Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 96-101

1. ВВЕДЕНИЕ

Распределенные измерения деформации (температуры) являются современным высокоинформативным методом мониторинга структурного состояния (Structural Health Monitoring – SHM) объектов, имеющих значительные размеры: мостов, трубопроводов, плотин, эстакад и других сооружений инфраструктуры. Традиционно для этих целей используются распределенные датчики, действие которых основано на регистрации рассеяния Мандельштама–Бриллюэна: BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer), а также BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer) [1, 2].

Последние отличаются высокой технической сложностью и используют петлевую (loop) конфигурацию волоконно-оптической линии, измерения в которой производятся только на половине длины. В этом смысле BOTDR обладают преимуществом, поскольку для их работы требуется однонаправленная (single-ended) линия.

Было продемонстрировано, что для BOTDR за счет использования встроенного в линию усилителя на основе оптического волокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA), достижима дальность действия до 50 км [3]. При этом пространственное разрешение составило 5 м, а стандартная неопределенность измерений деформации – 23 мкм · м^–1, температуры – 1.08°C.

Такие точностные показатели типичны для коммерческих BOTDR, однако не всегда удовлетворяют требованиям мониторинга объектов инфраструктуры. Дальнейшее увеличение дальности ограничено нелинейными эффектами, которые приводят к быстрому истощению (depletion) распространяющегося излучения (по мощности и форме спектра) [3].

Сравнительно новыми являются датчики механических и температурных воздействий, основанные на регистрации и сопоставлении друг с другом спектров рассеяния Рэлея [4–6]. В работе [7] нами предложена технология использования низкокогерентной рэлеевской рефлектометрии с перестройкой длины волны излучения с помощью управляемого от компьютера узкополосного фильтра, выполненного по технологии микроэлектромеханическая система (м.э.м.с.).

Такой фильтр позволил изменять длину волны в довольно широком интервале (±3 нм относительно 1558 нм), обеспечив тем самым возможность измерений в промышленном диапазоне величин деформации (сотен мкм · м^–1) и температуры (десятков градусов Цельсия) оптического волокна (о.в.). При пространственном разрешении порядка 1 м стандартная неопределенность измерений составила 2.2 мкм · м^–1 (0.24°С); дальность действия – 8 км. Использование рамановского усиления в измеряемом о.в. позволило увеличить дальность до 25 км, которой все еще может быть недостаточно, например, для мониторинга нефте- и газопроводов.

Измерительные характеристики изученного в [7] датчика ограничены, главным образом, нелинейными эффектами в о.в., приводящими к уширению спектра зондирующего излучения [8]. При некотором их уровне удается достичь удовлетворительных точностных показателей на дальности до 25 км.

Ранее продемонстрировано, что совместное применение рамановского усиления и усиления за счет встроенных в волоконно-оптическую линию коротких сегментов волокна, легированного эрбием (Erbium Doped Fiber – EDF), позволяет существенно (до 100 км) увеличить дальность действия распределенного датчика вибраций (Distributed Vibration Sensor – DVS) [9]. Ввиду того что разработанная нами технология низкокогерентной рефлектометрии использует только C-диапазон длин волн (1530–1565 нм), есть основания полагать, что применение указанных в [9] мер позволит значительно улучшить метрологические характеристики описанной в [8] схемы.

Цель настоящей работы состояла в максимальном увеличении дальности действия распределенного датчика деформации (температуры) путем использования низкокогерентной рефлектометрии одновременно с рамановским усилением и за счет дистанционно накачиваемых, встроенных в линию эрбиевых усилителей (Remotely Optically Pumped Amplifier – ROPA).

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Принцип действия датчиков деформации (температуры) на основе рэлеевской рефлектометрии строится на том, что при растяжении/сжатии, а также нагревании/охлаждении о.в. происходит смещение спектров рассеяния Рэлея. Под этим термином принято понимать спектр мощности обратно рассеянного излучения с выбранной пространственной ячейки (элемента пространственного разрешения) о.в., зарегистрированный в процессе перестройки длины волны зондирующего излучения.

С точки зрения рефлектометрии такой спектр представляет собой поперечное (вдоль оси длин волн) сечение массива рефлектограмм в интересующей продольной координате (ось расстояний). При условии, что приложенное воздействие – изменение натяжения или температуры – распределено равномерно вдоль пространственной ячейки о.в., смещение спектра рассеяния Рэлея относительно исходного положения пропорционально этому воздействию [4].

Таким образом, задача измерений сводится к определению величины смещения спектра с последующим ее пересчетом в искомые единицы, используя следующие коэффициенты чувствительности: к деформации – 1.2 пм (мкм · м^–1)^–1 или температуре – 10.8 пм · °С^–1 (в C-диапазоне длин волн) [7]. Величина смещения может быть рассчитана, например, с помощью корреляционного анализа, подробно описанного в [5, 7].

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В качестве источника излучения использовался работающий на длине волны 1558 нм суперлюминесцентный диод СЛД марки SLD-761 (Superlum, Ирландия) с максимальной мощностью 1 мВт и непрерывным спектром шириной 15 нм (полная ширина на половине высоты (п.ш.п.в.)).

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки. СЛД – суперлюминесцентный диод; У₁, У₂ – оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием; ПФ₁, ПФ₂ – перестраиваемые м.э.м.с.-фильтры; АОМ – акустооптический модулятор; ПС₁, ПС₂ – поляризационные скремблеры; ОЦ – оптический циркулятор; ЛН – лазер накачки; СМ – спектральный мультиплексор; Б₁–Б₄ – бухты о.в.; ЭВ₁, ЭВ₂ – секции волокна, легированного эрбием; ОС – оконечный сегмент; ФП – фотоприемник; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦП – центральный процессор; ЭЗ – элемент задержки. Штриховой линией обозначена шина синхронизации; штрихпунктирной – шина управления перестраиваемыми фильтрами.

Генерируемые СЛД оптические импульсы подавались на вход широкополосного усилителя У₁ на основе волокна, легированного эрбием, после чего подвергались спектральной селекции с помощью перестраиваемого м.э.м.с.-фильтра ПФ₁ марки MTF500A (DiCon Fiberoptics, США) c шириной полосы пропускания 0.35 нм (п.ш.п.в.). Таким образом, ПФ₁ выступал формирователем спектра зондирующего излучения.

Акустооптический модулятор АОМ позволял пропускать импульсы далее в оптическую схему, блокируя нестационарное спонтанное излучение У₁ – мешающий фактор при фотоприеме сигнала обратного рассеяния.

Поляризационный скремблер ПС₁ марки PSM-002 (General Photonics, США) использовался для деполяризации излучения, которое затем подавалось на вход усилителя У₂, конструктивно схожего с У₁, для компенсации потерь в АОМ (порядка 6 дБ).

Сформированное трактом СЛД–У₁–ПФ₁–АОМ–ПС₁–У₂ зондирующее излучение вводилось в измеряемую волоконно-оптическую линию через циркулятор ОЦ и одно из плеч спектрального мультиплексора СМ (с диапазоном пропускания 1529–1630 нм). Через второе плечо СМ (1460–1510 нм) от лазера ЛН (FITEL FOL1425 с рабочей длиной волны 1480 нм, Furukawa Electric Co., Япония) подавалось излучение накачки для организации усиления в линии. Скремблер ПС₂, аналогичный ПС₁, был включен в схему для деполяризации излучения ЛН.

Измеряемая линия состояла из четырех соединенных между собой бухт одномодового о.в. длиной по 25 км (Б₁, Б₂ и Б₄) и 10 км (Б₃), соответствующего спецификации ITU-T G.652. Рамановское усиление организовывалось только в Б₁.

Для усиления излучения с использованием удаленной накачки на входе бухт Б₂ и Б₄ размещались сегменты легированного эрбием волокна ЭВ₁ и ЭВ₂ (ROPA). Оконечный сегмент линии ОС представлял собой бухту длиной около 200 м и предшествующую ей прямую 9-метровую секцию, размещавшуюся в механизме, позволявшем изменять ее деформацию с высокой точностью.

