CC BY
16
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С ПОМОЩЬЮ БРИЛЛЮЭНОВСКИХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ
IMPROVED ALGORITHMS FOR DETERMINING THE STRAIN OF OPTICAL FIBRES USING BRILLOUIN REFLECTOMETERS
И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия
I. V. Bogachkov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе обсуждаются вопросы совершенствования алгоритмов определения натяжения оптических волокон с помощью бриллюэновских рефлектометров. Приведены структурные схемы приборов для ранней диагностики оптических волокон. Рассмотрены адаптивные алгоритмы для построения бриллюэновских рефлектограмм: картин распределения бриллюэновского сдвига частоты и натяжения вдоль оптического световода. Эталонные бриллюэновские рефлектограммы для различных разновидностей оптических волокон из базы данных позволяют ускорить процесс выявления проблемных участков (участков оптических волокон с повышенным механическим натяжением или с измененной температурой) в оптическом световоде.
Ключевые слова: оптическое волокно, натяжение, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, бриллю-эновская рефлектометр, бриллюэновский сдвиг частоты.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-178-184
I. Введение
В современных инфокоммуникационных системах широко применяются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Для организаций, эксплуатирующих ВОЛС, актуальными являются задачи мониторинга и ранней диагностики оптических волокон (ОВ) [1, 2]. Своевременное обнаружение и устранение потенциально опасных участков в ОВ (с изгибами, трещинами и подобными дефектами, с повышенными механическими натяжениями, с измененной температурой, различными вариантами несанкционированного доступа к ОВ) позволяет избежать постепенной деградации и разрушения ОВ ВОЛС [2, 3].
Для ранней диагностики ОВ, находящихся в проложенных оптических кабелях (ОК), могут быть использованы специализированные приборы - бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (БОИР) [2-7]. БОИР позволяет обнаруживать участки ОВ с повышенным продольным натяжением и измененной температурой. Обычные оптические импульсные рефлектометры (ОИР) не предназначены для решения таких задач. В них анализируется обратно отраженный сигнал рэлеевского рассеяния, частота которого равна частоте зондирующего излучения. В БОИР анализируется обратно отраженный сигнал, содержащий компоненты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) [2-4].
В процессе получения картины распределения спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (СРМБ) вдоль ОВ (3D-БОИР рефлектограмма распределения СРМБ) определяется бриллюэновский сдвиг частоты f). После этого строится картина распределения натяжения вдоль ОВ [2, 3].
Принципиальным достоинством БОИР (по сравнению с другими приборами для определения натяжения в ОВ) является то, что БОИР достаточно иметь доступ только к одному концу ОВ. Процесс определения fB в ОВ, а затем продольного натяжения ОВ, происходит очень медленно. Поэтому актуальной является задача совершенствования схем приборов для ранней диагностики ВОЛС и алгоритмов обработки для ускорения получения итоговых результатов.
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
В классической структурной схеме БОИР изменяется либо частота излучения, вводимого в ОВ (частота излучающего лазера в передающем тракте), что позволяет упростить приемный тракт, так как он будет настроен на прием обратно отраженного сигнала фиксированной частоты [2]. Либо осуществляется перестройка приемного тракта по частоте обратно отраженного сигнала, что позволяет в передающем тракте обойтись без перестройки частоты излучающего лазера [3].
На рис. 1 представлена схема для первого варианта, а на рис. 2 - для второго.
Источником излучения является лазер (ЛД) (f - частота излучающего лазера в передающем тракте), сдвиг частоты (А/) осуществляется акустооптическим модулятором (АОМ), импульсная модуляция - электроабсорбционным модулятором (ЭОМ). После изменения поляризации в фарадеевском фазовращателе (ФВ) оптический сигнал усиливается в оптическом усилителе на основе ОВ, легированного ионами эрбия, (ЭОУ) и через направленный ответвитель (НО) или циркулятор поступает в тестируемое ОВ.
Обратно отраженный оптический сигнал через НО или циркулятор поступает на вход фотоприемного устройства (ФПУ). Этот сигнал содержит как компоненту рассеяния Рэлея (частота которой равна частоте излучения в передающем тракте fL +Af)) и две компоненты РМБ (стоксову и антистоксову). Стоксова компонента смещена по частоте вниз fL + Af-fB), а антистоксова - вверх fL +Af+fB). Когерентный прием излучения применяется для выделения стоксовой компоненты (как более мощной). Малая часть мощности излучения лазера подается на вход ФПУ, где оно смешивается с излучением, рассеянным в ОВ.
