Бриллюэновский рефлектометр Российский патент 2021 года по МПК G01N21/63 G01D5/353 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения в зависимости от координат по длине волоконно-оптического чувствительного элемента и позволяет реализовать распределенный датчик температуры или механических деформаций с высокой чувствительностью как в областях с ионизирующим излучением, так в областях, где ионизирующего излучения нет.

Известен Бриллюэновский рефлектометр позволяющий проводить измерения в зависимости от координат по длине волоконно-оптического чувствительного элемента распределение температур или механических деформаций (АС РФ 2444001), выбранный в качестве прототипа.

Недостатком данного устройства является то, что прибор не позволяет измерить в зависимости от координат по длине волоконно-оптического чувствительного элемента распределение температур или механических деформаций в области с ионизирующим излучением, он будет разрушаться. Это связано с тем, что под воздействием ионизирующего излучения в световоде образуются центры окраски, которые приводят к увеличению коэффициента затухания, т.е. в световоде возрастают оптические потери и становится невозможным проводить измерения.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является расширение технологических возможностей датчика температуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном Бриллюэновском рефлектометре для измерения распределения температуры или механических напряжений по длине оптического волокна, содержащий импульсный лазер, связанный с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна через первое средство для организации приема обратнорассеянного излучения, второе средство для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемник, связанный с блоком обработки информации, он снабжен вторым отрезком оптического волокна, непрерывным лазером и блоком управления частотой лазеров, при этом второй отрезок оптического волокна связан с выходом первого средства для организации приема обратнорассеянного излучения, второе средство для организации приема обратнорассеянного излучения выполнено с возможностью организации подачи излучения непрерывного лазера во второй отрезок оптического волокна в направлении, противоположном направлению распространения рассеянного в чувствительном элементе излучения, фотоприемник входом соединен с выходом второго средства для организации приема обратнорассеянного излучения, а блок управления частотой лазеров связан с блоком обработки информации и выполнен с возможностью стабилизации частоты одного из лазеров и изменения частоты другого лазера; для организации опорного канала между чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна и первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения помещен отрезок оптического волокна, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется путем измерений или термостабилизации; между первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения и вторым отрезком оптического волокна дополнительно введен волоконный оптический усилитель, например, с волокном, легированным ионами эрбия; в промежутке между вторым средством для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемником установлен оптический фильтр на основе брэгговской решетки; первый отрезок оптического волокна выполнен одномодовым; каждое из средств для организации приема обратнорассеянного излучения выполнено в виде циркулятора или направленного оптического ответвителя, либо иного светоделителя; импульсный лазер и непрерывный лазер выполнены с узким спектром, предпочтительно одночастотным; импульсный лазер представляет собой узкополосный лазерный диод с брэгговской решеткой и оптический усилитель, либо совокупность непрерывного, например, полупроводникового лазера и модулятора, например, электрооптического или оптоакустического, а также оптического усилителя, например, волоконного, при этом упомянутый импульсный лазер выполнен с возможностью перестраивания частоты в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки, в его состав введены волоконно-оптический ветвитель, мощный непрерывный лазер, затвор, сумматор, источник опорного напряжения, таймер, фотоприемник регистратор снабжен вторым выходом, причем второй выход фотоприемника регистратора связан с первым входом сумматором, второй вход сумматора связан с выходом источника опорного напряжения, выход сумматора связан со входом таймера, выход таймера со входом затвора, первый вход волоконно-оптический ветвитель связан средством для организации приема обратного рассеяния, второй выход волоконно-оптического ветвителя через затвор связан с мощным непрерывным лазером, а выход волоконно-оптического ветвителя связан с чувствительным элементом в виде оптического волокна значительной длины (до десятков км).

Изобретение поясняется фигурой, на которой представлена общая схема Бриллюэновского рефрактометра.

Он содержит узкополосный (предпочтительно одночастотный) импульсный лазер 1, средство 2 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор), чувствительный элемент 3 в виде оптического волокна значительной длины (до десятков км), отрезок второго оптического волокна 4 значительной длины (сотни метров), второе средство 5 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор), непрерывный лазер 6 с узким спектром (предпочтительно одночастотный), электронный блок 7 управления частотой лазеров, фотоприемник 8 и блок 9 регистрации, отрезок оптического волокна 10, оптический усилитель 11, фильтр 12 на основе брэгговской решетки, волоконно-оптический ветвитель 13, источника опорного напряжения 14, сумматор 15, таймер 16, мощный непрерывный лазер 17, затвор 18.

Импульсный лазер 1 может представлять собой совокупность непрерывного (например, полупроводникового) лазера и модулятора (например, электрооптического или оптоакустического), а также оптического усилителя, например, волоконного.

