Что такое «рэлеевское рассеяние»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Является ли это естественным «шумом» в оптоволокне? Почему его можно использовать для измерения вибрации?

2

Что такое «рэлеевское рассеяние» и является ли оно естественным «шумом» в оптоволокне?

С точки зрения производства оптоволокна и передачи данных, рэлеевское рассеяние (Rayleigh Scattering) действительно можно считать неотъемлемым естественным «шумом» или источником потерь; однако в области оптоволоконной сенсорики это не просто бесполезный шум, а незаменимый носитель физического сигнала.

1. Физическая суть

Рэлеевское рассеяние — это явление упругого рассеяния света при его распространении в неоднородной среде.
В процессе производства оптоволокна из диоксида кремния (кварца), когда расплавленное стекло вытягивается и быстро охлаждается до затвердевания, в его структуре остаются микроскопические неоднородности плотности и флуктуации показателя преломления. Размеры этих неоднородных областей (обычно на наноуровне) значительно меньше длины волны падающего света, как правило, меньше \lambda / 10 .

Когда свет распространяется по оптоволокну, эти микроскопические флуктуации показателя преломления вызывают случайное рассеяние света. При этом небольшая часть рассеянного света возвращается назад, в направлении, противоположном исходному, — это и есть обратное рэлеевское рассеяние (Rayleigh Backscattering).

2. Почему это «шум» в телекоммуникациях

Для оптоволоконной связи рэлеевское рассеяние является основным источником собственных потерь в оптоволокне. Оно определяет теоретический предел минимального затухания одномодового кварцевого оптоволокна в ближнем инфракрасном диапазоне (например, в диапазоне 1550\text{ nm} ) — около 0.14\text{ dB/km} . Поскольку рассеянный свет имеет случайное направление и возникает повсеместно, он также создает эхо-шум и ограничивает отношение сигнал/шум при высокоскоростной связи на больших расстояниях. Поэтому в телекоммуникационной инженерии рэлеевское рассеяние действительно является естественным «фоновым шумом», которому всячески стараются противодействовать.

3. Почему это «бесценное сокровище» в сенсорике

В распределенных оптоволоконных сенсорных системах (DOFS) эти «шумы» становятся самыми чувствительными «детекторами». Поскольку обратное рэлеевское рассеяние непрерывно возникает по всей длине оптоволокна, оно не только несет информацию о положении каждой точки оптоволокна, но и чрезвычайно чувствительно к малейшим внешним воздействиям (таким как температура, деформация, вибрация), которым подвергается оптоволокно. При демодуляции этих рассеянных сигналов все оптоволокно может стать распределенным непрерывным датчиком.

Почему рэлеевское рассеяние используется для измерения вибраций?

Для измерения вибраций с использованием рэлеевского рассеяния в основном применяется фазочувствительная технология оптической рефлектометрии во временной области ( \Phi\text{-OTDR} ) или технология когерентной оптической рефлектометрии в частотной области ( \text{OFDR} ). Физические и инженерные принципы демодуляции следующие:

1. Когерентная интерференция и «интерференционный отпечаток» оптоволокна

Когда система вводит в оптоволокно когерентный лазерный импульс со сверхсуперузкой линией излучения, обратно рассеянные световые волны от тысяч микроскопических центров рэлеевского рассеяния в пределах пространственного диапазона, охватываемого импульсом, возвращаются. Поскольку эти отраженные сигналы имеют одинаковую частоту и постоянное фазовое соотношение, они подвергаются когерентной интерференции (конструктивной или деструктивной) на приемнике, формируя случайный, но уникальный для данного оптоволокна интерференционный узор (так называемый «отпечаток когерентного рэлеевского показателя преломления»).

2. Фазовая модуляция от внешних вибраций (эффект фотоупругости)

Когда внешняя физическая вибрация, звуковая волна или кратковременное механическое воздействие действуют на оптоволокно, физическая сила прикладывается к оптоволокну, вызывая его микроскопическую деформацию и, посредством эффекта фотоупругости (Photoelastic Effect), мгновенно изменяя локальный показатель преломления оптоволокна.
Это незначительное изменение показателя преломления и физической длины изменяет относительное пространственное положение и разность фаз между отдельными центрами рассеяния в возмущенной области, что приводит к резкому изменению интенсивности и фазы интерференционного отпечатка на приемнике.

3. Точное позиционирование и демодуляция физической величины

  • Принцип позиционирования: Система точно вычисляет конкретное место возникновения вибрации, измеряя разницу во времени \Delta t между излучением лазерного импульса и приемом отраженного сигнала от возмущенного участка, используя формулу временного рефлектометра:
    z = \frac{c \cdot \Delta t}{2n}
    где c — скорость света, а n — показатель преломления оптоволокна.
  • Реконструкция вибрации: Путем высокоскоростного сбора данных и фазовой демодуляции отраженного сигнала система не только определяет факт возникновения вибрации и ее точное местоположение, но и может полностью восстановить частоту и относительную амплитуду вибрации, тем самым реализуя дальнее, высокоразрешающее, в реальном времени динамическое мониторинг по всей длине оптоволокна. Это является основным принципом распределенных датчиков вибрации/звука ( \text{DVS} / \text{DAS} ).

Рекомендации по соответствующим сенсорным продуктам от OFSCN®

При высокоточных измерениях распределенной температуры, деформации и вибрации обычные телекоммуникационные оптические кабели из-за своей рыхлой конструкции оболочки не могут обеспечить неповрежденную передачу микроскопических деформаций и локальных изменений температуры.

Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology (OFSCN®) специально разработала датчики температуры и деформации из сверхтонкой, полностью металлической бесшовной стальной трубы для распределенных оптоволоконных сенсоров. Эти высоконадежные датчики обеспечивают превосходную эффективность передачи деформаций и температур, идеально соответствуя сенсорным системам, основанным на физических эффектах, таких как рэлеевское рассеяние:

1. Серия интеллектуальных распределенных датчиков температуры OFSCN®

Эта серия продуктов разработана для распределенных многоточечных измерений температуры в широком диапазоне температур и идеально подходит для использования с сенсорным оборудованием на основе «рэлеевского рассеяния OFDR», «рамановского рассеяния Raman-DTS» или «брэгговского рассеяния Brillouin-DTSS»:

2. Серия сверхтонких полностью металлических распределенных датчиков деформации OFDR Micro All-Metal Strain Sensor OFSCN®

Эта серия продуктов использует сверхтонкую ( 0.6\text{ mm} ) эластичную металлическую трубчатую структуру для плотного прилегания и герметизации. Она обладает высокой чувствительностью и нулевой задержкой при передаче деформаций. Часто используется в сочетании с высокоточными устройствами демодуляции \\text{OFDR} (на основе рэлеевского рассеяния) для измерения микроскопических деформаций конструкций или материалов: