eng
Выпуск #4/2016
Е.Белянко, М.Зюзин, В.Бобров, М.Гринштейн, О.Богданова, А.Орешкин
Разработка и применение рамановского рефлектометра для системы контроля температуры оптических волокон на ВОЛС-ВЛ
Разработка и применение рамановского рефлектометра для системы контроля температуры оптических волокон на ВОЛС-ВЛ
Просмотры: 5196
Контроль температуры многих протяженных объектов в большинстве случаев проводят, измеряя температуру оптического волокна (ОВ), проложенного вдоль этих объектов. Разработан оптический рефлектометр, определяющий распределение температуры вдоль ОВ по характеристикам рамановского и рэлеевского рассеяния зондирующего импульсного сигнала. Обработка сигналов рассеяния учитывает зависимость затухания ОВ от длины волны и наличие мест соединения ОВ, из которых состоит ВОЛС
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.80.93
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.80.93
Теги: fiber optic lines melting ice optical fiber optical fiber temperature optical ground wire (opgw) optical time domain reflectometer (otdr) raman scattering волоконно-оптические линии связи (волс) оптический кабель в грозозащитном тросе (окгт) оптический рефлектометр оптическое волокно (ов) плавка гололеда рамановское рассеяние температура ов
При проведении плавки гололеда на ВОЛС воздушных линий электропередачи для предотвращения перегрева оптического волокна (ОВ) необходимо контролировать температуру. Для этой цели был разработан оптический рефлектометр, определяющий распределение температуры вдоль ОВ по характеристикам рамановского и рэлеевского рассеяния зондирующего импульсного сигнала. Обработка сигналов рассеяния учитывает зависимость затухания ОВ от длины волны и наличие мест соединения ОВ, из которых состоит ВОЛС. Система распределенного контроля температуры установлена на нескольких ВОЛС-ВЛ, находящихся в районах, где возможно образование гололеда на оптическом кабеле. Проведенные измерения показали сложный, неравномерный характер нагрева ОВ при проведении плавки гололеда и подтвердили необходимость контроля температуры вдоль всей длины ОВ. В то же время именно такой контроль позволяет эффективно управлять процессом плавки гололеда. В период времени, когда не проводится плавка гололеда, система работает в режиме непрерывного мониторинга основных физических параметров ОВ.
В настоящее время контроль температуры многих протяженных объектов – тоннелей, шахт, трубопроводов, кабельных линий – часто осуществляется путем измерения температуры оптического волокна (ОВ), проложенного вдоль или внутри этих объектов. При этом температура ОВ служит индикатором для определения других физических характеристик или состояния объектов: утечек из трубопроводов, замыкания в силовых кабелях и т. д. В зависимости от требуемого диапазона измерения температур используются либо стандартные телекоммуникационные, либо специализированные ОВ. Само кварцевое ОВ выдерживает высокие температуры, но полимерное покрытие стандартных ОВ нельзя нагревать выше 85–100 °C, поскольку оно начинает деградировать, что в свою очередь может вызвать увеличение затухания ОВ.
Однако есть ситуации, при которых требуется контроль температуры самого ОВ, например плавка гололеда – удаление обледенения оптического кабеля путем нагрева его электрическим током. В волоконно-оптических линиях связи на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ) часто используется оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ). В ряде климатических районов возможно образование гололеда на таком кабеле. Одним из способов снятия льда является пропускание по ОКГТ электрического тока, что приводит к его нагреву и сбрасыванию льда. В ходе этого процесса ОВ также нагревается, и необходимо не допускать увеличения его температуры выше указанных значений.
ВОЛС-ВЛ имеют достаточно большую протяженность. Налипание льда на кабеле неравномерно по его длине из-за различия в условиях окружающей среды: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Различаются также условия расположения ОВ относительно оболочки кабеля, от которой тепло передается к ОВ. Поэтому эффективный контроль состояния ОВ возможен только при непосредственном измерении его температуры и ее распределения вдоль ОКГТ. Какие-либо точечные датчики, установленные на внешней поверхности кабеля, не могут служить источником достоверных данных о температуре всего ОВ.
МЕТОД РАМАНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ
Измерение температуры ОВ обычно основывается на анализе характеристик бриллюэновского или рамановского рассеяния. Каждый из методов имеет свои достоинства; в каждом случае для реализации метода необходимо преодолеть определенные технические сложности.
При распространении оптического излучения по ОВ рассеянный сигнал состоит из различных компонентов:
• компонентов с той же длиной волны, что и падающее излучение – рэлеевское рассеяние;
• компонентов с другими длинами волн – рамановское и бриллюэновское рассеяние, спектры которых, в свою очередь, содержат не одну, а две линии; спектральная линия, с большей длиной волны, чем рэлеевская, называется стоксовой, а линия с меньшей длиной волны – антистоксовой.
Параметром, по которому определяют температуру ОВ при регистрации бриллюэновского рассеяния, является изменение частоты его компонент. Однако на эту частоту влияет также и механическое натяжение ОВ, причем чувствительность к нему значительно выше, чем к изменению температуры. При образовании гололеда на оптическое волокно воздействуют оба фактора и разделить их влияние крайне затруднительно, если вообще вероятно выполнить это разделение в условиях реальных ВОЛС-ВЛ.
Возможность измерения температуры ОВ по характеристикам рамановского рассеяния основана на соотношении между интенсивностями антистоксовой и стоксовой компонент [1]:
, (1)
где
IАС и IС – интенсивность антистоксовой и стоксовой компонент;
λАС и λС – длина волны антистоксовой и стоксовой компонент;
ν – разность волновых чисел падающего излучения и стоксовой (антистоксовой) компоненты;
Т – абсолютная температура ОВ;
h – постоянная Планка;
k – постоянная Больцмана;
с – скорость света в вакууме.
Выражение (1) показывает, что при увеличении температуры ОВ отношение интенсивностей компонент рамановского рассеяния увеличивается; происходит это прежде всего из-за роста антистоксовой компоненты. Для стандартных одномодовых ОВ и диапазона длин волн, используемого в волоконно-оптической связи, изменение отношения IАС/IС составляет примерно 0,8%/К.
Одним из самых распространенных методов диагностики состояния ОВ является метод импульсной рефлектометрии: в ОВ вводится зондирующий оптический импульс, регистрируется непрерывный сигнал обратного рассеяния и анализируется зависимость его интенсивности от времени. Как было указано выше, в спектре этого сигнала всегда есть рэлеевская компонента (ее параметры не зависят от температуры ОВ) и компоненты рамановского рассеяния. Для определения температуры ОВ необходимо выделить их из общего сигнала.
Таким образом, для решения задачи контроля температуры ОВ ВОЛС-ВЛ был выбран метод рамановской импульсной рефлектометрии.
АНАЛИЗАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АТР-111
Вследствие больших длин ВОЛС-ВЛ для проведения измерений целесообразно использовать длины волн в диапазоне 1 550–1 625 нм, на которых затухание ОВ минимально. Но тогда длина волны стоксовой компоненты становится больше 1 650 нм, потери в ОВ значительно возрастают, чувствительность приемной аппаратуры падает, и регистрация компоненты возможна только на коротких расстояниях. Вследствие этого для измерения температуры ОВ может использоваться только антистоксова компонента [1] в соответствии с выражением
. (2)
Величина IАС зависит не только от температуры ОВ, но и от обычного затухания, поэтому необходимо разделить их влияние. Это можно сделать, если измерить сигналы рэлеевского рассеяния на длинах волн зондирующего импульса и антистоксовой компоненты [2]. Изменение их интенсивности определяется только обычным затуханием ОВ, что дает возможность выделить из антистоксового сигнала вклад, который вносит именно изменение температуры.
В результате анализа возможных вариантов построения рамановского рефлектометра был разработан прибор – анализатор температуры рефлектометрический АТР-111, структурная схема которого показана на рис. 1, а внешний вид на рис. 2. В качестве источника зондирующего импульса используется лазерный диод (ЛД) с длиной волны 1625 нм. Его излучение вводится в измеряемое ОВ через блок объединения и разделения оптических сигналов, содержащий пассивные оптические компоненты – мультиплексоры и циркуляторы. Импульс с длиной волны 1 625 нм при распространении по ОВ порождает сигнал обратного рэлеевского рассеяния с такой же длиной волны и антистоксову компоненту рамановского рассеяния, центральная длина волны которой находится около 1 520 нм. Эти сигналы возвращаются к началу ОВ, отделяются друг от друга в блоке объединения и разделения оптических сигналов и поступают в двухканальное приемное устройство. Каждый канал состоит из фотодиода (ФД), усилителя (У) и АЦП.
Еще один сигнал, измеряемый прибором, – рэлеевское рассеяние на длине волны антистоксовой компоненты рамановского рассеяния. Для его измерения используется ЛД с номинальной длиной волны 1 550 нм. При изготовлении прибора АТР-111 из партии ЛД выбирается такой, длина волны которого ближе всего к 1520 нм; дополнительная ее подстройка проводится регулировкой тока и температуры лазера.
