2023

Оптический частотный рефлектометр на основе самосканирующего волоконного лазера для измерения рассеяния Релея

Работа систем, использующих когерентную оптическую частотную рефлектометрию (КОЧР), основана на анализе интерференции сигнала, идущего по опорному плечу, и сигнала, рассеянного/отраженного в тестовой линии. В данном подходе измеряется зависимость сигнала интерференции от частоты источника излучения, а затем вычисляется рефлектограмма с помощью преобразования Фурье. Рефлектограмма представляет распределение амплитуды рассеяния по длине. В подходе КОЧР определяющими являются свойства источника излучения, поскольку пространственное разрешение определяется диапазоном перестройки источника, а максимальная длина тестовой линии – скачком частоты при перестройке. Источники, способные обеспечить перестройку в большом диапазоне с малым шагом, являются весьма дорогостоящими и сложными. По этой причине, мы предложили создать рефлектометр на базе недорогих самосканирующих лазеров (ССЛ), обладающий простой конструкцией, для задач КОЧР [1]. На этом пути нам удалось достичь значительных результатов: возможность измерений с разрешением до 200 мкм [1], включая распределенные измерения температуры [2]. Кроме того, нами была показана возможность регистрации в тестовой линии как сильно отражающих элементов (ВБР, сколы волокна и др.) [3], так и слабоотражающих – неоднородности показателя преломления (по рассеянию Рэлея). Для измерения последних требуется иметь высокую чувствительность системы (>-100 дБ/мм). Одним из путей увеличения чувствительности является оптимизация параметров интерферометра Маха-Цандера (ИМЦ), используемого в схеме КОЧР, и увеличение чувствительности фотодетекторов [4]. Недостатком этого подхода является искажение формы сигналов регистрируемых импульсов с ростом усиления.
Альтернативным подходом может быть использование оптических усилителей для слабого сигнала интерференции на выходе ИМЦ вместо электрических усилителей для фотодетекторов. В качестве источника перестраиваемого излучения мы по-прежнему использовали ССЛ. Классические ССЛ генерируют последовательность микросекундных импульсов, соответствующих одной продольной моде резонатора, оптическая частота которых изменяется от одного импульса к другому ступенчатым образом. Однако, импульсный характер излучения и использование оптического усилителя накладывают свои требования к обработке сигнала. Для извлечения амплитудной огибающей интерференционного сигнала, несущей в себе информацию о положении и интенсивности отражателей в исследуемой линии, проводится процедура поимпульсной нормировки сигналов, аналогично работе [2]. Также, из сигнала интерференции необходимо вычесть подложку, соответствующую спонтанному излучению, идущему из оптического усилителя. В результате обработки извлекалась зависимость нормированной амплитуды импульса от его номера (частоты). Применение преобразования Фурье к нормированному интерференционному сигналу позволяло вычислить рефлектограмму тестовой линии.
Тестируемая линия была образована отрезком волокна с сохранением поляризации длиной ~1.8 метра, за которым для подавления френелевского отражения от конца линии был привален отрезок бессердцевинного волокна длиной 1.5 метра. В экспериментах измерялись рефлектограммы при различной величине накачки усилителя (см. Рис. 1). Начало и конец тестовой линии соответствуют пикам с координатами 2.6 и 4.4 м соответственно. Данные на рефлектограмме на больших координатах (>4.4 м) соответствуют уровню шумов. Из рисунка видно, что постепенное увеличение мощности накачки оптического усилителя приводит к увеличению на 15 дБ разности между сигналом рассеяния Рэлея в тестируемой линии и уровнем шумов. При этом наблюдается оптимальная мощность накачки усилителя (1.6 Вт), выше которой амплитуда шумов практически не уменьшается [5].