Оптические кабели с повышенной акустической чувствительностью и методы их контроля Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ С ПОВЫШЕННОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ И МЕТОДЫ ИХ КОНТРОЛЯ

1* 11 11 Степанов К.В. , Кошелев К.И. , Жирнов А.А. , Шелестов Д.А. , Пнев А.Б. ,

Сазонкин С.Г.1, Овчинникова И.А.2, Игнатиков И.С.2, Тарасов Д.А.2

1 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва

2ОАО «ВНИИКП», г. Москва * E-mail: thefrost@list.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16060

Мировой спрос на энергию постоянно растет. Несмотря на чрезвычайно сложные условия окружающей среды, энергетические транспортные структуры должны продемонстрировать надежность и эффективность. Аналогично, гражданское строительство также сталкивается с проблемами контроля, при исследовании эволюции и гарантии безопасности старения существующих структур за пределами их срока службы или внимательно следить за долговременной стабильностью прилегающих к нему территорий при строительстве новых объектов. Особо ответственные протяженные объекты требуют сенсорных систем, позволяющих эффективно и надежно обнаруживать факт попытки несанкционированного доступа. В настоящее время волоконно-оптические распределенные датчики, чувствительным элементом которых выступает сам оптический кабель, рассматриваются в качестве эффективного, жизнеспособного и надежного решения для мониторинга целостности инфраструктуры, а также активно применяется в системах контроля доступа и охраны периметра.

Традиционная конструкция оптического кабеля направлена на наилучшую защиту самого оптического волокна от любых внешних воздействий (влаги, радиальных и продольных нагрузок, воздействующих на кабель). Эти конструкции оказались очень эффективными в обеспечении долговечности оптических волокон, используемых для связи, и могут использоваться в качестве чувствительных элементов для контроля температур и акустических воздействий в диапазоне от -60°C до +85°C в сочетании с бриллюэновской или рамановской системами мониторинга.

Возможности применения волоконной оптики для измерения акустических воздействий были обнаружены в 80-х годах 20-го века [1], однако в [1] рассматривались и сравнивались только свойства волокна без оболочки и волокна с оболочкой. Систематического и подробного анализа конструкций оптических кабелей, на сколько известно авторам, не производилось. В работе было проведено математическое моделирование процесса акустического воздействия на оптический кабель и показано влияние определенных конструкционных характеристик, таких как диаметр проволоки и шаг ее намотки при формировании броневого слоя кабеля. По результатам предварительных исследований была разработана оптимальная с точки зрения акустической чувствительности конструкция. В отличии от проведенных ранее измерений чувствительности кабелей к акустике [2], авторами были проанализированы различные длины и геометрические формы измерительных образцов.

Анализ волоконных интерферометрических схем измерения акустической чувствительности показал, что наиболее оптимальной является схема, построенная на основе интерферометра Маха-Цендера с разветвителем 3х3 [3] (Рисунок 1). Такая схема позволяет проводить сравнительное измерение акустической чувствительности анализируемого кабеля с некоторым эталонным кабелем с известной акустической чувствительностью. Такой способ позволяет добиться постоянства и метрологической точности измерений. Сравнительный метод удобно использовать на производстве для оперативного контроля кабельной продукции. Диапазоны контроля акустической чувствительности кабеля для эксплуатации - в воде: от 500 до 20000 Гц, - в грунте: от 20 до 500 Гц.

Демодуляция интерферометрических данных производилась пассивным методом преобразования сигналов с двух фотоприемников, расположенных после разветвителя 3х3 в квадратурный и синфазный сигнал с последующим перекрестным перемножением. Таким образом удалось добиться линеаризации передаточной характеристики интерферометра в большом динамическом диапазоне интерференционных сигналов.

122 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

Рис. 1. Схема контроля акустической чувствительности волоконного оптического кабеля

Уровень шумов установки определяется тремя основными параметрами: нестабильностью длины волны источника и механическими колебаниями волокон интерферометра, не связанными с эталонным воздействием, а также шумом регистрирующей линии (приёмник излучения и АЦП). Для оценки шумов сигнала, генерируемых флуктуациями длины волны источника, необходимо измерить их с высокой точностью и частотой дискретизации, после чего можно определить их вклад в итоговый уровень шумов системы, зная параметры интерферометра, в частности - разность плеч.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00688.

Литература

1. Lagakos N, et al, Applied optics 20, 2716-2720 (1981)

2. Hofmann J, et al, SPIE 9491 (2015)

3. Koo K, et al, Applied Physics Letters 41, 616-618 (1982)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 123