Что такое «волоконно-оптические измерения»?

При волоконно-оптических измерениях физические характеристики света, распространяющегося по оптоволокну, используются для определения изменений температуры, механических воздействий, вибрации (акустических колебаний) и прочих параметров. В качестве оптического датчика применяется само оптоволокно, по всей длине которого можно получать тысячи точек зондирования. Это называется распределенным волоконно-оптическим измерением, когда само оптоволокно выступает в роли распределенного оптоволоконного датчика.

Устройства, измеряющие параметры самого оптоволокна, как правило, называются опросными устройствами. Их задача — использовать обычное или специализированное оптоволокно для распределенного измерения температуры, механических воздействий или вибрации методами распределенного волоконно-оптического зондирования в виде рамановского, бриллюэновского рассеяния или когерентного обратного рассеяния Рэлея.

Например, используя опросное устройство для волоконно-оптических измерений, можно:

• определять и выявлять места точек нагрева силового кабеля
• определять и выявлять места избыточной деформации оптического телекоммуникационного кабеля и принимать меры до его обрыва
• выявлять сторонние помехи на трубопроводах или межсоединениях центров обработки данных (DCI)

Примеры измерений с использованием оптоволокна:

• Мониторинг усталости
• Утечки и засорение поточных линий
• Мониторинг резервуара
• Термическое извлечение нефти

• Определение утечек
• Мониторинг колебаний земной поверхности

• Определение и выявление мест горячих точек
• Допустимая токовая нагрузка в амперах (тепловая мощность в реальном времени)
• Интеллектуальная сеть

• Определение трещин
• Управление инфраструктурой и ее проектирование
• Дамба, насыпь
• Сейсмические районы

• Мониторинг заглубленных волоконно-оптических кабелей
• Мониторинг подвесных линий связи
• Обнаружение перенапряженных участков волокна
• Старение 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, направляемый по кабелю, должны влиять внешние факторы, такие как изменения температуры, механических воздействий или вибраций (акустических волн).

Беспорядочное рассеивание фотонов света оптоволоконным материалом называется «рассеянием Рэлея». Этот принцип доказал свою полезность в различных методиках  тестирования оптоволокна, например, при оптической рефлектометрии, так как интенсивность, длина волны и расположение обратно рассеиваемого света могут определять силу и местоположение событий затухания и отражения в оптоволокне.

Аналогичным образом рамановское рассеяние создает вызванные температурой изменения в фотонах, рассеянных обратно к источнику в стоксовой полосе.. Измеряя разницу между интенсивностью обратно рассеянного света в стоксовой и антистоксовой полосах, можно точно определить температуру в любом заданном месте вдоль оптоволокна.

Бриллюэновское рассеяние — аналогичное явление, при котором на длину волны обратно рассеянного света предсказуемым образом влияют внешняя температура и акустические воздействия. 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 влияют.

Когерентное рассеяние Рэлея может использоваться для выявления вибраций и акустических волн. Фазовый сдвиг света чувствителен к вибрациям и акустическим волнам, которые испытывает волоконно-оптический кабель. Анализируя эти фазовые сдвиги, можно определить местоположение и интенсивность колебаний по всей длине оптоволокна.

Распределенное волоконно-оптическое зондирование

Методы рамановского, бриллюэновского и рэлеевского рассеяния эффективно используются при осуществлении распределенных волоконно-оптических измерений (DFS). Рамановское рассеяние используется для распределенного измерения температуры (DTS), бриллюэновское рассеяние — для распределенного измерения температуры и механических воздействий (DTSS), а рэлеевское рассеяние — для распределенного акустического зондирования (DAS). С помощью этих измерений можно точно отслеживать температуру, деформацию и вибрации на расстоянии десятков километров.

В этом контексте термин «распределенное измерение» указывает на то, что технология волоконно-оптического зондирования (измерения) позволяет производить непрерывные измерения по всей длине оптоволокна или производить распределенное измерение с помощью волоконно-оптического датчика. По существу, датчиком является само оптоволокно. А поскольку эта измерительная методика основана на свойствах оптоволокна, можно в качестве рабочей среды использовать обычный телекоммуникационный оптоволоконный кабель, если можно предполагать, что температура не будет превышать 100 ˚C и на кабель не будет оказываться чрезмерное химическое или механическое разрушающее воздействие.

История развития технологии измерения с использованием оптоволокна

Очевидный потенциал измерений с использованием оптоволокна был реализован еще до того, как оптоволокно начало применяться в качестве метода телекоммуникационной связи в 1970-х годах. Фотонный датчик – внешнее устройство, используемое для бесконтактного измерения вибраций – был запатентован в 1967 году. К середине 1980-х годов были установлены принципы волоконно-оптического гироскопа. Отслеживая фазовый сдвиг источника лазерного излучения, содержащегося в волокне, можно получить точные данные о вращении.

Вот несколько сфер применения, где могут использоваться опросные устройства для волоконно-оптических измерений.

• Измерения в оптических сетях: защита, контроль и мониторинг оптоволоконных сетей
• Зондирование для мониторинга инфраструктуры: оптоволокно, используемое как зондирующее устройство, может применяться для мониторинга инфраструктуры. В этом случае оптоволокно прокладывается вдоль объекта важнейшей инфраструктуры, например, моста, трубопровода, безопасного пункта доступа / проема или стены дамбы, чтобы в случае внезапного физического воздействия, движения или изменения температуры подать сигнал тревоги, указывающий на возможность повреждения или отказа инфраструктурного объекта. Эти устройства можно использовать для контроля проходов, таких как двери или крышки люков, чтобы подавать сигнал тревоги в случае взлома. 
• Защита инфраструктуры: акустическое зондирование может использоваться для определения и выявления мест угроз (преднамеренных и непреднамеренных) вокруг критически важных объектов, таких как границы, железные дороги, электрические кабели и трубопроводы, для защиты инфраструктуры.

