СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ЧАСТОТЫ РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА-БРИЛЛЮЭНА НА ДЛИНЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
MEASUREMENT METHOD OF THE BRILLOUIN SCATTERING FREQUENCY SHIFT ON THE OPTICAL FIBER LENGTH

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в зависимости от координат по длине оптического волокна и может быть использовано для реализации бриллюэновских оптических рефлектометров, которые имеют широкую область применения в сенсорных системах контроля протяженных объектов, таких как оптические кабели, трубопроводы, мосты, дороги и т.д.
Известны способы [1-4] измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, в которых искомый сдвиг частоты определяется косвенно по результатам прямых измерений уровней оптической мощности сигнала обратного рассеяния либо из отношения Ландау-Плячека [1], либо из отношения значений оптической мощности сигналов обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна испытуемого оптического волокна и опорного оптического волокна [2-4]. Основным недостатком данных способов являются низкая чувствительность и большая погрешность измерений, обусловленные низкой точностью измерений малых изменений оптической мощности слабых рассеянных сигналов, что существенно ограничивает область их применения.
Известны способы [5, 6], базирующиеся на выделении обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с помощью резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ усилителя). Для работы ВРМБ усилителя необходимо непрерывное излучение лазера с мощностью порядка нескольких десятков или даже сотен мВТ со спектральной полосой менее 100 МГц. Кроме того, требуется два лазера с высокой точностью согласования их частот, причем как минимум один из них должен быть перестраиваемым. Такие требования приводят к значительному увеличению потребляемой энергии и удорожанию реализации методов, что ограничивает область их применения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна [7], заключающийся в том, что непрерывное оптическое излучение задающего лазера разделяют на две части, первую часть модулируют последовательностью импульсов, затем усиливают и вводят в испытуемое оптическое волокно, из второй части формируют опорный оптический сигнал одной поляризации, для чего вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера сначала модулируют сигналом СВЧ, а затем выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, подают опорный оптический сигнал одной поляризации на один вход балансного фотоприемника, а на другой вход балансного приемника подают сигнал обратного рассеяния, поступающий обратно из испытуемого оптического волокна, на выходе балансного фотоприемника с помощью фильтра выделяют низкочастотную компоненту сигнала, которую подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают, частоту модулирующего сигнала СВЧ изменяют в диапазоне 10-11 ГГц с шагом менее 100 МГц и повторяют измерения для каждого шага при каждом значении частоты модулирующего сигнала СВЧ, после чего, изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, по результатам обработки данных измерений получают распределение сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, определяя сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна как значение частоты модулирующего сигнала СВЧ, при котором сумма сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, заключающемуся в том, что непрерывное оптическое излучение задающего лазера разделяют на две части, первую часть модулируют последовательностью импульсов, затем усиливают и вводят в испытуемое оптическое волокно, из второй части формируют опорный оптический сигнал одной поляризации, который подают на один вход балансного фотоприемника, а на другой вход балансного приемника подают сигнал обратного рассеяния, поступающий обратно из испытуемого оптического волокна, причем измерения выполняют при двух ортогональных состояниях поляризации опорного оптического сигнала, при этом, чтобы сформировать опорный оптический сигнал, вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера вводят в опорное оптическое волокно, из сигнала обратного рассеяния, поступающего обратно из опорного оптического волокна, с помощью оптического фильтра выделяют сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, из которого выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, электрический сигнал с выхода балансного фотоприемника подают на один вход смесителя, на другой вход которого подают радиочастотный сигнал, частоту которого изменяют в диапазоне до нескольких сот мегагерц с шагом менее 100 МГц, из комплексного сигнала на выходе смесителя выделяют низкочастотный сигнал биений, подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают для каждого шага при каждом значении частоты, затем изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, после чего сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяют при обработке данных измерений как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты радиочастотного сигнала, при которой значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.
Устройство содержит задающий узкополосный лазер непрерывного оптического излучения 1, оптический разветвитель 2, генератор импульсов 3, электрооптический модулятор 4, первый оптический усилитель 5, первый оптический циркулятор 6, испытуемое оптическое волокно 7, второй оптический циркулятор 8, опорное оптическое волокно 9, оптический фильтр 10, переключаемый поляризатор 11, балансный фотоприемник 12, смеситель 13, генератор радиочастот 14, фильтр нижних частот 15, блок управления и обработки 16.
Выход задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 соединен со входом оптического разветвителя 2, первый выход которого подключен к оптическому входу электрооптического модулятора 4, а второй - к первому входу второго оптического циркулятора 8. Электрический вход электрооптического модулятора 4 соединен с выходом генератора импульсов 3, а выход электрооптического модулятора 4 подключен ко входу первого оптического усилителя 5, выход которого подключен к первому входу первого оптического циркулятора 5, ко второму входу которого подключено испытуемое оптическое волокно 6. При этом ко второму входу второго оптического циркулятора 8 подключено опорное оптическое волокно 9, а третий вход второго оптического циркулятора 8 соединен со входом оптического фильтра 10, выход которого подключен ко входу переключаемого поляризатора 11. Выход переключаемого поляризатора 11 подключен к одному входу балансного фотоприемника 12, к другому входу которого подключен третий вход первого оптического циркулятора 6. Выход балансного фотоприемника 12 соединен с первым входом смесителя 13, ко второму входу которого подключен выход генератора радиочастот 14, а выход смесителя 13 соединен со входом фильтра нижних частот 15, выход которого соединен со входом блока управления и обработки 16. При этом первый выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления генератора импульсов 3, второй выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления переключаемого поляризатора 11, а третий выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления генератора радиочастот 14.