В качестве импульсного лазера 1 может быть применен узкополосный лазерный диод с брэгговской решеткой и оптический усилитель.

Импульсный лазер 1 имеет возможность перестройки частоты в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки.

Частота может перестраиваться в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента (решетки). Пределы перестройки частоты определяются необходимостью совмещения линии усиления бриллюэновского усилителя и линии бриллюэновского рассеяния в первом отрезке оптического волокна (чувствительном элементе), а также возможным разбросом частотного сдвига МБР в различных типах волокон и при различных температурах и различных значениях деформации. Соответственно, диапазон перестройки оценивается величиной 12 ГГц для длины волны излучения 1550 нм, но не менее 1…2 ГГц.

Второй (непрерывный) лазер 6 может быть выполнен в виде совокупности одночастотного полупроводникового лазера и оптического усилителя. Он также может перестраиваться по частоте теми же средствами.

Фотоприемник 8 может быть выполнен в виде p-i-n или лавинного фотодиода с усилителем фототока. Быстродействие фотоприемника 8 должно быть согласовано с требуемым пространственным разрешением распределенного датчика. Отрезок второго оптического волокна 4 одним концом соединен с выходом средства 2. Второе средство 5 для организации приема обратного рассеяния (направленный ответвитель или оптический циркулятор) организует подачу излучения непрерывного лазера во второй отрезок оптического волокна 4 в направлении, противоположном направлению распространения рассеянного в чувствительном элементе 3 излучения. Таким образом, формируется активный бриллюэновский фильтр.

Бриллюэновский рефлектометр работает следующим образом.

При отсутствии нагрева в области измерения или механических нагрузок входе блока регистрации сигнал отсутствует.

Если в области расположения световода есть нагрев или механические деформации, то происходит следующее. Электронный блок 7 стабилизирует частоту одного из лазеров (1 или 6) и в то же время изменяет (сканирует) частоту другого лазера, например, по линейному закону. Импульсное излучение от лазера 1 через элемент 2 (например, циркулятор) поступает на вход чувствительного элемента 3 и распространяется в нем, генерируя стоксову и антистоксову компоненты МБР. Рассеянное в обратном направлении излучение, содержащее рэлеевскую и две бриллюэновские компоненты, через элемент 2 поступает в отрезок оптического волокна 4, а затем через элемент 5 (например, циркулятор) - на фотоприемник 8. Сигнал с фотоприемника 8 поступает в блок 9 обработки информации, который определяет величину бриллюэновского сдвига частоты для каждого виртуального канала дальности после каждого цикла сканирования частоты.

При сканировании оптической частоты одного из лазеров частота бриллюэновского усиления в волокне 4 в определенный момент совпадает с частотой бриллюэновской компоненты рассеянного в чувствительном элементе 3 излучения, в результате чего возникает пик сигнала, положение которого относительно момента начала сканирования определяет бриллюэновский сдвиг частоты.

Таким образом, выделение требуемого спектрального диапазона достигается применением активного перестраиваемого фильтра, работающего за счет бриллюэновского усиления. При этом одновременно достигается усиление сигнала бриллюэновского рассеяния и его эффективная узкополосная фильтрация. В результате удается отказаться как от дорогостоящей техники СВЧ, так и чрезвычайно узкополосных оптических фильтров. Отсутствие гетеродинирования устраняет проблему нестабильности поляризации рассеянного излучения.

С целью организации опорного канала между чувствительным волокном 3 и ответвителем (циркулятором) 2 может быть помещен отрезок оптического волокна 10, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется (термостабилизируется или измеряется).

Между ответвителем (циркулятором) 2 и отрезком оптического волокна 4 может быть помещен оптический усилитель 11, например, на основе оптического волокна, содержащего ионы эрбия. Для улучшения фильтрации оптического излучения (подавления сигнала рэлеевского рассеяния) на пути от ответвителя (циркулятора) 5 до фотоприемника 8 может быть помещен фильтр 12 на основе брэгговской решетки.

Если ионизирующее излучение отсутствует, то световод пропускает излучение полностью и рефрактометр фиксирует распределение температур или механические деформации.

При воздействии радиации в световоде 3 появляются F - центры (центры окраски), которые поглощают свет в определенной части спектра, в которой собственное поглощение материала отсутствует, и, как следствие, появляется дополнительное затухание. Для защиты световода 3 используется необратимое обесцвечивание центров окраски излучением лазера (Кирин И.Г. Специальные радиационно устойчивые волоконно-оптические оптоэлектронные датчики и системы. М.: Университетская книга, 2008 г. – 148 с.). Для этих целей через световод 3 пропускается мощное непрерывное лазерное излучение. При стационарном воздействии мощного непрерывного лазерного излучения последнее является существенным фактором, способствующим восстановлению первоначального затухания световода.

