Измерения с использованием оптоволокна

Что представляют собой измерения с использованием оптоволокна?

В измерениях с использованием оптоволокна физические характеристики света, распространяющегося по оптоволокну, используются для определения изменений температуры, механических воздействий и прочих параметров. В качестве оптического датчика применяется само оптоволокно, по всей длине которого можно получать тысячи точек сбора данных. Именно это и называется распределенными измерениями на базе оптоволокна.

Устройства, измеряющие параметры самого оптоволокна, как правило, называются опросными устройствами. Их задача — распределенно измерять температуру или механическое воздействие на обычное или специализированное оптоволокно методами Рамана или Бриллюэна.

Fiber Optic Sensing


Например, используя опросное устройство для измерений с использованием оптоволокна, можно:

  • Выявлять места локальных перегревов кабеля питания.
  • Выявлять места чрезмерных механических воздействий на оптический кабель и реагировать до его обрыва.

Примеры измерений с использованием оптоволокна приведены ниже:

Fiber Optic Sensing

Каковы механизмы измерений с использованием оптоволокна?

Оптоволоконный кабель может быть пассивным измерительным средством, являясь линией связи между испытательным стендом и внешним датчиком. В то же время в измерительных системах активного типа датчиком является собственно оптоволокно.

Преимущество такого типа оптической измерительной технологии в том, что между оптоволокном и внешними датчиками не нужны отдельные интерфейсы, что снижает сложность и стоимость системы. Чтобы такая система работала, предоставляя измеримые данные, на свет, распространяющийся по кабелю, должны влиять внешние факторы, такие как изменения температуры и механических влияний.

Рэлеевское рассеяние — феномен произвольного рассеяния фотонов света после их столкновения с частицами в оптоволокне. Этот принцип доказал свою полезность в различных методиках тестирования оптоволокна, например при оптической рефлектометрии, так как объем, длина волны и расположение обратно рассеиваемого света могут определять силу и местоположение событий затухания в оптоволокне.

Аналогичным образом, рассеяние света по методу Рамана вызывает температурные изменения обратно рассеиваемых в направлении источника фотонов на полосе Стокса. Измеряя разницу интенсивности обратно рассеянного света на полосах Стокса и анти-Стокса, можно точно определить температуру на любом данном отрезке оптоволокна.

Бриллюэновское рассеяние — аналогичный феномен, при котором на длину волны обратно рассеянного света схожим образом влияют внешняя температура и акустические явления. Эти данные в сочетании с общей информацией о температуре в той же точке можно использовать для точного определения механических воздействий на оптоволокно и анализа, на какие участки (зоны) оптоволокна они распространяются.

Распределенные измерения с использованием оптоволокна

Методы рассеяния по Раману и Бриллюэну эффективно используются в распределенных измерениях оптоволокна (DFS). Рамановское рассеяние используется для распределенного измерения температуры, а рассеяние по методу Бриллюэна — для распределенного измерения температуры и механических воздействий (DTSS). Оптические потери оптоволокна не влияют на эти измерения, поэтому температуру и механические воздействия можно измерять на участках длиной в несколько десятков километров.

В этом контексте «распределенный» указывает, что технология позволяет производить непрерывные измерения по всей длине оптоволокна. Датчиком является само оптоволокно. А поскольку эта измерительная методика основана на свойствах оптоволокна, можно использовать обычный телекоммуникационный оптоволоконный кабель, если температура не превышает 100 ˚C, и на кабель не будет оказываться чрезмерное химическое или механическое разрушающее воздействие.

О развитии технологии измерения с использованием оптоволокна

Очевидный потенциал измерений с использованием оптоволокна был реализован еще до того, как оптоволокно начало применяться в телекоммуникациях в 1970-х годах. Фотонный датчик, внешнее устройство, используемое для бесконтактного измерения вибраций, был запатентован в 1967 году. К середине 1980-х годов были определены принципы волоконно-оптического гироскопа, позволяющие точно определять угловую скорость за счет фазового сдвига светового луча в оптоволокне.

