08; G01M 3/04; G01M 3/38; G01P 13/00; G08B 13/186 опубликован 2005-12-01), которое использует интерференционный волоконно-оптический датчик, в частности интерферометр Саньяка или Майкельсона. Сигналы, указывающие на нарушения, классифицированы, в результате выдается значение тревоги в зависимости от предопределенных критериев. Тревога может быть, например, при детектировании разрыва волокна в конкретной трубе, разрыв волокна в кабеле, при пожаре, утечке трубопровода или вторжении. Система определения местоположения вдоль волокна используется, в том числе для подтверждения сигнала интерферометра и для уменьшения шума. Система датчика определения местоположения содержит волоконно-оптический датчик, такой как фазовый рефлектометрический датчик или датчик па эффекте Брюллиена, который может обнаружить местоположение каждого события. Подобный датчик может быть подключен к первому волокну или к отдельному волокну, проложенному рядом с первым волокном вдоль его длины. Система включает первый волоконно-оптический датчик, который расположен вдоль заданной длины, и который непрерывно обнаруживает нарушения по всей длине, и второй волоконно-оптический датчик, который расположен вдоль сказанной длины и который предназначен для обнаружения нарушения и детектирования местоположения вдоль заданной длины, ответвитель, средства для анализа выходного сигнала сказанного первого волоконно-оптического датчика для выявления обнаруживаемых нарушений, имеющее хотя бы одно средство для анализа выходного сигнала указанного второго волоконно-оптического датчика. Сигнал лазера передается с помощью оптического волокна на ответвитель. Ответвитель разделяет сигнал лазера на две части, которые проходят через оптические волокна 121 и 122. Оптическое волокно 122 ведет к модулятору 140, который модулирует сигнал, проходящий через него. Модулированный сигнал затем направляется через задержку, в качестве которой используется катушка 150, а затем отражается и поступает на ответвитель 160, модулированный сигнал, идущий по 123 движется в обоих направлениях из ответвителя 160 в оптическое волокно 124. Они проходят через фильтр 170, который не пропускает излучение с длинами волн больше, чем длина волны лазерного источника 100. Например, в этом примере, где лазер 100 имеет длину волны 1310 нм, фильтр имеет длину волны отсечки более 1310 нм. При этом отбор становится более эффективным, когда длина волны становится больше. Этот фильтр используется для устранения посторонних длин волн отраженных сигналов.

Недостатком данного изобретения является сложность, поскольку используется два типа сенсоров - один для измерения сигнала в волокне на предмет обнаружения подозрительных воздействий, второй для определения дистанции до этого нарушения. При этом система, используемая для определения расстояния, не содержит фазового детектора-демодулятора, а значит, не позволяет проводить измерения распределения фазы сигнала вдоль кабеля, что ухудшает характеристики системы.

Известна «Система охраны периметра и определения расстояния на основе когерентного рефлектометра» (патент № CN 101441092, МПК: G01D 5/26, опубликован 2009.05.27), в которой изобретение обеспечивает защиту периметров и определение расстояния до нарушения на принципе когерентной рефлектометрии. Система включает источник света, приемник, оптический усилитель, несимметричный (несбалансированный) интерферометр Маха-Цендера и оптический чувствительный кабель. Лазерный луч попадает в интерферометр, где модулируется фаза, затем световое излучение отражается и происходит демодуляция. Амплитуда и фаза сигнала обратно отраженного светового сигнала от участков волокна содержит информацию о воздействии на кабель. Интерферометр демодулирует фазовую информацию. Информация включает в себя амплитудную информацию, связанную с потерями и фазовую информацию, вызванную внешними нарушениями, а несбалансированный интерферометр Маха-Цендера может демодулировать фазовую информацию, реализуя сигнал защиты и местоположения. Интерферометр имеет разницу в плечах больше, чем длина импульса лазера. Изобретение может быть применено для определения безопасности и расположения линии связи, кабеля передачи нефти и газопроводов, вторжения безопасности для защиты важной области и поля деформаций, давления и вибрации обнаружения. Заявлено, что использование широкополосного спектрального источника делает систему стабильной, более простой и дешевой.