В приборе АТР-111 сигналы обратного рассеяния проходят также через опорное оптическое волокно ОВ-Т, которое находится в теплоизолированном кожухе; его температура измеряется встроенным электронным датчиком. Взаимное расположение уровней сигналов от этого ОВ и показания датчика используются для привязки результатов измерения к шкале температуры.
Формирователь импульсов, показанный на рис.1, управляет работой ЛД и, как и в обычном оптическом рефлектометре, позволяет проводить измерения при достаточно широком наборе длительностей импульса – от 8 нс до 10 мкс.
Процессор прибора и персональный компьютер осуществляют управление и обработку сигналов.
На рис.3 представлены рефлектограммы ОВ, получаемые при измерении. Здесь обозначены:
• "1 625 нм" – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при длине волны зондирующего импульса 1 625 нм;
• "1 550 нм" – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при номинальной длине волны зондирующего импульса 1 550 нм;
• "АС " – рефлектограмма антистоксовой компоненты рамановского рассеяния.
Первый участок каждой рефлектограммы (левее отметки 0 км) – это сигнал от внутреннего ОВ-Т, остальная часть – сигналы измеряемого ОВ.
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ
Как известно, мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния в каждой точке ОВ прямо пропорциональна мощности зондирующего импульса в этой точке, коэффициенту обратного рассеяния и длительности импульса [3]. Мощность сигнала, пришедшего к входу ОВ, определяется следующим выражением:
, (3)
где
Pрасс, Р (L) – мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния, пришедшего к входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;
Pимп – мощность зондирующего оптического импульса на входе ОВ;
BР – коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса рассеивается и направляется назад к входу ОВ;
τимп – длительность зондирующего оптического импульса;
аимп – коэффициент затухания зондирующего излучения; при рассмотрении рэлеевского рассеяния предполагается, что его значение одинаково для прямого и обратного сигналов.
Для обработки сигнала антистоксовой компоненты рамановского рассеяния использована аналогичная модель:
, (4)
где
Pрасс, АС (L) – мощность сигнала антистоксовой компоненты, пришедшего к входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;
BАС (T (L)) – коэффициент обратного рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса преобразуется в антистоксову компоненту рамановского рассеяния и направляется назад к входу ОВ; его величина меняется с изменением температуры волокна Т;
aАС – коэффициент затухания антистоксовой компоненты.
Параметры выражения (4) определяются из результатов измерения соответствующих рефлектограмм. Регистрируя антистоксову компоненту, прибор определяет сумму коэффициентов aимп + aАС. По рэлеевскому рассеянию на каждой из двух длин волн измеряется коэффициент aимп и независящая от температуры составляющая коэффициента aАС. Температура ОВ определяется по отклонению измеренного антистоксового сигнала от значений, рассчитанных с учетом только рэлеевских коэффициентов.
В результате обработки рефлектограмм, показанных на рис. 3, строится график температуры ОВ (рис. 4). На нем, в частности, температура внутреннего ОВ-Т (участок до отметки 0 км) составляет 18 °C, а внешнего 26 °C.
Реальная ВОЛС состоит из нескольких последовательно соединенных участков строительной длины. В точках соединения интенсивность зондирующего сигнала уменьшается, на рефлектограмме появляются неоднородности ("ступеньки"). Однако величина изменения сигнала обратного рассеяния зависит не только от затухания в соединении, но и от соотношения их коэффициентов обратного рассеяния BР [4]. Формулы (3) и (4) были обобщены для анализа сигналов таких линий.
На рис.5 представлены рефлектограммы линии, состоящей из двух ОВ разных типов – G.652 (волокно А) и G.655 (волокно Б) – и измеренной с двух сторон. Хотя можно считать, что затухание в соединении не зависит от направления измерения, но вызванные им "ступеньки" получаются разными из-за различных коэффициентов BР. Можно показать, что действительное значение затухания в соединении равно среднему из значений, измеренных с каждой стороны. Конкретные значения коэффициентов обратного рассеяния BР волокон, составляющих ВОЛС, практически никогда не известны, поэтому для паспортизации ВОЛС измерения проводят с двух сторон, и результаты усредняют.
Разные значения коэффициентов обратного рассеяния сказываются и на измерении температуры ОВ. На рис.6 показаны графики температуры линии А–Б, после того как оба ОВ в течение суток были выдержаны при одинаковой температуре. При измерении в направлении А → Б температура первого ОВ (ближнего к рефлектометру) на 3,7°C выше, чем температура второго. При измерении в обратном направлении ситуация противоположная. Усреднение результатов дает практически одинаковые значения температуры обоих ОВ.
Таким образом, и для получения правильных значений распределения температуры линии, состоящей из нескольких соединенных ОВ, необходимо проводить измерения с двух сторон. Однако в реальной ситуации контроля температуры ВОЛС-ВЛ это не представляется возможным, поэтому различие коэффициентов обратного рассеяния является источником дополнительной погрешности измерения температуры.
СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ВОЛС-ВЛ
На основе анализатора температуры рефлектометрического АТР-111 была создана система распределенного контроля температуры (СРКТ) ВОЛС-ВЛ. Несколько таких систем установлены на сетях ВОЛС, находящихся в гололедоопасных районах. На рис.7 показана структура одной такой сети. Плавка гололеда может осуществляться на любой линии с помощью двух установок УПГ, находящихся в пунктах Б и Г. Контроль температуры длинных линий проводится приборами АТР-111 с двух сторон по разным ОВ. Прибор АТР-111 работает в комплекте с блоком управления (на рис.7 не показан), который может иметь встроенный оптический переключатель. Это позволяет измерять несколько ВОЛС одним прибором, как, например, организовано в пункте Б.
Управление всеми приборами АТР-111 и проведение измерений осуществляется с удаленного ПК рабочего места оператора по сети Ethernet.
За время эксплуатации систем контроля нескольких ВОЛС-ВЛ накоплено большое количество результатов измерения температуры ОВ, выполненных в различное время года и суток. Они свидетельствуют о сложном характере влияния окружающих условий на температуру ОВ в ОКГТ. Графики температуры одной из ВОЛС представлены на рис.8. Для удобства сравнения они сдвинуты по вертикали друг относительно друга. На нижнем графике показаны отметки мест расположения муфт, в которых соединены ОВ участков строительной длины.
График 3 построен по результатам измерений, полученных вечером 3-го января, т. е. в темное время суток, когда отсутствует неоднородность внешних условий из-за солнечного излучения. Температура ОВ практически одинакова вдоль всей линии. В то же время на других графиках появляются участки с отклонениями по температуре. Участок a–b находится между двумя соседними муфтами, поэтому отличие его температуры можно объяснить параметрами ОВ. С другой стороны, участок c–d представляет собой часть непрерывного отрезка ОКГТ; его свойства, возможно, связаны с географическим изменением направления ВОЛС и соответствующим изменением по отношению к направлению ветра и солнечным лучам.
В некоторых точках ВОЛС-ВЛ, для которых предусмотрена плавка гололеда, на внешней поверхности ОКГТ были установлены датчики системы контроля образования гололеда. Эти датчики измеряли в том числе и температуру кабеля. Когда измерения проводилось в темное время суток, с предположительно установившейся температурой волокна и кабеля, данные этих датчиков соответствовали показаниям приборов АТР-111 с отклонениями не более ±2°C. В другое время суток или при проведении плавки гололеда различия были значительно больше. Это подтверждает предположение о том, что температура ОВ может значительно отличаться от температуры оболочки ОКГТ в случае нестационарных условий.
Изменения распределения температуры одного и того же ОВ при проведении плавки гололеда в ноябре 2014 года и в январе 2015 года можно проследить по рис.9 и 10. ОВ нагревается после включения УПГ и остывает после ее выключения. Момент выключения УПГ определялся оператором по показаниям датчиков обледенения. Графики нагрева и остывания сдвинуты друг относительно друга по вертикали для удобства сравнения. График 1 на обоих рисунках измерен перед началом плавки гололеда. Нумерация графиков соответствует последовательности их измерения.
Из рис.9 и 10 видно, что нагрев ОВ происходит крайне неравномерно по его длине. Есть участки сильного роста температуры, и есть участки, на которых она изменилась незначительно. Максимальные зафиксированные значения температуры составили 76°C и 37°C. Это связано с тем, что плавка гололеда в январе 2015 длилась значительно меньшее время. Сравнение графиков, на которых достигалась максимальная температура ОВ, показывает наличие совпадающих участков сильного и слабого нагрева. Это может свидетельствовать о схожих условиях образования гололеда в этих случаях.
Данные о распределении температуры вдоль ОВ при проведении плавки гололеда дают возможность службам, управляющим этим процессом, регулировать режим плавки с целью недопущения превышения заданных пороговых значений температуры ОВ. Использование информации о климатических условиях, в которых находятся различные участки ВОЛС-ВЛ, позволит лучше понять динамику изменения температуры ОВ и повысить эффективность этих действий.
Используемый принцип организации СРКТ (удаленное управление измерениями из единого центра, автоматический анализ полученных результатов) дает возможность осуществить ее интеграцию с другими частями системы плавки гололеда и автоматизировать указанные процессы.
Образование гололеда происходит в течение достаточно ограниченных временных интервалов и в определенное время года, поэтому в остальное время система распределенного контроля температуры используется как система мониторинга физического состояния ВОЛС. Приборы АТР-111 работают как обычные оптические рефлектометры, и в непрерывном автоматическом режиме проводятся измерения основных параметров линии: длина, полное затухание, расстояния до муфт, затухание участков и соединений ОВ. При возникновении повреждений и обрывов на ВОЛС система выдает соответствующие сообщения диспетчерским службам. На сервере хранится статистика измерений, что позволяет отслеживать медленные деградации ОВ и планировать предупредительные мероприятия. Кроме автоматического мониторинга возможно удаленное управление в ручном режиме, например для паспортизации ВОЛС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bao X., Chen L. Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors. – Sensors, 2012, v.12, p.8601–8639.
2. Suh K., Lee C. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor. – Optics Letters, 2008, v.33, №16, p.1845–1848.
3. Григорьянц В.В., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических кабелей методом обратного рассеяния. – Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. – М.: ВИНИТИ, 1982, т.29, с.47–79.
4. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРарт, 2005.
В настоящее время контроль температуры многих протяженных объектов – тоннелей, шахт, трубопроводов, кабельных линий – часто осуществляется путем измерения температуры оптического волокна (ОВ), проложенного вдоль или внутри этих объектов. При этом температура ОВ служит индикатором для определения других физических характеристик или состояния объектов: утечек из трубопроводов, замыкания в силовых кабелях и т. д. В зависимости от требуемого диапазона измерения температур используются либо стандартные телекоммуникационные, либо специализированные ОВ. Само кварцевое ОВ выдерживает высокие температуры, но полимерное покрытие стандартных ОВ нельзя нагревать выше 85–100 °C, поскольку оно начинает деградировать, что в свою очередь может вызвать увеличение затухания ОВ.
Однако есть ситуации, при которых требуется контроль температуры самого ОВ, например плавка гололеда – удаление обледенения оптического кабеля путем нагрева его электрическим током. В волоконно-оптических линиях связи на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ) часто используется оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ). В ряде климатических районов возможно образование гололеда на таком кабеле. Одним из способов снятия льда является пропускание по ОКГТ электрического тока, что приводит к его нагреву и сбрасыванию льда. В ходе этого процесса ОВ также нагревается, и необходимо не допускать увеличения его температуры выше указанных значений.
ВОЛС-ВЛ имеют достаточно большую протяженность. Налипание льда на кабеле неравномерно по его длине из-за различия в условиях окружающей среды: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Различаются также условия расположения ОВ относительно оболочки кабеля, от которой тепло передается к ОВ. Поэтому эффективный контроль состояния ОВ возможен только при непосредственном измерении его температуры и ее распределения вдоль ОКГТ. Какие-либо точечные датчики, установленные на внешней поверхности кабеля, не могут служить источником достоверных данных о температуре всего ОВ.
МЕТОД РАМАНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ
Измерение температуры ОВ обычно основывается на анализе характеристик бриллюэновского или рамановского рассеяния. Каждый из методов имеет свои достоинства; в каждом случае для реализации метода необходимо преодолеть определенные технические сложности.
При распространении оптического излучения по ОВ рассеянный сигнал состоит из различных компонентов:
• компонентов с той же длиной волны, что и падающее излучение – рэлеевское рассеяние;
• компонентов с другими длинами волн – рамановское и бриллюэновское рассеяние, спектры которых, в свою очередь, содержат не одну, а две линии; спектральная линия, с большей длиной волны, чем рэлеевская, называется стоксовой, а линия с меньшей длиной волны – антистоксовой.
Параметром, по которому определяют температуру ОВ при регистрации бриллюэновского рассеяния, является изменение частоты его компонент. Однако на эту частоту влияет также и механическое натяжение ОВ, причем чувствительность к нему значительно выше, чем к изменению температуры. При образовании гололеда на оптическое волокно воздействуют оба фактора и разделить их влияние крайне затруднительно, если вообще вероятно выполнить это разделение в условиях реальных ВОЛС-ВЛ.
Возможность измерения температуры ОВ по характеристикам рамановского рассеяния основана на соотношении между интенсивностями антистоксовой и стоксовой компонент [1]:
, (1)
где
IАС и IС – интенсивность антистоксовой и стоксовой компонент;
λАС и λС – длина волны антистоксовой и стоксовой компонент;
ν – разность волновых чисел падающего излучения и стоксовой (антистоксовой) компоненты;
Т – абсолютная температура ОВ;
h – постоянная Планка;
k – постоянная Больцмана;
с – скорость света в вакууме.
Выражение (1) показывает, что при увеличении температуры ОВ отношение интенсивностей компонент рамановского рассеяния увеличивается; происходит это прежде всего из-за роста антистоксовой компоненты. Для стандартных одномодовых ОВ и диапазона длин волн, используемого в волоконно-оптической связи, изменение отношения IАС/IС составляет примерно 0,8%/К.
Одним из самых распространенных методов диагностики состояния ОВ является метод импульсной рефлектометрии: в ОВ вводится зондирующий оптический импульс, регистрируется непрерывный сигнал обратного рассеяния и анализируется зависимость его интенсивности от времени. Как было указано выше, в спектре этого сигнала всегда есть рэлеевская компонента (ее параметры не зависят от температуры ОВ) и компоненты рамановского рассеяния. Для определения температуры ОВ необходимо выделить их из общего сигнала.
Таким образом, для решения задачи контроля температуры ОВ ВОЛС-ВЛ был выбран метод рамановской импульсной рефлектометрии.
АНАЛИЗАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АТР-111
Вследствие больших длин ВОЛС-ВЛ для проведения измерений целесообразно использовать длины волн в диапазоне 1 550–1 625 нм, на которых затухание ОВ минимально. Но тогда длина волны стоксовой компоненты становится больше 1 650 нм, потери в ОВ значительно возрастают, чувствительность приемной аппаратуры падает, и регистрация компоненты возможна только на коротких расстояниях. Вследствие этого для измерения температуры ОВ может использоваться только антистоксова компонента [1] в соответствии с выражением
. (2)
Величина IАС зависит не только от температуры ОВ, но и от обычного затухания, поэтому необходимо разделить их влияние. Это можно сделать, если измерить сигналы рэлеевского рассеяния на длинах волн зондирующего импульса и антистоксовой компоненты [2]. Изменение их интенсивности определяется только обычным затуханием ОВ, что дает возможность выделить из антистоксового сигнала вклад, который вносит именно изменение температуры.
В результате анализа возможных вариантов построения рамановского рефлектометра был разработан прибор – анализатор температуры рефлектометрический АТР-111, структурная схема которого показана на рис. 1, а внешний вид на рис. 2. В качестве источника зондирующего импульса используется лазерный диод (ЛД) с длиной волны 1625 нм. Его излучение вводится в измеряемое ОВ через блок объединения и разделения оптических сигналов, содержащий пассивные оптические компоненты – мультиплексоры и циркуляторы. Импульс с длиной волны 1 625 нм при распространении по ОВ порождает сигнал обратного рэлеевского рассеяния с такой же длиной волны и антистоксову компоненту рамановского рассеяния, центральная длина волны которой находится около 1 520 нм. Эти сигналы возвращаются к началу ОВ, отделяются друг от друга в блоке объединения и разделения оптических сигналов и поступают в двухканальное приемное устройство. Каждый канал состоит из фотодиода (ФД), усилителя (У) и АЦП.
Еще один сигнал, измеряемый прибором, – рэлеевское рассеяние на длине волны антистоксовой компоненты рамановского рассеяния. Для его измерения используется ЛД с номинальной длиной волны 1 550 нм. При изготовлении прибора АТР-111 из партии ЛД выбирается такой, длина волны которого ближе всего к 1520 нм; дополнительная ее подстройка проводится регулировкой тока и температуры лазера.
В приборе АТР-111 сигналы обратного рассеяния проходят также через опорное оптическое волокно ОВ-Т, которое находится в теплоизолированном кожухе; его температура измеряется встроенным электронным датчиком. Взаимное расположение уровней сигналов от этого ОВ и показания датчика используются для привязки результатов измерения к шкале температуры.
Формирователь импульсов, показанный на рис.1, управляет работой ЛД и, как и в обычном оптическом рефлектометре, позволяет проводить измерения при достаточно широком наборе длительностей импульса – от 8 нс до 10 мкс.
Процессор прибора и персональный компьютер осуществляют управление и обработку сигналов.
На рис.3 представлены рефлектограммы ОВ, получаемые при измерении. Здесь обозначены:
• "1 625 нм" – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при длине волны зондирующего импульса 1 625 нм;
• "1 550 нм" – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при номинальной длине волны зондирующего импульса 1 550 нм;
• "АС " – рефлектограмма антистоксовой компоненты рамановского рассеяния.
Первый участок каждой рефлектограммы (левее отметки 0 км) – это сигнал от внутреннего ОВ-Т, остальная часть – сигналы измеряемого ОВ.
