[go: up one dir, main page]

RU2624827C1 - 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
RU2624827C1
RU2624827C1 RU2016130623A RU2016130623A RU2624827C1 RU 2624827 C1 RU2624827 C1 RU 2624827C1 RU 2016130623 A RU2016130623 A RU 2016130623A RU 2016130623 A RU2016130623 A RU 2016130623A RU 2624827 C1 RU2624827 C1 RU 2624827C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
input
frequency
optical fiber
optical
Prior art date
Application number
RU2016130623A
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 RU2016130623A priority Critical patent/RU2624827C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624827C1 publication Critical patent/RU2624827C1/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

Landscapes

  • Optical Transform (AREA)

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. The backscattering signal coming back from the tested optical fiber is fed to the other balanced photodetector input. The measurements are performed at two orthogonal polarization states of the supporting optical signal. The electric signal from the balanced photodetector output is fed to one input of the mixer, the radio-frequency signal is fed to its other input. The low-frequency beat signal is extracted from the complex signal at the mixer output and fed to the control and processing unit input, where the measurement results are stored for each step at each frequency value. Then the polarization state of one polarization supporting optical signal is changed to orthogonal and the measurements are repeated. 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 бриллюэновских 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 Brillouin 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). Для работы ВРМБ усилителя необходимо непрерывное излучение лазера с мощностью порядка нескольких десятков или даже сотен мВТ со спектральной полосой менее 100 МГц. Кроме того, требуется два лазера с высокой точностью согласования их частот, причем как минимум один из них должен быть перестраиваемым. Такие требования приводят к значительному увеличению потребляемой энергии и удорожанию реализации методов, что ограничивает область их 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). For the operation of the SBS amplifier, continuous laser radiation with a power of the order of several tens or even hundreds of mW with a spectral band of less than 100 MHz is necessary. In addition, two lasers with high accuracy in matching their frequencies are required, and at least one of them must be tunable. Such requirements lead to a significant increase in energy consumption and the cost of implementing methods, which limits 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 обратно 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 coming back from the tested optical fiber to the output of the balanced photodetector is fed to the other input of the balanced receiver 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, hour the microwave modulating 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 processing results of the measurement data, the distribution of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift along the length of the optical fiber is obtained by determining the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift as the modulating frequency microwave signal, in which the sum of the beat signals 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 обратно из испытуемого оптического волокна, причем измерения выполняют при двух ортогональных состояниях поляризации опорного оптического сигнала, при этом, чтобы сформировать опорный оптический сигнал, вторую часть непрерывного оптического излучения задающего лазера вводят в опорное оптическое волокно, из сигнала обратного рассеяния, поступающего обратно из опорного оптического волокна, с помощью оптического фильтра выделяют сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, из которого выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, электрический сигнал с выхода балансного фотоприемника подают на один вход смесителя, на другой вход которого подают радиочастотный сигнал, частоту которого изменяют в диапазоне до нескольких сот мегагерц с шагом менее 100 МГц, из комплексного сигнала на выходе смесителя выделяют низкочастотный сигнал биений, подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают для каждого шага при каждом значении частоты, затем изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, после чего 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 радиочастотного сигнала, при которой 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 scattering coming back from the test optical fiber, the measurements being carried out at two orthogonal polarization states of the reference optical signal, 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 back Mandelstam-Brillouin backscattering signal is extracted from the reference optical fiber using an optical filter, from which the component with one of the two orthogonal polarization states set by the switchable polarizer, the electric signal from the output of the balanced photodetector is fed to one input of the mixer, to the other input of which there is a radio frequency signal whose frequency is changed in the range of up to several hundred megahertz in steps of less than 100 MHz, from the complex signal at the mixer output, a low-frequency beat signal is isolated, fed to the input of the control and processing unit, where the measurement results are stored for each step at each frequency value, they change the polarization state of the reference optical signal of one polarization to orthogonal and repeat the measurements, after which 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 stresses and the frequency of the radio frequency signal at which the value of the sum of the amplitudes of the beat signals at the input of the control and processing unit, measured at two orthogonal states x reference signal exceeds a predetermined threshold value.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.Figure 1 presents the 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, 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, переключаемый поляризатор 11, балансный фотоприемник 12, смеситель 13, генератор радиочастот 14, фильтр нижних частот 15, блок управления и обработки 16.The device contains a master narrow-band laser of continuous optical radiation 1, an optical splitter 2, a pulse generator 3, an 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 , switchable polarizer 11, balanced photodetector 12, mixer 13, radio frequency generator 14, low-pass filter 15, control and processing unit 16.

Выход задающего узкополосного лазера непрерывного оптического излучения 1 соединен со входом оптического разветвителя 2, первый выход которого подключен к оптическому входу электрооптического модулятора 4, а второй - к первому входу второго оптического циркулятора 8. Электрический вход электрооптического модулятора 4 соединен с выходом генератора импульсов 3, а выход 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 переключаемого поляризатора 11. Выход переключаемого поляризатора 11 подключен к одному входу балансного фотоприемника 12, к другому входу которого подключен третий вход первого оптического циркулятора 6. Выход балансного фотоприемника 12 соединен с первым входом смесителя 13, ко второму входу которого подключен выход генератора радиочастот 14, а выход смесителя 13 соединен со входом фильтра нижних частот 15, выход которого соединен со входом блока управления и обработки 16. При этом первый выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления генератора импульсов 3, второй выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления переключаемого поляризатора 11, а третий выход управления блока управления и обработки 16 соединен со входом управления генератора радиочастот 14.The output of the master 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 electro-optical modulator 4, and the second to the first input of the second optical circulator 8. The electrical input of the electro-optical modulator 4 is connected to the output of the pulse generator 3, and the output of the 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 circulator 5, to the second whose test optical fiber 6 is connected 6. 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 switched polarizer 11. The output of the switched polarizer 11 connected to one input of the balanced photodetector 12, to the other input of which a third input of the first optical circulator 6 is connected. The output of the balanced photodetector 12 is connected to the first input mixer 13, to the second input of which the output of the radio frequency generator 14 is connected, and the output of the mixer 13 is connected to the input of the low-pass filter 15, the output of which is connected to the input of the control and processing unit 16. In this case, the first control output of the control and processing unit 16 is connected to the control input pulse generator 3, the second control output of the control and processing unit 16 is connected to the control input of the switchable polarizer 11, and the third control output of the control and processing unit 16 is connected to the control input of the generator and radio frequencies 14.

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 электрооптического модулятора 4, на электрический вход которого поступает последовательность импульсов от генератора импульсов 3, которая модулирует оптическое излучение. В результате на выходе электрооптического модулятора 4 формируется последовательность оптических импульсов, которая усиливается в 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 переключаемого поляризатора 11. Переключаемый поляризатора 11 выделяет из него компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором 11 ортогональных состояний поляризации. Эта компонента - опорный оптический сигнал одной поляризации. Этот опорный оптический сигнал одной поляризации поступает на один вход балансного фотоприемника 12, на другой вход которого через первый оптический циркулятор 6 поступает сигнал обратного рассеяния из испытуемого оптического волокна 7. Электрический сигнал с выхода балансного фотоприемника поступает на один вход смесителя 13, на другой вход которого от генератора радиочастот 14 поступает радиочастотный сигнал. Фильтр нижних частот 15 выделяет из комплексного сигнала на выходе смесителя 13 низкочастотный сигнал биений, который затем поступает на вход блока управления и обработки 16. Блок управления и обработки 16 запоминает этот сигнал.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 electro-optical modulator 4, the electrical input of which is a pulse train from the pulse generator 3, which modulates the optical radiation. As a result, at the output of the electro-optical modulator 4, a sequence of optical pulses is formed, which is amplified in the 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 master 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 of the return p coming from the reference optical fiber 9 scattering 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 output of the optical filter 10 from the total backscattering signal arrives at the input of the switched polarizer 11. The switched polarizer 11 extracts from it a component with one of two orthogonal polarization states set by the switched polarizer 11. 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 12, the other input of which through the first optical circulator 6 receives the backscattering signal from the test optical fiber 7. The electrical signal from the output of the balanced photodetector is fed to one input of the mixer 13, to the other input of which from the radio frequency generator 14 receives a radio frequency signal. The low-pass filter 15 extracts from the complex signal at the output of the mixer 13 a low-frequency beat signal, which is then fed to the input of the control and processing unit 16. The control and processing unit 16 stores this signal.

Из испытуемого оптического волокна 7 на балансный фотоприемник 12 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 частотой ω0±ΔωВ, где ΔωВ - сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Собственно сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна можно рассматривать как сумму ΔωВ=ΔωВ0+ΔωВР, где сдвиг ΔωВ0 - 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+ΔωВР). Частота опорного оптического сигнала равна ω0±ΔωВ0. Соответственно, на выходе балансного приемника формируется электрический сигнал с частотой, равной ΔωВР. На выходе смесителя формируется комплексный сигнал, включающий компоненты с частотами ΔωВР±ωRF. При условии приближенного равенства ΔωВР≈ωRF на выходе фильтра нижних частот 15 имеют место низкочастотные биения. По наличию сигнала биений, поступающего на вход блока управления и обработки 16, 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 радиочастотного сигнала, при котором значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки 16, измеренных при двух ортогональных состояниях опорного сигнала, превышает заданное пороговое значение.From the tested optical fiber 7 to the balanced photodetector 12, a backscattering signal is received from the tested optical fiber, which includes the Rayleigh component with the frequency ω 0 of the optical carrier of the master narrow-band laser of continuous optical radiation 1 and the Stokes and anti-Stokes components with the frequency ω 0 ± Δω V , where Δω B is the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin scattering. Actually, the 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 influences, and the frequency shift Δω BP is the changes due to proper thermal and mechanical effects. Hence the frequency of the Stokes and anti-Stokes components in the optical fiber under test is 7 ω 0 ± (Δω B0 + Δω BP ). The frequency of the reference optical signal is equal to ω 0 ± Δω B0 . Accordingly, an electric signal with a frequency equal to Δω BP is formed at the output of the balanced receiver. At the output of the mixer, a complex signal is formed, including components with frequencies Δω BP ± ω RF . Under the condition of approximate equality Δω BP ≈ω RF, low-frequency beats occur at the output of the low-pass filter 15. By the presence of a beating signal input to the control and processing unit 16, the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift is determined as the value of the sum of the Mandelstam-Brillouin scattering frequency shift in the optical fiber in the absence of thermal and mechanical effects and the frequency of the radio frequency signal, at which the value of the sum of the signal amplitudes beats at the input of the control and processing unit 16, measured at two orthogonal states of the reference signal, exceeds a predetermined threshold value.

Частота модулирующего сигнала генератора радиочастот 14 изменяется с шагом менее 100 МГц в диапазоне до нескольких сотен мегагерц. Результаты измерений сигналов, поступающих на вход блока управления и обработки 16, запоминаются 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 11 в зависимости от сигнала управления от блока управления и обработки 16 выделяет в процессе измерений по очереди компоненты с одним из двух ортогональных состояний поляризации. Результаты измерений для каждого из двух состояний поляризации опорного оптического сигнала запоминаются в блоке управления и обработки 16. Управление генератором импульсов 3, переключаемым поляризатором 11, и генератором радиочастот 14 от блока управления и обработки 16 обеспечивает синхронизацию работы устройства. Сдвиг частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна определяется по результатам обработки данных измерений при изменении частоты генератора радиочастот 14 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 радиочастотного сигнала, при которой значение суммы амплитуд сигналов биений на входе блока управления и обработки 16, 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 frequency of the modulating signal of the radio frequency generator 14 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 16 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 11, depending on the control signal from the control and processing unit 16, selects components with one of two orthogonal polarization states in the measurement process in turn. The measurement results for each of the two polarization states of the reference optical signal are stored in the control and processing unit 16. The control of the pulse generator 3, switchable polarizer 11, and the radio frequency generator 14 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 14 and the polarization state of the reference optical signal of one polarization change as 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 radio frequency signal, where the value of the sum of the amplitudes of the beat signals at the input of the control and processing unit 16, measured at two orthogonal states 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.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

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. 271-2747. 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 обратно из испытуемого оптического волокна, причем измерения выполняют при двух ортогональных состояниях поляризации опорного оптического сигнала, 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 обратно из опорного оптического волокна, с помощью оптического фильтра выделяют сигнал обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, из которого выделяют компоненту с одним из двух устанавливаемых переключаемым поляризатором ортогональных состояний поляризации, электрический сигнал с выхода балансного фотоприемника подают на один вход смесителя, на другой вход которого подают радиочастотный сигнал, частоту которого изменяют в диапазоне до нескольких сот мегагерц с шагом менее 100 МГц, из комплексного сигнала на выходе смесителя выделяют низкочастотный сигнал биений, подают на вход блока управления и обработки, где результаты измерений запоминают для каждого шага при каждом значении частоты, затем изменяют состояние поляризации опорного оптического сигнала одной поляризации на ортогональное и повторяют измерения, после чего 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 радиочастотного сигнала, при которой 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 fed back from the test optical fiber, and the measurements are performed at two orthogonal polarization states of the reference optical signal, 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 back from the reference optical fibers, using an optical filter emit a Mandelstam-Brillouin backscattering signal, from which a component with one of two is set x switchable polarizer of orthogonal polarization states, the electrical signal from the output of the balanced photodetector is fed to one input of the mixer, the other input of which is supplied with a radio frequency signal, the frequency of which is changed in the range up to several hundred megahertz in steps of less than 100 MHz, a low-frequency signal is isolated from the complex signal at the output of the mixer the beat signal is fed to the input of the control and processing unit, where the measurement results are stored for each step at each frequency value, then the polarization state is changed and reference optical signal of the same polarization to orthogonal and repeat the measurements, after which 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 thermal and mechanical effects and the frequency of the radio frequency signal, at which the value of the sum of the amplitudes of the beat signals at the input of the control and processing unit, measured at two orthogonal states of the reference signal, exceeds 3 this threshold.
RU2016130623A 2016-07-25 2016-07-25 Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length RU2624827C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016130623A RU2624827C1 (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
RU2016130623A RU2624827C1 (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
RU2624827C1 true RU2624827C1 (en) 2017-07-07

Family

ID=59312710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016130623A RU2624827C1 (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) RU2624827C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN102607631A (en) * 2012-02-21 2012-07-25 南京大学（苏州）高新技术研究院 Method for precisely estimating signal to noise ratio of EOM (Electro-Optic Modulator) pulse modulated BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)
CN103604450A (en) * 2013-11-22 2014-02-26 哈尔滨理工大学 Seed injection BOTDR distributed optical fiber sensing system
RU138620U1 (en) * 2013-11-06 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Brillouin Optical Reflectometer
CN103674084A (en) * 2013-12-16 2014-03-26 华北电力大学（保定） Method for simultaneously measuring distributed type temperatures and strain
CN104655193A (en) * 2015-02-13 2015-05-27 太原理工大学 Brillouin optical coherent reflectometer based on noise modulation
RU2589492C1 (en) * 2015-05-27 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Fibre-optic device of long length with low-power source for detecting vibration action

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN102607631A (en) * 2012-02-21 2012-07-25 南京大学（苏州）高新技术研究院 Method for precisely estimating signal to noise ratio of EOM (Electro-Optic Modulator) pulse modulated BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)
RU138620U1 (en) * 2013-11-06 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Brillouin Optical Reflectometer
CN103604450A (en) * 2013-11-22 2014-02-26 哈尔滨理工大学 Seed injection BOTDR distributed optical fiber sensing system
CN103674084A (en) * 2013-12-16 2014-03-26 华北电力大学（保定） Method for simultaneously measuring distributed type temperatures and strain
CN104655193A (en) * 2015-02-13 2015-05-27 太原理工大学 Brillouin optical coherent reflectometer based on noise modulation
RU2589492C1 (en) * 2015-05-27 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Fibre-optic device of long length with low-power source for detecting vibration action

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11422060B2 (en) Brillouin and rayleigh distributed sensor
EP3376169B1 (en) Temperature or strain distribution sensor
Wang et al. High-sensitivity distributed dynamic strain sensing by combining Rayleigh and Brillouin scattering
US9983069B2 (en) Measuring apparatus and measuring method
CN100504309C (en) Brillouin Optical Time Domain Reflectometry Method Based on Fast Fourier Transform
CN104677396B (en) Dynamic distributed Brillouin optical fiber sensing device and method
CN104180833A (en) Optical time domain reflectometer simultaneously sensing temperature and stress
CN103763022B (en) A high spatial resolution optical frequency domain reflectometer system based on high-order sideband swept frequency modulation
CN102809430B (en) Device for Brillouin optical time domain reflectometer based on optical phase-locked ring
GB2442486A (en) Measuring brillouin backscatter from an optical fibre using a tracking signal
KR101889351B1 (en) Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering
Wen et al. Precise identification of wideband multiple microwave frequency based on self-heterodyne low-coherence interferometry
Zornoza et al. Brillouin distributed sensor using RF shaping of pump pulses
RU2624801C1 (en) Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length
RU2624827C1 (en) Measurement method of the brillouin scattering frequency shift on the optical fiber length
CN203617997U (en) A high spatial resolution optical frequency domain reflectometer system based on high-order sideband swept frequency modulation
Zu et al. Ultra-Broadband Microwave Frequency Measurement Based on Two-Dimensional Information Mapping via Transient Stimulated Brillouin Scattering of Chirped Optical Pulse Sequences
Wang et al. Ultrafast distributed Brillouin optical fiber sensing based on optical chirp chain
JP7533031B2 (en) Optical fiber strain measuring device and Brillouin frequency shift offset adjustment method
WO2020022921A1 (en) Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments)
RU2539849C2 (en) Method and apparatus for distributed measurement of birefringence in fibres with polarisation preservation (versions)
Loayssa et al. Distributed Vibration Sensing Based on Optical Vector Network Analysis
Yüksel et al. Optical-frequency domain reflectometry: roadmap for high-resolution distributed measurements
WO2024235799A1 (en) Device, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber
Zhong et al. Quantitative characteristic of phase signal with changed pulse in the coherent PHI-OTDR system

Legal Events

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

Effective date: 20190726