БРИЛЛЮЭНОВСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР
BRILLOUIN REFLECTOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения бриллюэновского сдвига частоты в зависимости от координат по длине волоконно-оптического чувствительного элемента и позволяет реализовать распределенный датчик температуры или механических деформаций с высокой чувствительностью. В свою очередь распределенные волоконные датчики имеют широкую область применения (контроль состояния протяженных объектов, таких например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции).
Известен оптический бриллюэновский рефлектометр, содержащий последовательно установленные полупроводниковый источник излучения, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в контролируемый отрезок оптического волокна, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу устройства обработки через устройство выбора и накопления. Также в него введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор, генератор линейно изменяющегося тока, причем узкополосный фильтр расположен между выходом направленного ответвителя и оптическим входом фотоприемника, один выход задающего генератора подключен к входу устройства обработки, а другой через генератор линейно изменяющегося тока - к входу полупроводникового источника излучения. Известный оптический бриллюэновский рефлектометр может быть применен при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов. Излучения обратного рассеяния из оптического волокна направляются на оптический вход фотоприемника через узкополосный фильтр, пропускающий определенный диапазон длин волн. Сигнал представляет собой совокупность импульсных сигналов, длительность которых зависит от крутизны линейного участка пилы и полосы пропускания оптического фильтра. Дальнейшая обработка сигнала (выбор, накопление, усреднение) аналогична обработке сигналов в импульсном рефлектометре и осуществляется в устройстве выбора и накопления, засинхронизированным импульсами, вырабатываемыми генератором, и в устройстве обработки [RU 2214584, 2003].
Недостатками известного рефлектометра является низкая точность измерений вследствие малости сигналов бриллюэновского рассеяния, а также техническая сложность реализации оптического фильтра с узкой полосой пропускания (десятки МГц).
Зависимость частотного сдвига рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (МБР) от продольной деформации оптического волокна и температуры, а также перспектива использования МБР для создания распределенных датчиков физических параметров оценены в работе [Luminescence, scattering, and absorption of light in quartz optical fibers and prospective use of these properties in distributed waveguide sensors. B.G.Gorshkov, I.E.Gorbatov, Yu.K.Danileiko, and A.V.Sidorin. Kvantovaya Elektron (Moscow) 17, 345-350 (March 1990)].
В изобретении [SU 1534304, 1989] предложено техническое решение бриллюэновского рефлектометра, который содержит импульсный лазер, направленный ответвитель, чувствительный элемент в виде протяженного оптического волокна, коллимирующую оптику, сканируемый интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник и электронный блок управления и обработки информации. Лазер соединен с направленным ответвителем посредством отрезка оптического волокна, чувствительный элемент соединен с выходом того же направленного ответвителя непосредственно, второй выход ответвителя через отрезок волокна через коллимирующую оптику и сканируемый интерферометр связан с фотоприемником. Электронный блок управления и обработки информации связан с фотоприемником и управляет базой интерферометра. Лазерный импульс от лазера через направленный ответвитель поступает в чувствительный элемент. При распространении по волокну вследствие спонтанного МБР в направлении назад возникают, наряду с несмещенной (рэлеевской) компонентой, две компоненты неупругого рассеяния, смещенные относительно частоты возбуждающего излучения на бриллюэновскую частоту вверх (антистокс) и вниз (стоке). Этот частотный сдвиг несет информацию об измеряемой температуре и механической деформации оптического волокна. Записав спектр рассеянного излучения путем сканирования базы интерферометра Фабри-Перо или иного спектрального прибора, можно однозначно определить бриллюэновский сдвиг частоты и связанные с ним измеряемые параметры.
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная малостью сигналов МБР (они на 20 дБ меньше, чем сигналы рэлеевского рассеяния). Кроме того, ввиду наличия оптических потерь в оптическом волокне невозможно проводить измерения на больших расстояниях (десятки км). Чувствительность может быть повышена за счет увеличения времени накопления информации. Однако накопление информации в течение десятков минут или часов является в большинстве случаев неприемлемым.
Недостаток описанного выше устройства-аналога частично устранен в устройстве, которое может быть принято за прототип [US 7504618, 2009]. Устройство-прототип включает непрерывный одночастотный лазер, волоконный разветвитель, амплитудный модулятор, частотосдвигающий блок, волоконный циркулятор, чувствительное волокно, второй ответвитель, фотоприемник, электрический смеситель, электрический детектор, аналого-цифровой преобразователь, узел обработки. Излучение от лазера по волокну поступает на оптический модулятор, который вырезает из непрерывного излучения импульсы. Частотосдвигающий блок производит смещение оптической несущей. Этот импульс через циркулятор поступает в тестируемое волокно значительной длины, где рассеивается. Рассеянное в обратном направлении излучение содержит, наряду с упругой компонентой, сигналы МБР. Частотный сдвиг в частотосдвигающем блоке подобран таким образом, что при гетеродинировании на втором ответвителе и фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты, соответствующий МБР. Далее производится электрическое гетеродинирование и детектирование. Полученный сигнал оцифровывается и подлежит цифровой обработке.
Недостатками рассматриваемого устройства-прототипа является необходимость обеспечения чрезвычайно широкой полосы фотоприемника и последующих схем обработки сигналов (техника СВЧ), а также нестабильность работы при изменении состояния поляризации излучения в чувствительном элементе, когда эффективность гетеродинирования может снижаться до нуля (при ортогональных поляризациях рассеянного излучения и гетеродина). Кроме того, пространственное разрешение определяется широкополосностью всего тракта с двойным преобразованием частоты (оптическим и электрическим) и в ряде применений является недостаточным.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности рефлектометра без процесса гетеродинирования за счет узкополосного усиления сигнала бриллюэновского рассеяния в чувствительном элементе (отрезке оптического волокна) бриллюэновским волоконным усилителем.
Технический результат достигается тем, что бриллюэновский рефлектометр для измерения распределения температуры или механических напряжений по длине оптического волокна, содержащий импульсный лазер, связанный с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна через первое средство для организации приема обратно рассеянного излучения, второе средство для организации приема обратно рассеянного излучения и фотоприемник, связанный с блоком обработки информации, снабжен вторым отрезком оптического волокна, непрерывным лазером, и блоком управления частотой лазеров, при этом второй отрезок оптического волокна связан с выходом первого средства для организации приема обратно рассеянного излучения, второе средство для организации приема обратно рассеянного излучения выполнено с возможностью организации подачи излучения непрерывного лазера во второй отрезок оптического волокна в направлении, противоположном направлению распространения рассеянного в чувствительном элементе излучения, фотоприемник входом соединен с выходом второго средства для организации приема обратно рассеянного излучения, а блок управления частотой лазеров связан с блоком обработки информации и выполнен с возможностью стабилизации частоты одного из лазеров и изменения частоты другого лазера.
Способствует достижению технического результата то, что:
- для организации опорного канала между чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна и первым средством для организации приема обратно рассеянного излучения помещен отрезок оптического волокна, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется путем измерений или термостабилизации;
- между первым средством для организации приема обратно рассеянного излучения и вторым отрезком оптического волокна дополнительно введен волоконный оптический усилитель, например, с волокном, легированным ионами эрбия;
- в промежутке между вторым средством для организации приема обратно рассеянного излучения и фотоприемником установлен оптический фильтр на основе брэгговской решетки;
- первый отрезок оптического волокна выполнен одномодовым;
- каждое из средств для организации приема обратно рассеянного излучения выполнено в виде циркулятора или направленного оптического ответвителя, либо иного светоделителя;
- импульсный лазер и непрерывный лазер выполнены с узким спектром, предпочтительно, одночастотным.
В конкретном воплощении импульсный лазер может представлять собой узкополосный лазерный диод с брэгговской решеткой и оптический усилитель, либо совокупность непрерывного, например, полупроводникового лазера и модулятора, например, электрооптического или оптоакустического, а также оптического усилителя, например, волоконного, при этом упомянутый импульсный лазер выполнен с возможностью перестраивания частоты в небольших пределах (но не менее возможного изменения частоты бриллюэновского сдвига - 1…2 ГГц, типично 12 ГГц для длины волны излучения 1550 нм), например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки, непрерывный лазер выполнен в виде совокупности одночастотного полупроводникового лазера и оптического усилителя с возможностью перестраивания по частоте в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки, а фотоприемник выполнен в виде p-i-n или лавинного фотодиода с усилителем фототока.
На чертеже показан схематически предлагаемый рефлектометр, который содержит узкополосный (предпочтительно одночастотный) импульсный лазер 1, средство 2 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор), чувствительный элемент 3 в виде оптического волокна значительной длины (до десятков км), отрезок второго оптического волокна 4 значительной длины (сотни метров), второе средство 5 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор), непрерывный лазер 6 с узким спектром (предпочтительно одночастотный), электронный блок 7 управления частотой лазеров, фотоприемник 8 и блок 9 регистрации.
Импульсный лазер 1 может представлять собой совокупность непрерывного (например, полупроводникового) лазера и модулятора (например, электрооптического или оптоакустического), а также оптического усилителя, например, волоконного.
В качестве импульсного лазера 1 может быть применен узкополосный лазерный диод с брэгговской решеткой и оптический усилитель.
Импульсный лазер 1 имеет возможность перестройки частоты в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки.
Частота может перестраиваться в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента (решетки). Пределы перестройки частоты определяются необходимостью совмещения линии усиления бриллюэновского усилителя и линии бриллюэновского рассеяния в первом отрезке оптического волокна (чувствительном элементе), а также возможным разбросом частотного сдвига МБР в различных типах волокон и при различных температурах и различных значениях деформации. Соответственно, диапазон перестройки оценивается величиной 12 ГГц для длины волны излучения 1550 нм, но не менее 1…2 ГГц.
Второй (непрерывный) лазер 6 может быть выполнен в виде совокупности одночастотного полупроводникового лазера и оптического усилителя. Он также может перестраиваться по частоте теми же средствами. Фотоприемник 8 может быть выполнен в виде p-i-n или лавинного фотодиода с усилителем фототока. Быстродействие фотоприемника 8 должно быть согласовано с требуемым пространственным разрешением распределенного датчика. Отрезок второго оптического волокна 4 одним концом соединен с выходом средства 2. Второе средство 5 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор) организует подачу излучения непрерывного лазера во второй отрезок оптического волокна 4 в направлении, противоположном направлению распространения рассеянного в чувствительном элементе 3 излучения. Таким образом, формируется активный бриллюэновский фильтр.
Рефлектометр работает следующим образом. Электронный блок 7 стабилизирует частоту одного из лазеров (1 или 6) и в то же время изменяет (сканирует) частоту другого лазера, например, по линейному закону. Импульсное излучение от лазера 1 через элемент 2 (например, циркулятор) поступает на вход чувствительного элемента 3 и распространяется в нем, генерируя стоксову и антистоксову компоненты МБР. Рассеянное в обратном направлении излучение, содержащее рэлеевскую и две бриллюэновские компоненты, через элемент 2 поступает в отрезок оптического волокна 4, а затем через элемент 5 (например, циркулятор) - на фотоприемник 8. Сигнал с фотоприемника 8 поступает в блок 9 обработки информации, который определяет величину бриллюэновского сдвига частоты для каждого виртуального канала дальности после каждого цикла сканирования частоты.
При сканировании оптической частоты одного из лазеров частота бриллюэновского усиления в волокне 4 в определенный момент совпадает с частотой бриллюэновской компоненты рассеянного в чувствительном элементе 3 излучения, в результате чего возникает пик сигнала, положение которого относительно момента начала сканирования определяет бриллюэновский сдвиг частоты.
Таким образом, выделение требуемого спектрального диапазона достигается применением активного перестраиваемого фильтра, работающего за счет бриллюэновского усиления. При этом одновременно достигается усиление сигнала бриллюэновского рассеяния и его эффективная узкополосная фильтрация. В результате удается отказаться как от дорогостоящей техники СВЧ, так и чрезвычайно узкополосных оптических фильтров. Отсутствие гетеродинирования устраняет проблему нестабильности поляризации рассеянного излучения.
Наши экспериментальные исследования показали, что при мощности непрерывного лазера 100 мВт можно получить бриллюэновское усиление до 40 дБ в полосе оптических частот 15 МГц на длине волны излучения 1550 нм. Тем самым можно увеличить динамический диапазон прибора и дальность действия либо сократить время измерений в десятки раз.
С целью организации опорного канала между чувствительным волокном 3 и ответвителем (циркулятором) 2 может быть помещен отрезок оптического волокна 10, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется (термостабилизируется или измеряется).
Между ответвителем (циркулятором) 2 и отрезком оптического волокна 4 может быть помещен оптический усилитель 11, например, на основе оптического волокна, содержащего ионы эрбия.
Для улучшения фильтрации оптического излучения (подавления сигнала рэлеевского рассеяния) на пути от ответвителя (циркулятора) 5 до фотоприемника 8 может быть помещен фильтр 12 на основе брэгговской решетки.
Использование изобретения позволяет повысить чувствительность рефлектометра за счет узкополосного усиления сигнала бриллюэновского рассеяния в чувствительном элементе бриллюэновским волоконным усилителем без процесса гетеродинирования.