Опросные устройства VIAVI для оптоволокна можно использовать в разных сценариях мониторинга инфраструктуры.

• Определение колебаний земной поверхности и сторонних помех вдоль трубопровода
• Определение механической деформации трубопровода
• Определение и выявление места утечки на трубопроводе, насыпи, дамбе и пр.
• Определение и выявление места любой угрозы или точки напряжения в телекоммуникационной оптической сети
• Определение и выявление места любой точки нагрева или предупреждений о близости по длине силового кабеля

Использование портативного инструмента, такого как платформа OneAdvisor с возможностью DTS или DTSS, позволит проверяющему выезжать на место эксплуатации и проводить на месте измерения характеристик оптоволокна.  В качестве альтернативы,  используя ONMSi и монтируемую в стойку головку для тестирования оптоволокна с возможностью DTS, DTSS или DAS, можно осуществлять долгосрочный мониторинг оптоволокна и подавать сигналы тревоги при обнаружении изменений или событий. 

Ниже приведен пример устройства VIAVI DTSS для распределенного измерения температуры и деформации:

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

• 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 оптоволокна.

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

Мониторинг оптоволокна позволяет немедленно подать сигнал тревоги при обнаружении изменений. Он также может предоставить точную карту с географической привязкой для определения местоположения события, обнаруженного на оптоволокне. 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 вдоль оптоволокна. Узнайте подробнее о тестировании оптоволокна.

О перебоях в обслуживании, вызванных обрывом оптоволоконного кабеля, сообщат клиенты поставщиков телекоммуникационных услуг и центров обработки данных, арендующих темное волокно, но часто при обрыве на кабель оказывается необратимое механическое воздействие по обе стороны обрыва или повреждения. Рассмотрим пример повреждения кабеля выкапывающим его экскаватором. В этом случае кабель тянули, дергали и натягивали.  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 распределенного измерения температуры и механических воздействий (DTSS). То же самое относится к повреждениям, вызванным неблагоприятными погодными условиями, например, падением ветвей дерева на воздушные кабели.

Наиболее распространенным, но трудно диагностируемым случаем является чрезмерное механическое воздействие на оптоволоконный кабель. В результате кабель необратимо растягивается, его прочность снижается и может ухудшиться коэффициент пропускания света. Ниже приведена картина деформационного испытания с использованием распределенного измерения температуры и деформации (DTSS), на которой показаны три пика деформации. Все три участка этого оптоволоконного кабеля повреждены, но обычная рэлеевская оптическая рефлектометрия не отразит этой проблемы. Данные пики указывают, что этот оптоволоконный кабель необходимо заменить.

Технология измерений на базе оптоволокна — это мощное решение для энергетических компаний, позволяющее улучшить мониторинг и обслуживание инфраструктуры. Благодаря использованию оптических волокон, интегрированных в силовые кабели, компании могут обеспечить непрерывный мониторинг ключевых параметров в режиме реального времени, что позволяет принять упреждающие меры по предотвращению повреждений и избежать дорогостоящего ремонта.

Линии электропередач подвергаются различным внешним и эксплуатационным нагрузкам, которые могут привести к перегреву, механическим деформациям и потенциальным отказам. Оптоволокна, проложенные вдоль линий электропередач, могут использоваться для мониторинга температуры, механических воздействий и вибрации в режиме реального времени. Например, определение горячих точек может указывать на участки, где изоляция может разрушаться или где существует состояние перегрузки. Выявляя эти проблемы на ранней стадии, компании могут запланировать целенаправленное техническое обслуживание до того, как незначительная проблема перерастет в серьезную поломку, что позволит предотвратить перебои в подаче электроэнергии и снизить затраты на ремонт.

Еще одним существенным преимуществом измерений на базе оптоволокна является их способность точно определять местоположение повреждений на линиях электропередач. Традиционные методы обнаружения неисправностей могут быть медленными и дорогостоящими, часто требующими обширной ручной проверки с использованием грузовиков, вертолетов или беспилотников. Измерения на базе оптоволокна позволяют быстро выявлять и находить неисправности, вызванные физическими повреждениями, факторами окружающей среды или эксплуатационными аномалиями. Такая возможность быстрого обнаружения неисправностей позволяет коммунальным предприятиям оперативно реагировать на них, сводя к минимуму время простоя и обеспечивая более надежное энергоснабжение

С учетом широкого спектра преимуществ, которыми уже пользуются различные отрасли, можно с уверенностью предположить, что эффективность и рентабельность существующих продуктов будут улучшаться по мере разработки новых приложений. 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 продолжать расти. Творческое применение технологий измерений на базе оптоволокна поможет удовлетворить эти требования.

Какие типы опросных устройств для волоконно-оптических датчиков предлагает компания VIAVI?

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

• Устройства DTS (распределенное измерение температуры) на базе технологии оптического рефлектометра (OTDR) по методу Рамана
• Устройства DTSS (распределенное измерение температуры и механических воздействий) на базе технологии оптического рефлектометра (OTDR) по методу Бриллюэна
• DAS (распределенное акустическое измерение) на основе технологии когерентного обратного рассеяния Рэлея