RU170943U1 - DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR - Google Patents

DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR Download PDF

Info

Publication number
RU170943U1
RU170943U1 RU2016135839U RU2016135839U RU170943U1 RU 170943 U1 RU170943 U1 RU 170943U1 RU 2016135839 U RU2016135839 U RU 2016135839U RU 2016135839 U RU2016135839 U RU 2016135839U RU 170943 U1 RU170943 U1 RU 170943U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
optical fiber
fiber
radiation
sensitive
Prior art date
Application number
RU2016135839U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Буров
Вячеслав Владимирович Семенюга
Яна Владимировна Зенкина
Дмитрий Борисович Захаров
Вячеслав Иванович Передерий
Вадим Анатольевич Яковлев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТСТ Инжиниринг"
Priority to RU2016135839U priority Critical patent/RU170943U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU170943U1 publication Critical patent/RU170943U1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Landscapes

  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Датчик относится к распределенным волоконно-оптическим датчикам на основе явления бриллюэновского рассеяния света, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно, и может быть использован для измерения распределения механических напряжений и/или, температуры с высокой точностью и высоким пространственным разрешением. Распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния содержит два источника оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна. Технический результат - увеличение расстояния до удаленных измеряемых участков, уменьшение продолжительности измерения, увеличение отношения сигнал/шум. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.The sensor refers to distributed fiber-optic sensors based on the Brillouin light scattering phenomenon, using optical fiber as a sensitive element, and can be used to measure the distribution of mechanical stresses and / or temperature with high accuracy and high spatial resolution. A distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon comprises two optical radiation sources, a sensitive optical fiber and an optical radiation detector, the sensitive optical fiber being connected to a first optical radiation source and an optical radiation detector using two isolated friend from each other linear paths of a fiber optic transmission line, the length of which is at least half the length sensitive optical fiber. The technical result is an increase in the distance to the remote measured areas, a decrease in the duration of the measurement, an increase in the signal-to-noise ratio. 4 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к распределенным волоконно-оптическим датчикам на основе явления бриллюэновского рассеяния света, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно, и может быть использовано для измерения распределения механических напряжений и/или температуры с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.The invention relates to distributed fiber-optic sensors based on the Brillouin light scattering phenomenon, using an optical fiber as a sensitive element, and can be used to measure the distribution of mechanical stresses and / or temperature with high accuracy and high spatial resolution.

Известны волоконно-оптические датчики измерения распределения физических величин, таких как температура, деформация и гидростатическое давление, вдоль чувствительного оптического волокна, которые используют методы на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения, а именно бриллюэновского рассеяния, также называемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Определение места, в котором измеряется физический параметр (давление, деформация, температура), происходит на основе пересчета времени задержки от зондирования до регистрации сигнала рассеяния в расстояние, которое соответствует пути светового излучения по оптическому волокну от анализатора до места рассеяния и обратно.Fiber optic sensors are known for measuring the distribution of physical quantities, such as temperature, strain and hydrostatic pressure, along a sensitive optical fiber, which use methods based on recording the distribution of the fine structure parameters of scattered radiation, namely Brillouin scattering, also called Mandelstam-Brillouin scattering. The location at which the physical parameter is measured (pressure, deformation, temperature) is based on recalculating the delay time from sensing to recording the scattering signal to a distance that corresponds to the path of light radiation along the optical fiber from the analyzer to the scattering point and vice versa.

Измерение времени задержки может производиться напрямую, как, например, в известном волоконно-оптическом бриллюэновском анализаторе (патент РФ на полезную модель 140707, опубликованный 20.05.2014). В известном анализаторе используется метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis), который использует принципы оптической рефлектометрии во временном представлении (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry). В известном анализаторе измеряется время задержки между импульсом оптического излучения, участвующим в бриллюэновском рассеянии, и регистрируемым фотоприемником сигналом, приписываемым явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется в оптическом волокне в противоположном импульсу направлении.The delay time can be measured directly, as, for example, in the well-known fiber-optic Brillouin analyzer (RF patent for utility model 140707, published on 05.20.2014). The well-known analyzer uses the Brillouin optical analysis method in the time representation (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis), which uses the principles of optical reflectometry in the time representation (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry). In the known analyzer, the delay time is measured between the optical radiation pulse participating in Brillouin scattering and the signal detected by the photodetector, attributed to the Brillouin scattering phenomenon, which propagates in the optical fiber in the opposite direction to the pulse.

Другой известный способ измерения времени задержки (см., например., заявку на Европейский патент ЕР 2110646 А2, опубликована 11.12.2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, опубликована 04.1997). В известном способе используется метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis), который использует принципы, оптической рефлектометрии в частотном представлении (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry). В известных устройствах измеряется зависимость амплитуды и фазы оптического сигнала, приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, от частоты модуляции одной из оптических волн. Затем, путем преобразования Фурье частотной зависимости, рассчитывается временная зависимость сигнала, аналогичная зависимости, получаемой оптической рефлектометрией во временном представлении.Another known method of measuring the delay time (see, for example, European patent application EP 2110646 A2, published December 11, 2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, published 04.1997). The known method uses the method of Brillouin optical analysis in the frequency representation (BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis), which uses the principles of optical reflectometry in the frequency representation (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry). Known devices measure the dependence of the amplitude and phase of an optical signal attributed to the Brillouin scattering phenomenon on the modulation frequency of one of the optical waves. Then, by the Fourier transform of the frequency dependence, the time dependence of the signal is calculated, similar to the dependence obtained by optical reflectometry in a time representation.

Бриллюэновское рассеяние в оптическом волокне можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке показателя преломления, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный от решетки сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния. Для точного определения деформации требуется измерение температуры и вычитание температурного вклада в Бриллюэновский сдвиг частоты, то есть термокомпенсация. При защите оптического волокна от внешних механических воздействий Бриллюэновский сдвиг зависит исключительно от температуры. Таким образом, измерение частотного Бриллюэновского сдвига позволяет измерять температуру и деформацию.Brillouin scattering in an optical fiber can be considered as diffraction of light by a moving refractive index grating created by an acoustic wave. Thus, the signal reflected from the grating experiences a Doppler frequency shift, since the grating moves with the speed of sound. The speed of sound is directly related to the density of the material and depends both on its temperature and on internal mechanical stress (deformation). As a result, the magnitude of the Brillouin frequency shift carries information about the temperature and strain at the scattering point. Accurate determination of the strain requires temperature measurement and subtraction of the temperature contribution to the Brillouin frequency shift, i.e., thermal compensation. When protecting an optical fiber from external mechanical influences, the Brillouin shift depends solely on temperature. Thus, the measurement of the Brillouin frequency shift allows the measurement of temperature and strain.

Существуют коммерчески доступные волоконно-оптические датчики температуры и деформации на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см., например, URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016; URL: http://www.neubrex.com/htm/products.htm, дата обращения 13/05/2016; URL: http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php, дата обращения 13/05/2016), которые предназначены для использования в системах обнаружения утечек транспортируемого по трубопроводу продукта, системах мониторинга подвижек грунта, системах мониторинга состояния зданий и сооружений, системах мониторинга линий электропередачи и др.There are commercially available fiber-optic temperature and strain gauges based on the Brillouin scattering phenomenon (see, for example, URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, accessed 05/13/2016; URL : http://www.neubrex.com/htm/products.htm, accessed 13/05/2016; URL: http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php, accessed 13/05 (2016), which are intended for use in leak detection systems of a product transported through a pipeline, monitoring systems for soil movement, monitoring systems for the condition of buildings and structures, monitoring systems for electric lines troperedachi et al.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является известный распределенный оптоволоконный датчик для измерения деформации и/или температуры (см. Патент РФ №2346235, опубликованный 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении бриллюэновского рассеяния. Известный датчик содержит источник ступенчатого оптического светового (оптического) излучения для формирования оптического импульса, обладающего ступенчатым распределением интенсивности света, увеличивающейся по направлению к центру, и источник непрерывного светового излучения для формирования непрерывного светового излучения. Также датчик содержит чувствительное оптическое волокно, на которое падает оптический импульс в качестве светового излучения зондирования, а непрерывное световое излучение является падающим в качестве светового излучения накачки, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между световым излучением зондирования и световым излучением накачки, и детектор бриллюэновского рассеяния во временной области для определения спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления по световому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния. В известном датчике измерение деформации, вызванной внутри чувствительного оптического волокна, и/или температуры чувствительного оптического волокна производится на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.The closest technical solution (prototype) is a well-known distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature (see RF Patent No. 2346235, published July 27, 2008), which uses a method based on the Brillouin scattering phenomenon. The known sensor comprises a source of stepwise optical light (optical) radiation for generating an optical pulse having a stepwise distribution of light intensity increasing toward the center, and a source of continuous light radiation for generating continuous light radiation. The sensor also contains a sensitive optical fiber onto which an optical pulse is incident as the sounding light of the sensing, and the continuous light is incident as the light of the pump, so as to cause the Brillouin scattering between the light of the sounding and the light of the pump, and a Brillouin scattering detector in the time domain for determining the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin gain spectrum from light radiation, the output arising from a sensitive optical fiber and the attributed phenomenon of Brillouin scattering. In the known sensor, the measurement of the strain caused inside the sensitive optical fiber and / or the temperature of the sensitive optical fiber is based on a specific Brillouin attenuation spectrum or Brillouin gain spectrum.

Недостатком известного датчика является то, что он не позволяет ограничить участок оптического волокна, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что на детектор попадает сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, которое происходит на всем протяжении чувствительного оптического волокна, что приводит к увеличению продолжительности измерения, уменьшает отношение сигнал/шум и ограничивает расстояние от источников световых излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна.A disadvantage of the known sensor is that it does not allow to limit the portion of the optical fiber where the Brillouin scattering phenomenon occurs, so that a signal attributed to the Brillouin scattering phenomenon that occurs throughout the sensitive optical fiber, which leads to an increase in the measurement time, is incident on the detector. signal-to-noise ratio and limits the distance from light sources and the detector to the most remote portion of the sensitive optical wave window.

Решаемая заявленным датчиком задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик и обеспечение возможности проведения измерений на достаточно большом удалении от требовательных к условиям размещения составных частей датчика - источников оптических излучений и детектора.The problem solved by the claimed sensor is the improvement of technical and operational characteristics and the provision of the possibility of taking measurements at a sufficiently large distance from the component requirements for the placement of the sensor components - optical radiation sources and detector.

Технический результат, который получен при выполнении заявленного датчика, - увеличение расстояния от источников оптических излучений и детектора до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна, уменьшение продолжительности измерения, увеличение отношения сигнал/шум.The technical result that was obtained by performing the claimed sensor was an increase in the distance from the sources of optical radiation and the detector to the most remote portion of the sensitive optical fiber, a decrease in the measurement duration, and an increase in the signal-to-noise ratio.

Указанный технический результат достигается за счет того, что распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния содержит источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем первый конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику первого оптического излучения, второй конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику второго оптического излучения, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, а детектор подключен к первому концу чувствительного оптического волокна для регистрации излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, причем чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна, причем подключение источника первого оптического излучения к чувствительному оптическому волокну и подключение чувствительного оптического волокна к детектору оптического излучения выполнены с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов.The specified technical result is achieved due to the fact that the distributed fiber-optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon comprises a source of first optical radiation, a source of second optical radiation, a sensitive optical fiber and an optical radiation detector, the first end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to the source the second optical radiation, thereby causing a Brillouin scattering phenomenon between the first and second optical radiations, and the detector is connected to the first end of the sensitive optical fiber to detect radiation coming out of the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, wherein the sensitive optical fiber is connected to the source the first optical radiation and the optical radiation detector by means of a fiber optic transmission line, the length of which th is not less than half the length of the sensing optical fiber, wherein the source connection of the first optical radiation to the sensing optical fiber and an optical fiber connecting the sensor to the detector of optical radiation are made using two isolated from each other linear paths.

Подключение чувствительного оптического волокна линейным к трактам волоконно-оптической линии передачи может быть выполнено посредством оптического циркулятора.The connection of the sensitive optical fiber linear to the paths of the fiber optic transmission line can be performed by means of an optical circulator.

Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления.Deformation and / or temperature can be measured based on a specific Brillouin attenuation spectrum.

Деформация и/или температура может измеряться на основании определенного спектра бриллюэновского усиления.The strain and / or temperature can be measured based on a specific Brillouin gain spectrum.

Источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения и детектор оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе.The source of the first optical radiation, the source of the second optical radiation and the detector of optical radiation can be located in a common housing.

Указанные преимущества заявленного датчика, а также его особенности поясняются с помощью фиг. 1.The indicated advantages of the claimed sensor, as well as its features are explained using FIG. one.

Фиг. 1 изображает обобщенную функциональную схему заявленного распределенного волоконно-оптического датчика для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния.FIG. 1 depicts a generalized functional diagram of the claimed distributed fiber optic sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon.

Распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния содержит источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно 3 и детектор 4 оптического излучения.The distributed optical fiber sensor (Fig. 1) for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon comprises a first optical radiation source 1, a second optical radiation source 2, a sensitive optical fiber 3 and an optical radiation detector 4.

Первый конец чувствительного оптического волокна 3 подключен к источнику 1 первого оптического излучения и детектору 4 оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов 5 и 6 соответственно. Подключение может быть выполнено при помощи оптического циркулятора 7.The first end of the sensitive optical fiber 3 is connected to the first optical radiation source 1 and the optical radiation detector 4 by means of a fiber optic transmission line using two linear paths 5 and 6 isolated from each other, respectively. The connection can be made using an optical circulator 7.

Источник 1 первого оптического излучения, источник 2 второго оптического излучения и детектор 4 оптического излучения могут быть расположены в общем корпусе 8, например, аналогично как в известных из уровня техники распределенных волоконно-оптических датчиках.The source 1 of the first optical radiation, the source 2 of the second optical radiation and the detector 4 of the optical radiation can be located in a common housing 8, for example, in the same way as in the prior art distributed fiber optic sensors.

Работает распределенный волоконно-оптической датчик (фиг. 1) следующим образом.The distributed fiber optic sensor (Fig. 1) operates as follows.

Источник 1 излучает первое оптическое излучение, которое через линейный тракт 5 волоконно-оптической линии передачи и оптический циркулятор 7 попадает в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем. При этом линейный тракт 5 обеспечивает передачу первого оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Источник 2 излучает второе оптическое излучение, которое попадет в чувствительное оптическое волокно 3 и распространяется в нем навстречу первому оптическому излучению. Источник 1 и источник 2 имеют характеристики, обеспечивающие их применимость для соответствующего метода бриллюэновского оптического анализа. В чувствительном оптическом волокне 3 происходит явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, в результате которого генерируется сигнал, приписываемый явлению бриллюэновского рассеяния, который распространяется по чувствительному оптическому волокну 3 и через линейный тракт 6 волоконно-оптической линии передачи попадает на детектор 4. При этом линейный тракт 6 обеспечивает передачу оптического излучения с требуемыми характеристиками без искажений. Подключение чувствительного оптического волокна 3 волоконно-оптической линии передачи, а именно к линейным трактам 5 и 6, может быть выполнено посредством оптического циркулятора 7. Оптический циркулятор 7 направляет первое оптическое излучение от линейного тракта 5, подключенного к источнику 1, в чувствительное оптическое волокно 3, а излучение из чувствительного оптического волокна 3 - направляет в линейный тракт 6, подключенный к детектору 4. Использование циркулятора 7 предотвращает паразитное попадание первого оптического излучения на детектор 4, а также предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 на источник 1 и обеспечивает передачу излучения из чувствительного оптического волокна 3 на детектор 4 с низкими потерями. Оптические циркуляторы являются стандартными компонентами и коммерчески доступны (см., например, URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373. дата обращения 13/05/2016).The source 1 emits the first optical radiation, which, through the linear path 5 of the fiber optic transmission line and the optical circulator 7, enters and propagates into the sensitive optical fiber 3. In this case, the linear path 5 provides the transmission of the first optical radiation with the desired characteristics without distortion. Source 2 emits a second optical radiation, which enters the sensitive optical fiber 3 and propagates therein towards the first optical radiation. Source 1 and source 2 have characteristics that ensure their applicability to the corresponding Brillouin optical analysis method. In the sensitive optical fiber 3, a Brillouin scattering phenomenon occurs between the first and second optical radiations, which generates a signal attributed to the Brillouin scattering phenomenon, which propagates through the sensitive optical fiber 3 and enters the detector 4 through the linear path 6 of the optical fiber transmission line. this linear path 6 provides the transmission of optical radiation with the desired characteristics without distortion. The connection of the sensitive optical fiber 3 of the fiber-optic transmission line, namely to the linear paths 5 and 6, can be accomplished by means of the optical circulator 7. The optical circulator 7 directs the first optical radiation from the linear path 5 connected to the source 1 to the sensitive optical fiber 3 , and the radiation from the sensitive optical fiber 3 - directs to the linear path 6 connected to the detector 4. Using a circulator 7 prevents spurious hit of the first optical radiation on the detector 4, and also prevents radiation from the sensitive optical fiber 3 from entering the source 1 and ensures the transmission of radiation from the sensitive optical fiber 3 to the detector 4 with low loss. Optical circulators are standard components and are commercially available (see, for example, URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373. Access date 05/13/2016).

Детектор 4 измеряет спектр бриллюэновского ослабления или спектр бриллюэновского усиления по оптическому излучению, выходящему из чувствительного оптического волокна 3 и приписываемому явлению бриллюэновского рассеяния, и определяет деформацию и/или температуру чувствительного оптического волокна 3, на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления или спектра бриллюэновского усиления.Detector 4 measures the Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum from optical radiation emerging from the sensitive optical fiber 3 and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, and determines the deformation and / or temperature of the sensitive optical fiber 3 based on a specific Brillouin attenuation spectrum or the Brillouin amplification spectrum.

Определение пространственного распределения измеряемой величины вдоль чувствительного оптического волокна производится известными из уровня техники методами. В заявленном датчике может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа во временном представлении (BOTDA), когда первое оптическое излучение представляет собой импульс и детектор оптического излучения регистрирует излучение, выходящее из чувствительного оптического волокна и приписываемое явлению бриллюэновского рассеяния в зависимости от времени задержки относительно импульса первого оптического излучения. Расстояние до точки измерения рассчитывается на основе пересчета соответствующего времени задержки. В этом случае источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в наиболее близком техническом решении (прототипе).The spatial distribution of the measured value along the sensitive optical fiber is determined by methods known from the prior art. In the inventive sensor, the Brillouin optical analysis method in time representation (BOTDA) can be used, when the first optical radiation is a pulse and the optical radiation detector detects radiation emerging from the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon depending on the delay time relative to the pulse of the first optical radiation . The distance to the measurement point is calculated based on the conversion of the corresponding delay time. In this case, sources 1, 2 and detector 4 can be performed in the same way as in the closest technical solution (prototype).

В заявленном датчике также может использоваться метод бриллюэновского оптического анализа в частотном представлении (BOFDA), когда первое оптическое излучение гармонически модулировано по амплитуде и детектор оптического излучения регистрирует фазу и амплитуду излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, в зависимости от частоты модуляции первого оптического излучения. В этом случае источники 1, 2 и детектор 4 могут быть выполнены так же, как в известной из уровня техники коммерчески доступной системе на основе явления бриллюэновского рассеяния света (см. URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, дата обращения 13/05/2016).The claimed sensor can also use the Brillouin optical analysis method in the frequency representation (BOFDA), when the first optical radiation is harmonically modulated in amplitude and the optical radiation detector detects the phase and amplitude of the radiation coming out of the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, depending on the frequency modulation of the first optical radiation. In this case, sources 1, 2 and detector 4 can be performed in the same way as in the commercially available system based on the Brillouin light scattering phenomenon (see URL: http://www.fibristerre.de/products-and- services /, accessed 05/13/2016).

В отрасли связи для передачи и приема оптического сигнала достаточно широко используются волоконно-оптические линии передачи. Волоконно-оптическая линия передачи представляет собой совокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания в пределах действия устройств обслуживания. Обязательными каналообразующими элементами волоконно-оптической линии передачи являются оптические волокна. Оптические волокна характеризуются параметром затухания оптического сигнала и дисперсионными характеристиками. Типичная величина затухания излучения с длиной волны 1550 нм в связных одномодовых оптических волокнах составляет 0,19-0,22 дБ/км и величина хроматической дисперсии составляет около 20 пс/(нм км). При передаче оптического излучения по линейным трактам 5 и 6 происходит падение амплитуды оптического сигнала вследствие затухания, и может искажаться временная форма сигнала вследствие вклада хроматической дисперсии.In the communications industry, fiber optic transmission lines are widely used to transmit and receive an optical signal. Fiber-optic transmission line is a combination of linear paths of fiber-optic transmission systems having a common optical cable, linear structures and devices for their maintenance within the limits of operation of service devices. Mandatory channel-forming elements of a fiber optic transmission line are optical fibers. Optical fibers are characterized by the attenuation parameter of the optical signal and dispersion characteristics. Typical attenuation of radiation with a wavelength of 1550 nm in a single-mode coupled optical fiber is 0.19-0.22 dB / km and the chromatic dispersion is about 20 ps / (nm km). When optical radiation is transmitted along linear paths 5 and 6, the amplitude of the optical signal decreases due to attenuation, and the temporal shape of the signal may be distorted due to the contribution of chromatic dispersion.

Для восстановления амплитуды оптического сигнала в линейных трактах 5 и 6 могут применяться широко используемые в отрасли связи усилители оптические, например Эрбиевые или Рамановские, которые устанавливаются через определенное расстояние так, чтобы величина усиления компенсировала общее затухание и потери оптической мощности на предыдущем участке волоконно-оптической линии передачи. Типичная длина участка линейного тракта без усилителей составляет 50 км, что соответствует потере мощности оптического сигнала на 10 дБ.Optical amplifiers widely used in the communications industry can be used to restore the amplitude of the optical signal in linear paths 5 and 6, for example, Erbium or Raman amplifiers, which are installed over a certain distance so that the gain compensates for the total attenuation and loss of optical power in the previous section of the fiber optic line transmission. A typical length of a linear path section without amplifiers is 50 km, which corresponds to a 10 dB loss in optical signal power.

Кроме устройств обслуживания в виде усилителей оптических, в линейных трактах 5 и 6 могут использоваться спектральные оптические фильтры, которые отфильтровывают по спектру длин волн оптический полезный сигнал от спектральных шумов усилителей оптических, например от спонтанного излучения Эрбиевого усилителя. Для восстановления временной формы сигнала могут применяться компенсаторы дисперсии (волоконные или полупроводниковые), компенсирующие накопленную на предыдущем отрезке линейного тракта дисперсию. Использование поддерживающих состояние поляризации сигнала оптических волокон позволяет избавиться от поляризационно-модовой дисперсии и уменьшить искажение в линии передачи. Объединение усилителя оптического с последовательно установленным за ним в линейном тракте компенсатором дисперсии является повторителем, использование которого позволяет восстанавливать форму передаваемого по линейному тракту 6 сигнала до состояния исходного, то есть повторять сигнал.In addition to service devices in the form of optical amplifiers, spectral optical filters can be used in linear paths 5 and 6, which filter the optical useful signal from the spectral noise of optical amplifiers, for example, from spontaneous emission of an Erbium amplifier, by the wavelength spectrum. To restore the temporal waveform of the signal, dispersion compensators (fiber or semiconductor) can be used to compensate for the dispersion accumulated in the previous segment of the linear path. The use of optical fibers supporting the state of polarization of the signal allows one to get rid of the polarization-mode dispersion and reduce distortion in the transmission line. The combination of an optical amplifier with a dispersion compensator sequentially installed behind it in the linear path is a repeater, the use of which allows you to restore the shape of the signal transmitted along the linear path 6 to the original state, that is, repeat the signal.

Отметим, что в линейном тракте 6 отсутствует бриллюэновское рассеяние, вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, так как там отсутствует распространяющееся навстречу первое оптическое излучение. Таким образом использование линейного тракта 6 для подключения чувствительного оптического волокна 3 к детектору 4 предотвращает нелинейные искажения передаваемого оптического излучения и ограничивает область, где происходит явление бриллюэновского рассеяния, чувствительным оптическим волокном 3.Note that in the linear path 6 there is no Brillouin scattering caused by the interaction of the first and second optical radiation propagating towards each other, since there is no first optical radiation propagating towards it. Thus, the use of a linear path 6 to connect the sensitive optical fiber 3 to the detector 4 prevents nonlinear distortion of the transmitted optical radiation and limits the region where the Brillouin scattering phenomenon occurs to the sensitive optical fiber 3.

Длина волоконно-оптической линии передачи выбрана не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3. Обозначим длину чувствительного оптического волокна 3 величиной L. При длине волоконно-оптической линии передачи L/2 (половина длины чувствительного оптического волокна 3) наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную 3L/4. Например, в случае, когда источники оптических излучений 1, 2 и детектор 4 расположены в общем корпусе 8, такое расстояние достигается, когда волоконно-оптическая линия передачи и чувствительное оптическое волокно 3 расположены вдоль одной прямой, так что волоконно-оптическая линия передачи подключается к чувствительному оптическому волокну на удалении L/2 от общего корпуса 8, которое удаляется дополнительно на L/4 и затем поворачивает обратно, так что его оставшейся длины 3L/4 хватает для подключения к расположенным в общем корпусе 8 источнику 1 и детектору 4. В случае отсутствия волоконно-оптической линии передачи очевидно, что наибольшее возможное расстояние до наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4 составит величину равную L/2. Так что увеличение указанного выше расстояния при использовании тракта 6 составит величину L/4, то есть на 50% относительно L/2. Таким образом, такой выбор длины волоконно-оптической линии передачи позволяет существенно увеличить максимально достижимое расстояние от наиболее удаленного участка чувствительного оптического волокна 3 источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4.The length of the fiber-optic transmission line is chosen to be no less than half the length of the sensitive optical fiber 3. Denote the length of the sensitive optical fiber 3 by L. When the length of the fiber-optic transmission line L / 2 (half the length of the sensitive optical fiber 3) is the largest possible distance to the most distant section sensitive optical fiber 3 from the sources of optical radiation 1, 2 and detector 4 will be equal to 3L / 4. For example, in the case where the optical radiation sources 1, 2 and the detector 4 are located in a common housing 8, such a distance is achieved when the optical fiber transmission line and the sensitive optical fiber 3 are located along one straight line, so that the optical fiber transmission line is connected to sensitive optical fiber at a distance L / 2 from the common housing 8, which is removed further by L / 4 and then turns back, so that its remaining 3L / 4 length is enough to connect to the source located in the common housing 8 1 and detector 4. In the absence of a fiber-optic transmission line, it is obvious that the greatest possible distance to the most remote portion of the sensitive optical fiber 3 from the optical radiation sources 1, 2 and detector 4 will be equal to L / 2. So the increase in the above distance when using path 6 will amount to L / 4, that is, 50% relative to L / 2. Thus, this choice of the length of the fiber-optic transmission line can significantly increase the maximum achievable distance from the most remote portion of the sensitive optical fiber 3 of the optical radiation sources 1, 2 and detector 4.

Увеличение отношения сигнал/шум достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4, за счет того, что линейный тракт 6 обеспечивает возможность передачи оптического излучения от чувствительного оптического волокна 3 до детектора 4 без указанных выше искажений, которые бы происходили при распространении излучения в чувствительном оптическом волокне. Заметим также, что использование циркулятора 7 предотвращает попадание излучения из чувствительного оптического волокна 3 в линейный тракт 5, что предотвращает бриллюэновское рассеяние, вызванное взаимодействием распространяющихся навстречу друг другу первого и второго оптических излучений, и, таким образом, обеспечивает возможность передачи первого оптического излучения от источника 1 до чувствительного оптического волокна 3 без указанных выше искажений, что дополнительно увеличивает отношение сигнал/шум.An increase in the signal-to-noise ratio is achieved for sensors when measurements are required to be taken away from the optical radiation sources 1, 2 and detector 4, due to the fact that the linear path 6 provides the possibility of transmitting optical radiation from the sensitive optical fiber 3 to detector 4 without the above distortions that would occur during the propagation of radiation in a sensitive optical fiber. We also note that the use of the circulator 7 prevents radiation from the sensitive optical fiber 3 from entering the linear path 5, which prevents Brillouin scattering caused by the interaction of the first and second optical radiation propagating towards each other, and thus makes it possible to transmit the first optical radiation from the source 1 to the sensitive optical fiber 3 without the above distortions, which further increases the signal-to-noise ratio.

Уменьшение продолжительности измерения достигается для датчиков, когда требуется производить измерения на удалении от источников оптических излучений 1, 2 и детектора 4, за счет того, что в линейным тракте 5 не происходит явление бриллюэновского рассеяния, так что анализируемый методом оптической рефлектометрии участок волокна сокращается до чувствительного оптического волокна 3, что уменьшает время измерения в соответствии с уменьшением времени распространения первого оптического излучения от волоконно-оптической линии передачи по чувствительному оптическому волокну 3 до источника 2 и обратно до детектора 4.A reduction in the measurement duration is achieved for sensors when it is necessary to carry out measurements at a distance from the optical radiation sources 1, 2 and detector 4, due to the fact that the Brillouin scattering phenomenon does not occur in the linear path 5, so that the fiber section analyzed by optical reflectometry is reduced to sensitive optical fiber 3, which reduces the measurement time in accordance with the reduction of the propagation time of the first optical radiation from the fiber optic transmission line over h authentic optical fiber 3 to source 2 and back to detector 4.

Заметим также, что типичная максимально допустимая длина чувствительного оптического волокна не превышает 50 км, так что длина волоконно-оптической линии передачи не меньше половины длины чувствительного оптического волокна 3 легко реализуема с использованием стандартных в отрасли связи решений.We also note that the typical maximum permissible length of the sensitive optical fiber does not exceed 50 km, so that the length of the fiber-optic transmission line is not less than half the length of the sensitive optical fiber 3 is easily implemented using industry standard communication solutions.

Claims (5)

1. Распределенный волоконно-оптической датчик для измерения деформации и/или температуры с использованием явления бриллюэновского рассеяния, содержащий источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения, чувствительное оптическое волокно и детектор оптического излучения, причем первый конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику первого оптического излучения, второй конец чувствительного оптического волокна подключен к источнику второго оптического излучения, чтобы тем самым вызывать явление бриллюэновского рассеяния между первым и вторым оптическими излучениями, а детектор подключен к первому концу чувствительного оптического волокна для регистрации излучения, выходящего из чувствительного оптического волокна и приписываемого явлению бриллюэновского рассеяния, отличающийся тем, что чувствительное оптическое волокно подключено к источнику первого оптического излучения и детектору оптического излучения посредством волоконно-оптической линии передачи, длина которой составляет не менее половины длины чувствительного оптического волокна, причем подключение источника первого оптического излучения к чувствительному оптическому волокну и подключение чувствительного оптического волокна к детектору оптического излучения выполнены с использованием двух изолированных друг от друга линейных трактов.1. A distributed optical fiber sensor for measuring strain and / or temperature using the Brillouin scattering phenomenon, comprising a source of first optical radiation, a source of second optical radiation, a sensitive optical fiber and an optical radiation detector, the first end of the sensitive optical fiber being connected to the first optical source radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to a second optical radiation source, thereby causing the phenomenon of Brillouin scattering between the first and second optical radiation, and the detector is connected to the first end of the sensitive optical fiber to detect radiation coming out of the sensitive optical fiber and attributed to the Brillouin scattering phenomenon, characterized in that the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation and the detector optical radiation through a fiber optic transmission line, the length of which is at least half the length of the itelnogo optical fibers, the source connection of the first optical radiation to the sensing optical fiber and an optical fiber connecting the sensor to the detector of optical radiation are made using two isolated from each other linear paths. 2. Распределенный волоконно-оптической датчик по п. 1, в котором подключение чувствительного оптического волокна к линейным трактам волоконно-оптической линии передачи выполнено посредством оптического циркулятора.2. The distributed optical fiber sensor according to claim 1, wherein the connection of the sensitive optical fiber to the linear paths of the optical fiber transmission line is made by means of an optical circulator. 3. Распределенный волоконно-оптической датчик по п. 1, в котором деформация и/или температура измеряется на основании определенного спектра бриллюэновского ослабления.3. The distributed fiber optic sensor according to claim 1, wherein the strain and / or temperature is measured based on a specific Brillouin attenuation spectrum. 4. Распределенный волоконно-оптической датчик по п. 1, в котором деформация и/или температура измеряется на основании определенного спектра бриллюэновского усиления.4. The distributed fiber optic sensor according to claim 1, wherein the strain and / or temperature is measured based on a specific Brillouin gain spectrum. 5. Распределенный волоконно-оптической датчик по п. 1, в котором источник первого оптического излучения, источник второго оптического излучения и детектор оптического излучения расположены в общем корпусе.5. The distributed fiber optic sensor according to claim 1, wherein the first optical radiation source, the second optical radiation source and the optical radiation detector are located in a common housing.
RU2016135839U 2016-09-06 2016-09-06 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR RU170943U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016135839U RU170943U1 (en) 2016-09-06 2016-09-06 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016135839U RU170943U1 (en) 2016-09-06 2016-09-06 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU170943U1 true RU170943U1 (en) 2017-05-16

Family

ID=58716487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016135839U RU170943U1 (en) 2016-09-06 2016-09-06 DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU170943U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2082119C1 (en) * 1994-05-20 1997-06-20 Московский государственный университет леса Fiber-optical multiplexer which measures temperature
US5825804A (en) * 1993-01-06 1998-10-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Temperature distribution measuring apparatus using an optical fiber
RU2510609C2 (en) * 2012-07-27 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Apparatus for optical identification of measurement channels of built-in nondestructive inspection system based on fibre-optic bragg sensors
RU140707U1 (en) * 2012-02-02 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" FIBER OPTICAL BRILLUIN ANALYZER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825804A (en) * 1993-01-06 1998-10-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Temperature distribution measuring apparatus using an optical fiber
RU2082119C1 (en) * 1994-05-20 1997-06-20 Московский государственный университет леса Fiber-optical multiplexer which measures temperature
RU140707U1 (en) * 2012-02-02 2014-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" FIBER OPTICAL BRILLUIN ANALYZER
RU2510609C2 (en) * 2012-07-27 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Apparatus for optical identification of measurement channels of built-in nondestructive inspection system based on fibre-optic bragg sensors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2018343339B2 (en) Tailor distributed amplification for fiber sensing
EP2183624B1 (en) Distributed optical fiber sensor system
US9599460B2 (en) Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers
JP3780322B2 (en) Distributed strain and temperature sensing system
Pastor-Graells et al. Chirped-pulse phase-sensitive reflectometer assisted by first-order Raman amplification
CN102639966A (en) Optical sensor and method of use
KR101182650B1 (en) Distributed optical fiber sensor and sensing method using bbrillouin scattering
KR101310783B1 (en) Distributed optical fiber sensor and sensing method using simultaneous sensing of brillouin gain and loss
GB2523319A (en) Distributed optical sensing with two-step evaluation
Uyar et al. A direct detection fiber optic distributed acoustic sensor with a mean SNR of 7.3 dB at 102.7 km
CN116295778A (en) Distributed acoustic wave sensing system and demodulation method thereof
JP3222970U (en) Distributed optical fiber sensor
WO2018048326A1 (en) Long-gauge distributed fibre optic sensor
RU170943U1 (en) DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR
RU170925U1 (en) EXTENDED DISTRIBUTED FIBER OPTICAL SENSOR
CN113091783B (en) High-sensitivity sensing device and method based on two-stage Brillouin scattering
Azendorf et al. Interrogation of 2000 draw tower gratings for quasi distributed sensing with coherent-correlation-OTDR
Sandah et al. Spectral Shadowing Compensation in Double-pulse FBG-assisted φ-OTDR
RU138620U1 (en) Brillouin Optical Reflectometer
CN113670353A (en) Brillouin optical time domain analyzer based on few-mode optical fiber mode multiplexing
KR102644918B1 (en) sensitiveness improvement type distributed acostic sensor
Wu et al. High performance distributed acoustic sensor based on ultra-weak FBG array
Sandah et al. Mitigation of spectral shadowing effect in direct detection double-pulse FBG-assisted phase-OTDR
RU2550768C1 (en) Device to monitor vibroacoustic characteristic of lengthy object
Brown et al. Combined Raman and Brillouin scattering sensor for simultaneous high-resolution measurement of temperature and strain

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170907

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20180621

PD9K Change of name of utility model owner
PC91 Official registration of the transfer of exclusive right (utility model)

Effective date: 20200217

MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200907