Патент № 2444001 на официальном сайте Роспатент
Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения бриллюэновского сдвига частоты в зависимости от координат по длине волоконно-оптического чувствительного элемента и позволяет реализовать распределенный датчик температуры или механических деформаций с высокой чувствительностью. В свою очередь распределенные волоконные датчики имеют широкую область применения (контроль состояния протяженных объектов, таких например, как трубопроводы, мосты, дороги, электрические и оптические кабели и иные ответственные конструкции).
Возможности бриллюэновского рефлектометра
Известен оптический бриллюэновский рефлектометр, содержащий последовательно установленные полупроводниковый источник излучения, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в контролируемый отрезок оптического волокна, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу устройства обработки через устройство выбора и накопления. Также в него введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор, генератор линейно изменяющегося тока, причем узкополосный фильтр расположен между выходом направленного ответвителя и оптическим входом фотоприемника, один выход задающего генератора подключен к входу устройства обработки, а другой через генератор линейно изменяющегося тока - к входу полупроводникового источника излучения. Известный оптический бриллюэновский рефлектометр может быть применен при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов. Излучения обратного рассеяния из оптического волокна направляются на оптический вход фотоприемника через узкополосный фильтр, пропускающий определенный диапазон длин волн. Сигнал представляет собой совокупность импульсных сигналов, длительность которых зависит от крутизны линейного участка пилы и полосы пропускания оптического фильтра. Дальнейшая обработка сигнала (выбор, накопление, усреднение) аналогична обработке сигналов в импульсном рефлектометре и осуществляется в устройстве выбора и накопления, засинхронизированным импульсами, вырабатываемыми генератором, и в устройстве обработки.
Недостатками известного рефлектометра является низкая точность измерений вследствие малости сигналов бриллюэновского рассеяния, а также техническая сложность реализации оптического фильтра с узкой полосой пропускания (десятки МГц).
Зависимость частотного сдвига рассеяния Манделыштама-Бриллюэна (МБР) от продольной деформации оптического волокна и температуры, а также перспектива использования МБР для создания распределенных датчиков физических параметров оценены в работе [Lufhnescence, scattering, and absorption of fcght in quartz optical fibers and prospective use of these properties in Ckstnbuted waveguide sensors. B.G Gorshkov, IE Gorbatov, Yu.KDanteiko, and A.V.Sidorin. Kvantovaya Bektron (Moscow) 17. 345- 350 (March 1990)).
В изобретении (SU1534304,1939) предложено техническое решение бриллюэновского рефлектометра, который содержит импульсный лазер, направленный ответвитель, чувствительный элемент в виде протяженного оптического волокна, коллимирующую оптику, сканируемый интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник и электронный блок управления и обработки информации. Лазер соединен с направленным ответвителем посредством отрезка оптического волокна, чувствительный элемент соединен с выходом того же направленного ответвителя непосредственно, второй выход ответвителя через отрезок волокна через коллимирующую оптику и сканируемый интерферометр связан с фотоприемником.
Электронный блок управления и обработки информации связан с фотоприемником и управляет базой интерферометра. Лазерный импульс от лазера через направленный ответвитель поступает в чувствительный элемент. При распространении по волокну вследствие спонтанного МБР в направлении назад возникают, наряду с несмещенной (рэлеевской) компонентой, две компоненты неупругого рассеяния, смещенные относительно частоты возбуждающего излучения на бриллюэновскую частоту вверх (антистокс) и вниз (стоке). Этот частотный сдвиг несет информацию об измеряемой температуре и механической деформации оптического волокна. Записав спектр рассеянного излучения путем сканирования базы интерферометра Фабри-Перо или иного спектрального прибора, можно однозначно определить бриллюэновский сдвиг частоты и связанные с ним измеряемые параметры.
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная малостью сигналов МБР (они на 20 дБ меньше, чем сигналы рэлеевского рассеяния). Кроме того, ввиду наличия оптических потерь в оптическом волокне невозможно проводить измерения на больших расстояниях (десятки км). Чувствительность может быть повышена за счет увеличения времени накопления информации. Однако накопление информации в течение десятков минут или часов является в большинстве случаев неприемлемым.
Недостаток описанного выше устройства-аналога частично устранен в устройстве, которое может быть принято за прототип (US 7504618,2009]. Устройство-прототип 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. Частотосдвигающ1й 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 №Р. Частотный сдвиг в частотосдвигающем блоке подобран таким образом, что при гетеродинировании на втором ответвителе и фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты, соответствующий МБР. Далее производится электрическое гетеродинирование и детектирование. Полученный сигнал оцифровывается и подлежит цифровой обработке.