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 PDFInfo
- 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
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000004321 preservation Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 105
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 71
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 73
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 57
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 7
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 19
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 12
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 208000025174 PANDAS Diseases 0.000 description 1
- 208000021155 Paediatric autoimmune neuropsychiatric disorders associated with streptococcal infection Diseases 0.000 description 1
- 240000000220 Panda oleosa Species 0.000 description 1
- 235000016496 Panda oleosa Nutrition 0.000 description 1
- 108010046685 Rho Factor Proteins 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
- G01M11/39—Testing 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
- G01M11/31—Testing 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
- G01M11/3181—Reflectometers dealing with polarisation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING 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
- G01D5/00—Mechanical 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
- G01D5/26—Mechanical 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
- G01D5/32—Mechanical 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
- G01D5/34—Mechanical 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
- G01D5/353—Mechanical 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
- G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
- G01D5/3538—Optical 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N21/23—Bi-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
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 и частоте Стокса , 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 в окрестности средней частоты ВРМБ-сдвига . 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 . 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 and Stokes frequency 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 in the vicinity of the average frequency of the SBS shift . 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 . 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
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 и частоте Стокса , 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 , 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 , 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 and Stokes frequency 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 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 , 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 относительно его резонансной частоты 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 relative to its resonant frequency with four-wave SBS interaction, defined by the ratio:
где и - 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 and 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 зондирующего сигнала в данной точке волокна относительно , по разнице частот определяется пространственное распределение двулучепреломления в волокне:Thus, registering the position of the resonant frequency probe signal at a given point of the fiber relative to , by frequency difference the spatial distribution of birefringence in the fiber is determined:
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 , сдвинутой относительно стоксовой частоты , а отражение этого импульса от звуковой решетки в процессе его распространения по волокну приводит к образованию встречного излучения в виде длинного импульса на частоте , 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 shifted relative to the Stokes frequency , 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 , 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 и обеспечивается согласованное сканирование разности частот , и в окрестности значений соответственно Ω0 и H0, где Ω0 - величина бриллюэновского сдвига, - 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 and consistent frequency difference scanning is provided , and in the vicinity of the values of Ω 0 and H 0 , respectively, where Ω 0 is the Brillouin shift value, - 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 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 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 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 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 , , , в окрестности частот соответственно , , , и оснащен средствами, обеспечивающими стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот , и , 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 , , , in the vicinity of frequencies, respectively , , , and equipped with means providing stabilization and independent tuning within the necessary limits of the frequency difference , and 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 5 shows a typical waveform detected at a frequency .
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 (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 (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 , и стоксовых сигналов , 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 зондирующего импульса относительно первой частоты накачки , описываемого уравнением (1), и аналогичный сдвиг частоты второго стоксового сигнала относительно частоты 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 , and Stokes signals , 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 probe pulse relative to the first pump frequency described by equation (1), and a similar frequency shift second Stokes signal relative to frequency 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:
где - фаза волны на частоте в месте взаимодействия; i=X, Y; j=L, S.Where - phase of the wave at the frequency 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 , и стоксового сигнала вводится в волокно с противоположных концов навстречу друг другу в поляризациях, соответствующих главным поляризационным осям волокна (X и Y). Четвертый сигнал на частоте 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 , and Stokes signal 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 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 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 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 , , , в окрестности резонансных частот четырехволнового ВРМБ взаимодействия - соответственно , , , , связанных соотношениями (1), и , где Ω0 - величина ВРМБ сдвига, а также наличие дополнительных средств, обеспечивающих стабилизацию и независимую перестройку в необходимых пределах разности частот ,
Два волоконно-оптических выхода генератора на частотах и 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 вводится в X-поляризацию выходного волокна поляризационного комбайнера (2), а излучение на частоте - 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 и 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 and 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 is introduced into the X-polarization of the output fiber of the polarizing combiner (2), and the radiation at the frequency - 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 and 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 и 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 and 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 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 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 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 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 и , 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 и ), 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 and 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 and ), 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 , и стоксовых сигналов , 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 , and Stokes signals , 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]:
гдеWhere
, ,
, ,
t и x - текущие время и координата вдоль волокна, - 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, - отстройка частот волн от резонансов , соответствующих значениям Ω00 и H00,
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
Сигнал отклика наблюдался во временной развертке стоксового излучения на частоте
Пример 2. Схема численного эксперимента была следующей. Стоксовы сигналы на резонансных частотах
Сигнал отклика наблюдался во временных развертках стоксового излучения на частотах
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
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;
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,"
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)
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте
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
обеспечивают согласованное сканирование разности частот
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
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
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
provide consistent frequency difference scanning
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте
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
обеспечивают согласованное сканирование разности частот
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
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
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
provide consistent frequency difference scanning
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте
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
обеспечивают согласованное сканирование разности частот
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
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
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
provide consistent frequency difference scanning
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
вводят в отрезок оптического волокна с противоположных концов в поляризации одной из главных осей волокна с эффективным показателем преломления nX оптические сигналы на частотах
вводят в поляризации другой главной оси волокна с эффективным показателем преломления nY зондирующий сигнал на частоте
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
обеспечивают согласованное сканирование разности частот
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
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
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
provide consistent frequency difference scanning
they process the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
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
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот
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
the optical radiation generator is equipped with stabilization and independent frequency difference tuning
the processor provides statistical processing of the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
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
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
генератор оптического излучения снабжен средствами стабилизации и независимой перестройки разности частот
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
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
the optical radiation generator is equipped with stabilization and independent frequency difference tuning
the processor provides statistical processing of the recorded signals by the method of processing and accumulating signals with a zero mean.
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)
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)
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)
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 |
-
2013
- 2013-04-17 RU RU2013117585/28A patent/RU2539849C2/en active
-
2014
- 2014-04-04 WO PCT/RU2014/000250 patent/WO2014171859A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
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)
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'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 |