RU2837066C1

RU2837066C1 - Устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов

Info

Publication number: RU2837066C1
Application number: RU2024133703A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Трещиков; Эдгард Андреевич Фомиряков; Данил Равильевич Харасов; Данил Михайлович Бенгальский; Виктор Алексеевич Одинцов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Т8 Сенсор" (ООО "Т8 Сенсор")
Filing date: 2024-11-11
Publication date: 2025-03-25

Abstract

Использование: для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов содержит функционально связанные источник лазерного излучения, двуплечий интерферометр Маха-Цендера с входным и выходным сплиттерами и встроенными в одноименные плечи первым и вторым оптоволоконными чувствительными элементами, соединенный с выходом выходного сплиттера третий оптоволоконный чувствительный элемент, фотодетекторы проходящего и отраженного оптических сигналов и блок обработки и управления, при этом в каждое плечо упомянутого интерферометра Маха-Цендера между выходами соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и входом соответствующего промежуточного сплиттера последовательно включены оптический циркулятор и модулятор проходящего оптического сигнала. Технический результат: обеспечение возможности повышения качества зондирующего сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам для мониторинга амплитудно-фазовых характеристик оптического излучения от различных участков волоконно-оптического чувствительного элемента и может быть использовано как для мониторинга и охраны протяженных объектов, таких, например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции, так и для мониторинга повреждений при проведении работ вблизи таких объектов.

Из уровня техники известны устройства для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, реализующие принцип импульсного зондирования. К этой группе устройств относится, например, устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, и компьютер с системой распознавания, причем приемопередающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, блок обработки сигналов, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход акустооптического модулятора соединен с входом передающего оптического усилителя, вход оптического фильтра соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход блока обработки сигналов через фильтр частот соединен входом блока постобработки, управления и синхронизации, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, приемо-передающий оптический модуль снабжен разветвителем с сохранением поляризации, квадратурным оптическим приемником для двух плоскостей поляризации, четырехканальным регулируемым усилителем и четырехканальным аналого-цифровым преобразователем, блок обработки сигналов выполнен четырехканальным, выход оптического фильтра усилительного оптического модуля соединен с входом квадратурного оптического приемника, выход узкополосного непрерывного лазера соединен со входом разветвителя с сохранением поляризации, первый выход которого соединен со входом акустооптического модулятора, а второй выход соединен с гетеродинным входом квадратурного оптического приемника, квадратурные выходы которого соединены с входами четырехканального регулируемого усилителя, выходы которого соединены со входами четырехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами четырехканального блока обработки сигналов (патент RU №2801071 С1, опубл. 01.08.2023).

Недостатки упомянутого аналога вытекают из принципа импульсного зондирования. Например, способность обнаружения виброакустического воздействия на чувствительный элемент на максимальном расстоянии напрямую зависит от периода Т повторения оптических зондирующих импульсов, что в свою очередь ограничивает оценку максимальной частоты виброакустического воздействия, которая в соответствии с теоремой Котельникова не может превышать половины частоты повторения (F=1/T) оптического зондирующего сигнала. Другими словами, упомянутый аналог не может оценить значения частот в виброакустическом воздействии, превышающих значения частот, равных F=1/2T. Очевидно, для расширения диапазона оцениваемых частот требуется уменьшение периода повторения оптического зондирующего сигнала, что неизбежно приводит к сокращению дальности до места однозначного определения виброакустического воздействия. Так, для периода повторения зондирующего импульсного сигнала, равного 1 мс и соответственно для частоты повторения зондирующего импульсного сигнала 1 кГц, дальность составляет 100 км (см., например, Д.Р. Харасов и др., Максимальная дальность работы распределенных датчиков на основе когерентных импульсных оптических рефлектометров и телекоммуникационного волокна с отражательными центрами. Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2021, №3, с. 36-43).

Из уровня техники известны устройства для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, использующие, в отличие от приведенного выше аналога, непрерывное оптическое излучение. К этой группе устройств относится, например, устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, основанное на гибридном решении, сочетающем в себе элементы интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона, содержащее функционально связанные источник лазерного излучения, средство модулирования оптических сигналов, двуплечий интерферометр Маха-Цендера с входным и выходным сплиттерами и встроенными в одноименные плечи первым и вторым оптоволоконными чувствительными элементами, соединенный с выходом выходного сплиттера третий оптоволоконный чувствительный элемент, фотодетекторы проходящего и отраженного оптических сигналов и блок обработки и управления, причем входной сплиттер выполнен с входом, двумя выходами и третьим выходом отраженного оптического сигнала, выход источника лазерного излучения соединен с входом входного сплиттера, в каждое плечо интерферометра Маха-Цендера между соответствующим оптоволоконным чувствительным элементом и выходным сплиттером встроен промежуточный сплиттер, первый выход которого является входом в выходной сплиттер, второй выход оснащен зеркалом Фарадея и является входом отраженного оптического сигнала, а вход является выходом отраженного оптического сигнала, кроме того, выход третьего оптоволоконного чувствительного элемента соединен с фотодетектором проходящего оптического сигнала, а выход отраженного оптического сигнала входного сплиттера соединен с фотодетектором отраженного оптического сигнала (патент US №9400167 В2, выд. 26.07.2016). Данное техническое решение принято нами за прототип.

В отличие от приведенного выше аналога, прототип обеспечивает независимую регистрацию места виброакустических воздействий и их спектральные характеристики в широком диапазоне частот звуковых и ультразвуковых вибраций. Вместе с тем, прототип обладает весьма существенным недостатком - низким качеством зондирующего сигнала, обусловленным способом формирования непрерывного зондирующего оптического сигнала, применяющим прямую модуляцию источника лазерного излучения непрерывным высокочастотным сигналом. Из теории известно, что независимо от природы источника гармонических колебаний (несущее колебание) ƒ_нес при амплитудной, частотной и фазовой модуляции непрерывным гармоническим сигналом (модулирующее колебание - ƒ_мод), результирующее колебание ƒ_рез содержит, как минимум, три частоты - собственно несущую и две боковые частоты (верхнюю и нижнюю). Другими словами, в рассматриваемом прототипе значение частоты оптического излучения ƒ_опт, направляемого в чувствительный элемент, равно:

ƒ_опт=ƒ_нес±ƒ_мод,

где ƒ_нес соответствует смодулированному значению частоты источника лазерного излучения. По факту, прямая модуляция лазера приводит к множественной модуляции, в частности, к изменению длины волны, спектрального состава и мощности оптического излучения, что, в свою очередь, существенно усложняет выделение сигналов виброакустического воздействия, тем самым снижая достоверность мониторинга виброакустических воздействий. По мере распространения зондирующего оптического излучения в чувствительном элементе ухудшается отношение сигнала к шуму, вызванного влиянием рассеяния Рэлея, что ухудшает качество зондирующего сигнала по мере распространения его в чувствительном элементе. Кроме того, необходимость обработки сигналов в полосе частот от 0 до ƒ_мод на выходах фотодетекторов проходящего и отраженного оптических сигналов вносит дополнительные ошибки, влияющие на достоверность мониторинга.

Таким образом, выявленная проблема - низкое качество зондирующего сигнала.

Технический результат - повышение достоверности мониторинга за счет повышения качества зондирующего сигнала.

Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, содержащем функционально связанные источник лазерного излучения, двуплечий интерферометр Маха-Цендера с входным и выходным сплиттерами и встроенными в одноименные плечи первым и вторым оптоволоконными чувствительными элементами, соединенный с выходом выходного сплиттера третий оптоволоконный чувствительный элемент, фотодетекторы проходящего и отраженного оптических сигналов и блок обработки и управления, причем входной сплиттер выполнен с входом, двумя выходами, подключенными соответственно к первому и второму оптоволоконным чувствительным элементам, и третьим выходом отраженного оптического сигнала, выход источника лазерного излучения соединен с входом входного сплиттера, в каждое плечо интерферометра Маха-Цендера между соответствующим оптоволоконным чувствительным элементом и выходным сплиттером встроен промежуточный сплиттер с входом со стороны соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и двумя выходами, первый из которых является входом в выходной сплиттер, выход третьего оптоволоконного чувствительного элемента соединен с фотодетектором проходящего оптического сигнала, а выход отраженного оптического сигнала входного сплиттера соединен с фотодетектором отраженного оптического сигнала, в каждое плечо упомянутого интерферометра Маха-Цендера между выходами соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и входом соответствующего промежуточного сплиттера последовательно включены оптический циркулятор и модулятор проходящего оптического сигнала, упомянутый интерферометр Маха-Цендера снабжен устройством формирования поднесущих частот, выходы которого подключены к соответвующим модулирующим входам упомянутых модуляторов проходящих оптических сигналов, а вторые выходы промежуточных сплиттеров оптически соединены с входами соответствующих циркуляторов, выходы фотодетекторов проходящего и отраженного оптических сигналов оснащены последовательно установленными полосовыми фильтрами разностных частот и синхронными детекторами выходных сигналов полосовых фильтров, блок обработки и управления оснащен блоком автоподстройки разностных частот модулирующих частот, выходы упомянутых полосовых фильтров дополнительно подключены к соответствующим входам упомянутого блока автоподстройки, соответствующие выходы упомянутого блока автоподстройки подключены к входам сигналов опорных частот синхронных детекторов, а выходы синхронных детекторов подключены к соответствующим входам блока обработки и управления, при этом третий оптоволоконный чувствительный элемент может быть оснащен защитной виброизоляцией.

Изобретение поясняется изображениями, на которых представлены:

на Фиг. 1 - функциональная схема заявленного устройства;

на Фиг. 2 - Примеры обработанных сигналов откликов в интерферометрах Майкельсона и Маха-Цендера: а) для решения по заявленному устройству и б) - для решения по прототипу.

На представленном изображении цифровыми позициями обозначены следующие элементы:

1 - блок автоподстройки разностных частот модулирующих частот;

2 - блок обработки и управления;

3 - синхронный детектор отраженного оптического сигнала;

4 - синхронный детектор проходящего оптического сигнала;

5 - полосовой фильтр отраженного оптического сигнала;

6 - полосовой фильтр проходящего оптического сигнала;

7 - источник лазерного излучения;

8 - фотодетектор отраженного оптического сигнала;

9 - фото детектор проходящего оптического сигнала;

10 - входной сплиттер интерферометра Маха-Цендера;

11 - первый оптоволоконный чувствительный элемент;

12 - второй оптоволоконный чувствительный элемент;

13 - третий оптоволоконный чувствительный элемент;

14 - первый оптический циркулятор;

15 - второй оптический циркулятор;

16 - первый оптический модулятор;

17 - второй оптический модулятор;

18 - первый промежуточный сплиттер;

19 - второй промежуточный сплиттер;

20 - выходной сплиттер интерферометра Маха-Цендера;

21 - устройство формирования первой и второй поднесущих частот;

22 - первый усилитель оптического сигнала;

23 - второй усилитель оптического сигнала;

24 - интерфейс ввода/вывода;

25 - место акустического воздействия;

26 - третий усилитель оптического сигнала;

27 - огибающая сигнала виброакустического воздействия (пунктирная линия);

28 - пример обработанных сигналов интерферометра Майкельсона;

29 - пример обработанных сигналов интерферометра Маха-Цендера;

