Лазерный мир

В.Н. Трещиков, О.Е. Наний, Д.Р. Харасов, Э.А. Фомиряков, Д.М. Бенгальский, С.П. Никитин. // 10 Международный семинар по волоконным лазерам. Материалы семинара. Новосибирск, 2022. С. 165-166.

Фазочувствительные оптические когерентные рефлектометры (Ф-OTDR) широко используются в качестве распределенных вибро-акустических и температурных датчиков для мониторинга и защиты протяженных объектов [1]. Они становятся важными и для геофизических исследований, где важна работа на низких частотах <10 Гц [2]. В качестве чувствительного элемента Ф-OTDR обычно используется одномодовое оптическое волокно. Оптический импульс, распространяясь по волокну, упруго рассеивается на неоднородностях показателя преломления, вмороженных при изготовлении волокна в стекло (рассеяние Рэлея), при этом малая часть энергии импульса возвращается по волокну обратно.

Случайные фазовые набеги при рассеянии и оптическая интерференция приводят к тому, что интенсивность регистрируемого сигнала напоминает спекл-структуру, крайне чувствительную как к термомеханическому воздействию на волокно, так и к уходу оптической частоты лазера. В полевых условиях температура и натяжение волокна изменяются со временем, а спекл-структура плавно трансформируется, формируя локальные замирания интенсивности, сопровождающиеся возможным появлением в сигнале Ф-OTDR скачков на π и шума 1/f даже при стабильном лазере. Но, если в волокне сформированы равномерно распределенные по длине искусственные рассеивающие центры (ИРЦ) с правильно подобранным шагом, то отражение из волокна регуляризируется, замирания сигнала пропадают, а шум 1/f подавляется [3].

Данные соображения были подтверждены как экспериментально, так и численным моделированием. Нами использовался фазочувствительный Ф-OTDR с временной базой измерения 200 нс [4], поэтому фазовый отклик ~0,1 рад может быть вызван изменением температуры на 0,04 мК, растяжением 0,5·10-9 стрейн либо уходом частоты лазера на 80 кГц между последовательными зондированиями волокна на частоте ~1 кГц [1]. Вместо трудно реализуемого медленного контролируемого изменения температуры длинного волокна использовалась медленная перестройка частоты лазера со скоростью ~15 МГц/с, что эквивалентно 0,5 К/мин. Волокно с ИРЦ и шагом 20 м было предоставлено ИАиЭ СО РАН. Экспериментальные графики спекл-картины и сигналов Ф-OTDR для обычного волокна и волокна с ИРЦ приведены на Рис.1 (а-г), а уменьшение шума 1/f, возникающее при иcпользовании ИРЦ, показано на Рис. 2 (а).
Шумовые характеристики лазера удобно аппроксимируются разложением спектральной плотности шума частоты в виде.

Отдельно было изучено влияние S0 на оптимальное время усреднения сигнала, обеспечивающее максимальную чувствительность рефлектометра за счет снижения эффективной частоты зондирования. На Рис. 2 (б) показана зависимость нормированной дисперсии Аллана интенсивности от времени усреднения для лазеров разных типов. Оптимальное время усреднения ~ 20 – 70 мс и зависит не только от S0, но и от скорости линейного ухода частоты. Данный результат был подтвержден численно с использованием модели [5], дополненной с учетом шумов спонтанной эмиссии Er-усилителей, используемых в Ф-OTDR.

Полное содержание статьи на https://rfl22.iae.nsk.su/ru/articles/076_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%BD%20%D0%A1.%D0%9F..pdf