Датчик и способ измерения - RU2573614C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к датчику и способу измерения, и в частности, но не исключительно, к датчику и способу измерения, которые измеряют свойства одной или более структур с помощью методов бриллюэновского рассеяния.

Уровень техники

Во многих областях применения наподобие трубопроводов, силовых кабелей или подводных применений, хорошо известно использование измерительных устройств для непрерывного отслеживания структурных и/или функциональных параметров. Измерительные устройства могут применяться также в секторе гражданского строительства и в частности в области конструирования структур больших размеров.

Измерительные устройства обычно используются для отслеживания динамики температуры или механического напряжения с течением времени, т.е. геометрического показателя деформации или растяжения, получающихся в результате механических напряжений, и могут определять величину растяжения или сжатия вдоль волокна соответствующей структуры. Более подробно, эти измерительные устройства подходят, чтобы получать информацию локальной природы, и они могут, поэтому, использоваться для отслеживания как функции от времени, температуры или механического напряжения, ассоциированных с множеством участков и/или компонентов инженерного сооружения, которое должно наблюдаться, обеспечивая полезную информацию о протечке, движении почвы, деформации и т.д. структуры.

Среди измерительных устройств, используемых для наблюдения за состоянием инженерных или архитектурных сооружений, большое значение имеют оптоэлектронные устройства на основе оптических волокон. В частности, эти устройства обычно содержат электронное измерительное устройство, снабженное оптоволоконным зондом, который имеет в длину обычно порядка нескольких десятков километров. При использовании это оптическое волокно устойчиво соединено с участками или компонентами инженерного сооружения, соответствующие физические параметры которого должны отслеживаться, и удерживается по существу в соприкосновении с ними. Например, это оптическое волокно может проходить вдоль труб нефтетрубопровода, или оно может быть погружено в бетонный монолит здания, так что оно может быть использовано для наблюдения локальной динамики температуры или механического напряжения этих сооружений. Другими словами, эти оптоэлектронные устройства содержат волоконно-оптические датчики, т.е. датчики, использующие оптическое волокно в качестве измерительного элемента. Волоконно-оптические датчики могут быть:

- точечными датчиками, при этом только одно местоположение вдоль оптического волокна сделано чувствительным к температуре и/или механическому напряжению;

- квазираспределенными датчиками или мультиплексированными датчиками, при этом множество точечных датчиков соединены друг с другом оптическим волокном и мультиплексированы по длине волокна за счет использования различной длины волны света для каждого датчика; или

- распределенными или полностью распределенными датчиками, при этом оптическое волокно является длинным непрерывным линейным датчиком.

Эти измерительные инструменты на основе оптических волокон могут быть подразделены на различные типы в зависимости как от физической величины/величин, которые они предназначены измерять, так и от физического принципа, используемого, чтобы обнаруживать эту величину/эти величины.

Когда мощный световой импульс длины волны λ₀ (или частоты v₀=c/λ₀), при этом c - это скорость света), известный как сигнал накачки, распространяется через оптическое волокно, небольшая величина мощности падающего луча рассеивается во всех направлениях вследствие локальных неоднородностей в оптическом волокне. Если оптическое волокно является одномодовым волокном (SMF), т.е. волокном, предназначенным для переноса только одного луча света (моды), тогда существенны только рассеивания вперед и назад, поскольку рассеянный свет в других направлениях не проводится. Обратное рассеяние представляет особый интерес, поскольку оно распространяется назад к концу волокна, где лазерный свет был первоначально запущен в оптическое волокно.

Процессы рассеяния возникают из примесей материала (рэлеевское рассеяние), термически возбуждаемых акустических волн (брилюэновское рассеяние) или атомных или молекулярных колебаний (рамановское рассеяние).

Технологии измерения распределения основаны на анализе обратнорассеянного сигнала, сформированного в другом месте вдоль волокна.

Рэлеевское рассеяние - это взаимодействие светового импульса с примесями материала. Оно является наибольшим из трех обратнорассеянных сигналов в кварцевых волокнах и имеет ту же длину волны, что и падающий свет. Рэлеевское рассеяние является физическим принципом в основе оптического временного рефлектометра (OTDR).

Бриллюэновское рассеяние - это взаимодействие светового импульса с термически возбужденными акустическими волнами (также называемыми акустическими фононами). Акустические волны, за счет эффекта фотоупругости, немного, локально и периодически изменяют коэффициент отражения. Соответствующая бегущая решетка отражает обратно небольшое количество падающего света и сдвигает его частоту (или длину волны) вследствие эффекта Доплера. Сдвиг зависит от скорости звука в волокне, в то время как его знак зависит от направления распространения движущихся акустических волн. Таким образом, бриллюэновское рассеяние создается с двумя различными частотами вокруг падающего света, называемыми стоксовой и антистоксовой компонентами. В кварцевых волокнах бриллюэновской сдвиг частоты находится в диапазоне 10 ГГц (0,1 нм в диапазоне длин волн 1550 нм) и зависит от температуры и механического напряжения.

Рамановское рассеяние - это взаимодействие светового импульса с термически возбуждаемыми атомными или молекулярными колебаниями (оптическими фононами), и является наименьшим из трех обратнорассеянных сигналов по интенсивности. Рамановское рассеяние показывает большой частотный сдвиг типично 13 ТГц в кварцевых волокнах, соответствующий 100 нм при длине волны 1550 нм. Интенсивность рамановской антистоксовой компоненты зависит от температуры, тогда как стоксова компонента почти нечувствительна к температуре.

Фиг. 1 схематично показывает спектр обратнорассеянного света, сформированный в каждой точке вдоль оптического волокна, когда лазерный луч запущен в оптическое волокно. Более высокий пик, при длине волны λ₀, соответствующей длине волны одномодового лазера, является рэлеевским пиком, возникающим от примесей материала. Так называемые стоксовы компоненты и так называемые антистоксовы компоненты являются пиками, соответственно с правой стороны и левой стороны рэлеевского пика. Антистоксов рамановский пик, возникающий от атомных или молекулярных колебаний, имеет амплитуду, зависящую от температуры T. Стоксовы и антистоксовы бриллюэновские пики, сформированные от термически возбуждаемых акустических волн, имеют частоту, зависящую от температуры T и от механического напряжения s.

Бриллюэновский сдвиг (положение длины волны относительно первоначального лазерного света) является характерным физическим свойством материала волокна и обеспечивает важную информацию о распределении механического напряжения и температуры, испытываемых оптическим волокном.

Информация о частоте бриллюэновского обратнорассеянного света может быть использована, чтобы измерять локальную температуру или информацию о механическом напряжении вдоль оптического волокна. Стандартные или специальные одномодовые волокна и кабели связи могут быть использованы в качестве измерительных элементов. Технология измерения локальной температуры или механического напряжения упоминается как основанная на частоте технология, поскольку информация о температуре или механическом напряжении содержится в бриллюэновском сдвиге частоты. Она является по определению более достоверной и более стабильной, чем любая технология на основе интенсивности, например, рамановский эффект, который чувствителен к отклонениям, потерям и изменениям затуханий сигнала. В результате, технология на основе бриллюэновского метода предлагает долговременную устойчивость и большую невосприимчивость к затуханию сигнала. Кроме того, бриллюэновское рассеяние должно удовлетворять очень строгому фазовому соотношению, обнаруживая взаимодействие как спектрально узкий резонанс, обеспечивая точное измерение. Этот процесс распространения импульса света в оптическом волокне и измерения обратнорассеиваемого сигнала называется спонтанным бриллюэновским рассеянием (SPBS): это слабая обработка, которая приводит к рассеянному свету низкой интенсивности.

