Алькина А.Д., Муравлев В.К., Белик М.Н. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА
advertisement
Алькина А.Д., Муравлев В.К., Белик М.Н. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРЕДЕЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Подробно рассмотрена возможность использования эффекта Бриллюэновского рассеивания для мониторинга механических напряжений. Анализ данных, полученных с помощью бриллюэновского рефлектометра, позволяет точно возможность оценить уровень их напряжений. Рассмотрена прогнозировать надежность кабельной линии. В данной работе на примере тестирования реального образца кабеля. Дана величина смещения частоты при бриллюэновском рассеянии. При импульсной накачке усиление сигнала будет происходить только в той области волокна. Рассмотрены две оптические схемы бриллюэновского анализатора Механикалык кернеудің мониторингін аныктау үшін Бриллюэновский шашырау эффектісін колдану мүмкіншіліктері жан-жакты карастылрылған. Бриллюэновский рефлектометрі көмегімен мәліметтер талдауы олардын кернеу мүмкіндік береді. денгейін накты алынған аныктауға Кәбілдік желінің беріктік мүмкіншілігі және болжауы карастырылған. Берілген жұмыста мысал ретінде кәбілдін тестілеу карастырылған. жылжыту шамасы накты үлгісін Бриллюэновский шашырау кезіндегі жиілікті берілген. Импульстік тартып шығару кезінде дыбыстың күшеюі тек кана талшыктын сол аймағында болады. Бриллюэновский нализаторының екі оптикалык сұлбасы карастырылған Discussed in detail the possibility of using the Brillouin effect rasseevaniya to monitor stress. Analysis of the data obtained by Brillouin OTDR can accurately assess their level of stress. The possibility to predict the reliability and the cable line. In this paper, an example of testing a real cable sample. Given the magnitude of the frequency shift at the Brillouin scattering. When pumped by a pulsed signal amplification will occur only in the region of the fiber. We consider two Brillouin optical circuit analyzer. Бриллюэновский рефлектометр имеет как минимум одно неоспоримое преимущество – он позволяет измерить распределение уровня натяжения волокна по длине. В данной работе на примере тестирования реального образца кабеля показаны возможности и особенности работы с бриллюэновским рефлектометром. Как известно, явление SBS может быть использовано для создания волоконно-оптических усилителей с большим коэффициентом усиления и малой мощностью накачки [1]. Для этого необходимо, чтобы оптический сигнал распространялся в волокне навстречу накачке, а ширина линии источника сигнала и источника накачки была меньше ширины линии бриллюэновского усиления (~ 30...50 МГц). Максимальное усиление достигается, когда частота зондирующего оптического сигнала f с совпадает с частотой стоксовой компоненты (f0 - f Б) в спектре бриллюэновского рассеяния [1]. Таким образом, можно найти величину смещения частоты при бриллюэновском рассеянии fБ и рассчитать величину абсолютного натяжения волокна. Поэтому по зависимости продетектированного сигнала от времени можно найти распределение натяжения вдоль волокна. Оптическая схема BOTDA изображена на рис.1. Рисунок 1 – Оптическая схема бриллюэновского анализатора (BOTDA) Как показано на рисунок 1, с одной стороны в волокно вводится излучение лазера накачки с частотой fH, а с другой стороны излучение зондирующего лазера с частотой fc. После прохождения через акустооптический модулятор (АОМ) частота излучения накачки становится равной fн + Δf, где Δf - смещение частоты, создаваемое акустооптическим модулятором. Как уже говорилось, во встречном направлении в волокно вводится излучение от зондирующего лазера с частотой fc. Это излучение усиливается при взаимодействии с импульсной накачкой за счет эффекта SBS, проходит через волокно и направляется с помощью оптического ответвителя на вход фотоприемника. Узкополосный оптический фильтр, установленный перед фотоприемником, не пропускает на фотоприемник сигнал релеевского рассеяния (на частоте fH +Δf) [2]. Смещение частоты, создаваемое акустооптическим модулятором Δf, изменяется дискретным образом с шагом примерно на порядок меньше, чем ширина линии бриллюэновского усиления (~ 30...50 МГц). Для каждой частоты накачки fH + Δf снимается рефлектограмма, что позволяет в конечном итоге получить трехмерное распределение спектра бриллюэновского усиления вдоль волокна. Далее по распределению вдоль волокна частоты, соответствующей максимуму бриллюэновского усиления, рассчитывается распределение натяжения вдоль волокна. В BOTDR наблюдается SPBS эффект (а не SBS эффект [1,2]) потому, что мощность импульсов, вводимая в волокно, не превышает (при длительности импульса τ < 100 нс) порогового значения мощности для SBS эффекта (~ 23 дБм). Как известно, SBS эффект является самым низкопороговым нелинейным оптическим эффектом в волокне. Пороговое значение мощности при непрерывном излучении составляет для него всего лишь несколько дБм. Для импульсного излучения этот порог увеличивается примерно до 23 дБм за счет малой длины взаимодействия, равной половине ширины импульса (5 м при τ ~ 100 нс). Пороговое значение мощности для вынужденного рамановского рассеяния больше 23 дБм и не зависит от длительности импульса. В BOTDR необходимы более чувствительные фотоприемники, чем в OTDR, так как коэффициент спонтанного бриллюэновского рассеяния (αБ = 0.03/λ,4, где λ - длина волны излучения в [мкм]) примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского рассеяния (αР = 0.75/λ 4 ). На практике выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования, применяемой в традиционных OTDR, составляет 10...20 дБ. Смещение частоты рассеянного света fБ, также как и в BODTA, находится путем сканирования частоты акустооптической ячейки Δf. Также как и в BODTA, для каждой частоты накачки f н + Δf снимается рефлектограмма, находится трехмерное распределение спектра спонтанного бриллюэновского рассеяния вдоль волокна и рассчитывается распределение натяжения в волокне. Максимальный сигнал в спектре бриллюэновского рассеяния достигается, когда частота акустооптической ячейки Δf смещена на величину, равную fБ. Если же Δf = 0, то BOTDR работает как когерентный импульсный рефлектометр (СО OTDR) [2], выделяя в спектре обратной волны компоненту, обусловленную релеевским рассеянием света в волокне (в последних моделях BOTDR этой опции нет [2]). Рефлектограмма линии с напряженным участком волокна, полученная при Δf = fБ, приведена на рисунке 2. Удлинение волокна на 0.1 % приводит к смещению частоты основного пика на 490 МГц/% × 0.1 % = 50 МГц. Полная ширина линии в эффекте SPBS (по половинному уровню [2]) для волокна AllWave составляет 86 МГц. Поэтому смещение частоты основного пика бриллюэновского рассеяния в напряженном участке волокна на 50 МГц приводит к заметному уменьшению уровня отраженной мощности и появлению провала в рефлектограмме. Заметим, что изгиб в рефлектограмме может возникнуть не только из-за натяжения, но и из-за скачка потерь в волокне. Для того, чтобы разделить эти два эффекта, недостаточно измерить рефлектограмму на одной разностной частоте, как на рисунке 2, а необходимо найти распределение спектра бриллюэновского рассеяния света вдоль волокна [2]. Рисунок 2 - Рефлектограмма волокна AllWave с напряженным участком Выводом является следующее, что время жизни волокна в нормальных условиях эксплуатации (при относительном удлинении волокна меньше 0,3 %) составляет 25 лет и более, в то время как уже при относительном удлинении 0,6 – 0,7% разрыв волокна произойдет в течении 1 года. Поэтому надежность волоконно-оптических линий связи невозможно оценить, не имея достоверной информации о натяжении волокна в кабеле. Обычные оптические рефлектометры не в состоянии определить степень натяжения волокна, поскольку величина оптических потерь при возникновении напряжений в волокне, как правило, остается в пределах нормы вплоть до момента наступления необратимых изменений в волокне. Литература 1. Л. Радомиров, Ю Г Скопин, А.Б. Иванов. Методы и оборудование удаленного тестирования ВОЛС. Вестник связи, 5, 2008, стр 64 — 72. 2. Методы и средства измерения параметров волоконно-оптических линий М54 связи/: Учебник/ Н.И. Горлов, А.Д. Мехтиев, В.И. Эйрих, О.В. Алдошина, А.А. Кшалова; Карагандинский государственный технический университет. Караганда: Издво КарГТУ, 2014. 293 с.
