БРИЛЛЮЭНОВСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР

Полезная модель относится к области измерительной техники, а в частности, к оптико-электронным устройствам для измерения и контроля параметров оптических волокон (ОВ) (оптическим анализаторам и рефлектометрам), позволяющим осуществлять измерение степени натяжения ОВ с определением местоположения участков линии, находящейся под механическим напряжением, и может быть использована при прокладке, эксплуатации и техническом обслуживании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Известно устройство бриллюэновский оптический рефлектометр (БОР) AQ8602 / Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. - М.: ЛЕСАРарт, 2005 (стр. 101) /, содержащий лазерный источник излучения, первый выход которого соединен с акустооптическим модулятором, а второй выход соединен с фотоприемником, выход акустооптического модулятора соединен с формирователем импульсов, выход которого соединен с фарадеевским вращателем, выход фарадеевского вращателя соединен с оптическим эрбиевым усилителем, выход которого посредством оптического соединителя подключен к тестируемому ОВ, выход оптического соединителя подключен к фотоприемнику, выход которого подключен к микропроцессору.
Недостатком устройства является наличие дорогостоящих блоков.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является БОР [Патент RU №127926, МПК G01N 21/27], содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, оптический соединитель, фотоприемник, выход которого соединен с входом микропроцессора, отличающийся тем, что рефлектометр содержит два оптических разветвителя, два поляризационных фильтра, циркулятор, коммутатор, оптический фильтр, дополнительный фотоприемник, причем выход лазерного источника излучения соединен с входом первого оптического разветвителя, первый выход первого оптического разветвителя соединен со входом первого поляризационного фильтра, второй выход первого оптического разветвителя соединен со входом второго поляризационного фильтра, выход первого поляризационного фильтра соединен с входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов соединен с входом циркулятора, первый выход циркулятора соединен с оптическим соединителем, второй выход циркулятора соединен с входом коммутатора, первый выход коммутатора соединен с первым входом второго оптического разветвителя, второй вход второго оптического разветвителя соединен с выходом второго поляризационного фильтра, выход второго оптического разветвителя соединен с входом фотоприемника, второй выход коммутатора соединен с входом оптического фильтра, выход оптического фильтра соединен с входом дополнительного фотоприемника, выход которого соединен со вторым входом микропроцессора, кроме того, лазерный источник излучения выполнен двухчастотным с взаимноортогональной поляризацией излучений.
Недостатком устройства является необходимость точной настройки разности частот двухчастотного лазера и точного подбора параметров блоков, а также значительное время, требуемое на проведение измерений и вывод результатов.
Техническим результатом полезной модели является создание более совершенной конструкции, позволяющей повысить точность, сократить время измерений при сохранении характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что бриллюэновский оптический рефлектометр (БОР), содержащий лазерный источник излучения, два оптических разветвителя, формирователь импульсов, циркулятор, оптический соединитель, коммутатор, два фотоприемника, оптический фильтр, микропроцессор, причем лазерный источник излучения соединен со входом первого оптического разветвителя, формирователь импульсов - со входом циркулятора, соединенного через оптический соединитель с тестируемым оптоволокном, первый выход коммутатора соединен с первым входом второго оптического разветвителя, второй выход коммутатора соединен через оптический фильтр со вторым фотоприемником, а выходы фотоприемников соединены с микропроцессором, согласно заявляемому техническому решению, анализатор содержит дополнительный циркулятор, эталонный отрезок оптического волокна, терминатор, два дополнительных оптических фильтра, оптический усилитель, оптический преобразователь, перестраиваемый по частоте лазер и устройство управления, причем первый выход первого оптического разветвителя соединен напрямую со входом формирователя импульсов, второй выход первого оптического разветвителя соединен с дополнительным циркулятором, первый выход дополнительного циркулятора соединен с эталонным отрезком оптического волокна, выход которого подключен к терминатору, второй выход дополнительного циркулятора соединен с первым входом оптического преобразователя, который через первый дополнительный оптический фильтр соединен со вторым входом второго оптического разветвителя, выход которого через второй дополнительный оптический фильтр соединен с первым фотоприемником, микропроцессор через устройство управления соединен с перестраиваемым по частоте лазером, который соединен со вторым входом оптического преобразователя, выход основного циркулятора соединен с коммутатором через оптический усилитель.
1
1
4
1
2
1
2
2
1
2
2
3
2
1
2
На Фиг. 1 представлена схема БОР. БОР содержит лазерный источник излучения (Л) 1, соединенный с оптическим разветвителем (OP) 2, выходы которого подключены ко входу формирователя импульсов (ФИ) 3 и циркулятора (Ц) 4, первый выход циркулятора (Ц) 4 соединен с эталонным отрезком ОВ (ЭВ) 5, выход которого подключен к терминатору (Т) 6, второй выход циркулятора (Ц1) 4 соединен с оптическим преобразователем (ОП) 7, к которому подключен перестраиваемый по частоте лазер (Л) 8, регулируемый через устройство управления (УУ) 9 от микропроцессора (М) 10 (блока обработки и регистрации сигналов). Выход оптического преобразователя (ОП) 7 через оптический фильтр (ΟΦ) 11 подключен ко входу оптического разветвителя (ОР) 12, выход которого через оптический фильтр (ОФ) 13 подключен ко входу фотоприемника (Φ) 14. Формирователь импульсов (ФИ) 3 подключен ко входу циркулятора (Ц) 15, который соединен через оптический соединитель (ОС) 16 с тестируемым ОВ, а через оптический усилитель (ОУ) 17 - со входом коммутатора (К) 18, первый выход которого подключен ко входу оптического разветвителя (ОР) 12, а второй выход через оптический фильтр (ОФ) 19 соединен со входом фотоприемника (Ф) 20. Выходы фотоприемников (Ф) 14 и (Ф) 20 соединены со входами микропроцессора (М) 10, который осуществляет обработку результатов измерений, регистрацию и вывод результатов измерений степени натяжения (механического напряжения) ОВ.
1
1
2
1
БОР работает следующим образом. Излучение лазера (Л) 1 делится оптическим разветвителем (ΟΡ) 2 на две части. Первая часть излучения проходя через формирователь импульсов (ФИ) 3, циркулятор (Ц) 15 вводится в тестируемое ОВ через оптический соединитель (ОС) 16. Вторая часть излучения подается на вход циркулятора (Ц) 4, а затем через один из его выходов поступает на вход эталонного отрезка ОВ (ЭВ) 5, температура которого стабилизируется и контролируется. Терминатор (Т) 6 включен в схему для предотвращения появления волны, отразившейся от торца ОВ.
1
1
2
Излучение, прошедшее в эталонный отрезок, ОВ приводит к появлению в нем обратного рассеяния, которое, в том числе, содержит бриллюэновское рассеяние, которое распространяется в противоположном направлении и возвращается на вход циркулятора (Ц) 4. Далее волна обратного рассеяния через второй выход циркулятора (Ц) 4 поступает на вход оптического преобразователя (ОП) 7, к которому подключен перестраиваемый по частоте лазер (Л) 8, регулируемый через устройство управления (УУ) 9 от микропроцессора (М) 10 (блока обработки и регистрации сигналов).
1
2
С выхода оптического преобразователя (ОП) 7 через оптический фильтр (ΟΦ) 11 сформированный опорный оптический сигнал поступает на вход оптического разветвителя (ОР) 12.
2
2
1
2
1
Излучение обратного рассеяния от нерегулярностей тестируемого ОВ, подключенного к выходу оптического соединителя (ОС) 16, возвращается к циркулятору (Ц) 15 и далее после оптического усилителя (ОУ) 17 поступает на коммутатор (К) 18. Коммутатор (К) 18 поочередно направляет излучение к одному из двух выходов. Излучение, поступившее с первого выхода коммутатора (К) 18, поступает на оптический разветвитель (ОР) 12 и суммируется с излучением, поступившим с выхода оптического фильтра (ΟΦ) 11, а выходной сигнал через оптический фильтр (ОФ) 13 поступает на вход фотоприемника (Φ) 14.
3
2
Излучение, поступившее со второго выхода коммутатора (К) 18, подается на оптический фильтр (ОФ) 19, полоса пропускания которого выбрана таким образом, чтобы пропускать спектр бриллюэновскго рассеяния независимо от степени натяжения ОВ, и далее на вход фотоприемника (Ф) 20.
1
2
Фотоприемники (Φ) 14 и (Ф) 20 преобразуют приходящее на их входы излучение в электрический сигнал, который с их выходов поступает на микропроцессор (М) 10, который после преобразования электрического сигнала в цифровой осуществляет обработку результатов измерений, регистрацию и вывод результатов (индикацию) измерений степени натяжения ОВ.
1
3
2
Так как при натяжении ОВ происходит смещение спектра бриллюэновского рассеяния, профиль которого подчиняется распределению Лоренца, то сигнал, поступающий с выхода фотоприемника (Φ) 14, пропорциональный мощности бриллюэновского рассеяния на частоте, равной частоте бриллюэновского сдвига при отсутствии механических напряжений, в таком случае будет иметь меньшую мощность. Однако так как снижение мощности может быть вызвано многими факторами, введены оптический фильтр (ОФ) 19 и дополнительный фотоприемник (Ф) 20, которые позволяют измерить полную мощность бриллюэновского рассеяния. Величина смещения спектра бриллюэновского рассеяния, а значит, и степени натяжения ОВ, определяется по измеренному уровню относительной мощности.
Эталонный отрезок ОВ (ЭВ) 5 представляет собой ОВ, температура которого стабилизируется и контролируется, с такими же свойствами, как и тестируемое (желательно, ОВ той же марки), которое не подвержено механическим натяжениям.
Назначение блоков 4-6, состоит в том, чтобы на входе оптического преобразователя (ОП) 7 получать сигнал с частотой, равной частоте бриллюэновского рассеяния при отсутствии механического натяжения ОВ, и использовать этот сигнал в дальнейшем при когерентной обработке.
2
С помощью перестраиваемого по частоте лазера (Л) 8 уточняется частота максимума спектра бриллюэновского рассеяния.
Коммутатор введен в схему в целях расширения динамического диапазона БОР.
Степень натяжения ОВ связана с бриллюэновским частотным сдвигом следующими соотношениями / Богачков И.В., Горлов Н.И Импульсно-рефлектометрические методы измерения параметров волоконно-оптических линий передачи: монография. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. (стр.79) /:
B
A
где f - бриллюэновский частотный сдвиг; n - коэффициент преломления ОВ; v - скорость акустической волны; λ - длина волны падающего света.
P
B
L
Спектр спонтанного бриллюэовского рассеяния определяется через выражение, связывающее спектр зондирующего импульса S(f), форму спектра бриллюэновского рассеяния S(f) и спектр источника излучения S(f) (символ ⊗ здесь обозначает операцию свертки) / Богачков И.В., Горлов Н.И. Компоненты волоконно-оптических систем передачи и методы контроля их параметров: монография. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. (стр. 183)/:
A
От натяжения ОВ зависит величина скорости звука v и показатель преломления n. В свою очередь, скорость звука можно вычислить по формуле / Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. - М.: ЛЕСАРарт, 2005. - 208 с.(стр.97) /:
где Ε - модуль Юнга; ρ - плотность кварцевого стекла.
Изменение модуля Юнга можно считать пропорциональным изменению относительной длины ОВ, так как вклад изменения показателя преломления незначительный.
Таким образом, в результате введения новых связей и элементов БОР повышается точность и сокращается время измерений при сохранении характеристик прибора, при этом не требуется применение двухчастотного лазера и поляризационных фильтров.