CC BY
11
8. Богачков И. В., Горлов Н. И. Поиск предаварийных участков в оптических волокнах с помощью рефлектометров // Вестник СибГУТИ. 2018. Вып. 3 (43). С. 34-44.
9. Богачков И. В., Горлов Н. И. Обнаружение механически напряженных участков оптических волокон в оптических кабелях с помощью бриллюэновских рефлектометров // Вестник СибГУТИ. 2019. Вып. 1 (45). С. 32-41.
10. Bogachkov I. V. Temperature Dependences of Mandelstam - Brillouin Backscatter Spectrum in Optical Fibers of Various Types // Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SINKHROINFO-2017). 2017. Р. 1-6.
11. Belal M., Newson T. P. Experimental examination of the variation of the spontaneous Brillouin power and frequency coefficients under the combined influence of temperature and strain // Journal of Lightwave Technology. 2012. Vol. 30, no. 8. P. 1250-1255.
12. Богачков И. В, Трухина А. И., Иниватов Д. П., Киреев А. П., Горлов Н. И. Классификация оптических волокон по профилю спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Т. 6, № 4. С. 96-100. DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-96-101.
13. Богачков И. В., Иниватов Д. П., Чобан А. Г. Программа для автоматического определения типа оптического волокна по бриллюэновской рефлектограмме: свидетельство о регистрации электронного ресурса № 23734 от 14.08.2018. М.: ОФЭРНиО, 2018.
14. Богачков И. В. Программа для классификации разновидностей оптических волокон по бриллюэнов-ским рефлектограммам: программа для ЭВМ. М. : ФИПС, 2019. № 2019610752 от 18.01.2019.
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
КЛАССИФИКАЦИЯ ФАКТОРОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ИЗМЕНЕНИЕ НАТЯЖЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН, НА ОСНОВАНИИ БРИЛЛЮЭНОВСКИХ РЕФЛЕКТОГРАММ
CLASSIFICATION OF THE FACTORS CAUSING THE CHANGE OF THE OPTICAL FIBER STRAIN ON THE BASIS OF BRILLOUIN REFLECTOGRAMS
И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. V. Bogachkov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе обсуждаются вопросы классификации факторов, вызывающих изменение удлинения оптических волокон, на основе анализа бриллюэновских рефлектограмм. Рассмотрены различия бриллюэновских рефлектограмм натяжения вдоль оптического световода при раздельных воздействиях: температурных и механических продольно растягивающих. Эталонные бриллюэновские ре-флектограммы для различных разновидностей оптических волокон из базы данных позволяют улучшить процесс классификации проблемных участков (участков оптических волокон с повышенным механическим натяжением или с измененной температурой) в оптическом световоде. Представленные в данном исследовании результаты позволяют на основании анализа бриллюэновских мультирефлекто-грамм выявлять фактор, который оказал преимущественное влияние на натяжение ОВ в исследуемых участках ОВ ВОЛС.
Ключевые слова: оптическое волокно, натяжение, температура, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, отраженный сигнал, бриллюэновский сдвиг частоты.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-184-191
I. Введение
Всестороннее развитие, обеспечение качественной и бесперебойной работы волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) требует совершенствования систем мониторинга и ранней диагностики для своевременного обнаружения неисправностей и проблемных участков в оптических волокнах (ОВ). Ранняя диагностика предполагает заблаговременное выявление участков ОВ, находящихся в проложенных оптических кабелях (ОК), которые с течением времени могут привести к разрушению ОВ и нарушению нормальной работы ВОСП [1-5].
Проблемными считаются участки ОВ с повышенным механическим натяжением, с измененной температурой и т. п. Повышенное натяжение ОВ (более 0.2% по данным фирм 'Тщ1кига" и "Согт^") в проложенных ОК влияет на долговечность ВОЛС. Вместо ожидаемых 25 лет она при данном натяжении снижается до 5 лет, а при натяжении порядка 1% составит менее года [1, 3, 4]. Температурные изменения в ОВ ВОЛС также могут сигнализировать о проблемах на трассе прокладки ОК (прорыв теплотрассы, трещины в защитных конструкциях, НСД и т. п.) [5-7]. Таким образом, в системе мониторинга ВОЛС необходимо осуществлять контроль физического состояния ОВ, в частности, механического натяжения.
Для ранней диагностики оптических волокон (ОВ), находящихся в проложенных оптических кабелях (ОК), могут быть использованы специализированные приборы - бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (БОИР - БОТОЯ) [1- 7]. БОИР позволяет обнаруживать участки ОВ с повышенным продольным натяжением и измененной температурой.
