RU2624801C1 - Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length - Google Patents

Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length Download PDF

Info

Publication number
RU2624801C1
RU2624801C1 RU2016130625A RU2016130625A RU2624801C1 RU 2624801 C1 RU2624801 C1 RU 2624801C1 RU 2016130625 A RU2016130625 A RU 2016130625A RU 2016130625 A RU2016130625 A RU 2016130625A RU 2624801 C1 RU2624801 C1 RU 2624801C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
optical fiber
frequency
optical
input
Prior art date
Application number
RU2016130625A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Бурдин
Олег Геннадьевич Морозов
Михаил Викторович Дашков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ)
Priority to RU2016130625A priority Critical patent/RU2624801C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624801C1 publication Critical patent/RU2624801C1/en

Links

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
    • 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
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: when implementing the measuring method of the Brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length, the continuous optical radiation of the master laser is divided into two parts. The first part is modulated by the impulse chain, then amplified and injected into the test optical fiber. The supporting optical signal of one polarization is formed from the second part, which is fed to one balanced photodetector input, and the backscattering signal from the tested optical fiber is fed to the other balanced photodetector input. The low-frequency component of the signal is extracted at the output of the balanced photodetector by means of the filter, which is fed to the control and processing unit input. Change the frequency of the supporting optical signal with the steps not less than 100 MHz and repeat the measurements for each step at each frequency value, then change the polarization state of the supporting optical signal one polarization into the orthogonal and repeat the measurements. The Brillouin scattering frequency shift distribution is obtained at the length of the optical fiber. To form the supporting optical signal, the second part of the continuous optical radiation of the master laser is input into the supporting optical fiber, from the backscattering signal coming from the supporting optical fiber by means of the optical filter, the Brillouin backscattering signal is extracted, amplified, and then modulated with one side band by radio frequency signal, which is changed with the given step in the range up to several hundred megahertz. Further the component with one from two setting by the switchable polarizer of polarization orthogonal states is extracted, and the Brillouin scattering frequency shift is defined as the sum of the Brillouin scattering frequency shift in the optical fiber in the absence of temperature and mechanical influences and the frequency of the modulating radio frequency signal, at which the amplitudes sum value of the beat signals at the control and processing unit input, measured with two orthogonal states of the supporting signal, exceeds the specified threshold value.
EFFECT: application field expansion.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в зависимости от координат по длине оптического волокна и может быть использовано для реализации блиллюэновских оптических рефлектометров, которые имеют широкую область применения в сенсорных системах контроля протяженных объектов, таких как оптические кабели, трубопроводы, мосты, дороги и т.д.The invention relates to the field of measurement technology, is intended to measure the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency depending on the coordinates along the length of the optical fiber and can be used to implement Blillouin optical reflectometers, which have a wide range of applications in sensor systems for monitoring extended objects, such as optical cables , pipelines, bridges, roads, etc.

Известны способы [1- 4] измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, в которых искомый сдвиг частоты определяется косвенно по результатам прямых измерений уровней оптической мощности сигнала обратного рассеяния либо из отношения Ландау-Плячека [1], либо из отношения значений оптической мощности сигналов обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна испытуемого оптического волокна и опорного оптического волокна [2-4]. Основным недостатком данных способов являются низкая чувствительность и большая погрешность измерений, обусловленные низкой точностью измерений малых изменений оптической мощности слабых рассеянных сигналов, что существенно ограничивает область их применения.Known methods [1-4] for measuring the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering along the length of the optical fiber, in which the desired frequency shift is determined indirectly from the results of direct measurements of the optical power levels of the backscattering signal either from the Landau-Plyachek relation [1], or from the ratio of values optical power of the Mandelstam-Brillouin backscattering signals of the test optical fiber and the reference optical fiber [2-4]. The main disadvantage of these methods is the low sensitivity and large measurement error due to the low accuracy of measurements of small changes in the optical power of weak scattered signals, which significantly limits their scope.

Известны способы [5, 6], базирующиеся на выделении обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с помощью резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ усилителя). Реализация данных способов требует применения дорогостоящих компонентов. Для работы ВРМБ усилителя необходимо непрерывное излучение лазера с мощностью порядка нескольких десятков или сотен мВТ со спектральной полосой менее 100 МГц. Такие требования ведут к увеличению потребления энергии и удорожанию реализаций указанных способов измерения и тем самым ограничивают их область применения.Known methods [5, 6], based on the allocation of backscattering of Mandelstam-Brillouin using a resonant amplifier based on stimulated scattering of Mandelstam-Brillouin (SBS amplifier). The implementation of these methods requires the use of expensive components. For the operation of the SBS amplifier, continuous laser radiation with a power of the order of several tens or hundreds of mW with a spectral band of less than 100 MHz is necessary. Such requirements lead to an increase in energy consumption and a rise in the cost of implementations of these measurement methods and thereby limit their scope.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна [7], заключающийся в том, что непрерывное оптическое излучение задающего лазера разделяют на две части, первую часть модулируют последовательностью импульсов, затем усиливают и вводят в испытуемое оптическое волокно, из второй части формируют опорный оптический сигнал одной поляризации, для чего вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера сначала модулируют сигналом СВЧ, а затем выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, подают опорный оптический сигнал одной поляризации на один вход балансного фотоприемника, а на другой вход балансного приемника подают сигнал обратного рассеяния, поступающий из испытуемого оптического волокна, на выходе балансного фотоприемника с помощью фильтра выделяют низкочастотную компоненту сигнала, которую подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают, частоту модулирующего сигнала СВЧ изменяют в диапазоне 10-11 ГГц с шагом менее 100 МГц и повторяют измерения для каждого шага при каждом значении частоты модулирующего сигнала СВЧ, после чего изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, по результатам обработки данных измерений получают распределение сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, определяя сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна как значение частоты модулирующего сигнала СВЧ, при котором сумма сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.Closest to the proposed method is a method of measuring the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering along the length of the optical fiber [7], which consists in the fact that the continuous optical radiation of the master laser is divided into two parts, the first part is modulated by a pulse train, then amplified and introduced into the optical test fiber, from the second part a reference optical signal of one polarization is formed, for which the second part of the continuous optical radiation of the master laser is first modulated by a microwave signal and then a component with one of two orthogonal polarization states set by the switchable polarizer is isolated, a reference optical signal of one polarization is supplied to one input of the balanced photodetector, and a backscattering signal from the optical fiber under test is fed to the output of the balanced photodetector at the output of the balanced photodetector with using the filter, the low-frequency component of the signal is isolated, which is fed to the input of the control and processing unit, where the measurement results are stored, the mode frequency the microwave irradiation signal is changed in the range of 10-11 GHz with a step of less than 100 MHz and the measurements are repeated for each step at each frequency value of the microwave modulating signal, after which the polarization state of the reference optical signal of one polarization is changed to orthogonal and the measurements are repeated, according to the results of processing the measurement data receive the distribution of the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering along the length of the optical fiber, determining the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering as the value of the frequency of the modulating signal a microwave oven, wherein the sum of the beat signal at the input of the control and processing unit, measured at two orthogonal states of the reference signal exceeds a predetermined threshold value.

Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.The essence of the invention is the expansion of the scope.

Эта сущность достигается тем, что согласно способу измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, заключающемуся в том, что непрерывное оптическое излучение задающего лазера разделяют на две части, первую часть модулируют последовательностью импульсов, затем усиливают и вводят в испытуемое оптическое волокно, из второй части формируют опорный оптический сигнал одной поляризации, который подают на один вход балансного фотоприемника, а на другой вход балансного приемника подают сигнал обратного рассеяния, поступающий из испытуемого оптического волокна, на выходе балансного фотоприемника с помощью фильтра выделяют низкочастотную компоненту сигнала, которую подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают, изменяют частоту опорного оптического сигнала с шагом менее 100 МГц и повторяют измерения для каждого шага при каждом значении частоты, затем изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, после чего по результатам обработки данных измерений получают распределение сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, при этом, чтобы сформировать опорный оптический сигнал, вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера вводят в опорное оптическое волокно, из сигнала обратного рассеяния, поступающего из опорного оптического волокна с помощью оптического фильтра, выделяют сигнал обратного рассения Мандельштама-Бриллюэна, усиливают его, а затем модулируют с одной боковой полосой сигналом радичастоты, которую изменяют с заданным шагом в диапазоне до нескольких сотен мегагерц, после чего выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, а сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяют при обработке данных измерений как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты модулирующего сигнала радиочастоты, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.This essence is achieved by the fact that according to the method of measuring the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency over the length of the optical fiber, namely, that the continuous optical radiation of the master laser is divided into two parts, the first part is modulated by a pulse train, then amplified and injected into the optical fiber under test, from the second part, a reference optical signal of one polarization is formed, which is fed to one input of the balanced photodetector, and the opposite signal is fed to the other input of the balanced receiver the scattering from the optical fiber under test, at the output of the balanced photodetector, using the filter, the low-frequency component of the signal is extracted, which is fed to the input of the control and processing unit, where the measurement results are stored, the frequency of the reference optical signal is changed in steps of less than 100 MHz, and the measurements are repeated for each step at each frequency value, then the polarization state of the reference optical signal of one polarization is changed to orthogonal and the measurements are repeated, after which the results of processing These measurement data receive the distribution of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift along the length of the optical fiber, in order to form the reference optical signal, the second part of the continuous optical radiation of the master laser is introduced into the reference optical fiber, from the backscattering signal coming from the reference optical fiber using optical filter, isolate the Mandelstam-Brillouin backscattering signal, amplify it, and then modulate with one side band a radio frequency signal, which change with a given step in the range of up to several hundred megahertz, after which a component with one of two orthogonal polarization states set by the switchable polarizer is isolated, and the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift is determined when processing the measurement data as the sum of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift in the optical fiber in the absence of temperature and mechanical influences and the frequency of the modulating signal of the radio frequency, at which the value of the sum of the amplitudes of the beat signals at the input de control and processing unit, measured at two orthogonal states of the reference signal, exceeds a predetermined threshold value.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.The drawing shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method.

Устройство содержит задающий узкополосный лазер непрерывного оптического излучения 1, оптический разветвитель 2, генератор импульсов 3, первый электрооптический модулятор 4, первый оптический усилитель 5, первый оптический циркулятор 6, испытуемое оптическое волокно 7, второй оптический циркулятор 8, опорное оптическое волокно 9, оптический фильтр 10, второй оптический усилитель 11, генератор радиочастот 12, второй электрооптический модулятор 13, переключаемый поляризатор 14, балансный фотоприемник 15, фильтр нижних частот 16, блок управления и обработки 17.The device contains a master narrow-band laser of continuous optical radiation 1, an optical splitter 2, a pulse generator 3, a first electro-optical modulator 4, a first optical amplifier 5, a first optical circulator 6, a test optical fiber 7, a second optical circulator 8, a reference optical fiber 9, an optical filter 10, a second optical amplifier 11, a radio frequency generator 12, a second electro-optical modulator 13, a switchable polarizer 14, a balanced photodetector 15, a low-pass filter 16, a control unit and about rabotki 17.

Выход задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 соединен со входом оптического разветвителя 2, первый выход которого подключен к оптическому входу первого электрооптического модулятора 4, а второй - к первому входу второго оптического циркулятора 8. Электрический вход первого электрооптического модулятора 4 соединен с выходом генератора импульсов 3, а выход первого электрооптического модулятора 4 подключен ко входу первого оптического усилителя 5, выход которого подключен к первому входу первого оптического циркулятора 5, ко второму входу которого подключено испытуемое оптическое волокно 6. При этом ко второму входу второго оптического циркулятора 8 подключено опорное оптическое волокно 9, а третий вход второго оптического циркулятора 8 соединен со входом оптического фильтра 10, выход которого подключен ко входу второго оптического усилителя 11. Выход второго оптического усилителя 11 подключен к оптическому входу второго электрооптического модулятора 13, электрический вход которого соединен с выходом генератора радиочастот 11, а выход подключен ко входу переключаемого поляризатора 14. Выход переключаемого поляризатора 14 подключен к одному входу балансного фотоприемника 15, к другому входу которого подключен третий вход первого оптического циркулятора 6. Выход балансного фотоприемника 15 соединен со входом фильтра нижних частот 16, выход которого соединен со входом блока управления и обработки 17. При этом первый выход управления блока управления и обработки 17 соединен со входом управления генератора импульсов 3, второй выход управления блока управления и обработки 17 соединен со входом управления генератора радиочастот 12, а третий выход управления блока управления и обработки 17 соединен со входом управления переключаемого поляризатора 14.The output of the driving narrow-band laser of continuous optical radiation 1 is connected to the input of the optical splitter 2, the first output of which is connected to the optical input of the first electro-optical modulator 4, and the second to the first input of the second optical circulator 8. The electrical input of the first electro-optical modulator 4 is connected to the output of the pulse generator 3 and the output of the first electro-optical modulator 4 is connected to the input of the first optical amplifier 5, the output of which is connected to the first input of the first optical a regulator 5, to the second input of which the optical fiber 6 under test is connected. In this case, the reference optical fiber 9 is connected to the second input of the second optical circulator 8, and the third input of the second optical circulator 8 is connected to the input of the optical filter 10, the output of which is connected to the input of the second optical amplifier 11. The output of the second optical amplifier 11 is connected to the optical input of the second electro-optical modulator 13, the electrical input of which is connected to the output of the radio frequency generator 11, and the output is connected to about the input of the switched polarizer 14. The output of the switched polarizer 14 is connected to one input of the balanced photodetector 15, the third input of which is connected to the third input of the first optical circulator 6. The output of the balanced photodetector 15 is connected to the input of the low-pass filter 16, the output of which is connected to the input of the control unit and processing 17. In this case, the first control output of the control unit and processing 17 is connected to the control input of the pulse generator 3, the second control output of the control unit and processing 17 is connected to the input ohm radio frequency control generator 12, and a third control output 17 to the control input of the control and processing unit 14 is connected to a switchable polarizer.

Устройство работает следующим образом. Оптический разветвитель 2 разделяет оптическое излучение задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 на две части. Первая часть оптического излучения задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 с первого выхода оптического разветвителя 2 поступает на оптический вход первого электрооптического модулятора 4, на электрический вход которого поступает последовательность импульсов от генератора импульсов 3, которая модулирует оптическое излучение. В результате на выходе первого электрооптического модулятора 4 формируется последовательность оптических импульсов, которая усиливается в первом оптическом усилителе 5 и через первый оптический циркулятор 6 поступает в испытуемое оптическое волокно 7. Вторая часть оптического излучения задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 со второго выхода оптического разветвителя 2 через второй оптический циркулятор 8 поступает в опорное оптическое волокно 9. Поступающий из опорного оптического волокна 9 оптический сигнал обратного рассеяния через второй оптический циркулятор 8 поступает на вход оптического фильтра 10. Оптический фильтр 10, который может быть выполнен, например, на основе интерферометра Маха-Зандера, выделяет из суммарного сигнала обратного рассеяния сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, который с выхода оптического фильтра 10 поступает на вход второго оптического усилителя 11 и после усиления с выхода второго оптического усилителя 11 поступает на оптический вход второго электрооптического модулятора 13. На электрический вход второго электрооптического модулятора 13 поступает сигнал от генератора радиочастот 12, который модулирует оптический сигнал с одной боковой полосой, из которого затем с помощью переключаемого поляризатора 14 выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором 14 ортогональных состояний поляризации. Эта компонента - опорный оптический сигнал одной поляризации. Этот опорный оптический сигнал одной поляризации поступает на один вход балансного фотоприемника 15, на другой вход которого через первый оптический циркулятор 6 поступает сигнал обратного рассеяния из испытуемого оптического волокна 7. Фильтр нижних частот 16 выделяет низкочастотный сигнал биений с выхода балансного фотоприемника 15.The device operates as follows. The optical splitter 2 divides the optical radiation of the master narrow-band cw laser 1 into two parts. The first part of the optical radiation of the master narrow-band laser of continuous optical radiation 1 from the first output of the optical splitter 2 is fed to the optical input of the first electro-optical modulator 4, the electrical input of which receives a pulse train from the pulse generator 3, which modulates the optical radiation. As a result, at the output of the first electro-optical modulator 4, a sequence of optical pulses is formed, which is amplified in the first optical amplifier 5 and through the first optical circulator 6 enters the tested optical fiber 7. The second part of the optical radiation of the driving narrow-band laser of continuous optical radiation 1 from the second output of the optical splitter 2 through the second optical circulator 8 enters the reference optical fiber 9. The optical signal coming from the reference optical fiber 9 The backscattering channel through the second optical circulator 8 is fed to the input of the optical filter 10. The optical filter 10, which can be performed, for example, based on the Mach-Zander interferometer, extracts the Mandelstam-Brillouin backscattering signal from the optical backscattering signal, which is output from the optical filter 10 is fed to the input of the second optical amplifier 11 and after amplification from the output of the second optical amplifier 11 is fed to the optical input of the second electro-optical modulator 13. On the electrical input One of the second electro-optical modulators 13 receives a signal from a radio frequency generator 12, which modulates an optical signal with one sideband, from which a component with one of two orthogonal polarization states established by the switched polarizer 14 is then isolated using a switched polarizer 14. This component is a reference optical signal of one polarization. This reference optical signal of one polarization is fed to one input of the balanced photodetector 15, to the other input of which, through the first optical circulator 6, a backscattering signal from the test optical fiber 7 is received. The low-pass filter 16 emits a low-frequency beat signal from the output of the balanced photodetector 15.

Из испытуемого оптического волокна 7 на балансный фотоприемник 15 поступает сигнал обратного рассеяния из испытуемого оптического волокна, который включает релеевскую компоненту с частотой ω0 оптической несущей задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 и стоксову и антистоксову компоненты с чатотой ω0±ΔωВ, где ΔωВ - сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Собственно сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна можно рассматривать как сумму ΔωВ=ΔωВ0+ΔωВР, где сдвиг ΔωB0 - сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий, а сдвиг частоты ΔωВР - изменения, обусловленные собственно температурными и механическими воздействиями. Отсюда частота стоксовой и антистоксовой компонент в испытуемом оптическом волокне 7 ω0±(ΔωВ0+ΔωBP). Частота опорного оптического сигнала равна ω0-ΔωВ0-ΔωRF, где сдвиг частоты ΔωRF равен модулирующей частоте генератора радиочастот 12. Соответственно при условии приближенного равенства ΔωВР≈ΔωRF на выходе фильтра нижних частот 16 имеют место низкочастотные биения. По наличию сигнала биений поступающего на вход блока управления и обработки 17 определяется сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты модулирующего сигнала радиочастоты, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки 17, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.From the test optical fiber 7 to the balanced photodetector 15, a backscattering signal is received from the test optical fiber, which includes a Rayleigh component with a frequency ω 0 of the optical carrier of the master narrow-band laser of continuous optical radiation 1 and a Stokes and anti-Stokes component with frequency ω 0 ± Δω B , where Δω B is the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering. The actual shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency can be considered as the sum Δω B = Δω B0 + Δω BP , where the shift Δω B0 is the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency in the optical fiber in the absence of temperature and mechanical stresses, and the frequency shift Δω BP is the change due to proper thermal and mechanical effects. Hence the frequency of the Stokes and anti-Stokes components in the tested optical fiber is 7 ω 0 ± (Δω B0 + Δω BP ). The frequency of the reference optical signal is ω 0 -Δω B0 -Δω RF , where the frequency shift Δω RF is equal to the modulating frequency of the radio frequency generator 12. Accordingly, provided that Δω BP ≈Δω RF is approximately equal, low-frequency beats occur at the output of the low-pass filter 16. The presence of a beat signal arriving at the input of the control and processing unit 17 determines the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency as the value of the sum of the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency in the optical fiber in the absence of thermal and mechanical effects and the frequency of the modulating radio frequency signal, at which the sum of the amplitudes of the beat signals at the input of the control and processing unit 17, measured at two orthogonal states of the reference signal, exceeds a predetermined threshold value.