Обратно рассеянное в линии излучение через ОЦ подавалось на вход перестраиваемого м.э.м.с.-фильтра ПФ₂ марки MTF500B (DiCon Fiberoptics, США), ширина полосы пропускания которого составляла 0.17 нм (п.ш.п.в.). Затем оно регистрировалось фотоприемником ФП – модулем на основе лавинного фотодиода. Электрический сигнал ФП с полосой 16 МГц трансформировался в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем АЦП, после чего подавался в центральный процессор ЦП для обработки.

Помимо обработки, ЦП осуществлял управление ПФ₁ и ПФ₂ через общую шину (отмечена на рис. 1 штрихпунктиром), согласовывая тем самым спектр пропускания приемного тракта со спектром зондирующего излучения. Элемент задержки ЭЗ обеспечивал отпирание и запирание АОМ синхронно с приходом импульса излучения от СЛД.

Частота работы АЦП 100 МГц задавала величину шага выборки по оси расстояний, равную 1.02 м с учетом группового показателя преломления о.в. (приблизительно 1.47 в C-диапазоне длин волн). Длительность импульса СЛД была приблизительно 25 нс (п.ш.п.в.); частота повторения определялась длиной измеряемой волоконной линии.

У₁ и У₂ были настроены таким образом, что импульсная мощность излучения на входе ОЦ достигала 1300 мВт. Дальнейшее ее увеличение приводило к ухудшению точностных характеристик. Мощность излучения ЛН составляла 380 мВт. При этом длины ЭВ₁ (1.5 м) и ЭВ₂ (3 м) были подобраны так, чтобы сигнал обратного рассеяния из Б₂–Б₄ был энергетически сопоставим с таковым из Б₁.

Принятые меры позволили получить в целом оптимальное отношение сигнал/шум в регистрируемых спектрах рассеяния Рэлея по всей длине измеряемой линии. Пространственное разрешение составляло приблизительно 2.6 м (с учетом группового показателя преломления о.в., равного 1.47).

На рис. 2 приведена типичная рефлектограмма, полученная с помощью экспериментальной установки. Присутствующие в ней флуктуации с размахом около 10% от средней мощности характерны для низкокогерентной рефлектометрии [7]. Форма сигнала из Б₁ обусловлена, с одной стороны, рамановским усилением в этой бухте, с другой – фазовой самомодуляцией и 4-волновым смешением, доминирующими в начале бухты (резкий пик на первых 700–800 м) [8].

Рис. 2.

Типичная рефлектограмма, регистрируемая экспериментальной установкой (длина волны 1558 нм). Б₁–Б₄ – бухты о.в.; ЭВ₁, ЭВ₂ – секции волокна, легированного эрбием; ОС – оконечный сегмент.

Измерения проводились в следующей последовательности: регистрировались спектры рассеяния Рэлея при исходных условиях (так называемые опорные спектры), затем натяжение сегмента ОС длиной 9 м увеличивалось, после чего проводилась повторная регистрация спектров (измерительные). Диапазон перестройки длины волны составлял 1555–1561 нм при исходных условиях и 1556.5–1559.5 нм при повторной регистрации; шаг был выбран равным 0.05 нм. Время регистрации опорных спектров составляло 20 мин, измерительных – 10 мин.

Поскольку для серии измерений достаточно было однократной регистрации опорных спектров, время единичного измерения фактически ограничивалось только периодом сбора измерительных спектров. Проводя корреляционный анализ накопленных данных, ЦП рассчитывал искомую величину смещения измерительного спектра относительно опорного для каждой точки волоконно-оптической линии, пересчитывая затем это смещение в единицы деформации. Диапазон перестройки длины волны для регистрации опорных спектров был выбран вдвое большим, чем для регистрации измерительных, во избежание деградации взаимно-корреляционной функции спектров при измерении натяжения 9-метровой секции о.в.

Получаемые с помощью экспериментальной установки опорные и измерительные спектры отличались высокой степенью взаимной корреляции (характеризуется коэффициентом корреляции, рис. 3) вдоль всей волоконно-оптической линии, что косвенно свидетельствовало о хороших измерительных характеристиках устройства.

Рис. 3.

Коэффициент корреляции (максимальное значение нормированной взаимно-корреляционной функции) опорных и измерительных спектров вдоль волоконно-оптической линии. Сильные выбросы вниз соответствуют неинформативным участкам с ЭВ₁ и ЭВ₂.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для оценки качества работы экспериментальной установки была проведена серия измерений деформации 9-метровой секции ОС. С помощью механизма, содержащего микрометрический винт, схематично изображенного на рис. 1, величина деформации ступенчато повышалась до 500 мкм · м^–1 с шагом 100 мкм · м^–1. Расчет деформации проводился по зарегистрированным на каждом этапе измерительным спектрам. Опорные же спектры были накоплены предварительно – до оказания воздействия на секцию. Результаты одного из таких измерений представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Измеренное изменение относительной деформации вдоль волоконно-оптической линии (вставка соответствует местоположению натягиваемой секции; заданная деформация 500 мкм · м^–1; размерности единиц – те же, что и на основном графике). Неинформативные результаты в местах расположения ЭВ₁ и ЭВ₂ удалены.

Как видно, измерительные шумы возрастают при приближении к концам Б₁, Б₃ и ОС. Их среднеквадратическое отклонение, равное стандартной неопределенности измерений, в худшем случае (конец Б₃ и ОС) составляет около 3.8 мкм · м^–1. Показания экспериментальной установки в пределах 9-метровой секции соответствуют ее реальной деформации (500 мкм · м^–1).

На рис. 5 приведена зависимость между измеренной деформацией и ее реальными значениями. Высокая линейность и низкая измерительная неопределенность говорят о хорошем качестве экспериментальной установки как датчика.

Рис. 5.

Зависимость между измеренной деформацией 9-метровой секции ОС и ее реальными значениями (штриховой линией отмечена идеализированная характеристика; перемычки соответствуют диапазону ±3 стандартных неопределенности – ±11.4 мкм · м^–1).

Неравномерность измерительных шумов вдоль волоконно-оптической линии обусловливает зависимость неопределенности измерений от расстояния. Рис. 6 дает наглядное представление о характере такой зависимости. Изображенная оценка получена методом скользящего среднеквадратического отклонения по 500 отсчетам, что соответствует пространственной протяженности 510 м. Входными выступают данные рис. 4, а также результаты, полученные аналогичным образом с помощью модифицированной версии экспериментальной установки.

Рис. 6.

Оценка стандартной неопределенности измерений деформации вдоль волоконно-оптической линии для экспериментальной установки с пространственным разрешением: 1 – 2.6 м; 2 – порядка 1 м. Разрывы соответствуют местоположению ЭВ₁ и ЭВ₂.

Модификация состояла в уменьшении длительности импульса СЛД до 10.5 нс, замене ФП на более быстродействующий модуль с полосой 50 МГц и укорочении ЭВ₂ до 1.75 м с целью достижения лучшего пространственного разрешения (порядка 1 м) при неизменном времени единичного измерения и схожих метрологических характеристиках. Ценой стало уменьшение дальности действия на 10 км (была исключена Б₃).

Полученные характеристики показывают преимущества датчиков данного типа в сравнении с BOTDR, а также говорят о перспективности их применения для мониторинга объектов инфраструктуры, имеющих значительную протяженность.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование рамановского усиления излучения в совокупности с усилением за счет встроенных в линию сегментов волокна, легированного эрбием, позволило проводить измерения деформации на расстояниях до 85 км в диапазоне 500 мкм · м^–1, что эквивалентно 56°С при пересчете в единицы температуры (коэффициент пересчета равен 9 (мкм · м^–1) · °C^–1, как следует из приведенных выше коэффициентов чувствительности). При времени единичного измерения 10 мин и пространственном разрешении 2.6 м стандартная неопределенность измерений деформации составила 3.8 мкм · м^–1, температуры – 0.42°C. Схожие точностные показатели достигаются и при пространственном разрешении порядка 1 м, однако дальность действия снижается до 75 км.