eng
Выпуск #3/2014
С.Ловгрин
Волоконные лазеры с низким уровнем шума для оптических сенсорных систем
Волоконные лазеры с низким уровнем шума для оптических сенсорных систем
Просмотры: 5180
Одночастотные волоконные лазеры серии Koheras с уровнем выходной мощности от 10 мВт до 15 Вт, излучающие в диапазоне от 1 до 1,5 мкм длин волн, удовлетворяют критериям многих сенсорных систем. В обнаружении вихревых следов самолета, охране трубопроводов, транспортировке жидкостей и газов, ветровой анемометрии – везде востребованы их беспрецедентные характеристики: узкая линия излучения, низкий уровень шума, компактность и надежность.
Теги: fiber-optical sensors single frequency fiber lasers волоконно-оптические датчики одночастотные волоконные лазеры
Датская компания NKT Photonics с 1997 года занимается производством малошумящих одночастотгых волоконных лазеров для глобальных исследовательских лабораторий, интеграторов оптических систем зондирования для космической и оборонной промышленности. Сегодня наибольшая доля волоконных лазеров используется в интерференционных оптических системах зондирования для добычи нефти и газа, контроля целостности трубопровода, охраны периметра и определения скорости ветра. Низкий фазовый шум (рис.1) и стабильность, свобода от эффекта mode-hop в одночастотном режиме функционирования и субкилогерцевая ширина линии являются ключевыми техническими характеристиками, которые позволяют использовать оптические волокна длиной в десятки километров с высокой чувствительностью и точностью.
Волоконный лазер выполнен по схеме с распределенной обратной связью (DFB – Distributed Feed-Back) и имеет, по существу, надежный лазерный резонатор. Высокая добротность и относительно большая длина резонатора DFB в сочетании с большим времен жизни ионов редкоземельных металлов в кремнии обеспечивают принципиально низкие значения фазового шума и узкую ширину спектральной линии излучения. Тщательный дизайн упаковки для уменьшения эффекта вибрации и акустических шумов и использование источников накачки с низким шумом ведут к снижению последствий технического шума. Конечным продуктом является лазерный источник, который сочетает в себе простоту использования, низкое энергопотребление, низкие массогабаритные характеристики и непревзойденные в своем классе величины фазового шума и ширины спектральной линии.
В наши дни системы оптического зондирования на основе волоконных датчиков укрепляют свои позиции. Для этого у них есть все основания в виде ряда преимуществ перед традиционными технологиями на основе электрических преобразователей пьезоэлектрических гидрофонов. Они пассивны, то есть не являются электрическими изделиями, компактны, имеют малый вес, надежны и могут быть легко мультиплексированы в очень большие массивы датчиков, благодаря высокой чувствительности в большом динамическом диапазоне. В интерферометрических системах оптического зондирования, построенных, например, на базе когерентного детектирования обратного рассеяния Рэлея, оптическое волокно, как правило, выступает в качестве длинного непрерывного датчика, который чрезвычайно чувствителен к акустическим возмущениям окружающей средой. Маленькие воздействия вызывают изменение длины оптического пути в волокне. И когда на фотодетектор попадают когерентно сложенные сигналы зондирующего и эталонного излучения от самого лазерного источника (гетеродинная согласованная схема обнаруженияю), то на нем появляются "отпечатки пальцев" акустических изображений. Затем с помощью математической обработки можно предоставить подробную информацию о произошедшем событии и определить место его расположения вдоль волокна. Для наблюдения периметра оптические системы используют сложные алгоритмы подавления фонового шума, который может возникнуть в результате таких посторонних источников, как дождевые капли или порывы ветра. Так что сигнал тревоги срабатывает только в соответствии с появлением потенциально критических событий.
В нефтяной и других отраслях промышленности, таких как транспортировка воды или сточных вод по длинным маршрутам трубопроводных линий, очень важное значение имеют целостность и состояние трубопроводов. В связи с экономической значимостью эти трубопроводы также являются потенциальными мишенями для вторжения. Кроме того, механические трещины и усталость могут приводить к огромным разливам транспортируемых продуктов с серьезными экономическими и экологическими последствиями. Интерферометрические оптические системы зондирования предлагают профилактические и точные средства для обнаружения инцидентов или возникающих механических повреждений. Ведь при этом меры предосторожности могут быть приняты еще на ранней стадии.
Растущая потребность в оптимизации добычи нефти, регулировании ее потока через трубопроводы, в мониторинге состояния трубопроводов и защите критически важных активов повышает спрос на системы оптических датчиков. А это ведет к росту потребности в малошумящих лазерных источниках. Добыча нефти стала более сложной, и сегодня существующие скважины дают меньше нефти. В настоящее время только около четверти нефтяных скважин эксплуатируются в течение долгого времени. Тем не менее, проводя постоянный мониторинг скважин, можно улучшить поиски нефти и следить за ее движением. Оптический мониторинг это то, что помогает улучшить эксплуатацию существующей инфраструктуры вокруг нефтяной скважины и извлечь выгоду из начальных вложенных в нее инвестиций. В качестве примера вспомним, что в датском нефтяном секторе один дополнительный процент добычи нефти из недр соответствует совокупной стоимостью 1 млрд. долл. [1]. Оптоволоконные лазеры с низким шумом в настоящее время развернуты в разных местах среди больших массивов нефтяных гидрофонных сенсоров. Они помогают найти нефть, снимая отраженные от морского дна акустические сигналы, порожденные звуковыми волнами от крупных пневматических зондов (рис.2).
На ближайшие годы запланировано проложить еще множество подводных зондирующих систем. В настоящее время проложены волоконно-оптические наземные системы, ведущие рассчеты на основе геосейсмических подсчетов (около 1 млн. каналов). Для всех них шум является ключевым параметром определения производительности системы для получения надежных данных и четких изображений, и в этой игре лазерный фазовый шум играет центральную роль. Поэтому продолжающееся развитие волоконно-оптических геосейсмических систем помогает подтолкнуть лазерные технологии к созданию компактных волоконных устройств с непревзойденно низким фазовым шумом.
Лазеры Koheras играют важную роль в новом поколении лазерных дальномеров. Лидары для зондирования ветряных потоков используются в метеорологии, где доплеровский сдвиг света, рассеянного аэрозолями (рассеяние Ми), используется для косвенного измерения скорости ветра и турбулентности. Это требует, прежде всего лазерных источников, излучающих на одной частоте, с узкой линией и оптической мощностью до 1 Вт, но при этом с очень низким относительным шумом (RIN относительная интенсивность шума). Такие требования необходимы, чтобы датчик был в состоянии обнаружить очень слабые сигналы, рассеянные назад аэрозолями и частицами, переносимыми ветром. Лазер излучает свет в диапазоне длин волн безопасного полета на длине 1,5 мкм, что не вызывает повреждение глаз человека или животного.
Использование лазерной анемометрии будет иметь важное значение для будущего управления альтернативными источниками энергии на основе энергии ветра. И это важно для успеха ветровых проектов. Данные о ветре традиционно собирались с помощью дорогостоящих анемометров, которые выполняют только точечные измерения. Это создает большие трудности в связи с необходимостью иметь данные с многочисленных точек на протяжении всего потока ветра. К тому же известно, что для установки анемометров мачтового типа требуется дополнительное разрешение на строительство и получение сертификата безопасности для здоровья окружающих.
Ветряные лидары в настоящее время используются в качестве датчиков для прогноза ветровых потоков, образующихся впереди ветровых турбин при их эксплуатации (рис.3). Они имеют ряд преимуществ перед традиционными анемометрами, такими как широко используемые чашечные анемометры, которые ограничены в возможности мгновенных измерений, или перед сонарами, которые предсказывают скорость потока ветра, но с низкой точностью. Возможность достоверно предсказать скорость и направление ветра, как ожидается, станет очень полезным инструментом в отрасли ветряных турбин. Этой отрасли потребуется информация для контроля и поиска высоты с целью оптимизации энергопотребления. И, что еще более важно, потребность в такой информации объясняется необходимостью снижения нагрузки и определения усталости больших турбинных структур. Это может привести к новым разработкам в дизайне строительства, управлении, эксплуатации и жизнеобеспечении, и в конце концов сводится к стоимости владения для владельцев активов. Типичное время жизни ветровых турбин – около 20 лет, но при правильном использовании в их управлении информации от ветряных лидаров возсожно продлить этот срок на 30%. В результате будут снижены нагрузки на турбины от турбулентных вихрей [2].
Другие приложения, которые могут извлечь выгоду от использования ветровых лидаров, это обеспечение безопасности полетов и обнаружения вихревого следа на посадочных площадках в аэропортах. NKT Photonics тесно сотрудничает с ведущим мировым научно-исследовательским центром по изучению энергии ветра – Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy (Национальной лабораторией по устойчивому развитию энергетики). Компания получила ноу-хау в области определния требований, предъявляемых к лазерам для обеспечения рабочего цикла ветряных турбин с помощью ветряных лидаров.
Лазеры Koheras играют важную роль в прорывных научных проектах, осуществляемых по всему миру, например в работе миссии Swarm европейского космического агентства. Задача спутника, запущенного в ноябре 2013 года, – разгадать один из самых загадочных аспектов нашей планеты – магнитное поле [3] (рис.4). Лазеры компании Koheras не были первоначально предназначены для установки на спутниках, но в конце 90-х годов появилось решение их использовать. Этот проект – свидетельство тому, что волоконный лазер способен удовлетворить самым взыскательным требованиям космической отрасли. Таким образом, он работает в соответствии с высокими стандартами, заложенными в индустрии оптического зондирования.