Процесс бриллюэновского рассеяния имеет особенность в том, что он может быть стимулирован посредством второго оптического сигнала - называемого измерительным сигналом - в дополнение к первому оптическому сигналу - называемому сигналом накачки - который сформировал рассеяние, гарантирующего, что измерительный сигнал удовлетворяет конкретным условиям. Это свойство особенно интересно для прикладных задач измерения и может быть достигнуто с помощью измерительного сигнала, противоположно распространяющегося относительно накачки. Стимуляция максимизируется, когда частоты сигналов накачки и измерительных сигналов (или длины волн) точно отделены бриллюэновским сдвигом. В этом случае, энергия, переданная от сигнала накачки измерительному сигналу (или наоборот, в зависимости от выбранного стоксова/антистоксова обратнорассеянного сигнала), обеспечивает сильно улучшенную обратнорассеянную интенсивность и таким образом большее отношение сигнала к шуму (SNR). Это выглядит как резонансное явление, где усиление мощности измерительного сигнала происходит при расходовании сигнала накачки, когда условие резонанса удовлетворяется, т.е. когда различие частот между сигналом накачки и измерительным сигналом совпадает с локальной бриллюэновской частотой.

В известных решениях сигнал накачки состоит из оптических импульсов длиной в одну или более наносекунд, а измерительный сигнал - из света непрерывной волны - CW-света, как будет обсуждаться ниже.

Оптоэлектронные измерительные устройства на основе стимулированного бриллюэновского рассеяния (SBS) известны как бриллюэновские оптические временные анализаторы или BOTDA; в противоположность бриллюэновским оптическим временным рефлектометрам (BOTDR), которые основаны на спонтанном бриллюэновском обратном рассеянии (SPBS).

Оптоэлектронное измерительное устройство на основе BOTDA обычно выполняет анализ в частотной области и анализ во временной области.

Анализ в частотной области: информация о температуре/механическом напряжении закодирована в бриллюэновском сдвиге частоты. Сканирование частоты измерительного сигнала относительно накачки, при одновременном наблюдении интенсивности обратнорассеяного сигнала, позволяет найти бриллюэновский пик усиления и, таким образом, соответствующий бриллюэновский сдвиг, из которого может быть вычислена температура или механическое напряжение. Это достигается с помощью двух оптических источников, например, лазеров, или одного оптического источника, из которого создаются как сигнал накачки, так и измерительный сигнал. В этом случае, оптический модулятор (типично компонент связи) используется, чтобы сканировать частоту измерительного сигнала управляемым образом.

Анализ во временной области: благодаря импульсной природе сигнала накачки, взаимодействие сигнала накачки/измерительного сигнала происходит в различных местоположениях вдоль волокна в различные моменты времени. Для любого данного местоположения часть измерительного сигнала, которая взаимодействует с сигналом накачки, достигает датчика после временной задержки, равной удвоенному времени прохождения от входа волокна до указанного местоположения.

Таким образом, наблюдение интенсивности обратнорассеянного света относительно времени, и знание скорости света в волокне, обеспечивает информацию о положении, где произошло рассеяние.

Типичные доступные на рынке оптоэлектронные измерительные устройства на основе BOTDA могут измерять температуру/механическое напряжение на протяжении 30 км волокна с пространственным разрешением 1 м (эквивалентно 30000 отдельных независимых датчиков). Разрешение по температуре типично составляет <1 K и типично 20 µε для механического напряжения.

Любая измерительная система на основе стимулированного бриллюэновского рассеяния страдает от двух фундаментальных ограничений, которые ограничивают максимальный диапазон обнаружения и точность измерения.

Первым ограничением являются неизбежные собственные потери в волокне, показывающие типичное значение 0,2 дБ/км в стандартном одномодовом волокне при длине волны 1550 нм. Таким образом, оптические волны для измерения испытывают немалое ослабление мощности во время распространения через измерительные волокна. Интенсивность бриллюэновского сигнала l-p накачки выражена как:

где l_po - это мощность накачки на входе волокна, a - это коэффициент затухания волокна, и z - это позиция вдоль волокна. Следовательно, бриллюэновский коэффициент усиления G-e^G представляет полный коэффициент усиления сигнала, выраженный через SBS-взаимодействие - уменьшается относительно положения вдоль измерительного волокна:

где g_B - это пиковое значение бриллюэновского усиления, L_eff - это фактическая длина волокна. Ясно видно, что контрастность обнаруженного сигнала снижается на расстоянии вследствие ослабления мощности накачки.

Характерная мощность накачки может быть увеличена в качестве решения для компенсации потерь в волокне. Однако ассоциированные нелинейные явления, такие как модуляционная неустойчивость и рамановское усиление, вследствие высокой интенсивности будут истощать сам сигнал накачки и ограничивать максимальную входную мощность сигнала накачки. Практически, это ограничивает диапазон, на протяжении которого измерение может иметь место, до приблизительно 30-50 км.

Второе ограничение получается в результате истощения сигнала накачки в условиях большого коэффициента усиления, т.е. нелинейного перехода мощности сигнала накачки в мощность измерительного сигнала, имеющего место на протяжении короткого расстояния и вызывающего систематическую погрешность измерения. Чтобы добиваться высококачественного сигнала с точки зрения отношения сигнала к шуму (SNR) и, следовательно, более длительного диапазона измерения, потребовалась бы высокая мощность сигнала в системе измерения. Однако, оказывается, что эта конфигурация ведет к истощению сигнала накачки, что будет делать систему измерения нелинейной и, следовательно, неподходящей для некоторых применений.

Ранее три технологии были продемонстрированы в качестве устойчивых к ошибкам решений, чтобы улучшать диапазон измерения показателей и точность измерения.

Во-первых, два отдельных оптических рефлектометра на основе бриллюэновского рассеяния могут быть установлены от одной станции наблюдения до удаленного пункта назначения и от другой станции наблюдения до того же пункта назначения, следовательно, увеличивая диапазон измерения вдвое благодаря признаку одностороннего доступа этого типа системы измерения. Это также увеличивает стоимость в два раза. Аналогично, когда доступна средняя точка расстояния измерения, один инструмент может быть использован, чтобы измерять половину расстояния в каждом направлении; однако, это увеличивает время измерения в два раза.

Во-вторых, технология кодирования была реализована в типичных бриллюэновских системах измерения. Ключевое преимущество технологии кодирования основывается на высоком коэффициенте усиления сигнала без истощения сигнала накачки с тем, чтобы улучшать до большого приращения отношение сигнал-шум. Со стандартными потерями в волокне это уже соответствует измерению температуры/механического напряжения на протяжении 50 км волокна. Эта демонстрация была основана на кодировании, названном SIMPLEX, обычно используемом в других областях инженерного дела. Реализация такого кодирования не требует модификации аппаратных средств устройства, а требуются только изменения в программном обеспечении, управляющем устройством, и не требует существенных непроизводительных затрат в вычислениях, так что она может рассматриваться аналогично обновлению с очень низкой дополнительной стоимостью. Однако SIMPLEX-код эффективен, если он состоит из сигналов “с пассивной паузой” (RZ), которыми более трудно управлять, чем сигналами «с активной паузой» (NRZ), которые ограничивают его практичность.

Наконец, рамановское усиление может быть использовано, чтобы полностью компенсировать собственные потери в волокне, с тем, чтобы делать измерительное волокно полностью прозрачным для сигнальных волн. Однако спонтанный шум, сформированный от рамановских усилителей, может ухудшать систему измерения.

Несмотря на эти технические трудности, важно предложить оптоэлектронное измерительное устройство с диапазоном в 100 км и метрическим пространственным разрешением.

Собственные потери в волокне в настоящее время расцениваются как неизбежное узкое место в любой оптической линии связи. Когда длина линии связи для передачи информации от одной точки в другую точку превышает некоторое значение, типично >80 км, мощность сигнала становится слишком малой, чтобы ее можно было легко обнаруживать. Это вызывает значительное увеличение коэффициента битовых ошибок (BER), и, следовательно, ухудшение точности сигнала.

Соответствующим эффектом, например, в прикладной задаче бриллюэновского измерения, является постепенное экспоненциальное убывание мощности сигнала накачки, пока он распространяется через измерительное волокно; это приводит к уменьшению амплитуды обратнорассеянного сигнала, так что обратнорассеянный сигнал становится слишком слабым, чтобы доставлять достоверную информацию.

В оптических системах связи оптические усилители обычно используются для компенсации потерь в волокне, как показано на фиг. 2.

Фиг. 2 показывает известную оптическую линию 1 связи между передатчиком 2 и приемником 4 с периодическим внедрением оптических усилителей 3, которые усиливают сигналы, которые распространяются в оптической линии 1 связи, чтобы компенсировать потери в волокне. Однако для бриллюэновского измерения/датчиков требуется модификация систем усиления, поскольку установленный усилитель должен усиливать только сигнал накачки (на чертеже проходящий слева направо), а не измерительный сигнал (на чертеже проходящий справа налево), который используется, чтобы стимулировать бриллюэновское обратное рассеяние. Иначе усиленный измерительный сигнал будет вести к истощению сигнала накачки и приводить к нелинейному характеру изменения сигнала накачки.

Фиг. 3 представляет собой схематичный чертеж повторителя 5 бриллюэновского сигнала накачки. Повторитель 5 бриллюэновского сигнала накачки в основном состоит из оптического усилителя 7 и двух оптических циркуляторов 9. Простой контур 11 оптической циркуляции может быть выполнен из двух оптических циркуляторов. Назначением оптической схемы 11 является обеспечение возможности усиления только бриллюэновского сигнала накачки посредством усилителя 7, в то же время гарантируя, что измерительный сигнал передается в другом направлении через повторитель 5 бриллюэновского сигнала накачки без усиления. Другими словами, повторитель бриллюэновского сигнала накачки действует как оптический усилитель для сигнала накачки, но полностью прозрачен для измерительного сигнала. Более того, оптический фильтр может быть размещен после усилителя, чтобы полностью подавлять усиленный спонтанный шум, сформированный от усилителя (не показан).

Повторители бриллюэновского сигнала накачки могут быть использованы для компенсации постепенного экспоненциального снижения мощности бриллюэновского сигнала накачки, когда он распространяется через измерительное волокно, повторителей бриллюэновского сигнала накачки недостаточно для обеспечения возможности измерения на длинных расстояниях.

В датчиках на основе стимулированного бриллюэновского рассеяния измерительный сигнал также формирует обратно распространяющиеся спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны, следовательно, совместно распространяющиеся с сигналом накачки в волокне. Эти две волны спектрально так близки к сигналу накачки, что практически невозможно отфильтровать их с помощью коммерчески доступного оптического фильтра. Таким образом, сформированные измерительным сигналом спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны усиливаются вместе с сигналом накачки посредством повторителя бриллюэновского сигнала накачки. Усиленные спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны могут действовать как источники вредного шума для секции системы измерения, расположенной после усилителя. В действительности, усиленные спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны ведут к критическим ухудшениям функционирования системы измерения, вызывая нелинейные параметрические процессы, такие как дополнительные стимулированные бриллюэновские взаимодействия и процесс четырехволнового смешения.

Задача настоящего изобретения состоит в устранении или уменьшении по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению эти задачи решаются датчиком, пригодным для измерения одного или более свойств одной или более структур, причем датчик содержит:

первый путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть обнаружены;

второй путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены;

третий путь распространения оптического излучения;

средство для усиления сигнала, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения, так что сигнал усиливается прежде, чем он начинает распространение по второму пути распространения оптического излучения, и

средство для предотвращения распространения сигналов из второго пути распространения оптического излучения в третий путь распространения оптического излучения.

Предпочтительно сигнал накачки, который распространяется по пути распространения оптического излучения, может быть усилен средством для усиления до того как сигнал накачки начинает распространение по второму пути распространения оптического излучения; это усиление будет компенсировать потери, которые возникли в сигнале накачки, когда сигнал накачки распространялся по третьему пути распространения оптического излучения. Таким образом, сигнал накачки будет иметь большую мощность, когда он начинает распространяться по второму пути распространения оптического излучения. Поскольку сигнал накачки имеет большую мощность перед тем, как он начинает распространяться по второму пути распространения оптического излучения, обратнорассеянный сигнал, который получается вследствие бриллюэновского рассеяния, имеет большую мощность. Таким образом, может быть достигнуто более точное измерение свойств структуры, которая находится во взаимодействии с оптическим волокном, которое определяет второй путь распространения оптического излучения.

Кроме того, свойства структуры могут быть измерены на протяжении большей длины структуры.

Средство предотвращения распространения сигналов из второго пути распространения оптического излучения в третий путь распространения оптического излучения гарантирует, что не допускается распространение измерительного сигнала, который распространяется по второму пути распространения оптического излучения, в третий путь распространения. Поскольку измерительный сигнал блокируется от распространения по третьему пути распространения, спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны, которые измерительные сигналы создают, не формируются в третьем пути распространения. Таким образом, на сигнал накачки, который распространяется по третьему пути распространения, не воздействует шум, создаваемый спонтанными бриллюэновскими стоксовыми и антистоксовыми волнами.

Таким образом, сигнал накачки, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения, спектрально чист (т.е. без стоксовых/антистоксовых компонентов, сформированных противоположно распространяющимся измерительным сигналом). Этот спектрально чистый сигнал может быть усилен и может быть подан во второй путь распространения оптического излучения как сигнал накачки для второго пути распространения оптического излучения, обеспечивая возможность более точного измерения свойств одной или более структур.

Датчик может дополнительно содержать средство предотвращения распространения сигналов из первого пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения. Это средство может быть дополнительно выполнено с возможностью позволять сигналам распространяться из второго пути распространения оптического излучения в первый путь распространения оптического излучения и из третьего пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения.

Средство для предотвращения распространения сигналов из первого пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения гарантирует, что предотвращается распространение шума, сформированного сигналами в первом пути распространения оптического излучения, во второй путь распространения оптического излучения. Кроме того, средство может быть сконфигурировано, чтобы предотвращать усиление сигналов, которые распространяются по первому пути распространения оптического излучения, средством для усиления; таким образом, бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны, которые измерительные сигналы сформировали в первом пути распространения оптического излучения, не будут усиливаться, и, как обсуждалось ранее, не будут распространяться во второй путь распространения оптического излучения. Таким образом, на усиленный спектрально чистый сигнал накачки, который распространяется по второму пути распространения оптического излучения, не воздействует шум, сформированный в первом пути распространения оптического излучения.

Средство предотвращения распространения сигналов второго пути распространения оптического излучения в третий путь распространения оптического излучения может содержать контур циркулятора. Средство предотвращения распространения сигналов из первого пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения может содержать контур циркулятора. Средство предотвращения распространения сигналов из первого пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения, но позволяющее сигналам распространения из второго пути распространения оптического излучения в первый путь распространения оптического излучения и из третьего пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения, может содержать контур циркулятора.

Датчик может дополнительно содержать контур циркулятора, который конфигурирован так, что он выполнен с возможностью гарантировать, что только сигналы накачки усиливаются средством для усиления. Контур циркулятора может быть дополнительно конфигурирован так, что он выполнен с возможностью предотвращать усиление измерительных сигналов средством для усиления. Контур циркулятора может быть выполнен с возможностью направления сигнала накачки, который распространился по третьему пути распространения оптического излучения, в средство для усиления. Контур циркулятора может быть выполнен с возможностью предотвращения распространения сигнала накачки, который распространился по второму пути распространения оптического излучения, к средству для усиления. Контур циркулятора может быть выполнен с возможностью предотвращения распространения сигналов, которые распространяются в первом пути распространения оптического излучения, к средству для усиления.

Средство усиления может быть выполнено с возможностью усиления сигнала накачки прежде, чем сигнал накачки достигнет контура циркулятора.

Средство усиления может быть выполнено с возможностью усиления сигналов, которые распространяются в первом направлении, и блокирования сигналов, которые распространяются во втором направлении. Таким образом, средство усиления может быть однонаправленной системой. Это будет гарантировать, что, даже если первый сигнал накачки, который распространяется по первому пути распространения оптического излучения, распространялся бы по направлению к средству усиления, первый сигнал накачки не будет усиливаться, поскольку первый сигнал накачки распространяется во втором направлении; но второй сигнал накачки, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения, будет усиливаться средством усиления, когда он распространяется в первом направлении.

Третий путь распространения оптического излучения может быть конфигурируемым, чтобы размещаться удаленно по отношению к одной или более структурам, так что сигнал, распространяющийся по третьему пути распространения оптического излучения, не поддается воздействию свойств структуры.

Датчик может дополнительно содержать средство для обеспечения первого сигнала накачки в первый путь распространения оптического излучения, средство для обеспечения второго сигнала накачки в третий путь распространения оптического излучения и средство для обеспечения измерительного сигнала во второй путь распространения оптического излучения, так что одна или более технологий распределенного измерения могут выполняться для определения свойств одной или более структур. Датчик может дополнительно содержать средство для обеспечения первого сигнала накачки в первый путь распространения оптического излучения, средство для обеспечения второго сигнала накачки в третий путь распространения оптического излучения и средство для обеспечения измерительного сигнала во второй путь распространения оптического излучения для обеспечения стимулированного бриллюэновского рассеяния, которое может быть использовано для определения свойств одной или более структур.

Средство для обеспечения первого сигнала накачки в первый путь распространения оптического излучения, средство для обеспечения второго сигнала накачки в третий путь распространения оптического излучения и средство для обеспечения измерительного сигнала во второй путь распространения оптического излучения могут быть объединены в одном устройстве.

Средство для обеспечения первого сигнала накачки в первый путь распространения оптического излучения и второго сигнала накачки в третий путь распространения оптического излучения и средство для обеспечения измерительного сигнала во второй путь распространения оптического излучения могут содержать по меньшей мере одно из бриллюэновского анализатора, бриллюэновского оптического временного анализатора; бриллюэновского оптического частотного анализатора; бриллюэновского оптического когерентного анализатора.

Средство для обеспечения первого сигнала накачки в первый путь распространения оптического излучения и второго сигнала накачки в третий путь распространения оптического излучения может содержать соединительное средство, которое выполнено с возможностью деления основного сигнала накачки для обеспечения первого сигнала накачки и второго сигнала накачки.

Первый сигнал накачки может быть выполнен с возможностью иметь более высокую мощность, чем второй сигнал накачки.

Первый путь распространения оптического излучения и третий путь распространения оптического излучения могут быть соединены соединительным средством, так что основной сигнал накачки может быть разделен для обеспечения первого сигнала накачки и второго сигнала накачки.

Соединительное средство может содержать соединитель.

Третий путь распространения оптического излучения может быть сконфигурирован так, что время распространения сигнала по длине третьего пути распространения оптического излучения по меньшей мере равно времени распространения сигнала по длине первого пути распространения оптического излучения. Третий путь распространения оптического излучения может быть сконфигурирован, чтобы иметь те же свойства, что и первый путь распространения оптического излучения. Третий путь распространения оптического излучения может быть сконфигурирован, чтобы иметь длину, которая по меньшей мере равна длине первого пути распространения оптического излучения. Предпочтительно, третий путь распространения оптического излучения сконфигурирован, чтобы иметь длину, которая больше длины первого пути распространения оптического излучения.

Третий путь распространения оптического излучения может содержать средство задержки, выполненное с возможностью задерживать сигнал, который распространяется через третий путь распространения оптического излучения. Средство задержки может быть встроено в третий путь распространения оптического излучения.

Средство для усиления сигнала может содержать оптический усилитель.

Средство для усиления сигнала может содержать оптический усилитель на легированном волокне и средство для обеспечения сигнала, которое может взаимодействовать с оптическим усилителем на легированном волокне, чтобы конфигурировать оптический усилитель на легированном волокне для обеспечения заданного усиления. Средство для усиления может также быть усилителем не на волокне.

Средство для усиления сигнала может содержать устройство оптического параметрического усиления сигнала накачки, которое обеспечивает сигнал усиления, который может соединяться с сигналом накачки, чтобы усиливать сигнал накачки, когда сигнал накачки и сигнал усиления распространяются. Устройство оптического параметрического усиления накачки может быть сконфигурировано, чтобы формировать резонанс оптического параметрического усиления с программируемой шириной спектральной полосы и значением полного коэффициента усиления, пока сигнал накачки распространяется через второй путь оптического распространения. Центральная частота устройства оптического параметрического усиления накачки может быть такой, что сигнал накачки может быть спектрально расположен в центре резонанса оптического параметрического усиления.

Средство для усиления сигнала может содержать рамановский усилитель, который обеспечивает рамановский сигнал, который может взаимодействовать с сигналом накачки, чтобы усиливать сигнал накачки.

Датчик может содержать множество каскадированных первых путей распространения оптического излучения и вторых путей распространения оптического излучения; множество третьих путей распространения оптического излучения; множество средств для усиления сигнала, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения, так что сигнал усиливается прежде, чем он начнет распространение по каждому из вторых путей оптического распространения, и множество средств предотвращения распространения сигналов из каждого из вторых путей распространения оптического излучения в каждый из третьих путей распространения оптического излучения.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предусмотрено измерительное устройство, содержащее множество каскадированных вышеупомянутых датчиков.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ измерения свойств одной или более структур с помощью датчика согласно любому из вышеупомянутых датчиков, содержащий этапы:

размещения первого пути распространения оптического излучения во взаимодействии со структурой, свойства которой должны быть измерены;

размещения второго пути распространения оптического излучения во взаимодействии со структурой, свойства которой должны быть измерены; и

распространения первого сигнала накачки по первому пути распространения оптического излучения и распространения второго сигнала накачки по третьему пути распространения оптического излучения;

усиления второго сигнала накачки только так, что второй сигнал накачки усиливается прежде, чем второй сигнал накачки начнет распространяться по второму пути распространения;

обеспечения измерительного сигнала, который распространяется по первому и второму путям распространения оптического излучения, чтобы стимулировать бриллюэновское рассеяние как в первом сигнале накачки, который распространяется по первому пути распространения оптического излучения, так и во втором сигнале накачки, который распространяется по второму пути распространения оптического излучения;

предотвращения распространения измерительного сигнала по третьему пути распространения оптического излучения;

использования обратнорассеянного сигнала, полученного бриллюэновским рассеянием, для определения свойств одной или более структур.

Первый и второй путь распространения оптического излучения могут быть размещены во взаимодействии с одной и той же структурой, например, различными частями или участками одной и той же структуры, или с различными структурами, например, первой и второй структурой.

Способ может дополнительно содержать этап размещения третьего пути распространения оптического излучения удаленно по отношению к одной или более структурам, так что сигнал, распространяющийся по третьему пути распространения оптического излучения, не поддается воздействию свойств одной или более структур.

Способ может дополнительно содержать этап блокирования распространения сигналов из первого пути распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения.

Способ может дополнительно содержать этап задержки распространения второго сигнала накачки по третьему пути распространения оптического излучения.

Способ может дополнительно содержать этап разделения основного сигнала накачки для обеспечения первого и второго сигналов накачки.

Способ может дополнительно содержать этап соединения первого и третьего путей распространения оптического излучения, так что основной сигнал накачки может быть разделен для обеспечения первого и второго сигналов накачки.

Способ может дополнительно содержать этап удаленного управления усилением второго сигнала накачки.

Способ может дополнительно содержать этап обеспечения управляющего сигнала, который управляет усилением, обеспечиваемым усилителем, выполненным с возможностью усиления сигнала накачки.

Способ может дополнительно содержать этап усиления второго сигнала накачки, когда второй сигнал накачки распространяется по третьему пути распространения оптического излучения. Способ может дополнительно содержать этап обеспечения усиления, которое усиливает второй сигнал накачки, когда второй сигнал накачки распространяется по третьему пути распространения оптического излучения. Коэффициент усиления может быть обеспечен посредством сигнала.

Способ может дополнительно содержать этап использования рамановского сигнала для обеспечения усиления, которое может усиливать второй сигнал накачки.

Способ может дополнительно содержать этап настройки центральной частоты устройства оптического параметрического усиления накачки, так что второй сигнал накачки спектрально находится в центре резонанса усиления сигнала усиления, обеспеченного устройством оптического параметрического усиления накачки. Сигнал усиления, обеспеченный устройством оптического параметрического усиления накачки, может соединяться с сигналом накачки, чтобы усиливать сигнал накачки, когда сигнал усиления и сигнал накачки распространяются.

Способ может дополнительно содержать каскадирование одного или более датчиков.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно на основании описания варианта осуществления, приведенного в качестве примера и иллюстрированного чертежами, на которых:

Фиг. 1 схематично показывает спектр обратнорассеянного света, сформированного в каждой точке вдоль оптического волокна, когда лазерный луч запущен в оптическое волокно;

Фиг. 2 показывает известную оптическую линию связи между передатчиком и приемником с периодической вставкой оптических усилителей, которые компенсируют потери в волокне;

Фиг. 3 показывает схематичный чертеж повторителя бриллюэновского сигнала накачки, известного в области техники;

Фиг. 4 иллюстрирует датчик согласно одному возможному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 иллюстрирует датчик согласно дополнительному возможному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 иллюстрирует датчик согласно дополнительному возможному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 7 иллюстрирует датчик согласно дополнительному возможному варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Фиг. 4 иллюстрирует датчик 20 согласно одному возможному варианту осуществления настоящего изобретения. Датчик 20 подходит для измерения одного или более свойств одной или более структур; в конкретном примере датчик 20 используется для измерения температуры и механического напряжения первой и второй трубы 21, 37.

Датчик 20 содержит первый путь 23 распространения оптического излучения, который определен первым оптическим волокном 24. Первое оптическое волокно 24 прикреплено к поверхности 25 первой трубы 21, чтобы гарантировать, что изменения в температуре и механическом напряжении первой трубы 21 будут влиять на свойства распространения первого оптического волокна 24. Дополнительно предусмотрен второй путь 26 распространения оптического излучения, который определен вторым оптическим волокном 29. Второе оптическое волокно 26 прикреплено к поверхности 28 второй трубы 37, чтобы гарантировать, что изменения в температуре и механическом напряжении второй трубы 37 будут влиять на свойства распространения второго оптического волокна 24.

Датчик 20 дополнительно содержит третий путь 30 распространения оптического излучения, который определен третьим оптическим волокном 27. Третье оптическое волокно 27 размещено удаленно по отношению к первой и второй трубам 21, 37.

Третье оптическое волокно 27 сконфигурировано так, что время, которое занимает распространение сигнала по всей длине третьего пути 30 распространения оптического излучения по меньшей мере равно времени, которое занимает распространение сигнала по всей длине первого пути 23 распространения оптического излучения. Это может быть достигнуто множеством различных способов; например, обеспечивая то, что первое и третье оптические волокна 24, 27 имеют одинаковые свойства, и что третье оптическое волокно 27 имеет по меньшей мере ту же длину, что и первое оптическое волокно 24; альтернативно, третье оптическое волокно 27 может быть сконфигурировано, чтобы включать в себя компонент, который может задерживать распространение в третьем оптическом волокне, например, устройство оптической задержки или оптическую линию задержки. В конкретном примере, показанном на фиг. 4, датчик 20 включает в себя оптическую линию 39 задержки, выполненную с возможностью определения части третьего пути 30 распространения оптического излучения. В этом отдельном примере оптическая линия задержки встроена в третье оптическое волокно 27, таким образом, задержка обеспечивается самим волокном; однако, будет понятно, что может быть использовано любое другое средство задержки. Оптическая линия 39 задержки будет задерживать распространение сигналов по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Это будет гарантировать, что две отдельные трассировки информации, полученные от двух труб, не будут частично накладываться, искажая полученную информацию, т.е. что бриллюэновский обратнорассеянный сигнал, сформированный во втором пути 26 распространения оптического излучения, не будет наложен на бриллюэновский обратнорассеянный сигнал, сформированный в первом пути 23 распространения оптического излучения.

Датчик 20 содержит средство, в форме контура 31 циркулятора, чтобы предотвращать распространение сигналов из первого пути 23 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения и из второго пути 26 распространения оптического излучения в третий путь 30 распространения оптического излучения, но обеспечивать возможность распространения сигналов из второго пути 26 распространения оптического излучения в первый путь 23 распространения оптического излучения и из третьего пути 30 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения.

Дополнительно предусмотрено средство для усиления сигнала, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения, так что сигнал усиливается прежде, чем он начинает распространение по второму пути 26 распространения оптического излучения. В этом конкретном примере средство для усиления является оптическим усилителем 32, который расположен в месте 33 соединения между первым, вторым и третьим оптическими волокнами 24, 29, 27.

Датчик 20 содержит соединительное средство 35, которое оптически соединяет первый путь 23 распространения оптического излучения и третий путь 30 распространения оптического излучения. Может быть использовано любое подходящее соединительное средство. Предпочтительно соединительное средство 35 может быть соединителем волокна 2×2 с несимметричным коэффициентом связи (например, 95% в первом пути 23 распространения оптического излучения и 5% в третьем пути 30 распространения оптического излучения). Соединительное средство 35 сконфигурировано таким образом, что оно выполнено с возможностью деления основного сигнала накачки для обеспечения первого сигнала накачки, который может распространяться по первому пути 23 распространения оптического излучения, и второго сигнала накачки, который может распространяться по третьему пути 30 распространения оптического излучения.

Датчик дополнительно содержит средство для обеспечения первого сигнала накачки первому пути 23 распространения оптического излучения и второго сигнала накачки третьему пути 30 распространения оптического излучения и средство для обеспечения измерительного сигнала второму пути 26 распространения оптического излучения с тем, чтобы обеспечивать стимулированное бриллюэновское рассеяние, которое может быть использовано для определения свойств структуры. Любое подходящее средство может быть использовано для обеспечения первого и второго сигналов накачки и измерительного сигнала. В этом отдельном примере бриллюэновский анализатор 34 (один или более из бриллюэновского оптического временного анализатора; бриллюэновского оптического частотного анализатора; бриллюэновского оптического когерентного анализатора) обеспечивает измерительный сигнал, а также обеспечивает основной сигнал накачки, который делится, чтобы формировать первый и второй сигналы накачки. Бриллюэновский анализатор 34 формирует основной сигнал накачки, основной сигнал накачки распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, где он принимается соединительным средством 35; соединительное средство 35 делит основной сигнал накачки для обеспечения первого сигнала накачки, который распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, и второй сигнал накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Таким образом, в примере, показанном на фиг. 4, средство для обеспечения первого и второго сигналов накачки содержит бриллюэновский анализатор, который обеспечивает основной сигнал накачки, и соединительное средство 35, которое выполнено с возможностью деления принятого основного сигнала накачки для формирования первого сигнала накачки и второго сигнала накачки.

В этом конкретном примере соединительное средство 35 выполнено с возможностью деления основного сигнала накачки, обеспеченного бриллюэновским анализатором 34, для обеспечения первого сигнала накачки, который имеет более высокую мощность, чем второй сигнал накачки.

Контур 31 циркулятора выполнен с возможностью предотвращения распространения первого сигнала накачки из первого пути 23 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения и третий путь 30 распространения оптического излучения, но обеспечить возможность распространения измерительного сигнала из второго пути 26 распространения оптического излучения в первый путь 23 распространения оптического излучения. Таким образом, оптический контур 31 будет блокировать распространение первого сигнала накачки, чтобы гарантировать, что первый сигнал накачки не распространяется за пределы первого пути 23 распространения оптического излучения.

Оптический контур 31 также выполнен с возможностью позволять второму сигналу накачки распространяться из третьего пути 30 распространения оптического излучения во второй путь распространения оптического излучения 26 и предотвращать распространение измерительного сигнала из второго пути 26 распространения оптического излучения в третий путь 30 распространения оптического излучения.

Оптический контур 31 управляет направлением распространения сигналов. Первый сигнал накачки не распространяется за пределы первого пути 23 распространения оптического излучения, поскольку он не может проходить через оптический контур 31 и, следовательно, не будет распространяться во второй оптический путь 26; аналогично, спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны, которые были сформированы измерительным сигналом, когда он распространяется через первый путь 23 распространения оптического излучения, также не будут распространяться во второй путь 26 распространения оптического излучения. В отличие от этого, когда второй сигнал накачки распространяется из третьего пути 30 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения, второй сигнал накачки, следовательно, распространяется через оптический контур 31 и через усилитель 32, так что второй сигнал накачки усиливается перед началом распространения по второму пути 26 распространения оптического излучения. Следует отметить, что предпочтительно усилитель 32 может быть по умолчанию однонаправленной системой; таким образом, первый сигнал накачки, который распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, не будет усиливаться усилителем 32 даже в отсутствие оптического контура 31.

В действии бриллюэновский анализатор 34 обеспечивает основной сигнал накачки, который принимается соединительным средством 35. Одновременно бриллюэновский анализатор 34 обеспечивает измерительный сигнал, который распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения.

После того как основной сигнал накачки принят соединительным средством 35, соединительное средство 35 делит основной сигнал накачки для обеспечения первого сигнала накачки, который имеет более высокую мощность, чем второй сигнал накачки. Первый сигнал накачки распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, а второй сигнал накачки распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Первый и второй сигналы накачки распространяются в оптический контур 31. Оптическая линия 39 задержки будет задерживать распространение второго сигнала накачки по третьему пути 30 распространения оптического излучения, таким образом, гарантируя, что обратнорассеянный сигнал, обеспечиваемый первым сигналом накачки, и обратнорассеянный сигнал, обеспечиваемый вторым сигналом накачки, когда он распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения, могут быть приняты в разные моменты времени в бриллюэновском анализаторе 34; таким образом, оба обратнорассеянных сигнала не смешиваются, тем самым обеспечивая возможность более простого анализа сигнала. Оптическая линия 39 задержки также будет гарантировать, что первый сигнал накачки принимается в оптическом контуре 31 перед вторым сигналом накачки.

Измерительный сигнал распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения и принимается оптическим контуром 31. Оптический контур 31 будет предотвращать распространение измерительного сигнала из второго пути 26 распространения оптического излучения в третий путь 30 распространения оптического излучения, но будет обеспечивать возможность распространения измерительного сигнала из второго пути 26 распространения оптического излучения в первый путь 23 распространения оптического излучения. Таким образом, измерительный сигнал может взаимодействовать только с первым сигналом накачки, который распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, но не со вторым сигналом накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения.

Когда первый сигнал накачки распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, изменения температуры и механического напряжения в первой трубе 21 будут вызывать бриллюэновское рассеяние, которое создает бриллюэновский обратнорассеянный сигнал. Измерительный сигнал, который распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, будет взаимодействовать с первым сигналом накачки, который распространяется по первому пути 23 распространения оптического излучения, чтобы стимулировать бриллюэновский обратнорассеянный сигнал; таким образом, обеспечивая бриллюэновский обратнорассеянный сигнал с более высоким соотношением сигнал-шум. Свойства бриллюэновского рассеяния бриллюэновского обратнорассеянного сигнала могут быть измерены, чтобы определять изменения механического напряжения и температуры в первой трубе 21.

Дополнительно, спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны формируются в первом пути 23 распространения оптического излучения посредством измерительного сигнала во время распространения по первому пути 23 распространения оптического излучения; спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны являются источником вредного шума. Поскольку предотвращается распространение измерительного сигнала по третьему пути 30 распространения, спонтанные бриллюэновские стоксовы и антистоксовы волны, которые формируются, когда измерительный сигнал распространяется, не будут сформированы в третьем пути 30 распространения. Таким образом, на второй сигнал накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения, не воздействует шум, создаваемый спонтанными бриллюэновскими стоксовыми и антистоксовыми волнами.

После того как первый сигнал накачки распространился по первому пути 23 распространения оптического излучения, первый сигнал накачки будет содержать шум вследствие спонтанных бриллюэновских стоксовых и антистоксовых волн, сформированных измерительным сигналом. Оптический контур 31 будет предотвращать распространение первого сигнала накачки из первого пути 23 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения и третий путь 30 распространения. Таким образом, оптический контур 31 будет блокировать распространение шумного первого сигнала накачки, чтобы гарантировать, что первый сигнал накачки не распространяется за пределы первого пути 23 распространения оптического излучения и, в частности, не распространяется во второй и третий пути 26, 30 распространения оптического излучения.

Предпочтительно предотвращение распространения измерительного сигнала из второго пути 26 распространения оптического излучения в третий путь 30 распространения оптического излучения гарантирует, что второй сигнал накачки является спектрально чистым (т.е. без стоксовых/антистоксовых компонентов, сформированных встречно распространяющимся тестовым сигналом) и имеет меньшее количество шума, когда принимается в оптическом контуре 31. Кроме того, поскольку оптический контур 31 блокирует шумный первый сигнал накачки, так что он не может распространяться из первого пути 23 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения, но позволяет второму сигналу накачки распространяться из третьего пути 30 распространения во второй путь 26 распространения оптического излучения, спектрально чистый сигнал накачки распространяется из третьего пути 30 распространения оптического излучения во второй путь 26 распространения оптического излучения. Таким образом, прежде, чем второй сигнал накачки начнет распространяться по второму пути 26 распространения оптического излучения, второй сигнал накачки является спектрально чистым.

Спектрально чистый второй сигнал накачки усиливается усилителем 32 прежде, чем второй сигнал накачки начнет распространяться по второму пути 26 распространения оптического излучения. Усиление второго оптического сигнала накачки компенсирует потери в волокне, которые возникли, когда второй сигнал накачки распространялся по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Предпочтительно, усиление второго сигнала оптической накачки будет таким, что второй сигнал оптической накачки имеет по меньшей мере ту же мощность, или имеет более высокую мощность, чем первый сигнал оптической накачки перед тем, как первый сигнал оптической накачки начинает распространение по первому пути 23 распространения оптического излучения. Оптический контур 31 направляет теперь усиленный, спектрально чистый, второй сигнал накачки во второй путь 26 распространения оптического излучения и предотвращает распространение шумного первого сигнала накачки и спонтанных бриллюэновских стоксовых и антистоксовых волн, которые были сформированы в первом пути 23 распространения оптического излучения, во второй путь 26 распространения оптического излучения. Таким образом, только спектрально чистый, усиленный второй сигнал накачки распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения; это обеспечивает возможность высококачественного измерения показателей температуры и механического напряжения во второй трубе 37.

Аналогично первому сигналу накачки, когда второй сигнал накачки распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения, изменения температуры и механического напряжения во второй трубе 37 будут влиять на бриллюэновское рассеяние во втором оптическом волокне 26; бриллюэновское рассеяние создает бриллюэновский обратнорассеянный сигнал. Измерительный сигнал, который распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения, будет взаимодействовать со вторым сигналом накачки, который распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения, чтобы стимулировать бриллюэновский обратнорассеянный сигнал; таким образом обеспечивая бриллюэновский обратнорассеянный сигнал с более высоким соотношением сигнал-шум. Свойства бриллюэновского рассеяния бриллюэновского обратнорассеянного сигнала могут быть измерены, чтобы определять изменения механического напряжения и температуры во второй трубе 37. Поскольку шумный первый сигнал накачки был блокирован от распространения во второй путь 26 распространения оптического излучения, на бриллюэновский обратнорассеянный сигнал не будет воздействовать шум, сформированный в первом пути 23 распространения оптического излучения; таким образом, будет меньше шума, присутствующего в бриллюэновском обратнорассеянном сигнале, который распространяется по второму пути 26 распространения оптического излучения, тем самым обеспечивая возможность высококачественного измерения показателей температуры и механического напряжения во второй трубе 37.

Таким образом, формируются два бриллюэновских обратнорассеянных сигнала; первый бриллюэновский обратнорассеянный сигнал формируется в первом пути 23 распространения оптического излучения, а второй бриллюэновский обратнорассеянный сигнал формируется во втором пути 26 распространения оптического излучения. Свойства бриллюэновского рассеяния первого бриллюэновского обратнорассеянного сигнала могут быть измерены, чтобы определять изменения механического напряжения и температуры в первой трубе 21. Свойства бриллюэновского рассеяния второго бриллюэновского обратнорассеянного сигнала могут быть измерены, чтобы определять изменения механического напряжения и температуры во второй трубе 37.

Для каждого из бриллюэновских обратнорассеянных сигналов информация о частоте бриллюэновского обратнорассеянного света может быть использована, чтобы измерять локальную температуру или информацию о механическом напряжении вдоль оптических волокон 24, 26; и, таким образом, локальную температуру или информацию о механическом напряжении труб 21, 37, с которыми оптические волокна 24, 26 соответственно взаимодействуют.

Анализ в частотной области и анализ во временной области могут выполняться по каждому из бриллюэновских обратнорассеянных сигналов. Анализ во временной области может быть использован, чтобы определять одну или более позиций/местоположений вдоль труб 21, 37, а анализ в частотной области может быть использован, чтобы определять значения температуры и механического напряжения в этих одной или более позициях/местоположениях.

В анализе в частотной области информация о температуре/механическом напряжении закодирована в бриллюэновском частотном сдвиге. Сканирование частоты измерительного сигнала относительно сигнала накачки при одновременном наблюдении интенсивности обратнорассеяного сигнала позволяет найти пик бриллюэновского усиления и таким образом соответствующий бриллюэновский сдвиг, из которого может быть вычислена температура или механическое напряжение. Это достигается с помощью двух оптических источников, например, лазеров, или одного оптического источника, из которого создаются как сигнал накачки, так и измерительный сигнал. В этом случае, оптический модулятор (типично компонент связи) используется, чтобы сканировать частоту измерительного сигнала управляемым образом.

В анализе во временной области, благодаря импульсной природе накачки, взаимодействие сигнала накачки/измерительного сигнала происходит в различных местоположениях вдоль волокна в различные моменты времени. Для любого данного местоположения часть измерительного сигнала, которая взаимодействует с сигналом накачки, достигает датчика после временной задержки, равной удвоенному времени прохождения от входа волокна до указанного местоположения. Таким образом, наблюдение интенсивности обратнорассеянного света по времени, в то же время знание скорости света в волокне обеспечивает информацию о положении, где рассеяние имело место.

Полезно иметь возможность управлять усилением второго сигнала накачки из удаленного местоположения. Особенно в случае подводных применений, например, если датчик 20 используется, чтобы измерять свойства подводных труб. Удаленное управление усилением второго сигнала накачки позволяет пользователю управлять усилением второго сигнала накачки с суши. Управление усилением второго сигнала накачки может быть выполнено посредством управления коэффициентом усиления, который обеспечивается усилителем в датчике; усилитель, который обеспечивает более высокое усиление, будет усиливать второй сигнал накачки больше, чем усилитель, который обеспечивает более низкое усиление.

Фиг. 5 представляет собой схематичный чертеж, показывающий датчик 40 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фиг. 5, имеет несколько из тех же признаков, что и вариант осуществления, показанный на фиг. 4, и аналогичным признакам присвоены те же номера ссылочных позиций. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, предусмотрено средство усиления, которое содержит устройство 41 оптической накачки, которое обеспечивает управляющий сигнал, и подчиненное усиливающее устройство 43, коэффициент усиления которого зависит от управляющего сигнала, обеспеченного устройством 41 оптической накачки. Дополнительно предусмотрен соединитель 45, который выполнен с возможностью соединения управляющего сигнала со вторым сигналом накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения; таким образом, второй сигнал накачки и управляющий сигнал могут одновременно распространяться по третьему пути 30 распространения оптического излучения.

Подчиненное усиливающее устройство 43 может быть расположено, например, под водой, а устройство 41 оптической накачки может быть расположено на суше, и пользователь может управлять коэффициентом усиления, обеспечиваемым подчиненным усиливающим устройством 43, регулируя управляющий сигнал, обеспечиваемый устройством 41 оптической накачки.

В этом отдельном примере устройство 41 оптической накачки является устройством накачки, которое обеспечивает сигнал, который имеет длину волны 1480 нм; подчиненное усиливающее устройство 43 является оптическим усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA), который может быть задействован с помощью удаленного источника оптической накачки; и соединитель 45 является WDM-соединителем. Однако, должно быть понятно, что любое другое подходящее устройство 41 оптической накачки, подчиненное усиливающее устройство 43 и соединитель 45 могут быть использованы.

Фиг. 6 показывает датчик 50 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фиг. 6, имеет несколько из тех же признаков, что и вариант осуществления, показанный на фиг. 4, и аналогичным признакам присвоены те же номера ссылочных позиций. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 6, предусмотрено средство усиления, которое содержит устройство 53 оптического параметрического усиления (OPA) накачки, которое может обеспечивать сигнал оптического параметрического усиления. Кроме того, предусмотрен соединитель 52, который выполнен с возможностью соединения сигнала оптического параметрического усиления со вторым сигналом накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения; таким образом, второй сигнал накачки и сигнал оптического параметрического усиления соединяются и одновременно распространяются по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Соединитель 52 может принимать любую подходящую форму.

Сигнал оптического параметрического усиления формирует резонанс оптического параметрического усиления с программируемой шириной спектральной полосы и значением полного усиления, в то же время распространяясь через третий путь 30 распространения оптического излучения. Когда центральная частота сигнала оптического параметрического усиления настроена так, что частота второго сигнала накачки находится в центре резонанса оптического параметрического усиления, тогда второй сигнал накачки будет усилен посредством сигнала оптического параметрического усиления, поскольку оба сигнала распространяются по третьему пути 30 распространения оптического излучения.

Обычно пространственное распределение резонанса оптического параметрического усиления, обеспечиваемого сигналом оптического параметрического усиления, имеет тенденцию расти экспоненциально вдоль третьего пути 30 распространения оптического излучения. Таким образом, постепенные экспоненциальные потери, испытываемые вторым сигналом накачки вследствие внутренних потерь в волокне, компенсируются усилением, обеспеченным посредством сигнала оптического параметрического усиления. Фактически, поэтому, третий путь 30 распространения оптического излучения становится прозрачным для второго сигнала накачки.

Кроме того, второй сигнал накачки может быть значительно усилен посредством увеличения мощности сигнала оптического параметрического усиления; мощность сигнала оптического параметрического усиления может быть увеличена, чтобы гарантировать, что второй сигнал накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения, усилен, чтобы иметь достаточную мощность прежде, чем он начнет распространение по второму пути 26 распространения оптического излучения. Второй сигнал накачки имеет достаточную мощность, если он имеет достаточную мощность, чтобы распространяться по всей длине второго пути 26 распространения оптического излучения, без падения мощности второго сигнала накачки ниже заданного порогового уровня мощности. Предпочтительно, усиление второго сигнала оптической накачки будет таким, что второй сигнал оптической накачки имеет по меньшей мере ту же мощность, или имеет более высокую мощность, чем первый сигнал оптической накачки перед тем, как первый сигнал оптической накачки начинает распространение по первому пути 23 распространения оптического излучения.

Фиг. 7 показывает датчик 60 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фиг. 7, имеет несколько из тех же признаков, что и вариант осуществления, показанный на фиг. 4, и аналогичным признакам присвоены те же номера ссылочных позиций. В этом конкретном варианте осуществления предусмотрено средство усиления, которое содержит устройство 62 рамановского усиления (RA) накачки, которое может обеспечивать сигнал рамановского усиления. Дополнительно предусмотрен соединитель 62, который выполнен с возможностью соединения сигнала рамановского усиления со вторым сигналом накачки, который распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения; таким образом, второй сигнал накачки и сигнал рамановского усиления могут одновременно распространяться по третьему пути 30 распространения оптического излучения. Соединитель 62 может принимать любую подходящую форму.

Устройство 62 рамановского усиления (RA) накачки должно быть предпочтительно выполнено с возможностью обеспечения рамановского усиления, имеющего частоту, которая равна частоте второго сигнала накачки; в этом случае рамановское усиление будет усиливать второй сигнал накачки, когда он распространяется по третьему пути 30 распространения оптического излучения.

Специалистам в данной области техники будут очевидны различные модификации и изменения в описанных вариантах осуществления изобретения, не выходящие за рамки объема изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения. Хотя изобретение описано в связи с конкретными предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что заявленное изобретение не должно быть ошибочно ограничено таким конкретным вариантом осуществления.

Реферат

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и датчика для измерения температуры и механических напряжений. Измерения осуществляются датчиком, который содержит первый путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; второй путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; третий путь распространения оптического излучения. Кроме того, датчик содержит средство для усиления сигнала, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения таким образом, что сигнал усиливается прежде, чем он начнет распространение по второму пути распространения оптического излучения, и средство предотвращения распространения сигналов из второго пути распространения оптического излучения в третий путь распространения оптического излучения. Технический результат заключается в повышении точности и дальности измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы. 7 ил.

Формула