CC BY
19
военного и гражданского назначения. - Омск, 2007. -Ч.1. - С. 68-72.
5. Балакин П.Д. Предельные скорости движения МГМ в условиях естественных трасс по критерию энергоемкости подвески / Балакин П.Д. [и др.] // Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация и эксплуатация (Броня - 2006: материалы 3 межрегион. науч.-практ. конф.) - Омск, 2006. - С. 64-68.
6. Балакин П.Д. Определение предельных режимов движения многоцелевой гусеничной машины по критерию полного исследования возможностей энергоёмкости подвески. / Балакин П.Д. [и др.] // Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. - Омск, 2007. - Ч.1. - С. 102-109.
7. Тарасов В.Н. Теория в строительстве и машиностроении: науч. изд. / Тарасов В.Н. [и др.]. - М.: Изд-во строит. вузов, 2006. - 336 с.
8. Швецов В.Т. Моделирование движения механизма подвески опорного катка машины с учётом контактного взаимодействия в соединении «каток -беговая дорожка гусеницы» / Швецов В.Т. [и др.] // Многоцелевые гусеничные и колёсные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование.: материалы 2-й межрегион. науч.-техн. конф. - Омск, 2004.- С. 129-134.
9. Швецов В.Т. Расчёт механизма подвески системы подрессоривания гусеничной машины при малых перемещениях балансира / Швецов В.Т. [и др.] // Военная техника, вооружения и технологии двойного применения.: материалы 3 Междунар. технолог. конгр. - Омск, 2005. - С. 235-238.
Балакин Павел Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, заведу- Статья поступила ющий кафедрой теории механизмов и машин ОмГТУ. в редакцию 28 мая
Кузнецов Эрнст Андреевич - кандидат технических наук, профессор, профес- 2014 г. сор кафедры технической механики ОАБИИ.
Звездин Дмитрий Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технической механики ОАБИИ.
© П.Д. Балакин, Э.А. Кузнецов, Д.С. Зведин, 2014
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
ОБНАРУЖЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ УЧАСТКОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СПЕКТРА БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ
И.В. Богачков, В.А. Майстренко Омский государственный технический университет Россия, 644050, г. Омск, просп. Мира, 11: [email protected]
Приведены результаты исследований характеристик натяжения (механических напряжений) в оптических волокнах при различных воздействиях на основе анализа спектра брил-люэновского рассеяния.
Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, ранняя диагностика, рефлектометр, оптоволокно.
DETECTION OF MECHANICAL STRESSES SECTIONS IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINE BASED ON BRILLOUIN BACKSCATTERING SPECTRUM ANALYSIS
I.V. Bogachkov, V.A. Maystrenko Omsk State Technical University
The results of researches of the strain (mechanical stresses) characteristics of optical fibers with different loads based on Brillouin backscattering spectrum analysis are given in this paper.
Keywords: a Brillouin reflectometry, early diagnostics, a reflectometer, an optical fiber.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - в настоящее время являются доминирующим видом высокоскоростных линий связи. Они способны обеспечить максимальную скорость передачи данных из всех существующих линий связи, при этом имеют высокую помехозащищенность и скрытность связи. Кроме того, поскольку в конструкции ВОЛС не применяются цветные металлы, стоимость каналов связи на основе оптических волокон (ОВ) по мере совершенствования производства оптических кабелей (ОК) постепенно снижается.
Однако за последнее десятилетие проявилась проблема преждевременного старения и деградации ОВ, которые находятся под воздействием повышенных механических напряжений. Данная проблема привела к необходимости осуществления постоянного мониторинга и ранней диагностики для выявления проблемных участков ОВ, в частности, отрезков ОВ, находящихся под повышенным механическим напряжением (натяжением) [1-6]. Долговечность ОВ зависит от степени его натяжения.
Механические воздействия, приложенные к ОВ изменяют его характеристики. Например, растягивающая сила, приложенная к ОВ, изменяет модуль Юнга, который в свою очередь влияет на изменение скорости акустической волны [1-6]. Поперечные воздействия на ОВ могут оказывать влияние на свойства поперечного сечения ОВ и регулярность ВОЛС.
Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии определить опасное натяжение ОВ.
Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллюэновской рефлектометрии [1-6], в основе которого лежит регистрация и последующий анализ спектра вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в ОВ.
Известно, что спектральные компоненты, обусловленные бриллюэновским рассеянием (БР) света, обладают тем важным для практических применений свойством, что их частота смещена на величину, пропорциональную натяжению волокна.
Зондируя ОВ короткими импульсами и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение вдоль ОВ спектра бриллюэновского рассеяния (СБР) и, соответственно, частоты максимального сигнала в этом спектре. Измерив распределение величины бриллюэновского сдвига частоты вдоль ОВ, можно понять картину распределения механи-
ческих напряжений в нем, обнаружить местоположение распределенных нерегулярностей в ОВ и определить их характеристики [1-4]. Для обнаружения механически напряженных участков ВОЛС (натяжения ОВ) применяются брил-люэновские оптические рефлектометры (БОР).
С целью уточнения моделей, рассмотренных в [1-3], проверки результатов имитационного моделирования и оценки влияния нелинейных эффектов на СБР в ОВ были проведены экспериментальные исследования с БОР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».
В общем случае нелинейное волновое уравнение распространения света в ОВ можно записать в виде [1-3]:
1 d2E d2 P
V2 E - - E - -■■ ° P
dt2
■ = -А) -
Sí2
d 2 P
^ -*■ лг
dt2
(1)
где линейная Рь и нелинейная Рж части индуцированной поляризации
Р(г, X) = Рь (г, X) + Рж (г, X). Рж обычно принято считать малой по отно-
шению к PL
(PalI << PL)• PL и PNL связаны с Е соотношениями (2):
нелинейная
Pl(r,t) = s0 )x(\t — f) ■ E(r, f)dt ,
— ад да
Pal(r, t) = e0 jjjX(3)(t —1„ t —12, t —13) ■
—ад
■E(r, t1) E (r, t2) E(r, t3)dtjdt2 dt3
(2)
где х - тензоры нелинейной восприимчивости порядка ]. Соотношения (2) определяют общий формализм описания нелинейных эффектов низшего порядка в ОВ [2, 3].
Уравнение распространения (1) - нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных, которое нельзя решить аналитически, за исключением некоторых частных случаев. Поэтому для изучения нелинейных эффектов в ОВ необходимо использование численных методов моделирования.
Основным выражением, связывающим частоту бриллюэновского частотного /в сдвига и степень натяжения ОВ, является формула [2, 4]:
= 2пу^ !в ='
(3)
Я
где п - коэффициент преломления; уА - скорость акустической волны;
Е
v
A
(4)
Ег - модуль Юнга; р - плотность кварцевого стекла, X - длина волны падающего света [4].
Величина бриллюэновского сдвига частоты, в свою очередь, входит в выражение для бриллюэновского коэффициента (БКУ) усиления [1, 3]:
Яз (5)
ёз = —
1 +
A/-/ ' Af
где (^ 3 - максимальный БКУ при А/=/3; А/-разность между частотой вводимого в ОВ света и частотой наблюдения; А/3 - ширина полосы бриллюэновского усиления [1, 3].
Ранее БР применяли только для параметрического усиления, но в XXI веке начались исследования в области применения БР в обнару-
жении распределенных нерегулярностей в ВОЛС и оценки их характеристик.
Известно, что ОВ-DSF чувствительны к нелинейным эффектом, и поэтому анализ СБР для определения натяжения в ОВ в этом случае усложняется.
В первом эксперименте (рис. 1) световод составлен из ОВ нормализующей катушки (ОВ1) длиной 1,73 км, сваренного с другим ОВ (ОВ2) длиной 3 км. Место сварки обозначено стрелкой 2, максимум СБР - стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми. На расстоянии 2 м от места сварки на ОВ1 было сформировано место, на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г. Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ1 только в продольном направлении. На рис. 1 представлена картина СБР в световоде (3Б-рефлектограмма - функция распределения амплитуды отраженного сигнала по длине световода и бриллюэновского сдвига частоты) при отсутствии растягивающего усилия.
11,2014 OS:OÖ:53
Рис. 1. Картина СБР в световоде без продольной нагрузке
На рис. 2 представлена к ар тин а СБ Р пр и воздействии силы в 2 Н. Как видно из рис. 2, наблюдаются небольшие изменения СБР. (Представленные на рисунках рефлектограммы «сканов» распечаток прибора и фотографии его экранов отредактированы в «Photoshop» для повышения качества и приведения в единую форму).
При увеличении нагрузки до 4 Н (400 г) изменения СБР проявляются в месте растяжения сильнее. Следует отметить, что при нагрузке в 300 г наблюдается падение уровня отраженного сигнала за растягиваемым местом, что связано с появлением поперечных нагрузок
в месте крепления гирь из-за асимметрии воздействия в месте крепления. Кроме того, зависимости СБР отличаются для ОВ с различной эластичностью защитного покрытия.
У ОВ с более жестким покрытием ОВ может практически не растягиваться (СБР у БОР не изменяется), но при нагрузках 4-6 Н сразу оборваться. Анализ СБР [1] - [5] при известном показателе преломления сердечника позволяет определить натяжение на различных участках световода.
На рис. 3 и 4 представлены зависимости по длине световода натяжения (Strain), СБР, ширины СБР (B.S.W) и потерь (Loss).
Рис. 2. Картина СБР в световоде при продольной нагрузке в 2 Н (200 г)
При изменении нагрузки наблюдалось смещение максимума СБР от 10,84 ГГц (без нагрузки) до 10,90 ГГц (5 Н), что соответствует изменению натяжения ОВ в области, находящейся под нагрузкой.
Г
Из рис. 3 и 4 видно, как БОР обнаружил изменение натяжения на «проблемном участке». Натяжение изменилось примерно на 0,05 % при растягивающей силе в 2 Н и на 0,12 % при растягивающей силе в 4 Н.
Рис. 3. Итоговая мульти-рефлектограмма без продольной нагрузки
Рис. 4. Итоговая мульти-рефлектограмма при продольной нагрузке в 2 Н
При дальнейшем увеличении нагрузки до 5 Н было обнаружено достижение критического значения натяжения 0,2 %. После снятия нагрузки натяжение ОВ возвращалось в исходное состояние.
Таким образом, анализ СБР позволяет эффективно обнаруживать изменение натяжения (модуля Юнга Ее) ОВ.
Изучение СБР ОВ, находящихся в готовых ОК, которые подвергались существенным растягивающим нагрузкам, позволило сделать следующие выводы.
Из-за силовых элементов ОК, которые защищают его, а значит, все ОВ внутри него, от механических воздействий, существенных изменений СБР при силовых растягивающих нагрузках не наблюдается.
В результате БОР проблемных участков ОВ в ОК не обнаружил вплоть до критических уровней воздействия (порядка 11 -12 кН), которые приводят к разрушению ОК.
При этом анализ экспериментальных данных, полученных фазовыми методами, показал, эти методы позволяют обнаружить появление натяжения ОВ при растягивающей нагрузке
порядка 10 кН, которая еще не приводит к разрушению ОК, а значит, можно принять меры к поиску проблемного участка и устранению опасных воздействий.
В третьем эксперименте световод был составлен из ОВ нормализующей катушки (ОВ1) (длина 1,73 км), сваренного с другим ОВ (ОВ2) из ОК (длина 4 км). Место сварки обозначено стрелкой 2, максимум СБР - стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми. На расстоянии 2 м от места сварки на ОВ2 было сформировано место, на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г. Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ2 только в поперечном направлении.
При появлении поперечной нагрузки при 0,2 Н началось наблюдаться изменение СБР в области воздействия, что показано на рис. 5. При дальнейшем увеличении поперечной нагрузки уже при 0,5 Н наблюдается существенное изменение СБР, и рефлектограмма начинает напоминать обрыв ОВ. При дальнейшем увеличении нагрузки существенных изменений 3D-рефлектограмм СБР не наблюдалось.
Рис. 5. Картина СБР в световоде при поперечной нагрузке 0,2 Н
Это явление можно объяснить падением уровня отраженного сигнала из-за того, что такие поперечные нагрузки приводят к появлению существенного изгиба ОВ, в результате чего траектория распространения лучей, а значит, коэффициент отражения, изменяется. При этом картины распределения натяжения в световоде позволяют зафиксировать проблемный участок (место воздействия), но не обнаружи-
вают существенных изменений натяжения в этой области. Таким образом, в данном случае БОР способен обнаружить проблемный участок, но не сможет при обычной процедуре анализа оценить натяжение с высокой точностью.
В четвертом эксперименте было проведено исследование поперечных раздавливающих усилий на характеристики ОВ и СБР, получае-
мый в БОР. Световод в этом эксперименте был сформирован аналогично третьему эксперименту, но на виток второго ОВ (ОВ2), который был уложен на прочной негнущейся поверхности, устанавливались массивные грузы с известными массами от 2 кг до 21 кг.
При повышении раздавливающей нагрузки от 0 до 210 Н существенных изменений СБР не наблюдалось. Только при увеличения давления в 20 раз при поперечной сдавливающей нагрузке 210 Н (за счет изменения площади приложения груза к ОВ2) картина СБР существенно изменилась и стала напоминать картину при обрыве ОВ. Однако при снятии груза в этом экстремальном случае оказалось, что ОВ в месте воздействия «раскрошилось».
Анализ результатов показал, что при поперечных раздавливающих усилиях СБР в ОВ практически не изменяется вплоть до уровней, приводящих к разрушению ОВ.
Выводы
Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения механически напряженных участков и оценки степени натяжения ОВ на основании анализа СБР при различных растягивающих нагрузках.
Анализ результатов экспериментов при различных поперечных механических нагрузках подтвердил возможность обнаружения поперечных механических воздействий на основании анализа СБР.
Однако, если проявление поперечных воздействий на натянутое ОВ обнаруживается БОР, и значит, «проблемный» участок ВОЛС может быть выявлен, то при фиксации положения ОВ в поперечной плоскости существенных изменений СБР не обнаруживается даже при сильных поперечных механических нагрузках, пока не будет достигнут предел, при котором нарушается целостность структуры ОВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Accuracy Enhancement of Distributed Irregularities Estimation in Optical Fiber / I. V. Bogachkov, S. V. Ovchinnikov, N. I. Gorlov // IEEE 2012 11th International Conference on APEIE Proceedings.- V. 1. -P. 60-62. IEEE Catalog Number CFP12471-PRT.
2. Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - 192 с.
3. Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в волоконно-оптических линиях связи / И.В. Богачков, С. В. Овчинников,
Н.И. Горлов, Н.Ю. Ситнов // Телекоммуникации № 2, 2014. - М.: Наука и технологии, 2014 - С. 16-20.
4. Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектомет-рия оптических волокон связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2005. - 208 с.
5. Использование брилюэновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на растяжение / С. Г. Акопов, Н. А. Васильев, М. А. Поляков // Lightwave. - 2006. - №1. - C. 23-25.
6. Новые задачи технической эксплуатации разветвленных волоконно-оптических сетей / И.В. Богачков, Н. И. Горлов // Омский научный вестник. - Вып. 1 (77). - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. -С. 195-198.
Богачков Игорь Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность» ОмГТУ.
Майстренко Василий Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность» ОмГТУ.
Статья поступила в редакцию 9 октября 2014 г.
© И.В. Богачков, В.А. Майстренко, 2014