Когерентный прием обеспечивает повышение чувствительности ФПУ. По сравнению со схемой прямого детектирования, применяемой в традиционных ОИР, улучшение составляет порядка 10-20 дБ [2, 3].
В БОИР необходимо применять более чувствительные реализации ФПУ (по сравнению с ОИР), так как коэффициент спонтанного РМБ примерно на 14 дБ меньше коэффициента рэлеевского рассеяния [1-3].
Для каждой частоты fL + Af находится 3Б-распределение спектра спонтанного РМБ вдоль световода, после чего определяется частота «пика» СРМБ. После определения fB рассчитывается распределение натяжения вдоль ОВ. Максимальный уровня сигнала в ФПУ (максимум СРМБ) достигается, когда смещение частоты АОМ (Af) равно fB .
На рис. 2 представлена более популярная схема с неперестраиваемой передающей частью, используемая в БОИР "Ando AQ 8603" [4].
Профиль СРМБ вдоль световода определяется с помощью выделения разности частот fL и частот спектра обратно рассеянного сигнала в приемной части. При длине волны (ÁL) излучающего лазера 1.55 мкм разностные частоты (соответствующие СРМБ) занимают полосу от 9.5 ГГц до 11.4 ГГц. После этого в преобразователе частоты, выполненном обычно по гетеродинной схеме, частота исследуемого диапазона сканирования понижается до значений, допускающих цифровую обработку сигнала в блоке обработки.
Существуют и другие разновидности схем построения БОИР [5-7]. Например, возможно использование для анализа также и рэлеевской рефлектограммы, как в ОИР [5], а также введение опорного канала, содержащего или ОВ в опорном канале приема [6], или опорную рефлектограмму из базы данных различных разновидностей ОВ [7, 12-14].
Рис. 2. Упрощённая структурная схема БОИР
Как известно, частотный профиль СРМБ (gB(f - бриллюэновский коэффициент усиления (БКУ)) в области основного максимума (пика) имеет лоренцеву форму (параболическая форма):
1 +
/ь I /в
а/ /2
(1)
где gB0 - максимальный БКУ при/=/ -/в; А/в - ширина полосы СРМБ (бриллюэновского усиления) [2-4].
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/б (АЕе, АТ)" СТ/ "АЕе"
А/ (АЕе, АТ) С/ АТ
(2)
где С^, сТ, С и С - коэффициенты связи для соответствующих параметров [8-11].
Типичные значения данных коэффициентов для ОВ в.652 при нормальных условиях (при комнатной температуре и при отсутствии продольного натяжения) таковы: С/ = 48 кГц/це = 480 МГц/% (1% натяжения
равен 104 це), С} = 1.06 МГц/°С, С] = -8.07-10-6/це = = -0.0807/%, С] = 0.0033/°С [10 - 12]. По данным 'Ти-
_|1кига" при комнатной температуре С/ принимается равным 493 МГц/% [3, 4].
/б (Ее,Т) = 2/ла (Е,Т)пэфф/ с = 2уа (Ее,Т)пэфф/ Ль .
(3)
где уа(Ев Т) - скорость гиперакустической волны, зависящая от температуры, натяжения и структуры сердечника ОВ, а пэфф - эффективный показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме [8-11].
После зондирования ОВ короткими импульсами находится распределение СРМБ вдоль световода. После анализа картины распределения СРМБ в ОВ определяется/в (значения максимумов СРМБ) вдоль ОВ (/в (Ее )).
Это позволяет на основании зависимости СБР /в (Ее) определить степень натяжения ОВ и обнаружить местоположение распределенных нерегулярностей в ОВ:
ЕеОО = 1 (Ее> *) - /б (0) , = ■ 1
/б (0) ■ С/
/б (0) ■ С/
(4)
0
2
где Ee(z) - зависимость натяжения ОВ от продольной координаты z вдоль ОВ; AEJz) - изменение натяжения ОВ относительно начального значения; f(Ee, z) - зависимость смещения частоты от натяжения и координаты z; fB (0) - начальное значение fB; 4fB (z) - изменение fB от координаты z вдоль ОВ [1-4].
Известно, что для однозначного определения параболы необходимы три точки. Для более точного определения fB выбирается не просто частота принятого сигнала с максимальным gB, а в области «пика» выполняется аппроксимация по соседним отсчетам в целях определения максимума СРМБ, при этом находится квадратичная парабола, проходящая через эти отсчеты. В простейшем случае для этой полученной параболы определяется полоса пропускания по уровню половины мощности (- 3 дБ) от максимального значения, а затем fB вычисляется как средняя частота этого диапазона [4].
III. Совершенствование алгоритма определения бриллюэновского сдвига частоты
На рис. 3 приведен пример 3Б-рефлектограммы БОИР, на которой представлена картина распределения СРМБ вдоль световода. Сечение такой 3D-рефлектограммы BOTDR вдоль продольной координаты z является рефлектограммой ОВ при фиксированной частоте. Вдоль оси частот каждое значение продольной координаты (z = const) определяет профиль СРМБ в данном сечении [8-10].
Рис. 3. Пример 3Б-рефлектограммы БОИР - картины распределения СРМБ вдоль световода
В правом нижнем углу рефлектограммы отображается максимум СРМБ для определенной продольной координаты линии, а также характеристика профиля СРМБ в данном сечении ОВ. Например, в сечении световода z = 919.7 м пик СРМБ наблюдается на частоте 10.89 ГГц при ширине СРМБ 185.4 МГц и уровне сигнала 84.9 дБ.
Показатель преломления сердечника ОВ n = 1.4681. Точность представления по продольной координате - 0.1 м. При длительности зондирующего импульса 10 нс реальное пространственное разрешение составляет 1 м.
Начальная частота диапазона измерений (F1) равна 10.55 ГГц, конечная (F2) - 11.14 ГГц, при шаге по частоте 10 МГц. Количество усреднений равно 217.
Опыт работы с БОИР "Ando AQ 8603" показал, что процесс измерения при высокой разрешающей способности происходит очень медленно. Перед началом измерения задаются диапазон сканирования от заданных начальном (F1) и конечном значениях частоты (F2), а также шага сканирования (Д), который является равномерным и зависит от заданного количества точек наблюдения (N), а также количество усреднений. Данная величина в обычных ОИР заменяется похожим понятием «время усреднения».
Например, при 50 точках измерения пространственной точности представления рефлектограммы 0.05 м, и количестве усреднений 217 процесс получения рефлектограмм может занять около одного часа. Хотя это время можно существенно сократить, уменьшая указанные значения, оно остается значительным, по сравнению с обычными ОИР.
Для популярных разновидностей ОВ получены типичные значения начального уровня (для нормальных условий - при комнатной температуре и при отсутствии механических напряжений) бриллюэновского сдвига частоты (fB0) [12-14].
Например, для стандартного одномодового ОВ (Рекомендация МСЭ-Т G.652) величина fB0 находится в пределах 10.83_10.86 ГГц. При известных разновидностях ОВ можно использовать значения fB0 из базы данных [12-14] для определения диапазона сканирования по частоте измеряемого сигнала РМБ.
Процесс определения максимума СРМБ можно существенно ускорить, если сделать процесс измерений адаптивным.
Анализ БОИР-рефлектограммы, представленной на рис. 3, показывает, что не все отсчеты, взятые в узлах рефлектограммы с шагом по частоте (Af и продольной координате (Az), представляют интерес для получения итогового результата.
На рис. 4 приведены пояснения к обсуждаемому алгоритму обработки рефлектограмм БОИР. N соответствует номеру текущего отсчета. zi > z2 > z3 > z4 > zt > - значения в фиксированных (выбранных) поперечных сечениях (продольных координатах ( z = const)).
Iff, Z), N
Рис. 4. Выбор отсчетов рефлектограмм БОИР при адаптивном алгоритме
На начальном этапе диапазон измерений разбивается на 4 одинаковых части с шагом Д/}: кроме начальной (Б!) и конечной (Б2) частот, определяются еще три отсчета, отстоящие друг от друга на величину шага.
Д/1 = (¥2 - П)14, / = ¥1, / = /, +Д/;, / = / + 2Д/, Л = Л + 3Д/, / = ¥2 . (5)
После этого в каждом поперечном сечении определенным шагом сканирования по продольной координате 2Ь определяется интенсивность обратно отраженного сигнала /(/ г) и выбирается максимальное значение для текущих отсчетов (отсчеты 1-5). После этого шаг изменения частоты уменьшается в два раза Д/2 = Д/1 /2
, но следующие построения рефлектограмм по частотам обратно отраженного сигнала будут проводиться только на участках с уровнями сигналов, имеющих мощность, соизмеримую с максимальным уровнем (менее 5 дБ от пика) для каждого сечения по продольной координате г (отсчеты 6-7).
Отсчеты в области максимума необходимы для дальнейшего анализа - определения fB, а отсчеты с величинами мощности менее 5 дБ относительно максимального уровня исключаются из дальнейшей обработки.
На рисунке 4 «полезные» отсчеты обозначены точками на профилях СРМБ, а отсчеты, не представляющие интереса для определения fB, - крестиками.
Аналогичным образом для полученных отсчетов (6, 7) определяется интенсивность обратно отраженного сигнала If, z), а максимальное значение выбирается по всем отсчетам (1-7), полученным на данном шаге для текущего значения продольной координаты z¿.
После этого процесс циклически повторяется в области нового положения максимума с уменьшенным в два раза шагом Aft = Afi_1 / 2, пока не будет достигнуто заданное значение минимального шага. После этого уточняется значение fB описанными выше способами. На рисунке 4 третьему шагу соответствуют отсчеты 8-10, четвертому - 11-16, пятому - 17-25.
Если для разных значений продольной координаты z положение максимумов оказываются в разных значениях отсчетов (например в сечениях zi (N = 7) и z3 (N = 3) на рисунке 4), то каждом сечении z¡ анализируются только отсчеты с величинами мощности не ниже 5 дБ от максимального уровня (на рисунке 4 обозначены точками), а остальные отсчеты, обозначенные крестиками на рисунке 4, просто игнорируются.
В результате при данном алгоритме получается существенное ускорение процесса за счет прореживания и игнорирования отсчетов, которые не оказывают влияния на итоговый результат.
Если на некотором шаге процесса максимум обнаружен, то параллельно основному процессу можно запустить процесс определения натяжения ОВ на основе формулы (4) и построения картины его распределения вдоль световода EJ(z). На следующих шагах вычисления будут уточняться.
Появление предварительной картины EJ(z) позволяет опытному пользователю БОИР прервать процесс измерений для внесения корректировок в установки измерений (изменение диапазона и шага сканирования по частоте, изменение разрешения и дистанции измерения по расстоянию и т. п.), что также позволяет уменьшить время тестирования.
Другим способом ускорения процесса определения является адаптивное изменение времени накопления результатов измерений (количества усреднений). На начальном этапе (первый шаг измерений, отсчеты 1-5) берется малое количество усреднений (например 212), на следующих шагах оно повышается (например 213-214, отсчеты 6-10), и только в области максимумов количество усреднений будет максимальным для заданных условий (например 217, отсчеты 17-25).
IV. Выводы и заключение
Представленные в данном исследовании алгоритмы позволяют повысить скорость получения итоговых результатов в БОИР за счет исключения из процесса обработки малозначимых отсчетов.
При использовании fB0 из базы данных ОВ различных типов и производителей [12-14] можно повысить скорость и эффективность измерений.
Поскольку примерное значение максимума СРМБ выявляется на начальных шагах вычислительного процесса, предварительную картину распределения натяжения в ОВ можно получить достаточно быстро.
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).
Автор благодарит ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) за содействие в проведении экспериментальных исследований с помощью БОИР «Ando AQ 8603».
Список литературы
1. Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 192 с.
2. Богачков И. В. Обнаружение предаварийных участков оптических волокон с помощью метода брил-люэновской рефлектометрии // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Т. 6, № 4. С. 88-95. DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-88-95. .
3. Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон связи. М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
4. AQ 8603. Optical fiber strain analyzer. Instruction manual AS-62577. Japan, Ando Electric Co Ltd, 2001. 190 p.
5. Viavi MTS/T-BERD 8000 - fiber sensing module DTSS module: user manual. Viavi Solutions. 94 p.
6. Пат. 186277 Российская Федерация, МПК G 01 N 21/27. Оптический бриллюэновский рефлектометр для систем мониторинга оптических волокон / И. В. Богачков. № 2018135383/28; заявл. 09.10.2018; опубл. 15.01.2019, Бюл. № 2.
7. Пат. 186231 Российская Федерация, МПК G 01 N 21/27. Оптический бриллюэновский рефлектометр / И. В. Богачков № 2018135635/28; заявл. 10.10.2018; опубл. 11.01.2019, Бюл. № 2.
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].