Недостатком данного изобретения является то, что отсутствует фазовый демодулятор, что не позволяет проводить восстановление распределения фазы оптического сигнала вдоль кабеля, что в свою очередь ухудшает такие характеристики системы, как точность измерения воздействия, определения точного места воздействия при использовании длинных импульсов.

Данное изобретение является наиболее близким техническим решением заявляемому изобретению, т.е. прототипом.

Задачей данного изобретения является получение распределения фазы оптического сигнала вдоль волокна, что позволяет проводить точное измерение деформационного и вибрационного воздействия на кабель, а также упрощение устройства.

Основным принципом работы когерентного рефлектометра является прием оптического сигнала от обратно отраженных от релеевских центров рассеивания в волокне когерентного излучения. При отражении от множества центров рассеивания излучение интерферирует, что создает шумоподобную интерференционную картину. Далее, сравнивая две картинки, записанные в разные моменты времени, можно определить факт воздействия и записать спектр звукового воздействия на кабель. Также по задержке распространения светового импульса в волокне можно определить местоположение воздействия с точностью до ширины лазерного импульса в пространственном представлении. Одна из проблем заключается в том, что интерференция является следствием взаимодействия множества волн от множества расположенных хаотичных центров рассеивания и потому является стохастической. По этой картинке можно восстановить частоты взаимодействия, но нельзя измерить саму величину воздействия, например, при деформации кабеля. Также одной из проблем из-за стохастической природы отражения внутри волокна является появление участков, где суммарная фаза сигнала такова, что она близка к нулевому значению, а значит, малочувствительна к воздействию. Таким образом, хоть и происходит анализ фазовой картинки, но восстановить саму фазу излучения невозможно обычным способом.

Для того, что определить фазовое распределение излучения вдоль волокна необходимо использовать детектор фазы. В настоящем изобретении для этого используется четырех (или более) точечное восстановление фазы синусоидального когерентного сигнала относительно отрезка того же волокна, находящегося на расстоянии, определенном линией задержки.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в том, что в распределенной когерентной рефлектометрической системе используется фазовое детектирование оптического сигнала. Это достигается за счет того, что перед приемником помещается фазовый демодулятор, который представляет собой несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, т.е. плечи которого имеют разную длину. Также в одном из плеч интерферометра по варианту 1 установлен фазовый модулятор, например, на ниобате лития, за счет приложения электрического сигнала к которому можно управлять задержкой фазы проходящего излучения. Чтобы измерить разницу фаз прямого сигнала и задержанного с помощью избыточного волокна необходимо подавать на интерферометр сигналы с разной задержкой по фазе. Для однозначного восстановления фазы необходимо подать как минимум четыре состояния с задержками по фазе 0, Pi/4, Pi/2, 3Pi/4. Таким образом, по четырем точкам можно восстановить форму периодического сигнала и восстановить фазу. Также, для увеличения точности восстановления фазы можно использовать более четырех состояний, однако, при этом теряется скорость считывания сигнала, поскольку для его вычисления нужно проводить измерения при большем числе состояний с различными задержками фазы. Для того, чтобы не потерять информацию об амплитуде сигнала, используется дополнительный канал, которые попадает во второй приемник, минуя фазовый демодулятор.

По варианту 2, вместо фазового модулятора используется интерферометр Маха-Цендера с возможностью независимого управления каналами, например, на основе ниобата лития, который может работать, как фазовый модулятор, если прикладывать к нему синфазный электрический сигнал, а также как амплитудный модулятор -затвор, если прикладывать к нему полуволновое напряжение. Совмещая, таким образом, две функции в одном устройстве, для однозначного восстановления фазы и амплитуды можно использовать только один приемник излучения, а, следовательно, упростить устройство с точки зрения использования меньшего числа элементов. Таким образом, для снятия фазового сигнала используется синфазное напряжение, как по варианту 1, а для получения амплитуды сигнала подается запирающее напряжение на модулятор, отключая одно из плеч интерферометра фазового демодулятора.

Для достижения данной задачи по варианту 1 предлагается распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией, содержащая лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера и оптоволоконный кабель, блок управления и обработки, причем лазерный источник излучения соединен с первым выходом циркулятора, второй выход циркулятора соединен с оптоволоконным кабелем, выход интерферометра Маха-Цендера соединен с оптическим приемником, который электрически соединен с блоком управления и обработки, в которую дополнительно введен оптический ответвитель, второй оптический приемник, при этом третий выход циркулятора соединен с входом оптического ответвителя, первый выход которого соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера, в одно из плеч которого введен электрооптический фазовый модулятор, второй выход оптического ответвителя соединен со вторым оптическим приемником, соединенным электрически с блоком управления и обработки, управляющий выход которого соединен с электрооптическим фазовым модулятором.

Для достижения данной задачи по варианту 2 предлагается распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией, содержащая лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, оптоволоконний кабель и блок управления и обработки, причем выход лазерного источника импульсов соединен с первым выходом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным кабелем, а третий выход соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера, выход которого соединен с оптическим приемником, который электрически соединен с входом блока управления и обработки, в которую в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера введен электрооптический модулятор Маха-Цендера, выполненный с возможностью независимого управления плечами, а второй вход блока управления и обработки соединен с электрооптическим модулятором Маха-Цендера.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемой системы по варианту 1.

На фиг.2 приведены функциональная схема предлагаемой системы по варианту 2.

Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией (фиг.1) содержит лазерный источник импульсов 1, циркулятор 2, оптоволоконный кабель 3, оптический ответвитель 4, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 5, оптический приемник 6, оптический приемник 7, причем выход лазерного источника импульсов 1 соединен с первым выходом циркулятора 2, второй выход которого соединен с оптоволоконний кабелем 3, а третий выход соединен с входом ответвителя 4, один из выходов которого соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера 5, выход которого соединен с входом оптического приемника 7, а второй выход ответвителя 4 соединен с входом оптического приемника 6, выходы оптических приемников 6, 7 соединены с соответствующими входами блока обработки и управления 8. Введен электрооптический фазовый модулятор на ниобате лития 9, имеющий независимое управление плечами.

Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией по варианту 2 (фиг.2) содержит лазерный источник импульсов 2.1, циркулятор 2.2, оптоволоконний кабель 2.3, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 2.5, оптический приемник 2.7, причем выход лазерного источника импульсов 2.1 соединен с первым выходом циркулятора 2.2, второй выход которого соединен с оптоволоконний кабелем 2.3, а третий выход соединен с входом несбалансированного интерферометра Маха-Цендера 2.5, выход которого соединен с входом оптического приемника 2.7, выход оптического приемника 2.7 соединен с входом блока управления и обработки 2.8. Введен электрооптический модулятор Маха-Цендера на ниобате лития, имеющий независимое управление плечами 2.9.

Для демодуляции фазы используется несбалансированный (несимметричный) интерферометр Маха-Цендера 5, 2.5, в одном из плеч которого имеется избыточная длина волокна по сравнению с другим плечом-интерферометра.

В одном из плеч интерферометра 5, 2.5 также имеется электрооптический модулятор 9, 2.9,

По варианту 1 электрооптический модулятор представляет собой фазовый модулятор 9. По варианту 2 электрооптический модулятор представляет собой амплитудно-фазовый модулятор 2.9 на основе интерферометра Маха-Цендера, где оба плеча могут управляться независимо друг от друга, с помощью внешнего напряжения. Электрооптический модулятор 2.9 используется в двух режимах: как фазовый модулятор и как амплитудный модулятор-затвор излучения, в зависимости от того в фазе или противофазе подается напряжение на плечи интерферометра.

Устройство работает следующим образом по варианту 1, 2.

Лазерный источник 1, 2.1 испускает импульс излучения, который через циркулятор 2, 2.2 попадает на оптоволоконный кабель 3, 2.3, являющийся чувствительным по отношению к деформации/вибрации. От неоднородностей в оптоволоконном кабеле излучение отражается обратно, проходит вновь через циркулятор 2, 2.2 и попадает в фазовый демодулятор 5, 2.5. Для того, чтобы полностью считать информацию о разнице фаз необходимо провести несколько измерений синусоподобного сигнала. Чем больше точек проведения измерений, тем лучше точность измерения фазы, но при этом уменьшается скорость проведения измерения полного цикла. Экспериментально установлено, что оптимальное число точек измерений является 4. На всех циклах измерения фазы электрооптический модулятор 9, 2.9 работает в качестве фазового модулятора. По варианту 1 для этих целей используется стандартный оптический фазовый модулятор 9, например, на ниобате лития. По варианту 2, это достигается тем, что, используется электрооптический интерферометр с возможностью независимого управления плечами, при этом напряжения на плечах электрооптического интерферометра Маха-Цендера 2.9 устанавливаются равными по знаку и по значению, что дает фазовый сдвиг в одном из плеч фазового демодулятора 2.5. Для измерения фазы, необходимо провести четыре шага измерения. На первом шаге, дополнительная внесенная электрооптическим модулятором 9, 2.9 фазовая задержка равна нулю. На выходе несбалансированного интерферометра 5, 2.5 происходит интерференция прямого луча и задержанного за счет дополнительного участка волокна второго луча. На втором шаге, блок управления и обработки 8, 2.8 подает на интерферометр 9, 2.9 напряжение, необходимое для сдвига фазы Pi/4, на выходе демодулятора 5, 2.5 получаем интерференцию сигнала с дополнительной фазовой задержкой в Pi/4 в одном из плеч. На третьем шаге задержка равна Pi/2, на четвертом шаге 3Pi1/4. Таким образом, получаем четыре значения интенсивностей с демодулятора 5, 2.5, достаточные для того, что бы рассчитать фазу сигнала.

Ниже дана формула дискретного представлению сигнала, каким он и является после захвата с помощью АНН, входящего в блок управления и обработки 8, 2.8:

Здесь, у(n) - амплитуда отклика на приемнике излучения, x(n7) - комплексная величина характеризующая отражение в волокне, h{n) - величина, характеризующая огибающую импульса.

В изобретение используется метод, основанный на детектировании картины интерференции отклика системы с самим собой с задержкой в одном плече кратной времени отсчета АЦП. Тогда, используя данные 4-х отсчетов со сдвигом фазы на /4 в одном плече, мы можем получить следующие величины интенсивностей:

И из них можно вычислить

Кроме того, помимо четырех этапов необходимых для определения характеристик оптического сигнала по варианту 1 предусмотрен дополнительный измерительный канал, оптический сигнал на который попадает с выхода ответвителя 4 напрямую в оптический приемник 6.

По варианту 2 введен, по крайней мере, один дополнительный этап измерения, который заключается в том, что на электрооптический модулятор 2.9 от блока управления и обработки 2.8 подается разнофазное полуволновое запирающее напряжение, при этом через оптический электрооптический модулятор 2.9 излучение не проходит. Таким образом, излучение проходит только через плечо несбалансированного интерферометра 2.5, которое не содержит электрооптический модулятор 2.9, не претерпевая интерференцию на выходе. Получив амплитуду и фазу сигнала, можно восстановить комплексную амплитуду, и измерить профиль изменения фазы вдоль чувствительного кабеля 3, 2.3 и дает возможность, применяя уравнения свертки, вычислить фазу сигнала.

Оптические компоненты: лазер, оптические модуляторы, оптические ответвители, циркулятор, оптические волокна чувствительного кабеля являются стандартными для телекоммуникационных приложений и рассчитаны на работу на длине волны 1,5 мкм.

Источником излучения может быть полупроводниковый лазер с мощностью десятки милливатт, работающий на длине волны 1.5 мкм. Лазер для создания импульсов может быть модулирован напрямую с помощью модуляции током, или с помощью внешнего модулятора, например, на ниобате лития. Для усиления лазерных импульсов может быть использованы оптические усилители, например, EDFA - усилитель на основе волокна с примесями эрбия. Лазерный источник излучения также может быть выполнен на основе кольцевого лазера.

Используемые оптоволоконные чувствительные кабели являются стандартными для задач телекоммуникаций.

Блок обработки и управления сигналов может быть сделан на основе процессорной техники или программируемых логических матриц (ПЛИС).

Таким образом, заявленное изобретение позволяет решить задачу упрощения устройства и улучшения характеристик за счет фазового детектирования сигнала.