Оптический бриллюэновский рефлектометр

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к оптоэлектронным устройствам для измерения, контроля параметров и ранней диагностики оптических волокон (ОВ), позволяющим осуществлять измерение степени натяжения ОВ с определением местоположения участков линии, находящихся под повышенным механическим натяжением, и может быть использована для контроля параметров ОВ при прокладке, эксплуатации и ранней диагностики волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является оптический бриллюэновский рефлектометр (ОБР) [Патент RU №141314 опубл. 27.05.2014], содержащий Оптический бриллюэновский рефлектометр, содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, два оптических разветвителя, циркулятор, оптический соединитель, фотоприёмник, оптический фильтр, дополнительный фотоприёмник, микропроцессор, причем первый выход циркулятора соединен через оптический соединитель с тестируемым оптоволокном, выход второго оптического разветвителя соединен с фотоприемником, оптический фильтр соединен с дополнительным фотоприемником, а выходы фотоприемников соединены с микропроцессором, отличающийся тем, что рефлектометр содержит дополнительный циркулятор, эталонный отрезок оптического волокна, терминатор, дополнительный оптический фильтр, дополнительный оптический разветвитель, причём лазерный источник излучения соединен напрямую со входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов – со входом первого оптического разветвителя, первый выход первого оптического разветвителя соединён напрямую со входом циркулятора, а второй выход первого оптического разветвителя соединён напрямую со входом дополнительного циркулятора, первый выход дополнительного циркулятора соединён с эталонным отрезком оптического волокна, выход которого подключен к терминатору, второй выход дополнительного циркулятора соединён со входом дополнительного оптического фильтра, выход дополнительного оптического фильтра – с первым входом второго оптического разветвителя, второй выход циркулятора соединён со входом дополнительного оптического разветвителя, первый выход дополнительного оптического разветвителя – со вторым входом второго оптического разветвителя, второй выход дополнительного оптического разветвителя соединён со входом оптического фильтра.
Недостатками устройства являются сравнительно малая длина контролируемого ОВ, повышенные требования к мощности лазерного источника, значительная погрешность определения степени натяжения ОВ при изменениях типа ОВ и его температуры. Как показала практика, даже однотипные ОВ одного производителя имеют значительный разброс параметров ОВ, в том числе характеристик спектра рассеяния Мандельштама – Бриллюэна (РМБ), анализ которого используется для вычисления степени натяжения ОВ. В результате при измерениях ОВ различных типов и различных производителей опорный канал, сформированный с помощью первого оптического разветвителя, дополнительного циркулятора, соединённого с эталонным отрезком ОВ с терминатором на конце.
Техническим результатом полезной модели является создание более совершенной конструкции, позволяющей увеличить допустимую длину контролируемого ОВ, повысить точность определения степени натяжения ОВ различных типов и различных производителей, сократить время измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что ОБР, содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, оптический разветвитель, циркулятор, оптический соединитель, два фотоприёмника, два оптических фильтра, микропроцессор, причём лазерный источник излучения соединен со входом формирователя импульсов, первый выход циркулятора соединен через оптический соединитель с тестируемым оптическим волокном, второй выход циркулятора соединён со входом оптического разветвителя, второй выход которого соединён со входом второго оптического фильтра, выходы обоих фотоприемников соединены с микропроцессором, согласно заявляемому техническому решению, из схемы ОБР исключены первый оптический разветвитель, вход которого был соединён с выходом формирователя импульсов, первый выход был присоединён к входу циркулятора, второй выход – к входу дополнительного циркулятора, сам дополнительный циркулятор с отрезком эталонного оптического волокна с терминатором на конце, а также второй оптический разветвитель, первый вход которого был соединён с выходом первого оптического фильтра, второй вход – с первым выходом оптического разветвителя, а выход – с входом первого фотоприемника, вход первого оптического фильтра теперь подключен к первому выходу оптического разветвителя, а выход первого оптического фильтра соединён напрямую с входом первого фотоприемника, между выходом второго оптического фильтра и входом второго фотоприёмника включается дополнительный оптический фильтр с полосой пропускания, перестраиваемой под управлением микропроцессора, ОБР дополнительно содержит эрбиевый оптический усилитель, вход которого соединён с выходом формирователя импульсов, а выход – с входом регулируемого аттенюатора, выход регулируемого аттенюатора присоединён к входу циркулятора, также дополнительно вводится блок формирования базы данных шаблонов бриллюэновских рефлектограмм, который имеет двухстороннюю связь с микропроцессором.
На Фиг. представлена схема ОБР.
1
1
2
3
2
ОБР содержит лазерный источник излучения (Л) 1, соединённый через формирователь импульсов (ФИ) 2 со входом эрбиевого оптического усилителя (ЭрУ) 3, выход которого соединён со входом регулируемого аттенюатора (РАт) 4, выход регулируемого аттенюатора – со входом циркулятора (Ц) 5, первый выход циркулятора (Ц) 5 подключен к оптическому соединителю (ОС) 6, второй выход циркулятора (Ц) 5 соединён со входом оптического разветвителя (ОР) 7, первый выход которого подключен через первый оптический фильтр (ОФ) 8 ко входу первого фотоприёмника (ФП) 9, а второй выход соединён через оптический фильтр (ОФ) 10 и перестраиваемый под управлением микропроцессора (М) 14 оптический фильтр (ОФ) 11 со входом второго фотоприёмника (ФП) 12; выходы обоих фотоприёмников подключены к микропроцессору (М) 14. Вместо опорного канала, который был сформирован в ОБР-прототипе, вводится блок формирования базы данных шаблонов бриллюэновских рефлектограмм (БФШР) (13), который имеет двухстороннюю связь с микропроцессором.
ОБР работает следующим образом.
Излучение лазера (Л) 1 проходит через формирователь импульсов (ФИ) 2, который создаёт импульсы заданной длительности (в зависимости от разрешающей способности) с заданной частотой повторения (в зависимости от предельной длины тестируемого ОВ и времени накопления результатов измерений), на вход эрбиевого оптического усилителя (ЭрУ) 3, с выхода которого усиленный сигнал поступает на  вход регулируемого аттенюатора (РАт) 4, который устанавливает оптимальный уровень мощности тестирующего сигнала (превышающий порог возникновения РМБ, но меньший порога проявления других нелинейных эффектов) в зависимости от длины ОВ и его типа, с выхода регулируемого аттенюатора (РАт) 4 сигнал поступает на вход циркулятора (Ц) 5, а с его выхода через оптический соединитель (ОС) 6 вводится в тестируемое ОВ.
L
B
L
Излучение обратного рассеяния от нерегулярностей тестируемого ОВ, которое содержит компоненты рассеяния Рэлея (имеют ту же частоту максимума, что и излучение лазера  f) и РМБ (частота максимума спектра РМБ смещена на величину бриллюэновского сдвига частоты  f относительно частоты лазера  f), через оптический соединитель (ОС) 6 возвращается           к циркулятору (Ц) 5 и далее поступает на вход оптического разветвителя    (ОР) 7.
1
L
1
2
2
3
2
Излучение с первого выхода оптического разветвителя (ОР) 7 (меньшая часть) поступает на вход первого оптического фильтра (ОФ) 8, который настроен на частоту лазера (f) для выделения сигнала обратного рассеяния Рэлея, ко входу первого фотоприёмника (ФП) 9. Излучение со второго выхода оптического разветвителя (ОР) 7 (большая часть) подаётся на оптический фильтр (ОФ) 10, полоса пропускания которого соответствует полосе возможных значений спектра РМБ ОВ, тестируемых ОБР, с выхода оптического фильтра (ОФ) 10 отфильтрованный сигнал поступает на вход узкополосного регулируемого оптического фильтра (ОФ) 11, полоса пропускания которого под управлением микропроцессора (М) 14 перестраивается в заданном диапазоне частот так, чтобы пропускать компоненты спектра РМБ тестируемого ОВ на вход фотоприёмника (ФП) 12 для формирования лоренцева профиля спектра РМБ и регистрации максимума РМБ.
B0
В блоке формирования базы данных шаблонов бриллюэновских рефлектограмм (БФШР) (13) хранятся образцы профилей РМБ различных типов ОВ и разных производителей, полученные в результате экспериментальных исследований и сформированные специальной программой / Свидетельство о регистрации электронного ресурса №23734. Программа для автоматического определения типа оптического волокна по бриллюэновской рефлектограмме / И. В. Богачков, Д. П. Иниватов, А. Г. Чобан (Россия, ОмГТУ). – Опубл. 14.08.2018/, которые используются микропроцессором (М) 14 для выбора наилучшего шаблона, установки начального уровня бриллюэновского сдвига частоты  f (при комнатной температуре и отсутствии натяжения ОВ) для вычисления натяжения ОВ, классификации ОВ и производителя. В свою очередь, профили РМБ и характеристики ОВ, измеренных данным ОБР, могут быть введены в БФШР для дальнейшего использования.
2
1
B
B0
При изменении натяжения сигнал РМБ, поступающий с выхода фотоприёмника (ФП) 12, будет иметь меньшую мощность, чем такой же сигнал при отсутствии механических натяжений. Так как снижение мощности может быть вызвано и другими факторами (изменение температуры, дефекты ОВ), необходимо измерить мощность обратного сигнала рэлеевского рассеяния с выхода фотоприёмника (ФП) 9. Величина смещения спектра РМБ, а значит, и степени натяжения ОВ, определяется по измеренным уровням мощностей, а также величинам  f  и f.
Степень натяжения ОВ связана с бриллюэновским сдвигом частоты следующими соотношениями / Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи. – Омск: Изд-во  ОмГТУ,  2013. – 192 с. (стр. 102, стр. 122) /:
,                                          (1)
B
L
A
где f – бриллюэновский частотный сдвиг;  n – коэффициент преломления ОВ; λ – длина волны падающего света,  с – скорость света в вакууме,  f – частота излучения лазера; ν– скорость акустической волны:
,                                                    (2)
Y
где  ε – модуль Юнга; ρ – плотность кварцевого стекла.
B
ε
Изменение модуля Юнга (натяжения) пропорционально изменению относительной длины ОВ. Анализируя положение максимумов спектра РМБ в ОВ, можно определить  f(z) вдоль ОВ. Это позволит обнаружить местоположение распределенных нерегулярностей в ОВ и с учетом формулы (3) определить степень натяжения ОВ (s) / Богачков И. В. A Detection of strained sections in optical fibers on basis of the Brillouin relectometry method // T-comm: Телекоммуникации и транспорт, 2016. – Том 10. – № 12 (стр. 86) /:
,                                              (3)
ε
B0
B
f
где  s(z) – зависимость натяжения ОВ от продольной координаты z вдоль ОВ; f – начальное значение f ОВ при отсутствии натяжения и заданной температуре; C – коэффициент линеаризации.
B
Однако бриллюэновский частотный сдвиг (f) зависит не только от натяжения, но и от температуры (t°), причём эта зависимость также линейная / Богачков И. В., Горлов Н. И. Обнаружение участков с измененной температурой волоконно-оптических линий связи методом бриллюэновской рефлектометрии // Вестник СибГУТИ. – Новосибирск, 2015. – Вып. 4 (32) (стр. 75) /:
,                                              (4)
Y
0
где  – коэффициент линеаризации, зависящий от  λ  и  ε,  а   t–начальная (например, комнатная) температура.
Связь смещения максимума спектра РМБ ()  и изменения интенсивности ()  с  изменениями модуля Юнга (натяжения)    и температуры   определяется формулой / Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования влияния температуры на спектр бриллюэновского рассеяния и характеристики оптических волокон // Вестник СибГУТИ. – Новосибирск, 2015. – Вып. 4 (32) (стр. 4) /:
,                            (5)
где  , ,  и   – коэффициенты связи для соответствующих параметров.   Определив значения   и  , по формуле (5) можно скорректировать значения изменения натяжения ОВ.
Таким образом, в результате введения новых связей и элементов в ОБР увеличивается допустимая длина контролируемого ОВ, повышается точность определения степени натяжения ОВ различных типов и различных производителей, а также сокращается время измерений.