Рефлектометр для измерения распределения напряжения и температуры в волоконных световодах

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерений распределений напряжений и температуры в волоконно-оптических линиях связи. Рефлектометр содержит импульсный источник светового излучения, устройство ввода излучения в тестируемый волоконный световод, ответвитель, дискриминатор и систему анализа рассеянного излучения. Дискриминатор выполнен в виде резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ усилителя). Величина напряжений и температуры в волоконно-оптических линиях связи вычисляется по измеренным значениям селективно усиленного сигнала обратного рассеяния на частоте компоненты Мандельштама-Бриллюэна. Из излучения с узкой спектральной полосой от непрерывного лазера в блоке модуляции формируется короткий световой импульс, который направляется в тестируемую волоконно-оптическую линию. При распространении светового импульса в тестируемой линии часть излучения рассеивается назад, попадает на приемное устройство и анализируется. Обеспечено повышение точности измерений и упрощение конструкции. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике для волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к устройствам для измерения пространственного распределения напряжений и температуры в волоконных световодах.

Известны устройства для измерения пространственного распределения напряжений и температуры в волоконных световодах, в которых величина напряжений или изменение температуры определяются по соотношению амплитуды компонент сигнала обратного рассеяния от светового импульса, распространяющегося вдоль исследуемого волоконного световода. Основным недостатком этих устройств являются малая чувствительность и точность измерений, связанные с незначительной точностью определения малых изменений амплитуды слабых рассеянных сигналов. Кроме того, на изменение амплитуды рассеянного сигнала влияют одновременно два фактора: изменение температуры и изменение механических напряжений. Поэтому для извлечения информации о распределении напряжений необходимо поддерживать постоянство температуры во всем тестируемом световоде и, наоборот, для извлечения информации о распределении температуры необходимо обеспечить постоянство механических напряжений в волоконном световоде [1, 2].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [3], в котором величина изменения температуры или напряжение в волоконном световоде определяются по величине сигнала, возникающего на частотном дискриминаторе. При проведении нескольких серий измерений с различной настройкой частотного дискриминатора удается получить информацию как об амплитуде рассеянного излучения, так и о величине частотного сдвига. По этим данным определяется распределение температуры и напряжений в волоконных световодах. Основной недостаток аналога связан с большой величиной сдвига частоты при рассеянии Мандельштама-Бриллюэна. При длине волны света 1,55 мкм сдвиг частоты составляет 11 ГГц, что затрудняет проведение измерений величины частотного сдвига компоненты Мандельштама-Бриллюэна, составляющего величину порядка 100 МГц. Поэтому частотный дискриминатор выполнен в виде гетеродинного дискриминатора, в котором рассеянное излучение смешивается с опорным сигналом, формируемым сложной системой многократного последовательного сдвига частоты выходного излучения лазера.

Целью изобретения является повышение точности измерений и снижение требований к электронным компонентам системы. Это достигается за счет того, что дискриминатор выполнен в виде резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ усилителя) [4, стр. 385-391]. ВРМБ усилитель обладает узкой полосой усиления, что обеспечивает хорошую дискриминацию усиливаемого излучения по частоте. Отсутствие же системы гетеродинирования и электронного резонансного приемника существенно упрощает конструкцию устройства и повышает его надежность.

Сущность изобретения

Работа патентуемого устройства поясняется чертежом.

Устройство состоит из лазера (1), модулятора-формирователя световых импульсов (2), устройства ввода (3) излучения в тестируемый волоконный световод (7), ответвителя для вывода рассеянного излучения (4), ВРМБ усилителя (5) и блока (6) обработки и анализа рассеянного излучения.

Физическим явлением, лежащим в основе патентуемого рефлектометра, является рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) - это явление рассеяние света на адиабатических флуктуациях плотности конденсированных сред, сопровождающееся изменением частоты. В спектре рассеянного назад в волоконном световоде монохроматического света наряду с компонентой, совпадающей по частоте с частотой возбуждающего излучения, наблюдаются дискретные, расположенные симметрично относительно частоты возбуждающего света, спектральные компоненты, называемые компонентами Мандельштама-Бриллюэна (компонентами тонкой структуры линии Рэлея) или сателлитами. Адиабатические флуктуации плотности можно представить как результат интерференции упругих волн различной частоты со случайными фазами и амплитудами, распространяющихся в среде по всевозможным направлениям. Данные волны называются дебаевскими. Плоская световая волна, распространяющаяся в такой среде, дифрагирует во всех направлениях на этих упругих волнах, модулирующих диэлектрическую проницаемость среды. Каждая из упругих волн создает периодическую решетку, на которой происходит дифракция света аналогично дифракции света на ультразвуке. Максимум интенсивности света, рассеянного на упругой волне с длиной волны А, наблюдается в направлении Θ, отвечающем условию Вульфа-Брэгта: где n - показатель преломления, λ - длина волны света в вакууме. Каждой упругой волне, распространяющейся в некотором направлении со скоростью ν, соответствует волна той же частоты, бегущая навстречу. Следовательно, в среде образуются стоячие упругие волны. Изменение плотности этих волн во времени с частотой вызывает модуляцию рассеянного света. Поэтому в рассеянном свете появятся дискретные компоненты - сателлиты. Их частоты равны: ω₀+Δω - стоксова компонента, ω₀-Δω - антистоксова, где Δω=Ω.

Величина относительного изменения частоты сателлитов:

где с - скорость света в вакууме.

Несмещенная компонента света с частотой ω₀ обусловлена рассеянием на неоднородностях среды. Смещенные компоненты с частотами ω₀ ± Δω - рассеянием на ультразвуковых волнах. Величина частотного сдвига и амплитуда компонент Мандельштама-Бриллюэна зависят от натяжения световода и от температуры. Именно это и используется в патентуемом устройстве для измерения величины натяжения и температуры.

Мощность обеих компонент Мандельштамма-Бриллюэна в рассеянном назад излучении мала и составляет примерно 2% мощности центральной несмещенной по частоте компоненты, слабо чувствительной к натяжению и температуре. Чтобы выделить полезный сигнал в патентуемом устройстве используется дискриминатор на основе ВРМБ усилителя, обладающего резонансным усилением на частоте стоксовой (или антистоксовой) компоненты. Для накачки ВРМБ усилителя, работающего на частоте стоксовой компоненты, можно использовать излучение задающего лазера. Увеличение коэффициента усиления может быть получено за счет предварительного усиления светового излучения, используемого для накачки ВРМБ усилителя.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера (1) поступает на модулятор-формирователь световых импульсов (2). В модуляторе-формирователе (2) световых импульсов формируется последовательность световых импульсов с регулируемой длительностью и периодом следования. Сформированная последовательность импульсов через устройство ввода (3) попадает в тестируемый волоконный световод (7). Рассеянное назад излучение тестируемого волоконного световода через ответвитель (4) для вывода рассеянного излучения направляется на ВРМБ усилитель (5). Усиленное излучение поступает в блок (6) анализа. В блоке (6) анализа осуществляется измерение амплитуды усиленного в ВРМБ усилителе излучения. Поскольку при ВРМБ усилении центр полосы усиления смещен относительно частоты накачки на величину сдвига Мандельштама-Бриллюэна в сторону низких частот, то при частоте накачки, близкой частоте задающего лазера, будет усиливаться стоксова компонента излучения, рассеянного в тестируемом волоконном световоде. Дискриминирующие свойства ВРМБ усилителя основаны на сильной зависимости коэффициента усиления сигнала обратного рассеяния от частоты. Такая зависимость коэффициента усиления от частоты приводит к тому, что смещение частоты стоксовой компоненты рассеянного излучения после усиления в ВРМБ усилителе превращается в изменение амплитуды усиленного излучения. Блок обработки осуществляет прием сигнала, измерение его амплитуды и пересчитывает вариации амплитуды сигнала в величину смещения частоты. По величине сдвига частоты рассчитывается величина натяжения волоконного световода так же, как и в прототипе.

Более точные результаты, однако, дает другая схема измерений и обработки результатов измерений. В этом случае в блоке накачки ВРМБ усилителя осуществляется перестройка частоты излучения накачки. При этом происходит перестройка полосы усиления ВРМБ усилителя. Это позволяет последовательно проводить измерения амплитуды сигнала биений на различных частотах Δω₀. Таким образом, определяется спектр бриллюэновского рассеяния, в частности амплитуда компоненты Мандельштама-Бриллюэна и ее частотный сдвиг в каждой точке волокна. По этим двум параметрам определяются величина натяжения и температура волоконного световода.

Если импульсный источник светового излучения выполнен в виде последовательно расположенных непрерывного задающего лазера и внешнего модулятора-формирователя импульсов, то излучение задающего лазера может непосредственно использоваться для накачки ВРМБ усилителя. Для смещения частоты накачки может использоваться электрооптическое или акустооптическое устройство.

Использование одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью или лазера с распределенным брэгговским отражателем позволяет стабилизировать частоту лазера и повысить точность измерений. Использование одночастотного полупроводникового лазера с вертикальным резонатором позволяет уменьшить размеры устройства. Использование в качестве непрерывного задающего лазера одночастотного твердотельного кольцевого лазера позволяет не только увеличить точность измерений, но и увеличить дальность за счет повышения выходной мощности. Использование одночастотного твердотельного кольцевого лазера с акустооптическим невзаимным элементом и выводом излучения лазера через дифракционный максимум этого элемента существенно уменьшает влияние обратного рассеяния на стабильность работы кольцевого лазера и тем самым повышает точность измерений. Аналогичный результат достигается при использовании в качестве импульсного источника светового излучения лазера, работающего в режиме синхронизации мод.

Повысить стабильность работы резонансного ВРМБ усилителя можно осуществляя его накачку излучением непрерывного одночастотного лазера.

Для повышения скорости измерений накачка резонансного ВРМБ усилителя может осуществляться излучением перестраиваемого по частоте лазера.

Для упрощения конструкции накачка резонансного ВРМБ усилителя может осуществляться излучением непрерывного задающего лазера, которое для повышения коэффициента усиления может быть предварительно усилено.

Возможность реализации

Возможность реализации патентуемого устройства определяется возможностью реализации его основных элементов: задающего лазера (1), модулятора-формирователя (2) световых импульсов, устройства (3) ввода излучения в тестируемое волокно, ответвителя (4) для вывода рассеянного излучения, ВРМБ усилителя (5), блока (6) анализа.

В качестве основного задающего лазера могут быть использованы непрерывные полупроводниковые лазеры со стабилизацией частоты или твердотельные чип-лазеры. Необходимая для работы патентуемого устройства выходная мощность порядка нескольких единиц или десятков мВт и спектральная полоса менее 100 МГц вполне достижимы и не являются уникальными [5, 6]. Ответвители и модулятор-формирователь световых импульсов являются стандартными элементами интегральной оптики. Для работы ВРМБ усилителя необходимо излучение непрерывного лазера с мощностью порядка нескольких десятков или сотен мВт и со спектральной полосой менее 100 МГц [7]. Блок анализа представляет собой устройство, позволяющее записывать серию рефлектограмм, получаемых при различных значениях длины волны накачки, и проводить их сравнение. В качестве такого блока может, в частности, использоваться блок анализа, аналогичный использовавшемуся в прототипе.

Литература

1. Р.С.Wait and T.P.Newson, Opt. Commun. v.122, p.141, 1996.

2. T.A.Parker et al., IEEE Photonics Technol. Lett. v.9, p.979, 1997.

3. T.Kurashima et al., in Proceedings of IOOFC-ECOC'97, v.1, p.119-121, 1997.

4. G.P.Agrawal. Fiber - optic communication systems. NY, A Wiley-Interscience publication, 1997.

5. Л.С.Корниенко, О.Е.Наний. Физика лазеров, Часть 1, издание 2, М.: Изд-во Московского университета, 1996, Часть 2, М.: Изд-во Московского университета, 1995.

6. Н.В.Кравцов, О.Е.Наний. Квантовая электроника, т.20, в.4, с.322, 1993.

7. Г.Агравал. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1996.

Формула изобретения

1. Рефлектометр для измерения распределения напряжения или температуры в волоконных световодах, содержащий импульсный источник светового излучения, устройство ввода излучения в тестируемый волоконный световод, ответвитель, дискриминатор и систему анализа рассеянного излучения, отличающийся тем, что дискриминатор выполнен в виде резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюена (ВРМБ-усилителя).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что импульсный источник светового излучения выполнен в виде последовательно расположенных непрерывного задающего лазера и внешнего модулятора - формирователя импульсов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что непрерывный задающий лазер выполнен в виде одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что непрерывный задающий лазер выполнен в виде одночастотного полупроводникового лазера с распределенным брэгговским отражателем.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что непрерывный задающий лазер выполнен в виде одночастотного полупроводникового лазера с вертикальным резонатором.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что непрерывный задающий лазер выполнен в виде одночастотного твердотельного кольцевого лазера.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что одночастотный твердотельный кольцевой лазер содержит акустооптический невзаимный элемент и вывод излучения лазера производится через дифракционный максимум этого элемента.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что импульсный источник светового излучения выполнен в виде лазера, работающего в режиме синхронизации мод.

9. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что накачка резонансного ВРМБ-усилителя осуществляется излучением непрерывного одночастотного лазера.

10. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что накачка резонансного ВРМБ усилителя осуществляется излучением перестраиваемого по частоте лазера.

11. Устройство по пп.2-7, отличающееся тем, что накачка резонансного ВРМБ усилителя осуществляется излучением непрерывного задающего лазера.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что накачка резонансного ВРМБ-усилителя осуществляется усиленным излучением непрерывного задающего лазера.

13. Устройство по пп.1-12, отличающееся тем, что введен блок изменения частоты излучения накачки усилителя ВРМБ, электрически соединенный с системой анализа рассеянного излучения.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок изменения частоты излучения накачки выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что блок изменения частоты излучения накачки выполнен в виде электрооптического модулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1