CC BY
56
ОБНАРУЖЕНИЕ "ПРОБЛЕМНЫХ" УЧАСТКОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СПЕКТРА БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ
Богачков Игорь Викторович,
Доцент кафедры "Средства связи и информационная безопасность" ("ССИБ"), ФГБОУ ВПО "Омский государственный технический университет" (ОмГТУ), к.т.н., доцент, Омск, Россия, [email protected]
Майстренко Василий Андреевич,
Зав. кафедрой "ССИБ", ФГБОУ ВПО "Омский государственный технический университет" (ОмГТУ), д.т.н., профессор, доцент, Омск, Россия, [email protected]
Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, бриллюэновское рассеяние, натяжение, рефлектометр, оптоволокно.
Рассматриваются вопросы применения анализа спектра бриллюэновского рассеяния (СБР) для обнаружения "проблемных" участков волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), в которых оптические волокна (ОВ) находятся под воздействием повышенных механических напряжений (из-за деформации грунта, просадки фундаментов инженерных сооружений, обледенении подвесных конструкций и т.д.), что может существенно уменьшить долговечность ВОЛС. Для определения степени натяжения ОВ наиболее эффективным является метод бриллюэновской рефлектометрии, основанный на анализе спектра вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в ОВ.
Приведены результаты математического моделирования распространения светового сигнала в ОВ с учётом нелинейных эффектов, возникающих при превышении порога бриллюэновского рассеяния (БР). Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик натяжения (механических напряжений) в ОВ на основе анализа СБР при продольных и поперечных воздействиях на ОВ, проведённых при содействии ЗАО "Москабель-Фуджикура" (Москва). Экспериментальные данные при продольных растягивающих нагрузках имеют хорошее качественное совпадение с результатами имитационного моделирования. Изучение СБР ОВ, находящихся в готовых оптических кабелях (ОК), которые подвергались существенным продольным растягивающим нагрузкам, позволило сделать выводы, что из-за силовых элементов ОК, защищающих ОК, а значит, и все ОВ внутри него, от механических воздействий, существенных изменений СБР при силовых растягивающих нагрузках не наблюдается вплоть до критических уровней воздействия (порядка 11-12 кН, которые приводят к разрушению ОК). В этом случае более эффективными для контроля натяжения ОВ в ОК при производстве являются фазовые методы, которые позволяют обнаружить появление натяжения ОВ при растягивающих нагрузках порядка 10 кН, которые еще не приводят к разрушению ОК, что позволяет принять меры к поиску проблемного участка и устранению опасных воздействий. Экспериментальные исследования влияния поперечных силовых воздействий на ОВ показали, что зафиксировать проблемный участок (место воздействия) можно, но при этом существенных изменений натяжения в этой области не обнаруживается.
Для цитирования:
Богачков И.В., Майстренко В.А. Обнаружение "проблемных" участков в волоконно-оптических линиях связи на основе анализа спектра бриллюэновского рассеяния // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №11. - С. 19-24.
For citation:
Bogachkov I.V., Maystrenko V.A. Detection of "problem" sections in fiber optical communication line based on brillouin backscattering spectrum analysis. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.11, рр. 19-24. (in Russian).
T-Comm Vol.9. #11-2015
Т-Сотт Том 9. #11-2015
с-
И . Я . и! «1*11 |
игШшЦ» 4i.fT._l
л V_ .
Р*1 иции О 9(6119 кп чу 1 |Ю - ■>!<>; И л Г* шрМНи'У 7? ИИ// Лз V , иг» ар хд, V4iMt.it«
ЁГ: 1 №н Пив. 1 О.ОЪш —- Г
р-.....- Ч Г лч-г I ЯЬОЬ, гаоу Ш Н(НН1 11. л4<тнл Ч Л г«Г1 1 1Г/4П 1 ЮПИ .г
Рис. 6. Мульти-рефлектограмма при воздействии растягивающей силы 1,5 Н
Изменения натяжения на проблемном участке отмечены стрелками.
При изменении нагрузки наблюдалось смещение максимума СБР от 10,84 ГГц (без нагрузки) до 10,97 ГГц (4 Н), что соответствует изменению натяжения ОБ в области, находящейся под нагрузкой.
Экспериментальные данные имеют хорошее качественное совпадение с результатами имитационного моделирования (рис. 1, 2).
Из рисунков 3-6 видно, что БОР успешно обнаружил изменение натяжения на «проблемном» участке.
:1'»н. ооо.и»
[иоим|
,1
51 1 сварка 3 /
£ош / *
111.1.111И: [ 1 .11 ЮР и | Г 1
» . ■ ццщду 11"| Ч /">щ.и . ] ____г5
Р.нц.; I — 1И- Т-ЛГГ')-
> V 3 10 1- "1-
Г'|. . Ц1Н11ИГу
X(ав*1 ■ ккн.ш 14рц).1
1 . |].Н«1ЙН СМВ.)> I НЯ1 к ,
| ........ р'ы'
аксимум 1ЬР
Рис. 7. Картина СБР в световоде без поперечной нагрузки
Натяжение изменилось (без нагрузки было 0,02%) на 0,08% при растягивающей силе в 1,5 Н (стало 0,1%) и на 0,15% при растягивающей силе в 3 Н (стало 0,17%).
При дальнейшем увеличении нагрузки до 5 Н было обнаружено превышение критического значения натяжения 0,25%,
После снятия нагрузки натяжение ОВ возвращалось в исходное состояние. Таким образом, анализ СБР позволяет эффективно обнаруживать изменение натяжения (модуля Юнга £) 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 сило-
вых растягивающих нагрузках не наблюдается [3, 4].
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.
Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения механически напряженных участков и оценки степени натяжения ОВ на основании анализа СБР при различных растягивающих нагрузках.
Во втором эксперименте изучалось влияние поперечного силового воздействия на ОВ. Световод в этом эксперименте был составлен из ОВ нормализующей катушки (1) (длина 1,73 км), сваренного с другим ОВ (3) 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 (стрелка «5»), на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г. Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ2 только в поперечном направлении.
На рисунке 7 представлена ЗР-рефлектограмма распределения СБР по длине световода без воздействия поперечной растягивающей силы.
При появлении поперечной нагрузки при 0,2 Н началось наблюдаться изменение СБР в области воздействия, что показано на рисунке 8. При дальнейшем увеличении поперечной нагрузки уже при 0,5 И (рис. 9) наблюдается существенное изменение СБР, и ЗЭ-рефлектограмма начинает напоминать обрыв ОВ. При дальнейшем увеличении нагрузки существенных изменений ЗР-рефлектограмм СБР не наблюдалось.
Это явление можно объяснить падением уровня отраженного сигнала из-за того, что такие поперечные нагрузки приводят к появлению изгиба ОВ, в результате чего траектория распространения лучей изменяется.
}Я<» _ 07
1
£ ОВ I
т
О . 07М I
\
Л-шО ит |
) 100.ООО«}
Ь ^ »« *п«ч| г | 1, / 1«1м Км | г 1 =; ^Гйфшпру: ]Ю , 99№)Их | »'?:|1о дчоиН*] "»Ш"» , 1П . 11444Ш1 маквчи-СЕР"
: Юк* [ОН :{| .4681Н к-,», * (Фп* 1я«в, 1 г хо Кем. : О О'.Ш Ггкфавтту | чип 1 О , /О Ос;н л. Xаа(| 1 е I 10/40 | : М.ОООинт. Кт-г.#.|ш ЮИНл
Рис. 8. Картина СБР в световоде при поперечной нагрузке 0,2 Н
Di*t4nrc:j 1.7 34FM km F1 i ; максимум (,'ЬР
rtiqueni Y : jl 1 - OfiOCfHi. J Г? [ll . 06№Hz f
R -t iiqtr : lOkm f»,W, : SOU» Ave . i 2 ПО I OR. Re«. |1.««ЩО( | О. ОЧт
Frequency Start:10.700GHz Stop : 11.0№H/ Sdkfllf Sweep : 37/40 | : 10MHz |
Рис. 9. Картина СБР в световоде при поперечной нагрузке 0,5 Н
При этом картины распределения натяжения в световоде позволяют зафиксировать проблемный участок (место воздействия), но не обнаруживают существенных изменений натяжения в этой области.
При этом натяжение перед самой точкой воздействия на ОВ остается практически тем же, что при малых нагрузках.
Полученные результаты позволили сделать предположение о возможности оценивать степень натяжения ОВ на одной частоте - достаточно использовать известные зависимости мощности СБР на этой частоте от растягивающей нагрузки. Для получения более точных результатов необходимо измерить параметры спектров рассеяния для образцов конкретной марки ОВ.
Литература
1. Богачков И.В., Горлов Н.И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - 192 с.
2. Богачков И.В., Овчинников С.В., Горлов Н.И., Ситнов Н.Ю. Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в-волоконно-оптических линиях связи // Телекоммуникации №2, 2014. - М.: Наука и технологии, 2014. - С. 16-20.
3. BogachkovI.V., OvchinnikovS.V., Maistrenko V.A. Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013 Proceedings. -Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sept. 12-13, 2013.
4. Bogachkov I. V., Ovchinnikov S. V., Gortov N.L Brillouin scattering modeling for estimation of distributed irregularities in optical fiber // Papers of 10th international conference IEEE APEIE, vol. 1. Novosibirsk 2010. - Pp. 30-31.
5. Bogachkov I.V., Ovchinnikov S.V., Gortov N.I. Accuracy Enhancement of Distributed Irregularities Estimation in Optical Fiber // IEEE 2012 11th International Conference on APEIE Proceedings. - Vol. 1. - Pp. 60-62.
6. Богачков И.В., Овчинников С.В., Горлов Н.И. Повышение точности оценки распределенных нерегулярностей в оптических волокнах // Вестник СибГУТИ. - Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2012. - Вып. 4 (20). - С. 3-13.
7. Belal М., Newson Т.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, № 8, - Pp. 1250-1255.
8. Bogachkov I.V., Gortov N.I. Experimental Researches of the Temperature Influence on Brillouin Backscattering Spectrum and Strain Characteristics of Optical Fibers // IEEE 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. - Vol. 1. - Pp. 190-194.
T-Comm Vol.9. #11-2015
COMMUNICATIONS
DETECTION OF ''PROBLEM'' SECTIONS IN FIBER OPTICAL COMMUNICATION LINE BASED ON BRILLOUIN BACKSCATTERING SPECTRUM ANALYSIS
Bogachkov Igor V., Docent of "Communication means and information security" department of Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk, Russia, [email protected]
Maystrenko Vasiliy A., Chief of "Communication means and information security" department of Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk, Russia, [email protected]
Abstract
Questions of using of the Brillouin backscattering spectrum analysis for detection of "problem" sections of fiber-optical communication lines (FOCL) are considered in this paper. Optical fibers (OF) in these FOCL are under influence of the raised mechanical pressure (strain), that can essentially reduce durability FOCL. One of the effective ways to determine fiber strain ratio is Brillouin reflectometry method based on recording and subsequent analysis of the stimulated Brillouin backscattering spectrum (SBS) in OF. Results of mathematical modeling of the light signal propagation in OF in view of the nonlinear effects arising at excess of the SBS threshold level are presented. Results of experimental researches of strain characteristics (mechanical pressure) in OF on the basis of SBS analysis at longitudinal and transverse pressures influences on OF, lead with assistance of "Moskabel-Fujikura" (Moscow), are shown. Experimental data at longitudinal tensile loadings have good qualitative concurrence to results of imitating model-ing.Analysis of the SBS OF in ready optical cables (OC) has allowed to draw conclusions that more effective for the strain OF control in OC by manufacture are phase methods which allow to find out occurrence of tension OF at stretching forces of the order 10 kN which yet do not lead to destruction OC that allows to arrange to search of the problem section and elimination of dangerous influences. Experimental examinations SBS of transverse power influences on OF shown what to fix a problem section (a place of influence) it is possible, but thus of essential strain changes in this area is not found out.
Keywords: Brillouin reflectometry, Brillouin backscattering, strain, reflectometer, optical fiber. References
1. BogachkovI.V., GorlovN.I. Components of fiber optic communication systems and methods of their parameters control: monograph. Omsk: Publishing house OmSTU, 2013. 192 p. (In Russian)
2. Bogachkov I.V., Ovchinnikov S.V., Gorlov N.I., Sitnov N.J. Application of numerical methods for Brillouin scattering analysis to assess distributed irregularities in fiber-optic communication lines / Telecommunications No.2, 2014. Moscow: Science and technologies, 2014. Pp. 16-20. (In Russian)
3. BogachkovI.V., OvchinnikovS.V., Maistrenko V.A. Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters / International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013 Proceedings. Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sept. 12-13, 2013.
4. Bogachkov I.V., Ovchinnikov S.V., Gorlov N.I. Brillouin scattering modeling for estimation of distributed irregularities in optical fiber / Papers of 10th international conference IEEE APEIE, vol. 1. Novosibirsk 2010. Pp. 30-31.
5. Bogachkov I.V., Ovchinnikov S.V., Gorlov N.I. Accuracy Enhancement of Distributed Irregularities Estimation in Optical Fiber / IEEE 2012 11th International Conference on APEIE Proceedings. Vol. 1, pp. 60-62.
6. Bogachkov I.V., Ovchinnikov S.V., Gorlov N.I. Accuracy Enhancement of Distributed Irregularities Estimation in Optical Fiber / Vestnik SibSUTI. Novosibirsk, 2012. No. 4 (20). Pp. 3-13. (In Russian)
7. 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, pp. 1250-1255.
8. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Experimental Researches of the Temperature Influence on Brillouin Backscattering Spectrum and Strain Characteristics of Optical Fibers / IEEE 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. Vol. 1, pp. 190-194.
