No 5 (2023)

Настоящий литературный обзор, составленный коллективом авторов, объединенных Программным и Организационным комитетами конференции “Оптическая рефлектометрия, метрология и сенсорикаˮ (24–26 мая 2023 г.), призван оценить состояние и перспективы в данной области на ближайшие годы. Обзор охватывает следующие темы: распределенные акустические датчики; волоконно-оптические измерительные системы на основе рассеяния Мандельштама–Бриллюэна; исследовательские методы, основанные на принципах оптической рефлектометрии в частотной области; низкокогерентные подходы к распределенному мониторингу температуры и деформаций.

Представлены и проанализированы результаты проектирования и реализации радиофотонного устройства для измерения мгновенной частоты СВЧ-сигналов, включая ситуацию с одновременным измерением мгновенных частот их множества. Принцип работы устройства заключается в сочетании измерительного преобразования “частота–амплитудаˮ для определяемой частоты с подавлением несущей и формирования эквидистантных каналов на гребенке частот для оценки ее величины. Предложен эффективный метод генерации неплоской симметричной гребенки оптических частот, основанный на коммутации фазы оптической несущей с ее подавлением в фазовом модуляторе. Гребенка позволяет формировать до 10 каналов шириной 2 ГГц, которая может регулироваться. Амплитуды пограничных частот каналов неодинаковы, что позволяет проводить дифференцирование измеряемых частот по отношению мощностей их биений. Отдельно исследуются особенности измерения мгновенной частоты в нулевом канале устройства. Использование информационных сигналов с подавленной несущей позволяет снизить требования к стабильности частоты лазера. Полоса пропускания фотоприемника равна ширине канала, что позволяет использовать его как канальный фильтр. Устройство сначала моделируется в программной среде Optiwave System, а затем изучаются факторы, влияющие на характеристики системы, на испытательном стенде. Отмечается простота конструкции устройства, построенного всего на двух модуляторах.

Предлагается использовать алгоритм ближайших K-соседей (K-NN) для обработки зондирующих сигналов, полученных на предложенном авторами ранее оптоволоконном датчике бриллюэновской оптической рефлектометрии во временной области (БОРВО) с высоким пространственным разрешением, называемом дифференциальным кросс-спектральным БОРВО (ДКС-БОРВО). Ключевая проблема, связанная с ДКС-БОРВО, заключается в том, что, когда используемая длительность импульса T_L меньше, чем время жизни фонона (порядка 10 нс), ширина спектра бриллюэновского усиления (СБУ) увеличивается, хотя при этом и уменьшаются искажения спектра. Несмотря на это уменьшение искажений формы спектра, разрешение по бриллюэновскому сдвигу частоты ухудшается из-за расширения бриллюэновского спектра. С другой стороны, в то время как длительность T_L, превышающая установившееся состояние бриллюэновского сигнала, сужает спектр, возникают боковые лепестки в пределах установившегося состояния, что приводит к ухудшению разрешения по бриллюэновскому сдвигу частоты; это ограничение наблюдается только в ДКС-БОРВО, несмотря на его возможности измерения с высоким пространственным разрешением. В нашей модели мы использовали данные, измеренные экспериментально для волокна длиной около 400 м с оптимизированной последовательностью T_L в диапазоне температур 40–80°C для получения температурного коэффициента Бриллюэна C_T. Затем, на этапе обучения, мы построили идеальные СБУ с помощью моделирования с различной шириной линии 50–70 МГц, чтобы обучить модель K-NN с учетом изменения ширины линии из-за разницы в условиях на этапах обучения и тестирования, тем самым сделав ее гибкой для различных условий, в которых находится волокно. На этапе тестирования мы использовали данные, измеренные экспериментально для зондирования волокна длиной около 3.6 км с T_L = 60 нс, чтобы получить распределение температуры. Для случая T_L = 60 нс мы улучшили точность определения температуры, используя K-NN, примерно до 2.77°C. Следовательно, можно сделать вывод, что модель K-NN может быть отличным альтернативным инструментом для обработки СБУ, измеренных ДКС-БОРВО, и получения распределения температуры вдоль волокна.

Описываются простые меры по повышению отношения сигнал/шум показаний оптического рефлектометра частотной области (OFDR). После применения двухкаскадного оптического усиления обратно-рассеянного сигнала, а также устранения источника паразитных отражений удалось добиться увеличения отношения сигнал/шум рефлектограммы частотной области с 8 дБ до 19 дБ. Данная техника может быть применена в волоконно-оптической сенсорике и метрологии волоконно-оптических и интегрально-оптических элементов.

Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна для одномодовых оптических волокон различных видов и разных производителей. Приведены экспериментальные зависимости оптических волокон, полученные с помощью бриллюэновского оптического рефлектометра (графики распределения спектра бриллюэновского рассеяния по длине световода и мультирефлектограммы). Для каждой рассмотренной разновидности оптических волокон дана оценка бриллюэновского частотного сдвига, величина которого при длинах волн излучения лазеров, применяемых в телекоммуникационных системах, относится к диапазону СВЧ. Представлены частотные зависимости характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна некоторых разновидностей одномодовых оптических волокон с различными длинами волн отсечки. Проведен сравнительный анализ их характеристик с характеристиками ранее исследованных одномодовых оптических волокон. Оптические волокна схожих разновидностей (но разных производителей) могут иметь заметные различия в частотных характеристиках рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Представлена таблица с основными характеристиками рассеяния Мандельштама–Бриллюэна для всех исследованных в экспериментах одномодовых оптических волокон.

Проведено исследование чувствительности интерферометра Саньяка при различных координатах акустического воздействия. Получены и экспериментально подтверждены принципы формирования мертвой зоны в акустическом распределенном волоконно-оптическом датчике на основе интерферометра Саньяка. Исследован отклик интерферометра при разных типах акустического воздействия на контур: в виде прямоугольного импульса, синусоидального и в виде периодической треугольной функции; изучен характер изменения разности фаз на выходе интерферометра Саньяка для каждого из них. При найденном значении типовой частоты \({{f}_{{t,{\text{hit}}}}}\) = 10.8 кГц и длине контура 20 км проведены численное моделирование и экспериментальное исследование размаха разности фаз при акустическом воздействии через каждый 1 км петли в диапазоне от 0 до 10 км. Предложен метод устранения мертвой зоны для интеграции интерферометра Саньяка в состав комплексной системы мониторинга с использованием фазочувствительного оптического рефлектометра временной области.

Проводится анализ спектральных, пространственных и временных характеристик зондирующего импульса в опытном образце волоконно-оптического распределенного акустического датчика. Получены зависимости спектрального распределения сигнала, среднего уровня сигнала и видности интерференционной картины от длительности импульса источника излучения и величины тока накачки оптического усилителя. Предложены направления дальнейших исследований в этой области. Собранные данные позволили сделать выводы о возможностях снижения стоимости подобных установок и пригодности предлагаемой конструкции к эксплуатации.

Представлены результаты исследования влияния флуктуаций амплитуд сигнала на погрешность измерения коэффициента затухания оптических волокон небольшой длины, выполненных рэлеевскими некогерентными рефлектометрами. На основе анализа обработки сигнала в рефлектометре с использованием методов статистической радиотехники и с привлечением экспериментальных данных и эмпирических методик показано, что величина погрешности измерения коэффициента затухания определяется числом некоррелированных отсчетов рефлектограммы, используемых для усреднения, с учетом характера флуктуаций, при ограничениях, наложенных на отношение сигнал/шум на входе приемника. Предложена методика учета влияния замираний при флуктуациях двулучепреломления на основе аналогии с задачей радиолокации об оценке параметров обнаружения флуктуирующей цели.

Проведено исследование оптимальных параметров схемы распределенного волоконного микрофона на основе лабораторной установки фазочувствительного оптического рефлектометра (φ-OTDR), воспроизводящей работу φ-OTDR по одной точке. Исследованы различные схемы построения микрофона на основе φ-OTDR и различные значения частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя. Обоснована оптимальная конфигурации схемы φ-OTDR, которая позволила обеспечить высокое качество распознавания человеческой речи при регистрации голоса предложенным способом с частотой дискретизации 40 кГц. В стандартной фразе, составленной на основе гарвардских предложений, содержащей 80 слов, было распознано 71 слово, т. е. 88.75% от их общего количества.

Описан эксперимент по сейсмическому исследованию геологической структуры морского дна Черного моря с помощью оптического кабеля, уложенного на дно моря (на мелководье), и распределенного акустического датчика (distributed acoustic sensor, DAS). Результаты эксперимента позволяют сделать вывод о перспективности предлагаемой технологии.

Приведен краткий обзор применений распределенных акустических сенсоров для решения геофизических и сейсмометрических задач. Получены теоретические оценки и экспериментальные измерения уровня собственных шумов в распределенных акустических сенсорах, в том числе на субгерцевых частотах. Проведено численное моделирование, позволяющее количественно оценить мощность низкочастотного шума (связанного с медленным изменением температуры зондируемого волокна) в сигнале распределенных акустических сенсоров. Полученные результаты дополнены теоретическими оценками спектральной мощности сигнала от удаленного землетрясения, они демонстрируют важность учета температурных эффектов в волокне при планировании экспериментов, связанных с регистрацией слабых сейсмических событий.

Для расширения возможностей решения геофизических задач с помощью оптоволоконных распределенных систем регистрации акустических волн выполнено сравнение сигналов, полученных традиционными гидрофонами и распределенной оптоволоконной системой с применением кабеля, содержащего прямое и спиральное волокна. Исследования проведены способом межскважинного сейсмического просвечивания. Рассмотрена возможность выделения прямых и преломленных головных волн, зарегистрированных распределенной оптоволоконной системой, и получения с их помощью геолого-геофизической информации о состоянии массива. Показано, что при использовании спирально уложенного волокна первые вступления прямой продольной волны могут быть прослежены для проведения межскважинного просвечивания массива и оценки скоростной характеристики способом межскважинной томографии на прямых волнах. Как для прямого, так и для спирального волокна суммирование головных волн позволяет получать достаточно четкие вступления головной волны даже в сухой части скважины и использовать его для определения скоростей продольных волн околоскважинного массива. Состав волнового поля межскважинного просвечивания зависит от диаграмм направленности как источника, так и приемника упругих колебаний. Применение систем многократных перекрытий позволяет варьировать состав регистрируемого волнового поля за счет взаимного расположения приемной и возбуждающей линий в зависимости от решаемых задач.

Получены и экспериментально охарактеризованы тонкопленочные покрытия оксида олова на поверхности химически утоненной секции одномодового кварцевого световода. Материалы синтезировались на поверхности волокна методом химического парофазного осаждения из металлорганических соединений (MOCVD). Для изменения морфологии поверхности использовалось разное количество тетраметила олова (SnMe₄), подаваемого газом-носителем (осушенным воздухом) в зону осаждения путем варьирования температуры испарителя с реагентом. При осаждении фиксировался в реальном времени спектр пропускания оптического тракта, а температура испарителя в экспериментах менялась от –20°С до +20°С. После изучения поверхности на сканирующем электронном микроскопе осажденные пленки тестировались на химическую стойкость к водному раствору серной кислоты и проводилась оценка чувствительности резонанса затухающей моды (LMR) к изменению показателя преломления окружающей среды в диапазоне от 1.35 до 1.41. Образцы, полученные при более высоких расходах реагента, продемонстрировали большую чувствительность резонанса, равную 3800 нм/единицу показателя преломления (ЕПП) для TM-составляющей первого порядка резонанса, но такие покрытия заметно растворяются в концентрированных растворах серной кислоты, в отличие от покрытий, полученных при малых расходах реагента.