RU2539849C2 - Способ и устройство распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к распределенным волоконно-оптическим датчикам, в которых измеряются параметры оптического волокна, находящегося под воздействием внешних физических полей. В заявляемых способах распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации в дополнение к известным, использующим три сигнала, предложено использовать четвертый сигнал. Детектирование и статистическая обработка регистрируемых сигналов реализуются средствами обработки и накопления сигналов с нулевым средним. Четвертый сигнал в виде линейно-поляризованного сигнала может вводиться в оптическое волокно навстречу зондирующему сигналу и в поляризации зондирующего сигнала. Вариантом является способ, при котором четвертый сигнал смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании. Технический результат - улучшение пространственного разрешения, точность измерений и/или дальность (длина) тестируемого участка. 6 н. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к распределенным волоконно-оптическим датчикам, в которых измеряются параметры оптического волокна, находящегося под воздействием внешних физических полей.

Способы измерения физических полей на основе динамики вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в волокнах с сохранением поляризации (РМ волокна) хорошо известны и используются в волоконно-оптических датчиках типа BOTDA. Особенность РМ волокон заключается в том, что сигнал, введенный в волокно вдоль одной из поляризационных мод, сохраняет свою поляризацию при распространении по волокну. Поэтому при ВРМБ взаимодействии подобных сигналов внутри волокна отсутствует взаимная деполяризация сигналов, вносящая локальную неопределенность в эффективность ВРМБ взаимодействия.

В коммерческих датчиках на основе ВРМБ (так называемые бриллюэновские анализаторы, или BOTDA) реализованы способы распределенного мониторинга физических полей, например температуры и продольного натяжения, основанные на измерении параметров ВРМБ резонанса [1-4]. Их общая суть заключается в том, что в оптическое волокно, используемое в качестве чувствительного элемента, с противоположных концов подаются два оптических сигнала на частоте накачки

и частоте Стокса

, сдвинутых относительно друг друга примерно на величину ВРМБ-сдвига Ω₀. Один из сигналов непрерывный, другой - импульсный. По меньшей мере один из сигналов сканируется по частоте, обеспечивая тем самым сканирование разности частот

в окрестности средней частоты ВРМБ-сдвига

. Проходящий через волокно импульсный сигнал взаимодействует в процессе ВРМБ с непрерывным сигналом, вызывая локальные изменения его интенсивности. Далее, датчиком регистрируют изменение интенсивности непрерывного сигнала, прошедшего через волокно, как функцию времени и разности частот

. В результате статистической и математической обработки полученных данных определяют пространственно-частотные характеристики ВРМБ резонанса, а именно пространственное распределение коэффициента ВРМБ усиления (или ширину линии ВРМБ усиления), величину Бриллюэновского сдвига Ω₀ [1, 2], положение пиков ВРМБ резонансов в волокнах с несколькими резонансами [3].

Из патента РФ №2179374 (опубликован 10.02.2002; МПК H04B 10/08, G01M 11/02, G01R 31/11) известны варианты устройства для измерения характеристик волокна оптического кабеля. В первом варианте исполнения устройство содержит малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки ω_L, делитель мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому входу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выходом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя. Во втором варианте исполнения устройство содержит малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки ω_L, соединенный выходом со входом делителя мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что первый вывод делителя мощности соединен с входом управляемого оптического затвора, выход которого подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя, противоположный конец исследуемого волокна соединен с первым выводом второго делителя мощности, соединенного вторым выводом с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с противоположным концом первого дополнительного волокна оптического кабеля, подключенного ближним концом к выводу основного канала второго направленного ответвителя мощности, вывод проходного плеча которого соединен со вторым выводом делителя мощности, а вывод ответвительного плеча - с ближним концом второго дополнительного волокна оптического кабеля, противоположный конец которого через оптический усилитель соединен со входом второго делителя мощности, а вывод ответвительного плеча первого направленного ответвителя соединен с поглотителем. Техническим результатом является повышение точности и расширение функциональных возможностей путем использования рассеяния как Бриллюэновского, так и Рамановского.

Однако описанное в указанном патенте распределенное измерение двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации не может быть реализовано способами с применением BOTDA, основанными на ВРМБ взаимодействии оптических сигналов на двух частотах.

Эта задача решена в известном ВРМБ способе, раскрытом в работах [5] и [6]. Данный способ распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации с помощью бриллюэновской динамической решетки основан на отражении зондирующего сигнала от динамической звуковой решетки, образованной при ВРМБ взаимодействии двух встречных световых волн в РМ волокнах.

Суть известного способа заключается в том, что в отрезок оптического РМ волокна вводятся не два, а три оптических линейно-поляризованных сигнала. Два непрерывных или квазинепрерывных сигнала на частоте накачки

и частоте Стокса

, сдвинутых относительно друг друга на величину ВРМБ сдвига Ω₀, вводятся в волокно с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна. Их взаимодействие в волокне приводит к образованию динамической решетки звуковой волны, распространяющейся вдоль всей области взаимодействия сигналов. В поляризации другой главной оси со стороны накачки в волокно подается короткий (наносекундный) зондирующий, или пробный, импульс (или сигнал) на частоте

, сдвинутой относительно основной частоты накачки. Отражение этого импульса от звуковой решетки в процессе его распространения по волокну приводит к образованию встречного излучения в виде длинного импульса на частоте

, во временном распределении мощности которого заключена информация об эффективности отражения зондирующего сигнала от динамической решетки на различных участках вдоль волокна.

Эффективность отражения в каждой точке волокна зависит от положения оптической частоты зондирующего сигнала

относительно его резонансной частоты

при четырехволновом ВРМБ взаимодействии, определяемой соотношением:

$${\omega }_{L0}^Y=\frac{n_X}{n_Y}\frac{\left(1+\frac{v{n}_Y}{c}\right)}{\left(1+\frac{v{n}_X}{c}\right)}{\omega }_{L0}^X\approx \frac{n_X}{n_Y}{\omega }_{L0}^X,\left(1\right)$$

где

и

- оптическая частота основной накачки и резонансная оптическая частота зондирующего сигнала, n_X и n_Y - показатели преломления принципиальных поляризационных мод волокна, с и v - скорости света в вакууме и звука в волокне.

Таким образом, регистрируя положение резонансной частоты

зондирующего сигнала в данной точке волокна относительно

, по разнице частот

определяется пространственное распределение двулучепреломления в волокне:

в частности, когда волокно используется как чувствительный элемент. Этот метод применялся для измерения распределения температуры и давления вдоль волокна с хорошим пространственным разрешением порядка десяти сантиметров [7, 8].

Заметим, что достижение хорошего пространственного разрешения возможно и в том случае, когда короткий зондирующий импульс в поляризации Y вводится в волокно со стороны стоксовой волны на частоте

, сдвинутой относительно стоксовой частоты

, а отражение этого импульса от звуковой решетки в процессе его распространения по волокну приводит к образованию встречного излучения в виде длинного импульса на частоте

, во временном распределении мощности которого заключена информация об эффективности отражения зондирующего сигнала от динамической решетки на различных участках вдоль волокна.

Вышеуказанный способ распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации с помощью бриллюэновской динамической решетки согласно [5], а также соответствующее ему устройство тех же авторов, раскрытое в заявке на патент Китая №102589857 (опубликована 18.07.2012; МПК G01M 11/02), выбраны в качестве ближайших аналогов заявляемых способов и устройств распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации.

Недостатком известных способа и устройства является малая мощность детектируемого рассеянного сигнала, обусловленная низкой эффективностью рассеяния зондирующего импульса на динамической решетке. По этой причине для надежной регистрации отраженной волны (т.е. для обеспечения приемлемого соотношения сигнал/шум) амплитуда интенсивности зондирующего импульса должна быть выбрана достаточно большой, обычно превышающей сотни мВт. Это в значительной степени ограничивает применимость метода для длинных волокон, в которых пороги нелинейных эффектов составляют несколько десятков мВт.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение величины мощности оптических сигналов, необходимых для регистрации пространственного распределения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации. Техническим результатом является улучшение совокупности таких параметров, как пространственное разрешение, точность измерений и/или дальность (длина) тестируемого участка.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации в дополнение к известному используется четвертый сигнал на частоте

и обеспечивается согласованное сканирование разности частот

,

и

в окрестности значений соответственно Ω₀ и H₀, где Ω₀ - величина бриллюэновского сдвига,

- величина сдвига частоты накачки при четырехволновом ВРМБ резонансе, а детектирование и статистическая обработка регистрируемых сигналов реализуются средствами обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

Четвертый сигнал на частоте

в виде линейно-поляризованного сигнала может вводиться в оптическое волокно навстречу зондирующему импульсу и в поляризации зондирующего импульса, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум.

Указанный результат также может достигаться в случае, когда четвертый сигнал на частоте

в волокно не вводится, а смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, что является еще одним вариантом реализации способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации.

Заявляемое устройство, предназначенное для реализации способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, состоит из оптического генератора, двух поляризационных комбайнеров, поляризационного делителя, РМ циркулятора, оптического волокна, по крайней мере одного фотодетектора, процессора. Еще один вариант заявляемого устройства состоит из оптического генератора, одного поляризационного комбайнера, оптического волоконного ответвителя, поляризационного делителя, РМ циркулятора, оптического волокна, по крайней мере одного фотодетектора, процессора.

Упомянутый оптический генератор вырабатывает узкополосное оптическое излучение одновременно на четырех различных частотах

,

,

,

в окрестности частот соответственно

,

,

,

и оснащен средствами, обеспечивающими стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот

,

и

, контроль формы импульса, интенсивности и/или фазы излучения на этих частотах, а упомянутый процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов известными методами обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

Далее изобретение более подробно раскрывается со ссылками на прилагающиеся фигуры.

На фиг.1 приведен типичный пример расположения резонансных частот взаимодействующих оптических сигналов для длины волны ~1550 нм (сверху) и схема ввода сигналов в волокно с сохранением поляризации.

На фиг.2. приведена принципиальная схема заявляемого устройства: вверху - первый вариант, внизу - второй вариант.

На фиг.3 приведена принципиальная схема оптического генератора.

На фиг.4 приведены параметры оптических сигналов, используемые в расчетах для Примера 1.

На фиг.5 приведена типичная форма сигнала, детектируемого на частоте

.

На фиг.6 приведен вид производной по времени от сигнала, представленного на фиг.5.

На фиг.7 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала, усредненной по 10 реализациям.

На фиг.8 приведен зум сигналов (т.е. в более крупном масштабе), представленных на фиг.7.

На фиг.9 приведены параметры оптических сигналов, используемые в расчетах для Примера 2.

На фиг.10 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала, усредненной по 10 реализациям (сверху) и подобный сигнал (снизу), но полученный при отсутствии сигнала на частоте

(трехчастотный метод).

На фиг.11 приведен зум сигналов, представленных на фиг.10 (сверху).

На фиг.12 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала согласно Примеру 3, усредненной по 25 реализациям.

На фиг.13 приведен зум сигналов, представленных на фиг.12.

Заявляемые варианты способа основаны на особенностях динамики вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в оптических волокнах с сохранением поляризации (РМ волокнах) и особой восприимчивости этого процесса к локальным вариациям двулучепреломления (в т.ч. под влиянием измеряемых внешних воздействий), определяемых путем детектирования и математической обработки сигналов, полученных с выхода волокна при амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей.

В данном способе могут быть использованы обычные оптические волокна с сохранением поляризации (РМ волокна), а также применяться РМ волокна особой конструкции и (или) РМ волокна, заключенные в кабель особой конструкции, в обоих случаях обеспечивающие избирательную чувствительность наведенного двулучепреломления к измеряемому внешнему полю.

Способ имеет преимущества в системах, предназначенных для распределенного измерения сразу двух или более видов внешних воздействий (в комбинации с другими методами), а также в случаях, когда необходимо обеспечить лучшие, по сравнению с известными методами, пространственное разрешение, точность измерения и (или) дальность тестируемого участка. Заявляемые варианты устройства реализуют предложенные варианты способа.

Технический результат достигается следующим образом.