В этом случае через волоконно-оптический ветвитель 13 в световод 3 направляется излучение мощного непрерывного лазера 17 через затвор 18. Затвор 18 отрывается с помощью таймера 16 настроенного на определенное время. Время работы таймера может регулироваться по усмотрению оператора обслуживающего работу рефрактометра в зависимости от уровня радиационной нагрузки области, где работает рефрактометр. Работой таймера 16 управляет сумматор, на который одновременно поступают сигнал с фотоприемника 8 и источника опорного напряжения 14. Сумматор 15 вырабатывает сигнал управления для таймера только в том случае, когда уровень сигнала с фотоприемника опускается ниже установленного уровня. Критический, минимальный, уровень сигнала с фотоприемника 8 и величина опорного напряжения источника опорного напряжения 14 устанавливаются при калибровке рефлектометра, это его паспортные характеристики.

Таймер открывает затвор 18 только до тех пор, пока величина пропускания световода 3 не восстановится до первоначального значения.

Бриллюэновский рефлектометр для измерения распределения температуры или механических напряжений по длине оптического волокна содержит импульсный лазер, связанный с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна, первое и второе средства для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Рефлектометр снабжен вторым отрезком оптического волокна, непрерывным лазером и блоком управления частотой лазеров. Между первым отрезком оптического волокна и первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения помещен отрезок оптического волокна, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется. Между первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения и вторым отрезком оптического волокна дополнительно введен волоконный оптический усилитель. Введены волоконно-оптический ветвитель, мощный непрерывный лазер, затвор, сумматор, источник опорного напряжения, таймер, фотоприемник. Технический результат - расширение технологических возможностей. 1 ил.

Бриллюэновский рефлектометр для измерения распределения температуры или механических напряжений по длине оптического волокна, содержащий импульсный лазер, связанный с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна через первое средство для организации приема обратнорассеянного излучения, второе средство для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемник, связанный с блоком обработки информации, отличающийся тем, что он снабжен вторым отрезком оптического волокна, непрерывным лазером и блоком управления частотой лазеров, при этом второй отрезок оптического волокна связан с выходом первого средства для организации приема обратнорассеянного излучения, второе средство для организации приема обратнорассеянного излучения выполнено с возможностью организации подачи излучения непрерывного лазера во второй отрезок оптического волокна в направлении, противоположном направлению распространения рассеянного в чувствительном элементе излучения, фотоприемник входом соединен с выходом второго средства для организации приема обратнорассеянного излучения, а блок управления частотой лазеров связан с блоком обработки информации и выполнен с возможностью стабилизации частоты одного из лазеров и изменения частоты другого лазера; для организации опорного канала между чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна и первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения помещен отрезок оптического волокна, в котором отсутствуют механические напряжения и температура которого контролируется путем измерений или термостабилизации; между первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения и вторым отрезком оптического волокна дополнительно введен волоконный оптический усилитель, например, с волокном, легированным ионами эрбия; в промежутке между вторым средством для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемником установлен оптический фильтр на основе брэгговской решетки; первый отрезок оптического волокна выполнен одномодовым; первое и второе средство для организации приема обратнорассеянного излучения выполнено в виде циркулятора или направленного оптического ответвителя; импульсный лазер и непрерывный лазер выполнены с узким спектром, предпочтительно одночастотным; импульсный лазер представляет собой узкополосный лазерный диод с брэгговской решеткой и оптический усилитель, либо совокупность непрерывного, например, полупроводникового лазера и модулятора, например, электрооптического или оптоакустического, а также оптического усилителя, например, волоконного, при этом упомянутый импульсный лазер выполнен с возможностью перестраивания частоты в небольших пределах, например, за счет изменения температуры кристалла или селективного элемента-решетки, в его состав введены волоконно-оптический ветвитель, мощный непрерывный лазер, затвор, сумматор, источник опорного напряжения, таймер, фотоприемник, фотоприемник снабжен вторым выходом, причем второй выход фотоприемника связан с первым входом сумматора, второй вход сумматора связан с выходом источника опорного напряжения, выход сумматора связан со входом таймера, выход таймера – со входом затвора, первый вход волоконно-оптического ветвителя связан с первым средством для организации приема обратнорассеянного излучения, второй вход волоконно-оптического ветвителя через затвор связан с мощным непрерывным лазером, а выход волоконно-оптического ветвителя связан с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна.