CC BY
13DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-254-255
ФАЗО-ЧАСТОТНАЯ КОГЕРЕНТНАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
*
Яцеев В.А. , Бутов О.В.
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва
E-mail: yatseev@gmail.com
Волоконно-оптические распределенные системы позволяют проводить измерения таких физических величин, как температуры, деформация вдоль многокилометровых длин оптоволоконных кабельных линий благодаря чему находят применение в различных областях измерительной техники: скважинный мониторинг [1], мониторинг трубопроводов [2], железнодорожного полотна [3], защиты периметра [4] и пр. В некоторых применениях необходимо лишь качественно зафиксировать факт воздействия на оптическое волокно, но в большинстве случаев необходимо количественное измерение физической величины.
В настоящей работе предложен фазо-частотный метод для проведения абсолютных измерений в оптическом волокне с искусственными слабыми отражателями [6]. В качестве слабых отражателей часто используются слабые брэгговские решетки [5]. В нашей работе в качестве таких отражателей предлагается использование искусственных дефектов без периодической структуры.
Отрезок оптического волокна с отражателем представлен на рис. 1.
L
^Ля р
S/2
•ч- -W
Рис. 1. Соотношение длины светового импульса S/2 и расстояния между отражателями L
Искусственные отражатели для нормализации отклика системы измерительной системой, были индуцированы в волокне с помощью фемтосекундной лазерной установкой. Дефект представлял собой поперечный штрих, записанный по диаметру сердцевины. Характерное расстояние между дефектами составляло L~10м.
Схема установки показана на рис. 2 и представляет собой классическую схему когерентного рефлектометра в которой в качестве источника излучения используется сканирующий по частоте лазер.
laser modulator EDFA
Рис. 2. Оптическая схема рефлектометра
Лазер медленно изменяет оптическую частоту по линейному закону, смещая лазерную линию генерации на 600 МГц. В оптоволокно с помощью модулятора посылаются короткие зондирующие импульсы с частотой несколько килогерц, оцифровка производилась при частоте 100 МГц.
С одного участка волокна, соответствующий расположению отражателей, получаем интерферометрический сигнал биений (см. рис. 3).
Рис. 3. Сигнал биений, наблюдаемый в процессе сканирования лазером по длинам волн
При изменении базы интерферометра (расстоянию между отражателями) наблюдаются два процесса: изменение частоты биений и сдвиг интерференционных полос.
Таким образом, для нулевых частот (статического случая) мы измеряли расстояние между отражателями в абсолютных значениях методом OFDR [7] по частоте биений, и проводили измерение относительных смещений с помощью фазовых методов OTDR [8]. Комбинируя результаты этих измерений, мы получили абсолютную величину наблюдаемых изменений в полном диапазоне частот.
Однако при интерферометрической базе в несколько метров и для малого диапазона перестройки частот лазера, частотный метод обладает погрешностью на несколько порядков превышающих фазовый метод. Для улучшения точности измерения абсолютных значений был предложен метод «умного» усреднения, при котором заданный разброс значений OFDR усредняется гладкой линией, полученной с помощью более точного, но не обеспечивающего абсолютную величину при измерении фазовым методом. Таким образом, уменьшается погрешности измерения и улучшается время отклика системы на внешние воздействия [9].
Литература
1. Daley T.M. et al, Alabama. Geophysical Prospecting, October, 64(5), pp. 1318-1334 (2015)
2. Tejedor J. et al, J. Lightwave Technol., 36, 1052-1062 (2018)
3. Peng F. et al, IEEE Photonics Technology Letters, 26(20), pp. 2055-2057 (2014)
4. Juarez J.C. et al, Journal of Lightwave Technology 23, pp. 2081-2087 (2005)
5. Stepanov K. V. et al, Sensors, 20 (22), 6431 (2020)
6. Yatseev V. et al, Results in Physics, 19, 103485, (2020)
7. Jingjing, X. et al, IEEE Photonics Journal, May, 11, n. 3 (2019)
8. Muanenda, Y., Journal of Sensors, 23, p 1(2018)
9. Yatseev V. et al, Proc. SPIE11772, Optical Sensors 2021, 1177215
