Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор

Предложение относится к области измерения распределения механических напряжений или температур по длине оптического волокна и может быть применено для контроля прокладки оптических кабелей связи, а также для мониторинга состояния ответственных конструкций, особенно в условиях карстовых явлений и угрозы оползней, а также при наличии вечномерзлых грунтов. Технический результат - увеличение дистанционности измерений при одновременном значительном упрощении конструкции устройства. Анализатор содержит импульсный источник оптического излучения, подключенный через средство организации двунаправленного распространения оптического излучения к одному концу протяженного чувствительного оптического волокна. К другому концу протяженного чувствительного оптического волокна подключен непрерывный источник оптического излучения. Блок анализа и управления подключен к средству организации двунаправленного распространения оптического излучения. Импульсный источник оптического излучения выполнен в виде связанных между собой импульсных модулятора и узкополосного лазера, непрерывный источник оптического излучения - в виде связанных между собой источника накачки и непрерывного узкополосного лазера, а блок анализа и управления - в виде последовательно связанных между собой фотоприемника, устройства оцифровки и компьютера. Импульсный модулятор имеет связь с компьютером. В протяженное чувствительное оптическое волокно на участке, примыкающем к средству организации двунаправленного распространения излучения, включен или один отрезок оптического волокна с известным значением бриллюэновского сдвига частоты, имеющий длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеющий механических деформаций растяжения-сжатия или включены последовательно два опорных отрезка оптического волокна с различными значениями бриллюэновского сдвига частоты, каждый из которых имеет длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеет механических деформаций растяжения-сжатия. Генерируется оптический импульс. Излучение непрерывного лазера распространяется в обратном направлении. При условии, что разность частот лазеров равна частоте бриллюэновского сдвига, происходит интенсивное рассеяние излучения импульсного лазера за счет нелинейного эффекта. Изменением разности частот лазеров получают спектр бриллюэновского усиления в оптическом волокне. Этот спектр является разным для различных отрезков чувствительного волокна, каждый из которых характеризуется своим бриллюэновским сдвигом. В свою очередь, указанный сдвиг есть функция механических напряжений, приложенных по оси волокна. Этот сдвиг также может быть использован для измерения температуры волокна. 21 з.п. ф-лы. 1 ил.

Предложение относится к области измерения распределения механических напряжений или температур по длине оптического волокна и может быть применено для контроля прокладки оптических кабелей связи, а также для мониторинга состояния ответственных конструкций (трубопроводы, мосты, железнодорожное полотно, дамбы, плотины), особенно в условиях карстовых явлений и угрозы оползней, а также при наличии вечномерзлых грунтов.

Известно оптоволоконное средство измерения пространственного распределения температуры/деформаций протяженных объектов, например, в нефтяной отрасли, энергетике, автомобиле- и самолетостроении, мониторинге деформаций конструкций мостов, опор, зданий. Система состоит из оптически связанных источника излучения, которым служит лазер, оптического волокна (диаметром 150-600 мкм и диаметром сердцевины 12-20 мкм) с распределенными по нему точечными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток, отражающими свет на разных резонансных длинах волн, волоконного светоделительного устройства и анализатора спектра, которым служит фотоприемник. Датчики с разными коэффициентами отражения и/или с разной шириной или формой спектра отражения чередуются в оптическом волокне в заданном порядке, в том числе с разбиением на группы. Запись датчиков в толстом оптическом волокне производится излучением лазера с длиной волны 240-270 нм, мощностью более 0,5 Вт, или через, находящуюся на световоде, защитную полимерную оболочку излучением лазера с длиной волны 270-450 нм и мощностью более 1 Вт (RU 2319988, 2007).

Недостатком известного устройства является ограниченное число точек измерения (обычно до десятков), а также ограничения по дальности действия.

Известен рефлектометр для измерения распределения напряжения или температуры в волоконных световодах, содержащий импульсный источник светового излучения, устройство ввода излучения в тестируемый волоконный световод, ответвитель для ввода рассеянного излучения в измерительный тракт, дискриминатор и систему анализа рассеянного излучения, отличающийся тем, что дискриминатор выполнен в виде резонансного ВРМБ усилителя. Импульсный источник светового излучения выполнен в виде последовательно расположенных непрерывного задающего лазера и внешнего модулятора - формирователя импульсов или в виде лазера, работающего в режиме синхронизации мод. Непрерывный задающий лазер выполнен в виде одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью или распределенным брэгговским отражателем или в виде одночастотного полупроводникового лазера с вертикальным резонатором или в виде одночастотного твердотельного кольцевого лазера. Одночастотный твердотельный кольцевой лазер содержит акустооптический невзаимный элемент и вывод излучения лазера производится через дифракционный максимум этого элемента. Накачка резонансного ВРМБ усилителя осуществляется излучением непрерывного одночастотного лазера или излучением перестраиваемого по частоте лазера или излучением непрерывного задающего лазера или усиленным излучением непрерывного задающего лазера. Введен блок изменения частоты излучения накачки усилителя ВРМБ, электрически соединенный с блоком анализа. Блок изменения частоты излучения накачки выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне или в виде электрооптического модулятора (RU 2001119242, 2003).

Недостатки известного устройства заключаются в ограничении по дальности действия и низком быстродействии.

Известны устройства, называемые бриллюэновскими рефлектометрами {см., например, US 7504618, 2009). Устройство-аналог 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 бриллюэновского рассеяния. Частотный сдвиг в частотосдвигающем блоке подобран таким образом, что при гетеродинировании на втором ответвителе и фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты, соответствующий частотному сдвигу бриллюэновского рассеяния света. Далее производится электрическое гетеродинирование и детектирование. Полученный сигнал оцифровывается и подлежит цифровой обработке.

Недостатком известного бриллюэновского рефлектометра является ограниченная дальность действия (обычно не более 50 км), обусловленная малым динамическим диапазоном, и низкое быстродействие.

Известно устройство (US 7499151, 2009), содержащее два лазера с распределенной обратной связью, средства для смешения оптических сигналов (направленные ответвители), два фотодиода, смеситель электрических сигналов, линию задержки, тестируемое оптическое волокно, PID- контроллер, оптический модулятор для получения зондирующих импульсов ЕОМ, электрический спектроанализатор ESA, основной фотоприемник, циркулятор, средства для управления поляризацией оптического излучения. Принцип действия устройства основан на использовании бриллюэновского анализа, когда пробное импульсное излучение и анализирующее непрерывное излучение подается в чувствительное оптическое волокно с противоположных концов. Это обеспечивает за счет использования вынужденного бриллюэновского рассеяния в в чувствительном оптическом волокне большую дальность действия измерительной системы и сокращает время измерений.

Недостатком известного устройства является необходимость подвода обоих концов тестируемого чувствительного оптического волокна к устройству. Разделить устройство на два отдельных блока, которые можно разнести на десятки километров, невозможно. Это сокращает вдвое дистанционность измерений, поскольку необходимо иметь замкнутую волоконно-оптическую петлю, что увеличивает потребность в дополнительном количестве оптического волокна. Важно отметить, что устройство является конструктивно сложным.

Техническим результатом предложения является увеличение дистанционности измерений при одновременном значительном упрощении конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в общем случае волоконно-оптический бриллюэновский анализатор, содержит импульсный источник оптического излучения, подключенный через средство организации двунаправленного распространения оптического излучения к одному концу протяженного чувствительного оптического волокна, непрерывный источник оптического излучения, подключенный к другому концу протяженного чувствительного оптического волокна, и блок анализа и управления, подключенный к средству организации двунаправленного распространения оптического излучения, при этом импульсный источник оптического излучения выполнен в виде связанных между собой импульсных модулятора и узкополосного лазера, непрерывный источник оптического излучения - в виде связанных между собой источника накачки и непрерывного узкополосного лазера, а блок анализа и управления - в виде последовательно связанных между собой фотоприемника, устройства оцифровки и компьютера, причем в протяженное чувствительное оптическое волокно на участке, примыкающем к средству организации двунаправленного распространения излучения, включен или один отрезок оптического волокна с известным значением бриллюэновского сдвига частоты, имеющий длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеющий механических деформаций растяжения-сжатия или включены последовательно два опорных отрезка оптического волокна с различными значениями бриллюэновского сдвига частоты, каждый из которых имеет длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеет механических деформаций растяжения-сжатия, а импульсный модулятор имеет связь с компьютером.

Наличие опорного отрезка оптического волокна, имеющего длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеющего механических деформаций растяжения-сжатия включенного в протяженное чувствительное оптическое волокно на участке, примыкающем к средству организации двунаправленного распространения излучения или последовательно расположенных двух опорных отрезков оптического волокна с различными значениями бриллюэновского сдвига частоты, каждый из которых также имеет длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеет механических деформаций растяжения-сжатия позволяет обеспечить настройки разностной частоты лазеров анализатора.

Упомянутые опорный отрезок или отрезки оптического волокна обычно помещены в теплоизолированные корпуса с возможностью контролирования в них температуры.

В конкретном воплощении средство для организации двунаправленного распространения излучения может быть выполнено в виде циркулятора или направленного ответвителя, а каждый из лазеров - в виде лазерного диода с распределенной обратной связью, например, в виде РОС-лазера или с встроенной брэгговской решеткой для селекции одной продольной моды.

При этом лазеры имеют ширину спектра, предпочтительно, менее 50 МГц, а в состав каждого из лазеров введен оптический изолятор для обеспечения однонаправленного распространения излучения.

В частном случае фотоприемник блока анализа и управления выполнен в виде P-I-N фотодиода.

При необходимости увеличения импульсной мощности между импульсным узкополосным лазером и средством организации двунаправленного распространения излучения встраивают оптический усилитель, который может быть полупроводниковым или на основе активного оптического волокна, а непрерывный узкополосный лазер может быть подключен к протяженному чувствительному оптическому волокну также через аналогичный оптический усилитель.

В одном из предпочтительных исполнений в анализатор введены блок термостабилизации непрерывного узкополосного лазера, имеющий связь с компьютером блока анализа и управления, и блок термостабилизации импульсного узкополосного лазера, выполненные с возможностью управления разностью частот лазеров.

При этом блок термостабилизации непрерывного узкополосного лазера выполнен с возможностью осуществления функции пассивной стабилизации частоты.

Непрерывный Лазер и импульсный лазер имеют возможность сканирования частоты изменением своего температурного режима работы или механической деформацией элементов резонатора. Сканирование частоты может также выполняться изменением величины тока накачки.

В анализатор может быть введен управляющий контроллер, связанный с источником накачки оптического излучения, с блоком термостабилизации непрерывного узкополосного лазера и с компьютером блока анализа и управления.

Связь управляющего контроллера с компьютером блока анализа и управления обычно бывает выполнена оптической или электрической, например, в стандарте Ethernet с возможностью подстройки частоты непрерывного лазера путем изменения температурного режима или тока накачки, и возможностью сканирования его частоты.

В одном из конкретных вариантов выполнения анализатора для обеспечения его устойчивой работы между лазерами на пути оптического излучения может быть установлен оптический поляризационный скремблер или оптический поляризационный контроллер.

Изобретение поясняется приведенной на графике схемой одного из предпочтительных вариантов выполнения анализатора.

Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор содержит узкополосный лазер 1, оптический усилитель 2, встроенный между импульсным узкополосным лазером 1 и средством 3 организации двунаправленного распространения излучения, подключенным к протяженному чувствительному оптическому волокну 4. Непрерывный узкополосный лазер 5 подключен к противоположному концу протяженного чувствительного оптического волокна 4 также через аналогичный оптический усилитель 6.

К средству 3 организации двунаправленного распространения излучения подключены последовательно связанные между собой фотоприемник 7, устройство 8 оцифровки и компьютер 9. Имеются блок 10 термостабилизации импульсного узкополосного лазера 1, выполненный с возможностью управления разностью частот лазеров 1, 5, импульсный модулятор 11, имеющий связь с компьютером 9, источник накачки 12 непрерывного узкополосного лазера 5 и блок 13 термостабилизации непрерывного узкополосного лазера 5.

Управляющий контроллер 14 связан с источником 12 накачки оптического излучения, с блоком 13 термостабилизации непрерывного узкополосного лазера 5 и при помощи линии (информационной связи) 15 может быть связан- с компьютером 9.

В протяженное чувствительное оптическое волокно 4 на участке, примыкающем к средству 3 организации двунаправленного распространения излучения, включены один или два, расположенных последовательно, опорных отрезка 16, 17 оптического волокна с различными значениями бриллюэновского сдвига частоты, каждый из которых имеет длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеет механических деформаций растяжения-сжатия.

