Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 3

Сравнительно анализу именно этих систем будет посвящена данная глава 1;1.1. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна Эффект рассеяния Мандельштама-Бриллюэна- это процесс нелинейного рассеяния, при котором свет рассеивается на акустической колебательной моде, приобретая сдвиг по частоте, соответствующий частоте этой моды ~4, с.2571. Рассеяние возникает за счет модуляции показателя преломления среды при распространении в ней звуковой волны, Процесс бриллюэновского рассеяния можно рассматривать как рассеяние на движущейся дифракционной решетке, описываемой законом Брэгга, образованной звуковой волной. Воспользуемся этим допущением для нахождения зависимости сдвига частоты.

Условие брэгговского отражения первого порядка определяется соотношением ~5, с.15б1: 21~.ял(~р/2)=Х;, (1.1) где Я; длина волны в среде для падающего пучка, а Я»- длина акустической волны или постоянная решетки, р- угол между падающей и отраженной волной. При отражении света от движущейся решетки, за счет эффекта Доплера его частота смещается в соответствии с выражением: ч;Ь,=1- 2 К,/(с/и), (1,2) где в'; — частота падающего излучения, ь',- частота рассеянного излучения, Р„- скорость распространения акустической волны (Р,'=5,96 км/с), и- показатель преломления среды, а с- скорость света.

Сдвиг частоты определяется из соотношения: ~в=чу,=2 ~гп ~'„яп(ф2)IХ (1.3) Как видно из выражения (1.3) максимальный частотный сдвиг имеет место при рассеянии назад, т. е. при у=к. В общем случае акустические волны могут распространяться в среде во всех направлениях. Однако в одномодовом оптическом волокне из-за особенностей распространения излучения (поддерживается только осевая мода) продольными акустическими волнами можно пренебречь. Поэтому в дальнейшем мы будем считать, что возможны только поперечные волны, В результате, возможны только два направления распространения — прямое, совпадающее с направлением распространения излучения и обратное.

Скорость и направление распространения акустической волны зависят от внутреннего состояния среды и, поэтому в каждом участке волокна они 14 различны. Измеряя величину частотного сдвига, используя (1.3), можно судить о скорости распространения акустической волны, а, следовательно, и о внутреннем состоянии структуры волокна, которое определяется его температурой и внутренним механическим напряжением. Таким образом, используя эффект спонтанного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, можно создать распределенный датчик деформаций и температуры. При спонтанном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна частоты обеих рассеянных волн (стоксовой и антистоксовой) отличаются от частоты излучения накачки на величину частоты акустической волны ч,, Частота акустической волны является функцией температуры и механического Соответствующие температурные и механические коэффициенты, определяющие зависимость сдвига частоты акустической волны от температуры волоконного светов ода (У) и относительно механической деформации световода (Б), определяются выражениями 1б) д 2 д д К = — ч = — (У вЂ” и+и- — У,) дТ ' Л 'дТ дТ НВК (1,4) д 2 д д К = — ч = — (У вЂ” и+и — У), да ' Л 'да да нзк Ф ,где Я„,„ — длина волны накачки, Ч;скорость акустической волны, п- (1.5) показатель преломления, ~„- частота акустической волны.

Указанные зависимости используются при создании рассматриваемого типа ВлкнОптчОЭИзмС. Так, для длины волны накачки Я„„„.=1550 нм для типового одномодового волокна Кг=1,18 МГц/'С и К,=580 МГц/',4 Щ. Распределенные ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна могут быть основаны на рефлектометрическом принципе или на принципе измерения коэффициента усиления. Далее анализируются ВлкнОптчОЭИзмС обоих типов, получивших наибольшее распространение на практике, с целью выработки рекомендаций по Ф напряжения в волокне.

Любые изменения температуры или механического напряжения будут влиять на изменение частоты акустической волны. построению ВлкнОптчОЭИзмС с эксплуатационной и технической точек зрения. 1.1.2. Анализ метода бриллюэновской рефлектометрии Структурная схема бриллюэновского рефлектометра, представлена на рис,1.1 Рис. 1.1. Структурная схема бриллюэновского рефлектометра Излучение от одночастотного непрерывного лазера поступает в опорную и измерительную ветви. В измерительной ветви, оно модулируется по интенсивности импульсным методом и поступает в измерительное волокно, где бриллюэновская составляющая приобретает сдвиг частоты примерно 11 ГГц, величина которого пропорциональна механическому напряжению и температуре оптического волокна.

Конечно, помимо традиционной рэллеевской составляющей в сигнале присутствуют еще и ° составляющие рассеяний Рэлея и Рамана, а также составляющая рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Однако интенсивность спонтанного рамановского рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностями рассеяний Мандельштама-Бриллюэна и Рэлея. Сигнал на выходе гетер один ного приемника после фильтрации постоянной составляющей, можно записать в следующем виде: ~(1) — 2Е (1) Е,(1) сов[2 к(н (1)) С+(ср, -ср,(1)Д+ +2Е,(й) Е„(й) софр„-ср,(й)3+2Е,(1) Е,(1) соя[2 и(~,(С)) Ц где Е6(1)-амплитуда рассеянного бриллюэновского излучения, Е„(1)- амплитуда гетеродина, Еф)-амплитуда рассеянного рэлеевского излучения, 16 ч~- бриллюэновский сдвиг частоты, ~р„,уб, ~рр - фаза гетеродинного излучения, рассеянного бриллюэновского излучения, рассеянного рэллевского излучения, соответственно.

Если при помощи электрического фильтра отфильтровать низкие частоты, и, кроме того, учесть то, что Е„(1)»Ег(1) то сигнал можно будет представить в следующем виде: 2(1) ж2Е,(1) Е„(1) соя(2 22(ъ (1)) С+(ср„-ср (1)) (1.7) Отношение сигнал/шум при гетеродинном методе детектирования можно определить из следующего выражения (71: М2.П'2.К.ф,ф (1.8) 2 4.К.Т М+2 М с К.М.(1,+1ф+1„+1,) где М- внутренний коэффициент усиления, .0- обнаружительная способность ФПУ, Я-сопротивление нагрузки ФПУ, Ф; поток сигнального излучения, Ф,— поток гетеродина, Ь постоянная Больцмана, ф-' полоса частот, 1; сила тока на ФПУ, вызванная сигнальным излучением, 1~- сила тока на ФПУ обусловленная фоновым излучением, 1,- сила тока на ФПУ, обусловленная излучением гетеродина, 1 — темновой ток ФПУ, Из выражения (1.8) следует„что для повышения отношения сигнал/шум необходимо уменьшать полосу частот, и повышать уровень мощности, вводимой в оптическое волокно.

Однако при высоких уровнях оптической мощности, вводимой в оптическое волокно, в результате действия сил Ф электрострикциивозникаетакустическая волна, котораятоже когерентна. В результате в среде появляются периодические изменения показателя преломления, и эффективность рассеяния резко возрастает и наблюдается эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). При возникновении ВРМБ волокно уже не может быть использовано как чувствительный элемент, так как параметры возникшей периодической структуры, фактически не зависят от внешних факторов (температуры и деформации ОВ).

ВРМБ наблюдается только тогда, когда плотность мощности излучения превышает некоторый пороговый уровень. Рост усиления стоксовой волны (волны бриллюэновского рассеянного излучения) характеризуется коэффициентом усиления при ВРМБ дЯ, максимальным при ~ив. Спектр усиления зависит от времени затухания акустической волны или временем жизни фонона Т/, и имеет лоренцову форму(8); (У У)+(2) (1.9) где 1гд- ширина спектра на полувысоте, связанная с временем жизни фонона ~в=()г.Т~) . Максимальный коэффициент ВРМБ усиления при 1 — ьд определяется выражением (8): 2 к и' (р„)' с.Х~.р,.Ч,.~Ь, (1.10) где рд- продольный акустооптический коэффициент, ро - плотность материала и Я вЂ” длина волны накачки, УА- скорость акустической волны в материале. Однако, с учетом обратной зависимости ~б от Я величина Ауд должна быть пропорциональна Хр .

Поэтому коэффициент ВРМБ почти не зависит от длины волны накачки. Для волокон из плавленого кварца типичное значение яб= 5 10 " м/Вт. где А,ф — эффективная площадь моды, а Ь,ф- эффективная длина взаимодействия определяемая как Ь,ф=(1/а) 11-ехр(-а.Х.)Д (Т; длина волокна для непрерывного излучения и длина импульса для импульсного, акозффициент потерь ОВ (5 10 7 ем ')), Коэффициент к равен 20...40, причем его величина зависит от точного значения ширины спектра ВРМБ усиления 181.