Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 40-44

В последнее десятилетие активно развивались системы оптической когерентной рефлектометрии, специализированные для применений в системах акустического мониторинга, таких как охрана специальных объектов, нефте- и газопроводов, железнодорожного полотна и т.д. [1–3]. Основанная на эффектах обратного рэлеевского рассеяния в оптических волокнах, такая система использует в качестве задающего генератора стабилизированный лазерный излучатель высокой когерентности, обеспечивающий ширину линии генерации в несколько килогерц и дрейф частоты менее ~10 МГц/мин [4, 5].

Стандартные полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью не соответствуют необходимым требованиям когерентности, так как типичная ширина их линии генерации составляет несколько мегагерц. Однако спектральные характеристики полупроводникового лазера могут быть значительно улучшены в оптической конфигурации, обеспечивающей захват лазером частоты внешнего волоконного резонатора [6–10]. При этом ширина линии генерации полупроводникового лазера может быть сужена на несколько порядков (до нескольких килогерц), а стабильность частоты генерации в режиме захвата частоты определяется стабильностью резонансной частоты внешнего резонатора.

Описанный эффект открывает перспективы создания доступных когерентных рефлектометров для широкого класса новых применений [11, 12]. В эксперименте [13] нами была оценена способность когерентного рефлектометра на основе полупроводникового лазера с захватом частоты обнаруживать и локализовать акустические возмущения в тестовой волоконной линии длиной 4.5 км. Было показано, что эффективность (соотношение сигнал/шум) обнаружения источника вибрации и точность его локализации в этом случае не хуже, чем в случае использования дорогостоящего штатного задающего генератора.

В данной статье приведены результаты новых экспериментов [14] по изучению особенностей использования полупроводникового лазера с захватом частоты в системе когерентного рефлектометра. Изучена способность системы восстанавливать частотный спектр возмущений, получена количественная оценка отношения сигнал/шум для распределенных измерений частоты вибрации на длине 4000 м в диапазоне частот 350–5600 Гц.

Для сравнения те же измерения, на том же рефлектометре и в тех же условиях возбуждения возмущений были проведены с использованием коммерческого волоконного лазера, обладающего сверхузкой линией генерации (~100 Гц). Это позволило определить предельные параметры системы, обусловленные использованием полупроводникового лазера с захватом частоты.

Экспериментальная конфигурация распределенного датчика вибраций на основе когерентного рефлектометра показана на рис. 1. Сенсорная волоконная линия (SMF28, Corning Inc.) длиной L₀ = 4 км опрашивается импульсными сигналами с пиковой мощностью ~ 100 мВт и длительностью ~100 нс (пространственное разрешение ~10 м). Импульсы с частотой повторения f₀ формируются акустооптическим модулятором (АОМ) из излучения узкополосного задающего генератора, усиленного эрбиевым усилителем (ЭрУ). Полосовой фильтр 2 ГГц (ПФ) используется для подавления шумов от спонтанной люминесценции.

Рис. 1.

Экспериментальная установка для распределенного изменения спектра вибраций с использованием полупроводникового или коммерческого волоконного лазера. ПП-лазер – полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, АОМ – акустооптический модулятор, ЭрУ – эрбиевый волоконный усилитель, ПФ – полосовой фильтр, Ц – циркулятор.

Сенсорное волокно подвергалось вибрациям, возбуждаемых в точке 1800 м пьезопреобразователем и в точке 3500 м шейкером. В частности, для дистанционного измерения спектра вибраций волокно в точке 3500 м было пропущено через пластиковую трубку длиной 2 м, а вибрации в волокно передавались от вибратора (шейкера), примыкающего к трубке. Исследования проводились при частоте вибраций 350, 500, 1200, 3700 и 5600 Гц.

В качестве задающего генератора в эксперименте использовались два оптических источника. Первый – это обычный полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, специализированный для телекоммуникационных приложений. В свободном режиме лазер вырабатывает излучение на длине волны ~1548.5 нм с выходной мощностью ~7.4 мВт и шириной линии генерации ~1 МГц.

Для принудительной работы лазера в режиме захвата частоты волоконный выход лазера через линию обратной связи, содержащую оптический циркулятор и кольцевой волоконный фильтр [15, 16], сваренный из двух волоконных ответвителей на основе оптического волокна с сохранением поляризации общей длиной 3.75 м, замкнут сам на себя. В режиме захвата частоты происходит резкое сужение ширины линии генерации и самостабилизация частоты лазера с генерацией одной продольной моды в полосе менее ~6 кГц [9].

Использование волоконно-оптических компонентов с сохранением поляризации позволяет избежать скачкообразного изменения состояния поляризации лазера, что является основным источником нестабильности [17], приводящей к срыву генерации лазера в режиме захвата частоты. Для поддержания работы лазера в режиме самозахвата частоты внешнего резонатора ток лазерного диода 50 мА (пороговый ток 10 мА) и рабочая температура 25°C лазерной конфигурации были экспериментально подобраны для достижения наилучшего результата и стабилизированы с точностью ~0.3% [18].

Для защиты лазера от внешних возмущений вся лазерная система была помещена в полиуретановую термо- и шумоизолирующую коробку. В этих условиях дрейф частоты лазера в основном определялся температурной стабильностью внешнего кольцевого резонатора и, по оценкам, составлял менее ~30 МГц/мин. Продолжительность непрерывной работы лазера в режиме самозахвата частоты (между событиями перескока мод) – до ~30 мин.

Второй лазер, использованный в эксперименте в качестве эталонного задающего генератора, – коммерческий волоконный лазер (Koheras Adjustik, NKT Photonics), работающий на длине волны ~1552.5 нм с выходной мощностью ~40 мВт и шириной линии ~100 Гц. Согласно спецификации лазер имеет дрейф частоты ~1 МГц/мин.

В процессе опроса сенсорного волокна каждый пробный импульс, вводимый в волокно, генерирует сигнал обратного рассеяния, который отцифровывается быстрым фотоприемником с помощью цифрового преобразователя. Исходная рефлектограмма состоит из M = 8000 точек, соответствующих равномерному распределению по длине волокна, т.е. разрешение выборки составляет ~0.5 м. Для анализа вибраций используется N = 932 последовательно записанных рефлектограмм, образующих сигнальную матрицу $N \times M$ $\{ {{s}_{{nm}}}\} $.

При ее обработке каждый матричный элемент ${{s}_{{nm}}}$ усредняется по 20 ближайшим элементам строки (т.е. в пространственном домене): ${{\tilde {s}}_{{nm}}}$ = = $\frac{1}{w}\sum\nolimits_{k = m - {{(w - 1)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(w - 1)} 2}} \right. \kern-0em} 2}}^{m + {{(w - 1)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(w - 1)} 2}} \right. \kern-0em} 2}} {{{s}_{{nk}}}} $, где w = 21. Эта процедура сглаживает записанные рефлектограммы, т.е. отфильтровывает шум сигнала вне пространственного спектра, соответствующего разрешению ~10 м. Дальнейшая обработка сигналов применялась к столбцам матрицы (т.е. к временной области): применение алгоритма с движущимся дифференциалом [13, 14] позволяет уменьшить шумовой фон и приводит к результирующему сигналу, приведенному на рис. 2, с ярко выраженными пиками в позициях приложенных возмущений.

Рис. 2.

Примеры рефлектограмм, полученных с помощью полупроводникового (а) и коммерческого волоконного лазера (б). Пики на рефлектограммах показывают локализацию точек приложения вибраций.

Спектральная функция $U({{f}_{k}},{{x}_{m}})$ = $FFT({{\tilde {s}}_{{nm}}}$, m, k) частот ${{f}_{k}} = {{f}_{0}}(k - 1){\text{/}}(N - 1)$ описывает спектр колебаний в точке волокна ${{x}_{m}} = {{L}_{0}}(m - 1){\text{/}}(M - 1)$, который получается из $\{ {{\tilde {s}}_{{nm}}}\} $ быстрым преобразованием Фурье по индексу $n$.

На рис. 3 показан спектр $U({{f}_{k}},{{x}_{m}})$, зарегистрированный для частоты колебаний ~500 Гц в точке ${{x}_{m}}\sim 3500m$, полученный с помощью полупроводникового (рис. 3a) и коммерческого лазера (рис. 3б). Для уменьшения флуктуаций в отклике [19] (связанных со стохастическими флуктуациями ширины пика и уровня фона) для каждой частоты было выполнено несколько (5–10) измерений, и представленные значения отношения сигнал/шум – это усредненные значения для каждой частоты.

Рис. 3.

Спектр частот вибрации при частоте воздействия 500 Гц от вибраций, записанных в точке ~3500 м при использовании полупроводникового лазера с захватом частоты внешнего резонатора (а) и коммерческого волоконного лазера (б).

Для конфигурации с полупроводниковым лазером (рис. 3а) пик спектра превышает максимальный уровень шума примерно в 10 раз, обеспечивая надежное распознавание приложенной частоты колебаний. Отношение сигнал/шум, определяемое как отношение между пиковым значением спектра и среднеквадратичным уровнем спектрального шума, оценивается как ~9.4 дБ. Для конфигурации с коммерческим лазером (рис. 3б) эти значения почти такие же, ~9 раз и 9.0 дБ соответственно.

Зависимость отношения сигнал/шум от частоты колебаний показана на рис. 4. Видно, что отношение сигнал/шум плавно увеличивается с увеличением частоты вибрации. Это может быть объяснено сужением пика спектра, восстановленного с помощью быстрого преобразования Фурье, при увеличении числа периодов колебаний за фиксированное время измерений. На низких частотах вибрации обе конфигурации имеют одинаковые отношения сигнал/шум. Для более высоких частот чуть меньшие значения отношения сигнал/шум получаются с полупроводниковым лазером (рис. 4а) из-за более быстрого дрейфа его частоты, а при частоте колебаний 5600 Гц разность значений для двух конфигураций составляет ~10%. Во всем диапазоне частот вибрации ≥500 Гц значения отношения сигнал/шум в обоих случаях превышает ~8 дБ.

Рис. 4.

Значение отношения сигнал/шум как функция частоты от вибраций, записанных в точке ~3500 м при использовании полупроводникового лазера с захватом частоты внешнего резонатора (а) и коммерческого волоконного лазера (б).

Таким образом, нами количественно обосновано использование обычного телекоммуникационного полупроводникового лазера в режиме захвата частоты внешнего резонатора для работы в качестве задающего генератора когерентного рефлектометра, специализированного для распределенного детектирования вибраций. Полученные значения отношения сигнал/шум подтверждают способность системы выполнять распределенное измерение частот вибрации в диапазоне 500–5600 Гц с пространственным разрешением ~10 м.