Опорные отрезки 16, 17 оптического волокна помещены в теплоизолированные корпуса 18,19, соответственно, с возможностью контролирования в них температуры.

Связанные между собой импульсный узкополосный лазер 1 и импульсный модулятор 11 образуют импульсный источник 20 оптического излучения.

Последовательно связанные между собой фотоприемник 7, устройство 8 оцифровки и компьютер 9 формируют блок 21 анализа и управления, а непрерывный источник 22 оптического излучения выполнен в виде связанных между собой источника накачки 12 и непрерывного узкополосного лазера 5.

Между лазерами 1, 5 на пути оптического излучения, например, между непрерывным узкополосным лазером 5 и оптическим усилителем 6 установлен оптический поляризационный скремблер или оптический поляризационный контроллер 23.

Анализатор работает следующим образом. Компьютер 9 по программе осуществляет запуск импульсного модулятора 11. Импульс тока накачки заданной длительности, которая определяет пространственное разрешение устройства в целом, поступает на лазер (преимущественно лазерный диод) 1, и генерируется оптический импульс. Этот импульс может быть усилен оптическим усилителем 2, а затем поступает в средство 3 организации двунаправленного распространения излучения, откуда - в чувствительное волокно 4. В то же время излучение непрерывного лазера 5 (возможно, усиленное оптическим усилителем 6) распространяется в обратном направлении в том же волокне 4. При условии, что разность частот лазеров 1 и 5 равна частоте бриллюэновского сдвига, происходит интенсивное рассеяние излучения импульсного лазера за счет нелинейного эффекта, называемого вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Изменяя (сканируя) разность частот двух указанных лазеров 1, 5, можно получить спектр бриллюэновского усиления в оптическом волокне 4. Этот спектр является разным для различных отрезков чувствительного волокна 4, каждый из которых можно охарактеризовать своим бриллюэновским сдвигом. В свою очередь, указанный сдвиг есть функция механических напряжений, приложенных по оси волокна 4. Этот сдвиг также может быть использован для измерения температуры волокна.

Для поддержания разности частот двух лазеров 1, 5 и сканирования разностной частотой в анализатор введены управляемые блоки 10 и 13 термостабилизации. Возможно осуществление различных режимов термостабилизации и сканирования частоты. В первом варианте термостабилизация лазера 5 с помощью блока 13 осуществляется без связи с управляющим компьютером 9. Выбор рабочей точки по частоте производится в ручном режиме. Сканирование частоты осуществляется изменением температурного режима лазера 1.

В другом варианте вводится дополнительная информационная связь 15 и управляющий контроллер 14. Эта связь может быть оптической или электрической, например, в стандарте Ethernet. Через управляющий контроллер 14 может осуществляться подстройка частоты непрерывного лазера 5 путем изменения температурного режима или тока накачки, а также сканирование частоты.

Помимо температурного сканирования частоты может быть применена управляемая механическая деформация лазерного резонатора, например, с помощь пьезокерамики.

Настройка разностной частоты лазеров 1 и 5 может производиться по введенному в оптическую схему после средства 3 организации двунаправленного распространения излучения опорному отрезку 16 оптического волокна, который должен иметь длину, превышающую пространственное разрешение устройства (анализатора), и в котором отсутствуют механические деформации, при этом значение бриллюэновского сдвига частоты для него известно. Температура этого отрезка 16 может термостатироваться или контролироваться термодатчиком.

В оптическую схему может быть введен второй опорный отрезок оптического волокна 17 с отличным от отрезка 16 значением бриллюэновского сдвига частоты. Этот второй отрезок 17 служит для определения масштабного коэффициента при сканировании разности частот лазеров 1 и 5.

Для обеспечения устойчивой работы в схему может быть внесен оптический поляризационный скремблер (или иной поляризационный контроллер) 23 в любую точку оптического пути от лазера 1 до лазера 5. В состав каждого из указанных лазеров 1,5 целесообразно ввести оптический изолятор (не показан), обеспечивающий однонаправленное распространение излучения.

Использование изобретения позволяет увеличить дистанционность измерений, упростить конструкцию устройства. Так, обслуживаемый одним устройством (анализатором) участок контроля может составлять до 100 км при использовании стандартных телекоммуникационных одномодовых волокон.

1. Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор, содержащий импульсный источник оптического излучения, подключенный через средство организации двунаправленного распространения оптического излучения к одному концу протяженного чувствительного оптического волокна, непрерывный источник оптического излучения, подключенный к другому концу протяженного чувствительного оптического волокна, и блок анализа и управления, подключенный к средству организации двунаправленного распространения оптического излучения, при этом импульсный источник оптического излучения выполнен в виде связанных между собой импульсных модулятора и узкополосного лазера, непрерывный источник оптического излучения - в виде связанных между собой источника накачки и непрерывного узкополосного лазера, а блок анализа и управления - в виде последовательно связанных между собой фотоприемника, устройства оцифровки и компьютера, причем в протяженное чувствительное оптическое волокно на участке, примыкающем к средству организации двунаправленного распространения излучения, включен или один отрезок оптического волокна с известным значением бриллюэновского сдвига частоты, имеющий длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеющий механических деформаций растяжения-сжатия или включены последовательно два опорных отрезка оптического волокна с различными значениями бриллюэновского сдвига частоты, каждый из которых имеет длину, превышающую пространственное разрешение анализатора, и не имеет механических деформаций растяжения-сжатия, а импульсный модулятор имеет связь с компьютером.

2. Анализатор по п.1, в котором средство для организации двунаправленного распространения излучения выполнено в виде циркулятора или направленного ответвителя.

3. Анализатор по п.1, в котором каждый из лазеров выполнен в виде лазерного диода с распределенной обратной связью, например, в виде РОС-лазера или с встроенной брэгговской решеткой для селекции одной продольной моды.

4. Анализатор по п.1, в котором лазеры имеют ширину спектра, предпочтительно, менее 50 МГц.

5. Анализатор по п.1, в котором в состав каждого из лазеров введен оптический изолятор для обеспечения однонаправленного распространения излучения.

6. Анализатор по п.1, в котором фотоприемник блока анализа и управления выполнен в виде P-I-N фотодиода.

7. Анализатор по п.1, в котором между импульсным узкополосным лазером и средством организации двунаправленного распространения излучения встроен оптический усилитель.

8. Анализатор по п.7, в котором оптический усилитель выполнен полупроводниковым или на основе активного оптического волокна.

9. Анализатор по п.1, в котором оптический усилитель выполнен полупроводниковым или на основе активного оптического волокна.

10. Анализатор по п.1, в который введены блок термостабилизации непрерывного узкополосного лазера, имеющий связь с компьютером блока анализа и управления, и блок термостабилизации импульсного узкополосного лазера, выполненные с возможностью управления разностью частот лазеров.

11. Анализатор по п.10, в котором блок термостабилизации непрерывного узкополосного лазера выполнен с возможностью осуществления функции пассивной стабилизации частоты.

12. Анализатор по п.10, в котором импульсный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты изменением температурного режима его работы.

13. Анализатор по п.11, в котором непрерывный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты изменением температурного режима его работы.

14. Анализатор по п.1, в который введен управляющий контроллер, связанный с источником накачки оптического излучения, с блоком термостабилизации непрерывного узкополосного лазера и с компьютером блока анализа и управления.

15. Анализатор по п.14, в котором связь управляющего контроллера с компьютером блока анализа и управления выполнена оптической или электрической, например, в стандарте Ethernet с возможностью подстройки частоты непрерывного лазера путем изменения температурного режима или тока накачки и возможностью сканирования его частоты.

16. Анализатор по п.1, в котором импульсный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты механической деформацией элементов его резонатора.

17. Анализатор по п.1, в котором непрерывный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты механической деформацией элементов его резонатора.

18. Анализатор по п.1, в котором опорный отрезок или опорные отрезки оптического волокна помещены в теплоизолированные корпуса с возможностью контролирования в них температуры.

19. Анализатор по п.1, в котором между лазерами на пути оптического излучения установлен оптический поляризационный скремблер или оптический поляризационный контроллер.

20. Анализатор по п.3, в котором импульсный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты изменением тока накачки лазерного диода.

21. Анализатор по п.3, в котором непрерывный узкополосный лазер выполнен с возможностью сканирования частоты изменением тока накачки лазерного диода.

РИСУНКИ