Экспериментальное исследование метода синхронной перестройки частоты источника излучения для подавления шумов замирания когерентного оптического рефлектометра

Плотников М.Ю., Ушанов С.А., Куничкин Д.П., Волков А.В., Подчуфаров А.Ю.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Плотников М.Ю., Ушанов С.А., Куничкин Д.П., Волков А.В., Подчуфаров А.Ю. Экспериментальное исследование метода синхронной перестройки частоты источника излучения для подавления шумов замирания когерентного оптического рефлектометра // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 8. С. 51–61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-51-61

Plotnikov M.Y., Ushanov S.A., Kunichkin D. P., Volkov A.V., Podchufarov A.Y. Experimental study of the method of synchronous frequency-hopping of the optical source for fading noise suppression of the coherent optical time-domain reflectometer [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 8. P. 51–61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-51-61

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе представлены результаты экспериментального исследования метода подавления шумов замирания когерентного оптического рефлектометра на основе синхронной перестройки частоты источника оптического излучения. Цель исследования. Целью работы является уменьшение погрешности измерений когерентного оптического рефлектометра за счёт использования метода синхронной перестройки частоты источника оптического излучения и определения оптимального шага и периода перестройки частоты для обеспечения максимального подавления шумов замирания рефлектограмм. Метод. Для экспериментального исследования метода в действующем образце когерентного оптического рефлектометра была реализована перестройка частоты источника оптического излучения с регулируемым шагом, синхронная с частотой посылки оптических импульсов в исследуемое оптического волокно. В качестве критерия оценки эффективности метода использовался разброс значений рефлектограмм относительно тренда оптических потерь в исследуемом оптическом волокне. Основные результаты. Экспериментально показано, что использование рассматриваемого метода перестройки частоты излучения источника позволяет уменьшить погрешность измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния на величину до 8,8 раз для длительностей импульсов оптического излучения в диапазоне от 1 мкс до 100 мкс. Было показано, что увеличение периода снятия рефлектограмм с 1,5 мс до 1 с обеспечивает снижение уровня шумов замирания когерентного оптического рефлектометра и уменьшение погрешности измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния до 5,8 раз при длительности опрашивающих импульсов 10 мкс. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют сформулировать требования к величине шага и периоду цикла перестройки частоты излучения источника для обеспечения минимальной погрешности измерений когерентного оптического рефлектометра.

Ключевые слова:

когерентный рефлектометр, оптическая рефлектометрия, интерферометрические измерения, шумы замирания, перестройка частоты

Благодарность:

работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006)

Коды OCIS: 060.0060, 230.0230, 250.0250

Список источников:

1. Zhang C., Ito F. Recent progress of fiber diagnostic technologies for optical fiber networks: distributed fiber sensing and fiber characterization // Metro and Data Center Optical Networks and Short-Reach Links. 2022. V. 12027. P. 89–104. https://doi.org/10.1117/12.2607242
2. Листвин А.В. Рефлектометрия оптических волокон / Под ред. Листвина А.В., Листвина В.Н. Москва: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
Listvin A.V. Reflectometry of optical fibers [in Russian] / Ed. Listvin A.V., Listvin V.N. Moscow: Lesrart, 2005. 208 p.
3. Chen X., Zou N., Liang L., He R., Liu J., Zheng Y., Wang F., Zhang X., Zhang Y. Submarine cable monitoring system based on enhanced COTDR with simultaneous loss measurement and vibration monitoring ability // Optics Express. 2021. V. 29. № 9. P. 13115–13128. https://doi.org/10.1364/OE.418920
4. Hartog A.H. An introduction to distributed optical fibre sensors. BocaRaton: CRC press, 2017. 472 p. https://doi.org/10.1201/9781315119014
5. Веретенников Н.П.,Леонтьев Р.Г. Арктика РФ: транспортная и телекоммуникационная инфраструктура, экономика и безопасность страны // Национальная ассоциация ученых. 2021. Т. 2. № 71. С. 29–37. https://doi.org/10.31618/nas.2413-5291.2021.2.71.479

