Содержание к диссертации
1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ
АДАПТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА
РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 29
-
Общие принципы организации информационно-измерительных систем мониторинга распределений физических полей 29
-
Современные тенденции создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей ' 39
-
Современные тенденции применения нейросетевых методов обработки данных в информационно-измерительных системах 62
-
Постановка целей и задач диссертации 68
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЬІ ОРГАНИЗАЦИИ И
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 70
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
-
Общие принципы построения интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий 71
-
Физические принципы организации и функционирования интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий 75
-
Принципы создания фазовых интегрирующих измерительных
линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров 87
2.4. Принципы создания фазовых интегрирующих измерительных
линий на основе одноволоконных многомодовых
интерферометров 96
2.5 Выводы 101
3. АДАПТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВЫХОДНЫХ
СИГНАЛОВ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ФАЗОВЫХ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 102
-
Метод адаптивной обработки выходных сигналов интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров с использованием элемента согласования одно- и двухмодовых волоконных световодов 102
-
Метод адаптивной обработки выходных сигналов интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием электронного устройства корреляционной 115 обработки
-
Обработка поля излучения на выходе одноволоконного многомодового интерферометра с использованием фотографического амплитудного корреляционного 115 пространственного фильтра
-
Корреляционный метод оптоэлектронной амплитудной пространственной фильтрации излучения для адаптивной обработки сигналов одноволоконных многомодовых 121 интерферометров
3.3- Метод адаптивной обработки выходных сигналов
интегрирующих измерительных линий на основе
одноволоконного многомодового интерферометра с
использованием динамических голограмм 129
-
Обработка поля излучения на выходе одноволоконного моногомодового интерферометра методом голографической 129 фильтрации на стационарной голограмме
-
Процесс формирования адаптивного корреляционного голографического фильтра в фоторефрактивной среде 132
-
Особенности процесса формирования адаптивного корреляционного голографического фильтра в фоторефрактивной среде осциллирующей спекловой картиной одноволоконного многомодового интерферометра 148
-
Экспериментальное исследование адаптивных свойств корреляционного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле, в задаче мониторинга состояния твердых тел, находящихся под действием механических напряжений 156
3.4. Выводы 161
4. НЕЙРОСЕТЕВЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 163
-
Принципы формирования информационных массивов распределенными волоконно-оптическими измерительными 164 сетями томографического типа
-
Нейросетевая обработка информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями с линейной функцией передачи 172
-
Нейросетевая обработка информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями с нелинейной функцией передачи 190
-
Нейросетевые принципы реконструкции распределений физических полей с использованием адаптивной оптоэлектронной информационно-измерительной системы 200
-
Выводы 204 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 206 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 214 Приложение 1
Введение к работе
Широкомасштабное внедрение в практику автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и объектами, расширение области фундаментальных и прикладных научных исследований требуют создания и использования разнообразных измерительных устройств и систем, позволяющих получать в реальном времени достоверную информацию о состоянии контролируемых объектов и о протекающих в них процессах [1-9]. К таким объектам относятся: объекты авиационного и водного транспорта, объекты машиностроения, гидротехнические сооружения, шахты, мосты, туннели, дамбы, плотины, взлетно-посадочные полосы, нефтепроводы и т.д. Для контроля состояния подобных объектов необходимо обеспечить измерение большого количества параметров различных физических полей, распределенных, как правило, на значительных площадях пространства, а также обработку формируемых при этом многомерных информационных массивов. Так, например, около тысячи датчиков необходимо обслуживать при температурных испытаниях ядерного реактора. В связи с этим особую актуальность приобретает создание специализированных информационно-измерительных систем (ИИС), способных осуществлять мониторинг крупномасштабных и пространственно неоднородных многомерных физических полей.