Заявленное устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, в соответствии с формулой изобретения и представленным изображением, содержит функционально связанные источник лазерного излучения 7, двуплечий интерферометр Маха-Цендера с входным 10 и выходным 20 сплиттерами и встроенными в одноименные плечи первым 11 и вторым 12 оптоволоконными чувствительными элементами, соединенный с выходом выходного сплиттера третий 13 оптоволоконный чувствительный элемент, фотодетекторы проходящего 9 и отраженного 8 оптических сигналов и блок обработки и управления 2, причем входной сплиттер 10 выполнен с входом, двумя выходами, подключенными соответственно к первому 11 и второму 12 оптоволоконным чувствительным элементам, и третьим выходом отраженного оптического сигнала, выход источника лазерного излучения 7 соединен с входом входного сплиттера, в каждое плечо интерферометра Маха-Цендера между соответствующим оптоволоконным чувствительным элементом и выходным сплиттером встроен промежуточный сплиттер 18 и 19 с входом со стороны соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и двумя выходами, первый из которых является входом в выходной сплиттер 20, выход третьего оптоволоконного чувствительного элемента 13 соединен с фото детектором проходящего оптического сигнала 9, а выход отраженного оптического сигнала входного сплиттера 10 соединен с фото детектором отраженного оптического сигнала 8, в каждое плечо упомянутого интерферометра Маха-Цендера между выходами соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и входом соответствующего промежуточного сплиттера последовательно включены оптический циркулятор 14 (15) и модулятор проходящего оптического сигнала 16 (17), упомянутый интерферометр Маха-Цендера снабжен устройством формирования поднесущих частот 21, выходы которого подключены к соответвующим модулирующим входам упомянутых модуляторов 16 и 17 проходящих оптических сигналов, а вторые выходы промежуточных сплиттеров 18 и 19 оптически соединены с входами соответствующих циркуляторов 14 и 15, выходы фотодетекторов проходящего 9 и отраженного 8 оптических сигналов оснащены последовательно установленными полосовыми фильтрами разностных частот 5 и 6, синхронными детекторами 3 и 4 выходных сигналов полосовых фильтров 5 и 6, блок обработки и управления оснащен блоком автоподстройки разностных частот модулирующих частот 1, выходы упомянутых полосовых фильтров 5 и 6 дополнительно подключены к соответствующим входам упомянутого блока автоподстройки 1, соответствующие выходы упомянутого блока автоподстройки подключены к входам сигналов опорных частот синхронных детекторов 3 и 4, а выходы синхронных детекторов 3 и 4 подключены к соответствующим входам блока обработки и управления 2, при этом третий оптоволоконный чувствительный элемент 13 может быть оснащен защитной виброизоляцией.

Заявленное устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов работает следующим образом. Непрерывное оптическое излучение ƒ_нес, создаваемое лазером 7, с помощью входного сплиттера 10 разделяется на две части и поступает в оптические волокна 11 и 12 чувствительного элемента, противоположные стороны оптических волокон 11 и 12 подключены к входам/выходам соответствующих циркуляторов 14 и 15, а их выход к входам соответствующих оптических модуляторов 16 и 17. На выходах оптических модуляторов 16 и 17 формируется оптическое излучение двух различных частот ƒ_1опт и ƒ_2опт, отличающееся от частоты оптического излучения ƒ_нес на их входе на величину частоты первой ƒ_1мод и второй ƒ_2мод поднесущих (модулирующих) частот. Поднесущие (модулирующие) частоты формируются в устройстве формирования первой и второй поднесущих частот 21 и поступают на модулирующие входы оптических модуляторов 16 и 17. Такой вид модуляции свойственен модуляторам, формирующим сигнал одной боковой полосы частот. В оптическом диапазоне излучение одной боковой полосы частот может быть получено с помощью электрооптического модулятора или акустооптического модулятора, при модуляции оптического излучения ƒ_нес, гармоническим сигналом с частотами ƒ_1мод и ƒ_2мод. Частоты оптического излучения, формируемые управляемыми оптическими модуляторами 16 и 17 и поступающие с их выходов в чувствительные элементы 15 и 16 равны:

ƒ_1опт=ƒ_нес±ƒ_1мод,

ƒ_2опт=ƒ_нес±ƒ_2мод,

где в приведенных выражениях знак (±) может быть только плюс (+) или только минус (-). На практике сдвиг частоты ƒ_нес в сторону увеличения или в сторону уменьшения зависит от конкретной реализации модулятора, далее, для определенности, будем полагать, что модуляторы 16 и 17 идентичны и сдвигают значение ƒ_нес в сторону увеличения (в общем случае выбор знака может быть любым и модуляторы могут отличаться друг от друга), то есть:

ƒ_1опт=ƒ_нес±ƒ_1мод,

ƒ_2опт=ƒ_нес±ƒ_2мод.

Сформированные таким образом оптические излучения с частотами ƒ_1опт и ƒ_2опт поступают на входы соответствующих промежуточных сплиттеров 18 и 19, а с их первых выходов на входы выходного сплиттера 20 интерферометра Маха-Цендера, с выхода которого оптическое излучение, содержащее частоты ƒ_1опт и ƒ_2опт, по оптическому волокну чувствительного элемента 13 поступает на вход фотодетектора проходящего оптического сигнала 9 (фотодетектор «Маха-Цендера»). Оптические излучения на частотах ƒ_1опт и ƒ_2опт, со вторых выходов сплиттеров 18 и 19 через входы соответствующих циркуляторов 14 и 15 и их входы/выходы возвращаются в оптические волокна 11 и 12 чувствительного элемента. Для определенности будем считать, что в оптическое волокно 11 поступает оптическое излучение на частоте ƒ_1опт, а в оптическое волокно 12 оптическое излучение поступает на частоте ƒ_1опт. Оптические сигналы с частотами ƒ_1опт и ƒ_2опт объединяются во входном сплиттере 10 и с его выхода поступают в фотодетектор отраженного оптического сигнала 8 (фотодетектор «Майкельсона»), в электрическом сигнале которого возникают биения частот ƒ_1опт и ƒ_2опт. Наличие усилителей оптического сигнала 22, 23 и 26 служит для выравнивания уровней отраженных и проходящих сигналов и не является обязательным. Из сигналов биений оптических частот ƒ_1опт и ƒ_2опт на выходе фотодетектора отраженного оптического сигнала 8 и на выходе фотодетектора проходящего оптического сигнала 9 полосовым фильтром отраженного оптического сигнала 6 и полосовым фильтром проходящего оптического сигнала 5 выделяются сигналы разностных частот оптического излучения. Для «спокойного» чувствительного элемента (внешние виброакустические воздействия отсутствуют), частота колебаний (разностная частота биений оптических частот) на выходах полосового фильтра отраженного оптического сигнала 8 и полосового фильтра проходящего оптического сигнала 9 равна значению разностной частоты поднесущих частот ƒ_1мод и ƒ_2мод, формируемых устройством формирования первой и второй поднесущих частот 21. Полосовые фильтры 5 и 6 могут быть активными, то есть могут осуществлять не только селекцию, но и усиление электрических сигналов при необходимости регулируемое. Электрические сигналы с выходов полосовых фильтров поступают на входы соответствующих синхронных детекторов (3 и 4). На вторые входы синхронных детекторов 3 и 4 поступают сигналы опорных частот с выходов блока автоподстройки разностных частот модулирующих частот 1. Поскольку первый оптический модулятор 16 и второй оптический модулятор 17 могут быть удалены друг от друга на значительные расстояния и выполняться в виде устройства с автономным устройством формирования первой и второй поднесущих частот 21. Блок автоподстройки разностных частот модулирующих частот 1 формирует на опорных входах каждого синхронного детектора 3 и 4 совпадающие по частоте и фазе с входными сигналами разностных частот опорные колебания. При отсутствии виброакустического воздействия на чувствительный элемент на выходах синхронных детекторов присутствуют шумовые сигналы, вызванные, в основном, собственными шумами оптического тракта. При наличии виброакустического воздействия, например, в месте акустического воздействия 25, характер сигнала в этом месте отличен от шумовых сигналов. Сигналы с обоих синхронных детекторов поступают в блок обработки и управления 2, где оцифровываются и подвергаются дальнейшей обработке. Блок обработки и управления 2 связан с блоком автоподстройки разностных частот модулирующих частот 1 и обеспечивает согласованную работу устройства в целом. Помимо вычислительных функций, блок обработки и управления 2 осуществляет синхронизацию работы рассмотренных выше устройств и блоков и обеспечивает с помощью интерфейса ввода/вывода 24, при необходимости, связь с внешним вычислительным устройством, обеспечивающим функции накопления, хранения, распознавания характера воздействия, например, на основе алгоритмов машинного обучения, применяемых в устройстве, принятом в качестве аналога. Функционально блок обработки и управления 2 может быть реализован на программируемых логических матрицах, его структура в рамках настоящего изобретения не рассматривается, так как не является предметом настоящего изобретения. Варианты построения подобных блоков обработки рассмотрены в устройстве, принятом за прототип.В случае обнаружения виброакустического воздействия на выходе интерферометра Маха-Цендера, а именно появление сигнала, вызванного виброакустическим воздействием 25 на выходе синхронного детектора 4, запускается алгоритм вычисления положения данного события. Алгоритм основан на вычислении разности фаз сигнала, вызванного виброакустическим воздействием 25 (времени прохождения этих сигналов в интерферометрах Майкельсона и Маха-Цендера). На Фиг. 1 показано, что за время Ti излучение пройдет от точки 25 до фото детектора отраженного оптического сигнала 8 (фотодетектора Майкельсона), а за время Т₂+Т₁+Т₂ излучение пройдет от точки 25 до модуляторов оптического излучения 16 и 17 и после переноса на другие частоты оптического излучения вернется (отразиться) в чувствительный элемент и далее в фото детектор Майкельсона 8. На Фиг. 1 условно показана длина чувствительной части оптических волокон (выделена толстой линией), образующих в сочетании со сплиттерами, циркуляторами и модуляторами распределенный волоконно-оптический датчик. Методика вычисления места виброакустического воздействия здесь не рассматривается, поскольку совпадает с прототипом, подробно рассмотрена в описании прототипа и не является предметом настоящего изобретения. Выделение виброакустического воздействия, его частоты и (или) спектра основано на свойстве сохранения спектра (частоты) модулирующего сигнала при его переносе на другую (несущую) частоту. В настоящем изобретении, как было показано выше, сформированные модулирующими устройствами 16 и 17 высококогерентные оптические колебания с частотами ƒ_1опт и ƒ_2опт поступают в соответствующие волокна (соответственно 11, 12 и 13) оптоволоконного чувствительного элемента. В рассматриваемом варианте оптическое волокно 11 выбрано в качестве волокна воспринимающего виброакустическое воздействие 25. В прототипе было показано, что выбор волокна, воспринимающего виброакустическое воздействие 24, является условным и на конечный результат не оказывает влияние, даже, если волокна 11 и 12 размещены в одном кабеле. В общем случае, в результате модуляции оптического излучения с несущей частотой ƒ_1опт виброакустическим воздействием 25 с полосой частот ΔΩ, результирующее оптическое колебание ƒ_рез содержит удвоенную полосу частот, равную 2ΔΩ на выходном конце чувствительного элемента 15, и может быть записано как:

ƒ_рез=ƒ_1опт±ΔΩ.

Такой спектральный состав характерен как для амплитудной модуляции, так и для угловой (частотной и фазовой при малых индексах модуляции) модуляции. Выше было показано, что оптическое излучение из волокон 11 и 12 через сплиттеры 18, 19, 20 и третий оптоволоконный чувствительный элемент 13 поступает на вход второго фотодетектора проходящего оптического сигнала 9 (детектора Маха-Цендера). С целью уменьшения влияния паразитных факторов на результат выделения искомого виброакустического воздействия, третий оптоволоконный чувствительный элемент 13 может быть оснащен защитной виброизоляцией. Из уровня техники известно, что электрический сигнал на выходе фотодетекторов 8 и 9 будет содержать комбинационные частоты и их гармоники. Полосовые фильтры 5 и 6 имеют полосу пропускания 2ΔΩ и на их выходах выделяется сигнал разностной частоты ƒ_Δ, равной:

ƒ_Δ=ƒ_рез-ƒ_2опт=ƒ_1опт±ΔΩ-ƒ_2опт=(ƒ_1опт-ƒ_2опт)±ΔΩ.

Из полученного выражения видно, что электрический сигнал содержит несущую частоту, равную (ƒ_1опт-ƒ_2опт) и две боковые полосы частот (±ΔΩ). На выходах синхронных детекторов 3 и 4 формируются электрические сигналы, поступающие в блок обработки и синхронизации 2, в котором после преобразования их в цифровой код фильтрации по массивам данных с интерферометра Маха-Цендера и с интерферометра Майкельсона вычисляются частоты виброакустического воздействия и их место, где это виброакустическое воздействие возникло. Следует обратить внимание, что непрерывное оптическое излучение, создаваемое источником лазерного излучения 7 при прохождении в прямом направлении в оптических волокнах 11 и 12 рассеивается и обратнорассеянное Рэлеевское излучение из оптических волокон 11 и 12 проходя через сплиттер 10 поступает в фотодетектор отраженного оптического сигнала 8, на выходе которого формируется сигнал, характеризующий спектр обратнорассеянного Рэлеевского излучения в плечах интерферометра Майкельсона на частоте источника лазерного излучения 7, равной ƒ_нес. Разностная частота для упомянутого сигнала обратного Рэлеевского рассеяния равна нулю на выходе фотодетектора отраженного оптического сигнала 8 и на его выходе присутствуют шумовые составляющие, вызванные природой случайного характера сигналов обратного рассеяния Рэлея. Принято считать, что в результате такого преобразования спектр этого сигнала перенесен на «нулевую» частоту. Поскольку в заявляемом устройстве на выходе фото детектора отраженного оптического сигнала 8 установлен полосовой фильтр 5, настроенный на разностную частоту частот модуляции, то спектр частот сигналов обратнорассеянного Рэлеевского излучения и спектр частот искомого сигнала виброакустического воздействия разнесены по частоте. Также анализируемый проходящий сигнал интерферометра Маха-Цендера сформирован на разностной частоте модуляции. Техническая реализация отдельных элементов устройства для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, в частности блока обработки и синхронизации 2, может осуществляться различным образом. Например, несколько вариантов на уровне функциональных схем подробно рассмотрены в материалах патента, принятого нами за прототип, и в рамках настоящего изобретения их реализация (например, реализация блока обработки и синхронизации 2) не рассматривается, поскольку не является предметом настоящего изобретения.

Для подтверждения промышленной применимости и достижения технического результата заявленного устройства для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, представленного функциональной схемой, проведена апробация заявленного устройства на аппаратно-программном макете заявленного устройства. В макете в качестве источника оптического излучения была апробирована возможность применения телекоммуникационного лазера, ITLA PurePhotonics PPLC200 с колебаниями центральной длины волны (амплитудой 10-100 МГц/с) и Лоренцевой ширины линии порядка 10 кГц. В качестве управляемых модуляторов 16 и 17, осуществляющих перенос частоты оптического излучения лазера был применен акустооптический модулятор типа - CSRayzer АОМ-1550-80-05-A-C1-SMF28e-1-1-1-FA. Частоты модуляции управляемых модуляторов 16 и 17 соответственно равны 79.5 МГц и 80.5 МГц. Генератор частот (устройство формирования первой и второй поднесущих частот 21) сделан на базе микросхемы Si5347A-D-GM и фильтра Mini-Curcuits RBP-75+. Фотодетектор отраженного оптического сигнала 8 и фотодетектор проходящего оптического сигнала 9 реализованы фотоприемниках - JDS Uniphase ЕРМ 605 и микросхемах операционных усилителей ОРА655. Первый и второй синхронные детекторы 3 и 4 построены на основе микросхем аналоговых перемножителей типа AD835. Полосовой фильтр отраженного оптического сигнала 5 и полосовой фильтр проходящего оптического сигнала 6 построены на LC компонентах и операционных усилителях типа AD8066. Блок обработки и синхронизации 2 реализован на отладочной плате ПЛИС типа - - Arria 10 SOC Development Kit. Эксперимент проводился на чувствительном элементе длиной 1,9 км, состоящем из трех линий SMF волокна. В чувствительный элемент 11 был вмонтирован пьезомодулятор, позволяющий имитировать виброакустическое воздействие 25. Управление макетом осуществлялось компьютером, подключенным через интерфейс 24 к блоку обработки и синхронизации 2, с помощью специальных программ для ЭВМ (программы не являются предметом настоящего изобретения).

Примеры результатов программно-аппаратного моделирования сигналов откликов в интерферометрах Майкельсона и Маха-Цендера представлены на Фиг. 2: а) для решения по заявленному устройству и б) - для решения по прототипу. На изображениях фигур огибающая 27 виброакустического воздействия 25 условно показана штриховой линией, а результаты выделения виброакустического воздействия 25 в интерферометрах Майкельсона и Маха-Цендера обозначены соответственно позициями 28 и 29. В заявленном устройстве (Фиг. 2а) сигнал виброакустического воздействия 25 (огибающая 27 этого воздействия условно показана штриховой линией) уверенно выделяется в интерферометрах Майкельсона 28 и Маха-Цендера 29. В устройстве по прототипу как показано на Фиг. 26 в интерферометре Майкельсона постоянно присутствует сигнал, вызванный обратнорассеянным излучением Рэлея, которое искажает результат обработки 28 сигнала виброакустического воздействия 25 (огибающая этого воздействия 27 условно показана штриховой линией). Таким образом, эксперимент показал возможность уверенной регистрации виброакустического воздействия на чувствительный элемент и определение места воздействия. Особенность предложенного технического решения, в отличии от прототипа, заключается в применении двух различных частот оптического излучения, что позволило осуществить обработку сигналов виброакустического воздействия поступающих в плечи интерферометров Маха-Цендера и Майкельсона и осуществить качественное выделение сигнала искомого виброакустического воздействия на разностной частоте этих двух различных частот оптического излучения, что гарантирует достоверное определение как частоты, так и места искомого виброакустического воздействия.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема -низкое качество зондирующего сигнала - решена, а заявленный технический результат - повышение достоверности мониторинга за счет повышения качества зондирующего сигнала - достигнут.

Claims

1. Устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, содержащее функционально связанные источник лазерного излучения, двуплечий интерферометр Маха-Цендера с входным и выходным сплиттерами и встроенными в одноименные плечи первым и вторым оптоволоконными чувствительными элементами, соединенный с выходом выходного сплиттера третий оптоволоконный чувствительный элемент, фотодетекторы проходящего и отраженного оптических сигналов и блок обработки и управления, причем входной сплиттер выполнен с входом, двумя выходами, подключенными соответственно к первому и второму оптоволоконным чувствительным элементам, и третьим выходом отраженного оптического сигнала, выход источника лазерного излучения соединен с входом входного сплиттера, в каждое плечо интерферометра Маха-Цендера между соответствующим оптоволоконным чувствительным элементом и выходным сплиттером встроен промежуточный сплиттер с входом со стороны соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и двумя выходами, первый из которых является входом в выходной сплиттер, выход третьего оптоволоконного чувствительного элемента соединен с фотодетектором проходящего оптического сигнала, а выход отраженного оптического сигнала входного сплиттера соединен с фотодетектором отраженного оптического сигнала, отличающееся тем, что в каждое плечо упомянутого интерферометра Маха-Цендера между выходами соответствующего оптоволоконного чувствительного элемента и входом соответствующего промежуточного сплиттера последовательно включены оптический циркулятор и модулятор проходящего оптического сигнала, упомянутый интерферометр Маха-Цендера снабжен устройством формирования поднесущих частот, выходы которого подключены к соответвующим модулирующим входам упомянутых модуляторов проходящих оптических сигналов, а вторые выходы промежуточных сплиттеров оптически соединены с входами соответствующих циркуляторов, выходы фотодетекторов проходящего и отраженного оптических сигналов оснащены последовательно установленными полосовыми фильтрами разностных частот и синхронными детекторами выходных сигналов полосовых фильтров, блок обработки и управления оснащен блоком автоподстройки разностных частот модулирующих частот, выходы упомянутых полосовых фильтров дополнительно подключены к соответствующим входам упомянутого блока автоподстройки, соответствующие выходы упомянутого блока автоподстройки подключены к входам сигналов опорных частот синхронных детекторов, а выходы синхронных детекторов подключены к соответствующим входам блока обработки и управления.

2. Устройство для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов по п. 1, отличающееся тем, что третий оптоволоконный чувствительный элемент оснащен защитной виброизоляцией.