В одном варианте реализации способа согласно изобретению излучение на частотах накачки

,

и стоксовых сигналов

,

вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу в поляризациях, соответствующих главным поляризационным осям волокна (X и Y). Вблизи условий резонанса, описываемых уравнением (1) (в присутствии всех сигналов на всех четырех частотах), пары волн накачки и Стоксовых волн, относящиеся к разным поляризациям, взаимодействуют друг с другом через единую гиперзвуковую волну, образованную в среде этими двумя парами. Необходимым условием такого резонанса является близость резонансного сдвига частоты

зондирующего импульса относительно первой частоты накачки

, описываемого уравнением (1), и аналогичный сдвиг частоты

второго стоксового сигнала относительно частоты

первого стоксового сигнала (см. фиг.1). Производя детектирование и обработку сигналов, полученных с выхода волокна при согласованной амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей, измеряются пространственно-частотное распределение резонанса, в частности, распределение по волокну положения резонансного сдвига H₀, ширины резонанса, его профиль. По положению резонанса репродуцируется распределение Δn. Другие характеристики резонанса также могут быть использованы как независимые параметры для измерения внешних воздействий.

При обработке детектируемых сигналов следует иметь в виду, что эффективность взаимодействия пар волн в волокне зависит от соотношения их фаз в месте взаимодействия:

где

- фаза волны на частоте

в месте взаимодействия; i=X, Y; j=L, S.

При -π/2<Ф<π/2 взаимодействие пар приводит к увеличению общего инкремента усиления в каждой из них, при π/2<Ф<3π/2 - к уменьшению. В общем случае инкремент ВРМБ взаимодействия пар оптических сигналов отличается от инкремента усиления вне резонанса, где процесс ВРМБ в каждой из пар протекает независимо. Однако зависимость эффективности взаимодействия от соотношения фаз Ф делает результаты измерений зависимыми от фазового шума. Поскольку полоса фазового шума даже в длинных волокнах составляет 10-100 кГц, такой шум не приводит к значительным искажениям сигнала за один цикл измерения, а при усреднении сигнала по многим циклам необходимо использовать известные схемы статистической обработки сигналов с нулевым средним. В частности, в рассматриваемом ниже примере в качестве полезного сигнала использовались среднеквадратичные отклонения производной регистрируемого сигнала по времени.

В другом варианте реализации способа согласно изобретению излучение на частотах накачки

,

и стоксового сигнала

вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу в поляризациях, соответствующих главным поляризационным осям волокна (X и Y). Четвертый сигнал на частоте

смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум.

Аналогично первому варианту производят детектирование и обработку сигналов, полученных с выхода волокна при согласованной амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей, измеряют пространственно-частотное распределение резонанса, в частности, распределение по волокну положения резонансного сдвига H₀, ширины резонанса, его профиль. По положению резонанса репродуцируется распределение Δn. Другие характеристики резонанса также могут быть использованы как независимые параметры для измерения внешних воздействий.

В отношении второго варианта реализации способа согласно изобретению также применимы вышеуказанные замечания относительно эффективности взаимодействия пар волн в волокне, зависящей от соотношения их фаз в месте взаимодействия.

Существенным отличием обоих заявляемых вариантов способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации от известных из уровня техники является использование дополнительного, четвертого сигнала на стоксовой частоте

с последующей обработкой сигналов на выходе из волокна. Это позволяет повысить соотношение сигнал/шум, а следовательно, повысить пространственное разрешение и точность измерений и увеличить длину тестируемого участка.

Реализация первого и второго заявляемых вариантов способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации может быть осуществлена при помощи устройств, представленных соответственно на верхнем и нижнем рисунках на фиг.2. Принципиальным отличием заявляемых устройств от существующих аналогов является наличие генератора (1) оптического излучения, вырабатывающего узкополосное оптическое излучение одновременно на четырех различных частотах

,

,

,

в окрестности резонансных частот четырехволнового ВРМБ взаимодействия - соответственно

,

,

,

, связанных соотношениями (1), и

, где Ω₀ - величина ВРМБ сдвига, а также наличие дополнительных средств, обеспечивающих стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот

, $${\Omega }^X={\omega }_L^X-{\omega }_S^X$$

и

известными методами, и контроль известными методами формы импульса, интенсивности и (или) фазы излучения на этих частотах.

Два волоконно-оптических выхода генератора на частотах

и

оптически связаны с волоконным поляризационным комбайнером (2). Поляризационный комбайнер (2) - это известный волоконно-оптический элемент, который обеспечивает объединение линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации. При этом излучение на частоте

вводится в X-поляризацию выходного волокна поляризационного комбайнера (2), а излучение на частоте

- в Y-поляризацию выходного волокна поляризационного комбайнера (2). Волоконно-оптический поляризационный комбайнер (2) оптически связан с волоконно-оптическим РМ циркулятором (3). РМ циркулятор (3) - это известный волоконно-оптический элемент, который обеспечивает сохранение поляризации и развязку излучения, поступающего с противоположных входов. Излучение на частотах

и

через РМ циркулятор (3) и устройство ввода (4) в волокно в двух независимых линейных поляризациях соответственно X и Y поступает в оптическое волокно (5), выступающее в качестве чувствительного элемента.

Для осуществления первого варианта заявляемого способа два волоконно-оптических выхода генератора (1) на частотах

и

оптически связаны с волоконным поляризационным комбайнером (6), аналогичным поляризационному комбайнеру (2), который через устройство ввода (7) передает излучение в оптическое волокно (5) с сохранением поляризации, выступающее в качестве чувствительного элемента (верхний рисунок на фиг.2).

В втором варианте способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором четвертый сигнал на частоте

смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, нет необходимости в использовании поляризационного комбайнера (6) (нижний рисунок на фиг.2). В этом случае устройство дополнительно оснащено оптическим волоконным РМ ответвителем (8), который отводит излучение генератора (1) оптического излучения на частоте

и направляет его непосредственно на быстрый фотодетектор (9) для регистрации совместно с сигналом, поступающим с поляризационного делителя (10) в Y-поляризации.

Используемым оптическим волокном (5) может являться любое волокно с сохранением поляризации (например, типа PANDA), обладающее чувствительностью к изменению физических параметров (температуры, продольного натяжения, поверхностного давления), определяемых через регистрацию величины резонансного сдвига H₀.

Излучение на частотах

и

, прошедшее оптическое волокно (5) и содержащее информацию о распределении тестируемого параметра H₀ вдоль волокна (полученное через его нелинейное взаимодействие в волокне с излучением на частотах

и

), через устройство ввода (4) и циркулятор (3) подается на поляризационный делитель (10). Поляризационный делитель (10) передает излучение в ортогональных поляризациях в два оптических канала. Оптические сигналы из этих двух каналов преобразуются быстрыми селективными фотодетекторами (9) в электрические сигналы, которые поступают в процессор (11) для накопления, математической обработки и извлечения информации о пространственном распределении упомянутых параметров.

Процессор (11) обеспечивает синхронную работу всех элементов системы: задает момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе (1) оптического излучения, сбор и обработку сигналов с фотодетекторов (9).

На фиг.3 представлена схема генератора (1) оптического излучения, выполненная на основе перестраиваемых полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью. Здесь лазеры (12-15) представляют собой перестраиваемые полупроводниковые лазеры типа RIO [9], в которых электронными средствами обеспечивается перестройка и стабилизация частот лазеров (13-15) относительно задающего лазера (12). Все лазеры (12-15) оптически связаны с волоконными усилителями (16-19) и электрооптическими модуляторами (20-23), обеспечивающими посредством синхронизатора (24) синхронизованное по времени формирование импульсов заданной формы и интенсивности, поступающие на четыре волоконно-оптических выхода генератора (1), выполненные на волокнах с сохранением поляризации.

Заявленные варианты устройства являются универсальными, поскольку помимо реализации заявляемых вариантов способа, основанного на четырехчастотном взаимодействии в волокне, также позволяют реализовывать упомянутые выше, известные из уровня техники способы распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, основанные на двух- и трехчастотном взаимодействии.

В качестве примера конкретной реализации способа, при котором излучение на частотах накачки

,

и стоксовых сигналов

,

вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу, ниже приведены результаты моделирования работы заявляемого устройства для реализации данного варианта способа. Расчеты выполнены в приближении, достаточном для анализа датчиков длиной менее 10 км. Уравнения получены из системы уравнений, описывающих динамику бриллюэновского рассеяния [10, 11]:

где

,

$$W_2^{X,Y}=\frac{{\left(1+\frac{\delta {\Omega }^{X,Y2}}{{\Omega }_{00}}\right)}^2}{{\left(1+\frac{\delta {\Omega }_0^{X,Y}}{{\Omega }_{00}}\right)}^2\left(\left(1+\frac{\delta {\Omega }^{X,Y}}{{\Omega }_{00}}\right)-i\frac{\gamma }{{\Omega }_{00}}\right)}$$

,

,

t и x - текущие время и координата вдоль волокна,

- комплексные амплитуды соответствующих оптических и акустических полей (H), g - фактор бриллюэновского усиления, ρ^X,Y(t,x) - Ланжевеновские источники акустического шума, α - коэффициент линейного затухания, Ω₀₀ - частота бриллюэновского сдвига в невозмущенном волокне, H₀₀ - частота сдвига H₀ для невозмущенного волокна,

- отстройка частот волн от резонансов

, соответствующих значениям Ω₀₀ и H₀₀, $$\delta {\Omega }_0^{X,Y}={\Omega }_0^{X,Y}-{\Omega }_0$$

- отклонение частоты бриллюэновского сдвига от Ω₀₀, δH₀=H₀-H₀₀ - отклонение величины H₀ от H₀₀,

,

.

Для демонстрации применимости первого варианта способа данная система уравнений решалась численно с параметрами, соответствующими длине тестируемого волокна 100 м при накачке на длине волны ~1550 нм. Предполагалось, что в 10 различных точках волокна на отрезках в 20 см (во второй точке на отрезке в 1,2 м) отклонение двулучепреломления от номинального составляет δΔn≈5·10^-7.

Пример 1. Схема численного эксперимента была следующей. Накачка на резонансной частоте $${\omega }_{L0}^Y$$

и стоксовы сигналы на резонансных частотах $${\omega }_{S0}^X$$

и $${\omega }_{S0}^Y$$

представляли собой непрерывное излучение мощностью соответственно 50 мВт, 10 мВт и 50 мВт (фиг.4). Накачка на частоте $${\omega }_{L0}^X$$

- импульс длительностью 1 нс и амплитудой 50 мВт. Фаза импульса накачки менялась от импульса к импульсу равновероятно от 0 до 2π.

Сигнал отклика наблюдался во временной развертке стоксового излучения на частоте $${\omega }_{S0}^X$$

(фиг.5). Этот сигнал дифференцировался (фиг.6), нормировался на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 10 реализации представлен на фиг.7 и в увеличенном масштабе - на фиг.8. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается.

Пример 2. Схема численного эксперимента была следующей. Стоксовы сигналы на резонансных частотах $${\omega }_{S0}^X$$

и $${\omega }_{S0}^Y$$

представляли собой непрерывное излучение мощностью 10 мВт каждый (фиг.9). Накачки на частотах $${\omega }_{L0}^X$$

и $${\omega }_L^X$$

- импульсы длительностью 1 нс и амплитудой 250 мВт. Фаза импульса накачки менялась от импульса к импульсу равновероятно от 0 до 2π.

Сигнал отклика наблюдался во временных развертках стоксового излучения на частотах $${\omega }_{S0}^X$$

и $${\omega }_{S0}^Y$$

. Аналогично Примеру 1, эти сигналы дифференцировались, нормировались на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 10 реализации представлен на фиг.10 (сверху) и в увеличенном масштабе - на фиг.11. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается. При условии, когда непрерывный сигнал накачки на частоте $${\omega }_{S0}^X$$

не подавался, т.е. имело место просто рассеяние импульса на динамической решетке, выявить сигнал на фоне шума не удавалось (фиг.10, снизу).

Для демонстрации способа по второму варианту схема численного эксперимента была следующей.

Пример 3. Параметры сигналов на четырех частотах выбраны такими же, как в Примере 1. Разница заключается в том, что излучение на частоте $${\omega }_{S0}^Y$$

в волокно не вводится, а добавляется к рассеянному излучению при его регистрации. Также как и ранее, сигнал отклика дифференцировался, нормировался на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 25 реализации представлен на фиг.12 и в увеличенном масштабе - на фиг.13. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается.

Таким образом, предложенный способ позволяет значительно увеличить соотношение сигнал/шум по сравнению с известным методом рассеяния на динамической решетке. В свою очередь, это позволяет повысить пространственное разрешение, т.е. точность измерений, и увеличить длину тестируемого участка.

Литература

1. X. Bao, Q. Yu, and L. Chen, "Simultaneous strain and temperature measurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of a distributed Brillouin loss system," Opt. Lett. 29, 1342-1344.

2. X. Liu and X. Bao, "Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement," IEEE J. of Lightwave Techn. 30, 1053-1059.

3. L. Zou, X. Bao, S.A.V., and L. Chen, "Dependence of the Brillouin frequency shift on strain and temperature in a photonic crystal fiber," Optics Lett. 29, 1485-1487.

4. Патент РФ №2346235 (опубликован 10.02.2009; МПК G01B 11/16).

5. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "Truly distributed birefringence measurement of polarization-maintaining fibers based on transient Brillouin grating," Optics Lett. 35, 193-195.

6. K.Y. Song, W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Optical time-domain measurement of Brillouin dynamic grating spectrum in a polarization-maintaining fiber," Opt. Lett. 34, 1381-1383.

7. W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Complete discrimination of strain and temperature using Brillouin frequency shift and birefringence in a polarization-maintaining fiber," Optics Express 17, 1248-1255.

8. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "High-Spatial-Resolution Time-Domain Simultaneous Strain and Temperature Sensor Using Brillouin Scattering and Birefringence in a Polarization-Maintaining Fiber," Phot. Techn. Lett. 22, 1364-1366.

9. http://www.rio-inc.com/

10. B.C. Старунов, И.Л. Фабелинский "Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света" УФН 98 441-491 (1969).

11. А.А. Fotiadi et al., "Statistical properties of stimulated Brillouin scattering in singlemode optical fibers above threshold". Opt. Lett., vol.27, pp.83-85 (2002).

Claims (8)

1. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления n_X оптические сигналы на частотах $${\omega }_L^X$$

и $${\omega }_S^X\approx {\omega }_L^X-{\Omega }_0$$

, где Ω₀ - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления n_Y зондирующий сигнал на частоте $${\omega }_L^Y$$

сонаправленно с сигналом на частоте $${\omega }_L^X$$

, вызывая модуляцию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное по отношению к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н₀, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле n_Y-n_X≈n_YH₀ величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
в оптическое волокно навстречу зондирующему сигналу и в поляризации зондирующего сигнала дополнительно вводят четвертый оптический сигнал на частоте $${\omega }_S^Y\approx {\omega }_L^Y-{\Omega }_0$$

,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

и $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

относительно величины Н₀ и разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

относительно Ω₀,
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

2. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления n_X оптические сигналы на частотах $${\omega }_L^X$$

и $${\omega }_S^X\approx {\omega }_L^X-{\Omega }_0$$

, где Ω₀ - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления n_Y зондирующий сигнал на частоте $${\omega }_S^Y$$

сонаправленно с сигналом на частоте $${\omega }_S^X$$

, вызывая модуляцию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное по отношению к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н₀, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле n_Y-n_X≈n_YH₀ величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
в оптическое волокно навстречу зондирующему сигналу и в поляризации зондирующего сигнала дополнительно вводят четвертый оптический сигнал на частоте $${\omega }_L^X\approx {\omega }_S^X+{\Omega }_0$$

,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

и $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

относительно величины H₀ и разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

относительно Ω₀,
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

3. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления n_X оптические сигналы на частотах $${\omega }_L^X$$

и $${\omega }_S^X\approx {\omega }_L^X-{\Omega }_0$$

, где Ω₀ - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления n_Y зондирующий сигнал на частоте $${\omega }_L^Y$$

сонаправленно с сигналом на частоте $${\omega }_L^X$$

, вызывая генерацию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига H₀, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле n_Y-n_X≈n_YH₀ величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
при детектировании встречного излучения в поляризации Y к нему дополнительно примешивают четвертый оптический сигнал на частоте $${\omega }_S^Y\approx {\omega }_L^Y-{\Omega }_0$$

,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

и $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

относительно величины Н₀ и разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

относительно Ω₀, и
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

4. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления n_X оптические сигналы на частотах $${\omega }_L^X$$

и $${\omega }_S^X\approx {\omega }_L^X-{\Omega }_0$$

, где Ω₀ - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления n_Y зондирующий сигнал на частоте $${\omega }_S^Y$$

сонаправленно с сигналом на частоте $${\omega }_S^X$$

, вызывая генерацию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н₀, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле n_Y-n_X≈n_YH₀ величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
при детектировании встречного излучения в поляризации Y к нему дополнительно примешивают четвертый оптический сигнал на частоте $${\omega }_L^X\approx {\omega }_S^Y+{\Omega }_0$$

,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

и $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

относительно величины Н₀ и разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

относительно Ω₀, и
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

5. Устройство распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, включающее
генератор оптического излучения для генерации оптического излучения с заданными характеристиками,
два поляризационных комбайнера для объединения линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации,
поляризационный делитель для разделения входного излучения по двум ортогональным поляризациям в два оптических канала,
РМ циркулятор для развязки излучения, поступающего с противоположных волоконных выходов с сохранением поляризации,
оптическое волокно, обладающее чувствительностью к изменению физических параметров, определяемых посредством регистрации величины резонансного сдвига, по крайней мере один фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрические сигналы, и
процессор для обеспечения синхронной работы всех элементов системы, задающий момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе оптического излучения и осуществляющий сбор, накопление и математическую обработку сигналов с фотодетекторов,
причем генератор оптического излучения выполнен с возможностью выработки узкополосного оптического излучения одновременно на четырех различных частотах в окрестности частот $${\omega }_L^X$$

, $${\omega }_L^Y$$

, $${\omega }_S^X$$

, $${\omega }_S^Y$$

,
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

, $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

, $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

, и
процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

6. Устройство распределенного измерения двулучепреломления по п.5, отличающееся тем, что физическими параметрами, определяемыми посредством регистрации величины резонансного сдвига, являются температура, или продольное натяжение, или поверхностное давление.

7. Устройство распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, включающее
генератор оптического излучения для генерации оптического излучения с заданными характеристиками,
поляризационный комбайнер для объединения линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации,
волоконный РМ ответвитель, на который направляется сигнал от генератора оптического излучения на частоте $${\omega }_S^Y$$

и посредством которого указанный сигнал объединяется с сигналом, поступающим с поляризационного делителя в Y-поляризации для их совместной регистрации,
поляризационный делитель для разделения входного излучения по двум ортогональным поляризациям в два оптических канала,
РМ циркулятор для развязки излучения, поступающего с противоположных волоконных выходов с сохранением поляризации,
оптическое волокно, обладающее чувствительностью к изменению физических параметров, определяемых посредством регистрации величины резонансного сдвига, по крайней мере один фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрические сигналы, и
процессор для обеспечения синхронной работы всех элементов системы, задающий момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе оптического излучения и осуществляющий сбор, накопление и математическую обработку сигналов с фотодетекторов,
причем генератор оптического излучения выполнен с возможностью выработки узкополосного оптического излучения одновременно на четырех различных частотах в окрестности частот $${\omega }_L^X$$

, $${\omega }_L^Y$$

, $${\omega }_S^X$$

, $${\omega }_S^Y$$

,
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот $${\omega }_L^X-{\omega }_L^Y\equiv H_L$$

, $${\omega }_S^X-{\omega }_S^Y\equiv H_S$$

, $${\omega }_L^X-{\omega }_S^Y\equiv \Omega$$

, и
процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.

8. Устройство распределенного измерения двулучепреломления по п.7, отличающееся тем, что физическими параметрами, определяемыми посредством регистрации величины резонансного сдвига, являются температура, или продольное натяжение, или поверхностное давление.

Images