Обычные оптические импульсные рефлектометры, широко используемые в системах мониторинга ОВ, анализируют рассеяние Рэлея, и не предназначены для решения таких задач. Для анализа только температурных изменений применяются рамановские рефлектометры, в которых анализируется спектр рассеяния Ман-дельштама-Ландсберга.
В БОИР анализируется обратно отраженный сигнал, содержащий компоненты обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) [1-4].
В процессе получения картины распределения спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (СРМБ) вдоль ОВ (3О-БОИР рефлектограмма распределения СРМБ) определяется бриллюэновский сдвиг частоты (/В). После этого строится картина распределения натяжения вдоль ОВ [1-7]. После определение /В и удлинения (натяжения) ОВ возникает неопределенность в выявлении факторов, вызвавших изменение /В на исследуемом участке, поскольку /В зависит как от продольного натяжения ОВ [1-4], так и от температуры ОВ [5-10]. Хотя при появлении существенных изменений /В и удлинений ОВ явно проявляется потенциально проблемный участок ВОЛС, было бы желательно классифицировать, какой именно из этих факторов (продольное натяжение ОВ или изменение его температуры) является преобладающим.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
II. Теория
Профиль СРМБ вдоль световода определяется с помощью выделения разности частот изучения зондирующего лазера /) и частот спектра обратно рассеянного сигнала в приемной части. При длине волны (Ль) излучающего лазера 1.55 мкм разностные частоты (соответствующие СРМБ) занимают обычно полосу от 9.9 ГГц до 11.9 ГГц.
Принципиальным достоинством БОИР (по сравнению с другими приборами для определения натяжения в ОВ, такими как бриллюэновские оптические импульсные анализаторы - БОТОА) является то, что БОИР достаточно иметь доступ только к одному концу ОВ.
Связь смещения максимума СРМБ А/В и интенсивности антистоксовой волны А1 с изменениями модуля Юнга (натяжения) АЕе и температуры АТ может быть представлена в матричной форме:
А/в (АЕе, АТ)" 'С/ С} ~АЕе-
А1 (АЕе, АТ) С1 С] _ АТ
(1)
где С^, С}, С! и С} - коэффициенты связи для соответствующих параметров. Типичные значения данных коэффициентов для ОВ в.652 при нормальных условиях (при комнатной температуре и при отсутствии продольного натяжения) таковы: (величины, связанные с А/В) С/ = 48 кГц/це = 480 МГц/%, С} = 1.06 МГц/°С,
(величины, связанные с А1) ¿1 = -8.07-10-6/це = -0.0807/%, С} = 0.0033/°С [10].
Данные коэффициенты не являются взаимно независимыми. Существуют и другие значения и трактовки данных коэффициентов [8-9].
После получения картины распределения СРМБ определяются А/В и А1, после чего для определения АЕе и АТ необходимо произвести обращение матрицы.
АЕе(А/в, А1 ) 1 Га/
АТ (А/в, А1) С С] - С/С/| -С] С! А1
Бриллюэновский сдвиг частоты (/Б) связан с характеристиками среды распространения следующей фор-
мулой:
fB (ES,T) = Ъ^УАэфф (Es,т)пэфф /с = Ъ<Аэфф (E)Пэфф / ^.
(3)
где vAэфф (Б^ T ) - скорость гиперакустической волны, зависящая от температуры, натяжения и структуры сердечника ОВ, а пэфф - эффективный показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме [4-7]. Также связь определяется формулой
f (E, т) = /в0+cf (e - es0 )+с} (т - т0),
(4)
где 0-индексы соответствуют нормальным условиям - комнатной температуре и отсутствию продольных растягивающих сил [4-6].
Зондирование ОВ короткими импульсами позволяет определить распределение СРМБ вдоль световода. После анализа картины распределения СРМБ в ОВ определяется fB (Es T ) (значения максимумов СРМБ) вдоль ОВ, что затем позволяет определить степень натяжения всех участков световода и обнаружить местоположение распределенных нерегулярностей в нем.
Как уже отмечалось выше, при анализе fB по бриллюэновским рефлектограммам возникает неопределенность в выявлении факторов, вызвавших изменение fB на исследуемом участке, так как fB зависит одновременно и от продольного натяжения ОВ, и от температуры ОВ [1-7]. Поэтому полезным для ранней диагностики ОВ является выявление фактора, который именно вызвал смещение fB в исследуемом ОВ. Это позволит оценить реальную степень опасности фактора (кратковременную и долговременную) для ОВ ВОЛС.
