CC BY
20DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-256-257
СРАВНЕНИЕ РАБОТЫ КОГЕРЕНТНОГО ДВУХИМПУЛЬСНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ С ЛАЗЕРАМИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Бенгальский Д.М.1*, Харасов Д.Р.1'2, Фомиряков Э.А.1'3, Наний О.Е.1'3, Никитин С.П.1,
Трещиков В.Н.1'4
'Группа компаний Т8, г. Москва 2Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный 3МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 4ФИРЭ РАН им. В.А. Котельникова, г. Фрязино E-mail: [email protected]
Импульсные фазочувствительные оптические рефлектометры на основе эффекта рэлеевских рассеяния света в оптическом волокне (Ф-OTDR)^] широко используются в качестве распределенных акустических и температурных датчиков для мониторинга и охраны протяженных объектов (например, трубопроводы, линии электропередач) и всё чаще для геофизических применений [2] (например, для вертикального сейсмического профилирования).
Чувствительность Ф-OTDR к внешним воздействиям принципиальна ограничена фазовыми шумами лазера. Поэтому в большинстве случаев в Ф-OTDR используются лазеры с крайне низким уровнем фазовых и амплитудных шумов [3]. Однако, стоимость таких лазерных источников начинается от нескольких тысяч долларов США за самые простые модификации, что сильно сказывается на конечной стоимости распределённых датчиков на базе Ф-OTDR. Для ряда задач, где нужно регистрировать только относительно сильные внешние воздействия (например, проезд поезда рядом с закопанным оптическим кабелем), высокая чувствительность Ф-OTDR необязательна. Для таких случаев стоимость Ф-OTDR можно снизить за счёт использования лазеров с более простыми характеристиками. Цель данной работы - сравнить фазовые сигналы из двухимпульсного когерентного рефлектометра с дифференциальной фазовой модуляцией «Дунай» (Т8 Сенсор) [4] при работе с разными лазерами: узкополосным высокостабильным лазером RIO Orion, более доступными диодным РОС-лазером Дилаз ИЛНП-249 (далее Dilas) и интегрированной перестраиваемой лазерной сборкой PurePhotonics PPCL200 (далее ITLA). В таблице 1. приведены характеристики данных лазеров, измеренные методами гетеро- и автогетеродинирования [3,5]. Уход частоты для Dilas не был измерен.
Схема экспериментальной установки показана на Рис.1. Ф-OTDR «Дунай» зондировал волоконную линию с частотой f = 1 кГц двойными импульсами: длительностью каждого импульса
t = 200 нс и задержкой между ними td = 300 нс. Между импульсами формировалась разность фаз [0, л/2, п, 3п/2], что дает возможность восстановить фазу 0(z,t) в рефлектограмме во всех точках волокна. При этом эффективная частота зондирования в двухимпульсном режиме составляла 250 Гц. Для подавления ASE шума усилителей использовались DWDM фильтры перед приёмником: на 34 канал ITU Grid 100 Гц для RIO и ITLA и 41 канал для Dilas. На расстоянии 5км от начала волоконной линии был установлен волоконный пьезомодулятор (PZT), на который подавалось напряжение с генератора сигналов (SG). Данные записывались в течение 1 секунды на участке с 4 по 6 км от начала линии. На рис.2. показаны спектры шума фазы, усредненные по пространственным каналам вдоль 2 км. На рис 3. показаны водопады приращения фазы ^(z,t) = 0(z,t) - 0(z,0) при воздействии PZT 20 нанострейн на частоте 10 Гц. Сигнал PZT виден на координатах 5000-5060 м. На рис.3в (лазер ITLA) на водопаде виден шум в виде горизонтальных полос, возникающий из-за резких изменений несущей частоты зондирующего импульса. Данный эффект описан в работе [6]. Отношение сигнал-шум при воздействии 20 нанострейн получается 45 дБ в полосе 1 Гц для RIO, 27 дБ для Dilas и 20 дБ для ITLA.
Таким образом, экспериментально показана возможность использования диодных РОС-лазеров (на примере Дилаз ИЛНП-249) и ITLA (на примере PurePhotonics PPCL200) в Ф-OTDR с дифференциальной фазовой модуляцией для регистрации воздействий в 20 нанострейн.
256 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
Таблица 1. Характеристики лазеров
Параметры RIO Dilas ITLA
Мощность, ~15 <19 ~18-19
мВт
Длина волны, 1550,12 1544,1 1550,1
нм
Ширина 2 10 <10
линии, кГц
Уход частоты, ~1 - ~30
МГц/с
Фликкер-шум, Гц2 ~106 ~109 ~108
ОСШ, дБ/Гц 45 27 20
I AAA I SG
Рис.1. Схема эксперимента
Частота. Гц
Рис.2. Спектр шума фазового водопада, усредненный по каналам вдоль 2 км
.Ц/инз, .ч
а) RIO б) Dilas в) ITLA
Рис.3. Водопад приращения фазы с разными лазерами при гармоническом воздействии
20 нанострейн с частотой 10 Гц
Литература
1. Shatalin S. V., Treschikov V.N., Rogers A.J. Appl. Opt., 37(24), 5600-5604 (1998)
2. Parker T., Shatalin S., & Farhadiroushan M. First break, 32(2) (2014)
3. Nikitin S. et al. J. of Lightwave Technol. 38(6) 1446-1453 (2019)
4. Nikitin S.P. et al. Laser Phys, 28 (8), 085107 (2018)
5. Fomiryakov E. et al. J. of Lightwave Technol. (2021) doi.org/10.1109/JLT.2021.3082263
6. Бенгальский Д.М. и др. Квантовая электроника, 51(2), 175-183 (2021)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
257
