RU2539849C2 - Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions) - Google Patents

Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2539849C2
RU2539849C2 RU2013117585/28A RU2013117585A RU2539849C2 RU 2539849 C2 RU2539849 C2 RU 2539849C2 RU 2013117585/28 A RU2013117585/28 A RU 2013117585/28A RU 2013117585 A RU2013117585 A RU 2013117585A RU 2539849 C2 RU2539849 C2 RU 2539849C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
polarization
fiber
frequency
signal
Prior art date
Application number
RU2013117585/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013117585A (en
Inventor
Михаил Владимирович Греков
Антон Сергеевич Кузин
Александр Николаевич Наумов
Евгений Викторович Фигура
Андрей Александрович Фотиади
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы"
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 "Уникальные волоконные приборы" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы"
Priority to RU2013117585/28A priority Critical patent/RU2539849C2/en
Priority to PCT/RU2014/000250 priority patent/WO2014171859A1/en
Publication of RU2013117585A publication Critical patent/RU2013117585A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539849C2 publication Critical patent/RU2539849C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/39Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides in which light is projected from both sides of the fiber or waveguide end-face
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3181Reflectometers dealing with polarisation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/3538Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself using a particular type of fiber, e.g. fibre with several cores, PANDA fiber, fiber with an elliptic core or the like
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N21/23Bi-refringence

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics, optics.
SUBSTANCE: invention relates to fibre optics, particularly to distributed fibre-optic sensors which measure parameters of an optical fibre under the effect of external physical fields. The disclosed methods for distributed measurement of birefringence in optical fibres with polarisation preservation, in addition to known methods which employ three signals, employ a fourth signal. Detection and statistical processing of recorded signals is performed using means of processing and storing signals with a zero mean. The fourth signal in the form of a linearly polarised signal can be fed into the optical fibre towards a probing signal and in the polarisation of the probing signal. In another version of the method, the fourth signal is mixed with a scattered signal during detection thereof.
EFFECT: improved spatial resolution, measurement accuracy and/or range (length) of the investigated section.
8 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к распределенным волоконно-оптическим датчикам, в которых измеряются параметры оптического волокна, находящегося под воздействием внешних физических полей.The invention relates to fiber optics, in particular to distributed fiber optic sensors, in which the parameters of an optical fiber under the influence of external physical fields are measured.

Способы измерения физических полей на основе динамики вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в волокнах с сохранением поляризации (РМ волокна) хорошо известны и используются в волоконно-оптических датчиках типа BOTDA. Особенность РМ волокон заключается в том, что сигнал, введенный в волокно вдоль одной из поляризационных мод, сохраняет свою поляризацию при распространении по волокну. Поэтому при ВРМБ взаимодействии подобных сигналов внутри волокна отсутствует взаимная деполяризация сигналов, вносящая локальную неопределенность в эффективность ВРМБ взаимодействия.Methods for measuring physical fields based on the dynamics of stimulated Mandelstam-Brillouin scattering (SBS) in polarized conservation fibers (PM fibers) are well known and are used in BOTDA-type fiber optic sensors. A feature of PM fibers is that the signal introduced into the fiber along one of the polarization modes retains its polarization during propagation through the fiber. Therefore, during SBS interaction of such signals inside the fiber, there is no mutual depolarization of signals, introducing local uncertainty into the effectiveness of SBS interaction.

В коммерческих датчиках на основе ВРМБ (так называемые бриллюэновские анализаторы, или BOTDA) реализованы способы распределенного мониторинга физических полей, например температуры и продольного натяжения, основанные на измерении параметров ВРМБ резонанса [1-4]. Их общая суть заключается в том, что в оптическое волокно, используемое в качестве чувствительного элемента, с противоположных концов подаются два оптических сигнала на частоте накачки

Figure 00000001
и частоте Стокса
Figure 00000002
, сдвинутых относительно друг друга примерно на величину ВРМБ-сдвига Ω0. Один из сигналов непрерывный, другой - импульсный. По меньшей мере один из сигналов сканируется по частоте, обеспечивая тем самым сканирование разности частот
Figure 00000003
в окрестности средней частоты ВРМБ-сдвига
Figure 00000004
. Проходящий через волокно импульсный сигнал взаимодействует в процессе ВРМБ с непрерывным сигналом, вызывая локальные изменения его интенсивности. Далее, датчиком регистрируют изменение интенсивности непрерывного сигнала, прошедшего через волокно, как функцию времени и разности частот
Figure 00000005
. В результате статистической и математической обработки полученных данных определяют пространственно-частотные характеристики ВРМБ резонанса, а именно пространственное распределение коэффициента ВРМБ усиления (или ширину линии ВРМБ усиления), величину Бриллюэновского сдвига Ω0 [1, 2], положение пиков ВРМБ резонансов в волокнах с несколькими резонансами [3].In commercial sensors based on SBS (the so-called Brillouin analyzers, or BOTDA), methods for distributed monitoring of physical fields, such as temperature and longitudinal tension, based on measuring SBS resonance parameters, are implemented [1-4]. Their common essence is that two optical signals at the pump frequency are applied to the optical fiber used as a sensitive element from opposite ends
Figure 00000001
and Stokes frequency
Figure 00000002
shifted relative to each other by approximately the size of the SBS shift Ω 0 . One of the signals is continuous, the other is pulsed. At least one of the signals is scanned in frequency, thereby providing a frequency difference scan
Figure 00000003
in the vicinity of the average frequency of the SBS shift
Figure 00000004
. The pulse signal passing through the fiber interacts during the SBS with a continuous signal, causing local changes in its intensity. Next, the sensor records the change in the intensity of the continuous signal transmitted through the fiber, as a function of time and frequency difference
Figure 00000005
. As a result of statistical and mathematical processing of the obtained data, the spatial-frequency characteristics of the SBS resonance are determined, namely, the spatial distribution of the SBS gain coefficient (or the SBS gain line width), the Brillouin shift value Ω 0 [1, 2], the position of the SBS resonance peaks in fibers with several resonances [3].

Из патента РФ №2179374 (опубликован 10.02.2002; МПК H04B 10/08, G01M 11/02, G01R 31/11) известны варианты устройства для измерения характеристик волокна оптического кабеля. В первом варианте исполнения устройство содержит малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки ωL, делитель мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому входу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выходом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя. Во втором варианте исполнения устройство содержит малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки ωL, соединенный выходом со входом делителя мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что первый вывод делителя мощности соединен с входом управляемого оптического затвора, выход которого подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя, противоположный конец исследуемого волокна соединен с первым выводом второго делителя мощности, соединенного вторым выводом с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с противоположным концом первого дополнительного волокна оптического кабеля, подключенного ближним концом к выводу основного канала второго направленного ответвителя мощности, вывод проходного плеча которого соединен со вторым выводом делителя мощности, а вывод ответвительного плеча - с ближним концом второго дополнительного волокна оптического кабеля, противоположный конец которого через оптический усилитель соединен со входом второго делителя мощности, а вывод ответвительного плеча первого направленного ответвителя соединен с поглотителем. Техническим результатом является повышение точности и расширение функциональных возможностей путем использования рассеяния как Бриллюэновского, так и Рамановского.From the patent of the Russian Federation No. 2179374 (published on 02/10/2002; IPC H04B 10/08, G01M 11/02, G01R 31/11), device variants are known for measuring fiber characteristics of an optical cable. In the first embodiment, the device comprises a low-coherent laser emitting continuous wave light with a pump frequency ω L , a power divider, a measuring directional coupler, the output of the main channel of which is connected to the near end of the fiber of the optical cable connected to the opposite end with an optical reflector, and the output of the measuring branch arm directional coupler connected to the input of the photodetector connected by the output to the input of the processor processing the result measurements, characterized in that the output of the low coherent laser is connected to the output of the passage arm of the first directional coupler, the output of the main channel of which is connected to one output of the active medium element with the effect of stimulated Raman scattering, the Stokes displacement frequency in which is equal to the Stokes displacement frequency in the studied fiber, the second the output of this element is connected to the output of the main channel of the second directional coupler, the output of the passage of which is connected to the first input of the power divider a tee connected by the second output to the first input of the optical adder, and the input through an optical amplifier with the output of the branch arm of the first directional coupler, the second input of the optical adder is connected to the output of the controlled optical shutter, the input of which is connected to the output of the branch arm of the second directional coupler, the output of the optical adder connected to the output of the passage arm of the measuring coupler. In the second embodiment, the device comprises a low-coherent laser emitting continuous wave light with a pump frequency ω L , connected by an output to the input of a power divider, a measuring directional coupler, the output of the main channel of which is connected to the near end of the fiber of the optical cable, the branch of the measuring arm of the measuring directional coupler is connected with the input of the photodetector connected by the output to the input of the processor that processes the measurement results, differing in those m, that the first output of the power divider is connected to the input of a controlled optical shutter, the output of which is connected to the output of the passage arm of the measuring directional coupler, the opposite end of the fiber under investigation is connected to the first output of the second power divider connected to the second output to the output of the passage of the first directional coupler, the output of the main the channel of which is connected to the opposite end of the first additional fiber of the optical cable connected by the proximal end to the output of the main the channel of the second directional power coupler, the lead-through arm of which is connected to the second output of the power divider, and the branch arm is connected to the proximal end of the second additional fiber of the optical cable, the opposite end of which is connected through the optical amplifier to the input of the second power divider, and the branch of the first directional arm the coupler is connected to the absorber. The technical result is to increase the accuracy and expand the functionality by using the scattering of both Brillouin and Raman.