Те же самые компоненты и инфраструктура, созданные для оптоволокна в телекоммуникациях, включая одномодовое оптоволокно, смесители и разветвители, подходят для инфраструктуры измерений на базе оптоволокна. Дополнительными преимуществами этого метода измерений является нечувствительность к электрическим воздействиям, возможность использования на дальних расстояниях и устойчивость к коррозии. И хотя первые системы измерений на базе оптоволокна были созданы в 1970-х годах, распределенные измерения температуры, механических и акустических воздействий, давления и прочих параметров стали популярны только к началу 1990-х. Одной из первых отраслей, где поняли огромное преимущество распределенных температурных измерений на базе оптоволокна, стала нефтегазовая отрасль в конце 1990-х годов.

В тот же период появился метод брэгговской решетки, который предусматривает формирование периодических микроскопических оптических «зеркал» по всей длине оптоволокна. Это открытие, ставшее случайным следствием серии с аргоно-ионовыми источниками излучения, оказалось полезным для некоторых типов измерений с использованием оптоволокна.

Решетки играют роль фильтра, отражая определенные длины волн и пропуская другие. То, какие длины волн отражаются, также может изменяться в зависимости от температуры, механических воздействий или давления так, что каждый вид воздействия проявляется в оптоволокне по-своему. Несмотря на то, что этот формат эффективно используется во многих отраслях, для него требуется особая конструкция оптоволокна и очень высокое разрешение при анализе длины волны, из-за чего стоимость метода существенно возрастает, не позволяя применять его для некоторых измерений.

Для информирования общественных, государственных и отраслевых структур о преимуществах измерений на базе оптоволокна в 2017 году была создана Ассоциация измерений на базе оптоволокна (Fiber Optic Sensing Association, FOSA). Основываясь на обширном списке существующих и потенциальных преимуществ, FOSA создает образовательные материалы, в которых описывается использование измерений на базе оптоволокна в самых разнообразных сценариях использования, например, определение сейсмической активности, противодействие торговле людьми и перевозки. Так у передовой измерительной технологии появилась своя ассоциация и представители, которые активно пропагандируют ее распространение.


Каковы сферы применения распределенных измерений на базе оптоволокна?

Вот несколько сфер применения, где могут использоваться опросные устройства для оптоволокна.

  • Измерения в оптических сетях: защита, контроль и мониторинг оптоволоконных сетей.
  • Измерения для мониторинга инфраструктуры: оптоволокно, используемое как датчик, может использоваться для мониторинга инфраструктуры. В этом случае оптоволокно прокладывается вдоль объекта важнейшей инфраструктуры, например, моста, трубопровода, скважины или дамбы, чтобы в случае внезапного физического воздействия, движения или изменения температуры подать сигнал тревоги, указывающий на возможность повреждения или отказа инфраструктурного объекта. Их можно использовать для контроля проходов (дверей или люков), чтобы подавать сигнал тревоги в случае взлома. 

Опросные устройства VIAVI для оптоволокна могут использоваться в разных сценариях мониторинга инфраструктуры.

  • Определение колебаний земной поверхности вдоль трубопровода
  • Определение механической деформации трубопровода
  • Определение и выявление места утечки на трубопроводе, насыпи, дамбе и пр.
  • Определение и выявление места любой критической точки в оптической сети связи.
  • Определение и выявление места локальных перегревов энергокабеля
Hotspots and leakage

Какие типы опросных устройств для оптоволоконных датчиков предлагает компания VIAVI?

Портфель контрольно-измерительных устройств VIAVI для оптоволокна включает в себя:

  • Устройства DTS (распределенное измерение температуры) на базе технологии оптического рефлектометра по методу Рамана
  • Устройства DTSS (распределенное измерение температуры и механических воздействий) на базе технологии оптического рефлектометра по методу Бриллюэна

Как периодически проводить контроль инфраструктуры?

Использование портативной платформы, такой как VIAVI MTS-8000 с модулем DTS или DTSS позволит проверяющему проводить измерения характеристик оптоволокна на месте.  Кроме того, использование ONMSi и устройства для тестирования оптики (OTU) в стоечном исполнении с модулями DTS и DTSS позволяет наблюдать за оптоволокном за счет его периодической контрольной трассировки и уведомлять об изменениях при наличии отклонений от эталонной трассы. 

Ниже приведен пример VIAVI DTSS:

  • Опросное устройство VIAVI DTSS — оптический рефлектометр, работающий по методу Бриллюэна (BOTDR). В оптоволокно, которое исполняет роль оптоволоконного датчика, вводится короткий световой импульс. Распространяющийся от источника свет генерирует обратное рассеяние по Бриллюэну в виде двух длин волн по всем точкам оптоволокна.
DTSS MTS Strain

Fiber Sensor Under Test

  • Эти длины волн обратного рассеяния по Бриллюэну отличаются от тех, которыми характеризуется распространяющийся «вперед» свет, и они известны под названием «Стоукс» и «анти-Стоукс». Различие между уровнями «Стоукс» и «анти-Стоукс» и их частота представляет собой картину температуры и механических воздействий вдоль волокна.

Brillouin Spectra

Как тестирование с использованием оптоволокна может сократить среднее время ремонта критической инфраструктуры или оптической сети?

Мониторинг волокна позволяет немедленно подать предупреждающий сигнал при проявлении изменений. Кроме того, местоположение события указывается на карте. Таким образом, организация может оперативно отправить специалистов на проверку оптоволокна или на ремонт и произвести его правильно с первого раза, не тратя время на определение местоположения проблемы. Узнайте подробнее о тестировании с использованием волоконно-оптического кабеля.

О перебоях в обслуживании, вызванных обрывом оптоволоконного кабеля, сообщат клиенты, но часто при обрыве на кабель оказывается необратимое механическое воздействие по обе стороны обрыва или повреждения. Рассмотрим пример повреждения кабеля экскаватором. В этом случае кабель испытывал натяжение, рывки и трение.  Проверка кабеля на механические воздействия позволит техническому специалисту определить, какие именно участки кабеля требуют замены и привлечь к ответственности сторону, повредившую кабель, используя в качестве доказательства данные DTSS.  То же самое относится к повреждениям, вызванным неблагоприятными погодными условиями, например, падением ветвей дерева на воздушные кабели.

Fiber Optic Sensing       Fiber Optic Sensing

Наиболее распространенным, но труднодиагностируемым случаем является чрезмерное механическое воздействие на кабель. В результате длина кабеля необратимо увеличивается, снижается его прочность и может ухудшиться коэффициент пропускания света. Ниже приведен пример теста на механическое воздействие с использованием DTSS. Все три участка кабеля повреждены, но обычная Рэлеевская оптическая рефлектометрия не отразит этой проблемы. Пики указывают, что кабель необходимо заменить.

Fiber Optic Sensing

Каково будущее измерений на базе оптоволокна?

С учетом широкого спектра преимуществ, которыми уже пользуются различные отрасли, можно предположить, что эффективность существующих продуктов будет расти, а их стоимость — снижаться; кроме того, будут появляться новые варианты применения. Среди таких возможностей, отмеченных FOSA, например, использование измерений на базе оптоволокна в «умных городах», интеграция Интернета вещей (IoT) и новые типы оптоволокна, разработанные специально для агрессивных сред.

Новым методом является измерение контуров на базе оптоволокна, который позволяет получать в реальном времени точные данные о местоположении на больших дистанциях и при сложной геометрии. Встраивание оптоволокна в интересующий объект или его прикрепление, например, к ветрякам, туннелям и высотным зданиям позволяет постоянно наблюдать за ними по всему объему по целому спектру параметров, включая температуру, давление и пр.

 

Та же технология может даже использоваться для замеров и диагностики в человеческом теле в инновационных медицинских устройствах. Измерения на базе оптоволокна могут использоваться для отслеживания хирургических инструментов, в диагностической визуализации и даже для диагностики сосудов. А растущая потребность в обеспечении безопасности границы позволит применять измерительные оптоволоконные технологии для создания оптических «заборов», позволяющих определять места проникновения без громоздких физических барьеров.

Хотя невероятные возможности передачи данных и связи благодаря оптоволокну хорошо известны, другие способности, которые обеспечивают те же самые компоненты, а именно, распределенные измерения на базе оптоволокна, известны не так широко. С развитием взаимосвязей в обществе потребность в наблюдении, безопасности и минимальном времени реакции будет только расти. Творческое применение технологий измерений на базе оптоволокна поможет удовлетворить эти требования.


 

Начните сотрудничество  с VIAVI сегодня!

Хотите продолжить знакомство с нашими продуктами или решениями для измерений на базе оптоволокна?
Заполните одну из следующих форм: