Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Его значение может возрастать в 1-2 раза в зависимости от того, сохраняет ли стоксова волна и волна накачки поляризацию в световоде или нет. Случаю полной деполяризации соответствует увеличение численного фактора в 2 раза. Если взять обычные ~р Порог мощности ВРМБ определяется выражением: Р.~,2к А,фХ„~ дв) (1.11) 18 значения параметров световодов для оптической связи на 1550 нм: а=0,2 дБ/км, А=1 км (эквивалентно длительности импульса т„=10 мкс), А,ф=50 мкм, яб= 5 10 м/Вт, то пороговая мощность будет составлять 20 мВт.
2 -11 (1.12) М=(т -т,.„) К +(е —,.„) К, где Кт=1,18 МГц/'С- зависимость сдвига частоты от температуры, и К,=580 МГц/% - зависимость бриллюэновского сдвига частоты от деформации, Для того чтобы сузить полосу сигнала, в ~91 был предложен метод, основанный на использовании системы сдвига частоты. Структурная схема рефлектометра приведена на рис. 1.2 Рис. 1.2.
Структурная схема бриллюэновского рефлектометра с применением системы сдвига частоты Это значение является достаточно большим уровнем сигнала и, соответственно„можно сделать вывод, что возникновения ВРМБ можно не опасаться при коротких длинах кабеля (менее 1 км, а также при длительностях импульса менее 10 мкс). Минимальная полоса частот, в свою очередь, ограничена эксплуатационными параметрами — необходимым диапазоном измеряемой деформации и температуры.
19 Акусто оптический (АО) модулятор 1 модул ирует непрерывное излучение в последовательность импульсов, которая затем поступает в систему сдвига частоты. Система сдвига частоты представляет собой циркулятор, в петлю которого включен волоконный эрбиевый усилитель, компенсирующий потери за один проход и акустооптический модулятор, осуществляющий сдвиг частоты за один проход на 80-85МГц (в зависимости от управляющего сигнала от ЭВМ). Необходимое количество проходов, для получения сдвига частоты ~=чц 130-135 (для длины волны 1=1,55 мкм). Электрооптический (ЭО) модулятор осуществляет селекцию с нужным рециркуляционным числом н корректирует длительность импульса.
Таким образом, появляется возможность плавно перестроить частоту в широком диапазоне и перейти к узкополосному гетеродинному приему сигнала, что позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум и увеличить динамический диапазон работы прибора. Динамический диапазон в дБ может быть оценен по формуле 19]: (1.13) где Р„- мощность оптического излучения вводимого в ОВ (в дБм), Аб=-67,5 дБ - фактор рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (определяемый из ' 1.8) Т; отношение пропущенной электрическим фильтром мощности сигнала ® к общей мощности сигнала (дБ), А; потери на разветвителе (дБ), Ф,„.,„; поток эквивалентный шуму ФПУ (дБм), р, - улучшение отношения сигнал/шум при помощи усреднения (дБ), р б -требуемое отношение сигнал/шум (дБ) для обеспечения заданной погрешности измерения мц.
Величину Т, можно определить исходя из следующего соотношения181: (1.14) где гЬ~- ширина спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, ЛГ- ширина пропускания фильтра. 20 Фактор рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (отношение мощности бриллюэновской составляющей к мощности накачки) определяется выражением 1"91: А =10 Роф~сс Я вЂ” ) (1.15) где ае - коэффициент рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (1,23 10~ м ), отношение рассеянной назад мощности излучения к общей мощности рассеянного излучения, т- длительность импульса. Величина Б может быть определена из следующего соотношения[91: 8=1'Х/п )'/1'4л А ) (1.16) Повышенное отношение сигнал/шум за счет усреднения можно рассчитать по формуле: ~.$у = 20 !Оф'~/Ф) (1.17) где М- число измерений.
Требуемое отношение сигнал/шум р 6 для обеспечения необходимой погрешности измерения сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, может быть определено в соответствии с выражением: А-1+ ехр1'-А) А'+4 А+б 2 (1.18) р =20 1од а „,' 1б где: (1,19) Лчд - ширина спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна по уровню 0,5 при непрерывной накачке (Л~е=30 МГц ). где Х-длина волны накачки, л„рд- показатель преломления сердцевины ОВ, А,ф- эффективная площадь моды (50 мии~). 21 Поток, эквивалентный шуму, при гетеродинном детектировании, можно определить из следующего выражения~91: (1.20) где т~- квантовая эффективность ФПУ(т~=0,5) Таким образом, для длительности импульса т=1мкс, ф=1 МГц, ~Мб=35 МГц, при мощности накачки +13 дБм (20 мВт), требуемой погрешности измерения сдвига частоты рассеянного излучения получится бед=1 МГц, потока эквивалентного шуму ФПУ Ф...
„=-90 дБм (1 пВт) для числа усреднений Ф=2'~. Динамический диапазон составит ~17дБ. 1.1.3. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта бриллюэновского усилении/ослаблении во временной области Альтернативным принципом построения ВлкнОптчОЭИзмС является метод, основанный на эффекте трехволнового взаимодействия. Эффект заключатся в следующем: когда две волны, имеющие сдвиг частоты приблизительно равный частоте акустической волны, распространяются навстречу друг другу, происходит перекачка энергии из одной волны в другую. С одного конца волокна вводится импульсное излучение, с другого непрерывное.