Частота модулирующего сигнала генератора радиочастот 12 изменяется с шагом менее 100 МГц в диапазоне до нескольких сотен мегагерц. Результаты измерений сигналов, поступающих на вход блока управления и обработки 17, запоминают на каждом шаге измерений для каждого значения частоты. Как и в прототипе, для устранения недостатков гетеродинного приема измерения выполняются для двух ортогональных состояний поляризации опорного оптического сигнала. Для этого переключаемый поляризатор 13 в зависимости от сигнала управления от блока управления и обработки 17 выделяет в процессе измерений по очереди компоненты с одним из двух ортогональных состояний поляризации. Результаты измерений для каждой из двух компонент запоминают.The frequency of the modulating signal of the radio frequency generator 12 is changed in steps of less than 100 MHz in the range up to several hundred megahertz. The measurement results of the signals received at the input of the control and processing unit 17 are stored at each measurement step for each frequency value. As in the prototype, to eliminate the disadvantages of heterodyne reception, measurements are performed for two orthogonal polarization states of the reference optical signal. For this, the switchable polarizer 13, depending on the control signal from the control and processing unit 17, selects components with one of two orthogonal polarization states in the measurement process in turn. The measurement results for each of the two components are stored.

Управление генератором импульсов 3, генератором радиочастот 11 и поляризатором от блока управления и обработки 16 обеспечивает синхронизацию работы устройства. Сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяют по результатам обработки данных измерений при изменении частоты генератора радиочастот 12 и состояния поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты модулирующего сигнала радиочастоты, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного оптического сигнала одной поляризации, превышает заданное пороговое значение. Возможность реализации данного устройства определяется возможностью реализации его основных компонентов.The control of the pulse generator 3, the radio frequency generator 11 and the polarizer from the control and processing unit 16 provides synchronization of the operation of the device. The shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency is determined by the results of processing the measurement data when the frequency of the radio frequency generator 12 changes and the polarization state of the reference optical signal of one polarization is the value of the sum of the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency in the optical fiber in the absence of temperature and mechanical effects and the frequency of the modulating radio frequency signal, in which the value of the sum of the amplitudes of the beat signals at the input of the control and processing unit, measured with two orthogonal states of the reference optical signal of one polarization exceeds a predetermined threshold value. The ability to implement this device is determined by the ability to implement its main components.

В отличие от известного способа, которым является прототип, предлагаемый способ измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна позволяет значительно уменьшить шаг изменения частоты опорного оптического сигнала одной поляризации и тем самым увеличить разрешающую способность. Кроме того, предлагаемый способ в отличие от прототипа исключает потребность в использовании дорогостоящей техники СВЧ и, соответственно, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости, что позволяет существенно снизить затраты на его реализацию по сравнению с прототипом. В итоге перечисленные выше преимущества расширяют область применения заявляемого способа по сравнению с прототипом.In contrast to the known method, which is the prototype, the proposed method for measuring the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency along the length of the optical fiber can significantly reduce the step of changing the frequency of the reference optical signal of one polarization and thereby increase the resolution. In addition, the proposed method, unlike the prototype, eliminates the need for the use of expensive microwave technology and, accordingly, facilitates the solution of electromagnetic compatibility problems, which can significantly reduce the cost of its implementation compared to the prototype. As a result, the above advantages expand the scope of the proposed method in comparison with the prototype.

Источники информацииInformation sources

1. Wait Р.С., Newson T.P. Landau Placzek ratio applied to distributed fibre sensing// Optics Communications, v. 122, 4-6, 1996, p.p. 141-146.1. Wait R.C., Newson T.P. Landau Placzek ratio applied to distributed fiber sensing // Optics Communications, v. 122, 4-6, 1996, p.p. 141-146.

2. Патент RU 127926.2. Patent RU 127926.

3. Патент RU 139203.3. Patent RU 139203.

4. Патент RU 141314.4. Patent RU 141314.

5. Патент RU 2444001.5. Patent RU 2444001.

6. Патент RU 2229693.6. Patent RU 2229693.

7. Muping Song, Bin Zhao, Xianmin Zhang. Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception// Chinese Optics Letters, v. 3, No. 5, 2005. - p.p. 271-274.7. Muping Song, Bin Zhao, Xianmin Zhang. Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception // Chinese Optics Letters, v. 3, No. 5, 2005. - p.p. 271-274.

Claims (1)

Способ измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, заключающийся в том, что непрерывное оптическое излучение задающего лазера разделяют на две части, первую часть модулируют последовательностью импульсов, затем усиливают и вводят в испытуемое оптическое волокно, из второй части формируют опорный оптический сигнал одной поляризации, который подают на один вход балансного фотоприемника, а на другой вход балансного приемника подают сигнал обратного рассеяния, поступающий из испытуемого оптического волокна, на выходе балансного фотоприемника с помощью фильтра выделяют низкочастотную компоненту сигнала, которую подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают, изменяют частоту опорного оптического сигнала с шагом менее 100 МГц и повторяют измерения для каждого шага при каждом значении частоты, затем изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, после чего по результатам обработки данных измерений получают распределение сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна на длине оптического волокна, отличающийся тем, что, чтобы сформировать опорный оптический сигнал, вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера вводят в опорное оптическое волокно, из сигнала обратного рассеяния, поступающего из опорного оптического волокна с помощью оптического фильтра, выделяют сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, усиливают его, а затем модулируют с одной боковой полосой сигналом радичастоты, которую изменяют с заданным шагом в диапазоне до нескольких сотен мегагерц, после чего выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, а сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяют при обработке данных измерений как значение суммы сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне при отсутствии температурных и механических воздействий и частоты модулирующего сигнала радиочастоты, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.The method of measuring the shift of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency along the length of the optical fiber, which consists in the fact that the continuous optical radiation of the master laser is divided into two parts, the first part is modulated by a pulse train, then amplified and injected into the optical fiber under test, and the reference optical signal is formed from the second part one polarization, which is fed to one input of a balanced photodetector, and to the other input of a balanced receiver, a backscatter signal is received from the optical fiber, at the output of the balanced photodetector using a filter isolate the low-frequency component of the signal, which is fed to the input of the control and processing unit, where the measurement results are stored, the frequency of the reference optical signal is changed in steps of less than 100 MHz and the measurements are repeated for each step at each frequency value, then the polarization state of the reference optical signal of one polarization is changed to orthogonal and the measurements are repeated, after which the distribution is obtained from the results of processing the measurement data the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering along the length of the optical fiber, characterized in that, to form the reference optical signal, the second part of the continuous optical radiation of the master laser is introduced into the reference optical fiber, from the backscattering signal coming from the reference optical fiber using an optical filter, extract the Mandelstam-Brillouin backscatter signal, amplify it, and then modulate with one sideband a radio frequency signal, which is changed with a given step in the range up to several hundred megahertz, after which a component with one of two orthogonal polarization states established by the switchable polarizer is isolated, and the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift is determined when processing the measurement data as the sum of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift in the optical fiber in the absence of temperature and mechanical effects and frequency of the modulating signal of the radio frequency, at which the value of the sum of the amplitudes of the beating signals at the input of the control unit and processing Measured at two orthogonal states of the reference signal exceeds a predetermined threshold value.
RU2016130625A 2016-07-25 2016-07-25 Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length RU2624801C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016130625A RU2624801C1 (en) 2016-07-25 2016-07-25 Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016130625A RU2624801C1 (en) 2016-07-25 2016-07-25 Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624801C1 true RU2624801C1 (en) 2017-07-06

Family

ID=59312881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016130625A RU2624801C1 (en) 2016-07-25 2016-07-25 Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624801C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108489594A (en) * 2018-03-14 2018-09-04 中国科学院半导体研究所 Hybrid optical fiber sensor system based on phase generated carrier technology

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009198389A (en) * 2008-02-22 2009-09-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and device for measuring backward brillouin scattering light of optical fiber
CN102538985A (en) * 2011-12-27 2012-07-04 中国计量学院 Sensing signal detecting device and method based on fiber Brillouin ring laser
RU2482449C2 (en) * 2008-11-27 2013-05-20 Ньюбрекс Ко., Лтд. Distributed fibre-optic sensor
CN103115632A (en) * 2013-01-24 2013-05-22 南京大学（苏州）高新技术研究院 Multi-wavelength brillouin optical time domain analyzer
CN103323040A (en) * 2013-05-17 2013-09-25 国家电网公司 Multi-parameter distributed optical fiber sensing device
CN104111086A (en) * 2014-08-12 2014-10-22 盐城工学院 Low-Brillouin scattering threshold sensing fiber-based optical time domain reflectometer device and method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009198389A (en) * 2008-02-22 2009-09-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and device for measuring backward brillouin scattering light of optical fiber
RU2482449C2 (en) * 2008-11-27 2013-05-20 Ньюбрекс Ко., Лтд. Distributed fibre-optic sensor
CN102538985A (en) * 2011-12-27 2012-07-04 中国计量学院 Sensing signal detecting device and method based on fiber Brillouin ring laser
CN103115632A (en) * 2013-01-24 2013-05-22 南京大学（苏州）高新技术研究院 Multi-wavelength brillouin optical time domain analyzer
CN103323040A (en) * 2013-05-17 2013-09-25 国家电网公司 Multi-parameter distributed optical fiber sensing device
CN104111086A (en) * 2014-08-12 2014-10-22 盐城工学院 Low-Brillouin scattering threshold sensing fiber-based optical time domain reflectometer device and method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108489594A (en) * 2018-03-14 2018-09-04 中国科学院半导体研究所 Hybrid optical fiber sensor system based on phase generated carrier technology
CN108489594B (en) * 2018-03-14 2020-02-18 中国科学院半导体研究所 Hybrid optical fiber sensing system based on phase generation carrier technology

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11422060B2 (en) Brillouin and rayleigh distributed sensor
Muanenda Recent advances in distributed acoustic sensing based on phase-sensitive optical time domain reflectometry
US10539476B2 (en) Temperature or strain distribution sensor comprising a coherent receiver to determine a temperature or a strain associated with a device under test
US9983069B2 (en) Measuring apparatus and measuring method
US10429234B2 (en) Distributed fiber optic acoustic detection device
CN104677396B (en) Dynamic distributed Brillouin optical fiber sensing device and method
Wang et al. High-sensitivity distributed dynamic strain sensing by combining Rayleigh and Brillouin scattering
CN107764297B (en) Dynamic Brillouin optical time domain analysis system based on pump pulse frequency sweep
Wang et al. Interference-fading-free $\Phi $-otdr based on differential phase shift pulsing technology
Zornoza et al. Brillouin distributed sensor using RF shaping of pump pulses
CN108801153B (en) Optical fiber length measuring method and measuring device
CN104180833A (en) Optical time domain reflectometer simultaneously sensing temperature and stress
CN110553674A (en) Measuring method and measuring device
CN102645236A (en) BOTDA (Brillouin Optical Time-domain Analyzer) system based on comb frequency spectrum continuous probe beam
Shibata et al. Improving performance of phase shift pulse BOTDR
WO2017033491A1 (en) Optical fiber distortion measuring apparatus and optical fiber distortion measuring method
KR101889351B1 (en) Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering
RU2624801C1 (en) Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length
US11105659B2 (en) Dual Brillouin distributed optical fiber sensor and sensing method using Brillouin scattering which allow high-speed event detection and precise measurement
RU2624827C1 (en) Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length
Takada et al. Optical low coherence reflectometry for measuring a stationary Brillouin grating induced under uniform pumping in a short optical fiber
RU2539849C2 (en) Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)
Zhong et al. Quantitative characteristic of phase signal with changed pulse in the coherent PHI-OTDR system
Jin et al. Single measurement Brillouin optical time domain analyzer based on digital optical frequency comb
Cohen Noise-based Brillouin optical correlation domain analysis with mm resolution

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190726