III. Анализ экспериментальных бриллюэновских рефлектограмм при различных воздействиях
Проанализируем влияние различных дестабилизирующих факторов на бриллюэновские рефлектограм-мы. На рисунках 1-3 приведены мультирефлектограммы БОИР при воздействии на ОВ существенных продольных растягивающих сил. На каждой мультирефлектограмме представлены зависимости по длине световода натяжения (Strain), профиля СРМБ на выбранной продольной координате, ширины СРМБ и уровня обратно отраженного сигнала (Loss [3, 4].
На рис. 1 показана мультирефлектограмма БОИР при неравномерном воздействии на ОВ продольной силы в 6 Н [4].
Рис. 1. Мультирефлектограмма вдоль световода в.652 при неравномерной продольной растягивающей силе участков в 6 Н
Изменения на графике натяжения (отмечены сплошными стрелками) уже обсуждалось ранее [4]. Важно отметить, что на графике потерь наблюдается уменьшение интенсивности обратно отражённого сигнала РМБ (отмечены штриховыми стрелками).
На рис. 2 представлена аналогичная мультирефлектограмма БОИР при максимально равномерном воздействии на ОВ той же продольной растягивающей силы (6 Н).
Рис. 2. Мультирефлектограмма вдоль световода в.652 при равномерной продольной растягивающей силе участков в 6 Н
Изменения на графике натяжения стали существенно более четкие [4], при этом на графике потерь интенсивность обратно отраженного сигнала РМБ практически не изменяется (коэффициент С! мало отличается от нуля).
На рис. 3 приведена мультирефлектограмма БОИР при равномерном воздействии на ОВ продольной растягивающей силы более 10 Н [4].
Рис. 3. Мультирефлектограмма вдоль световода в.652 при продольной растягивающей силе участков более 10 Н
При заметных изменениях на графике натяжения (более 1% [4]) в напряженном месте на графике потерь интенсивность обратно отраженного сигнала РМБ незначительно уменьшилась (примерно на 0.3 дБ, что примерно соответствует значению С!). Таким образом, при продольном растяжении ОВ во всех экспериментах [14] на графиках интенсивности обратно отраженного сигнала СРМБ наблюдались либо снижение интенсивности, либо в идеальном случае - невозрастающий график.
При появлении даже небольших поперечных воздействий, связанных с неравномерным приложением растягивающей нагрузки, наблюдается заметное снижение интенсивности отраженного сигнала СРМБ. Для сравнения, на рисунках 4 и 5 представляют мультирефлектограммы БОИР при температурных воздействиях на световод [5-7], составленных из нескольких ОВ различных типов: G.652+LBL+LEAF+ULTRA (кроме обычного ОВ нормализующей катушки использованы OB-G.652 "Corning": LBL и ULTRA - ОВ с улучшенными характеристиками на изгиб, а также ОВ^.655 "Corning" - LEAF - ОВ с ненулевой смещенной дисперсией) [12].
На рис. 4 приведена мультирефлектограммы БОИР при нагреве участков световода до +90 °C.
L
S train
J
О . 1
»ь/l
LBL ULTRA I
1 А
t' G.652 л LEAF ж 1 ■ ......
В.S. Width
, • ■ ■ • J
kl
2 . О
ив/
Erillouin Spcctrun|
!
/во +25° К ■ ■ [/« С !+90oC ■
boss 1
--■— У -ж- I ■ ■
__a A i 1 l у У У j" * ■ V—Ir^-i
/ /
Distance: O. B627« km ¡Distance Seele: | O. 02 km/ frequency: |lO . BbOGHi Frequency Scaie:flQ2 MHz/ 1Э4 . LrlHz j^t lO. S554GHE vT 36. овала JB/
Range: 1km IOR : |1. 46BiO| P w. : lOns Ave . : 2 17 Res. : О. Ют Frequency Start: lO. 5 5 0GHZ Sample: 52/60 Stop : 11.140(iHz Sweep : ЮМН z —" (LBL +25 °C)
Рис. 4. Мультирефлектограмма вдоль световода при нагреве участков до +90 °C
Рис. 5. Мультирефлектограмма вдоль световода при охлаждении участков до -15 °C
Изменения на графике натяжения (отмечены сплошными толстыми стрелками) уже обсуждалось ранее [12] . Важно отметить, что на графике потерь наблюдается заметное увеличение интенсивности обратно отраженного сигнала РМБ (отмечены толстыми штрих-точечными стрелками). Тонкими штриховыми стрелками показаны участки, имеющие комнатную температуру. При комнатной температуре, кроме подъема уровня на начальном участке ОВ, легированного ионами эрбия (ЭОВ) [1, 12], повышение интенсивности отраженного сигнала РМБ могло наблюдаться только на явных отражательных событиях, таких как обрыв световода.
На рисунке 5 приведена аналогичная мультирефлектограммы при охлаждении тех же участков световода до -15 °С [12].
При достаточно заметных изменениях натяжения на охлажденных участках на графике потерь интенсивность обратно отраженного сигнала РМБ уменьшилась незначительно.
Результаты всех экспериментов с изменениями температуры для различных типов ОВ [12] данного световода сведены в таблицу.
ТАБЛИЦА
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ИЗМЕНЕНИЯМИ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОВ
Измеряемая характеристика G.652 LBL LEAF ULTRA
fB A, dB fB A, dB fB A, dB fB A, dB
/во, ГГц +25 °е 10.87 85.79 10.84 86.20 10.66 83.80 10.83 84.20
/в-, ГГц -12 °C 10.86 85.29 10.79 85.76 10.62 83.40 10.78 83.84
/в+, ГГц +50 °C 10.89 86.11 10.87 86.44 10.69 84.14 10.86 84.51
+60 °C 10.90 86.31 10.88 86.55 10.70 84.27 10.87 84.63
+75 °C 10.92 86.51 10.90 86.75 10.72 84.57 10.89 84.87
+90 °C 10.94 86.66 10.91 87.02 10.73 84.74 10.90 85.16
На рис. 6 приведены итоговые зависимости интенсивности обратно отраженного сигнала от температуры А (Т) для различных типов ОВ исследуемого световода. Результаты исследований показали, что изменения интенсивности обратно отраженного сигнала РМБ с ростом температуры в исследуемом диапазоне в среднем составила +0.013 дБ/ °С. В диапазоне температур от +50 °С до +90 °С удалось обеспечить большую стабильность температуры и большую точность измерений, и в нем данные изменения оказались для разных типов ОВ световода в пределах +0.014 ... +0.015 дБ/ °С.
87.
37 86
И 85
35| 84
84
83
A, dE 5
LBL _____ ---
____ e _ — ----- __— G.652
ULTRA ,------ r----- Л-
^. ^ ' . «■ ^ LEAF
___< ------- J...... ......" . ••■
s.. • • • 4 T, cc
33
-20 -10 О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 6. Зависимость интенсивности обратно отраженного сигнала от температуры
Следует отметить, что уже предпринимались попытки выделения влияния температуры на итоговую бриллюэновскую рефлектограмму на основе анализа рэлеевской рефлектограммы [2]. Аналогичные попытки при анализе комбинационного рассеяния в разделении температуры и натяжения были рассмотрены [13].
Т
Данные из источников [2, 10] приводятся для С] = 0.0033/ °С, что соответствует повышению мощности обратно отраженного сигнала РМБ сигнала 1.0033/°С, а это дает значение +0.0145 дБ/ °С.
Анализ мультирефлектограмм, полученных в других экспериментах [5-7] при изменениях температуры от -20 °С до +250 °С, также показал аналогичное увеличение интенсивности обратно отраженного сигнала РМБ с повышением температуры.
р =Р (/,;,)+ 1.003з(г = Р0 + 1.0033Ж или
Р (/°)[дБ] = Р (/,;,) [дБ] +1.0145[дБ/° с] /аГ. (5)
Хотя само появление натяжение порядка 0.2 % и выше уже является тревожным событием, которое требует дополнительного анализа, проверки целостности трассы прокладки ОК и устранения потенциально опасных факторов; для оператора связи не столь важно, что именно вызвало изменение натяжения: механические напряжения или температурные воздействия на ОК. Тем не менее выявление смещение /в и натяжения именно из-за температурных воздействий на ОК позволяет выделить изменения, внесенные именно температурой, и это дает возможность получить график распределения натяжения в световоде, которое было вызвано исключительно продольными растягивающими нагрузками.
Для реализации данного алгоритма, кроме определения /в (анализ СРМБ) и оценки его смещения относительно /в0, необходимо также регистрировать распределение уровня обратно отраженного сигнала РМБ вдоль световода. После анализа BOTDR-рефлектограммы и исключения явных отражательных событий (особенно эффективно это можно сделать при наличии рэлеевской рефлектограммы того же световода), таких как стыки различных ОВ, определяются участки ОВ с линейным возрастанием (повышение температуры ОВ) или уменьшением (охлаждение ОВ) мощности обратно отраженного сигнала РМБ вдоль световода.
Для упрощения анализа можно проводить оценку мощности обратно отраженного сигнала РМБ только на определенных участках световода, на которых было выявлено изменение натяжения ОВ вне стыковых участков.
Таким образом, из (4) и (5) можно выделить изменение температуры:
,о _ Р {ЩР (Го) _ р (Р[дБ]-Р (О[дБ] 0 1.0033 1.0145[дБГС] '
которое вызывает смещение /вт (относительно /в0 с учетом (4))
что позволяет с учетом (4) определить изменение/в и натяжения ОВ при фиксированной температуре:
/з (Е£) = Ло + с} (Ее-Еео)+/вт , (7)
Ее= Е£о + /з - /зое ~ /зт . (8)
С/
Несмотря на привлекательность данного алгоритма, есть определенные трудности с определением начальной температуры, так как даже при наличии специального измерителя температуры в приборе (например в [2] ), вдоль реального световода по различным причинам наблюдаются существенные флуктуации температуры [12, 14].
Упрощение определения потенциально опасных участков в ОВ может быть достигнуто при наличии опорных рефлектограмм. Это могут быть рэлеевские рефлектограммы исследуемых ОВ [2], характеристики РМБ из базы рефлектограмм [12, 14], опорные бриллюэновские рефлектограммы, полученные как на основе опорного канала с ОВ, находящимся при нормальных (фиксированных) условиях, так и на основе характеристик РМБ из базы данных бриллюэновских рефлектограмм [12, 14].
IV. Выводы и заключение
Представленные в данном исследовании результаты позволяют на основании анализа бриллюэновских мультирефлектограмм выявлять фактор, который оказал преимущественное влияние на натяжение ОВ в иссле-
дуемых участках ОВ ВОЛС. Это позволяет повысить эффективность ранней диагностики проблемных участков ОВ в ВОЛС.
При использовании fB0 из базы данных ОВ различных типов и производителей можно повысить скорость и эффективность измерений. Если, кроме изменения fB наблюдается также характерное изменение интенсивности обратно отраженного сигнала РМБ, то можно определить, какой именно фактор: изменение температуры или изменение продольного растягивающего воздействия вызвало это изменение fB .
После обнаружения участков с характерным изменением интенсивности обратно отраженного сигнала РМБ можно определить величину изменения температуры.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
Список литературы
1. Богачков И. В., Горлов Н. И. Поиск предаварийных участков в оптических волокнах с помощью рефлектометров // Вестник СибГУТИ. 2018. Вып. 3 (43). С. 34-44.
2. Viavi MTS/T-BERD 8000 - fiber sensing module DTSS module: user manual. Viavi Solutions. 94 p.
3. Богачков И. В. Экспериментальные исследования спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах при воздействии существенных растягивающих сил // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 4. С. 161-166.
4. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования влияния продольных растягивающих нагрузок на спектр бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах // Вестник СибГУТИ, 2015. Вып. 3 (31). С. 81-88.
5. Богачков И. В. Экспериментальные исследования температурных зависимостей спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах различных видов // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 4. С. 171-178.
6. Богачков И. В. Температурные зависимости спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптических волокнах различных типов // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2017. Т. 8, № 1. С. 8-11.
7. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования влияния температуры на спектр бриллюэновского рассеяния и характеристики оптических волокон // Вестник СибГУТИ, 2015. Вып. 4 (32). С. 3-12.
8. Horiguchi T., Kurashima T., Koyamada Y. Measurement of temperature and strain distribution by Brillouin frequency shift in silica optical fibers // Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors. 1992. Vol. 1797. P. 2-13.
9. Parker T., Farhadiroushan M., Handerek V., Rogers A. Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers // Optics letters. 1997. Vol. 26, no. 11. P. 787-789.
10. Belal M., Newson T. P. Experimental examination of the variation of the spontaneous Brillouin power and frequency coefficients under the combined influence of temperature and strain // Journal of Lightwave Technology. 2012. Vol. 30, no. 8. P. 1250-1255.
11. Bao X., Chen L. Recent Progress in Brillouin Scattering Based Fiber Sensors // Sensors. 2011. Vol. 11. P. 4152-4187.
12. Богачков И. В., Горлов Н. И. Изучение особенностей рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптических волокнах различных видов // Телекоммуникации. 2019. № 5. С. 21-29.
13. Горшков Б. Г., . Таранов М. А., Горшков Г. Б. Одновременное измерение температуры и механической деформации оптического волокна на основе регистрации спонтанного комбинационного рассеяния света // Оптическая рефлектометрия - 2018: сб. докладов Всерос. конф. Пермь, 2018. С. 21-23.
14. Bogachkov I. V. Research of the features of Mandelstam-Brillouin backscattering in optical fibers of various types // T-comm. 2019. Vol. 13, no. 1. P. 60-65.
