Влияние спектральных характеристик компонентов когерентного рефлектометра на дальность его работы
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 20 Марта 2013 в 10:45, курсовая работа
Краткое описание
На протяжении последних несколько лет наблюдается существенный рост интереса к
распределѐнным волоконно-оптическим датчикам (ВОД) внешнего воздействия. Такие
датчики имеют большую область применения :
- Контроль несанкционированного доступа к таким объектам, как нефтепроводы,
телекоммуникационные линии, силовые кабели, и т.п.
- Охрана периметра территории
- Мониторинг вибраций крупных построек: мосты, здания, промышленные
объекты
- Другое
Содержание
Глава 1. Когерентный рефлектометр
1.1. Общие сведения о когерентном рефлектометре
1.2. Физические механизмы, ограничивающие дальность действия когерентных
рефлектометров
Глава 2. Способы увеличения дальности работы когерентного рефлектометра
2.1. Общие способы
2.2. Метод фильтрации
2.3. Использование pin фотоприѐмника с оптическим предусилителем
Глава 3. Фазовый модулятор
3.1. Принципиальная схема фазового модулятора. Выбор компонентов
3.2. Фазовый модулятор, версия №1
3.3. Фазовый модулятор, версия №2
Глава 4. Выводы
Глава 5. Литература
Вложенные файлы: 1 файл
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. Ломоносова
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра оптики и спектроскопии.
Курсовая работа на тему:
Влияние спектральных характеристик компонентов
когерентного рефлектометра на дальность его работы
Выполнил студент 410 группы: Ханбекян Г.А.
Научный руководитель: Наний О.Е.
Москва 2011 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Когерентный рефлектометр
1.1. Общие сведения о когерентном рефлектометре
1.2. Физические механизмы, ограничивающие дальность действия когерентных
рефлектометров
Глава 2. Способы увеличения дальности работы когерентного рефлектометра
2.1. Общие способы
2.2. Метод фильтрации
2.3. Использование pin фотоприѐмника с оптическим предусилителем
Глава 3. Фазовый модулятор
3.1. Принципиальная схема фазового модулятора. Выбор компонентов
3.2. Фазовый модулятор, версия №1
3.3. Фазовый модулятор, версия №2
Глава 4. Выводы
Глава 5. Литература
Глава 1. Когерентный рефлектометр
1.1. Общие сведения о когерентном рефлектометре.
На протяжении последних несколько лет наблюдается существенный рост интереса к
распределѐнным волоконно-оптическим датчикам (ВОД) внешнего воздействия. Такие
датчики имеют большую область применения :
- Контроль несанкционированного доступа к таким объектам, как нефтепроводы,
телекоммуникационные линии, силовые кабели, и т.п.
- Охрана периметра территории
- Мониторинг вибраций крупных построек: мосты, здания, промышленные
объекты
- Другое
Основные требования к датчикам: детектирование механического воздействия на
объект, и определение с заданной точностью места воздействия. С одной стороны,
требуется создание именно распределѐнных датчиков, которые на порядок дешевле и
проще систем из множества точечных датчиков; с другой стороны, развитие волоконной
оптики позволяет достичь желаемых результатов.
К преимуществам ВОД можно отнести малые размеры, устойчивость к агрессивным
воздействиям окружающей среды и к электромагнитным помехам, высокую
чувствительность, дистанционность измерений и возможность мультиплексирования
отдельных датчиков в сложные измерительные системы, технологичность производства и
потенциально низкую стоимость.
ВОД представляет из себя обычное телекоммуникационное одномодовое волокно,
находящееся в контакте с объектом. Датчики могут быть трѐх типов:
- Амплитудный
- Поляризационный
- Интерференционный
В отличие от первых двух типов, которые измеряют, соответственно, изменение
амплитуды и поляризации оптического сигнала, интерференционные датчики в режиме
реального времени измеряют изменение фаз сигналов от всех центров рассеяния.
Минусом интерференционного метода является необходимость использования более
сложного и дорогого оборудования, в сравнении с амплитудным и поляризационным
методами.
Примером датчика первого типа может служить OTDR (Optical Time Domain
Reflectometer). Его принципиальная схема представлена на рис.1. Известно, что
микроскопические неоднородности, «вмороженные» в волокно в процессе вытяжки,
приводят к значительному уровню рассеянного сигнала, распространяющегося в
направлении, противоположном направлению распространения зондирующего излучения.
Таким образом, принцип работы OTDR состоит в следующем: в оптоволокно посылается
короткий световой импульс, и измеряется рассеянное назад излучение (рис.2). Сигналы,
рассеянные от различных частей волокна, достигают входного торца волокна за время
задержки, пропорциональное расстоянию от центра рассеяния до входного торца. Таким
образом, по времени задержки легко различить сигналы, рассеянные от различных
участков волокна.
Результатом работы OTDR является рефлектограмма – зависимость интенсивности
рассеянного излучения от расстояния до точки рассеяния.
Рис.1. Принципиальная схема некогерентного рефлектометра.
Рис.2. Работа OTDR.
Примером датчика, работающего на основе интерференционного метода, является
COTDR (Coherent OTDR), или когерентный рефлектометр. Отличие от обычного
рефлектометра заключается в том, что импульс – когерентный, и рассеянное излучение
чувствительно к фазам отдельных рассеивателей из-за интерференции света, рассеянного
в обратном направлении. Таким образом, при малейшем механическом воздействии на
волокно, оно деформируется, и фазы отдельных рассеивателей меняются, что приводит к
изменению интерференционной картины (временной рефлектограммы). COTDR также
называют фазочувствительным или интерференционным рефлектометром. Ниже будет
рассмотрен более подробно именно когерентный рефлектометр.
1.2. Физические механизмы, ограничивающие дальность действия
когерентных рефлектометров.
Оптическая схема когерентного рефлектометра приведена на рис.3. На ней цифрами
обозначено: 1- RIO лазер, 2-EOM, 3 - эрбиевый волоконный усилитель, 4- узкополосный
оптический фильтр, 5 - разветвитель 50/50, 6 - оптический разъѐм, 7 - тестируемое
волокно, 8 - приѐмник (pin-фотодиод), 9 - блок анализа.
Рис.3. Оптическая схема COTDR.
Основные физические механизмы, ограничивающие дальность действия когерентных
рефлектометров, это:
- частотная нестабильность источника (несущая частота может изменяться от
импульса к импульсу);
- наличие паразитной частотной модуляции источника;
- изменение формы огибающей от импульса к импульсу;
- квантовый предел ширины линии излучения источника;
- спонтанные шумы усилителей;
- недостаточная глубина модуляции;
- нелинейные эффекты;
- порог чувствительности фотоприѐмника.
Первые четыре пункта относятся непосредственно к лазерам. Исследованию этих
проблем посвящено немало литературы. (ссылки) Основными методами борьбы с этими
эффектами являются термо- и вибростабилизация лазеров, абсолютно жесткое
закрепление компонентов лазера, использование распределѐнной обратной связи.
Частотная нестабильность источника может значительно ухудшить работу COTDR,
т.к. при изменении частоты будет меняться и рефлектограмма. Это будет происходить из-
за того, что рефлектограмма представляет собой результат интерференции света от
отдельных рассеивателей, и при изменении частоты интерференционная картина будет
меняться.
Паразитная частотная модуляция также является механизмом, сильно влияющим на
работу когерентного рефлектометра.
Требование узкой спектральной ширины задающего
источника вызвано наличием разностных шумов. Иначе говоря, прибор регистрирует
воздействие по разности двух последовательных рефлектограмм. Рефлектограммы являются
результатом интерференции рассеянного излучения. Если первый импульс будет отличаться
от второго на ширину полосы излучения, то мы получим две рефлектограммы сдвинутые по
фазе друг относительно друга на величину
.
Таким образом, ширина спектральной
линии определяет чувствительность прибора.
Причины уширения линии связаны с двумя типами проблем: шумы спонтанного
излучения, технические шумы. Технические шумы могут быть полностью сведены на нет,
в отличие от шумов спонтанного излучения. Это связано с квантовым пределом,
определяемым формулой Шавлова:
Эту формулу можно получить из
, где NV – полное число фотонов в
лазерной моде.
Спонтанные шумы усилителей оказываются одного порядка по уровню мощности с
рассеянным обратно сигналом, т.к. коэффициент обратного Рэлеевского рассеяния на
длине волны 1550 нм равен примерно – 50дБ, что представляет собой очень малую
величину. Таким образом, спонтанные шумы усилителей нужно минимизировать. Для
этого, в частности, можно использовать метод фильтрации.
Недостаточная глубина модуляции означает наличие так называемых «шумов
засветки». Они связаны с конструкцией AOM (акусто-оптического модулятора). Принцип
действия АОМ основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне. Бегущую
ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, находящийся в
контакте с волокном. Благодаря возникновению участков сжатия и растяжения
возникающих в стекле и различающихся показателем преломления в среде формируется
дифракционная решетка. Для разных акустических частот условие максимума будет
определять разные углы преломления света. Таким образом осуществляется амплитудная
модуляция. Как упоминалось выше, рассеянное назад излучение имеет относительно
малую мощность, следовательно надо минимизировать шумы засветки.
Нелинейные эффекты начинают проявляться при относительно больших мощностях,
что ограничивает начальную мощность сигнала. В отсутствии нелинейных эффектов
можно было бы подать очень мощный сигнал в линию, и не испытывать проблем с
шумами. В таком случае дальность работы когерентного рефлектометра определялась бы
именно мощностью лазера. Но их нельзя не учитывать при создании когерентного
рефлектометра. Их влияние можно заметить, когда дальность работы прибора перестаѐт
расти с увеличением мощности сигнала.
Фотодетектор имеет конечный порог чувствительности, а сигнал, поступающий на
него, имеет низкий уровень мощности (с целью минимизации влияния нелинейных
эффектов).
Таким образом, нужно решить сложную задачу по оптимизации по мощности схемы
источник-усилитель-приѐмник с целью внести наименьшее количество шумов, не
испортить сигнала слишком сильными нелинейными эффектами, и в итоге иметь
надлежащий уровень мощности сигнала на входе в фотоприѐмник.
При успешной оптимизации можно получить максимальную дальность действия
COTDR.
Глава 2. Способы увеличения дальности работы когерентного
рефлектометра
2.1. Общие способы
В работе над когерентным рефлектометром нашей группой было использовано
множество способов увеличения дальности работы когерентного рефлектометра. Эти
способы направлены на ослабление влияния физических механизмов, описанных в
предыдущем параграфе. Среди них:
- Использование лазера с шириной линии порядка 10 кГц
- Лазер работает в непрерывном режиме
- Использование AOM с коэффициентом гашения >40 дБ
- Использование оптического фильтра с шириной линии пропускания 0,06 нм
- Подача в линию сигнала порядка 0,5 Вт
- В качестве фотоприѐмника – pin фотодиод с оптическим предусилителем
- Длина когерентности сравнима с длиной линии
2.2 Метод фильтрации
Данный метод заключается в подавлении шумов усиленного спонтанного излучения
(ASE), отсекая его большую часть с помощью узкополосных фильтров. Как известно,
спектр ASE достаточно широк (сравним с полосой усиления эрбиевого волоконного
усилителя), используя фильтр, можно значительно уменьшить мощность ASE.
Также, крайне важно, чтобы спектр пропускания узкополосного фильтра был немного
шире спектра излучения лазера, и центральные длины волн спектров совпадали. Точная
настройка спектров производится с помощью подбора температуры окружающей среды -
тем самым, изменяется рабочая длина волны лазера, или используются специальные
настраиваемые фильтры.
Для данного когерентного рефлектометра была изготовлена серия узкополосных
фильтров. Фильтры представляют из себя брэгговские пространственные дифракционные
решѐтки. Экспериментальным путѐм были выбраны наиболее удачные.
Во время измерений спектральных характеристик оптических фильтров использовалась
методика прямых измерений (Рис.1):
Рис.4. Методика прямых измерений.
Измерение спектральных характеристик фильтров проходило в следующем порядке:
- Измерение спектра широкополосного источника без фильтра. Схема представлена
на Рис.5
- Измерение спектра широкополосного источника с фильтром. Фильтр работает на
отражение (Рис.6)
- Измерение спектра широкополосного источника с фильтром. Фильтр работает на
пропускание (Рис.7)
На рис.6 показано, что в качестве источника излучения служит широкополосный
SuperLumi, далее стоит оптический изолятор. Оптический изолятор пропускает излучение
только в одном направлении, и служит для предохранения источника от отраженного от
фильтра излучения. Далее, через разветвитель 50/50 излучение попадает на исследуемый
фильтр, отражается от него, и обратно через разветвитель попадает на спектранализатор
Anritsu.
Рис.5. Оптическая схема установки для измерения спектра широкополосного источника.
Рис.6. Оптическая схема установки для измерения спектра отражения фильтра.
Рис.7. Оптическа схема установки для измерения спектра пропускания фильтра.
Также, был измерен спектр лазера. Оптическая схема эксперимента показана на рис.8.
Важно отметить, что для всех измерений использовался один и тот же спектранализатор.
Рис.8. Измерение спектра лазера.
Ниже приведены экспериментальные спектры широкополосного источника, лазера,
фильтров.
Рис.9.Спектр широкополосного источника.
Рис.10.Спектр лазера.
Рис.11. Спектр отражения фильтра №1.
Рис.12. Спектр отражения фильтра №7.
Рис.13. Спектр пропускания фильтра №7.
Все фильтры имели некоторые проблемы. Самым удачным с точки зрения узости
спектра отражения оказался фильтр №1(рис.11), но его центральная длина волны почти на
1,5 нм отличается от центральной длины волны лазера (рис.10). С точки зрения
совпадения центральной длины волны наиболее удачным оказался фильтр №7 (рис.12,
рис.13). Но он имеет достаточно широкий спектр, что является также
неудовлетворительным.
На рис.14 представлен спектр серийного телекоммуникационного фильтра № 34 из 80-
канального мультиплексора. Он является более узким, и его длина волны хорошо
совпадает с требуемой. Как промежуточный вариант, на данный момент в приборе
используется именно он.
Рис.15. Спектр серийного фильтра №34 из 80-канального MX.
2.3. Использование pin фотоприѐмника с оптическим предусилителем
В оптических линиях передачи применяются два типа фотодиодов: pin диоды и
лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и хорошо стыкуются с
оптическими волокнами и с полупроводниковыми микросхемами. Достоинство ЛФД в
том, что за счет внутреннего усиления фототока чувствительность фотоприемников c
ЛФД получается в среднем на 6 дБ выше, чем у фотоприемников с pin диодами. А
недостаток в том, что ЛФД работают при высоких напряжениях смещения (80 – 400 В) и
их необходимо термостабилизировать (из-за сильной зависимости коэффициента
лавинного усиления от температуры). В тоже время pin диод питается от того же
источника, что и полупроводниковые микросхемы не требует термостабилизации. Время
наработки на отказ у него примерно в 10 раз больше чем у ЛФД.
В линиях передачи с оптическими усилителями фотодиоды с внутренним усилением
(ЛФД) теряют свое основное преимущество, так как чувствительность фотоприемников с
оптическим предусилителем на входе примерно на 6 дБ выше, чем у фотоприемников с
ЛФД. Причем при достаточно большом коэффициенте усиления оптического
предусилителя чувствительность фотоприемника уже не зависит от типа фотодиода.
Поэтому было решено применять pin диод, так как он проще в эксплуатации.
Рабочая длина волны pin диода определяется шириной запрещенной зоны среднего i–
слоя, где в основном поглощаются фотоны. На длине волны 1.55 мкм работают
фотодиоды из InGaAs (Рис.16).
Был проведѐн анализ рынка предложений pin диодов с целью подбора наиболее
подходящего. Результаты анализа приведены в таблице ниже (таблица 1).
Из таблицы видно, что все pin диоды имеют примерно одинаковые параметры, поэтому
не принципиально, какой из них выбрать.
Рис.16. Pin диод.
Таблица 1
Произв Тип
Модель
Отклик, A/W (1550нм)
Полоса,
GHz
Тёмн. ток, nA
(25С)
Шум,
dBm
SNR*,
dB
JDSU
Pin
EPM 605
0,85
2,0
0,6
-62
34
JDSU
Pin
EPM 606
0,85
2,0
0,6
-62
34
JDSU
Pin
EPM 613
0,0004
1,5
1,0
-26
-2
JDSU
Pin
EPM 635
0,85
0,3
0,6
-62
34
JDSU
Pin
EPM 635-75
0,85
2,0
0,08
-70
42
JDSU
Pin
EPM 650
0,85
1,5
1,0
-59
31
JDSU
Pin
EPM 705
0,85
2,0
5,0
-52
24
JDSU
Pin
EPM 745
0,90
3,0
1,0
-60
32
FUJITSU Pin
FID3Z1KX/LX
0,85
2,5
1,0
-59
31
NEC
Pin
NDL5421P
Series
0,94
2,5
0,1
-70
42
NEC
Pin
NR7500CP-
CC
0,94
2,5
0,1
-70
42
Dicon
Pin
TD-5-9-15-N
0,10
1,5
1,0
-50
22
JDSU
APD
RXA M DPGX
088
7,70
2,0
20,0
-56
28
JDSU
APD
2.5Gbps
RXAMDRGL
9,00
2,0
2,0
-67
39
Глава 3. Фазовый модулятор
3.1. Принципиальная схема фазового модулятора. Выбор компонентов
Фазовый модулятор (ФМ) – устройство, предназначенное для создания
калиброванного (заранее известного) воздействия на волоконно-оптическую линию связи.
В нашем случае фазовый модулятор используется для измерения чувствительности
COTDR.
Принципиальная схема модулятора приведена на рис. 17. Главным элементом ФМ
является пьезокерамический элемент, с намотанным на него волокном. Форма
пьезоэлемента – тор, с прямоугольным сечением. Слева и справа от него на схеме
представлены буферные катушки. Они нужны для компенсации отражения на оптических
коннекторах.
Работает ФМ по следующему принципу: сигнал со звукового генератора подаѐтся на
пьезоэлемент, и последний совершает механические колебания объѐма. В том числе,
периодически изменяется внешний радиус тора, на который намотано волокно. Таким
образом, волокно растягивается, что и приводит к модуляции фазы сигнала,
распространяющегося через ФМ.
Рис.17. Схема ФМ.
Был произведѐн поиск производителей и продавцов изделий из пьезокерамики в
России с помощью глобальной сети (Инетернета). В результате чего было обнаружено,
что количество организаций, занимающихся пьезкерамикой на серьѐзном уровне,
невелико.
В конкретной ситуации целью поиска было найти пьезокерамические излучатели в
форме тора с прямоугольным сечением. Причѐм, внешний диаметр излучателя должен
был быть достаточно большим – не меньше 80 мм. Последнее обстоятельство означало,
что излучатели необходимо делать на заказ, что резко ограничило круг возможных
поставщиков: ООО «Аврора-ЭЛМА», г. Волгоград, и ОАО "НИИ Элпа", г. Зеленоград. В
Аврора-ЭЛМА производят кольца размером вплоть до 120 мм, в НИИ Элпа – до 85 мм.
Причѐм цены в Аврора-ЭЛМА оказались примерно в два раза меньше. Также, в обоих
организациях были заготовки этих изделий, но в Аврора-ЭЛМА срок изготовления
указали 30 дней с момента оплаты, а в НИИ Элпа – 45 дней с момента оплаты.
По указанным выше причинам была выбрана продукция фирмы ООО «Аврора-
ЭЛМА».
Наконец, был выбран излучатель 100*70*7 мм, а не 120*50*10мм, по причине сильного
различия цен на эти изделия примерно 2 000р против 5 000р.
Также, был приобретѐн корпус из пластика для ФМ.
3.2. Фазовый модулятор, версия №1
Был собран компактный ФМ по схеме, на рис.17, причѐм буферные катушки были
объединены. На пьезоэлемент было намотоно в один слой 25 витков. Общая длина
волокна на пьезоэлементе примерно 8-9 метров. Его фото представлены ниже.
Но он не работал. Причина оказалось в том, что изгиб волокна при переходе от
пьезоэлемента на катушку был недопустимо велик, и нарушался принцип полного
внутреннего отражения.
3.3. Фазовый модулятор, версия №2
По причине неработоспособности первой версии, была собрана вторая. Решено было
отказаться от буферных катушек. Фото версии №2 представлены ниже.
Эта версия оказалось рабочей. Была проведена предварительная калибровка ФМ №2.
ФМ был подключен к когерентному рефлектометру, и была получена серия
рефлектограмм, подтверждающая линейную зависимость растяжения волокна от
подаваемого напряжения на ФМ (рис.18).
Рис.18. Рефлектограммы при воздействии ФМ
Рефлектограммы соответствуют амплитудам сигнала на ФМ 0,1 мВ, 1мВ, 10 мВ,100
мВ, 1 В, 10 В.
Глава 4. Выводы
Во время работы над курсовой была изучена так область современной оптики, как
когерентная рефлектометрия. Экспериментальным путѐм исследованы некоторые
компоненты когерентного рефлектометра. Сделаны выводы о методах увеличения
дальности работы COTDR. Также был собран фазовый модулятор, необходимый для
когерентного рефлектометра.
Последующая работа будет посвящена поиску новых и совершенствованию уже
имеющихся методов увеличения дальности работы COTDR.
Глава 5. Литература
1) О. Наний Распределенные волоконно-оптические датчики
2) О. Наний, Приемники цифровых волоконно-оптических систем, Lightwave Russian
Edition, № 1, с. 50-51, (2004).
3) В. Камынин «Исследование чувствительности когерентного рефлектометра»
4) В. Листвин, Усиление света в линиях связи.
5) Maier Buried Fiber Optic Intrusion Sensor 2004 PhD
6) Wojcik C OTDR statistics PhD-2006
7) А.М. Мамедов, В.Т. Потапов, Т.В. Потапов, Е.К. Смуреев Одноволоконные
распределѐнные волоконно-оптические датчики физических величин и полей
8) Coherent fiber-optic intrusion sensor (K.N.Choi)
9) Juarez 2005 Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System (J.C.Juarez)
Информация о работе Влияние спектральных характеристик компонентов когерентного рефлектометра на дальность его работы