CC BY
8ВКВО-2023- ДАТЧИКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ОСНОВЕ ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА СО СЛАБООТРАЖАЮЩИМИ ВОЛОКОННЫМИ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЁТКАМИ
Гриценко Т.В. 1 , Жирнов А.А. х, Чернуцкий А.О. х, Хан Р.И. х, Степанов К.В. х,
1 12 12 1 Кошелев К.И. , Лопунов A.^ ' , Бутов О.В. ' , Пнев А.Б.
1МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва 2Институт радиотехники и электроники им. ВА.Котельникова РАН, г. Москва * E-mail: chobantv@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-286-287
Волоконно-оптические технологии в настоящее время развиваются очень бурными темпами. Постоянно возрастающие объёмы передаваемой информации создают стабильную потребность в увеличении пропускной способности волоконно-оптических линий связи и совершенствования компонентой базы и характеристик применяемых устройств. Особенно перспективной областью являются волоконно-оптические датчики, не требующие подведения электричества и обладающие сверхкомпактными габаритами сенсора, в связи с чем они применяются для решения различных задач мониторинга. Наиболее популярной системой такого типа на данный момент является фазочувствительный рефлектометр [1,2], однако в таких системах особое внимание необходимо уделять лазерным источникам и стабильности длины волны их излучения [3,4]. Осуществление непрерывного измерений длины волны в процессе работы системы позволит скомпенсировать нестабильность частоты источника излучения и повысить точность работы системы.
Для решения задачи контроля длины волны была разработана схема измерителя длины волны (ИДВ) на основе фазочувствительного рефлектометра, схема которой представлена на рисунке 1. Излучение анализируемого источника ИИ преобразуется в импульсное посредством акусто-оптического модулятора (АОМ) и затем постредством циркулятора направляется в установленную в термостате для стабилизации волоконную линию с нанесёнными специальным образом слабоотражающими волоконными брэгговскими решётками (СВБР): они составляют пары, причём от пары к паре расстояние между двумя решётками возрастает кратно постоянному множителю к.
Рис. 1: Схема измерителя длины волны на основе фазочувствительного рефлектометра с ВБР
Пары СВБР формируют, таким образом, массив интерферометрических датчиков, на основе опроса которого реализуется измерение длины волны. При изменении длины волны излучения источника, поступающего на датчики, на приёмнике излучения ПИ формируются интерференционные сигналы каждой пары СВБР с различными периодами, которые кодируют смещение длины волны источника. Для каждой пары СВБР, составляющих одну из измерительных баз интерферометра, результирующий сигнал без учёта аддитивного шума приёмной части (ПИ и АЦП) можно определить по формуле (1). Интерференционные сигналы можно объединить в трёхмерное изображение, на рисунке 2 показан пример изменения сигнала на выходе системы при линейном увеличении длины волны источника.
т = А cos р^1;^-70»), (1)
где I( t) - результат интерференции в относительных единицах в диапазоне значений от -1 до 1 в момент времени t, Li - расстояние между решётками в i-й паре, kT - температурный коэффициент
ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ
линейного расширения волокна, Т и Т0 - температура волокна в текущий момент времени и при калибровке соответственно, А - длина волны лазерного источника в текущий момент времени.
Расстояние между решётками в первой паре Ь1= Ттт задаётся таким, чтобы при изменении длины волны источника излучения на величину ДА, возникала разность фаз, Дф=2п, приводящая к изменению интерференционного сигнала в пределах одного периода, согласно формуле (2). Разрешение и динамический диапазон измерений определяется коэффициентом k возрастания расстояния между решётками в парах.
д2
Ттт = (2)
Определяя по пороговому уровню периоды каждого из интерференционных сигналов с пар СВБР, по полученной последовательности нулей и единиц (где единица соответствует превышению установленного порога), можно рассчитать отклонение длины волны от начального значения в каждый из моментов времени измерения.
Номер пэры EtP
Рис. 2: Пример сигнала, регистрируемого с пяти пар СВБР при изменении длины волны лазера
Предложенное устройство может лежать в основе ИДВ нового типа, обеспечивающего высокую точность измерений в сочетании с высокой скоростью опроса порядка единиц килогерц, недоступную для применяемых в настоящий момент приборов в силу ограничений, связанных с их конструкцией и принципом работы. Также описанное устройство может быть использовано в комбинации с фазочувствительным рефлектометром в качестве дополнительного канала, обеспечивающего компенсацию нестабильности длины волны лазера для повышения точности и надёжности обнаружения тревог при распределённом мониторинге протяжённых объектов.
Литература
1. Gorshkov B.G. et al. "Scientific Applications of distributed acoustic sensing: state-of-the-art review and perspective ", Sensors 2022, 22(3), 1033
2. Stepanov К. V. et al. "The Sensitivity Improvement Characterization of Distributed Strain Sensors Due to Weak Fiber Bragg Gratings, " Sensors 2020, 20 (22), 6431
3. Choban T. V. et al. Ф-OTDR based on tunable Yb-Er: phosphate-glass laser, Journal of Physics: Conference Series 2019, 1410(1), 012108
4. Choban T. V. et al. "Influence on wavelength stability of solid-state Yb,Er:phosphate glass laser", In Proceedings of the 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), St. Petersburg, Russia, 2-6 November 2020; p. 1
