Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования.
Резидент Технопарка ИТМО
+7 (812) 612-99-82
Санкт-Петербург
+7 (964) 442-90-01
Новосибирск
+7 (964) 442-90-01
Владивосток
8 (800) 551-57-49
Звонок бесплатный по РФ
Перезвоните мне
Оставьте заявку
Ru En
0
Каталог
Рефлектометрия оптических волокон

Рефлектометрия оптических волокон

29.06.2022
245
Поделитеcь новостью:

1. OTDR (Optical Time Domain Reflectometr) - рефлектометр посылает в линию мощный зондирующий импульс и измеряет мощность и время запаздывания импульсов, вернувшихся обратно в рефлектометр. В оптических волокнах обратная волна образуется не только за счет отражения от больших (по сравнению с длиной волны) дефектов, но и за счет релеевского рассеяния. Рассеяние света происходит на флуктуациях показателя преломления кварцевого стекла, застывших при вытяжке волокна. Размер этих неоднородностей (релеевских центров) мал по сравнению с длиной волны и свет на них рассеивается во все стороны, в том числе и назад в моду волокна (рис. 1).


Рис. 1. В OTDR приходят импульсы света рассеянные назад в моду волокна.png

Рис. 1. В OTDR приходят импульсы света рассеянные назад в моду волокна


Релеевские центры распределены однородно вдоль волокна, и в рассеянной на них волне содержится информация обо всех параметрах линии, влияющих на поглощение света. Именно за счет детектирования рассеянного излучения удается обнаруживать неотражающие (поглощающие) неоднородности в волокне. Доля мощности света, рассеиваемая назад в моду волокна крайне мала. Например, при ширине импульса 1м (длительность импульса 10 нс) коэффициент обратного релеевского рассеяния составляет величину около –70 дБ. Поэтому, в OTDR в волокно посылаются импульсы большой мощности и большой длительности, а для детектирования рассеянных назад импульсов света применяются высокочувствительные фотоприемники.


Рис. 2. Схема OTDR.png

Рис. 2. Схема OTDR


На нашем сайте представлен большой выбор моделей оптических рефлектометров для контроля неисправностей волоконно-оптических линий связи в режиме реального времени.

2. С-OTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometr) - принцип действия COTDR схож с принципом действия обычного рефлектометра: в тестируемую линию вводится мощный короткий зондирующий импульс, а временные зависимости мощности рассеянного назад излучения измеряются и анализируются с использованием различных алгоритмов обработки рефлектограмм. Поскольку размер рассеивающих центров менее 10 нм и мал по сравнению с длиной волны, то свет на них рассеивается во все стороны, в том числе и назад в моду волокна. В когерентном рефлектометре рассеянное назад на отдельных релеевских центрах световое излучение складывается когерентно, т.е. складываются комплексные амплитуды рассеянных на отдельных центрах волн. В силу случайного распределения релеевских центров фазы рассеянных назад волн тоже случайны и, следовательно, мощность рассеянного назад излучения (рефлектограмма) также описывается случайной функцией, аргумент которой — временная задержка относительно зондирующего импульса. Малые изменения в относительном расположении релеевских центров приводят к изменению разности фаз складывающихся волн и, следовательно, к изменению вида рефлектограммы.


С-OTDR.png

Для обеспечения высокой чувствительности когерентного рефлектометра к внешним воздействиям требуется импульсный источник излучения, обладающий одновременно узким спектром (большой длиной когерентности), воcпроизводимостью частоты и большим контрастом. Требуемая длина когерентности, являющаяся необходимым условием возникновения интерференционной картины от случайно распределенных вдоль волокна рассеивающих центров, обеспечивается в непрерывных полупроводниковых лазерах, но трудно достижима в импульсном режиме из-за возникновения чирпа. Воcпроизводимость частоты на уровне десятых от ширины линии излучения, обеспечивающая стабильность интерференционной картины, необходима для дифференциальных измерений, что трудно получить в лазерах с прямой модуляцией. Большой контраст отношения длины тестируемого волокна к длине импульса (порядка 50 дБ) необходим для устранения фонового излучения, снижающего видность интерференционной картины.


