RU2797693C1

RU2797693C1 - Method for measuring parameters of refractive index inhomogeneities along the length of an optical fibre and an optical frequency domain reflectometer

Info

Publication number: RU2797693C1
Application number: RU2022133668A
Authority: RU
Inventors: Иван Александрович Лобач; Сергей Иванович Каблуков
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-06-07

Abstract

FIELD: fibre optics.

SUBSTANCE: invention is related to optical reflectometry for distributed measurements of various physical characteristics (temperature or mechanical strain) along the length of an optical fibre. The technical solution uses a radiation source with optical frequency variability, which is designed to generate linearly polarized optical radiation with stepped optical frequency variability in successive modes of the radiation source resonator. In addition, to measure parameters of inhomogeneities of the refractive index along the optical fibre, a reflectogram is created by plotting the dependence of the reflection coefficient of inhomogeneities of the refractive index on the longitudinal coordinate along the measuring fibre line by calculating the average value of the second degree of the Fourier transform of the spectral dependence for two polarization components of the interference optical radiation.

EFFECT: increase in the speed of operation, the signal-to-noise ratio, the reliability and stability of operation.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, в частности к волоконной оптике, а именно к оптической рефлектометрии для распределенных измерений различных физических характеристик (температуры или механических деформаций) вдоль оптического волокна.The invention relates to optics, in particular to fiber optics, namely to optical reflectometry for distributed measurements of various physical characteristics (temperature or mechanical strain) along an optical fiber.

Чаще всего, принцип работы многих распределенных волоконных систем основан на методах импульсной оптической рефлектометрии временной области (optical time domain reflectometry (OTDR) в англоязычной литературе). В данных методах короткий лазерный импульс излучения вводится в тестируемое оптическое волокно. Величина временной задержки между моментом ввода импульса и временем прихода отклика на него пропорциональна координате вдоль оптического волокна, в которой произошел регистрируемый на фотоприемнике акт рассеяния/отражения. Результатом таких измерений является рефлектограмма - зависимость параметра рассеяния/отражения от временной задержки (или координаты). Пространственное разрешение в этом случае определяется длительностью зондирующего импульса и, как правило, составляет порядка 1 метра. Уменьшение длительности импульса негативным образом сказывается на регистрируемом сигнале. По этой причине разрабатываются различные методы улучшения пространственного разрешения, позволяющие сохранить отношение сигнал-шум: детектирование с помощью счетчиков единичных фотонов, кодирование зондирующего сигнала, деконволюция сигнала рассеяния. Принципиально другим подходом в задаче распределённых измерений, позволяющим получить субмиллиметровое пространственное разрешение является оптическая рефлектометрия частотной области (или optical frequency domain reflectometry (OFDR) в англоязычной литературе). Пространственное разрешение в этом случае обратно пропорционально диапазону перестройки зондирующего лазера и может достигать уровня десятков микрон.Most often, the principle of operation of many distributed fiber systems is based on the methods of pulsed optical time domain reflectometry (OTDR) in the English literature. In these methods, a short laser pulse of radiation is injected into the optical fiber under test. The value of the time delay between the moment of input of the pulse and the time of arrival of the response to it is proportional to the coordinate along the optical fiber, in which the act of scattering/reflection recorded on the photodetector took place. The result of such measurements is a reflectogram - the dependence of the scattering / reflection parameter on the time delay (or coordinate). The spatial resolution in this case is determined by the duration of the probing pulse and, as a rule, is about 1 meter. Reducing the pulse duration negatively affects the recorded signal. For this reason, various methods are being developed to improve the spatial resolution, which make it possible to preserve the signal-to-noise ratio: detection using single photon counters, coding of the probing signal, and deconvolution of the scattering signal. A fundamentally different approach to the problem of distributed measurements, which allows obtaining submillimeter spatial resolution, is optical frequency domain reflectometry (or optical frequency domain reflectometry (OFDR) in the English literature). The spatial resolution in this case is inversely proportional to the tuning range of the probing laser and can reach the level of tens of microns.

Известно техническое решение, представленное в оптическом рефлектометре частотной области (Патент US 6545760 «Apparatus and method for measuring strain in optical fibers using Rayleigh scatter», МПК G01K 11/32; G01L 1/24, опубликован 08.04.2003 г.). Принцип работы оптического рефлектометра частотной области основан на анализе сигнала интерференции между исходным сигналом и рассеянным в оптическом волокне при сканировании оптической частоты зондирующего излучения перестраиваемого лазера. Полученный при сканировании частоты интерференционный сигнал содержит информацию о величине и точном положении отражающих событий в оптическом волокне, которые вызваны неоднородностью показателя преломления в нем. Эта информация далее может быть извлечена с помощью Фурье-анализа. Known technical solution presented in the optical frequency domain reflectometer (Patent US 6545760 "Apparatus and method for measuring strain in optical fibers using Rayleigh scatter", IPC G01K 11/32; G01L 1/24, published 08.04.2003). The principle of operation of the optical frequency domain reflectometer is based on the analysis of the interference signal between the original signal and the signal scattered in the optical fiber when scanning the optical frequency of the probing radiation of a tunable laser. The interference signal obtained by scanning the frequency contains information about the magnitude and exact position of the reflective events in the optical fiber, which are caused by the inhomogeneity of the refractive index in it. This information can then be extracted using Fourier analysis.

Использование Фурье-анализа приводит к жестким требованиям на линейность перестройки частоты. В связи с этим недостатком известного технического решения является ошибка измерения рефлектограмм для измерительного оптического волокна вследствие небольшой нелинейности перестройки частоты лазера. Другими словами, при таком подходе измерения требуется строгая частотная дискретность последовательных при сканировании частоты источника отсчетов. В соответствии со свойствами Фурье в случае отклонения от линейного закона перестройки частоты лазера происходит искажение пиков на рефлектограмме. The use of Fourier analysis leads to stringent requirements for the linearity of frequency tuning. In connection with this, the disadvantage of the known technical solution is the measurement error of the reflectograms for the measuring optical fiber due to the small nonlinearity of the laser frequency tuning. In other words, this measurement approach requires strict frequency discreteness of successive readings during scanning of the source frequency. In accordance with the Fourier properties, in case of deviation from the linear law of laser frequency tuning, the peaks on the reflectogram are distorted.

Известно техническое решение, представленное в оптическом рефлектометре частотной области (Патент US 7538883 «Distributed strain and temperature discrimination in polarization mantaining fiber», МПК G01B 9/02, G01L 1/24, G01N 21/00, опубликован 03.01.2008), используемое для раздельного измерения температуры и деформации в оптическом волокне с сохранением поляризации, в котором для линеаризации перестроечной кривой лазера используется линеаризующий волоконный интерферометр Маха-Цандера. При этом как линеаризующий перестройку частоты источника, так и измерительный интерферометры выполнены на основе компонентов и оптического волокна без сохранения состояния поляризации. В этом случае необходимо использовать дополнительные контроллеры поляризации для согласования поляризационных состояний интерферирующих волн. Known technical solution presented in the optical frequency domain reflectometer (Patent US 7538883 "Distributed strain and temperature discrimination in polarization mantaining fiber", IPC G01B 9/02, G01L 1/24, G01N 21/00, published 03.01.2008), used for separate measurement of temperature and strain in an optical fiber with preservation of polarization, in which a linearizing Mach-Zehnder fiber interferometer is used to linearize the laser tuning curve. In this case, both the linearizing frequency tuning of the source and the measuring interferometers are made on the basis of components and optical fibers without maintaining the state of polarization. In this case, it is necessary to use additional polarization controllers to match the polarization states of the interfering waves.

Недостатком известного технического решения является необходимость регулярной настройки контроллеров поляризации обоих интерферометров исходя из измерительной волоконной линии. В этом случае существенно ухудшается стабильность работы схемы при внешнем воздействии на нее, т.к. состояние поляризации излучения меняется неконтролируемым способом при его прохождении через измерительный интерферометр. Кроме того, отсутствует привязка к абсолютной длине волны, что снижает точность измерения.The disadvantage of the known technical solution is the need for regular adjustment of the polarization controllers of both interferometers based on the measuring fiber line. In this case, the stability of the operation of the circuit under external influence on it deteriorates significantly, since the polarization state of the radiation changes in an uncontrolled way as it passes through the measuring interferometer. In addition, there is no binding to the absolute wavelength, which reduces the measurement accuracy.

Известно техническое решение, представленное в способе множественных измерений с помощью оптического рефлектометра частотной области (Патент US 10295380 «Method and apparatus for multiple localized interferometric measurements», МПК G01L 1/24, G01D 5/353, G01M 11/00, опубликован 28.09.2017), который выбран в качестве прототипа, и содержит узел для мониторинга оптической частоты, состоящий из интерферометра Майкельсона и эталона длины волны в виде газовой ячейки. Интерферометр Майкельсона в узле для мониторинга оптической частоты измеряет флуктуации скорости перестройки частоты источника в процессе его сканирования. Эталон длины волны используется для обеспечения абсолютного значения оптической частоты на всем протяжении процесса сканирования.Known technical solution presented in the method of multiple measurements using an optical frequency domain reflectometer (Patent US 10295380 "Method and apparatus for multiple localized interferometric measurements", IPC G01L 1/24, G01D 5/353, G01M 11/00, published 09/28/2017 ), which is chosen as a prototype, and contains a node for monitoring the optical frequency, consisting of a Michelson interferometer and a wavelength standard in the form of a gas cell. The Michelson interferometer in the optical frequency monitoring unit measures fluctuations in the frequency tuning rate of the source as it scans. The wavelength reference is used to provide the absolute value of the optical frequency throughout the scanning process.

Недостатком известного технического решения является снижение быстродействия работы схемы из-за необходимости использования дополнительных ресурсов для детектирования и анализа получаемого сигнала лазера. Также недостатком решения является уменьшение отношения полезного сигнала к шуму за счет уменьшения оптического излучения для его направления в узел мониторинга оптической частоты.The disadvantage of the known technical solution is to reduce the speed of the circuit due to the need to use additional resources for detecting and analyzing the received laser signal. Also, the disadvantage of the solution is to reduce the ratio of the useful signal to noise by reducing the optical radiation for its direction to the optical frequency monitoring unit.

Перед авторами стояла задача разработать способ для измерения параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна с высоким пространственным разрешением и оптический рефлектометр частотной области для его реализации. The authors were faced with the task of developing a method for measuring the parameters of refractive index inhomogeneities along an optical fiber with a high spatial resolution and an optical frequency domain reflectometer for its implementation.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна, включающем в себя генерацию оптического излучения, передачу оптического излучения, деление оптического излучения на измерительное оптическое излучение проходящее через измерительную ветвь интерферометра, содержащую измерительную волоконную линию, и опорное оптическое излучение проходящее через опорную ветвь интерферометра, содержащее оптическое волокно, с возможностью компенсации фазового набега оптических сигналов в измерительной ветви интерферометра и опорной ветви интерферометра и с последующим сложением оптического излучения, с последующей возможностью интерференции измерительного оптического сигнала и опорного оптического сигнала, детектирование оптического сигнала, преобразование оптического сигнала в аналоговый сигнал для обработки электрического сигнала, создание рефлектограммы, измерение параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна, при этом проводят генерацию оптического излучения со ступенчатообразной перестройкой оптической частоты по N последовательным модам резонатора ν(i)= ν(0) + idν, где dν разность оптических частот между соседними продольными модами, и дополнительно проводят построение зависимости коэффициента отражения неоднородностей показателя преломления от продольной координаты вдоль измерительной волоконной линии посредством проведения для каждой оптической частоты ν(i) накопление и нормализации электрического сигнала с построением массивов данных S(i) и P(i) с последующим, для каждого массива данных S(i) и P(i), дискретным преобразованием Фурье S (k) и P (k) соответственно, а рефлектограмму создают посредством построения зависимости среднего значения второй степени от двух массивов данных S (k) и P (k) , соответствующих двум Фурье-преобразованиям от каждой поляризационной компоненты интерференционного оптического сигнала The problem is solved by the fact that in the method for measuring the parameters of inhomogeneities of the refractive index along the optical fiber, which includes the generation of optical radiation, the transmission of optical radiation, the division of optical radiation into measuring optical radiation passing through the measuring branch of the interferometer containing the measuring fiber line, and the reference optical radiation passing through the reference branch of the interferometer, containing an optical fiber, with the possibility of compensating the phase shift of optical signals in the measuring branch of the interferometer and the reference branch of the interferometer and with subsequent addition of optical radiation, with the subsequent possibility of interference of the measuring optical signal and the reference optical signal, detection of the optical signal, conversion of the optical signal into an analog signal for processing an electrical signal, creating a reflectogram, measuring the parameters of inhomogeneities of the refractive index along the optical fiber, while generating optical radiation with stepwise tuning of the optical frequency according toN successive modes of the resonatorν(i)= ν(0) + idν, Wheredv the difference of optical frequencies between adjacent longitudinal modes, and additionally plotting the dependence of the reflection coefficient of inhomogeneities of the refractive index on the longitudinal coordinate along the measuring fiber line by drawing for each optical frequencyν(i) accumulation and normalization of the electrical signal with the construction of data arraysS(i) AndP(i) followed by, for each data arrayS(i) AndP(i), discrete Fourier transform S (k) And P (k) respectively, and the reflectogram is created by plotting the dependence of the average value of the second degree on two data arrays S (k) And P (k) , corresponding to two Fourier transforms from each polarization component of the interference optical signal

