Волоконно-оптические датчики на основе обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна: метрологические характеристики и тренды развития

Волоконно-оптические датчики, основанные на обратном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна, представляют собой перспективный класс распределённых оптических датчиков для одновременного мониторинга температуры и деформации оптического волокна вдоль протяжённых объектов инфраструктуры. До настоящего времени ключевые метрологические характеристики таких датчиков анализировали без установления корреляционных связей между ними. Однако при разработке исследуемых датчиков необходим комплексный анализ основных метрологических характеристик, который позволяет более точно прогнозировать реальные метрологические характеристики датчика в условиях одновременного воздействия нескольких факторов. Актуальность комплексного анализа обусловлена необходимостью перехода от оценочных измерений к системному проектированию с целью достижения требуемой точности и стабильности датчика в рабочих условиях. Проведён комплексный анализ таких ключевых метрологических характеристик датчиков, основанных на обратном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна, как пространственное разрешение, динамический диапазон, погрешности и скорость измерений. Установлено, что пространственное разрешение исследуемых волоконно-оптических датчиков обусловлено временем релаксации акустических фононов и ограничивается значением около 1 м, однако применение методов дифференциального импульса и синтетического анализа спектра позволяет достичь разрешения 0,1–0,4 м. Проанализирована чувствительность волоконно-оптических датчиков к изменениям температуры и механической деформации. Получены линейные зависимости сдвига частоты Бриллюэна от деформации, однако из-за взаимной чувствительности этих параметров для их разделения использованы гибридные методы. Исследованы методы оптимизации отношения сигнал/шум с использованием волоконных усилителей, одиночно-фотонных детекторов и алгоритмических фильтров. Показано, что применение комбинированного рамановского усиления позволяет расширить дальность измерения температуры и деформации оптического волокна до 120 км при сохранении пространственного разрешения 5 м и температурной погрешности в пределах ±(1–2) °C. Детально исследованы компромиссные соотношения между основными метрологическими характеристиками волоконно-оптических датчиков на основе обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Данные анализа метрологических характеристик важны для определения приоритетных направлений совершенствования волоконно-оптических датчиков. Полученные результаты имеют практическое значение при проектировании исследованных волоконно-оптических датчиков для структурного мониторинга критически важной инфраструктуры, включая мосты, дамбы, туннели и т. п.

1. Horiguchi T., Shimizu K., Kurashima T., Tateda M., Koyamada Y. Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering. Journal of Lightwave Technology, 13(7), 1296–1302 (1995). https://doi.org/10.1109/50.400684

2. Belal M., Newson T. Experimental examination of the variation of the spontaneous Brillouin power and frequency coefficients under the combined influence of temperature and strain. Journal of Lightwave Technology, 30(8), 1250–1255 (2012). https://doi.org/10.1109/JLT.2011.2169393

3. Zheng H., Fang Z., Wang Z., Lu B., Cao Y, Ye Q., Qu R., Haiwen C. Brillouin frequency shift of fiber distributed sensors extracted from noisy signals by quadratic fitting. Sensors, 18(2), 1250–1261 (2018). https://doi.org/10.3390/s18020409

4. Soto M. A., Thévenaz L. Modeling and evaluating the performance of Brillouin distributed optical fiber sensors. Optics Express, 21(25), 956–967 (2013). https://doi.org/10.1364/OE.21.031347

5. Garus D., Gogolla T., Krebber K., Schliep F. Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements. Journal of Lightwave Technology, 15(7), 654–662 (1997). https://doi.org/10.1109/50.566687

6. Bao X., Webb D. J., Jackson D. A. 22-km distributed temperature sensor using Brillouin gain in an optical fiber. Optics Letters, 18(7), 552–554 (1993). https://doi.org/10.1364/OL.18.000552

7. Peled Y., Motil A., Tur M. Fast Brillouin optical time domain analysis for dynamic sensing. Optics Express, 20(8), 8584–8591 (2012). https://doi.org/10.1364/OE.20.008584

8. Azad A. K., Wang L, Guo N., Tam H-Y., Lu C. Signal processing using artificial neural network for BOTDA sensor system. Optics Express, 24(6), 6769–6782 (2016). https://doi.org/10.1364/OE.24.006769

9. Wu H., Wang L, Guo N., Shu C., Lu C. Brillouin optical time-domain analyzer assisted by support vector machine for ultrafast temperature extraction. Journal of Lightwave Technology, 35(19), 4159–4167 (2017). https://doi.org/10.1109/jlt.2017.2739421

10. Pan X., Barker P. F., Meschanov A., Grinstead J. H., Shneider M. N., Miles R. B. Temperature measurements by coherent Rayleigh scattering. Optics Letters, 27(3), 161–163 (2002). https://doi.org/10.1364/OL.27.000161 ; https://elibrary.ru/fvdlhb

11. Bao X., Dhliwayo J., Heron N., Webb D. J., Jackson D. A. Experimental and theoretical studies on a distributed temperature sensor based on Brillouin scattering. Journal of Lightwave Technology, 13(7), 1340–1348 (1995). https://doi.org/10.1109/50.400678

12. Xu Z., Zhao L. Investigation of Brillouin frequency shift error estimated by quadratic fitting and the improved algorithm. Optic, 241(8), 166456 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166456 ; https://elibrary.ru/ddncqu

13. Thévenaz L., Niklès M., Fellay A., Facchini M., Robert P. Truly distributed strain and temperature sensing using embedded optical fibers. Proceedings of SPIE, 3330, 301–314 (1998). https://doi.org/10.1117/12.316986

14. Константинов Ю. А., Крюков И. И., Первадчук В. П., Торошин А. Ю. Поляризационная рефлектометрия анизотропных волоконных световодов. Квантовая электроника, 39(11), 1068–1070 (2009). https://elibrary.ru/mwshwx

15. Барков Ф. Л., Константинов Ю. А., Бочкова С. Д., Смирнов А. С., Бурдин В. В., Кривошеев А. И., Носова Е. А., Сметанников О. Ю. Моделирование метода поляризационной оптической рефлектометрии в частотной области анизотропных волоконных световодов, подверженных осевому кручению. Квантовая Электроника, 49(5), 514–517 (2019). https://elibrary.ru/bvlupe

16. Brown A., Colpitts, B., Brown, K. Dark-pulse Brillouin optical time-domain sensor with 20-mm spatial resolution. Journal of Lightwave Technology, 25(1), 381–386 (2007). https://doi.org/10.1109/JLT.2006.886672

17. Wang F., Bao X., Chen L., Li Y., Snoddy J., Zhang X. Using pulse with dark base to achieve high spatial and frequency resolution for the distributed Brillouin sensor. Optics Letters, 33(22), 2707–2709 (2008). https://doi.org/10.1364/OL.33.002707

18. Богачков И. В. Анализ характеристик рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в разновидностях эрбиевых оптических волокон. Омский научный вестник, 192(4), 108–116 (2024). https://doi.org/10.25206/1813-8225-2024-192-108-116 ; https://elibrary.ru/gyutjm

19. Кривошеев А. И., Барков Ф. Л., Константинов Ю. А., Белокрылов М. Е. Современные методы определения частотного сдвига рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в волоконно-оптической метрологии и сенсорике (обзор). Приборы и техника эксперимента, (5), 5–30 (2022). https://doi.org/10.31857/S0032816222050275 ; https://elibrary.ru/cvroca

20. Белокрылов М. Е., Клод Д., Константинов Ю. А., Карнаушкин П. В., Овчинников К. А., Криштоп В. В., Гилев Д. Г., Барков Ф. Л., Пономарев Р. С. Способ увеличения отношения сигнал/шум регистрируемого оптическим рефлектометром частотной области обратно-рассеянного рэлеевского излучения при помощи двухкаскадного эрбиевого усиления. Приборы и техника эксперимента, (5), 56–63 (2023). https://doi.org/10.31857/S0032816223050178 ; https://elibrary.ru/zuwzbo