Литератруа
http://videnskab.dk/kort-nyt/ny-laserbaseret-vindmaling-kan-forlaenge-vindmollers-levetid
http://hoejteknologifonden.dk/nyheder/nyhedsoversigt/ny_laserbaseret_vindmaaling_kan_forlaenge_vindmoellers_levetid/
http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/The_Living_Planet_Programme/Earth_Explorers/Swarm/Preparing_to_launch_Swarm & http://smsc.cnes.fr/SWARM/premiere_mondiale.htm
Статья публикуется с разрешения
редакции журнала LaserFocusWord
Волоконный лазер выполнен по схеме с распределенной обратной связью (DFB – Distributed Feed-Back) и имеет, по существу, надежный лазерный резонатор. Высокая добротность и относительно большая длина резонатора DFB в сочетании с большим времен жизни ионов редкоземельных металлов в кремнии обеспечивают принципиально низкие значения фазового шума и узкую ширину спектральной линии излучения. Тщательный дизайн упаковки для уменьшения эффекта вибрации и акустических шумов и использование источников накачки с низким шумом ведут к снижению последствий технического шума. Конечным продуктом является лазерный источник, который сочетает в себе простоту использования, низкое энергопотребление, низкие массогабаритные характеристики и непревзойденные в своем классе величины фазового шума и ширины спектральной линии.
В наши дни системы оптического зондирования на основе волоконных датчиков укрепляют свои позиции. Для этого у них есть все основания в виде ряда преимуществ перед традиционными технологиями на основе электрических преобразователей пьезоэлектрических гидрофонов. Они пассивны, то есть не являются электрическими изделиями, компактны, имеют малый вес, надежны и могут быть легко мультиплексированы в очень большие массивы датчиков, благодаря высокой чувствительности в большом динамическом диапазоне. В интерферометрических системах оптического зондирования, построенных, например, на базе когерентного детектирования обратного рассеяния Рэлея, оптическое волокно, как правило, выступает в качестве длинного непрерывного датчика, который чрезвычайно чувствителен к акустическим возмущениям окружающей средой. Маленькие воздействия вызывают изменение длины оптического пути в волокне. И когда на фотодетектор попадают когерентно сложенные сигналы зондирующего и эталонного излучения от самого лазерного источника (гетеродинная согласованная схема обнаруженияю), то на нем появляются "отпечатки пальцев" акустических изображений. Затем с помощью математической обработки можно предоставить подробную информацию о произошедшем событии и определить место его расположения вдоль волокна. Для наблюдения периметра оптические системы используют сложные алгоритмы подавления фонового шума, который может возникнуть в результате таких посторонних источников, как дождевые капли или порывы ветра. Так что сигнал тревоги срабатывает только в соответствии с появлением потенциально критических событий.
В нефтяной и других отраслях промышленности, таких как транспортировка воды или сточных вод по длинным маршрутам трубопроводных линий, очень важное значение имеют целостность и состояние трубопроводов. В связи с экономической значимостью эти трубопроводы также являются потенциальными мишенями для вторжения. Кроме того, механические трещины и усталость могут приводить к огромным разливам транспортируемых продуктов с серьезными экономическими и экологическими последствиями. Интерферометрические оптические системы зондирования предлагают профилактические и точные средства для обнаружения инцидентов или возникающих механических повреждений. Ведь при этом меры предосторожности могут быть приняты еще на ранней стадии.
Растущая потребность в оптимизации добычи нефти, регулировании ее потока через трубопроводы, в мониторинге состояния трубопроводов и защите критически важных активов повышает спрос на системы оптических датчиков. А это ведет к росту потребности в малошумящих лазерных источниках. Добыча нефти стала более сложной, и сегодня существующие скважины дают меньше нефти. В настоящее время только около четверти нефтяных скважин эксплуатируются в течение долгого времени. Тем не менее, проводя постоянный мониторинг скважин, можно улучшить поиски нефти и следить за ее движением. Оптический мониторинг это то, что помогает улучшить эксплуатацию существующей инфраструктуры вокруг нефтяной скважины и извлечь выгоду из начальных вложенных в нее инвестиций. В качестве примера вспомним, что в датском нефтяном секторе один дополнительный процент добычи нефти из недр соответствует совокупной стоимостью 1 млрд. долл. [1]. Оптоволоконные лазеры с низким шумом в настоящее время развернуты в разных местах среди больших массивов нефтяных гидрофонных сенсоров. Они помогают найти нефть, снимая отраженные от морского дна акустические сигналы, порожденные звуковыми волнами от крупных пневматических зондов (рис.2).
На ближайшие годы запланировано проложить еще множество подводных зондирующих систем. В настоящее время проложены волоконно-оптические наземные системы, ведущие рассчеты на основе геосейсмических подсчетов (около 1 млн. каналов). Для всех них шум является ключевым параметром определения производительности системы для получения надежных данных и четких изображений, и в этой игре лазерный фазовый шум играет центральную роль. Поэтому продолжающееся развитие волоконно-оптических геосейсмических систем помогает подтолкнуть лазерные технологии к созданию компактных волоконных устройств с непревзойденно низким фазовым шумом.
Лазеры Koheras играют важную роль в новом поколении лазерных дальномеров. Лидары для зондирования ветряных потоков используются в метеорологии, где доплеровский сдвиг света, рассеянного аэрозолями (рассеяние Ми), используется для косвенного измерения скорости ветра и турбулентности. Это требует, прежде всего лазерных источников, излучающих на одной частоте, с узкой линией и оптической мощностью до 1 Вт, но при этом с очень низким относительным шумом (RIN относительная интенсивность шума). Такие требования необходимы, чтобы датчик был в состоянии обнаружить очень слабые сигналы, рассеянные назад аэрозолями и частицами, переносимыми ветром. Лазер излучает свет в диапазоне длин волн безопасного полета на длине 1,5 мкм, что не вызывает повреждение глаз человека или животного.
Использование лазерной анемометрии будет иметь важное значение для будущего управления альтернативными источниками энергии на основе энергии ветра. И это важно для успеха ветровых проектов. Данные о ветре традиционно собирались с помощью дорогостоящих анемометров, которые выполняют только точечные измерения. Это создает большие трудности в связи с необходимостью иметь данные с многочисленных точек на протяжении всего потока ветра. К тому же известно, что для установки анемометров мачтового типа требуется дополнительное разрешение на строительство и получение сертификата безопасности для здоровья окружающих.
Ветряные лидары в настоящее время используются в качестве датчиков для прогноза ветровых потоков, образующихся впереди ветровых турбин при их эксплуатации (рис.3). Они имеют ряд преимуществ перед традиционными анемометрами, такими как широко используемые чашечные анемометры, которые ограничены в возможности мгновенных измерений, или перед сонарами, которые предсказывают скорость потока ветра, но с низкой точностью. Возможность достоверно предсказать скорость и направление ветра, как ожидается, станет очень полезным инструментом в отрасли ветряных турбин. Этой отрасли потребуется информация для контроля и поиска высоты с целью оптимизации энергопотребления. И, что еще более важно, потребность в такой информации объясняется необходимостью снижения нагрузки и определения усталости больших турбинных структур. Это может привести к новым разработкам в дизайне строительства, управлении, эксплуатации и жизнеобеспечении, и в конце концов сводится к стоимости владения для владельцев активов. Типичное время жизни ветровых турбин – около 20 лет, но при правильном использовании в их управлении информации от ветряных лидаров возсожно продлить этот срок на 30%. В результате будут снижены нагрузки на турбины от турбулентных вихрей [2].
Другие приложения, которые могут извлечь выгоду от использования ветровых лидаров, это обеспечение безопасности полетов и обнаружения вихревого следа на посадочных площадках в аэропортах. NKT Photonics тесно сотрудничает с ведущим мировым научно-исследовательским центром по изучению энергии ветра – Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy (Национальной лабораторией по устойчивому развитию энергетики). Компания получила ноу-хау в области определния требований, предъявляемых к лазерам для обеспечения рабочего цикла ветряных турбин с помощью ветряных лидаров.
Лазеры Koheras играют важную роль в прорывных научных проектах, осуществляемых по всему миру, например в работе миссии Swarm европейского космического агентства. Задача спутника, запущенного в ноябре 2013 года, – разгадать один из самых загадочных аспектов нашей планеты – магнитное поле [3] (рис.4). Лазеры компании Koheras не были первоначально предназначены для установки на спутниках, но в конце 90-х годов появилось решение их использовать. Этот проект – свидетельство тому, что волоконный лазер способен удовлетворить самым взыскательным требованиям космической отрасли. Таким образом, он работает в соответствии с высокими стандартами, заложенными в индустрии оптического зондирования.
Литератруа
http://videnskab.dk/kort-nyt/ny-laserbaseret-vindmaling-kan-forlaenge-vindmollers-levetid
http://hoejteknologifonden.dk/nyheder/nyhedsoversigt/ny_laserbaseret_vindmaaling_kan_forlaenge_vindmoellers_levetid/
http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/The_Living_Planet_Programme/Earth_Explorers/Swarm/Preparing_to_launch_Swarm & http://smsc.cnes.fr/SWARM/premiere_mondiale.htm
Статья публикуется с разрешения
редакции журнала LaserFocusWord
Отзывы читателей