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ
Как известно, мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния в каждой точке ОВ прямо пропорциональна мощности зондирующего импульса в этой точке, коэффициенту обратного рассеяния и длительности импульса [3]. Мощность сигнала, пришедшего к входу ОВ, определяется следующим выражением:
, (3)
где
Pрасс, Р (L) – мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния, пришедшего к входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;
Pимп – мощность зондирующего оптического импульса на входе ОВ;
BР – коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса рассеивается и направляется назад к входу ОВ;
τимп – длительность зондирующего оптического импульса;
аимп – коэффициент затухания зондирующего излучения; при рассмотрении рэлеевского рассеяния предполагается, что его значение одинаково для прямого и обратного сигналов.
Для обработки сигнала антистоксовой компоненты рамановского рассеяния использована аналогичная модель:
, (4)
где
Pрасс, АС (L) – мощность сигнала антистоксовой компоненты, пришедшего к входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;
BАС (T (L)) – коэффициент обратного рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса преобразуется в антистоксову компоненту рамановского рассеяния и направляется назад к входу ОВ; его величина меняется с изменением температуры волокна Т;
aАС – коэффициент затухания антистоксовой компоненты.
Параметры выражения (4) определяются из результатов измерения соответствующих рефлектограмм. Регистрируя антистоксову компоненту, прибор определяет сумму коэффициентов aимп + aАС. По рэлеевскому рассеянию на каждой из двух длин волн измеряется коэффициент aимп и независящая от температуры составляющая коэффициента aАС. Температура ОВ определяется по отклонению измеренного антистоксового сигнала от значений, рассчитанных с учетом только рэлеевских коэффициентов.
В результате обработки рефлектограмм, показанных на рис. 3, строится график температуры ОВ (рис. 4). На нем, в частности, температура внутреннего ОВ-Т (участок до отметки 0 км) составляет 18 °C, а внешнего 26 °C.
Реальная ВОЛС состоит из нескольких последовательно соединенных участков строительной длины. В точках соединения интенсивность зондирующего сигнала уменьшается, на рефлектограмме появляются неоднородности ("ступеньки"). Однако величина изменения сигнала обратного рассеяния зависит не только от затухания в соединении, но и от соотношения их коэффициентов обратного рассеяния BР [4]. Формулы (3) и (4) были обобщены для анализа сигналов таких линий.
На рис.5 представлены рефлектограммы линии, состоящей из двух ОВ разных типов – G.652 (волокно А) и G.655 (волокно Б) – и измеренной с двух сторон. Хотя можно считать, что затухание в соединении не зависит от направления измерения, но вызванные им "ступеньки" получаются разными из-за различных коэффициентов BР. Можно показать, что действительное значение затухания в соединении равно среднему из значений, измеренных с каждой стороны. Конкретные значения коэффициентов обратного рассеяния BР волокон, составляющих ВОЛС, практически никогда не известны, поэтому для паспортизации ВОЛС измерения проводят с двух сторон, и результаты усредняют.
Разные значения коэффициентов обратного рассеяния сказываются и на измерении температуры ОВ. На рис.6 показаны графики температуры линии А–Б, после того как оба ОВ в течение суток были выдержаны при одинаковой температуре. При измерении в направлении А → Б температура первого ОВ (ближнего к рефлектометру) на 3,7°C выше, чем температура второго. При измерении в обратном направлении ситуация противоположная. Усреднение результатов дает практически одинаковые значения температуры обоих ОВ.
Таким образом, и для получения правильных значений распределения температуры линии, состоящей из нескольких соединенных ОВ, необходимо проводить измерения с двух сторон. Однако в реальной ситуации контроля температуры ВОЛС-ВЛ это не представляется возможным, поэтому различие коэффициентов обратного рассеяния является источником дополнительной погрешности измерения температуры.
СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ВОЛС-ВЛ
На основе анализатора температуры рефлектометрического АТР-111 была создана система распределенного контроля температуры (СРКТ) ВОЛС-ВЛ. Несколько таких систем установлены на сетях ВОЛС, находящихся в гололедоопасных районах. На рис.7 показана структура одной такой сети. Плавка гололеда может осуществляться на любой линии с помощью двух установок УПГ, находящихся в пунктах Б и Г. Контроль температуры длинных линий проводится приборами АТР-111 с двух сторон по разным ОВ. Прибор АТР-111 работает в комплекте с блоком управления (на рис.7 не показан), который может иметь встроенный оптический переключатель. Это позволяет измерять несколько ВОЛС одним прибором, как, например, организовано в пункте Б.
Управление всеми приборами АТР-111 и проведение измерений осуществляется с удаленного ПК рабочего места оператора по сети Ethernet.
За время эксплуатации систем контроля нескольких ВОЛС-ВЛ накоплено большое количество результатов измерения температуры ОВ, выполненных в различное время года и суток. Они свидетельствуют о сложном характере влияния окружающих условий на температуру ОВ в ОКГТ. Графики температуры одной из ВОЛС представлены на рис.8. Для удобства сравнения они сдвинуты по вертикали друг относительно друга. На нижнем графике показаны отметки мест расположения муфт, в которых соединены ОВ участков строительной длины.
График 3 построен по результатам измерений, полученных вечером 3-го января, т. е. в темное время суток, когда отсутствует неоднородность внешних условий из-за солнечного излучения. Температура ОВ практически одинакова вдоль всей линии. В то же время на других графиках появляются участки с отклонениями по температуре. Участок a–b находится между двумя соседними муфтами, поэтому отличие его температуры можно объяснить параметрами ОВ. С другой стороны, участок c–d представляет собой часть непрерывного отрезка ОКГТ; его свойства, возможно, связаны с географическим изменением направления ВОЛС и соответствующим изменением по отношению к направлению ветра и солнечным лучам.
В некоторых точках ВОЛС-ВЛ, для которых предусмотрена плавка гололеда, на внешней поверхности ОКГТ были установлены датчики системы контроля образования гололеда. Эти датчики измеряли в том числе и температуру кабеля. Когда измерения проводилось в темное время суток, с предположительно установившейся температурой волокна и кабеля, данные этих датчиков соответствовали показаниям приборов АТР-111 с отклонениями не более ±2°C. В другое время суток или при проведении плавки гололеда различия были значительно больше. Это подтверждает предположение о том, что температура ОВ может значительно отличаться от температуры оболочки ОКГТ в случае нестационарных условий.
Изменения распределения температуры одного и того же ОВ при проведении плавки гололеда в ноябре 2014 года и в январе 2015 года можно проследить по рис.9 и 10. ОВ нагревается после включения УПГ и остывает после ее выключения. Момент выключения УПГ определялся оператором по показаниям датчиков обледенения. Графики нагрева и остывания сдвинуты друг относительно друга по вертикали для удобства сравнения. График 1 на обоих рисунках измерен перед началом плавки гололеда. Нумерация графиков соответствует последовательности их измерения.
Из рис.9 и 10 видно, что нагрев ОВ происходит крайне неравномерно по его длине. Есть участки сильного роста температуры, и есть участки, на которых она изменилась незначительно. Максимальные зафиксированные значения температуры составили 76°C и 37°C. Это связано с тем, что плавка гололеда в январе 2015 длилась значительно меньшее время. Сравнение графиков, на которых достигалась максимальная температура ОВ, показывает наличие совпадающих участков сильного и слабого нагрева. Это может свидетельствовать о схожих условиях образования гололеда в этих случаях.
Данные о распределении температуры вдоль ОВ при проведении плавки гололеда дают возможность службам, управляющим этим процессом, регулировать режим плавки с целью недопущения превышения заданных пороговых значений температуры ОВ. Использование информации о климатических условиях, в которых находятся различные участки ВОЛС-ВЛ, позволит лучше понять динамику изменения температуры ОВ и повысить эффективность этих действий.
Используемый принцип организации СРКТ (удаленное управление измерениями из единого центра, автоматический анализ полученных результатов) дает возможность осуществить ее интеграцию с другими частями системы плавки гололеда и автоматизировать указанные процессы.
Образование гололеда происходит в течение достаточно ограниченных временных интервалов и в определенное время года, поэтому в остальное время система распределенного контроля температуры используется как система мониторинга физического состояния ВОЛС. Приборы АТР-111 работают как обычные оптические рефлектометры, и в непрерывном автоматическом режиме проводятся измерения основных параметров линии: длина, полное затухание, расстояния до муфт, затухание участков и соединений ОВ. При возникновении повреждений и обрывов на ВОЛС система выдает соответствующие сообщения диспетчерским службам. На сервере хранится статистика измерений, что позволяет отслеживать медленные деградации ОВ и планировать предупредительные мероприятия. Кроме автоматического мониторинга возможно удаленное управление в ручном режиме, например для паспортизации ВОЛС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bao X., Chen L. Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors. – Sensors, 2012, v.12, p.8601–8639.
2. Suh K., Lee C. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor. – Optics Letters, 2008, v.33, №16, p.1845–1848.
3. Григорьянц В.В., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических кабелей методом обратного рассеяния. – Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. – М.: ВИНИТИ, 1982, т.29, с.47–79.
4. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРарт, 2005.
Отзывы читателей