R(k)=(| S (k)| ² + | P (k)| ² ) ^1/2 от координаты z(k)= c⋅n⋅k, R(k)=(| S (k)| ² + | P (k)| ² ) ^1/2 from the coordinatez(k)= c⋅n⋅k,

где c - скорость света в вакууме, n - средний показатель преломления в измерительной волоконной линии, k=1…N/dν - определяется разностью оптических частот между соседними продольными модами dν и числом последовательных мод резонатора N. where c is the speed of light in vacuum, n is the average refractive index in the measuring fiber line, k=1…N/dν is determined by the optical frequency difference between adjacent longitudinal modes dν and the number of consecutive resonator modes N.

Способ реализуется за счет оптического рефлектометра частотной области, который включает в себя источник излучения, который выполнен с возможностью перестройки оптической частоты, и содержащим резонатор, и передающий оптическое излучение через выходное оптическое волокно; выходное оптическое волокно; интерферометр, который выполнен содержащим измерительную ветвь, содержащую измерительную волоконную линию для прохождения измерительного оптического излучения, и опорную ветвь, содержащее оптическое волокно для прохождения опорного оптического излучения, при этом оптическое волокно выполнено с возможностью компенсации фазового набега оптических сигналов в измерительной ветви интерферометра и опорной ветви интерферометра и с последующим сложением оптического излучения, с последующей возможностью интерференции измерительного оптического сигнала и опорного оптического сигнала, и состоящий из входного волоконного ответвителя с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения в диапазоне 1/99-10/90%, выходного волоконного ответвителя с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения в диапазоне 1/99-5/95%, и выполненный получающим одинаковый уровень интенсивности оптического излучения на первом выходе интерферометра при прохождении измерительного оптического излучения и опорного оптического излучения через выходной волоконный ответвитель, посредством выбора коэффициента разветвления, двунаправленного волоконного ответвителя с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения в диапазоне 30/70 - 70/30%, измерительной волоконной линии, при этом входной волоконный ответвитель выполнен расположенным на измерительной ветви интерферометра с возможностью деления оптического излучения на измерительное оптическое излучение, направляемое в выходной волоконный ответвитель через двунаправленный волоконный ответвитель посредством отражения от неоднородностей показателя преломления в измерительной волоконной линии, и опорное оптическое излучение, идущую на выходной волоконный ответвитель посредством опорной ветви интерферометра; поляризационный делитель, который расположен на первом выходе с интерферометра; первый фотоприемник, второй фотоприемник, которые расположены параллельно друг другу; узел оцифровки и обработки сигналов, при этом источник излучения выполнен генерирующим линейно-поляризованное оптическое излучение, согласованное с поляризационной осью выходного оптического волокна источника излучения со свойством сохранения состояния поляризации и со ступенчатообразной перестройкой оптической частоты по последовательным модам резонатора источника излучения, дополнительно оснащен нормализующим волоконным ответвителем, выполненный осуществляющим нормализацию оптического сигнала с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения в диапазоне 1/99 - 10/90% и расположенный на опорной ветви интерферометра до выходного волоконного ответвителя, нормализующим фотоприемником, расположенным на втором выходе интерферометра посредством соединения с нормализующим волоконным ответвителем и выполненный осуществляющим оптико-электронное преобразование и нормализацию оптического сигнала и передающий электрический сигнал в узел оцифровки и обработки сигналов, а узел оцифровки и обработки сигналов выполнен формирующим для каждой оптической частоты источника излучения накопление и нормализацию электрического сигнала отклика для двух поляризационных компонент интерференционного оптического излучения на первом выходе интерферометра на первом фотодетекторе и втором фотодетекторе и создающим рефлектограмму посредством построения зависимости коэффициента отражения неоднородностей показателя преломления от продольной координаты вдоль измерительной волоконной линии через вычисление среднего значения второй степени от преобразования Фурье от спектральной зависимости для двух поляризационных компонент интерференционного оптического излучения, при этом входной волоконный ответвитель, нормализующий волоконный ответвитель, выходной волоконный ответвитель, двунаправленный волоконный ответвитель, поляризационный делитель выполнены со свойством сохранения состояния поляризации проходящего через них оптического излучения, при этом выходное оптическое волокно с выхода источника излучения выполнено соединенным с входным оптическим волокном входного волоконного ответвителя посредством оптического сочленения таким образом, что поляризационные оси оптических волокон отличаются на 45 градусов друг относительно друга.The method is implemented by an optical frequency domain reflectometer, which includes a radiation source, which is configured to tune the optical frequency, and containing a resonator, and transmitting optical radiation through the output optical fiber; output optical fiber; interferometer, which is made containing a measuring branch containing a measuring fiber line for the passage of the measuring optical radiation, and a reference branch containing an optical fiber for the passage of the reference optical radiation, while the optical fiber is configured to compensate for the phase shift of optical signals in the measuring branch of the interferometer and the reference branch interferometer and with the subsequent addition of optical radiation, with the subsequent possibility of interference of the measuring optical signal and the reference optical signal, and consisting of an input fiber coupler with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range of 1/99-10/90%, an output fiber coupler with branching factor in the spectral range of radiation source tuning in the range of 1/99-5/95%, and made to receive the same level of optical radiation intensity at the first output of the interferometer when measuring optical radiation and reference optical radiation pass through the output fiber coupler, by choosing the branching factor, a bidirectional fiber coupler with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range of 30/70 - 70/30%, a measuring fiber line, while the input fiber coupler is located on the measuring branch of the interferometer with the possibility of dividing the optical radiation into the measuring optical radiation directed to the output fiber coupler through the bidirectional fiber coupler by reflection from refractive index inhomogeneities in the measurement fiber line, and the reference optical radiation going to the output fiber coupler via the reference branch of the interferometer; polarization divider, which is located at the first output from the interferometer; a first photodetector, a second photodetector, which are arranged parallel to each other; digitization and signal processing unit, wherein the radiation source is made to generate linearly polarized optical radiation, matched with the polarization axis of the output optical fiber of the radiation source with the property of maintaining the state of polarization and with stepped optical frequency tuning in successive modes of the radiation source resonator, additionally equipped with a normalizing fiber coupler , performed by normalizing the optical signal with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range of 1/99 - 10/90% and located on the reference branch of the interferometer up to the output fiber coupler, by a normalizing photodetector located at the second output of the interferometer by connecting to a normalizing fiber coupler and performed by performing optoelectronic conversion and normalization of the optical signal and transmitting an electrical signal to the digitization and signal processing unit, and the digitization and signal processing unit is made to form, for each optical frequency of the radiation source, the accumulation and normalization of the electrical response signal for two polarization components of the interference optical radiation on the first output of the interferometer at the first photodetector and the second photodetector and creating a reflectogram by constructing the dependence of the reflection coefficient of the inhomogeneities of the refractive index on the longitudinal coordinate along the measuring fiber line through the calculation of the average value of the second degree from the Fourier transform on the spectral dependence for two polarization components of the interference optical radiation, while the input a fiber coupler, a normalizing fiber coupler, an output fiber coupler, a bidirectional fiber coupler, a polarization splitter are made with the property of maintaining the state of polarization of the optical radiation passing through them, while the output optical fiber from the output of the radiation source is connected to the input optical fiber of the input fiber coupler by means of an optical coupling so that the polarization axes of the optical fibers differ by 45 degrees from each other.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в увеличении его быстродействия, увеличении отношения сигнал/шум, в увеличении надежности и стабильности работы оптического рефлектометра частотной области при внешнем воздействии на него, а также расширение ассортимента средств данного назначения. The technical effect of the proposed technical solution is to increase its speed, increase the signal-to-noise ratio, increase the reliability and stability of the frequency domain optical reflectometer under external influence, as well as expand the range of tools for this purpose .

На фиг.1 представлена схема оптического рефлектометра частотной области, где 1 - источник излучения, 2 - интерферометр, 3 - входной волоконный ответвитель, 4 - нормализующий волоконный ответвитель, 5 - выходной волоконный ответвитель, 6 - двунаправленный волоконный ответвитель, 7 - измерительная волоконная линия, 8 - поляризационный делитель, 9 - нормализующий фотоприемник, 10 - первый фотоприемник, 11 - второй фотоприемник, 12 - узел оцифровки и обработки сигналов.Figure 1 shows a diagram of an optical frequency domain reflectometer, where 1 is a radiation source, 2 is an interferometer, 3 is an input fiber coupler, 4 is a normalizing fiber coupler, 5 is an output fiber coupler, 6 is a bidirectional fiber coupler, 7 is a measuring fiber line , 8 - polarization divider, 9 - normalizing photodetector, 10 - first photodetector, 11 - second photodetector, 12 - digitization and signal processing unit.

На фиг.2 Представлена характерная зависимость оптической частоты от времени при ступенчатообразной перестройке оптической частоты источником излучения.Figure 2 Presents the characteristic dependence of the optical frequency on time when the step-like tuning of the optical frequency by the radiation source.

Заявляемый способ измерения параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна реализуется с помощью оптического рефлектометра частотной области. В схеме заявляемого оптического рефлектометра частотной области используется не непрерывно-перестраиваемый оптической частоты источник излучения, как в известных технических решениях, а источник излучения 1 с перестройкой оптической частоты, который выполнен генерирующим линейно-поляризованное оптическое излучение со ступенчатообразной перестройкой оптической частоты по последовательным модам резонатора источника излучения 1. Источник излучения 1 выполнен с возможностью перестройки оптической частоты и содержащим резонатор. Источник излучения 1 передает оптическое излучение посредством выходного оптического волокна. Генерация оптического излучения источником излучения 1 производится со ступенчатообразной перестройкой оптической частоты по N последовательным модам резонатора ν(i)= ν(0) + i dν, где dν разность оптических частот между соседними продольными модами резонатора источника излучения 1. Характерная зависимость оптической частоты от времени представлена на Фиг.2. При этом работа источника излучения 1 устроена таким образом, чтобы в каждый момент времени в резонаторе источника излучения 1 происходит генерация одной продольной моды на протяжении некоторой длительности. Длительность генерации каждой продольной моды определяется условиями накопления оптического сигнала для его анализа в заявляемом оптическом рефлектометре частотной области. После окончания необходимой длительности происходит скачкообразное изменение оптической частоты на следующую по порядковому номеру продольную моду резонатора источника излучения 1. В итоге происходит ступенчатообразная перестройка оптической частоты на величину каждой ступени равную области свободной дисперсии резонатора источника излучения 1. Также источник излучения 1 имеет линейное поляризационное состояние выходного излучения, согласованное с поляризационной осью выходного оптического волокна источника излучения со свойством сохранения состояния поляризации. Таким образом, источник излучения 1 обеспечивает фиксированное значения оптической частоты между последовательными точками измерения на всем протяжении процесса сканирования оптической частоты. The inventive method for measuring the parameters of inhomogeneities of the refractive index along the optical fiber is implemented using an optical frequency domain reflectometer. In the scheme of the proposed optical frequency domain reflectometer, not a continuously tunable optical frequency radiation source is used, as in known technical solutions, but a radiation source 1 with optical frequency tunability, which is made to generate linearly polarized optical radiation with stepwise tunability of the optical frequency in successive modes of the source resonator radiation source 1. Radiation source 1 is configured to tune the optical frequency and contains a resonator. The radiation source 1 transmits optical radiation through the output optical fiber. The generation of optical radiation by the radiation source 1 is carried out with stepwise tuning of the optical frequency according toN successive modes of the resonatorν(i)= ν(0) + i dν, Wheredv the difference in optical frequencies between adjacent longitudinal modes of the resonator of the radiation source 1. The characteristic dependence of the optical frequency on time is shown in Fig.2. In this case, the operation of the radiation source 1 is arranged in such a way that at each moment of time in the resonator of the radiation source 1 one longitudinal mode is generated for a certain duration. The duration of generation of each longitudinal mode is determined by the conditions of accumulation of the optical signal for its analysis in the inventive optical frequency domain reflectometer. After the end of the required duration, there is an abrupt change in the optical frequency to the next longitudinal mode of the resonator of the radiation source 1 in serial number. As a result, the step-like restructuring of the optical frequency occurs by the value of each step equal to the free dispersion region of the resonator of the radiation source 1. Also, the radiation source 1 has a linear polarization state of the output radiation, consistent with the polarization axis of the output optical fiber of the radiation source with the property of maintaining the state of polarization. Thus, the radiation source 1 provides a fixed value of the optical frequency between successive measurement points throughout the process of scanning the optical frequency.

Оптическое излучение источника излучения 1 по выходному оптическому волокну поступает в интерферометр 2 типа Маха-Цандера, который выполнен содержащим измерительную ветвь интерферометра 2 и опорную ветвь интерферометра 2. При этом измерительная ветвь интерферометра 2 содержит измерительную волоконную линию 7, а опорная ветвь интерферометра 2 содержит оптическое волокно, с возможностью компенсации фазового набега оптических сигналов в измерительной ветви интерферометра 2 и опорной ветви интерферометра 2 и с последующим сложением оптического излучения, с последующей возможностью интерференции измерительного оптического сигнала и опорного оптического сигнала. Интерферометр 2 заявляемого устройства состоит из входного волоконного ответвителя 3, нормализующего волоконного ответвителя 4, выходного волоконного ответвителя 5, двунаправленного волоконного ответвителя 6, измерительной волоконной линии 7, которые оптически связанные между собой. При этом входной волоконный ответвитель 3 выполнен с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения 1 в диапазоне 1/99 - 10/90%, выходной волоконный ответвитель 5 - с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения 1 в диапазоне 1/99 - 5/95% и выполненный с возможностью выбора коэффициента разветвления с целью получения одинакового уровня интенсивности оптического излучения на первом выходе интерферометра 2 при прохождении измерительного оптического излучения и опорного оптического излучения через выходной волоконный ответвитель 5. The optical radiation of the radiation source 1 through the output optical fiber enters the interferometer 2 of the Mach-Zehnder type, which is made containing the measuring branch of the interferometer 2 and the reference branch of the interferometer 2. In this case, the measuring branch of the interferometer 2 contains a measuring fiber line 7, and the reference branch of the interferometer 2 contains an optical fiber, with the possibility of compensating the phase incursion of optical signals in the measuring branch of the interferometer 2 and the reference branch of the interferometer 2 and with subsequent addition of optical radiation, with the subsequent possibility of interference of the measuring optical signal and the reference optical signal. The interferometer 2 of the proposed device consists of an input fiber coupler 3, a normalizing fiber coupler 4, an output fiber coupler 5, a bidirectional fiber coupler 6, a measuring fiber line 7, which are optically connected to each other. In this case, the input fiber coupler 3 is made with a branching factor in the spectral range of tuning of the radiation source 1 in the range of 1/99 - 10/90%, the output fiber coupler 5 is with a branching factor in the spectral range of tuning of the radiation source 1 in the range of 1/99 - 5 /95% and made with the possibility of selecting the branching factor in order to obtain the same level of optical radiation intensity at the first output of the interferometer 2 when the measuring optical radiation and the reference optical radiation pass through the output fiber coupler 5 .

Двунаправленный волоконный ответвитель 6 выполнен с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения 1 в диапазоне 30/70 - 70/30%. Интерферометр 2 дополнительно оснащен нормализующим волоконным ответвителем 4, выполненный осуществляющим нормализацию оптического сигнала с коэффициентом разветвления в спектральном диапазоне перестройки источника излучения 1 в диапазоне 1/99 - 10/90%.Bidirectional fiber coupler 6 is made with a branching factor in the spectral range of tuning of the radiation source 1 in the range of 30/70 - 70/30%. The interferometer 2 is additionally equipped with a normalizing fiber coupler 4, which normalizes the optical signal with a branching factor in the spectral tuning range of the radiation source 1 in the range of 1/99 - 10/90%.

Посредством входного волоконного ответвителя 3 происходит деление оптического излучения, поступающее с источника излучения 1 по выходному оптическому волокну, на измерительное оптическое излучение и опорное оптическое излучение, распространяющихся по измерительной и опорной ветви интерферометра 2 соответственно. Выходное оптическое волокно с выхода источника излучения 1 соединено с входным оптическим волокном входного волоконного ответвителя 3 посредством оптического сочленения таким образом, что поляризационные оси волокон отличаются на 45 градусов друг относительно друга.Through the input fiber coupler 3, the optical radiation coming from the radiation source 1 through the output optical fiber is divided into the measuring optical radiation and the reference optical radiation propagating along the measuring and reference branches of the interferometer 2, respectively. The output optical fiber from the output of the radiation source 1 is connected to the input optical fiber of the input fiber coupler 3 by means of an optical joint in such a way that the polarization axes of the fibers differ by 45 degrees relative to each other.

Измерительное оптическое излучение направляется из входного волоконного ответвителя 3 в выходной волоконный ответвитель 5 через двунаправленный волоконный ответвитель 6. Опорное оптическое излучение направляется из входного волоконного ответвителя 3 в выходной волоконный ответвитель 5 через нормализующий волоконный ответвитель 4. Часть оптического излучения идущего по измерительной ветви интерферометра 2 через двунаправленный волоконный ответвитель 6 поступает на измерительную волоконную линию 7, где претерпевает отражение от неоднородностей показателя преломления в измерительной волоконной линии 7. Далее отраженное в измерительной волоконной линии 7 оптическое излучение через двунаправленный волоконный ответвитель 6 поступает на выходной волоконный ответвитель 5, расположенный перед первым выходом с интерферометра 2, где интерферирует со второй частью оптического излучения, идущего через опорную ветвь интерферометра 2 оптического излучения, и формируется интерференционный оптический сигнал. Интерференционный оптический сигнал формируется только для сонаправленных поляризационных состояний оптического излучения в опорной и измерительной ветви интерферометра 2. При этом оптическое излучение в измерительной ветви интерферометра 2 перед первым выходом интерферометра 2 в общем случае содержит две поляризационные компоненты, т.к. измерительная волоконная линия может не обладать свойством сохранения состояния поляризации. В конечном счете в случае ортогональных поляризационных состояний оптического излучения в опорной и измерительной ветви интерферометра 2 будет отсутствовать интерференционный оптический сигнал. Для увеличения эффективности интерференции необходимо, чтобы выходное оптическое волокно источника излучения 1 было бы соединено с входным оптическим волокном входного волоконного ответвителя 3 таким образом, что поляризационные оси волокон отличаются на 45 градусов друг относительно друга. The measuring optical radiation is directed from the input fiber coupler 3 to the output fiber coupler 5 through the bidirectional fiber coupler 6. The reference optical radiation is directed from the input fiber coupler 3 to the output fiber coupler 5 through the normalizing fiber coupler 4. fiber line 7. Further, the optical radiation reflected in the measuring fiber line 7 through a bidirectional fiber coupler 6 enters the output fiber coupler 5, located in front of the first exit from the interferometer 2, where it interferes with the second part of the optical radiation passing through the reference branch of the optical radiation interferometer 2, and an interference optical signal is formed. An interference optical signal is formed only for codirectional polarization states of optical radiation in the reference and measuring branches of the interferometer 2. In this case, the optical radiation in the measuring branch of the interferometer 2 before the first exit of the interferometer 2 generally contains two polarization components, because the measuring fiber line may not have the property of maintaining the state of polarization. Ultimately, in the case of orthogonal polarization states of optical radiation, there will be no interference optical signal in the reference and measuring branches of interferometer 2. To increase the interference efficiency, it is necessary that the output optical fiber of the radiation source 1 be connected to the input optical fiber of the input fiber coupler 3 in such a way that the polarization axes of the fibers differ by 45 degrees relative to each other.

При этом входной волоконный ответвитель 3, нормализующий волоконный ответвитель 4, выходной волоконный ответвитель5, двунаправленный волоконный ответвитель 6, поляризационный делитель 8 выполнены со свойством сохранения состояния поляризации проходящего через них оптического излучения.At the same time, the input fiber coupler 3, the normalizing fiber coupler 4, the output fiber coupler 5, the bidirectional fiber coupler 6, the polarization splitter 8 are made with the property of maintaining the polarization state of the optical radiation passing through them.

Таким образом, такое использование элементов схемы со свойством сохранения состояния поляризации проходящего через них оптического излучения позволяет повысить надежность и стабильность работы при внешнем воздействии на нее.Thus, such use of circuit elements with the property of maintaining the state of polarization of the optical radiation passing through them makes it possible to increase the reliability and stability of operation under external influence on it.

Часть оптического излучения выводится через нормализующий волоконный ответвитель 4 посредством второго выхода интерферометра 2 для использования в процессе нормализации интерференционного оптического сигнала. Заявляемое устройство также дополнительно оснащено нормализующим фотоприемником 9, расположенным на втором выходе интерферометра 2 посредством соединения с нормализующим волоконным ответвителем 4 и который выполнен осуществляющим оптико-электронное преобразование и нормализацию оптического сигнала и передающим электрический сигнал в узел оцифровки и обработки сигналов 12. Part of the optical radiation is output through the normalizing fiber coupler 4 through the second output of the interferometer 2 for use in the process of normalizing the interference optical signal. The inventive device is also additionally equipped with a normalizing photodetector 9 located at the second output of the interferometer 2 by means of connection with a normalizing fiber coupler 4 and which is made to carry out optoelectronic conversion and normalization of the optical signal and transmit an electrical signal to the digitization and signal processing unit 12.

На первом выходе интерферометра 2 последовательно расположены поляризационный делитель 8, первый фотоприемник 10 и второй фотоприемник 11 для детектирования s и p поляризационных состояний интерференционного оптического сигнала соответственно, узел оцифровки и обработки сигналов 12, таким образом, что первый выход поляризационного делителя 8 направлен на первый фотоприемник 10, а второй выход на второй фотоприемник 11, которые расположены параллельно друг другу, при этом выходы которых направлены в узел оцифровки и обработки сигналов 12. At the first output of the interferometer 2, a polarization divider 8, the first photodetector 10 and the second photodetector 11 are sequentially located for detecting the s and p polarization states of the interference optical signal, respectively, the digitization and signal processing unit 12, so that the first output of the polarization divider 8 is directed to the first photodetector 10, and the second output to the second photodetector 11, which are located parallel to each other, while the outputs of which are directed to the digitization and signal processing unit 12.

Интерференционный оптический сигнал после выходного волоконного ответвителя 5 поступает на поляризационный делитель 8 с целью разделения интерференционного оптического излучения на s и p поляризационные компоненты. Оптические сигналы с нормализующего волоконного ответвителя 4 и с поляризационного делителя 8 детектируются нормализующим фотоприемником 9 и двумя идентичными фотоприемниками 10 и 11 соответственно, и преобразуются в аналоговые сигналы для обработки электрического сигнала. The interference optical signal after the output fiber coupler 5 is fed to the polarization divider 8 in order to separate the interference optical radiation into s and p polarization components. The optical signals from the normalizing fiber coupler 4 and from the polarization splitter 8 are detected by the normalizing photodetector 9 and two identical photodetectors 10 and 11, respectively, and are converted into analog signals for electrical signal processing.

Далее создается рефлектограмма в узле оцифровки и обработки 12, и проводятся измерения параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна. Next, a reflectogram is created in the digitization and processing unit 12, and the parameters of the inhomogeneities of the refractive index along the optical fiber are measured.

Далее узел оцифровки и обработки 12 дополнительно формирует для каждой оптической частоты источника излучения 1 накопление и нормализацию электрического сигнала для двух поляризационных компонент интерференционного оптического сигнала на первом выходе интерферометра 2 на первом фотодетекторе 10 и втором фотодетекторе 11, дополнительно проводят построение зависимости коэффициента отражения неоднородностей показателя преломления от продольной координаты вдоль измерительной волоконной линии 7 посредством проведения для каждой оптической частоты ν(i) накопления и нормализации электрического сигнала с построением массивов данных S(i) и P(i) с последующим, для каждого массива данных S(i) и P(i), дискретным преобразованием Фурье S (k) и P (k) соответственно. А именно, для каждой оптической частоты ν(i) дополнительно происходит накопление и нормализация электрического сигнала на нормализующем фотоприемнике 9, первом фотодетекторе 10 и втором фотодетекторе 11Next, the digitization and processing unit 12 additionally generates for each optical frequency of the radiation source 1 the accumulation and normalization of the electrical signal for two polarization components of the interference optical signal at the first output of the interferometer 2 on the first photodetector 10 and the second photodetector 11, additionally plotting the dependence of the reflection coefficient of the inhomogeneities of the refractive index from the longitudinal coordinate along the measuring fiber line 7 by carrying out for each optical frequency ν(i) the accumulation and normalization of the electrical signal with the construction of data arrays S(i) and P(i) followed by, for each data array S(i) and P( i) , the discrete Fourier transform S (k) and P (k) , respectively. Namely, for each optical frequency ν(i), the electrical signal is additionally accumulated and normalized at the normalizing photodetector 9, the first photodetector 10, and the second photodetector 11

S(i) = I ₁₀ (i) / I ₉ (i) S(i) = I ₁₀ (i) / I ₉ (i)

P(i) = I ₁₁ (i) / I ₉ (i), P(i) = I ₁₁ (i) / I ₉ (i),

где I ₉ (i) - оцифрованные фототоки с нормализующего фотоприёмника 9, I ₁₀ (i), I ₁₁ (i) - оцифрованные фототоки с первого фотоприёмника 10 и второго фотоприемника 11. При перестройке оптической частоты источника излучения 1 получается массив данных S(i) и P(i), i=1…N (где N-1 - число ступенек при перестройке оптической частоты источника излучения 1 с диапазоном частотной перестройки (N-1)dν, где dν - величина ступени). Важно отметить, что полученные значения имеют эквидистантное расположение в оптической полосе частот. Далее для каждого массива данных S(i) и P(i) производится быстрое дискретное преобразование Фурье.WhereI ₉ (i)-digitized photocurrents from a normalizing photodetector 9,I ₁₀ (i), I _eleven (i)- digitized photocurrents from the first photodetector 10 and the second photodetector 11. When the optical frequency of the radiation source 1 is tuned, a data array is obtainedS(i)AndP(i), i=1…N(WhereN-1- the number of steps when tuning the optical frequency of the radiation source 1 with the frequency tuning range (N-1)dv,Wheredv- step size). It is important to note that the obtained values have an equidistant location in the optical frequency band. Further for each data arrayS(i)AndP(i)a fast discrete Fourier transform is performed.

FFT(S(i)) = FFT(S(i)) = SS (k)(k)

FFT(P(i)) = FFT(P(i)) = PP (k)(k)

где k=1…N/dν - временные отсчеты. Для получения рефлектограммы необходимо построить зависимость среднего значения второй степени от двух массивов данных, соответствующих двум Фурье-преобразованиям от каждой поляризационной компоненты сигнала интерференции where k=1…N/dν - time readings. To obtain a reflectogram, it is necessary to plot the dependence of the average value of the second degree on two data arrays corresponding to two Fourier transforms on each polarization component of the interference signal

R (k)=(| S (k)| ² + | P (k)| ² ) ^1/2 от координаты z(k)= c⋅n⋅k, R (k)=(| S (k)| ² + | P (k)| ² ) ^1/2 from the coordinatez(k)=c⋅n⋅k,

где c - скорость света в вакууме, n - средний показатель преломления в измерительной волоконной линии 7, k=1…N/dν - определяется разностью оптических частот между соседними продольными модами dν и числом последовательных мод резонатора N. И далее проводятся измерения параметров неоднородностей показателя преломления вдоль оптического волокна.Wherec- speed of light in vacuum,n- the average refractive index in the measuring fiber line 7, k=1…N/dν - is determined by the difference in optical frequencies between adjacent longitudinal modes dν and the number of successive modes of the resonator N. And then measurements of the parameters of refractive index inhomogeneities along the optical fiber are carried out.

Таким образом, за счет автоматической эквидистантности в частотной области массивов данных S(i) и P(i) отсутствует необходимость коррекции амплитуд массивов с использованием дополнительных линеаризующих интерферометров для вычисления дискретного преобразования Фурье с целью создания рефлектограммы (т.е. уменьшается количество операций по обработки оптического сигнала) и увеличивается быстродействие. А увеличение отношения сигнал-шум достигается за счет уменьшения потерь на измерение оптического сигнала, так как для процедуры линеаризации нужна значительная доля оптической мощности. Также отношение сигнал-шум увеличивается за счет предложенного накопления и нормализации сигнала отклика оптического сигнала для каждой оптической частоты. Кроме того, достигается повышение надежности заявляемого технического решения за счет уменьшения количества операций и узлов по обработке сигнала, так как каждый дополнительный узел вносит свою дополнительную ошибку измерения. Как результат еще дополнительно достигается технический эффект в расширении ассортимента средств данного назначения. Использование элементов схемы со свойством сохранения состояния поляризации проходящего через них оптического излучения позволяет повысить надежность и стабильность работы при внешнем воздействии на нее.Thus, due to the automatic equidistance in the frequency domain of the data arrays S(i) and P(i), there is no need to correct the amplitudes of the arrays using additional linearizing interferometers to calculate the discrete Fourier transform in order to create a reflectogram (i.e., the number of processing operations is reduced optical signal) and increase the speed. And an increase in the signal-to-noise ratio is achieved by reducing the losses for measuring the optical signal, since the linearization procedure requires a significant proportion of the optical power. Also, the signal-to-noise ratio is increased by the proposed accumulation and normalization of the optical signal response signal for each optical frequency. In addition, an increase in the reliability of the proposed technical solution is achieved by reducing the number of operations and nodes for signal processing, since each additional node introduces its own additional measurement error. As a result, a technical effect is additionally achieved in expanding the range of products for this purpose. The use of circuit elements with the property of maintaining the state of polarization of the optical radiation passing through them makes it possible to increase the reliability and stability of operation under external influence on it.

Claims

1. A method for measuring the parameters of refractive index inhomogeneities along an optical fiber, including the generation of optical radiation, the transmission of optical radiation, the division of optical radiation into measuring optical radiation passing through the measuring branch of the interferometer containing the measuring fiber line, and the reference optical radiation passing through the reference branch of the interferometer containing an optical fiber with the possibility of compensating the phase shift of optical signals in the measuring branch of the interferometer and the reference branch of the interferometer and with the subsequent addition of optical radiation, with the subsequent possibility of interference of the measuring optical signal and the reference optical signal, detection of the optical signal, conversion of the optical signal into analog a signal for processing an electrical signal, creating a reflectogram, measuring the parameters of refractive index inhomogeneities along an optical fiber, characterized in that optical radiation is generated by stepwise tuning of the optical frequency over N successive modes of the resonator v(i) = v(0) + i dv, where dv is the difference in optical frequencies between adjacent longitudinal modes, additionally, the dependence of the reflection coefficient of the inhomogeneities of the refractive index on the longitudinal coordinates along the measuring fiber line by carrying out for each optical frequency v(i) the accumulation and normalization of the electrical signal with the construction of data arrays S(i) and P(i) followed by, for each data array S(i) and P(i), discrete Fourier transform S(k) and P(k), respectively, and the reflectogram is created by plotting the dependence of the average value of the second degree on two data arrays S(k) and P(k), corresponding to two Fourier transforms on each polarization component of the interference optical signal

R(k)=(|S(k)| ² + |P(k)| ² ) ^1/2 of the coordinate z(k)= c⋅n⋅k,

where c is the speed of light in vacuum, n is the average refractive index in the measuring fiber line, k=1…N/dv is determined by the optical frequency difference between adjacent longitudinal modes dv and the number of successive cavity modes N.

2. Optical frequency domain reflectometer, including a radiation source, which is configured to tune the optical frequency and contains a resonator, and transmitting optical radiation through the output optical fiber; output optical fiber; interferometer, which is made containing a measuring branch containing a measuring fiber line for the passage of the measuring optical radiation, and a reference branch containing an optical fiber for the passage of the reference optical radiation, while the optical fiber is configured to compensate for the phase shift of optical signals in the measuring branch of the interferometer and the reference branch interferometer and with subsequent addition of optical radiation, with the subsequent possibility of interference of the measuring optical signal and the reference optical signal, and consisting of an input fiber coupler with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range of 1/99 - 10/90%, an output fiber coupler with branching factor in the spectral range of radiation source tuning in the range of 1/99 - 5/95%, and made to receive the same level of optical radiation intensity at the first output of the interferometer when measuring optical radiation and reference optical radiation pass through the output fiber coupler, by choosing the branching factor, a bidirectional fiber coupler with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range of 30/70 - 70/30%, a measuring fiber line, while the input fiber coupler is located on the measuring branch of the interferometer with the possibility of dividing the optical radiation into the measuring optical radiation directed to output fiber coupler through a bidirectional fiber coupler by reflection from refractive index inhomogeneities in the measurement fiber line, and reference optical radiation going to the output fiber coupler via the reference branch of the interferometer; polarization divider, which is located at the first output from the interferometer; a first photodetector, a second photodetector, which are arranged parallel to each other; digitization and signal processing unit, characterized in that the radiation source is made to generate linearly polarized optical radiation, matched with the polarization axis of the output optical fiber of the radiation source with the property of maintaining the state of polarization and with stepped optical frequency tuning in successive modes of the radiation source resonator, is additionally equipped with a normalizing a fiber coupler designed to normalize an optical signal with a branching factor in the spectral range of the radiation source tuning in the range 1/99 - 10/90% and located on the reference branch of the interferometer up to the output fiber coupler, a normalizing photodetector located at the second output of the interferometer by connecting to a normalizing a fiber coupler and performed by optoelectronic conversion and normalization of the optical signal and transmitting an electrical signal to the digitization and signal processing unit, and the digitization and signal processing unit is made to form, for each optical frequency of the radiation source, the accumulation and normalization of the electrical response signal for two polarization components of the interference optical radiation at the first output of the interferometer on the first photodetector and the second photodetector and creating a reflectogram by constructing the dependence of the reflection coefficient of the inhomogeneities of the refractive index on the longitudinal coordinate along the measuring fiber line by calculating the average value of the second degree from the Fourier transform on the spectral dependence for two polarization components of the interference optical radiation, at In this case, the input fiber coupler, the normalizing fiber coupler, the output fiber coupler, the bidirectional fiber coupler, the polarization splitter are made with the property of maintaining the state of polarization of the optical radiation passing through them, while the output optical fiber from the output of the radiation source is connected to the input optical fiber of the input fiber coupler by means of optical joint in such a way that the polarization axes of the optical fibers differ by 45 degrees relative to each other.