ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР ДЛЯ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области измерительной техники, к системам мониторинга и ранней диагностики, в частности к оптоэлектронным устройствам для измерения и контроля параметров оптических волокон (ОВ), позволяющим осуществлять измерение степени натяжения ОВ с определением местоположения участков ОВ, находящихся под повышенным механическим натяжением или с изменённой температурой, и может быть использована для контроля параметров ОВ в процессе эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является оптический бриллюэновский рефлектометр [Патент RU №186231 опубл. 15.01.2019], содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, оптический разветвитель, циркулятор, оптический соединитель, два фотоприёмника, два оптических фильтра, микропроцессор, причём лазерный источник излучения соединен с входом формирователя импульсов, первый выход циркулятора соединен через оптический соединитель с тестируемым оптическим волокном, второй выход циркулятора соединён с входом оптического разветвителя, второй выход которого соединён с входом второго оптического фильтра, выходы обоих фотоприемников соединены с микропроцессором, отличающийся тем, что рефлектометр дополнительно содержит эрбиевый оптический усилитель, вход которого соединён с выходом формирователя импульсов, а выход – с входом регулируемого аттенюатора, выход регулируемого аттенюатора присоединён ко входу циркулятора, вход первого оптического фильтра подключен к первому выходу оптического разветвителя, 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, также дополнительно вводится блок формирования базы данных шаблонов бриллюэновских рефлектограмм, который имеет двухстороннюю связь с микропроцессором.
Недостатками устройства являются невысокая скорость работы, невозможность определения фактора, вызвавшего изменение натяжения ОВ, невозможность учёта влияния температурных изменений на итоговый график натяжения вдоль световода.
Техническим результатом полезной модели является создание более совершенной конструкции, позволяющей сократить время измерений, выявлять потенциально опасный фактор, который привёл к изменению натяжения ОВ, осуществлять компенсацию изменений температуры вдоль световода на итоговый график натяжения.
Указанный технический результат достигается тем, что оптический рефлектометр для ранней диагностики ВОЛС (ОР), содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, эрбиевый оптический усилитель, регулируемый аттенюатор, циркулятор, оптический соединитель, оптический разветвитель, два фотоприёмника, три оптических фильтра, микропроцессор, блок формирования базы данных шаблонов бриллюэновских рефлектограмм, имеющий двухстороннюю связь с микропроцессором, причём лазерный источник излучения соединен с входом формирователя импульсов, выход формирователя импульсов с входом эрбиевого оптического усилителя, выход которого соединён с входом регулируемого аттенюатора, выход регулируемого аттенюатора присоединён к входу циркулятора, первый выход циркулятора соединен через оптический соединитель с тестируемым оптическим волокном, второй выход циркулятора соединён с входом оптического разветвителя, выход третьего перестраиваемого оптического фильтра подключен к входу второго фотоприёмника, выходы обоих фотоприемников соединены с микропроцессором, согласно заявляемому техническому решению, ОР дополнительно содержит оптический коммутатор, основной вход которого соединён с первым выходом оптического разветвителя, а основной выход подключен к входу первого фотоприемника, к первой паре дополнительных входа и выхода коммутатора подключен первый оптический фильтр, настроенный на частоту рэлеевского рассеяния, а ко второй паре дополнительных входа и выхода коммутатора присоединён второй оптический фильтр, с полосой пропускания, перестраиваемой (как и у третьего фильтра) под управлением микропроцессора, второй выход оптического разветвителя подключен напрямую к входу третьего перестраиваемого оптического фильтра, дополнительно введены связи микропроцессора с управляющим входом формирователем импульсов, с управляющим входом регулируемого аттенюатора и с системой датчиков температуры, добавленных в рефлектометр для получения данных о температуре в исследуемых участках линии.
На Фиг. представлена схема ОР.
3
2
1
1
2
1
2
ОР содержит лазерный источник излучения (Л) 1, соединённый через формирователь импульсов (ФИ) 2 с входом эрбиевого усилителя (ЭрУ) 3, выход которого соединён со входом регулируемого аттенюатора (РАт) 4, выход регулируемого аттенюатора – со входом циркулятора (Ц) 5, первый выход которого подключен к оптическому соединителю (ОС) 6, а второй выход соединён со входом оптического разветвителя (ОР) 7, первый выход оптического разветвителя подключен к основному входу оптического коммутатора (К) 8, а второй выход – к входу перестраиваемого третьего оптического фильтра (ОФ) 11, выход которого подключен к входу второго фотоприемника (ФП) 14, основной выход оптического коммутатора (К) 8 подключен к входу первого фотоприемника (ФП) 13, к первой паре дополнительных входа и выхода коммутатора подключен первый оптический фильтр (ОФ) 9, настроенный на частоту рэлеевского рассеяния, а ко второй паре дополнительных входа и выхода коммутатора присоединён второй оптический фильтр (ОФ) 10, с полосой пропускания, перестраиваемой (как и у третьего фильтра) под управлением микропроцессора, выходы фотоприёмников ОФ и ОФ подключены к микропроцессору (М) 15, который имеет двухстороннюю связь с блоком формирования базы данных шаблонов рефлектограмм (БФШР) (12), также микропроцессор имеет связи с управляющим входом формирователя импульсов (ФИ) 2, с управляющим входом регулируемого аттенюатора (РАт) 4 и связь с системой датчиков температуры (Т) 16.
ОР работает следующим образом. Излучение лазера (Л) 1 проходит через формирователь импульсов (ФИ) 2, который создаёт импульсы заданной длительности с заданной частотой повторения под управлением микропроцессора (М) 15, на вход эрбиевого усилителя (ЭрУ) 3, с выхода которого усиленный сигнал поступает на вход регулируемого аттенюатора (РАт) 4, который под управлением микропроцессора (М) 15 устанавливает оптимальный уровень мощности тестирующего сигнала 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 рассеяния Мандельштама – Бриллюэна (РМБ), через оптический соединитель (ОС) 6 возвращается к циркулятору (Ц) 5 и через его второй выход поступает на вход оптического разветвителя (ОР) 7, который выполняет разделения сигнала на два одинаковых потока, поступающих на его выходы. Частота максимума спектра РМБ смещена на величину бриллюэновского сдвига частоты (БСЧ – f) относительно частоты лазера  f.
1
2
1
2
1
Излучение с первого выхода оптического разветвителя (ОР) 7 поступает на основной вход оптического коммутатора (К) 8, который по команде микропроцессора (М) 15 переключает сигнал сначала на первую пару дополнительных входа и выхода, к которым подключен первый оптический фильтр (ОФ) 9, настроенный на частоту рэлеевского рассеяния, а затем, после снятия рэлеевской рефлектограммы, переключает до конца процесса измерений на вторую пару дополнительных входа и выхода, к которым присоединён второй оптический фильтр (ОФ) 10, с полосой пропускания, перестраиваемой (как и у третьего фильтра) под управлением микропроцессора (М) 15. С основного выход оптического коммутатора (К) 8 соответствующий коммутации сигнал (либо прошедший ОФ, либо ОФ) поступает на вход первого фотоприемника (ФП) 13.
3
2
1
2
Излучение со второго выхода оптического разветвителя (ОР) 7 поступает на вход перестраиваемого третьего оптического фильтра (ОФ) 11, выход которого подключен к входу второго фотоприемника (ФП) 14. Электрические сигналы с выхода фотоприёмников ОФ и ОФ оцифровываются и поступают для дальнейшей обработки в микропроцессор (М) 15. Микропроцессор имеет двухстороннюю связь с блоком формирования базы данных шаблонов рефлектограмм (БФШР) (12). Этот блок хранит необходимые шаблоны характеристик РМБ различных типов ОВ, а также пополняется данными и рефлектограммами, полученными в процессе измерений. Также в микропроцессор (М) 15 поступают данные из системы датчиков температуры (Т) 16 о температуре в месте расположения исследуемых участков линии.
1
L
2
3
1
2
1
2
После снятия рэлеевской рефлектограммы на основе сигнала, прошедшего ОФ (частотой f), анализируются интенсивности частотных фрагментов (что необходимо для получения бриллюэновских рефлектограмм) на основе сигналов, прошедших через перестраиваемые оптические фильтры  (ОФ) 10 и (ОФ) 11.  Для обнаружения максимума спектра РМБ необходимо выбрать начальную и конечную частоты диапазона сканирования и задать шаг сканирования. При известной разновидности ОВ можно использовать данные из БФШР. При запуске процесса измерений сначала получают данные для рэлеевской рефлектограммы (с выхода ФП), а на выходе ФП снимаются значения для центральной частоты диапазона сканирования. На следующем шаге после переключения фильтров коммутатором (К) на выходе ФП снимаются значения для начальной частоты, а на выходе ФП – конечной частоты диапазона сканирования. После этого по адаптивному алгоритму / Богачков И. В. Improved data processing algorithms in Brillouin reflectometers for determining the strain of optical fibers // T-comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2019. – Vol. 13, № 7. (стр. 61–63) / определения шага сканирования фильтры перестраиваются на другие частоты в диапазоне сканирования, определяется профиль спектра РМБ и частота максимума РМБ, которая и является БСЧ для определенной координаты световода.
Степень натяжения ОВ связана с БСЧ 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) /:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><msub><mi>v</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><msub><mi>f</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>v</mi><mi>A</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow>
, (1)
B
A
L
А
где f – бриллюэновский частотный сдвиг; n – коэффициент преломления ОВ; ν – скорость акустической волны; λ – длина волны падающего света, с – скорость света в вакууме, f – частота излучения лазера. Скорость v определяется формулой / 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. 122) /:
<mrow><msub><mi>v</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>ε</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mi>Y</mi><none /></mmultiscripts></mrow><mi>ρ</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
, (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) /:
<mrow><msub><mi>s</mi><mi>ε</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>B</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mi>f</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
, (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) /:
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mtext>BT</mtext></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>°</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>t</mi><mi>ε</mi></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>°</mo><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
, (4)
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>t</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow>
Y
0
где  – коэффициент линеаризации, зависящий от λ и ε, а t –начальная (например, комнатная) температура.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mtext>B</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mtext>B</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mtext>B0</mtext></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ε</mi><mi>Y</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow>
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) /:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ε</mi><mi>Y</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mrow /><mrow /></msubsup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>ε</mi></msubsup><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>ε</mi></msubsup><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow></mtd><mtd><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mrow><msubsup><mtext>B</mtext><mrow /><mrow /></msubsup></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mrow /></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
, (5)
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mtext>B</mtext></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow>
где , ,  и  – коэффициенты связи для соответствующих параметров. Определив значения  и , по формуле (5) можно скорректировать значения изменения натяжения ОВ.
Зависимость интенсивности обратно отражённого сигнала РМБ от температуры определяется формулами (6) / Богачков И. В. Классификация факторов, вызывающих изменение натяжения оптических волокон, на основании бриллюэновских рефлектограмм // Динамика систем, механизмов и машин. – 2019. – Т. 7, № 4. (стр. 189–190) / :
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>1.0033</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>1.0033</mn><mi>Δ</mi><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow>
или
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1.0145</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi><msup><mo>/</mo><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow>
. (6)
Это позволяет выделить изменение температуры:
<mrow><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1.0033</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1.0145</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi><msup><mo>/</mo><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
, (6)
BT
B0
которое вызывает дополнительное смещение f (относительно f)
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>T</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>t</mi><mo>∘</mo></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mo>∘</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
, (7)
B
что позволяет с учётом (4)–(7) определить изменение f и продольное натяжения ОВ при фиксированной температуре:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>E</mi><mi>ε</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>ε</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>E</mi><mi>ε</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>ε</mi></msub><msub><mrow /><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mi>T</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>ε</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mrow><mi>ε</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>B</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>B</mi><mi>T</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>f</mi><mi>ε</mi></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
, . (8)
Таким образом, в результате введения новых связей и элементов в рефлектометре сокращается время измерений, выявляется потенциально опасный фактор, вызывающий изменение натяжения ОВ, осуществляется компенсация изменений температуры вдоль световода, что учитывается в итоговом графике натяжения.