Устройство работает следующим образом. Оптический разветвитель 2 разделяет оптическое излучение задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 на две части. Первая часть оптического излучения задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 с первого выхода оптического разветвителя 2 поступает на оптический вход электрооптического модулятора 4, на электрический вход которого поступает последовательность импульсов от генератора импульсов 3, которая модулирует оптическое излучение. В результате на выходе электрооптического модулятора 4 формируется последовательность оптических импульсов, которая усиливается в оптическом усилителе 5 и через первый оптический циркулятор 6 поступает в испытуемое оптическое волокно 7. Вторая часть оптического излучения задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 со второго выхода оптического разветвителя 2 через второй оптический циркулятор 8 поступает в опорное оптическое волокно 9. Поступающий из опорного оптического волокна 9 оптический сигнал обратного рассеяния через второй оптический циркулятор 8 поступает на вход оптического фильтра 10. Оптический фильтр 10, который может быть выполнен, например, на основе интерферометра Маха-Зандера, выделяет из суммарного сигнала обратного рассеяния сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, который с выхода оптического фильтра 10 поступает на вход переключаемого поляризатора 11. Переключаемый поляризатора 11 выделяет из него компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором 11 ортогональных состояний поляризации. Эта компонента - опорный оптический сигнал одной поляризации. Этот опорный оптический сигнал одной поляризации поступает на один вход балансного фотоприемника 12, на другой вход которого через первый оптический циркулятор 6 поступает сигнал обратного рассеяния из испытуемого оптического волокна 7. Электрический сигнал с выхода балансного фотоприемника поступает на один вход смесителя 13, на другой вход которого от генератора радиочастот 14 поступает радиочастотный сигнал. Фильтр нижних частот 15 выделяет из комплексного сигнала на выходе смесителя 13 низкочастотный сигнал биений, который затем поступает на вход блока управления и обработки 16. Блок управления и обработки 16 запоминает этот сигнал.
0
0
В
В
В
В0
ВР
В0
ВР
0
В0
ВР
0
В0
ВР
ВР
RF
ВР
RF
Из испытуемого оптического волокна 7 на балансный фотоприемник 12 поступает сигнал обратного рассеяния из испытуемого оптического волокна, который включает релеевскую компоненту с частотой ω оптической несущей задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 и стоксову и антистоксову компоненты с частотой ω±Δω, где Δω - сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Собственно сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна можно рассматривать как сумму Δω=Δω+Δω, где сдвиг Δω - сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий, а сдвиг частоты Δω - изменения, обусловленные собственно температурными и механическими воздействиями. Отсюда частота стоксовой и антистоксовой компонент в испытуемом оптическом волокне 7 ω±(Δω+Δω). Частота опорного оптического сигнала равна ω±Δω. Соответственно, на выходе балансного приемника формируется электрический сигнал с частотой, равной Δω. На выходе смесителя формируется комплексный сигнал, включающий компоненты с частотами Δω±ω. При условии приближенного равенства Δω≈ω на выходе фильтра нижних частот 15 имеют место низкочастотные биения. По наличию сигнала биений, поступающего на вход блока управления и обработки 16, определяется сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты радиочастотного сигнала, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки 16, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.
Частота модулирующего сигнала генератора радиочастот 14 изменяется с шагом менее 100 МГц в диапазоне до нескольких сотен мегагерц. Результаты измерений сигналов, поступающих на вход блока управления и обработки 16, запоминаются на каждом шаге измерений для каждого значения частоты. Как и в прототипе, для устранения недостатков гетеродинного приема измерения выполняются для двух ортогональных состояний поляризации опорного оптического сигнала. Для этого переключаемый поляризатор 11 в зависимости от сигнала управления от блока управления и обработки 16 выделяет в процессе измерений по очереди компоненты с одним из двух ортогональных состояний поляризации. Результаты измерений для каждого из двух состояний поляризации опорного оптического сигнала запоминаются в блоке управления и обработки 16. Управление генератором импульсов 3, переключаемым поляризатором 11, и генератором радиочастот 14 от блока управления и обработки 16 обеспечивает синхронизацию работы устройства. Сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяется по результатам обработки данных измерений при изменении частоты генератора радиочастот 14 и состояния поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты радиочастотного сигнала, при которой значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки 16, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного оптического сигнала одной поляризации, превышает заданное пороговое значение. Возможность реализации данного устройства определяется возможностью реализации его основных компонентов.
В отличие от известного способа, которым является прототип, предлагаемый способ измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна позволяет значительно уменьшить шаг изменения частоты опорного оптического сигнала одной поляризации и тем самым увеличить разрешающую способность. Кроме того, предлагаемый способ в отличие от прототипа исключает потребность в использовании дорогостоящей техники СВЧ и, соответственно, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости, что позволяет существенно снизить затраты на его реализацию по сравнению с прототипом. В итоге, перечисленные выше преимущества расширяют область применения заявляемого способа по сравнению с прототипом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wait Р.С., Newson T.P. Landau Placzek ratio applied to distributed fibre sensing// Optics Communications, v. 122, 4-6, 1996, p.p. 141-146.
2. Патент RU 127926.
3. Патент RU 139203.
4. Патент RU 141314.
5. Патент RU 2444001.
6. Патент RU 2229693.
7. Muping Song, Bin Zhao, Xianmin Zhang. Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception// Chinese Optics Letters, v. 3, No. 5, 2005, - p.p. 271-274