CC BY
14DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-227-228
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СЛАБООТРАЖАЮЩИХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЁТОК
1* 12 1 1 1 Кошелев К.И. , Жирнов А.А. ' , Степанов К.В. , Чобан Т.В. , Чернуцкий А.О. ,
Хан Р.И. , Пнев А.Б. , Лопунов А.И. , Бутов О.В.
1МГТУ
им. Н.Э. Баумана, г. Москва 2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва
E-mail: koshelev-k@yandex.ru
Волоконно-оптические сенсорные системы для регистрации различных вибрационных воздействий сейчас получают всё более широкое распространение и применяются для контроля периметров охраняемых территорий, трубопроводов, авто- и железных дорог, телекоммуникационных линий и других важных объектов [1-2]. При исследовании таких систем основное внимание уделяется блоку обработки сигналов, улучшению его характеристик стабильности и уменьшению уровню шумов [3-4]. При этом проблеме использования самого чувствительного элемента - сенсорного волоконно-оптического кабеля - уделяется значительно меньшее внимание. Несмотря на то, что в последнее время проведено несколько исследований, посвященных данной тематике [5-6], до сих пор нет общепризнанной стандартной методики по измерению акустической чувствительности кабеля и плохо исследованы погрешности существующих.
На данный момент наиболее распространённым распределенным датчиком вибрации является волоконно-оптическая сенсорная система на базе фазочувствительного рефлектометра. Но из-за случайной природы процессов рассеяния в стандартной системе использовать данный тип прибора для измерения акустической чувствительности кабеля некорректно. Для проведения количественных оценок применяют схемы на основе интерферометров Маха-Цендера. Одним из проблем такой схемы в данном случае является наличие сильного вибрационного источника в установке, что делает затруднительным изоляцию от внешних воздействий опорного плеча. В таких условиях перспективной выглядит установка, основанная на волоконном интерферометре Физо, в котором роль зеркал выполняют слабоотражающие волоконные брэгговские решётки (СВБР) [7-8], приваренные или присоединённые через коннекторы к концам образца кабеля. Схема представлена на рисунке 1.
Рис. 4: Схема экспериментальной установки для измерения акустической чувствительности волоконных кабелей на основе интерферометра Физо
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
227
Излучение от узкополосного лазерного источника попадает на разветвитель 99/1, в котором большая часть мощности направляется к сенсорному кабелю через циркулятор, а меньшая - к разветвителю 3х3 для восстановления фазы интерференционного сигнала. Излучение, попавшее в линию с кабелем, частично отражается от СВБР1 и СВБР2 и интерферирует между собой с учётом набега фазы в этом кабеле, который также будет зависеть от интенсивности звукового воздействия на него. За счёт малых коэффициентов отражения СВБР (порядка 0,1%) контраст получаемой интерференционной картины будет практически максимальным благодаря равному уровню отражённых мощностей и пренебрежимо малому затуханию на участке исследуемого волокна. Уровень мощности на разветвителе 3х3, приходящий от лазера, подстраивается под максимальную интенсивность интерференционной картины с помощью переменного аттенюатора. Интерференционный сигнал на приёмниках излучения ПИ1 и ПИ2 имеет смещение по фазе 2л/3, что позволяет восстановить фазу сигнала [9] и корректно обработать спектральные компоненты звуковых воздействий большой амплитуды.
Созданная установка имеет преимущество над ранее рассмотренными в части возможности регистрации амплитуд звуковых сигналов в большом динамическом диапазоне за счёт восстановления фазы, чего нельзя получить в схеме с интерферометром Маха-Цендера со стабилизируемым пьезоэлектриком положении рабочей точки. Кроме того, в представленной схеме отсутствует опорное плечо интерферометра, которое являляется потенциальным приёмником акустических шумов установки.
Литература
1. Т.В.Чобан и др. Распределённый волоконно-оптический датчик вибрации на основе интерферометра Саньяка, Лазеры в науке, технике, медицине: Сборник научных трудов XXXI Международной конференции, Москва, 28-30 октября 2020 года, С. 99-103 (2020)
2. Лукашова Т.О. и др. Точность измерения и пространственная разрешающая способность распределенного температурного датчика на основе двухимпульсного дифференциального когерентного рефлектометра, Квантовая электроника, Т. 50, №. 9, С. 882-887 (2020)
3. Konstantin V.Stepanov, Andrey A.Zhirnov, Anton O.Chernutsky, Kirill I.Koshelev, Alexey B.Pnev, Alexey I. Lopunov, Oleg V.Butov, «The Sensitivity Improvement Characterization of Distributed Strain Sensors Due to Weak Fiber Bragg Gratings», Sensors 2020, 20 (22), 6431
4. VA.Yatseev, A.M.Zotov, O.V.Butov, «Combined frequency and phase domain time-gated reflectometry based on a fiber with reflection points for absolute measurements», Results in Physics 19 (2020), 103485
5. Степанов К.В. и др. Оптические кабели с повышенной акустической чувствительностью и методы их контроля, Фотон-экспресс, №. 6, С. 122-123 (2019)
6. Hofmann J., Facchini M., Lowell M. Analysis of the acoustic response in water and sand of different fiber optic sensing cables, Sensors for Extreme Harsh Environments II. International Society for Optics and Photonics, Т. 9491. С. 94910E (2015)
7. Попов С.М. и др. Оптические волокна и волоконные тейперы с массивом брэгговских решеток, Квантовая электроника, Т. 49, №. 12, С. 1127-1131 (2019)
8. И.А. Зайцев, О.В. Бутов, В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, М.Ю. Вяткин, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский, «Оптическое Волокно c Распределенным Отражателем Брэгговского Типа», Радиотехника и электроника, том 61, № 6, c.602-608, 2016
9. Koo K.P., Tveten A.B., Dandridge A. Passive stabilization scheme for fiber interferometers using (.3 x 3) fiber directional couplers, Applied Physics Letters, Т. 41, №. 7, С. 616-618 (1982)
228 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