Veretennikov N.P., Leontiev R.G. The Arctic: The transport and telecommunication of infrastructure, the economy, national security // National Association of Scientists. 2021. V. 71. № 2. P. 29–37. https://doi.org/10.31618/nas.2413-5291.2021.2.71.479
6. Healey P. Instrumentation principles for optical time domain reflectometry // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1986. V. 19(5). P. 334. https://doi.org/10.1088/0022-3735/19/5/002
7. Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Kotov O.I., Bisyarin M.A., Hartog A.H. Fundamentals of optical fiber sensing schemes based on coherent optical time domain reflectometry: Signal model under static fiber conditions//Journal of Lightwave Technology. 2015. V. 33. № 17. P. 3660–3671. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2449085
8. Наний О.Е., Никитин С.П., Трещиков В.Н. Влияние фазовых шумов лазера на работу когерентного рефлектометра при использовании волокон с массивами искусственных отражателей // Автометрия. 2023. Т. 59. № 1. С. 87–114. https://doi.org/10.15372/AUT20230109
Naniy O.E., Nikitin S.P., Treshchikov V.N. The influence of laser phase noise on the operation of a coherent reflectometer using fibers with arrays of artificial reflectors // Avtometriya. 2023. V. 59. № 1. P. 87–114. https://doi.org/10.15372/AUT20230109
9. King J., Smith D., Richards K., Timson P., Epworth R., Wright S. Development of a coherent OTDR instrument // Journal of Lightwave Technology. 1987. V. 5. № 4. P. 616–624. https://doi.org/10.1109/JLT.1987.1075523
10. Алексеев А.Э., Вдовенко В.С., Горшков Б.Г., Потапов В.Т., Симикин Д.Е. Когерентный двухчастотный фазочувствительный рефлектометр с амплитудной модуляцией зондирующих импульсов // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 4. С. 384–388. http://doi.org/10.7868/S0033849416040033
Alekseev A.E., Vdovenko V.S., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Simikin D.E. A coherent dual-frequency phase-sensitive reflectometer with amplitude modulation of probing pulses // Radiotekhnika i Elektronika. 2016. V. 61. № 4. P. 384–388. http://doi.org/10.7868/S0033849416040033
11. Xiao L., Wang Y., Li Y., Bai Q., Liu X., Jin B. Polarization fading suppression for optical fiber sensing: a review // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. № 9. P. 8295–8312. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3161075
12. Izumita H., Furukawa S.I., Koyamada Y., Sankawa I. Fading noise reduction in coherent OTDR // IEEE Photonics Technology Letters. 1992. V. 4. № 2. P. 201–203. https://doi.org/10.1109/68.122361
13. Lu L., Sun X., Bu X., Li B. Coherent optical time domain reflectometry by logarithmic detection and timed random frequency hopping // Optical Engineering 2017. V. 56. № 2. P. 024106. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.2.024106
14. Liang Y., Lv L., Huang L., Wang D., Li P. Noise reduction method based on timed frequency hopping in long distance optical fiber sensing system // Journal of Computational Methods in Sciences and Engineering. 2018. V. 18. № 2. P. 339–348. https://doi.org/10.3233/JCM-180793
15. Yang Z., Li C., Xu S., Yang C. Single-frequency fiber lasers. Singapore: Springer, 2019. 170 p.
16. Mermelstein M.D., Posey Jr.R., Johnson G.A., Vohra S.T. Rayleigh scattering optical frequency correlation in a single-mode optical fiber // Optics Letters. 2001. V. 26. № 2. P. 58–60. https://doi.org/10.1364/OL.26.000058
17. Sun Y., Wei F., Dong Z., Chen D., Cai H., Qu R. All-optical frequency stabilization and linewidth reduction of distributed feedback diode lasers by polarization rotated optical feedback // Optics Express. 2014. V. 22. № 13. P. 15757–15762. https://doi.org/10.1364/OE.22.015757
18. Власов А.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Лавров В.С., Шарков И.А., Алейник А.С. Компенсация воздействия шумов окружающей среды на работу волоконно-оптического интерферометра // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 9. С. 44–53. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-09-44-53
Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Lavrov V.S., Sharkov I.A., Aleinik A.S. Compensating the influence of background noise on the operation of a fiberoptic interferometer // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. № 9. P. 535–541. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000535
19. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Aleinik A.S., Volkov A.V. Environmental noise cancellation technique for the compensation interferometer in fiber-optic PMDIbased sensor arrays // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. № 23. P. 14202–14208. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3008818
20. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Volkovsky S.A., Aleinik A.S., Motorin E.A., Sharkov I.A., Makarenko A.A. Development of the passive vibroacoustic isolation system for the path matched differential interferometry based fiber-optic sensors // Optical Fiber Technology. 2020. V. 57. P. 102241. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2020.102241