Физические свойства оптического волокна на сегодняшний день находят самое разное применение. Первоочередным свойством, безусловно, является их хорошая пропускная способность, однако ряд зарубежных исследователей открыли новые возможности применения оптических волокон.
Измерение деформаций и температуры оптического волокна
Так, группа канадских ученых разработала технологию распределенных измерений деформации и температуры оптического волокна. Основой этой технологии является датчик на основе бриллюэновского оптического импульсного анализатора (BOTDA), использующего оптическое волокно в качестве датчика для дистанционного измерения напряжения и температуры. Данную технологию можно использовать для мониторинга состояния окружающей среды в режиме реального времени, в том числе для обнаружения опасных изменений напряжений в волокне, способных привести к его разрушению.
BOTDA представляет собой систему, которая использует частотные сдвиги вследствие бриллюэновского рассеяния света в выбранных точках. Анализ бриллюэновского смещения частоты отраженного света дает достаточно полную информацию о физических параметрах, таких, как температура и деформация в любой точке волокна. Системы распределенных измерений деформации и температуры (DSTS), использующие BOTDA, сегодня применяются в области мониторинга строительных конструкций (мостов и высотных зданий) и инфраструктуры (газо- и нефтепроводов). Применение этой технологии к воздушной и подземной оптоволоконной инфраструктуре в настоящее время является перспективным направлением.
Учеными было исследовано применение данной технологии для мониторинга в режиме реального времени с помощью ОКГТ. ОКГТ, благодаря наружной установке, подвергаются воздействию ветра, колебаний температуры и обледенению. Ценным является свойство мониторинга напряжения (абсолютного или относительного), испытываемого отдельными волокнами по всей длине кабеля и измерения напряжения на коротких (10 м) промежутках. При правильном применении DSTS может существенно расширить возможности для измерения динамического воздействия ветра, перепадов температуры и обледенения на оптические волокна, расположенные внутри ОКГТ. Исследования проводились на линии длиной 67 км, оснащенной ОКГТ. Технология распределенных измерений деформации и температуры обеспечивала ежечасный мониторинг деформации каждых 10 м исследуемого одномодового волокна 67-километрового ОКГТ в течение одного года. По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
- DSTS может указать на возможные дефекты монтажа в местах с высокой нагрузкой.
- Влияние погодных явлений, таких, как гроза или метель, на провод или трос воздушной линии (например, ОКГТ) можно определить путем мониторинга относительной деформации ОКГТ.
- Могут наблюдаться колебания напряжения в оптическом волокне в теплые дни и во время переходов от дня к ночи. В сочетании с данными о температуре, полученными от анализатора, можно экстраполировать полезную информацию о температуре поверхности кабеля.
- Применение DSTS может быть двояким:
а) Мониторинг короткого участка кабеля с высоким пространственным разрешением (±10 см);
б) Мониторинг кабеля длиной 50-80 км с более низким пространственным разрешением порядка 1-10 м.
Определение местоположения грозовых разрядов
Американские ученые наблюдали за состоянием поляризованного света в ОКГТ, расположенного в Северной Америке, с использованием способа испытаний и прибора, с помощью которых определяли географическое местоположение переходных процессов поляризации и смогли сопоставить эти события по времени и месту с ударами молнии, задокументированными сетью точного определения молний США (USPLN). Частота изменения состояний поляризации в оптическом волокне является важным обстоятельством при проектировании когерентных поляризационных мультиплексных приемопередатчиков. Они должны восстанавливать поляризацию, чтобы избежать перекрестных поляризационных помех. Известно, что переходные процессы поляризации могут возникать при передаче сигналов через волокно из-за электрических или механических переходных изменений в среде волокна. Таким образом, вероятность переходных процессов поляризации различных значений, измеренная в определенных каналах, вынуждает искать компромисс между производительностью когерентного приемопередатчика и сложностью конструкции.
Чтобы оценить вероятность переходных процессов поляризации, полезно определить основную причину. Особый интерес представляет скорость изменения состояния поляризации, наблюдаемого в ОКГТ. В этом исследовании основное внимание было уделено переходным процессам поляризации, связанным с грозовыми разрядами на линиях протяженностью 505 км в Северной Америке, из которых приблизительно 500 км были оснащены ОКГТ. Изучение связи переходных процессов поляризации с ударами молний проводилось в местности с частотой ударов молнии, превышающей 8 ударов на км2 в год в период частых ударов молнии (с апреля по сентябрь 2016 года). Методы испытаний позволили выявить точку начала переходного процесса поляризации вдоль кабеля. Сравнение с данными о молниях, полученными у сети точного определения молний США (USPLN) выявило 95%-ное совпадение переходных процессов поляризации с ударами молнии по времени и местоположению.
Мониторинг гололедных явлений
Исследователи из Китая разработали и оценили схемы мониторинга обледенения воздушных линий с помощью датчиков деформации волоконной брэгговской решетки (FBG) как теоретически, так и экспериментально. Гололедная нагрузка может иметь катастрофические последствия для воздушных линий электропередач: короткие замыкания, обрывы проводов и даже разрушение опор. Например, энергосистема Южного Китая пережила аварию в 2008 году из-за обледенения линий электропередач. Поэтому действенные методы мониторинга обледенения могут значительно упростить эксплуатацию воздушных линий и предотвратить различные аварии.
Традиционные методы мониторинга обледенения включают в себя видеонаблюдение, бесконтактное инфракрасное измерение и измерения температуры поверхности или сердцевины провода. Эти методы не обеспечивают требуемую точность измерения толщины обледенения, имеют трудности в электропитании и подвержены электромагнитным помехам. В последние годы для контроля обледенения применялись различные датчики деформации и соответствующие схемы, причем датчики на основе волоконной брэгговской решетки продемонстрировали большой потенциал в этой области. Датчик FBG имеет неоспоримые преимущества: малую массу, небольшие размеры, устойчивость к электромагнитным помехам и коррозии. Кроме того, он может быть интегрирован в ВОЛС и, следовательно, подходит для распределенных измерений параметров линий.
Предложенные исследователями схемы требуют проведения долгосрочных экспериментов в полевых условиях, а также усовершенствования технологии. Однако, предложенный метод имеет большой потенциал и будет актуален в условиях стран с холодным климатом, где требуется мониторинг обледенения тросов с целью недопущения развития аварий с нежелательными последствиями.