omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2024-190-107-116XDUAQSomna-268Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSОпределение разновидностей оптических волокон и ранняя диагностика их физического состояния на основе анализа характеристик рассеяния Мандельштама–БриллюэнаDetermination of optical fiber varieties and early diagnosis of their physical condition based on the analysis of Mandelstam — Brillouin backscatter parametershttps://orcid.org/0000-0002-7019-1784БогачковИ. В.BogachkovI. V.

Богачков Игорь Викторович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность»

AuthorID (РИНЦ) 276415

AuthorID (SCOPUS) 3699775670

ResearcherID: A-7770-2015

г. Омск 

Bogachkov Igor Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of Communications and Information Security Department

AuthorID (RSCI): 276415

AuthorID (SCOPUS) 3699775670

ResearcherID: A-7770-2015

Omsk 

bogachkov@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation202430062024102107116Copyright © Богачков И.В., 20242024Богачков И.В.Bogachkov I.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/268

В этой работе представлены результаты исследований возможностей автоматизации обработки данных измерений, полученных от бриллюэновского оптического рефлектометра, световодов, содержащих различные виды одномодовых оптических волокон. Анализируя параметры рассеяния Мандельштама–Бриллюэна, полученных из данных бриллюэновских рефлектограмм, возможно осуществлять классификацию оптических волокон в исследуемых оптических кабелях телекоммуникационных систем, а также оценивать изменение бриллюэновского частотного сдвига и определять степень продольного натяжения оптических волокон. Начальные значения бриллюэновского частотного сдвига и спектр рассеяния Мандельштама–Бриллюэна для каждой разновидности оптических волокон отличаются. Представлены разработанные программы для автоматизированной обработки бриллюэновских рефлектограмм. C помощью анализа уровня обратно отражённого сигнала можно выделить фактор, оказавший преимущественное влияние на параметры сигнала рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в исследуемых участках оптических волокон, и компенсировать влияние температурных изменений в графиках распределения продольного натяжения. Это позволяет построить график распределения продольного натяжения вдоль световода, вызванного именно механическими воздействиями на оптические волокна. Сделаны выводы о точности оценок, полученных по различным алгоритмам, на основании накопленного опыта по работе с представленными программами.

Research results into the automating the processing of measurement data obtained from the Brillouin optical reflectometer, light guides containing various types of optical fibers are presented in this paper. By analyzing the parameters of the Mandelstam — Brillouin scatter obtained from Brillouin reflectograms, we can classify optical fibers in the studied telecommunication optical cables. This makes it possible to evaluate the change of the Brillouin frequency shift and determine the longitudinal fiber tension. The initial values of the Brillouin frequency shift and the profile of the Mandelstam — Brillouin scatter spectrum are different for each fiber type. The programs for automated processing of Brillouin reflectogram data are discussed. Estimation of the level of the back-reflected signal allows you to identify the factor, that had a predominant effect on the parameters of the Mandelstam — Brillouin scatter signal in the studied sections of optical fibers, and to compensate for the influence of temperature changes in the longitudinal strain distribution graphs. After that, we can plot a graph of the distribution of longitudinal strain along the fiber, caused precisely by mechanical influences on optical fibers. Conclusions about the accuracy of the estimates obtained by various algorithms, based on the accumulated experience in working with the presented programs are drawn.

оптическое волокнонатяжение волоконбриллюэновская рефлектометрияспектр рассеяния Мандельштама–Бриллюэнапрофиль бриллюэновского спектраoptical fiberfiber strainBrillouin reflectometryMandelstam – Brillouin backscatter spectrumBrillouin spectrum profileReferencesBogachkov I. V., Gorlov N. I. Determination of the Mandelstam–Brillouin scatter frequency characteristic in optical fibers of various types // Journal of Physics. 2022. Vol. 2182. P. 1–9. DOI: 10.1088/1742-6596/2182/1/012089.Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Determination of the Mandelstam — Brillouin scatter frequency characteristic in optical fibers of various types // Journal of Physics. 2022. Vol. 2182. P. 1–9. DOI: 10.1088/1742-6596/2182/1/012089. (In Engl.).Андреев В., Бурдин В., Нижгородов А. Сценарии прогноза срока службы оптического волокна в КЛС // Первая миля. 2020. № 4. С. 34–43. DOI: 10.22184/2070-8963.2020.89.4.34.43.Andreev V., Burdin V., Nizhgorodov A. Stsenarii prognoza sroka sluzhby opticheskogo volokna v KLS [Scenarios of prediction optical fiber lifetime in cable lines] // Pervaya milya. Last Mile. 2020. No. 4. P. 34–43. DOI: 10.22184/2070-8963.2020.89.4.34.43. (In Russ.).Belokrylov M. E., Claude D., Konstantinov Y. A. [et al.]. Method for increasing the signal-to-noise ratio of Rayleigh back-scattered radiation registered by a frequency domain optical reflectometer using two-stage erbium amplification // Instrum Exp Tech. 2023. Vol. 66. P. 761–768. DOI: 10.1134/S0020441223050172.Belokrylov M. E., Claude D., Konstantinov Y. A. [et al.]. Method for increasing the signal-to-noise ratio of Rayleigh back-scattered radiation registered by a frequency domain optical reflectometer using two-stage erbium amplification // Instrum Exp Tech. 2023. Vol. 66. P. 761–768. DOI: 10.1134/S0020441223050172. (In Engl.).Шувалов В. П., Зеленцов Б. П., Квиткова И. Г. Модель надёжности волоконно-оптической линии связи при недостоверном прогнозирующем контроле // Вестник СибГУТИ. 2020. № 4. С. 66–77. EDN: JICCJM.Shuvalov V. P., Zelentsov B. P., Kvitkova I. G. Model′ nadezhnosti volokonno-opticheskoy linii svyazi pri nedostovernom prognoziruyushchem kontrole [Reliability model of a fiberoptic communication line with unreliable predictive control] // Bulletin of SibGUTI. The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science. 2020. No. 4. P. 66–77. EDN: JICCJM. (In Russ.).Gorshkov B. G., Yüksel K., Fotiadi A. A. [et al.]. Scientific applications of distributed acoustic sensing: State-of-the-Art review and perspective // Sensors 2022. Vol. 22, № 1033. DOI: 10.3390/s22031033.Gorshkov B. G., Yüksel K., Fotiadi A. A. [et al.]. Scientific applications of distributed acoustic sensing: State-of-the-Art review and perspective // Sensors 2022. Vol. 22, no. 1033. DOI: 10.3390/s22031033. (In Engl.).Barkov F. L., Konstantinov Y. A., Krivosheev A. I. A novel method of spectra processing for Brillouin optical time domain reflectometry // Fibers. 2020. Vol. 8, № 9. P. 1–11. DOI: 10.3390/FIB8090060.Barkov F. L., Konstantinov Y. A., Krivosheev A. I. A novel method of spectra processing for Brillouin optical time domain reflectometry // Fibers. 2020. Vol. 8, no. 9. P. 1–11. DOI: 10.3390/FIB8090060. (In Engl.).Krivosheev A. I., Barkov F. L., Konstantinov Y. A. [et al.]. State-of-the-Art methods for determining the frequency shift of Brillouin scattering in fiber-optic metrology and sensing // Instruments and Experimental Techniques. 2022. Vol. 65 (5). P. 687–710. DOI: 10.1134/S0020441222050268.Krivosheev A. I., Barkov F. L., Konstantinov Y. A. [et al.]. State-of-the-Art methods for determining the frequency shift of Brillouin scattering in fiber-optic metrology and sensing // Instruments and Experimental Techniques. 2022. Vol. 65 (5). P. 687–710. DOI: 10.1134/S0020441222050268. (In Engl.).Bogachkov I. V. Research of the features of Mandelstam– Brillouin backscattering in optical fibers of various types // T-comm. 2019. Vol. 13, № 1. P. 60–65. DOI: 10.24411/2072-8735-2018-10216. EDN: YWFXSX.Bogachkov I. V. Research of the features of Mandelstam — Brillouin backscattering in optical fibers of various types // T-comm. 2019. Vol. 13, no. 1. P. 60–65. DOI: 10.24411/2072-8735-2018-10216. EDN: YWFXSX. (In Engl.).Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования характеристик рассеяния Мандельштама–Бриллюэна в одномодовых оптических волокнах различных видов // Приборы и техника эксперимента, 2023. № 5. С. 70–77. DOI: 10.31857/S0032816223050063.Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Eksperimental′nyye issledovaniya kharakteristik rasseyaniya Mandel′shtama — Brillyuena v odnomodovykh opticheskikh voloknakh razlichnykh vidov [Experimental investigations into characteristics of Mandelstam — Brillouin scattering in single-mode optical fiber of various types] // Pribory i tekhnika eksperimenta. Instruments and Experimental Techniques. 2023. Vol. 66, no. 5. P. 775–781. DOI: 10.1134/S0020441223050068. (In Russ.).Ruffin A. B., Li M.-J., Chen X. [et al.]. Brillouin gain analysis for fibers with different refractive indices // Optics Letters. 2005. Vol. 30 (23). P. 3123–3125. DOI:10.1364/OL.30.003123Ruffin A. B., Li M.-J., Chen X. [et al.]. Brillouin gain analysis for fibers with different refractive indices // Optics Letters. 2005. Vol. 30 (23). P. 3123–3125. DOI:10.1364/OL.30.003123. (In Engl.).Koyamada Y., Sato S., Nakamura S. [et al.]. Simulating and designing Brillouin gain spectrum in single-mode fibers // Journal of Lightwave Technology. 2004. Vol. 22 (2). P. 631–639. DOI: 10.1109/JLT.2003.822007.Koyamada Y., Sato S., Nakamura S. [et al.]. Simulating and designing Brillouin gain spectrum in single-mode fibers // Journal of Lightwave Technology. 2004. Vol. 22 (2). P. 631–639. DOI: 10.1109/JLT.2003.822007. (In Engl.).Krivosheev A. I., Konstantinov Y. A., Barkov F. L. [et al.]. Comparative analysis of the Brillouin frequency shift determining accuracy in extremely noised spectra by various correlation methods // Instruments and Experimental Techniques. 2021. Vol. 64 (5). P. 715–719. DOI: 10.1134/S0020441221050067.Krivosheev A. I., Konstantinov Y. A., Barkov F. L. [et al.]. Comparative analysis of the Brillouin frequency shift determining accuracy in extremely noised spectra by various correlation methods // Instruments and Experimental Techniques. 2021. Vol. 64 (5). P. 715–719. DOI: 10.1134/S0020441221050067. (In Engl.).Bogachkov I. V. Classification of the factors causing the change of the optical fiber strain on the basis of Brillouin reflectograms // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1441. DOI: 10.1088/1742-6596/1441/1/012038.Bogachkov I. V. Classification of the factors causing the change of the optical fiber strain on the basis of Brillouin reflectograms // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1441. DOI: 10.1088/1742-6596/1441/1/012038. (In Engl.).Bogachkov I. V. Automatized determination of types and characteristics of the optical fibers state located in the laid cables // Journal of Physics. 2020. Vol. 1546. P. 1–9. DOI: 10.1088/1742-6596/1546/1/012044.Bogachkov I. V. Automatized determination of types and characteristics of the optical fibers state located in the laid cables // Journal of Physics. 2020. Vol. 1546. P. 1–9. DOI: 10.1088/1742-6596/1546/1/012044. (In Engl.).Bogachkov I. V., Gorlov N. I. The basics of automated processing of optical fiber reflectograms for evaluating characteristics of the Mandelstam–Brillouin backscatter // Conference: 2020 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO). 2020. P. 1–6. DOI: 10.1109/SYNCHROINFO49631.2020.9166114.Bogachkov I. V., Gorlov N. I. The basics of automated processing of optical fiber reflectograms for evaluating characteristics of the Mandelstam — Brillouin backscatter // Conference: 2020 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO). 2020. P. 1–6. DOI: 10.1109/SYNCHROINFO49631.2020.9166114. (In Engl.).Bogachkov I. V. Principles of automated data processing of Mandelstam–Brillouin backscatter characteristics for evaluating the state of optical fibers // T-comm. 2020. Vol. 14, № 8. P. 47– 52. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-8-47-52.Bogachkov I. V. Principles of automated data processing of Mandelstam — Brillouin backscatter characteristics for evaluating the state of optical fibers // T-comm. 2020. Vol. 14, no. 8. P. 47–52. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-8-47-52. (In Engl.).Программа для классификации разновидностей оптических волокон по бриллюэновским рефлектограммам: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019610752 / Богачков И. В. № 2018662391; заявл. 07.11.2018.; опубл. 18.01.2019.Programma dlya klassifikatsii raznovidnostey opticheskikh volokon po brillyuenovskim reflektogrammam: cvidetel′stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2019610752 [A program for classifying varieties of optical fibers according to Brillouin reflectograms: Certificate of the state computer program registration № 2019610752] / Bogachkov I. V. No. 2018662391; filed 07.11.2018; published 18.01.2019. (In Russ.).Программа для выявления типа воздействия на оптические волокна и определения их натяжения: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019667360 / Богачков И. В. № 2019666447/69; заявл. 13.12.2019; опубл. 23.12.2019.Programma dlya vyyavleniya tipa vozdeystviya na opticheskiye volokna i opredeleniya ikh natyazheniya: cvidetel′stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2019667360 [A program for identifying the type of impact on optical fibers and determining their tension: Certificate of the state computer program registration No. 2019667360] / Bogachkov I. V. No. 2019666447/69; filed 13.12.2019; published 23.12.2019. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.