26 Сен

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ПРИНЦИПЕ ВЫНУЖДЕННОГО БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Постановка задачи. Оптические методы измерений  давно заняли особое место в мониторинге состояния и технической диагностики. Их способность функционировать без электрического и механического контакта с измеряемым объектом является их наиболее существенным преимуществом. Эти измерения позволяют получать значение измеряемой величины как функцию позиции по длине чувствительного оптического волокна. Распределенные датчики особенно привлекательны для использования в применениях, где контроль измеряемой величины требуется в большом количестве точек или непрерывно по трассе волокна.

Метод решения. Оптические методы измерения основаны на принципах рассеяния света в оптическом волокне. Пространственная разрешающая способность достигается использованием оптической рефлектометрии во временной области, в которой оптические импульсы вводятся в волокно, а вариации интенсивности обратного рассеяния, вызванные измеряемой величиной, регистрируются как функция времени. Частотный сдвиг обратно рассеяного света Стокса-Бриллюэна (так называемый Бриллюэновский частотный сдвиг) сильно изменяется от напряжения и температуры. Физическая причина явления вынужденного рассеяние Бриллюэна состоит в том, что интенсивная волна света распространяющегося в прямом направлении и первоначально слабая волна рассеянного назад света, а также тепловая упругая волна нелинейно взаимодействуют друг с другом (за счет явления электрострикции). В результате такого взаимодействия в волокне возникают волны показателя преломления, движущиеся со скоростью звука. Часть распространяющегося в прямом направлении света рассеивается на волнах показателя преломления назад со сдвигом частоты Это приводит не только к ослаблению сигнала, передаваемого по волокну в прямом направлении, но и к появлению дополнительных вариаций частоты и амплитуды источника излучения при попадании в него отраженного излучения.

        Вносимые искажения по своему характеру делятся на линейные и нелинейные. К линейным искажениям, прежде всего, относятся амплитудно-частотные искажения(а также связанные с ними фазовые и временные искажения),  которые искажают форму спектра сигнала, но не вносят дополнительных частотных составляющих в его спектральном распределении. Теоретически, все виды линейных искажений можно устранить (т.е. восстановить спектр исходного сигнала) в конечной точке приема (на практике восстановлению подлежит только часть

составляющих,  что связано с экономическими аспектами целесообразности).  Важно обратить внимание читателей, что линейные искажения никогда не связаны с уровнем сигнала.  А вот нелинейные искажения всегда связаны с уровнем (мощностью) транслируемого сигнала и не подлежат устранению в конечной точке приема.

 Вынужденное Бриллюэновское рассеяние (ВРМБ)  является нелинейным процессом, который может происходить в оптических волокнах при относительных низких уровня мощности. Это проявляется через преобразование небольшой части падающего света в рассеянный свет с измененной частотой. Эффект Бриллюэна был предложен для создания распределенных волоконных датчиков. Принцип последних

основан на зависимости Бриллюэновского частотного сдвига VB  от скорости  VA акустических волн в волокно

обычно Бриллюэновская частота сдвинута на ±13 ГГц для l=1.31 мкм и на ±11 ГГц для l=1.55 мкм.

Поскольку акустическая скорость зависит от температуры и напряжения, контролируя изменения Бриллюэновского частотного сдвига по длине волокна. При этом пространственная разрешающая способность определяется длительностью импульса, вводимого в оптическое волокно и полосой пропускания приемного устройства [2]

где C0 – скорость света в свободном пространстве;

      Δt – длительность импульса;

      Δf – полоса пропускания.

Эффективный альтернативный метод, работающий в частотной области, включает в себя взаимодействие между модулированными по интенсивности световыми волнами. Максимальная частота модуляции определяет здесь пространственную разрешающую способность датчика.

С тех пор, как впервые была продемонстрирована зависимость Бриллюэновского частотного сдвига в оптическом волокне от напряжения, накоплен богатый опыт практической реализации распределенных датчиков температуры и напряжения. При этом была показана перспективность применения стандартного оптического телекоммуникационного волокна в качестве чувствительного элемента датчика. Низкие потери датчика делают возможным выполнить распределенные измерения на структурах, габариты которых могут составлять несколько десятков километров. Среди конфигураций датчиков, основанных на Бриллюэновском  частотном сдвиге различают принципы временной и частотной областей, а также непрерывно волновую конфигурацию, основанную на корреляции.

К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для  повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

В докладе после описания принципов измерения, лежащих в основе функционирования датчиков, рассмотрены вышеупомянутые конфигурации, при этом особое внимание уделено проблеме различения эффектов температуры и напряжения, когда оба они одновременно присутствуют на протяжении волокна.

Выводы. Авторы надеются, что функциональные возможности волоконно-оптических датчиков, основанных на Бриллюэновском рассеянии, подлежат дальнейшему исследованию, чтобы расширить область их применения.

 

 

Литература

  1. Листвин, А.В. Оптические волокна для линий связи / А.В. Листвин, В.Н. Листвин, Д.В. Швырков; «ВЕЛКОМ». – М. : ЛЕСАРарт, 2003. – 288 с.
  2. Иванов, А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи измерения / А.Б. Иванов. – М. : Компания САЙРУС-СИСТЕМС, 1999 г. – 672 с.
    РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ПРИНЦИПЕ ВЫНУЖДЕННОГО БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ
    Доклад посвящен анализу распределенных волоконно-оптических датчиков, основанных на явлении вынужденного Бриллюэновского рассеяния. Они привлекли большой интерес исследования благодаря их способности измерять температуры и напряжения на протяжении больших расстояний с высокой точностью и пространственной разрешающей способностью.
    Written by: Жахметбеков Даурен Зейноллаевич, Горлов Николай Ильич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/02/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook