Оптический бриллюэновский рефлектометр для систем мониторинга оптических волокон

Полезная модель относится к области измерительной техники и к системам мониторинга, в частности, к оптоэлектронным устройствам для измерения и контроля параметров 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 в процессе эксплуатации 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 его температуры.
Техническим результатом полезной модели является создание более совершенной конструкции, позволяющей повысить точность определения степени натяжения ОВ, увеличить допустимую длину контролируемого ОВ, сократить время измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что ОБР, содержащий лазерный источник излучения, формирователь импульсов, два оптических разветвителя, два циркулятора, оптический соединитель, два фотоприёмника, три оптических фильтра, микропроцессор, причём лазерный источник излучения соединен со входом формирователя импульсов, первый выход первого оптического разветвителя соединён со входом основного циркулятора, а второй выход первого оптического разветвителя соединён 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 первого оптического фильтра, первый выход основного циркулятора соединен через оптический соединитель с тестируемым оптическим волокном, второй выход основного циркулятора соединён со входом второго оптического разветвителя, второй выход которого соединён со входом второго оптического фильтра, а выход оптического фильтра – с входом второго фотоприемника, выходы всех фотоприемников соединены с микропроцессором,  согласно заявляемому техническому решению, ОБР содержит эрбиевый усилитель, выход которого соединён со входом регулируемого аттенюатора, вход эрбиевого усилителя соединён с выходом формирователя импульсов, а выход регулируемого аттенюатора – со входом первого оптического разветвителя, исключен оптический разветвитель первый вход которого был соединён с выходом первого оптического фильтра, второй выход – с первым выходом второго оптического разветвителя, выход – с входом первого фотоприемника, а выход первого оптического фильтра соединён напрямую с входом первого фотоприемника, первый выход второго оптического разветвителя соединён с дополнительным оптическим фильтром, выход которого соединён со входом  дополнительного фотоприёмника, а выход дополнительного фотоприёмника – с микропроцессором.
На Фиг. представлена схема ОБР.
1
2
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
3
3
ОБР содержит лазерный источник излучения (Л) 1, соединённый через формирователь импульсов (ФИ) 2 со входом эрбиевого усилителя (ЭрУ) 3, выход которого соединён со входом регулируемого аттенюатора (РАт) 4, выход регулируемого аттенюатора – со входом первого оптического разветвителя(ОР) 5, первый выход которого подключен ко входу основного циркулятора (Ц) 6,  а второй выход – со входом дополнительного циркулятора (Ц) 7;  первый выход дополнительного циркулятора (Ц) 7 соединён с эталонным отрезком ОВ (ЭВ) 8, выход которого подключен к терминатору (Т) 9, второй выход дополнительного циркулятора (Ц) 7 соединён со входом первого оптического фильтра (ОФ) 10, выход которого подключен напрямую ко входу первого фотоприемника (ФП) 11; первый выход основного циркулятора (Ц) 6 подключен к оптическому соединителю (ОС) 12, второй выход основного циркулятора (Ц) 6 соединён со входом второго оптического разветвителя (ОР) 13, первый выход которого подключен через дополнительный оптический фильтр (ОФ) 14 ко входу дополнительного фотоприёмника (ФП) 15,  а второй выход – через оптический фильтр (ОФ) 16 ко входу фотоприёмника (ФП) 17; выходы всех фотоприёмников подключены к микропроцессору (М) 18.
1
ОБР работает следующим образом. Излучение лазера (Л) 1 проходит через формирователь импульсов (ФИ) 2, который создаёт импульсы заданной длительности с заданной частотой повторения, на вход эрбиевого 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 первого оптического разветвителя (ОР) 5 и делится им на две части.
1
1
Первая (меньшая) часть излучения подаётся на вход дополнительного циркулятора (Ц) 7, а затем через один из его выходов поступает на вход эталонного отрезка ОВ (ЭтВ) 8. Это излучение приводит к появлению в эталонном отрезке ОВ (ЭтВ) 8 рассеяния Мандельштама – Бриллюэна (РМБ), которое распространяется в обратном направлении и возвращается к циркулятору (Ц) 7. Терминатор (Т) 9 добавлен в схему для предотвращения появления волны, отраженной от торца ОВ. Эталонный отрезок ОВ (ЭтВ) 8 представляет собой ОВ с такими же свойствами, как и тестируемое ОВ, которое не подвержено механическим натяжениям и имеет постоянную известную температуру.
1
1
B0
L
L
B0
1
1
2
Далее компоненты обратного рассеяния через второй выход циркулятора (Ц) 7 проходят через оптический фильтр (ОФ) 10, пропускающий только спектр РМБ, полученный при отсутствии натяжения в эталонном ОВ (частота максимума спектра РМБ смещена на f относительно частоты лазера f), а затем отфильтрованный сигнал частотой f – fпоступает на вход первого фотоприемника (ФП) 11. В результате формируется опорный канал, необходимый для дальнейшей обработки сигнала. Вторая (большая) часть излучения от оптического разветвителя (ОР) 5 поступает на вход основного циркулятора (Ц) 6, а с его выхода через оптический соединитель (ОС) 12 вводится в тестируемое ОВ.
L
B
L
2
2
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 смещена на f относительно частоты лазера  f), через оптический соединитель (ОС) 12 возвращается к циркулятору (Ц) 6 и далее поступает на вход оптического разветвителя (ОР) 13.
2
2
L
2
2
3
3
Излучение с первого выхода оптического разветвителя (ОР) 13 (меньшая часть) поступает на вход дополнительного оптического фильтра (ОФ) 14, который настроен на частоту лазера (f) для выделения сигнала обратного рассеяния Рэлея, ко входу дополнительного фотоприёмника (ФП) 15. Излучение со второго выхода оптического разветвителя (ОР) 13 (большая часть) подаётся на оптический фильтр (ОФ) 16, полоса пропускания которого перестраивается в заданном диапазоне частот таким образом, чтобы пропускать компоненты РМБ тестируемого ОВ на вход фотоприёмника (ФП) 17 для формирования лоренцева профиля спектра РМБ и регистрации максимума РМБ.
1
3
Сигналы с выходов всех фотоприёмников (ФП – ФП) поступают на микропроцессор (М) 18 для обработки результатов и получения рефлектограмм.
3
2
При изменении натяжения сигнал РМБ, поступающий с выхода фотоприёмника (ФП) 17, 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) 15. Величина смещения спектра РМБ, а значит, и степени натяжения ОВ, определяется по измеренным уровням мощностей.
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) /:
,                                       (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) /:
,                                                   (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 рефлектометре повышается точность определения степени натяжения ОВ, увеличивается допустимая длина контролируемого ОВ и сокращается время измерений.