CC BY
21DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-252-253
ВЛИЯНИЕ ФАЗОВЫХ ШУМОВ ЛАЗЕРА НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ КОГЕРЕНТНЫХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ РЭЛЕЯ С УСРЕДНЕНИЕМ СИГНАЛА
Фомиряков Э.А.1'2*, Харасов Д.Р.3'1, Никитин С.П.1'4, Наний О.Е.1'2, Трещиков В.Н.1'5
'Группа компаний Т8, г. Москва 2МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва ^Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный 4OOO «ФемтоВижн», г. Москва 5ФИРЭ РАН им А.В.Котельникова, г.Фрязино E-mail: fomiryakov@t8.ru
Фазочувствительные (когерентные) оптические рефлектометры рассеяния Рэлея в оптическом волокне (Ф-OTDR, COTDR) широко применяются как распределенные датчики виброакустических воздействий [1, 2] и температуры [3] для мониторинга и охраны протяженных объектов.
Чувствительность Ф-OTDR принципиально ограничена шумами фазы/частоты лазера [4]. Наиболее часто встречающимися типами шумов частоты лазера являются белый шум (определяющий мгновенную ширину линии лазера), фликкер-шум и случайный дрейф частоты оптической несущей [4,5]. Для измерения фазо-частотных шумов обычно используют методы гетеро- и автогетеродинирования, а для численной характеристики шумов - спектральную плотность шума и/или дисперсию Аллана частоты [4-6]. Дисперсия Аллана описывает разброс относительных приращений случайной величины, усредненной на характерном временном интервале т, и является надежно измеряемой в эксперименте величиной.
В данной работе исследуется влияние фазовых шумов лазера, используемого в рефлектометре, на дисперсию Аллана интенсивности рефлектограммы с целью получить оценку для предела чувствительности рефлектометра, достижимого методом усреднения последовательно измеренных рефлектограмм (или иного способа, связанного с цифровой фильтрацией сигнала рефлектометра). В силу случайного характера сигнала Ф-OTDR (т.е. рефлектограммы) в такой анализ необходимо включить сигналы от многих точек вдоль волокна. Для этого относительную дисперсию Аллана интенсивности рефлектограммы можно усреднить на участке волокна с длиной много больше длины рассеяния зондирующего импульса:
= <[ ]2 >/2. {in (z) )
Здесь In(z) - среднее за время т n-ое значение интенсивности рефлектограммы в точке волокна z, верхняя черта означает усреднение по n, а угловые скобки - усреднение вдоль длины. Обратная величина ОСША (т) = 1Дст12(т)^ характеризует отношение сигнала к шуму в последовательности
рефлектограмм, усредненных за время т. Последняя величина имеет наглядный, практически понятный смысл, и поэтому именно она используется при дальнейшем обсуждении результатов.
В данной работе для численной оценки влияния фазовых шумов разного характера на ОСША использована ранее разработанная нами модель сигнала когерентного рефлектометра, включающая в себя шумы лазерного излучения [5]. Результаты моделирования представлены прямыми линиями на рис.1. Три сплошные наклонные линии в левой части рис.1 относятся к моделям лазера с различными уровнями белого шума частоты, соответствующим мгновенным ширинам линии 1, 10, 200 кГц при стабильной частоте несущей, а две штрихпунктирные линии справа в правой - к моделям лазера с нулевым уровнем белого шума, но с линейными уходами частоты 100 кГц/с и 1 МГц/с. Видно, что если основным шумом лазера является белый шум частоты, то чувствительность Ф-OTDR можно улучшить усреднением последовательно измеренных рефлектограмм, что используется при измерении медленных воздействий на волокно. Такой сценарий возможен, например, при использовании лазеров с привязкой частоты к частоте моды внешнего высокостабильного резонатора [7] или к оптической частоте молекулярного перехода [8]. Однако, если частота несущей лазера дрейфует, то улучшение чувствительности рефлектометра методом усреднения сигнала имеет предел, зависящий от скорости частотного дрейфа. В частности, при использовании когерентного рефлектометра компании «Т8 Сенсор» [4] и одиночных зондирующих импульсов длительностью T = 200 нс сдвиг частоты несущей на 1/T ~5 МГц между последовательными рефлектограммами
приводит к полной декорреляции между ними [9]. При используемой в данной работе частоте зондирования 1 кГц такой дрейф частоты настолько велик, что на практике не встречается. Тем не менее, и более медленные уходы частоты приводят к ограничениям метода усреднения рефлектограмм, что находит отражение в описываемой модели и подтверждается экспериментально.
Табл.1. Результаты эксперимента и характеристики используемых лазеров
Обозначение Лазер Ширина линии [5, 6], кГц Линейный дрейф частоты [5], МГц/с Оптимальное время усреднения по ОСШа, tmax, с
INV "Inversion Fiber" <0,1 0,3 ~0,005
RIO "RIO Orion" 2,0 0,5 0,07
CLA "Wavelength References Clarity" 300 <0,1 0,15; >2
OEW "OE Waves OE4023" <0,1 0,5 0,015
Экспериментальные результаты измерений ОСША интенсивности, измеренные на первых километров волокна, где фазовые шумы являются преобладающими, представлены также на рис.1. Интересно, что сравнение модельных и экспериментальных данных позволяет оценить как мгновенную ширину линии (т.е. интенсивность белого шума частоты), так и линейный дрейф частоты тестируемых лазеров (см. таблицу 1, в которой указаны оптимальные времена усреднения и результаты прямых измерений шумовых параметров, полученные ранее методами гетеро- и автогетеродинирования [4,5]). Оценка ширины линии для лазеров с шириной линии >1 кГц с помощью ОСШ Аллана в сигнале рефлектометра показывает вполне сопоставимые значения, что нельзя сказать о лазерах с шириной линии менее 100 Гц. Это расхождение можно объяснить влиянием фликкер-шума частоты, относительных шумов интенсивности лазера и шумов электроники в приемном тракте, не учтенных при моделировании. Значения линейного дрейфа частоты во всех случаях показывают хорошее совпадение с прямыми измерениями. Также именно оно определяет оптимальное время ттах для усреднения рефлектограмм.
Из данных, представленных на рис.1, видно: выбор оптимального ттах позволяет увеличить чувствительность Ф-ОТБЯ на 10 - 20 дБ для лазеров, используемых в данном эксперименте. Особенность ОСШ Аллана для лазера СЬА, проявляющаяся как рост при временах более 1 с, может быть связана с особенностями стабилизации частоты лазера.
__X^v^vç,
\ >=■ 4
■CLA
- INV OEW
- RbO
_ Jlofien L^ecKa
- V * < '/I,** ■
Рис.1. ОСШ Аллана интенсивности рефлектограммы для лазеров с различными уровнями шумов частоты
Представлены результаты численного моделирования и экспериментальных измерений влияния фазовых шумов разного типа на дисперсию Аллана сигнала рефлектометра. Установлены пределы улучшения чувствительности когерентных рефлектометров методом усреднения принимаемого сигнала, а также определены оптимальные времена усреднения сигнала рефлектометра при использовании нескольких лазеров разного типа. Данные результаты важны для понимания пределов улучшения точности и чувствительности когерентных рефлектометров при обнаружении медленных воздействий, таких как изменения температуры и квазистатические деформации. Кроме того, полученные результаты важны при выборе лазеров для когерентных рефлектометров.
Литература
1. Hartog A.H. An introduction to distributed optical fiber sensors, CRC press (2017)
2. Shatalin S. V., Treschikov V.N., Rogers A J. Appl. Opt. 37(24), 5600-5604 (1998)
3. Koyamada Y. et al. IEICE transactions on communications. 89(5), 1722-1725 (2006)
4. Nikitin S.P. et al. J. of Lightwave Technol. 38(6), 1446-1453 (2019)
5. Fomiryakov E.A. et al. J. of Lightwave Technol. (2021) doi.org/10.1109/JLT.2021.3082263
6. Ishida O.J. of Lightwave Technol. 9(11), 1528-1533 (1991)
7. Drever R. W.P. et al. Appl. Phys. 31, 97-105 (1983)
8. Gilbert S.T. et.al. NIST special publication. 260, 137 (1999)
9. Mermelstein M.D. et al. Opt. Lett. 26(2), 58-60 (2001)