Рис. 3. Схема когерентного оптического рефлектометра или DAS.png

Рис. 3. Схема когерентного оптического рефлектометра или DAS 


Когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR) на основе релеевского обратного рассеяния широко используется для замены множества отдельных волоконных датчиков одним чувствительным оптическим волокном в различных приложениях, таких как мониторинг состояния трубопроводов или конструкций гражданского строительства. Для больших структур и, соответственно, длинных оптических волокон, генерация импульсного зонда может стать проблемой. Обычно используются акустооптические модуляторы. В рефлектометрии оптического волокна релеевское рассеяние составляет большую часть процесса распространения при взаимодействии сигнальных волн с частицами среды по сравнению с другими видами рассеяния, такими как бриллюэновское или рамановское.

С приборами, основанными на когерентной рефлектометрии во временной области, вы можете ознакомиться в нашем разделе применения.

3. ROTDR (Stimulated Raman Optical Time Domain Reflectometr) - рамановская оптическая рефлектометрия во временной области (ROTDR) использует рамановский сигнал обратного рассеяния оптического импульса для получения информации об окружающей среде вдоль чувствительного волокна. 

Оптический импульс, посылаемый по волокну, приводит к некоторому отражению рассеянного света обратно к передающему концу, где информация анализируется. Благодаря аморфной твердой структуре SiO2 тепловые эффекты вдоль волокна вызывают колебания кристаллической решетки. Когда свет падает на термически возбужденные молекулярные колебания, фотоны и электроны молекулы SiO2 вступают во взаимодействие, в результате чего возникает рассеянный свет, также известный как комбинационное рассеяние. Рассеянный свет имеет спектральный сдвиг, эквивалентный резонансной частоте колебаний решетки (1450 нм и 1660 нм). 

Интенсивность рамановского рассеяния является мерой температуры вдоль волокна. Антистоксовая компонента спектра комбинационного рассеяния значительно меняет свою амплитуду при изменении температуры; сигнал Рамана-Стокса относительно стабилен. 

Технология Raman OTDR или Raman OFDR также известна как DTS


Рис. 4. Комбинационное рассеяние в оптическом волокне.png

Рис. 4. Комбинационное рассеяние в оптическом волокне


Рис. 5. Принципиальная схема ROTDR (DTS).png

Рис. 5. Принципиальная схема ROTDR (DTS)


4. BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometr) - это простейшая методика, основанная на эффекте Бриллюэна, в которой изменение частоты сигнала спонтанного обратного рассеяния Бриллюэна используется для исследования температуры и деформации вдоль чувствительного волокна. Поскольку интенсивность спонтанного бриллюэновского рассеяния слабая, это затрудняет разработку BOTDR с высоким временным разрешением. 

При прохождении входного оптического импульса через оптическое волокно небольшая его часть рассеивается в каждом месте волокна. Бриллюэновское рассеяние относится к рассеянию световой волны акустической волной вследствие неупругого взаимодействия с акустическими фононами среды. Частота этого обратно рассеянного света смещается от исходной частоты входного сигнала на величину, линейно пропорциональную общей деформации (тепловой и механической), приложенной в месте рассеяния. Когда сигнал обратного рассеяния разрешается по частоте и времени (преобразуется в расстояние на основе скорости света), можно получить полный профиль деформации по всей длине волокна. Поскольку измерения на основе метода Бриллюэна регистрируют сдвиг частоты, а не интенсивности обратно рассеянных сигналов, они позволяют проводить непрерывные измерения на расстоянии в десятки километров.


Рис. 6. Бриллюэновское рассеяние света в оптическом волокне.png

Рис. 6. Бриллюэновское рассеяние света в оптическом волокне


Рис. 7. Принципиальная схема BOTDR.png

Рис. 7. Принципиальная схема BOTDR: (a) Стоксова и антистоксова компоненты; (b) линейная зависимость между сдвигом частоты Бриллюэна и деформацией; (c) линейная зависимость между сдвигом частоты Бриллюэна и температурой. 


5. OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometr) - методы OFDR делятся на две основные категории: некогерентные OFDR (I-OFDR) и когерентные OFDR (C-OFDR). 

В методе I-OFDR непрерывная волна оптической несущей (зондирующий сигнал) модулируется по интенсивности радиочастотным сигналом постоянной амплитуды, частота которого периодически изменяется в определенном диапазоне частот либо ступенчато (метод ступенчатой частоты), либо непрерывно (метод развертки частоты). Обратно рассеянные и обратно отраженные оптические сигналы Рэлея определяются как функция частоты модуляции и обрабатываются в векторном анализаторе сигналов для получения частотной характеристики волокна. Преобразование Фурье частотной характеристики дает импульсную характеристику во временной области при условии, что диапазон сканируемых частот достаточно велик.


Рис. 7. Принципиальная схема I-OFDR.png

Рис. 8. Принципиальная схема I-OFDR


В методе C-OFDR оптическая несущая частота перестраиваемого лазерного источника изменяется линейно во времени без скачков моды. Затем частотно-модулированный оптический сигнал (сигнал зондирования) разделяется на два, один из которых зондирует оптическое волокно, а другой используется в качестве опорного сигнала (или локального генератора). Опорный сигнал, возвращающийся от опорного зеркала, и тестовый сигнал, возвращающийся от мест отражения в испытательном плече (оптическом волокне), когерентно интерферируют на объединителе. Этот интерференционный сигнал содержит частоты биений, которые появляются в виде пиков на дисплее анализатора после преобразования Фурье фототока с временной дискретизацией.


Рис. 8. Принципиальная схема C-OFDR.png

Рис. 9. Принципиальная схема C-OFDR 


Технология OFDR в одномодовом волокне впервые была описана в 1981 году как метод измерения пространственного распределения релеевского рассеяния и оптических потерь вдоль оптического волокна. Однако недавно он был исследован и коммерциализирован для многочисленных приложений распределенного мониторинга. Технология OFDR имеет значительно более высокое пространственное разрешение и экспоненциально большее количество мест зондирования, чем технологические решения OTDR. Сочетание высокого пространственного разрешения, быстрой частоты обновления, дополнительного количества датчиков и полного распределения выделяет OFDR как наиболее совершенную технологию на современном рынке.


Рис. 9. Принципиальная схема распределенного датчика на OFDR.png

Рис. 10. Принципиальная схема распределенного датчика на OFDR 


В OFDR используется лазерный сигнал переменной частоты, соединенный с оптическим интерферометром. Выход перестраиваемого лазерного источника разделяется между опорным и измерительным плечами интерферометра. В измерительном тракте свет дополнительно разделяется для опроса тестируемого волокна и возврата рассеянного света. Поскольку лазер линейно перестраивается по оптической частоте, интерференция между измерительным и опорным полями регистрируется с помощью оптических детекторов. 

Большинство систем OFDR, основанных на релеевском рассеянии, классифицируются как когерентные OFDR (C-OFDR), в то время как некогерентные OFDR (I-OFDR) в основном используются для систем, основанных на комбинационном или бриллюэновском рассеянии. 

Конфигурация OFDR используется для определения температуры, деформации, длины волны и связи мод высокого порядка в оптических волокнах. Это отличный выбор для коротких длин зондирования (<100 м), в то время как большие расстояния измерения (5 км) возможны за счет снижения пространственного разрешения и разрешения по температуре и деформации.

Принцип измерения

Тип рассеяния света

Из-за чего возникает

Прибор

OTDR

Рассеяние Рэлея Взаимодействие света с флуктуациями неоднородностей волокна Оптический рефлектометр для ВОЛС
C-OTDR Рассеяние Рэлея Взаимодействие света с флуктуациями неоднородностей волокна DAS
ROTDR Комбинационное рассеяние Взаимодействие света с молекулярными колебаниями внутри среды DTS
BOTDR Комбинационное рассеяние Взаимодействие света с молекулярными колебаниями внутри среды DSTS
OFDR Все виды Все виды I-OFDR: DAS, DSTS C-OFDR: DTS

Вы можете ознакомиться с распределенными волоконно-оптическими датчиками, а также с точечными датчикими на нашем сайте в разделе «Волоконно-оптические системы мониторинга».

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!
Связаться с инженером Бесплатный звонок