Приемник излучения регистрирует изменение мощности непрерывного излучения в зависимости от области взаимодействия импульсного и непрерывного излучения в оптическом волокне. Структурная схема ВлкнОптчОЭИзмС представлена на рис. 1.3 Непрерывное д~ Ы Ь2 Р Импульсное й Рис. 1.3. Структурная схема ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта бриллюэновского усиления/ослабления во временной области Изменение мощности оптического излучения в зависимости от области взаимодействия импульсного и непрерывного излучения можно описать следующим выражением110]: Р„*(г)=(я,/А~,)(с ~l(2 п„„))Р„(й) ехр(-и 1.) Р„(0) ехр(-и х) (1.21) яв- фактор рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, А„ь- эффективная площадь моды.
Уравнение динамического диапазона для данного метода регистрации будет иметь следующии вид: коэффициент усиления Мандельштама-Бриллюэна (дБ), Е,; потери на разветвителе (дБ), Ф,„, — поток эквивалентный шуму, пу- улучшение отношения сигнал/шум за счет усреднений (дБ), и б- требуемое отношение сигнал/шум для обеспечения заданной погрешности измерения чд. Мощность импульсного излучения ограничена порогом возникновения вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, а мощность накачки ограничена эффектом истощения накачки,- явлением из-за которого огибающая спектра коэффициента усиления изменяет свою форму, в результате чего возникает дополнительная погрешность измерения частоты где Р„- мощность импульсного излучения вводимого в ОВ (дБм); Р„- ® мощность непрерывного излучения вводимого в ОВ (дБм), р- приведенный 23 бчб „„.. Предельная мощность непрерывного излучения может быть определена из следующего выражения~1 Ц: Р < 0,185 Ьч~,5об (1,23) где сс- коэффициент затухания в ОВ (дБРкм), А,~- эффективная площадь моды; ,Ыб- ширина спектра рассеяния.
Мандельштама-Бриллюэна;по уровню 0;.5; доб-. значение коэффициента усиления на центральной частоте рассеяния, Для об„„=0,1:МГц предельная мощность непрерывного излучения составит -4 дБм2. Приведенный коэффициент усиления Мандельштама-Бриллюэна. может быть найден из следующего выражения11 Ц; Р =10. !од( " ) — 30 А,', (1.24) света, т- длительность импульса. Поток, эквивалентный шуму, может быть найден непосредственно из удельного потока, эквивалентного шуму (1.25) где Афл~- площадь чувствительной площадки фотодиода Теоретически возможная минимальная удельная мощность эквивалентная шуму может быть приближенно определена. из следующего выражения 11 Ц: Ф = ° ~ ~2+2 — ~-2~ — 2'2"' е (1.26) где:Ь- постоянная Планка, Ь постоянная.
Больцмана, Т- температура ФПУ, езаряд электрона, ч- частота излучения.. Таким образом, для длительности. импульса т=1мкс, Ь~1 МГц, Лчб=35 МГц, при мощности накачки Р„=+13 дБм (20 мВт), требуемой погрешности где у- параметр, зависящий от степени поляризации излучения (у.=1' для2 поляризованного излучения, 7=0,5- для неполяризованного: излучения), ддкоэффициент усиления рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, с-скорость; 24 измерения сдвига частоты рассеянного излучения получится Жб=0,9 МГц, потока эквивалентного шуму ФПУ Ф„, „=-63 дБм (500 пВт) для числа усреднений И=2'~. Динамический диапазон составит ~22 дБ.
Основными достоинствами данного метода являются достаточно высокий уровень мощности сигнала, более высокий динамический диапазон и возможность прямого детектирования (что позволяет существенно снизить стоимость таких систем). Однако в данном методе область измеряемых параметров ограничена шириной спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна ~Ьб, которая составляет Лч~=30 МГц, что дает возможность измерять деформации лишь в пределах 0,05%, Данный недостаток, можно устранить, модифицировав метод.
Структурная схема улучшенного метода приведена на рис. 1.4. Импульсно в П Непрерывное Д~ у Рис. 1.4. Структурная схема ВлкнОптчОЭИзмС на основе эффекта усиления/ослабления с использованием перестраиваемого лазера и гетеродинного приема для анализа разностной частоты Перестраиваемый лазер позволяет осуществить перестройку длины волны в широком диапазоне длин волн (частот), благодаря чему диапазон деформаций ОВ ограничен лишь пределом прочности ОВ. Перестройка лазера осуществляется в очень узком диапазоне 2 ГГц, что легко реализуется на практике эффективными и сравнительно недорогими способами, Использование данного метода открывает возможность к 25 построению ВлкнОптчОЗИзмС с хорошими метрологическими характеристиками со сравнительно низкой стоимостью компонентов.
1.1.4. Взаимосвязь метрологических характеристик распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Метрологические характеристики распределенных измерительных систем определяются следующими параметрами: диапазоном измеряемой величины, максимальной длиной оптического волокна, погрешностью измерения величины и пространственной разрешающей способностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
