В работе исследовались особенности применения многочастотной рефлектометрии для создания усовершенствованного метода измерения параметров физических полей. Методами виртуального моделирования проведен анализ четырехчастотного метода рефлектометрии и предложены рекомендации по внедрению методов в различные области применения волоконно-оптических датчиков.
Ключевые слова: волоконная решетка Брэгга, четырехчастотный метод рефлектометрии, температура, механическое напряжение.
В настоящее время существует множество электронных и оптических систем измерения физических параметров. Проблематика электронных систем с технической точки зрения заключается в повышении их помехоустойчивости и обеспечения возможности работы в различных погодных условиях, а с экономической точки зрения — в минимизации используемых аппаратных средств, снижении стоимости оборудования и его программного обеспечения. Существуют также оптоволоконные приборы в которых стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения — локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну. Проблематика данных систем заключается в слишком большом количестве факторов по всей длине волоконного кабеля, которые изменяют исходный сигнал.
Для решения возникающих задач предложена система измерения физический параметров на основе волоконных решеток Брэгга и четырехчастотного метода рефлектометрии.
Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения, во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств). Подавляющее большинство непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительных каналов совпадают. Такие системы обладают простой конструкцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрического преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для структурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем [1].
Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании многочастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования многочастотного лазерного излучения. Гетеродинные системы можно разделить на два типа несимметричные и симметричные. Для несимметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие сдвинутой относительно нее измерительной, либо наличие двух измерительных частот, одна из которых совпадает с опорной, в измерительном канале. Для симметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие двух измерительных частот, симметрично сдвинутых относительно опорной.
Простая решетка Брэгга имеет оптический спектр отражения в форме узкой резонансной линии, длина волны которой зависит от внешнего воздействия температуры и механического напряжения на волокно. Зависимость направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от температуры и механического напряжения определяется формулой (1).
, (1)
где ΔT — изменение температуры, ε — приложенное механическое напряжение (в данном случае равно нулю), Pij — коэффициенты Поккельса для упруго-оптического тензора, ν — коэффициент Пуассона, α — коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, n — эффективный показатель преломления основной моды [2]. Измеряя сдвиг резонансной линии отражения, можно определить и вариации внешнего воздействия, например, изменение температуры или механического напряжения.
Для измерения параметров физических полей с помощью источника лазерного излучения одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой (рис.1) [3], соответствующей центральной частоте полосы пропускания волоконной решетки Брэгга, используемой в качестве оптического датчика, при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая — из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы.
Рис. 1. Схема четырехчастотного источника измерительного сигнала на основе модуляторов Маха-Цендера
Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель. В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.
Принцип работы модели волоконно-оптического датчика (ВОД) заключается в обработке сигнала от источника после прохождения через решетку Брэгга и анализе амплитуды выходного сигнала. Данная система может применяться без учета фазовой составляющей источника зондирующего сигнала, т. к. определение величины и направления смещения полосы пропускания решетки Брэгга относительно центральной длины волны происходит по характеристике разности пар Ω1 и Ω2 (рис.2) [4].
Рис. 2. Измерительные характеристики четырехчастотного методы рефлектометрии
Для оценки влияния нестабильности амплитуды источника сигнала были проведены 5 циклов моделирования в различных режимах зондирующего сигнала. В режиме 1 нестабильность амплитуды источника сигнала равна нулю, в режиме 2–1 %, в режиме 3–2 %, в режиме 4–5 %, в режиме 5–10 % (рис.3).
Рис. 3. Характеристика зависимости смещения центральной длины волны ВРБ от величины амплитуды отраженного сигнала
Проведенное исследование показало, что отклонение результатов измерений от режима 1 менее 1 % (0,5 %) наблюдается только при режиме 2. Таким образом рекомендуемый источник лазерного излучения должен иметь нестабильность амплитуды излучения не более 1 %.
Описан четырехчастотный метод измерения параметров физических полей. Представлена зависимость амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик. Рассмотрена работа устройства для измерения параметров физических полей на основе четырехчастотного метода рефлектометрии. А также представлена структурная схема устройства.
Произведено исследование датчика на основе ВРБ с помощью моделирования в среде Optisystem 7.0. Эксперимент заключался в виртуальном моделировании смещения центральной длины волны решетки Брэгга, тем самым имитируя воздействие параметров физических полей. Сдвиг ВРБ центральной длины волны решетки осуществлялся в диапазоне 1547–1553 нм. Полученная нелинейная характеристика зависимости наиболее точно и с наименьшей погрешностью отражает результат измерения.
Произведено исследование четырехчастотного метода на устойчивость. Произведено моделирование системы на основе четырехчастотного метода с различной погрешностью зондирующего сигнала. Показаны измерительные характеристики четырехчастотного метода в различных режимах зондирующего сигнала.
Главным результатом работы является нахождение способов повышения точности методов мониторинга волоконно-оптических сетей связи и их элементов, в частности разработка четырехчастотного метода мониторинга волоконных решеток Брэгга.
Литература:
1. Д. Л. Айбатов, О. Г. Морозов, Ю. Е. Польский. Основы рефлектометрии // Новое знание. 2008. С. 56.
2. С. А. Васильев, О. И. Медведков, И. Г. Королев, Е. М. Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр. 163–183, 2004.
3. Денисенко П. Е. Выбор метода зондирования волоконных решеток Брэгга со специальными формами спектров/ П. Е. Денисенко, Т. С. Садеев // Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «XX Туполевские чтения». — Т.IV. — 2012. — Казань. — С. 274–275.
4. МПК G01K 11/32 (2006/01). Устройство для измерения параметров физических полей / Денисенко П.Е, Куприянов В. Г., Морозов О. Г., Морозов Г. А., Садеев Т. С., Салихов А. М. (КНИТУ им. А. Н. Туполева). № 2012124693/28(037831); Заявл. 14.06.2012.
