21464

Анализ современного состояния техники ранней диагностики ВОЛП

Лекция

Физика

Очевидно что длины волн используемые для передачи данных и для рефлектометрического контроля волокна в этом случае должны быть разными. В этой точке устанавливается оптический коммутатор OTU который по очереди включает волокна всех направлений в оптический путь сигналов рефлектометра RTU. Другой подход предполагает одновременное распространение сигнала рефлектометра по всем ответвляющимся волокнам. Согласно данным фирмы Fujikur по степени опасности для волокна можно выделить три диапазона значений его относительного удлинения.

Русский

2013-08-02

706 KB

42 чел.

Лекция_№_16_Анализ современного состояния техники ранней диагностики ВОЛП

Высокие требования к надежности ВОЛП, обусловленные необходимостью удовлетворения существующих и перспективных потребностей в передаче информации, создают предпосылки к принятию усиленных мер по обеспечению безотказного функционирования всех компонентов, включая оборудование передачи данных, кроссовое и другое пассивное оборудование, а также сами волоконно-оптические кабели.

Как известно, своевременное проведение мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций, которые могут возникнуть в ближайшем будущем на каком-либо объекте, возможно только при наличии информации о состоянии этого объекта. Такая информация может представлять собой следующие категории данных:

  •  данные об опасных тенденциях изменения параметров объекта,
  •  данные о наличии факторов, указывающих на скорый выход объекта из строя.

Выявление тенденций изменения параметров можно осуществить лишь в том случае, если проводятся регулярные их измерения, причем обеспечение максимальной идентичности условий этих измерений в части основных влияющих факторов является принципиально важным для отслеживания малых изменений, происходящих на протяжении достаточно больших интервалов времени.

Проведение таких измерений на оптических трактах ВОЛП может быть реализовано посредством специальных систем мониторинга. Работая в автоматическом режиме, эти системы производят контроль состояния волокон при помощи рефлектометров, накопление полученных сведений в базах данных (БД), обработку этих данных с целью выявления изменений, отслеживание аварийных ситуаций и своевременное предоставление необходимой информации пользователям в максимально удобном для них виде. Следует отметить, что такие системы позволяют значительно упростить эксплуатацию ВОЛП и сделать ее более эффективной.

Основной частью системы мониторинга оптических кабелей является система дистанционного тестирования волокон (Remote Fiber Test System — RFTS). Архитектура RFTS показана на рисунке 1.

Основным функциональным узлом, содержащим оптические рефлектометры, является модуль дистанционного тестирования (Remote Test Unit — RTU). Оптические коммутаторы (Optical Test Access Unit — OTAU) предназначены для подключения к рефлектометру одного из тестируемых по очереди оптических волокон. OTAU могут входить в состав RTU, либо представлять собой самостоятельное устройство, устанавливаемое в любом необходимом месте сети. Посредством каналов связи RTU соединены с сервером, называемым TSC (Test System Controller). Это компьютер, на котором установлено программное обеспечение для управления RTU, сбора данных, их обработки и хранения, а также для некоторых других целей. Рабочие станции — ONT (Optical Network Terminal) также соединены с TSC при помощи каналов связи (локальной сети).

Следует заметить, что RFTS является лишь одним из компонентов системы мониторинга, в котором, однако, сосредоточены все аппаратные средства. Другие компоненты — чисто программные. К ним относятся геоинформационная система (ГИС), базы данных (БД) с соответствующим программным обеспечением, а также ряд вспомогательных компонентов. ГИС необходима для того, чтобы указывать местонахождение неисправности на географической карте.

Тестирование кабельной сети может быть организовано с применением как пассивных (не использующихся для передачи данных) волокон (рисунок 2), так и активных — участвующих в передаче полезной нагрузки системы связи (рисунок 3) [1]. Первый из указанных методов, по некоторым данным [1], позволяет обнаружить до 90% неисправностей кабелей. Второй дает более достоверную информацию, но предполагает включение в оптический тракт дополнительных компонентов — оптических мультиплексоров и фильтров, назначение которых состоит в разделении сигналов аппаратуры передачи данных и рефлектометра с целью исключения мешающих воздействий. Очевидно, что длины волн, используемые для передачи данных и для рефлектометрического контроля волокна, в этом случае должны быть разными. Необходимо отметить, что именно второй из упомянутых методов является наиболее подходящим для целей ранней диагностики неисправностей оптических волокон.

Существует два способа мониторинга разветвленных сетей. Первый из них основан на поочередном тестировании волокон каждого направления, начиная с точки разветвления. В этой точке устанавливается оптический коммутатор (OTAU), который по очереди включает волокна всех направлений в оптический путь сигналов рефлектометра RTU.

Другой подход предполагает одновременное распространение сигнала рефлектометра по всем ответвляющимся волокнам. В таком случае для идентификации отраженных или рассеянных сигналов, соответствующих каждому ответвлению, необходимы специальные методы обработки рефлектограмм.

Кроме рефлектометров, в состав RTU могут входить и другие измерительные приборы. Например, в случае, если RFTS используется на сети связи с волновым уплотнением, целесообразно включение в состав RTU оптического анализатора спектра (OSA).

В настоящее время на мировом рынке контрольно-измерительного оборудования имеется достаточно много систем RFTS. В [2] приведена сравнительная таблица технических характеристик четырех таких систем, которые представлены на российском рынке.

Рассматривая RFTS, необходимо отметить, что при всей их неоспоримой полезности для эффективной эксплуатации ВОЛП, эти системы не могут рассматриваться как полноценное средство ранней диагностики по причинам, о которых будет рассказано далее.

Основным фактором, свидетельствующим о приближающейся аварийной ситуации, является наличие приложенного к волокну механического растягивающего усилия, которое превышает предельно допустимую величину. Согласно данным фирмы Fujikura, по степени опасности для волокна можно выделить три диапазона значений его относительного удлинения. Значения, находящиеся в диапазоне от нуля до 0,3 % можно считать безопасными — при таких значениях срок безотказной работы волокна составляет 25 лет и более. В случае, если относительное удлинение превышает 0,6 %, разрыв волокна может произойти в течение одного года эксплуатации. Диапазон от 0,3 до 0,6 % представляет собой переходную область и требует дополнительного анализа в каждом конкретном случае. Таким образом, для выявления повреждений оптического кабеля на ранних стадиях их возникновения, необходимо иметь информацию о натяжении оптического волокна и о распределении этого натяжения по длине кабеля.

Получение и анализ указанной информации должны производиться на всех этапах жизненного цикла волоконно-оптического кабеля — и при его изготовлении, и при укладывании на трассе ВОЛП, и в процессе эксплуатации. В последнем случае такая необходимость вызвана возможным воздействием на кабель различных неблагоприятных факторов — например, перемещений грунта (для подземных кабелей), или обледенения (для кабелей, подвешиваемых на опорах).

Испытания оптических кабелей на устойчивость к растягивающим усилиям в условиях предприятий-изготовителей производится с применением установки, содержащей два барабана большого диаметра, на которых фиксируется кабель [3]. Один из этих барабанов установлен неподвижно, а другой имеет возможность перемещения при помощи силового гидравлического устройства, за счет чего создается натяжение испытываемого кабеля. Волокна кабеля при испытаниях могут свариваться последовательно.

Для обнаружения натяжения стандартом МЭК 60794-1 предусмотрены две методики, одна из которых предполагает контроль затухания, вносимого волокном, а вторая — измерение фазового набега, вызванного увеличением длины оптического пути при растяжении волокна. Оба метода можно назвать интегральными — то есть они дают средний результат для волокна в целом. При помощи них невозможно локализовать участки, имеющие повышенное натяжение. Имея в виду описанную выше конструкцию испытательного стенда, следует отметить, что распределение натяжения по длине волокна в процессе испытаний является неравномерным и на некоторых участках может значительно превышать предельно допустимое. К тому же, упомянутые методы не дают абсолютного значения относительного удлинения.

От перечисленных недостатков свободен метод бриллюэновской рефлектометрии, представляющий собой разновидность рефлектометрического способа исследования оптических волокон, отличительной особенностью которой является использование явлений спонтанного и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

В отличие от рэлеевского рассеяния, имеющего место на неподвижных неоднородностях показателя преломления материала волокна, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (далее также бриллюэновское рассеяние) происходит на движущихся неоднородностях, которыми являются гиперзвуковые волны (фононы), всегда существующие в термодинамически равновесной среде при температуре, превышающей абсолютный нуль. Поскольку неоднородности движутся в разных направлениях, рассеянное излучение имеет доплеровский частотный сдвиг ±∆fБ. Таким образом, спектр рассеянного излучения содержит рэлеевскую составляющую с частотой f, равной частоте падающего излучения, и две бриллюэновские составляющие с частотами f — ∆fБ и f + ∆fБ (соответственно, стоксовая и антистоксовая). Описанное рассеяние называется спонтанным.

Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) является нелинейным оптическим эффектом и происходит в случае превышения мощностью оптического излучения некоторого порогового значения. Структурная схема эффекта ВРМБ приведена на рисунке 4 [4].

Гиперзвуковые волны (фононы), обусловленные тепловым движением молекул вещества, вызывают спонтанное бриллюэновское рассеяние, в результате которого появляются стоксовая и антистоксовая спектральные составляющие. Рассеянное таким образом излучение интерферирует с падающим светом, вследствие чего образуются движущиеся с некоторой скоростью области с повышенной напряженностью электрического поля. За счет эффекта электрострикции в веществе появляются области сжатия, пространственное распределение которого соответствует распределению электрического поля. Так формируется акустическая волна, увеличивающая рассеяние света. Возникает положительная обратная связь, благодаря действию которой может быть получен достаточно интенсивный рассеянный свет с иным, чем у исходного излучения, спектральным составом [4].

Скорость звука в материале оптического волокна зависит он натяжения волокна и от его температуры. При относительном удлинении волокна порядка одного процента, изменение сдвига частоты ∆fБ приблизительно равно 500 МГц [5] (в отсутствии натяжения бриллюэновский частотный сдвиг ∆fБ находится в пределах от 10,5 до 11 ГГц, в зависимости от типа волокна [6]). Установлено также, что наклон температурной зависимости бриллюэновского сдвига для стандартных телекоммуникационных волокон G.652 в спектральном диапазоне вблизи 1,55 мкм составляет 0,927 МГц/градус Цельсия [6].

Таким образом, измеряя значение частотного сдвига ∆fБ, можно определить абсолютное значение натяжения оптического волокна (температурные изменения, как показано выше, вносят достаточно малую погрешность). Сочетание рассмотренного метода с методом импульсной рефлектометрии дает возможность получить распределение натяжения волокна по его длине.

Существует два типа приборов для бриллюэновской рефлектометрии — рефлектометры (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer — BOTDR) и анализаторы (Brillouin Optical Time Domain Analyzer — BOTDA). Принцип действия бриллюэновских анализаторов основан на явлении ВРМБ. Дополнительный оптический сигнал, вводимый в исследуемое волокно, усиливается при совпадении его частоты с частотой стоксовой линии бриллюэновского спектра.

Возможный вариант схемы такого прибора изображен на рисунке 5 [7].

Прибор имеет два лазера. Один из них используется в системе формирования волновых пакетов накачки. Его излучение с частотой f поступает на вход акустооптического модулятора (АОМ), посредством которого частота сдвигается на величину ∆f. Далее следует электроабсорбционный модулятор (ЭАМ), формирующий короткие волновые пакеты, которые проходят через фарадеевский вращатель и после усилителя (EDFA) подаются в исследуемое волокно.

Коэффициент бриллюэновского усиления зависит от того, насколько точно совпадают плоскости поляризации излучений усиливаемого сигнала и накачки, тогда как состояние поляризации оптического излучения в волокне может, в общем случае, произвольным образом изменяться. Поэтому, для исключения влияния поляризационных эффектов на результаты измерений, устройство содержит фарадеевский вращатель, который периодически изменяет состояние поляризации излучения накачки.

В противоположном направлении в исследуемое волокно вводится непрерывное излучение второго лазера, имеющее частоту fC. Частотный сдвиг ∆f может изменяться таким образом, чтобы обеспечить совпадение частоты стоксовой линии бриллюэновского спектра с частотой fC. При этом f + ∆f — ∆fБ = fC. В случае выполнения указанного условия в том месте волокна, где находится волновой пакет накачки, происходит усиление сигнала второго лазера. Этот сигнал, через направленный ответвитель и фильтр, настроенный на частоту fC, подается на фотоприемник. Фильтр необходим для подавления мешающего сигнала рэлеевского рассеяния, с частотой f + ∆f.

В процессе измерения происходит получение серии рефлектограмм при различных значениях ∆f. Это значение последовательно изменяется с шагом, который приблизительно на порядок меньше, чем ширина линии бриллюэновского усиления (~30…50 МГц) [7]. Для каждого элементарного участка волокна определяется значение ∆f, соответствующее максимальной амплитуде отклика от этого участка. Распределение вдоль волокна ∆f соответствует распределению натяжения.

Необходимо отметить, что рассмотренный вариант схемы анализатора не является единственно возможным. Один из его недостатков заключается в наличии двух лазеров, нестабильность частоты каждого из которых влияет на точность измерения натяжения. Более удачное техническим решение, использованное в приборах Omnisens DITEST, предполагает применение одного лазера в качестве задающего оптического генератора. Для получения пробного сигнала с частотой fC его частота сдвигается на заданную величину, которая в процессе измерения изменяется с достаточно малым шагом [6].

Другой недостаток состоит в том, что для проведения измерений посредством прибора, подобного рассмотренному выше, необходим доступ к обоим концам волокна. Это создает определенные неудобства в случае применения такого анализатора с целью исследования проложенных кабелей ВОЛП. Следует также отметить, что современные анализаторы Omnisens DITEST позволяют проводить измерения и при одностороннем доступе к волокну, если на его дальнем конце создан режим отражения, но в этом случае существенно уменьшается дистанция измерений.

Второй тип прибора — бриллюэновский рефлектометр — использует спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Упрощенная схема одного из его вариантов показана на рисунке 6a [5]. Прибор содержит лазер, создающий излучение с частотой f, и сдвигатель частоты оптического сигнала, используемый также в качестве амплитудного модулятора для формирования волновых пакетов. Сдвиг частоты происходит на величину ∆f. Частота стоксовой спектральной линии равна f + ∆f — ∆fБ. В случае, если ∆fБ = ∆f, она оказывается равной f, и сигнал, соответствующий указанной составляющей спектра, выделяется на фотодетекторе методом когерентного приема.

Следует отметить, что использование когерентного приема теоретически позволяет повысить чувствительность до значения, обусловленного квантовым пределом. Реальное увеличение, по сравнению со схемой прямого детектирования, составляет 10…20 дБ. Это весьма существенно, поскольку уровень бриллюэновского рассеянного сигнала меньше уровня рэлеевского сигнала приблизительно на 14 дБ [7].

Процесс измерения аналогичен рассмотренному выше при описании бриллюэновского анализатора и состоит в получении серии рефлектограмм для различных значений ∆f с последующей обработкой данных и представлением их в удобной форме, в том числе — и в виде трехмерной рефлектограммы, которая имеет, помимо традиционных двух осей, также ось частотного сдвига (или натяжения).

В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 6a, построен прибор AQ8602 фирмы ANDO (Yokogawa). На рисунке 6b [7] показан несколько иной вариант схемы, содержащий узлы, которые были рассмотрены при описании бриллюэновского анализатора.

Упрощенная схема прибора AQ8603 показана на рисунке 7. Его отличительной особенностью является отсутствие преобразования оптической частоты в передающем тракте. Вместо этого, сигнал с частотой, равной бриллюэновскому частотному сдвигу ∆fБ, выделяется после смесителя гетеродинного приемника. Функцию первого (оптического) гетеродина выполняет тот же лазер, который используется для формирования волновых пакетов, посылаемых в волокно. После второго преобразования частоты сигнал переводится в цифровую форму представления и используется в процессе дальнейшей обработки.

Указанная в таблице максимальная длина волокна достигается в случае подключения к анализатору обоих его концов. Имеется возможность проведения измерений при одностороннем доступе к волокну, если на противоположном его конце создан режим отражения. В этом случае, однако, максимальная длина исследуемого волокна уменьшается до 15 км.

Для существенного увеличения расстояния от прибора до анализируемых участков волоконно-оптических кабелей предназначен ряд дополнительных модулей [11]:

  •  DRM-75-N — внешний измерительный модуль, располагаемый на расстоянии до 75 км от прибора, имеющий N измерительных оптических каналов (2 или 4), каждый из которых способен анализировать участок кабеля, длиной 25 км;
  •  DRR-75 — репитер, позволяющий увеличить расстояние от прибора до внешнего измерительного модуля на 75 км;
  •  DRRM-75-N — модуль, совмещающий функции репитера и внешнего измерителя.

Прибор предназначен для работы с одномодовым волокном. Он имеет встроенный оптический коммутатор, посредством которого организуются два измерительных канала. Вместе с тем, прибор совместим с двадцатиканальным внешним оптическим коммутатором SO-N, предлагаемым той же фирмой [12].

Рассматривая технические данные перечисленных приборов, можно заметить, что они не вполне соответствуют желаемым. Максимальная дистанция измерений не всегда позволяет охватить существующие участки волоконных линий — хотя длина 160 км кажется достаточной для большинства практических случаев, но если учесть перспективную возможность применения аналогичных измерителей в RFTS, то становится очевидным, что протяженности анализируемых волокон при этом могут существенно превысить указанное значение. Разрешающей способности, равной нескольким метрам, для анализа телекоммуникационных линий, в большинстве случаев, по-видимому, также достаточно. Однако, могут иметь место ситуации, когда такой прибор не обнаружит опасное натяжение волокна, локализованное на участке малой длины.

Бриллюэновская рефлектометрия оптических волокон применяется не только для ранней диагностики телекоммуникационных оптических кабелей, но также лежит в основе технологии распределенных датчиков, в которых оптическое волокно является чувствительным элементом. Такие датчики применяются для контроля ряда физических величин, в частности — температуры и механических воздействий (натяжения, различных усилий, деформаций и т.п.), и находят весьма широкое применение в различных сферах, причем во многих случаях необходима более высокая разрешающая способность. Поэтому, повышение разрешающей способности и увеличение дистанции измерений является актуальной технической задачей, над решением которой работают многие исследователи.

В настоящее время сформулирован и изучен ряд перспективных идей, позволяющих существенно улучшить некоторые параметры бриллюэновских измерителей. В частности, предложен метод бриллюэновского анализа частотной области [13] и метод корреляционной бриллюэновской рефлектометрии [13]. Совершенствуется и импульсный метод — предложена технология, характерной особенностью которой является использование «темных» оптических импульсов — то есть таких, на протяжении которых интенсивность излучения падает [14]. Рассмотрим эти методы.

Бриллюэновская рефлектометрия частотной области является разновидностью известного метода частотномодулированной непрерывноволновой рефлектометрии. Схема установки, в которой реализован данный метод, изображена на рисунке 8. Установка содержит два лазера, один из которых создает излучение накачки, а второй (зондирующий) — излучение на частоте стоксовой линии спектра бриллюэновского рассеяния. Излучение лазера накачки вводится в исследуемое волокно непосредственно. Излучение зондирующего лазера подается на вход электрооптического модулятора, выходной оптический сигнал которого, модулированный по амплитуде сигналом генератора качающейся частоты (ГКЧ) fm, пройдя через направленные ответвители, поступает в исследуемое волокно. Направленные ответвители позволяют подать на соответствующие фотодетекторы часть мощности зондирующего сигнала, а также сигнала накачки, приходящего из волокна, и промодулированного за счет эффекта ВРМБ.

Принцип обычного метода частотномодулированной непрерывноволновой рефлектометрии можно проиллюстрировать следующим примером. Допустим, в исследуемую линию (в данном случае — волокно) подается сигнал, частота которого изменяется по линейному закону. Доходя до исследуемой неоднородности и возвращаясь обратно к прибору, сигнал испытывает временную задержку, которая тем больше, чем дальше по волокну находится указанная неоднородность. Поскольку частота сигнала, формируемого прибором, линейно изменяется, то она будет отличаться то частоты ввернувшегося сигнала на величину, пропорциональную задержке и, следовательно, расстоянию до неоднородности. Если оба сигнала подать на смеситель, то можно выделить сигнал разностной частоты, спектр которого, по сути, представляет собой рефлектограмму исследуемого волокна.

Принципиальным отличием метода бриллюэновской рефлектометрии частотной области является то, что вместо отраженного или рассеянного оптического сигнала, вернувшегося из волокна, анализируется сигнал накачки, измененный в процессе взаимодействия с зондирующим излучением. Такое взаимодействие происходит в волокне в результате наличия эффекта ВРМБ. За счет него, излучение накачки оказывается промодулированным по амплитуде сигналом с частотой fm. В ходе измерения, для каждого значения этой частоты фиксируются переменные составляющие огибающих оптических сигналов зондирования и накачки — соответственно IS(L) и IP(L). В данной установке функции обработки передаваемого и принимаемого сигналов выполняет сетевой анализатор и блок обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

Амплитуда сигнала IP(L) зависит, в частности, от того, насколько точно соответствует частота сигнала зондирующего лазера частоте стоксовой спектральной линии, обусловленной действием сигнала накачки. Если шаг за шагом, последовательно изменять на небольшую величину частоту излучения одного из лазеров при снятии серии рефлектограмм, можно получить распределение натяжения (или температуры) вдоль оптического волокна.

Существенным преимуществом данного метода, по сравнению с методом импульсной рефлектометрии, является возможность использования узкополосного приемного тракта прибора. Это повышает отношение сигнал-шум и, как следствие, позволяет увеличить дистанцию измерений.

Другая особенность состоит в том, что для рассматриваемого метода не характерен компромисс между дистанцией измерений и разрешающей способностью, свойственный импульсной рефлектометрии, и являющийся следствием так называемого фундаментального предела OTDR [15]. Минимальное расстояние ∆z между двумя точками, которые можно наблюдать как раздельные, определяется следующей формулой [13]:


где с — скорость света в вакууме, n — показатель преломления сердцевины волокна, курсивное ƒ
m.max и ƒm.min — максимальная и минимальная частота модуляции соответственно.

К числу ограничивающих факторов относится отклонение закона изменения частоты сигнала ГКЧ от линейного, а также конечная длина когерентности этого сигнала (при отсутствии модуляции), фазовый шум. Нелинейность качания частоты и фазовые шумы уменьшают разрешающую способность. Кроме того, фазовые шумы и ограниченная длина когерентности снижают максимальную длину дистанции измерений.

Следует отметить, что для обоих рассмотренных вариантов метода бриллюэновской рефлектометрии — и временной, и частотной областей — характерен специфический фактор ограничения разрешающей способности, связанный с продолжительностью жизни фононов, который имеет значение порядка 10 нс. В данном случае он ограничивает полосу бриллюэновского усиления. Поэтому, разрешающая способность в лучшем случае равна приблизительно одному метру [13].

Преодолеть этот предел долгое время не удавалось, пока не был предложен корреляционный метод, позволяющий теоретически улучшить разрешающую способность до величины порядка 100 мкм. Метод представляет собой разновидность непрерывноволновой рефлектометрии, основанную на корреляции двух оптических сигналов — зондирующего излучения и стоксовой линии бриллюэновского рассеянного сигнала, созданного в результате действия излучения накачки.

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 9.

Установка содержит лазер с распределенной обратной связью (DFB), излучение которого модулируется по частоте сигналом генератора ВЧ. Частота этого сигнала, в свою очередь, также изменяется в процессе измерения. Излучение лазера через вентильный элемент и разветвитель подается на два электрооптических модулятора. Один из них (верхий на схеме), вместе с генератором СВЧ, образует преобразователь частоты, предназначеный для осуществления частотного сдвига зондирующего сигнала с целью обеспечения ее совпадения с частотой стоксовой спектральной линии бриллюэновского спектра. Зондирующий сигнал через вентильный элемент вводится в исследуемое волокно.

Другой модулятор, а также генератор стробирующих импульсов, волокно задержки, усилитель EDFA и вентильный элемент, образуют схему формирования излучения накачки, которое подается в исследуемое волокно с другой стороны, через циркулятор.

Параметр

AQ8602

AQ8603

Диапазон длин, км

10, 20, 40, 80, 160

1, 2, 5, 10, 20, 40, 80

Точность измерения длины, м

±(2,0 × 10-5 × длина волокна + 0,7)

±(2,0 × 10-5 × длина волокна (м) + 0,2 м
+ 2 × разрешений считывания)

Разрешение считывания
по горизонтальной оси (расстояние), см
по вертикальной оси (напряжение), %

5 0,001

5 0,0001

Диапазон измеряемых напряжений, %

3

от –1,5 до +1,5

Длительность импульса, нс

20

50

100

500

1000

10

20

50

100

200

Динамический диапазон, дБ

8

12

1

17

20

2

6

10

13

15

Измеряемая длина, км

25

45

55

65

80

7

20

30

50

55

Точность измерения напряжения, %

± 0,02

± 0,01

±0,004

±0,003

Число точек в рефлектограмме

5000 или 20000

Макс. 20 000

Число усреднений

от 212 до 224

от 210 до 224

Длина волны, нм

1550

1550

В таблице приведены некоторые характеристики приборов AQ8602[8] и AQ8603[9]

Необходимо отметить, что рассмотренный способ формирования излучений накачки и зондирования обеспечивает синхронную модуляцию их по частоте сигналом высокочастотного генератора. Поскольку мгновенные значения частот указанных излучений определяются соответствующим мгновенным значением напряжения сигнала генератора ВЧ, то для простоты имеет смысл рассматривать распространение сигнала этого генератора вдоль пути, образованного схемами формирования излучений накачки и зондирования, циркулятором и исследуемым волокном. Суммарная длина этого пути и частота сигнала генератора ВЧ удовлетворяют условию, при котором сигналы, распространяющиеся по разным ветвям, оказываются сфазированными в одной точке, расположенной в пределах длины исследуемого волокна. Принципиальную значимость в данной схеме имеет наличие волокна задержки. Длина его выбрана таким образом, чтобы при изменении частоты генератора ВЧ, точка фазирования перемещалась вдоль исследуемого волокна за счет разности фазовых набегов.

В точке фазирования, частоты оптических излучений в процессе модуляции изменяются синхронно и разность их постоянна. Подбором частоты генератора СВЧ эта разность может быть установлена равной значению бриллюэновского сдвига. В таком случае происходит усиление зондирующего излучения, которое через третье плечо циркулятора и фильтр подается на фотодетектор. В указанной точке имеет место корреляция стоксовой спектральной линии и зондирующего излучения. В других точках волокна разность частот не является постоянной и корреляция отсутствует. Таким образом, изменяя частоту сигнала генератора ВЧ, осуществляющего частотную модуляцию лазерного излучения, можно просканировать исследуемое волокно по всей длине. Изменение частоты сигнала генератора СВЧ при этом позволяет получить распределение величины бриллюэновского сдвига и, следовательно, — натяжения (или температуры) по длине волокна.

Описанный метод локализации называется методом синтеза оптической функции когерентности (synthesis of optical coherence function — SOCF) [16]. К числу его существенных преимуществ относится возможность произвольного доступа к различным участкам исследуемого волокна при измерениях. Значительным недостатком является ограниченная дистанция измерений при высокой разрешающей способности. Это связано с тем, что для улучшения разрешающей способности необходимо повышать частоту сигнала генератора ВЧ, тогда как в этом случае уменьшается расстояние между максимумами корреляции на протяжении пути сигнала по волокну и для обеспечения существования лишь единственного такого максимума на этом пути приходится уменьшать его длину. Таким образом, как и в случае OTDR, здесь имеет место компромисс между дистанцией измерения и разрешающей способностью. Например, при разрешающей способности 1 см максимальная длина волокна составляет лишь несколько метров [13]. Имеются, однако, сведения об использовании сигнала с гребенчатым спектром для синтеза оптической функции когерентности, что позволяет существенно увеличить дистанцию измерений с сохранением разрешающей способности [17]. Авторами работы [17], при измерении распределения коэффициента отражения с применением такого сигнала достигнуты пространственная разрешающая способность 5 см, динамический диапазон более 45 дБ, и время измерения 10 секунд одновременно.

Бриллюэновская рефлектометрия временной области также имеет потенциал развития. Выше уже был упомянут ограничивающий фактор, связанный со временем жизни фононов (10 нс). В существующих рефлектометрах и анализаторах временной области, формирующих короткий оптический волновой пакет, посылаемый в волокно, этот фактор препятствует уменьшению длины волнового пакета. Дело в том, что если его длительность становится меньше 10 нс, фононное поле не успевает достичь максимума, и это снижает мощность рассеянного бриллюэновского сигнала [14]. Кроме того, расширение спектра волнового пакета, при уменьшении его длительности, снижает точность определения центральной частоты спектра и, следовательно — бриллюэновского частотного сдвига.

Авторами работы [14] сообщается о новом подходе, позволяющем существенно улучшить разрешающую способность. Этот подход состоит в замене «светлого оптического импульса» «темным», то есть в замене короткого волнового пакета непрерывным излучением с коротким промежутком, в течение которого излучение отсутствует. В данном случае увеличивается время накачки волокна (она становится почти непрерывной), что снимает упомянутое ограничение на длину волнового пакета (оптического импульса).

Экспериментальная установка авторов работы [14] имела чувствительное волокно, длиной 80 м. Была получена разрешающая способность 50 мм при точности измерения натяжения 5 µε. Также, достигнута разрешающая способность 20 мм. Точность измерения натяжения при этом составила 20 µε.

Швейцарской фирмой Omnisens предлагается бриллюэновский анализатор DITEST STA R.
Его основные технические характеристики [10] даны в приведенной таблице.

Параметр

Значение

Диапазон длин, км

50

Пространственная разрешающая способность, м Типично:

от 0,5 до 20 (с шагом 0,1 м) 1 м при 20 км / 2 м при 30 км / 3 м при 50 км

Разрешение считывания по горизонтальной оси, м

0,1

Количество точек на шкале расстояний

100000

Динамический диапазон, дБ

10 (без влияния на технические характеристики); до 20 для расстояния до 6 км, с пространственным разрешением 1 м

Бриллюэновский частотный сдвиг

Температура

Натяжение

Разрешающая способность

0,1 МГц

0,1°C

2 µε

Диапазон

от 10 до 13 ГГц

от –273°C до 700°C(ограничено опти-ческим волокном)

от –3% (сжатие) до 3% (растяжение)

Время накопления

>10 секунд 1 ÷ 2 минуты (типично) 5 ÷ 10 минут для измерений с высоким разрешением

Следует отметить, что этой технологии (как, впрочем, и любой другой) также присущи определенные ограничения. Они касаются, в частности, максимальной длины волокна, при которой еще не возникает эффект ВРМБ. Авторами работы [14] был предложен метод подавления ВРМБ путем составления чувствительного волокна из участков с разными бриллюэновскими частотами. Показана возможность осуществления датчика с волокном, длиной 1000 м. Очевидно, однако, что в случае использования этой технологии для ранней диагностики ВОЛП такой подход не применим.

Анализируя описанные выше методы диагностики кабелей, необходимо отметить следующее. Методы регистрации натяжения оптических волокон, указанные в МЭК 60794-1, основаны на сопоставлении приложенного усилия и измеренных значений приращений затухания или фазового сдвига. В условиях применения этих методов к задачам мониторинга ВОЛП такое сопоставление произвести крайне затруднительно (или невозможно), а вывод о появлении натяжения можно сделать только в результате длительных наблюдений.

Длительные наблюдения изменений распределения затухания по длине волокна в условиях эксплуатации ВОЛП могут осуществляться при помощи систем RFTS. Сопоставление свежих рефлектограмм с более старыми позволяет делать определенные прогнозы неисправностей, вызываемых механическим напряжением волокон. Следует, однако, иметь в виду то, что с ростом натяжения волокна затухание изменяется незначительно. Изменения становятся заметными лишь на поздних стадиях развития разрушительного процесса. Поэтому такие прогнозы являются не вполне своевременными, а традиционный метод обратного рассеяния и основанные на нем существующие системы RFTS не могут рассматриваться как полноценное средство ранней диагностики ВОЛП. Применение традиционной оптической рефлектометрии в данном случае можно рассматривать как расширение возможностей упоминавшегося ранее метода измерения приращения затухания.

Подводя итог сказанному выше, можно привести следующую классификацию методов ранней диагностики ВОЛП (рисунок 10):

1. По виду контролируемых параметров:
a. Контроль натяжения оптического волокна;
b. Общий контроль состояния волокна и других компонентов оптического тракта (затухание, появление новых отражательных событий, коэффициенты отражения для известных отражательных событий).

2. По физическим явлениям, лежащим в основе метода:
a. Контроль приращения затухания;
b. Контроль фазового сдвига оптического сигнала;
c. Анализ рассеяния Мандельштама-Бриллюэна;

3. По способности к пространственной локализации проблемных участков оптического тракта:
a. Интегральные — дающие усредненные значения контролируемого параметра по всей длине волокна;
b. Рефлектометрические — позволяющие получить информацию о зависимости значения контролируемого параметра участка волокна от расстояния от него до начала волокна;

4. По количеству концов волокна, к которым необходим доступ для проведения измерений:
a. С односторонним доступом;
b. С двусторонним доступом;

5. По стадии существования оптических кабелей, на которой применяется соответствующий метод:
a. В процессе производства;
b. При строительстве ВОЛП;
c. При эксплуатации ВОЛП.

Очевидно, что при выборе методов следует, при прочих равных условиях, отдавать предпочтение наиболее информативным из них, а также тем, которые дают дополнительные возможности. Способность к пространственной локализации участков волокна, обладающих пониженной надежностью — одно из важнейших характеризующих качеств метода. Даже при стендовых испытаниях кабелей в лабораторных условиях эта способность является крайне желательной, поскольку относительное удлинение волокна на отдельных его участках может значительно превышать предельно допустимую величину и усредненное значение, получаемое с использованием методов, описанных в документе МЭК 60794-1. В этой связи особый интерес представляют рефлектометрические методы.

Учитывая то, что, как указывалось выше, практически единственным из таких методов, позволяющим измерить абсолютное натяжение оптического волокна, является метод бриллюэновской рефлектометрии, а также способность этого метода к обнаружению небольших натяжений волокна и возможность проведения измерений при одностороннем доступе к нему, можно отметить, что данный метод относится к числу наиболее предпочтительных для получения информации в целях прогнозирования неисправностей кабеля и при его производстве, и на всех стадиях последующего монтажа и эксплуатации ВОЛП.

Распространение этого метода, однако, в значительной мере сдерживается высокой стоимостью измерительного оборудования. Поэтому, одной из наиболее актуальных задач в области распространения технологий ранней диагностики оптических кабелей следует считать изыскание технических решений, способных сделать бриллюэновские рефлектометры и анализаторы более дешевыми.

Это, в частности, создаст предпосылки для включения их в состав RTU, что существенно расширило бы возможности RFTS, касающиеся выявления на ранних стадиях развития тех неисправностей оптических кабелей, которые связаны с наличием растягивающих усилий, приложенных к волокнам.

Возвращаясь к RFTS, необходимо также отметить следующее. Как уже говорилось, наиболее ценным в плане ранней диагностики кабелей представляется вариант конфигурации RFTS с контролем активных волокон. Поскольку, однако, такой контроль осуществляется не на той длине волны, на которой происходит передача данных системой связи, полученные рефлектограммы не вполне точно характеризуют влияние оптического тракта на сигнал трафика. В связи с этим, актуальна проблема перехода от рефлектограммы, полученной на одной длине волны, к рефлектограмме, соответствующей другой длине волны. Это представляет собой еще одну важную задачу.

В настоящее время проектный срок эксплуатации многих волоконно-оптических линий, построенных в восьмидесятых годах (25 лет), подходит к концу, и возникает вопрос о том, насколько значительным является запас их надежности. Необходима экспертная оценка состояния кабелей, исходные данные для которой могут быть получены, в частности, методом бриллюэновской рефлектометрии. Следует также отметить, что по истечении некоторого продолжительного периода безотказной эксплуатации технических объектов может иметь место возрастание частоты появления неисправностей. Поэтому, совершенствование и распространение технологий и методов ранней диагностики ВОЛП являются в настоящее время особенно актуальным, что формирует комплекс задач для весьма перспективного направления исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Некрасов С.Е. Система администрирования волоконно-оптических кабелей “ORION” (http://www.ruscable.ru/doc/analytic/print.html?p=/doc/analytic/statya-003.html)

2. http://www.teralink.ru/?do=ssol1&id=28

3. С.Г. Акопов, Н.А. Васильев, М.И. Поляков. Использование бриллюэновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на растяжение / LIGHTWAVE Russian Edition №1 2006, www.lightwave-russia.com

4. Н.Ю.Ситнов, Н.И.Горлов. Использование ВРМБ для генерации гетеродинного сигнала в бриллюэновском рефлектометре // Материалы X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 25–30 августа 2008 г. / В.К.Попков, А.С.Родионов (под редакцией) ; Новосибирск, 2008. С. 155-158.

5. Контроль надёжности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии / Фотон-Экспресс 14, декабрь 1998 г. // http://www.tkc.ru/foton/14/14-1.html

6. Определение мест утечки в трубопроводах с помощью системы DiTeSt.htm / http://www.lscom.ru/io_rtr2.html

7. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон — М.: ЛЕСАРарт. 2005. — 208 с., ил..

8. Бриллюэновский рефлектометр ANDO AQ8602 // http://www.tkc.ru/katalog/measure/aq8602.html

9. Yokogawa AQ8603 рефлектометр бриллюэновский // http://www.tkc.ru/item/26/

10. DITEST STA-R Series Fiber Optic Distributed Temperature & Strain Monitoring System // http://www.omnisens.ch/docs/1222954649_DT-DITEST-STA-R.pdf

11. DITEST-DR-SERIES Distance Range Extension and Remote Monitoring Modules for DITEST Fiber Optic Distributed Monitoring Systems // http://www.omnisens.ch/docs/1208282752_DT-DITEST-DR-ENG-01.pdf

12. DITEST-SO-N-SERIES — Multiple Channel Extension Module for Fiber Optic Distributed Monitoring // http://www.omnisens.ch/docs/1204645367_DT-SO-N-ENG-01.pdf

13. Aldo Minardo. Fiber-optic distributed strain/temperature sensors based on stimulated Brillouin scattering / http://www.dii.unina2.it/opto/publications/PhD_Thesis_Minardo.pdf

14. Anthony W. Brown, Bruce G. Colpitts, Kellie Brown. Dark-Pulse Brillouin Optical Time-Domain Sensor With 20-mm Spatial Resolution / Journal of Lightwave Technology, vol. 25, No. 1, January 2007

15. Jasenek J. Optical Time-Domain Reflectometry (OTDR) — conventional approach // The theory and application of the fiber optic sensors with spread parameters / THEIERE project No. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE http://www.eaeeie.org/theiere_bratislava/3.html

16. Kwang Yong Song, Kazuo Hotate. Distributed fiber strain sensor with 1-khz sampling rate based on brillouin optical correlation domain analysis / IEEE photonics technology letters, vol. 19, No. 23, December 1, 2007

17. He Zuyuan, Takahashi Hiroshi, Hotate Kazuo. Optical Coherence Domain Reflectometry Using Optical Frequency Comb / Technical report of IEICE. OFT 09135685 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 20090521 109 59 55-60 http://ci.nii.ac.jp/naid/110007160725/ en/

Н.Ю. Ситнов,
Н.И. Горлов

Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

 http://infosfera.sfo.ru/articles.php?cat_id=25&id=586

Изменение спектральной характеристики

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Доступ через катетер

Отражательного типа

Интенсивность СВЧ-излучения

Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла

Интенсивность отраженного света

Пучковое

Неразрушающий контроль

Антенного типа

Параметры высоковольтных импульсов

Излучение световода

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Длительность фронта до 10 нс

Антенного типа

Температура

Инфракрасное излучение

Интенсивность пропускаемого света

Инфракрасное

250...1200° С (точность ±1%)

Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента

Кольцевой интерферометр

Скорость вращения

Эффект Саньяка

Фаза световой волны

Одномодовое

>0,02 °/ч

Кольцевой интерферометр

Сила электрического тока

Эффект Фарадея

Фаза световой волны

Одномодовое

Волокно с сохранением поляризации

Интерферометр Маха-Цендера

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77269. Оболочки и межоболочечные пространства спинного мозга. Содержимое этих пространств. Фиксирующий аппарат спинного мозга 13.58 KB
  От латеральной части отходят ligment denticult во фронтальной плоскости в форме зубцов верхушки которых охватываются отростками паутинной оболочки и заканчиваются на внутренней поверхности твёрдой посередине между двумя СМН rchnoide mter spinlis – паутинная оболочка прозрачная плёнка переходит в паутинную оболочку головного мозга в области formen mgnum; на уровне SII сливается с мягкой оболочкой. Её отростки образуют влагалища для пронизывающих её корешков СМН и зубчатых связок. От боковой поверхности отходят отростки в виде рукавов для...
77270. Продолговатый мозг, его развитие, внешнее и внутреннее строение (ядра, проводники), артерии продолговатого мозга 385.3 KB
  Серое вещество: 4 группы ядер nuclei grcilis et cunetus; nuclei olive; nuclei formtion reticulris; ядра IXXII пар черепных нервов Черепные нервы продолговатого мозга: nn hypoglossus XII пара ccessories XI пара vgus X пара glossophryngeus IX пара.
77271. Мост, его развитие, внешнее и внутреннее строение (ядра и проводники). Артерии моста 147.51 KB
  Артерии моста. Внутреннее строение: На поперечном срезе можно выделить основание моста базилярную часть вентральную часть prs bsilris ventrlis; покрышку моста tegmentum pontis дорсальную часть prs dorslis и трапециевидное тело corpus trpezoideum Серое вещество: nuclei proprii pontis; nuclei formtion reticulris; nuclei nterior et posterior corporis trpezoideum; ядра VVIII пар черепных нервов. Черепные нервы моста – n. Белое вещество: В базальной части основании моста проходят: tr.
77272. Мозжечок, его развитие, внешнее и внутреннее строение. Связи мозжечка с др отделами центральной нервной системы. Артерии мозжечка 232.24 KB
  Части: Средняя vermis Боковые hemispheri Поверхности: Fcies superior cerebelli посередине продольное возвышение – vermis superior Fcies inferior cerebelli посередине продольное возвышение – vermis inferior продольное углубление долина мозжечка vllecul cerebelli. Дольки червя: lingul cerebelli lobulus centrlis monticulus culmen declive folium cerebelli tuber vermis pyrmis vermis uvul vermis nodulus. Дольки полушарий: lobulus qudrngulris lobulus semilunris superior et inferior lobulus grcilis lobulus biventer tonsill...
77273. Спинно-мозжечковые пути 14.9 KB
  spinocerebellris posterior Идет в составе нижних ножек мозжечка. Заканчиваются на нейронах коры нижней части червя мозжечка.spinocerebellris nterior Идет в составе верхних ножек мозжечка. Заканчиваются на нейронах коры верхней части червя мозжечка.
77274. Средний мозг, его развитие, внешнее и внутреннее строение (отделы, ядра, тракты, полость) 120.39 KB
  Внутреннее строение: Серое вещество: substnti nigr чёрное вещество Земмеринга разграничивает bsis pedunculi cerebri вентральнее и tegmentum mesencephli дорсальнее содержит серое и белое вещество ножек мозга nucleus ruber на нём заканчиваются tr. striorubrlis nucleus interpedunculris межножковое непарное на нём заканчивается tr. hbenulointerpedunculris – поводковомежножковый путь предположительно одно из звеньев эфферентного вегетативного пути substnti grise centrlis: nucl. trigemini V ядра III nucl.
77275. Промежуточный мозг, его развитие, классификация, отделы и полость. Стенки полости 445.42 KB
  Таламический мозг: Thlmus Epithlmus Metthlmus Внешнее строение таламуса – зрительного бугра: tuberculum nterius pulvinr задний конец подушка stri terminlis – терминальная полоска разделяет thlmus зрительный бугор – и хвостатое ядро nucleus cudtus stri medullris мозговая полоска проходит на границе верхней и медиальной поверхностей зрительного бугра sulcus hypothlmicus sulcus limitns пограничная борозда – граница между отделами промежуточного мозга dhesio interthlmic соединяет зрительные бугры tel choroide – сосудистая...
77276. САМОКАЛИБРУЮЩАЯСЯ МАСШТАБИРУЕМАЯ СИСТЕМА ВВОДА ТРЁХМЕРНЫХ ЖЕСТОВ 62.5 KB
  Традиционные методы калибровки оптических камер требуют больших усилий со стороны пользователей и больших вычислительных ресурсов. Описываемый метод может работать в системах включающих в себя различные типы камер. Ключевые слова: калибровка оптические камеры алгоритм SCLBLE SELFCLIBRTING 3DGESTURE INPUT SYSTEM . Поэтому нами была разработана собственная технология основанная на единственной вебкамере и обыкновенном фонарике который пользователь держит в руке.
77277. Веб-ориентированная среда поддержки удаленного рендеринга и онлайн-визуализации 28.5 KB
  Классический подход к высокопроизводительным вычислениям подразумевает пакетное исполнение параллельных программ. При этом в определенных случаях практически ценным оказывается наблюдение за состоянием считающейся задачи и возможность управления ей. В простейшем варианте это может быть вывод в лог-файл по ходу счета значений переменных программы. Более сложные случаи требуют наличия специальной системы онлайн-визуализации для наблюдения и управления задачей.