Однако описанное в указанном патенте распределенное измерение двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации не может быть реализовано способами с применением BOTDA, основанными на ВРМБ взаимодействии оптических сигналов на двух частотах.However, the distributed measurement of birefringence in fibers with conservation of polarization described in the aforementioned patent cannot be realized by methods using BOTDA based on SBS interaction of optical signals at two frequencies.

Эта задача решена в известном ВРМБ способе, раскрытом в работах [5] и [6]. Данный способ распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации с помощью бриллюэновской динамической решетки основан на отражении зондирующего сигнала от динамической звуковой решетки, образованной при ВРМБ взаимодействии двух встречных световых волн в РМ волокнах.This problem is solved in the well-known SBS method, disclosed in [5] and [6]. This method of distributed measurement of birefringence in fibers while maintaining polarization using a Brillouin dynamic grating is based on the reflection of the probing signal from a dynamic sound grating formed during SBS interaction of two counterpropagating light waves in RM fibers.

Суть известного способа заключается в том, что в отрезок оптического РМ волокна вводятся не два, а три оптических линейно-поляризованных сигнала. Два непрерывных или квазинепрерывных сигнала на частоте накачки

Figure 00000006
и частоте Стокса
Figure 00000007
, сдвинутых относительно друг друга на величину ВРМБ сдвига Ω0, вводятся в волокно с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна. Их взаимодействие в волокне приводит к образованию динамической решетки звуковой волны, распространяющейся вдоль всей области взаимодействия сигналов. В поляризации другой главной оси со стороны накачки в волокно подается короткий (наносекундный) зондирующий, или пробный, импульс (или сигнал) на частоте
Figure 00000008
, сдвинутой относительно основной частоты накачки. Отражение этого импульса от звуковой решетки в процессе его распространения по волокну приводит к образованию встречного излучения в виде длинного импульса на частоте
Figure 00000009
, во временном распределении мощности которого заключена информация об эффективности отражения зондирующего сигнала от динамической решетки на различных участках вдоль волокна.The essence of the known method lies in the fact that not two, but three optical linearly polarized signals are introduced into a segment of an optical PM fiber. Two continuous or quasi-continuous pump frequency signals
Figure 00000006
and Stokes frequency
Figure 00000007
shifted relative to each other by the SBS value of the shift Ω 0 are introduced into the fiber from opposite ends in the polarization of one of the main axes of the fiber. Their interaction in the fiber leads to the formation of a dynamic lattice of a sound wave propagating along the entire region of signal interaction. In the polarization of the other main axis, a short (nanosecond) probing, or probe, pulse (or signal) at a frequency
Figure 00000008
shifted relative to the fundamental pump frequency. The reflection of this pulse from the sound lattice during its propagation through the fiber leads to the formation of counterpropagating radiation in the form of a long pulse at a frequency
Figure 00000009
, in the temporal distribution of power which contains information on the reflection efficiency of the probe signal from the dynamic array in various sections along the fiber.

Эффективность отражения в каждой точке волокна зависит от положения оптической частоты зондирующего сигнала

Figure 00000010
относительно его резонансной частоты
Figure 00000011
при четырехволновом ВРМБ взаимодействии, определяемой соотношением:The reflection efficiency at each point of the fiber depends on the position of the optical frequency of the probe signal
Figure 00000010
relative to its resonant frequency
Figure 00000011
with four-wave SBS interaction, defined by the ratio:

ω L 0 Y = n X n Y ( 1 + v n Y c ) ( 1 + v n X c ) ω L 0 X n X n Y ω L 0 X , ( 1 )

Figure 00000012
ω L 0 Y = n X n Y ( one + v n Y c ) ( one + v n X c ) ω L 0 X n X n Y ω L 0 X , ( one )
Figure 00000012

где

Figure 00000013
и
Figure 00000011
- оптическая частота основной накачки и резонансная оптическая частота зондирующего сигнала, nX и nY - показатели преломления принципиальных поляризационных мод волокна, с и v - скорости света в вакууме и звука в волокне.Where
Figure 00000013
and
Figure 00000011
are the optical frequency of the main pump and the resonant optical frequency of the probe signal, n X and n Y are the refractive indices of the fundamental polarization modes of the fiber, and c and v are the speeds of light in vacuum and sound in the fiber.

Таким образом, регистрируя положение резонансной частоты

Figure 00000011
зондирующего сигнала в данной точке волокна относительно
Figure 00000014
, по разнице частот
Figure 00000015
определяется пространственное распределение двулучепреломления в волокне:Thus, registering the position of the resonant frequency
Figure 00000011
probe signal at a given point of the fiber relative to
Figure 00000014
, by frequency difference
Figure 00000015
the spatial distribution of birefringence in the fiber is determined:

Figure 00000016
Figure 00000016

в частности, когда волокно используется как чувствительный элемент. Этот метод применялся для измерения распределения температуры и давления вдоль волокна с хорошим пространственным разрешением порядка десяти сантиметров [7, 8].in particular when fiber is used as a sensing element. This method was used to measure the distribution of temperature and pressure along the fiber with a good spatial resolution of the order of ten centimeters [7, 8].

Заметим, что достижение хорошего пространственного разрешения возможно и в том случае, когда короткий зондирующий импульс в поляризации Y вводится в волокно со стороны стоксовой волны на частоте

Figure 00000017
, сдвинутой относительно стоксовой частоты
Figure 00000018
, а отражение этого импульса от звуковой решетки в процессе его распространения по волокну приводит к образованию встречного излучения в виде длинного импульса на частоте
Figure 00000019
, во временном распределении мощности которого заключена информация об эффективности отражения зондирующего сигнала от динамической решетки на различных участках вдоль волокна.Note that achieving good spatial resolution is also possible in the case when a short probe pulse in polarization Y is introduced into the fiber from the side of the Stokes wave at a frequency
Figure 00000017
shifted relative to the Stokes frequency
Figure 00000018
, and the reflection of this pulse from the sound lattice during its propagation through the fiber leads to the formation of counterpropagating radiation in the form of a long pulse at a frequency
Figure 00000019
, in the temporal distribution of power which contains information on the reflection efficiency of the probe signal from the dynamic array in various sections along the fiber.

Вышеуказанный способ распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации с помощью бриллюэновской динамической решетки согласно [5], а также соответствующее ему устройство тех же авторов, раскрытое в заявке на патент Китая №102589857 (опубликована 18.07.2012; МПК G01M 11/02), выбраны в качестве ближайших аналогов заявляемых способов и устройств распределенного измерения двулучепреломления в волокнах с сохранением поляризации.The above method of distributed measurement of birefringence in fibers while maintaining polarization using a Brillouin dynamic lattice according to [5], as well as the corresponding device of the same authors, disclosed in Chinese patent application No. 102589857 (published July 18, 2012; IPC G01M 11/02), selected as the closest analogues of the claimed methods and devices for the distributed measurement of birefringence in fibers while maintaining polarization.

Недостатком известных способа и устройства является малая мощность детектируемого рассеянного сигнала, обусловленная низкой эффективностью рассеяния зондирующего импульса на динамической решетке. По этой причине для надежной регистрации отраженной волны (т.е. для обеспечения приемлемого соотношения сигнал/шум) амплитуда интенсивности зондирующего импульса должна быть выбрана достаточно большой, обычно превышающей сотни мВт. Это в значительной степени ограничивает применимость метода для длинных волокон, в которых пороги нелинейных эффектов составляют несколько десятков мВт.A disadvantage of the known method and device is the low power of the detected scattered signal, due to the low efficiency of scattering of the probe pulse on the dynamic lattice. For this reason, for reliable registration of the reflected wave (i.e., to ensure an acceptable signal-to-noise ratio), the amplitude of the probe pulse intensity should be chosen large enough, usually exceeding hundreds of mW. This greatly limits the applicability of the method for long fibers, in which the thresholds of nonlinear effects amount to several tens of mW.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение величины мощности оптических сигналов, необходимых для регистрации пространственного распределения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации. Техническим результатом является улучшение совокупности таких параметров, как пространственное разрешение, точность измерений и/или дальность (длина) тестируемого участка.The objective of the present invention is to reduce the magnitude of the power of the optical signals needed to register the spatial distribution of birefringence in optical fibers while maintaining polarization. The technical result is to improve the combination of such parameters as spatial resolution, measurement accuracy and / or range (length) of the test site.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации в дополнение к известному используется четвертый сигнал на частоте

Figure 00000020
и обеспечивается согласованное сканирование разности частот
Figure 00000021
,
Figure 00000022
и
Figure 00000023
в окрестности значений соответственно Ω0 и H0, где Ω0 - величина бриллюэновского сдвига,
Figure 00000024
- величина сдвига частоты накачки при четырехволновом ВРМБ резонансе, а детектирование и статистическая обработка регистрируемых сигналов реализуются средствами обработки и накопления сигналов с нулевым средним.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for the distributed measurement of birefringence in optical fibers while maintaining polarization, in addition to the known one, a fourth signal at a frequency
Figure 00000020
and consistent frequency difference scanning is provided
Figure 00000021
,
Figure 00000022
and
Figure 00000023
in the vicinity of the values of Ω 0 and H 0 , respectively, where Ω 0 is the Brillouin shift value,
Figure 00000024
- the magnitude of the shift in the pump frequency at four-wave SBS resonance, and the detection and statistical processing of the recorded signals are implemented by means of processing and accumulating signals with a zero mean.

Четвертый сигнал на частоте

Figure 00000025
в виде линейно-поляризованного сигнала может вводиться в оптическое волокно навстречу зондирующему импульсу и в поляризации зондирующего импульса, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум.Fourth frequency signal
Figure 00000025
in the form of a linearly polarized signal, it can be introduced into the optical fiber towards the probe pulse and into the polarization of the probe pulse, which leads to an increase in the signal-to-noise ratio.

Указанный результат также может достигаться в случае, когда четвертый сигнал на частоте

Figure 00000026
в волокно не вводится, а смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, что является еще одним вариантом реализации способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации.The indicated result can also be achieved when the fourth signal at a frequency
Figure 00000026
it is not introduced into the fiber, but mixed with the scattered signal when it is detected, which is another embodiment of the method of distributed measurement of birefringence in optical fibers with conservation of polarization.

Заявляемое устройство, предназначенное для реализации способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, состоит из оптического генератора, двух поляризационных комбайнеров, поляризационного делителя, РМ циркулятора, оптического волокна, по крайней мере одного фотодетектора, процессора. Еще один вариант заявляемого устройства состоит из оптического генератора, одного поляризационного комбайнера, оптического волоконного ответвителя, поляризационного делителя, РМ циркулятора, оптического волокна, по крайней мере одного фотодетектора, процессора.The inventive device designed to implement the method of distributed measurement of birefringence in optical fibers while maintaining polarization, consists of an optical generator, two polarizing combiners, a polarizing divider, PM circulator, optical fiber, at least one photodetector, processor. Another variant of the claimed device consists of an optical generator, one polarizing combiner, an optical fiber coupler, a polarizing divider, a PM circulator, an optical fiber, at least one photodetector, and a processor.

Упомянутый оптический генератор вырабатывает узкополосное оптическое излучение одновременно на четырех различных частотах

Figure 00000027
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
в окрестности частот соответственно
Figure 00000031
,
Figure 00000032
,
Figure 00000033
,
Figure 00000034
и оснащен средствами, обеспечивающими стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот
Figure 00000035
,
Figure 00000036
и
Figure 00000037
, контроль формы импульса, интенсивности и/или фазы излучения на этих частотах, а упомянутый процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов известными методами обработки и накопления сигналов с нулевым средним.The mentioned optical generator generates narrow-band optical radiation simultaneously at four different frequencies
Figure 00000027
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
in the vicinity of frequencies, respectively
Figure 00000031
,
Figure 00000032
,
Figure 00000033
,
Figure 00000034
and equipped with means providing stabilization and independent tuning within the necessary limits of the frequency difference
Figure 00000035
,
Figure 00000036
and
Figure 00000037
control of the pulse shape, intensity and / or phase of the radiation at these frequencies, and said processor provides statistical processing of the recorded signals by known methods of processing and accumulating signals with a zero mean.

Далее изобретение более подробно раскрывается со ссылками на прилагающиеся фигуры.Further, the invention is disclosed in more detail with reference to the accompanying figures.

На фиг.1 приведен типичный пример расположения резонансных частот взаимодействующих оптических сигналов для длины волны ~1550 нм (сверху) и схема ввода сигналов в волокно с сохранением поляризации.Figure 1 shows a typical example of the arrangement of the resonant frequencies of interacting optical signals for a wavelength of ~ 1550 nm (above) and a signal input circuit into the fiber while maintaining polarization.

На фиг.2. приведена принципиальная схема заявляемого устройства: вверху - первый вариант, внизу - второй вариант.In figure 2. a schematic diagram of the claimed device is given: at the top is the first option, at the bottom is the second option.

На фиг.3 приведена принципиальная схема оптического генератора.Figure 3 shows a schematic diagram of an optical generator.

На фиг.4 приведены параметры оптических сигналов, используемые в расчетах для Примера 1.Figure 4 shows the parameters of the optical signals used in the calculations for Example 1.

На фиг.5 приведена типичная форма сигнала, детектируемого на частоте

Figure 00000038
.Figure 5 shows a typical waveform detected at a frequency
Figure 00000038
.

На фиг.6 приведен вид производной по времени от сигнала, представленного на фиг.5.In Fig.6 shows a view of the time derivative of the signal presented in Fig.5.

На фиг.7 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала, усредненной по 10 реализациям.7 shows a view of the time derivative of the detected signal, averaged over 10 implementations.

На фиг.8 приведен зум сигналов (т.е. в более крупном масштабе), представленных на фиг.7.Fig. 8 shows the zoom of the signals (i.e., on a larger scale) shown in Fig. 7.

На фиг.9 приведены параметры оптических сигналов, используемые в расчетах для Примера 2.Figure 9 shows the parameters of the optical signals used in the calculations for Example 2.

На фиг.10 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала, усредненной по 10 реализациям (сверху) и подобный сигнал (снизу), но полученный при отсутствии сигнала на частоте

Figure 00000039
(трехчастотный метод).Figure 10 shows the time derivative of the detected signal averaged over 10 realizations (above) and a similar signal (below), but obtained in the absence of a signal at a frequency
Figure 00000039
(three-frequency method).

На фиг.11 приведен зум сигналов, представленных на фиг.10 (сверху).Figure 11 shows the zoom of the signals presented in figure 10 (top).

На фиг.12 приведен вид производной по времени от детектируемого сигнала согласно Примеру 3, усредненной по 25 реализациям.12 is a view of the time derivative of the detected signal according to Example 3 averaged over 25 implementations.

На фиг.13 приведен зум сигналов, представленных на фиг.12.In Fig.13 shows the zoom of the signals presented in Fig.12.

Заявляемые варианты способа основаны на особенностях динамики вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в оптических волокнах с сохранением поляризации (РМ волокнах) и особой восприимчивости этого процесса к локальным вариациям двулучепреломления (в т.ч. под влиянием измеряемых внешних воздействий), определяемых путем детектирования и математической обработки сигналов, полученных с выхода волокна при амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей.The inventive variants of the method are based on the characteristics of the dynamics of stimulated Mandelstam-Brillouin scattering (SBS) in optical fibers with preservation of polarization (PM fibers) and the particular susceptibility of this process to local birefringence variations (including under the influence of measured external influences), determined by detection and mathematical processing of signals received from the output of the fiber during amplitude modulation and frequency scanning of the master optical fields.

В данном способе могут быть использованы обычные оптические волокна с сохранением поляризации (РМ волокна), а также применяться РМ волокна особой конструкции и (или) РМ волокна, заключенные в кабель особой конструкции, в обоих случаях обеспечивающие избирательную чувствительность наведенного двулучепреломления к измеряемому внешнему полю.In this method, ordinary optical fibers with conservation of polarization (PM fiber) can be used, and PM fibers of a special design and / or PM fibers enclosed in a cable of a special design can be used, in both cases providing selective sensitivity of the induced birefringence to the measured external field.

Способ имеет преимущества в системах, предназначенных для распределенного измерения сразу двух или более видов внешних воздействий (в комбинации с другими методами), а также в случаях, когда необходимо обеспечить лучшие, по сравнению с известными методами, пространственное разрешение, точность измерения и (или) дальность тестируемого участка. Заявляемые варианты устройства реализуют предложенные варианты способа.The method has advantages in systems designed for distributed measurement of two or more types of external influences at once (in combination with other methods), as well as in cases where it is necessary to provide better spatial resolution, measurement accuracy and (or) in comparison with known methods range of the test site. The inventive device options implement the proposed method options.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

В одном варианте реализации способа согласно изобретению излучение на частотах накачки

Figure 00000040
,
Figure 00000041
и стоксовых сигналов
Figure 00000042
,
Figure 00000043
вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу в поляризациях, соответствующих главным поляризационным осям волокна (X и Y). Вблизи условий резонанса, описываемых уравнением (1) (в присутствии всех сигналов на всех четырех частотах), пары волн накачки и Стоксовых волн, относящиеся к разным поляризациям, взаимодействуют друг с другом через единую гиперзвуковую волну, образованную в среде этими двумя парами. Необходимым условием такого резонанса является близость резонансного сдвига частоты
Figure 00000044
зондирующего импульса относительно первой частоты накачки
Figure 00000045
, описываемого уравнением (1), и аналогичный сдвиг частоты
Figure 00000043
второго стоксового сигнала относительно частоты
Figure 00000046
первого стоксового сигнала (см. фиг.1). Производя детектирование и обработку сигналов, полученных с выхода волокна при согласованной амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей, измеряются пространственно-частотное распределение резонанса, в частности, распределение по волокну положения резонансного сдвига H0, ширины резонанса, его профиль. По положению резонанса репродуцируется распределение Δn. Другие характеристики резонанса также могут быть использованы как независимые параметры для измерения внешних воздействий.In one embodiment of the method of the invention, radiation at pump frequencies
Figure 00000040
,
Figure 00000041
and Stokes signals
Figure 00000042
,
Figure 00000043
is introduced into the fiber from opposite ends towards each other in polarizations corresponding to the main polarization axes of the fiber (X and Y). Near the resonance conditions described by equation (1) (in the presence of all signals at all four frequencies), pairs of pump waves and Stokes waves belonging to different polarizations interact with each other through a single hypersonic wave formed in the medium by these two pairs. A necessary condition for such a resonance is the proximity of the resonant frequency shift
Figure 00000044
probe pulse relative to the first pump frequency
Figure 00000045
described by equation (1), and a similar frequency shift
Figure 00000043
second Stokes signal relative to frequency
Figure 00000046
the first Stokes signal (see figure 1). By detecting and processing the signals received from the fiber at a consistent amplitude modulation and frequency scanning of the master optical fields, the spatial-frequency distribution of the resonance is measured, in particular, the distribution of the resonance shift position H 0 , the resonance width, and its profile over the fiber. According to the position of the resonance, the distribution Δn is reproduced. Other resonance characteristics can also be used as independent parameters for measuring external influences.

При обработке детектируемых сигналов следует иметь в виду, что эффективность взаимодействия пар волн в волокне зависит от соотношения их фаз в месте взаимодействия:When processing the detected signals, it should be borne in mind that the effectiveness of the interaction of pairs of waves in the fiber depends on the ratio of their phases at the interaction point:

Figure 00000047
Figure 00000047

где

Figure 00000048
- фаза волны на частоте
Figure 00000049
в месте взаимодействия; i=X, Y; j=L, S.Where
Figure 00000048
- phase of the wave at the frequency
Figure 00000049
in the place of interaction; i = X, Y; j = L, S.

При -π/2<Ф<π/2 взаимодействие пар приводит к увеличению общего инкремента усиления в каждой из них, при π/2<Ф<3π/2 - к уменьшению. В общем случае инкремент ВРМБ взаимодействия пар оптических сигналов отличается от инкремента усиления вне резонанса, где процесс ВРМБ в каждой из пар протекает независимо. Однако зависимость эффективности взаимодействия от соотношения фаз Ф делает результаты измерений зависимыми от фазового шума. Поскольку полоса фазового шума даже в длинных волокнах составляет 10-100 кГц, такой шум не приводит к значительным искажениям сигнала за один цикл измерения, а при усреднении сигнала по многим циклам необходимо использовать известные схемы статистической обработки сигналов с нулевым средним. В частности, в рассматриваемом ниже примере в качестве полезного сигнала использовались среднеквадратичные отклонения производной регистрируемого сигнала по времени.For -π / 2 <Ф <π / 2, the interaction of the pairs leads to an increase in the total increment of amplification in each of them; for π / 2 <Ф <3π / 2, to a decrease. In the general case, the SBS increment of the interaction of pairs of optical signals differs from the gain increment outside resonance, where the SBS process in each pair proceeds independently. However, the dependence of the interaction efficiency on the phase relation Ф makes the measurement results dependent on phase noise. Since the phase noise band, even in long fibers, is 10-100 kHz, such noise does not lead to significant signal distortions in one measurement cycle, and when averaging a signal over many cycles, it is necessary to use well-known statistical signal processing schemes with zero mean. In particular, in the example considered below, the mean time deviations of the time derivative of the recorded signal were used as a useful signal.

В другом варианте реализации способа согласно изобретению излучение на частотах накачки

Figure 00000045
,
Figure 00000050
и стоксового сигнала
Figure 00000051
вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу в поляризациях, соответствующих главным поляризационным осям волокна (X и Y). Четвертый сигнал на частоте
Figure 00000052
смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум.In another embodiment of the method according to the invention, the radiation at pump frequencies
Figure 00000045
,
Figure 00000050
and Stokes signal
Figure 00000051
is introduced into the fiber from opposite ends towards each other in polarizations corresponding to the main polarization axes of the fiber (X and Y). Fourth frequency signal
Figure 00000052
mixes with the scattered signal when it is detected, which leads to an increase in the signal-to-noise ratio.

Аналогично первому варианту производят детектирование и обработку сигналов, полученных с выхода волокна при согласованной амплитудной модуляции и частотном сканировании задающих оптических полей, измеряют пространственно-частотное распределение резонанса, в частности, распределение по волокну положения резонансного сдвига H0, ширины резонанса, его профиль. По положению резонанса репродуцируется распределение Δn. Другие характеристики резонанса также могут быть использованы как независимые параметры для измерения внешних воздействий.Similarly to the first option, the signals obtained from the fiber output are detected and processed with matched amplitude modulation and frequency scanning of the driving optical fields, the spatial-frequency distribution of the resonance is measured, in particular, the distribution of the resonance shift position H 0 , the resonance width, and its profile over the fiber. According to the position of the resonance, the distribution Δn is reproduced. Other resonance characteristics can also be used as independent parameters for measuring external influences.

В отношении второго варианта реализации способа согласно изобретению также применимы вышеуказанные замечания относительно эффективности взаимодействия пар волн в волокне, зависящей от соотношения их фаз в месте взаимодействия.With respect to the second embodiment of the method according to the invention, the above remarks also apply regarding the efficiency of interaction of wave pairs in the fiber, depending on the ratio of their phases at the site of interaction.

Существенным отличием обоих заявляемых вариантов способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации от известных из уровня техники является использование дополнительного, четвертого сигнала на стоксовой частоте

Figure 00000053
с последующей обработкой сигналов на выходе из волокна. Это позволяет повысить соотношение сигнал/шум, а следовательно, повысить пространственное разрешение и точность измерений и увеличить длину тестируемого участка.A significant difference between the two proposed variants of the method of distributed measurement of birefringence in optical fibers while maintaining polarization from those known from the prior art is the use of an additional fourth signal at the Stokes frequency
Figure 00000053
followed by signal processing at the output of the fiber. This allows you to increase the signal-to-noise ratio, and therefore, increase the spatial resolution and accuracy of measurements and increase the length of the test section.

Реализация первого и второго заявляемых вариантов способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации может быть осуществлена при помощи устройств, представленных соответственно на верхнем и нижнем рисунках на фиг.2. Принципиальным отличием заявляемых устройств от существующих аналогов является наличие генератора (1) оптического излучения, вырабатывающего узкополосное оптическое излучение одновременно на четырех различных частотах

Figure 00000045
,
Figure 00000054
,
Figure 00000055
,
Figure 00000056
в окрестности резонансных частот четырехволнового ВРМБ взаимодействия - соответственно
Figure 00000057
,
Figure 00000058
,
Figure 00000059
,
Figure 00000060
, связанных соотношениями (1), и
Figure 00000061
, где Ω0 - величина ВРМБ сдвига, а также наличие дополнительных средств, обеспечивающих стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот
Figure 00000062
, Ω X = ω L X ω S X
Figure 00000063
и
Figure 00000064
известными методами, и контроль известными методами формы импульса, интенсивности и (или) фазы излучения на этих частотах.The implementation of the first and second claimed variants of the method of distributed measurement of birefringence in optical fibers while maintaining polarization can be carried out using the devices shown respectively in the upper and lower figures in figure 2. The fundamental difference between the claimed devices from existing analogues is the presence of a generator (1) of optical radiation that generates narrow-band optical radiation simultaneously at four different frequencies
Figure 00000045
,
Figure 00000054
,
Figure 00000055
,
Figure 00000056
in the vicinity of the resonant frequencies of the four-wave SBS interaction, respectively
Figure 00000057
,
Figure 00000058
,
Figure 00000059
,
Figure 00000060
related by (1), and
Figure 00000061
, where Ω 0 is the SBS value of the shift, as well as the presence of additional means providing stabilization and independent tuning within the necessary limits of the frequency difference
Figure 00000062
, Ω X = ω L X - ω S X
Figure 00000063
and
Figure 00000064
by known methods, and control by known methods of the pulse shape, intensity and (or) phase of radiation at these frequencies.

Два волоконно-оптических выхода генератора на частотах

Figure 00000045
и
Figure 00000054
оптически связаны с волоконным поляризационным комбайнером (2). Поляризационный комбайнер (2) - это известный волоконно-оптический элемент, который обеспечивает объединение линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации. При этом излучение на частоте
Figure 00000045
вводится в X-поляризацию выходного волокна поляризационного комбайнера (2), а излучение на частоте
Figure 00000054
- в Y-поляризацию выходного волокна поляризационного комбайнера (2). Волоконно-оптический поляризационный комбайнер (2) оптически связан с волоконно-оптическим РМ циркулятором (3). РМ циркулятор (3) - это известный волоконно-оптический элемент, который обеспечивает сохранение поляризации и развязку излучения, поступающего с противоположных входов. Излучение на частотах
Figure 00000045
и
Figure 00000054
через РМ циркулятор (3) и устройство ввода (4) в волокно в двух независимых линейных поляризациях соответственно X и Y поступает в оптическое волокно (5), выступающее в качестве чувствительного элемента.Two fiber optic generator outputs at frequencies
Figure 00000045
and
Figure 00000054
optically coupled to a fiber polarizing combiner (2). A polarizing combiner (2) is a well-known fiber optic element that provides the combination of linear polarizations from two input fibers while maintaining polarization in two orthogonal polarizations of one output fiber while maintaining polarization. In this case, the radiation at the frequency
Figure 00000045
is introduced into the X-polarization of the output fiber of the polarizing combiner (2), and the radiation at the frequency
Figure 00000054
- in the Y-polarization of the output fiber of the polarizing combiner (2). A fiber optic polarizing combiner (2) is optically coupled to a fiber optic PM circulator (3). The PM circulator (3) is a well-known fiber-optic element, which ensures the conservation of polarization and decoupling of radiation coming from opposite inputs. Radiation at frequencies
Figure 00000045
and
Figure 00000054
through RM, the circulator (3) and the input device (4) into the fiber in two independent linear polarizations, respectively, X and Y enters the optical fiber (5), which acts as a sensitive element.

Для осуществления первого варианта заявляемого способа два волоконно-оптических выхода генератора (1) на частотах

Figure 00000065
и
Figure 00000066
оптически связаны с волоконным поляризационным комбайнером (6), аналогичным поляризационному комбайнеру (2), который через устройство ввода (7) передает излучение в оптическое волокно (5) с сохранением поляризации, выступающее в качестве чувствительного элемента (верхний рисунок на фиг.2).To implement the first variant of the proposed method, two fiber-optic outputs of the generator (1) at frequencies
Figure 00000065
and
Figure 00000066
optically coupled to a fiber polarizing combiner (6), similar to a polarizing combiner (2), which, through an input device (7), transmits radiation to an optical fiber (5) while maintaining polarization, acting as a sensitive element (upper figure in figure 2).

В втором варианте способа распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором четвертый сигнал на частоте

Figure 00000067
смешивается с рассеянным сигналом при его детектировании, нет необходимости в использовании поляризационного комбайнера (6) (нижний рисунок на фиг.2). В этом случае устройство дополнительно оснащено оптическим волоконным РМ ответвителем (8), который отводит излучение генератора (1) оптического излучения на частоте
Figure 00000067
и направляет его непосредственно на быстрый фотодетектор (9) для регистрации совместно с сигналом, поступающим с поляризационного делителя (10) в Y-поляризации.In the second variant of the method of distributed measurement of birefringence in optical fibers with preservation of polarization, in which the fourth signal at a frequency
Figure 00000067
mixed with the scattered signal when it is detected, there is no need to use a polarizing combiner (6) (bottom figure in figure 2). In this case, the device is additionally equipped with an optical fiber PM coupler (8), which removes the radiation of the optical radiation generator (1) at a frequency
Figure 00000067
and directs it directly to a fast photodetector (9) for registration together with the signal coming from the polarization divider (10) in Y-polarization.

Используемым оптическим волокном (5) может являться любое волокно с сохранением поляризации (например, типа PANDA), обладающее чувствительностью к изменению физических параметров (температуры, продольного натяжения, поверхностного давления), определяемых через регистрацию величины резонансного сдвига H0.The optical fiber used (5) can be any polarization-preserving fiber (e.g., PANDA type), which is sensitive to changes in physical parameters (temperature, longitudinal tension, surface pressure) determined by recording the value of the resonance shift H 0 .

Излучение на частотах

Figure 00000068
и
Figure 00000067
, прошедшее оптическое волокно (5) и содержащее информацию о распределении тестируемого параметра H0 вдоль волокна (полученное через его нелинейное взаимодействие в волокне с излучением на частотах
Figure 00000069
и
Figure 00000070
), через устройство ввода (4) и циркулятор (3) подается на поляризационный делитель (10). Поляризационный делитель (10) передает излучение в ортогональных поляризациях в два оптических канала. Оптические сигналы из этих двух каналов преобразуются быстрыми селективными фотодетекторами (9) в электрические сигналы, которые поступают в процессор (11) для накопления, математической обработки и извлечения информации о пространственном распределении упомянутых параметров.Radiation at frequencies
Figure 00000068
and
Figure 00000067
passing optical fiber (5) and containing information on the distribution of the tested parameter H 0 along the fiber (obtained through its nonlinear interaction in the fiber with radiation at frequencies
Figure 00000069
and
Figure 00000070
), through the input device (4) and the circulator (3) is fed to the polarization divider (10). The polarization divider (10) transmits the radiation in orthogonal polarizations to two optical channels. Optical signals from these two channels are converted by fast selective photodetectors (9) into electrical signals that enter the processor (11) to accumulate, mathematically process, and extract information about the spatial distribution of these parameters.

Процессор (11) обеспечивает синхронную работу всех элементов системы: задает момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе (1) оптического излучения, сбор и обработку сигналов с фотодетекторов (9).The processor (11) ensures the synchronous operation of all elements of the system: sets the moment of emission, the shape and intensity of the pulses of the optical signals in the optical radiation generator (1), the collection and processing of signals from photodetectors (9).

На фиг.3 представлена схема генератора (1) оптического излучения, выполненная на основе перестраиваемых полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью. Здесь лазеры (12-15) представляют собой перестраиваемые полупроводниковые лазеры типа RIO [9], в которых электронными средствами обеспечивается перестройка и стабилизация частот лазеров (13-15) относительно задающего лазера (12). Все лазеры (12-15) оптически связаны с волоконными усилителями (16-19) и электрооптическими модуляторами (20-23), обеспечивающими посредством синхронизатора (24) синхронизованное по времени формирование импульсов заданной формы и интенсивности, поступающие на четыре волоконно-оптических выхода генератора (1), выполненные на волокнах с сохранением поляризации.Figure 3 presents the diagram of the generator (1) of optical radiation, made on the basis of tunable semiconductor lasers with distributed feedback. Here, lasers (12–15) are tunable semiconductor lasers of the RIO type [9], in which the electronic tuning and stabilization of laser frequencies (13–15) relative to the master laser (12) are provided. All lasers (12–15) are optically coupled to fiber amplifiers (16–19) and electro-optical modulators (20–23), which provide, by means of a synchronizer (24), time-synchronized generation of pulses of a given shape and intensity arriving at four fiber-optic outputs of the generator (1) made on fibers with conservation of polarization.

Заявленные варианты устройства являются универсальными, поскольку помимо реализации заявляемых вариантов способа, основанного на четырехчастотном взаимодействии в волокне, также позволяют реализовывать упомянутые выше, известные из уровня техники способы распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, основанные на двух- и трехчастотном взаимодействии.The claimed device variants are universal, because in addition to implementing the claimed variants of a method based on four-frequency interaction in a fiber, it is also possible to implement the above-mentioned methods of distributed birefringence measurement in optical fibers with preservation of polarization based on two- and three-frequency interaction.

В качестве примера конкретной реализации способа, при котором излучение на частотах накачки

Figure 00000071
,
Figure 00000072
и стоксовых сигналов
Figure 00000073
,
Figure 00000074
вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу, ниже приведены результаты моделирования работы заявляемого устройства для реализации данного варианта способа. Расчеты выполнены в приближении, достаточном для анализа датчиков длиной менее 10 км. Уравнения получены из системы уравнений, описывающих динамику бриллюэновского рассеяния [10, 11]:As an example of a specific implementation of the method, in which radiation at pump frequencies
Figure 00000071
,
Figure 00000072
and Stokes signals
Figure 00000073
,
Figure 00000074
is introduced into the fiber from opposite ends towards each other, the following are the results of modeling the operation of the inventive device for implementing this variant of the method. The calculations were performed in an approximation sufficient for the analysis of sensors less than 10 km long. The equations are obtained from a system of equations describing the dynamics of Brillouin scattering [10, 11]:

Figure 00000075
Figure 00000075

гдеWhere

Figure 00000076
,
Figure 00000076
,

W 2 X , Y = ( 1 + δ Ω X , Y 2 Ω 00 ) 2 ( 1 + δ Ω 0 X , Y Ω 00 ) 2 ( ( 1 + δ Ω X , Y Ω 00 ) i γ Ω 00 )

Figure 00000077
, W 2 X , Y = ( one + δ Ω X , Y 2 Ω 00 ) 2 ( one + δ Ω 0 X , Y Ω 00 ) 2 ( ( one + δ Ω X , Y Ω 00 ) - i γ Ω 00 )
Figure 00000077
,

Figure 00000078
,
Figure 00000078
,

t и x - текущие время и координата вдоль волокна,

Figure 00000079
- комплексные амплитуды соответствующих оптических и акустических полей (H), g - фактор бриллюэновского усиления, ρX,Y(t,x) - Ланжевеновские источники акустического шума, α - коэффициент линейного затухания, Ω00 - частота бриллюэновского сдвига в невозмущенном волокне, H00 - частота сдвига H0 для невозмущенного волокна,
Figure 00000080
- отстройка частот волн от резонансов
Figure 00000081
, соответствующих значениям Ω00 и H00, δ Ω 0 X , Y = Ω 0 X , Y Ω 0
Figure 00000082
- отклонение частоты бриллюэновского сдвига от Ω00, δH0=H0-H00 - отклонение величины H0 от H00,
Figure 00000083
,
Figure 00000084
.t and x are the current time and coordinate along the fiber,
Figure 00000079
are the complex amplitudes of the corresponding optical and acoustic fields (H), g is the Brillouin gain factor, ρ X, Y (t, x) are Langevin sources of acoustic noise, α is the linear attenuation coefficient, Ω 00 is the Brillouin shift frequency in the undisturbed fiber, H 00 - shear frequency H 0 for unperturbed fiber,
Figure 00000080
- detuning wave frequencies from resonances
Figure 00000081
corresponding to the values of Ω 00 and H 00 , δ Ω 0 X , Y = Ω 0 X , Y - Ω 0
Figure 00000082
is the deviation of the frequency of the Brillouin shift from Ω 00 , δH 0 = H 0 -H 00 is the deviation of the value of H 0 from H 00 ,
Figure 00000083
,
Figure 00000084
.

Для демонстрации применимости первого варианта способа данная система уравнений решалась численно с параметрами, соответствующими длине тестируемого волокна 100 м при накачке на длине волны ~1550 нм. Предполагалось, что в 10 различных точках волокна на отрезках в 20 см (во второй точке на отрезке в 1,2 м) отклонение двулучепреломления от номинального составляет δΔn≈5·10-7.To demonstrate the applicability of the first variant of the method, this system of equations was solved numerically with parameters corresponding to the length of the tested fiber 100 m when pumped at a wavelength of ~ 1550 nm. It was assumed that at 10 different fiber points on segments of 20 cm (at the second point on a segment of 1.2 m), the birefringence deviation from the nominal value is δΔn≈5 · 10 -7 .

Пример 1. Схема численного эксперимента была следующей. Накачка на резонансной частоте ω L 0 Y

Figure 00000085
и стоксовы сигналы на резонансных частотах ω S 0 X
Figure 00000086
и ω S 0 Y
Figure 00000087
представляли собой непрерывное излучение мощностью соответственно 50 мВт, 10 мВт и 50 мВт (фиг.4). Накачка на частоте ω L 0 X
Figure 00000088
- импульс длительностью 1 нс и амплитудой 50 мВт. Фаза импульса накачки менялась от импульса к импульсу равновероятно от 0 до 2π.Example 1. The scheme of the numerical experiment was as follows. Resonant frequency pump ω L 0 Y
Figure 00000085
and Stokes signals at resonant frequencies ω S 0 X
Figure 00000086
and ω S 0 Y
Figure 00000087
consisted of continuous radiation with a capacity of respectively 50 mW, 10 mW and 50 mW (figure 4). Frequency Pumping ω L 0 X
Figure 00000088
- a pulse of 1 ns duration and an amplitude of 50 mW. The phase of the pump pulse varied from pulse to pulse equally likely from 0 to 2π.

Сигнал отклика наблюдался во временной развертке стоксового излучения на частоте ω S 0 X

Figure 00000089
(фиг.5). Этот сигнал дифференцировался (фиг.6), нормировался на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 10 реализации представлен на фиг.7 и в увеличенном масштабе - на фиг.8. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается.The response signal was observed in the time scan of the Stokes radiation at a frequency ω S 0 X
Figure 00000089
(figure 5). This signal was differentiated (Fig.6), normalized to the calculated amplitude of the hypersonic wave, and then the standard deviation was taken as the implementation. The result of this operation for implementation 10 is shown in Fig. 7 and on an enlarged scale - in Fig. 8. It is clearly seen that even such a small averaging makes it possible to clearly observe the deviation signal Δn with a resolution of at least 20 cm. Inhomogeneity of 1.2 m (at the second point) is also well resolved.

Пример 2. Схема численного эксперимента была следующей. Стоксовы сигналы на резонансных частотах ω S 0 X

Figure 00000089
и ω S 0 Y
Figure 00000087
представляли собой непрерывное излучение мощностью 10 мВт каждый (фиг.9). Накачки на частотах ω L 0 X
Figure 00000088
и ω L X
Figure 00000090
- импульсы длительностью 1 нс и амплитудой 250 мВт. Фаза импульса накачки менялась от импульса к импульсу равновероятно от 0 до 2π.Example 2. The scheme of the numerical experiment was as follows. Stokes signals at resonant frequencies ω S 0 X
Figure 00000089
and ω S 0 Y
Figure 00000087
constituted a continuous radiation with a power of 10 mW each (Fig.9). Frequency Pumping ω L 0 X
Figure 00000088
and ω L X
Figure 00000090
- pulses of 1 ns duration and an amplitude of 250 mW. The phase of the pump pulse varied from pulse to pulse equally likely from 0 to 2π.

Сигнал отклика наблюдался во временных развертках стоксового излучения на частотах ω S 0 X

Figure 00000089
и ω S 0 Y
Figure 00000087
. Аналогично Примеру 1, эти сигналы дифференцировались, нормировались на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 10 реализации представлен на фиг.10 (сверху) и в увеличенном масштабе - на фиг.11. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается. При условии, когда непрерывный сигнал накачки на частоте ω S 0 X
Figure 00000089
не подавался, т.е. имело место просто рассеяние импульса на динамической решетке, выявить сигнал на фоне шума не удавалось (фиг.10, снизу).The response signal was observed in time scans of Stokes radiation at frequencies ω S 0 X
Figure 00000089
and ω S 0 Y
Figure 00000087
. Similarly to Example 1, these signals were differentiated, normalized to the calculated amplitude of the hypersonic wave, and then the standard deviation was taken as the realizations. The result of this operation for implementation 10 is shown in FIG. 10 (above) and on an enlarged scale in FIG. 11. It is clearly seen that even such a small averaging makes it possible to clearly observe the deviation signal Δn with a resolution of at least 20 cm. Inhomogeneity of 1.2 m (at the second point) is also well resolved. Provided that a continuous pump signal at a frequency ω S 0 X
Figure 00000089
not served, i.e. there was simply a scattering of the pulse on the dynamic lattice, it was not possible to detect the signal against the background of noise (Fig. 10, bottom).

Для демонстрации способа по второму варианту схема численного эксперимента была следующей.To demonstrate the method according to the second embodiment, the numerical experiment scheme was as follows.

Пример 3. Параметры сигналов на четырех частотах выбраны такими же, как в Примере 1. Разница заключается в том, что излучение на частоте ω S 0 Y

Figure 00000087
в волокно не вводится, а добавляется к рассеянному излучению при его регистрации. Также как и ранее, сигнал отклика дифференцировался, нормировался на рассчитанную амплитуду гиперзвуковой волны, и затем по реализациям бралось среднеквадратичное отклонение. Результат этой операции для 25 реализации представлен на фиг.12 и в увеличенном масштабе - на фиг.13. Хорошо видно, что даже такое небольшое усреднение позволяет четко наблюдать сигнал отклонения Δn с разрешением не менее чем в 20 см. Неоднородность в 1,2 м (во второй точке) также хорошо разрешается.Example 3. The parameters of the signals at four frequencies are chosen to be the same as in Example 1. The difference is that the radiation at the frequency ω S 0 Y
Figure 00000087
it is not introduced into the fiber, but is added to the scattered radiation during its registration. As before, the response signal was differentiated, normalized to the calculated amplitude of the hypersonic wave, and then the standard deviation was taken from the realizations. The result of this operation for implementation 25 is shown in FIG. 12 and on an enlarged scale in FIG. 13. It is clearly seen that even such a small averaging makes it possible to clearly observe the deviation signal Δn with a resolution of at least 20 cm. Inhomogeneity of 1.2 m (at the second point) is also well resolved.

Таким образом, предложенный способ позволяет значительно увеличить соотношение сигнал/шум по сравнению с известным методом рассеяния на динамической решетке. В свою очередь, это позволяет повысить пространственное разрешение, т.е. точность измерений, и увеличить длину тестируемого участка.Thus, the proposed method can significantly increase the signal-to-noise ratio compared with the known method of scattering on a dynamic lattice. In turn, this allows one to increase the spatial resolution, i.e. accuracy of measurements, and increase the length of the test section.

ЛитератураLiterature

1. X. Bao, Q. Yu, and L. Chen, "Simultaneous strain and temperature measurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of a distributed Brillouin loss system," Opt. Lett. 29, 1342-1344.1. X. Bao, Q. Yu, and L. Chen, "Simultaneous strain and temperature measurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of a distributed Brillouin loss system," Opt. Lett. 29, 1342-1344.

2. X. Liu and X. Bao, "Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement," IEEE J. of Lightwave Techn. 30, 1053-1059.2. X. Liu and X. Bao, "Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement," IEEE J. of Lightwave Techn. 30, 1053-1059.

3. L. Zou, X. Bao, S.A.V., and L. Chen, "Dependence of the Brillouin frequency shift on strain and temperature in a photonic crystal fiber," Optics Lett. 29, 1485-1487.3. L. Zou, X. Bao, S. A.V., and L. Chen, "Dependence of the Brillouin frequency shift on strain and temperature in a photonic crystal fiber," Optics Lett. 29, 1485-1487.

4. Патент РФ №2346235 (опубликован 10.02.2009; МПК G01B 11/16).4. RF patent No. 2346235 (published on 02/10/2009; IPC G01B 11/16).

5. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "Truly distributed birefringence measurement of polarization-maintaining fibers based on transient Brillouin grating," Optics Lett. 35, 193-195.5. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "Truly distributed birefringence measurement of polarization-maintaining fibers based on transient Brillouin grating," Optics Lett. 35, 193-195.

6. K.Y. Song, W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Optical time-domain measurement of Brillouin dynamic grating spectrum in a polarization-maintaining fiber," Opt. Lett. 34, 1381-1383.6. K.Y. Song, W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Optical time-domain measurement of Brillouin dynamic grating spectrum in a polarization-maintaining fiber," Opt. Lett. 34, 1381-1383.

7. W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Complete discrimination of strain and temperature using Brillouin frequency shift and birefringence in a polarization-maintaining fiber," Optics Express 17, 1248-1255.7. W. Zou, Z. He, and K. Hotate, "Complete discrimination of strain and temperature using Brillouin frequency shift and birefringence in a polarization-maintaining fiber," Optics Express 17, 1248-1255.

8. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "High-Spatial-Resolution Time-Domain Simultaneous Strain and Temperature Sensor Using Brillouin Scattering and Birefringence in a Polarization-Maintaining Fiber," Phot. Techn. Lett. 22, 1364-1366.8. Y. Dong, L. Chen, and X. Bao, "High-Spatial-Resolution Time-Domain Simultaneous Strain and Temperature Sensor Using Brillouin Scattering and Birefringence in a Polarization-Maintaining Fiber," Phot. Techn. Lett. 22, 1364-1366.

9. http://www.rio-inc.com/9. http://www.rio-inc.com/

10. B.C. Старунов, И.Л. Фабелинский "Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света" УФН 98 441-491 (1969).10. B.C. Starunov, I.L. Fabelinsky "Stimulated Mandelstam-Brillouin scattering and stimulated entropy (temperature) scattering of light" UFN 98 441-491 (1969).

11. А.А. Fotiadi et al., "Statistical properties of stimulated Brillouin scattering in singlemode optical fibers above threshold". Opt. Lett., vol.27, pp.83-85 (2002).11. A.A. Fotiadi et al., "Statistical properties of stimulated Brillouin scattering in singlemode optical fibers above threshold". Opt. Lett., Vol. 27, pp. 83-85 (2002).

Claims (8)

1. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах ω L X
Figure 00000091
и ω S X ω L X Ω 0
Figure 00000092
, где Ω0 - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте ω L Y
Figure 00000093
сонаправленно с сигналом на частоте ω L X
Figure 00000094
, вызывая модуляцию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное по отношению к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н0, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле nY-nX≈nYH0 величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
в оптическое волокно навстречу зондирующему сигналу и в поляризации зондирующего сигнала дополнительно вводят четвертый оптический сигнал на частоте ω S Y ω L Y Ω 0
Figure 00000095
,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
и ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
относительно величины Н0 и разности частот ω L X ω S Y Ω
Figure 00000098
относительно Ω0,
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
1. The method of distributed measurement of birefringence in optical fibers while maintaining polarization, in which
optical signals are introduced into the optical fiber segment from opposite ends in the polarization of one of the main axes of the fiber with an effective refractive index n X at frequencies ω L X
Figure 00000091
and ω S X ω L X - Ω 0
Figure 00000092
where Ω 0 - frequency SBS shear,
introduce into the polarization of the other main axis of the fiber with an effective refractive index n Y a probing signal at a frequency ω L Y
Figure 00000093
co-directional with a signal at a frequency ω L X
Figure 00000094
causing modulation of the oncoming radiation,
detect radiation counter to the probing signal,
determine the spatial distribution of the frequency shift H 0 corresponding to the maximum signal response at a given point of the fiber, and
determined by the formula n Y -n X ≈n Y H 0 the value of birefringence,
characterized in that
in the optical fiber towards the probing signal and in the polarization of the probing signal, a fourth optical signal at a frequency is additionally introduced ω S Y ω L Y - Ω 0
Figure 00000095
,
provide consistent frequency difference scanning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
and ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
relative to the value of H 0 and the difference in frequencies ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000098
with respect to Ω 0 ,
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
2. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах ω L X
Figure 00000091
и ω S X ω L X Ω 0
Figure 00000092
, где Ω0 - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте ω S Y
Figure 00000099
сонаправленно с сигналом на частоте ω S X
Figure 00000100
, вызывая модуляцию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное по отношению к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н0, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле nY-nX≈nYH0 величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
в оптическое волокно навстречу зондирующему сигналу и в поляризации зондирующего сигнала дополнительно вводят четвертый оптический сигнал на частоте ω L X ω S X + Ω 0
Figure 00000101
,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
и ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
относительно величины H0 и разности частот ω L X ω S Y Ω
Figure 00000102
относительно Ω0,
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
2. The method of distributed measurement of birefringence in optical fibers with the preservation of polarization, in which
optical signals are introduced into the optical fiber segment from opposite ends in the polarization of one of the main axes of the fiber with an effective refractive index n X at frequencies ω L X
Figure 00000091
and ω S X ω L X - Ω 0
Figure 00000092
where Ω 0 - frequency SBS shear,
introduce into the polarization of the other main axis of the fiber with an effective refractive index n Y a probing signal at a frequency ω S Y
Figure 00000099
co-directional with a signal at a frequency ω S X
Figure 00000100
causing modulation of the oncoming radiation,
detect radiation counter to the probing signal,
determine the spatial distribution of the frequency shift H 0 corresponding to the maximum signal response at a given point of the fiber, and
determined by the formula n Y -n X ≈n Y H 0 the value of birefringence,
characterized in that
in the optical fiber towards the probing signal and in the polarization of the probing signal, a fourth optical signal at a frequency is additionally introduced ω L X ω S X + Ω 0
Figure 00000101
,
provide consistent frequency difference scanning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
and ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
relative to the value of H 0 and the frequency difference ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000102
with respect to Ω 0 ,
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
3. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах ω L X
Figure 00000103
и ω S X ω L X Ω 0
Figure 00000104
, где Ω0 - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте ω L Y
Figure 00000105
сонаправленно с сигналом на частоте ω L X
Figure 00000103
, вызывая генерацию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига H0, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле nY-nX≈nYH0 величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
при детектировании встречного излучения в поляризации Y к нему дополнительно примешивают четвертый оптический сигнал на частоте ω S Y ω L Y Ω 0
Figure 00000106
,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
и ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
относительно величины Н0 и разности частот ω L X ω S Y Ω
Figure 00000102
относительно Ω0, и
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
3. The method of distributed measurement of birefringence in optical fibers with the preservation of polarization, in which
optical signals are introduced into the optical fiber segment from opposite ends in the polarization of one of the main axes of the fiber with an effective refractive index n X at frequencies ω L X
Figure 00000103
and ω S X ω L X - Ω 0
Figure 00000104
where Ω 0 - frequency SBS shear,
introduce into the polarization of the other main axis of the fiber with an effective refractive index n Y a probing signal at a frequency ω L Y
Figure 00000105
co-directional with a signal at a frequency ω L X
Figure 00000103
causing the generation of oncoming radiation,
detect radiation counter to the probing signal,
determine the spatial distribution of the frequency shift H 0 corresponding to the maximum signal response at a given point of the fiber, and
determined by the formula n Y -n X ≈n Y H 0 the value of birefringence,
characterized in that
when detecting counterpropagating radiation in polarization Y, a fourth optical signal at a frequency ω S Y ω L Y - Ω 0
Figure 00000106
,
provide consistent frequency difference scanning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
and ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
relative to the value of H 0 and the difference in frequencies ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000102
with respect to Ω 0 , and
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
4. Способ распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, при котором
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах ω L X
Figure 00000103
и ω S X ω L X Ω 0
Figure 00000104
, где Ω0 - частота ВРМБ сдвига,
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте ω S Y
Figure 00000107
сонаправленно с сигналом на частоте ω S X
Figure 00000108
, вызывая генерацию встречного излучения,
детектируют излучение, встречное к зондирующему сигналу,
определяют пространственное распределение частотного сдвига Н0, соответствующее максимальному сигнальному отклику в заданной точке волокна, и
определяют по формуле nY-nX≈nYH0 величину двулучепреломления,
отличающийся тем, что
при детектировании встречного излучения в поляризации Y к нему дополнительно примешивают четвертый оптический сигнал на частоте ω L X ω S Y + Ω 0
Figure 00000109
,
обеспечивают согласованное сканирование разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
и ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
относительно величины Н0 и разности частот ω L X ω S Y Ω
Figure 00000102
относительно Ω0, и
производят обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
4. The method of distributed measurement of birefringence in optical fibers with the preservation of polarization, in which
optical signals are introduced into the optical fiber segment from opposite ends in the polarization of one of the main axes of the fiber with an effective refractive index n X at frequencies ω L X
Figure 00000103
and ω S X ω L X - Ω 0
Figure 00000104
where Ω 0 - frequency SBS shear,
introduce into the polarization of the other main axis of the fiber with an effective refractive index n Y a probing signal at a frequency ω S Y
Figure 00000107
co-directional with a signal at a frequency ω S X
Figure 00000108
causing the generation of oncoming radiation,
detect radiation counter to the probing signal,
determine the spatial distribution of the frequency shift H 0 corresponding to the maximum signal response at a given point of the fiber, and
determined by the formula n Y -n X ≈n Y H 0 the value of birefringence,
characterized in that
when detecting counterpropagating radiation in polarization Y, a fourth optical signal at a frequency ω L X ω S Y + Ω 0
Figure 00000109
,
provide consistent frequency difference scanning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
and ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
relative to the value of H 0 and the difference in frequencies ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000102
with respect to Ω 0 , and
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
5. Устройство распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, включающее
генератор оптического излучения для генерации оптического излучения с заданными характеристиками,
два поляризационных комбайнера для объединения линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации,
поляризационный делитель для разделения входного излучения по двум ортогональным поляризациям в два оптических канала,
РМ циркулятор для развязки излучения, поступающего с противоположных волоконных выходов с сохранением поляризации,
оптическое волокно, обладающее чувствительностью к изменению физических параметров, определяемых посредством регистрации величины резонансного сдвига, по крайней мере один фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрические сигналы, и
процессор для обеспечения синхронной работы всех элементов системы, задающий момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе оптического излучения и осуществляющий сбор, накопление и математическую обработку сигналов с фотодетекторов,
причем генератор оптического излучения выполнен с возможностью выработки узкополосного оптического излучения одновременно на четырех различных частотах в окрестности частот ω L X
Figure 00000110
, ω L Y
Figure 00000111
, ω S X
Figure 00000112
, ω S Y
Figure 00000113
,
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
, ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
, ω L X ω S Y Ω
Figure 00000102
, и
процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
5. A device for distributed measurement of birefringence in optical fibers with the preservation of polarization, including
an optical radiation generator for generating optical radiation with predetermined characteristics,
two polarizing combiners for combining linear polarizations from two input fibers while maintaining polarization in two orthogonal polarizations of one output fiber while maintaining polarization,
a polarization divider to separate the input radiation into two orthogonal polarizations into two optical channels,
RM circulator for decoupling radiation coming from opposite fiber outputs while maintaining polarization,
an optical fiber that is sensitive to changes in physical parameters determined by recording the magnitude of the resonant shift, at least one photodetector that converts optical radiation into electrical signals, and
a processor for ensuring synchronous operation of all elements of the system, setting the moment of emission, the shape and intensity of the pulses of the optical signals in the optical radiation generator, and collecting, accumulating and mathematically processing the signals from photodetectors,
moreover, the optical radiation generator is configured to generate narrow-band optical radiation simultaneously at four different frequencies in the vicinity of frequencies ω L X
Figure 00000110
, ω L Y
Figure 00000111
, ω S X
Figure 00000112
, ω S Y
Figure 00000113
,
the optical radiation generator is equipped with stabilization and independent frequency difference tuning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
, ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
, ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000102
, and
the processor provides statistical processing of the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
6. Устройство распределенного измерения двулучепреломления по п.5, отличающееся тем, что физическими параметрами, определяемыми посредством регистрации величины резонансного сдвига, являются температура, или продольное натяжение, или поверхностное давление.6. The distributed birefringence measurement device according to claim 5, characterized in that the physical parameters determined by recording the magnitude of the resonance shift are temperature, or longitudinal tension, or surface pressure. 7. Устройство распределенного измерения двулучепреломления в оптических волокнах с сохранением поляризации, включающее
генератор оптического излучения для генерации оптического излучения с заданными характеристиками,
поляризационный комбайнер для объединения линейных поляризаций от двух входных волокон с сохранением поляризации в двух ортогональных поляризациях одного выходного волокна с сохранением поляризации,
волоконный РМ ответвитель, на который направляется сигнал от генератора оптического излучения на частоте ω S Y
Figure 00000114
и посредством которого указанный сигнал объединяется с сигналом, поступающим с поляризационного делителя в Y-поляризации для их совместной регистрации,
поляризационный делитель для разделения входного излучения по двум ортогональным поляризациям в два оптических канала,
РМ циркулятор для развязки излучения, поступающего с противоположных волоконных выходов с сохранением поляризации,
оптическое волокно, обладающее чувствительностью к изменению физических параметров, определяемых посредством регистрации величины резонансного сдвига, по крайней мере один фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрические сигналы, и
процессор для обеспечения синхронной работы всех элементов системы, задающий момент испускания, форму и интенсивность импульсов оптических сигналов в генераторе оптического излучения и осуществляющий сбор, накопление и математическую обработку сигналов с фотодетекторов,
причем генератор оптического излучения выполнен с возможностью выработки узкополосного оптического излучения одновременно на четырех различных частотах в окрестности частот ω L X
Figure 00000110
, ω L Y
Figure 00000111
, ω S X
Figure 00000112
, ω S Y
Figure 00000115
,
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот ω L X ω L Y H L
Figure 00000096
, ω S X ω S Y H S
Figure 00000097
, ω L X ω S Y Ω
Figure 00000102
, и
процессор обеспечивает статистическую обработку регистрируемых сигналов методом обработки и накопления сигналов с нулевым средним.
7. A device for distributed measurement of birefringence in optical fibers with the preservation of polarization, including
an optical radiation generator for generating optical radiation with predetermined characteristics,
a polarization combiner for combining linear polarizations from two input fibers while maintaining polarization in two orthogonal polarizations of one output fiber while maintaining polarization,
fiber PM coupler, to which the signal from the optical radiation generator is directed at a frequency ω S Y
Figure 00000114
and through which the specified signal is combined with the signal from the polarization divider in Y-polarization for joint registration,
a polarization divider to separate the input radiation into two orthogonal polarizations into two optical channels,
RM circulator for decoupling radiation coming from opposite fiber outputs while maintaining polarization,
an optical fiber that is sensitive to changes in physical parameters determined by recording the magnitude of the resonant shift, at least one photodetector that converts optical radiation into electrical signals, and
a processor for ensuring synchronous operation of all elements of the system, setting the moment of emission, the shape and intensity of the pulses of the optical signals in the optical radiation generator, and collecting, accumulating and mathematically processing the signals from photodetectors,
moreover, the optical radiation generator is configured to generate narrow-band optical radiation simultaneously at four different frequencies in the vicinity of frequencies ω L X
Figure 00000110
, ω L Y
Figure 00000111
, ω S X
Figure 00000112
, ω S Y
Figure 00000115
,
the optical radiation generator is equipped with stabilization and independent frequency difference tuning ω L X - ω L Y H L
Figure 00000096
, ω S X - ω S Y H S
Figure 00000097
, ω L X - ω S Y Ω
Figure 00000102
, and
the processor provides statistical processing of the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
8. Устройство распределенного измерения двулучепреломления по п.7, отличающееся тем, что физическими параметрами, определяемыми посредством регистрации величины резонансного сдвига, являются температура, или продольное натяжение, или поверхностное давление. 8. The distributed birefringence measurement device according to claim 7, characterized in that the physical parameters determined by recording the magnitude of the resonance shift are temperature, or longitudinal tension, or surface pressure.
RU2013117585/28A 2013-04-17 2013-04-17 Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions) RU2539849C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117585/28A RU2539849C2 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)
PCT/RU2014/000250 WO2014171859A1 (en) 2013-04-17 2014-04-04 Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (variants)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117585/28A RU2539849C2 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013117585A RU2013117585A (en) 2014-10-27
RU2539849C2 true RU2539849C2 (en) 2015-01-27

Family

ID=51731667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013117585/28A RU2539849C2 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2539849C2 (en)
WO (1) WO2014171859A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020022921A1 (en) * 2018-07-23 2020-01-30 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112504309A (en) * 2020-10-14 2021-03-16 南京东智安全科技有限公司 Distributed sensing system and method for simultaneously measuring vibration and strain of fiber bragg grating

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179374C1 (en) * 2000-12-29 2002-02-10 Дубинский Александр Михайлович Device for measurement of characteristics of fiber of optical communication cable (modifications)
RU2387970C2 (en) * 2005-04-14 2010-04-27 Фудзикура Лтд. Device for double refraction measuring and method for measuring dispersion of fiber modes polarisation (versions) and optical fiber (versions)
CN102252831A (en) * 2011-06-22 2011-11-23 北京交通大学 Three-point measuring method for double-refraction distribution in optical fiber
CN102589857A (en) * 2012-03-08 2012-07-18 哈尔滨工业大学 Method and device for measuring distributed-type polarization maintaining optical fiber double refraction based on Brillouin dynamic grating

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179374C1 (en) * 2000-12-29 2002-02-10 Дубинский Александр Михайлович Device for measurement of characteristics of fiber of optical communication cable (modifications)
RU2387970C2 (en) * 2005-04-14 2010-04-27 Фудзикура Лтд. Device for double refraction measuring and method for measuring dispersion of fiber modes polarisation (versions) and optical fiber (versions)
CN102252831A (en) * 2011-06-22 2011-11-23 北京交通大学 Three-point measuring method for double-refraction distribution in optical fiber
CN102589857A (en) * 2012-03-08 2012-07-18 哈尔滨工业大学 Method and device for measuring distributed-type polarization maintaining optical fiber double refraction based on Brillouin dynamic grating

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020022921A1 (en) * 2018-07-23 2020-01-30 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (ООО "УВП") Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013117585A (en) 2014-10-27
WO2014171859A1 (en) 2014-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3588015B1 (en) Brillouin and rayleigh distributed sensor
US9784567B2 (en) Distributed brillouin sensing using correlation
KR101130344B1 (en) Apparatus and method of distributed fiber sensor using Brillouin optical time domain analysis based on Brillouin dynamic grating
EP2976603B1 (en) Brillouin optical distributed sensing device and method with improved tolerance to sensor failure
Cui et al. Distributed temperature sensing system based on Rayleigh scattering BOTDA
CN103090894A (en) Distributed optical fiber sensing device and method based on Brillouin Er-doped fiber laser
EP3066423B1 (en) Single-end brillouin optical distributed sensing device and method
Calvani et al. Polarization measurements on single-mode fibers
KR101310783B1 (en) Distributed optical fiber sensor and sensing method using simultaneous sensing of brillouin gain and loss
CN110426067A (en) A kind of Brillouin&#39;s time-domain analysis system and method based on multi-core optical fiber
KR20110075679A (en) Apparatus of distributed fiber sensor using brillouin optical correlation domain analysis and sensing method thereof
Zou et al. Single-end-access correlation-domain distributed fiber-optic sensor based on stimulated Brillouin scattering
CN103712639A (en) Distributed rapid detection method and device of optical fiber Brillouin scattering spectrum
KR101889351B1 (en) Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering
Hartog et al. Non-linear interactions with backscattered light: A truly single-ended Brillouin optical time-domain analysis technique
CN104729750A (en) Distributed optical fiber temperature sensor based on Brillouin scattering
RU2539849C2 (en) Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)
WO2020022921A1 (en) Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments)
CN203224310U (en) Brillouin optical time domain reflectometer
CN112284511B (en) Dynamic and static combined measurement distributed optical fiber sensing system
CN213842395U (en) Dynamic and static combined measurement distributed optical fiber sensing system
Wu et al. Long distance distributed optical fiber vibration sensing and positioning technology based on loop transmission polarization detection
KR100874428B1 (en) Fiber Optic Sensor System Using Hybrid Interferometer
Liu et al. Optical fiber sensors for landslide monitoring
Yang et al. Digitalized phase demodulation scheme of φ-OTDR based on cross-coherence between Rayleigh back-scattering beat signals