Использование большого числа (сотни и тысячи) отдельных измерительных приборов, во-первых, не всегда позволяет получить необходимую информацию, а во-вторых, информация, представленная этими приборами, не может быть воспринята и сохранена человеком в силу физиолого-психологических ограничений. Кроме того, при косвенных или совокупных измерениях неизвестную величину находят в результате математической обработки ряда предварительных данных, что при определенных условиях или требованиях не всегда может выполнить человек: Таким образом, усложнение процедуры измерений формирует современные тенденции развития измерительной техники, предполагающие интеллектуализацию информационно-измерительных систем, в основу которых положено оснащение как специализированных, так и унифицированных измерительных устройств мощными вычислительными и программными средствами. Работы в области информационно-измерительной техники и измерительных технологий позволили в последние годы создать новый раздел теории и практики измерений - интеллектуальные измерительные приборы и системы [1]. В рамках современных представлений об интеллектуализации измерительного процесса предполагается, что информационно-измерительная система должна обладать способностью принятия решений в экстремальных ситуациях, когда параметры контролируемого объекта достигают критических значений.
В результате актуальной становится разработка новых подходов, как к самому измерительному процессу, так и к выбору измерительного оборудования. Как следствие этого, возникает необходимость развития новой идеологии и поиска новых системных решений при разработке и эксплуатации измерительных устройств отвечающих современным требованиям. Если ранее многие физические величины измерялись независимо друг от друга отдельными измерительными приборами в отдельных точках, то теперь четко обозначились тенденции их одновременного и интегрированного сравнения, установления их распределения и закономерностей взаимодействия. Наметилось стремление придать измерительным устройствам такие новые качества, как: адаптивность, способность к обучению, интегрируемость и системность. А это предполагает повышение требований, предъявляемых к качеству и эксплуатационным возможностям измерительных устройств, которые напрямую зависят от характеристик используемых в их составе
7 датчиков физических величин, систем передачи и обработки получаемой информации.
Современные средства измерения широко используют оптические, электрические, магнитодинамические, пьезокерамические и другие датчики физических величин. Однако применение их в составе современных измерительных систем [10-14] часто оказывается затрудненным или невозможным в силу низкого быстродействия, больших размеров, массы или жесткости конструкции, приводящих к изменению характеристик контролируемого объекта, низкой помехоустойчивости, влияния агрессивных сред или климатических условий, трудностей их объединения в сложные информационно-измерительные системы и так далее. Пропускная способность электрических коммуникационных линий зачастую недостаточна для передачи по ним значительных информационных потоков, поступающих от большого числа датчиков [14].
Именно поэтому в последние годы во всем мире большое внимание уделяется не только поиску принципиально новых подходов к методам измерений, но и к разработке новой элементной базы измерительных средств.
Значительный прогресс техники волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) у нас в стране и за рубежом привел к возникновению нового направления метрологии — волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин. Наибольшие перспективы использования ВОД видятся в таких динамично развивающихся отраслях, как: химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, авиа- и космическая техника, судо-и гидростроение, транспорт, биомедицинская промышленность, военные применения и др.
Сочетание развитой технологии ВОЛС с современными достижениями в областях опто- и микроэлектроники открывают широкие перспективы для создания разнообразных датчиков физических величин, которые по ряду своих характеристик выгодно отличаются от своих аналогов, выполненных на иной элементной базе [15-34]. Это позволяет привнести новое качество в процесс измерения и решить большинство из вышеперечисленных проблем. Так, неподверженность прямому влиянию электромагнитных помех, позволяет использовать волоконно-оптические датчики в различных экстремальных условиях: во время грозы, вблизи линий электропередач, на атомных станциях и т.д.; достаточно долгое время жизни ВОД открывает возможность увеличения срока эксплуатации измерительных систем до 25 лет и выше; неподверженность коррозии при использовании в открытых измерительных системах делает их незаменимыми при создании систем диагностики мостов, дамб, зданий и других инженерных сооружений; высокая чувствительность, большой динамический диапазон и потенциально высокая плотность размещения ВОД обеспечивают высокую точность измерений и высокое качество реконструкции распределений параметров физических полей.
Малые размеры и масса волоконно-оптических датчиков позволяют размещать их в композитных материалах без нарушения физико-технических характеристик последних. Хотя композиты по прочности и устойчивости к коррозии превосходят многие конструкционные стали, опыт работы с ними недостаточен [12]. Это требует тщательного контроля механических параметров нагружаемых элементов конструкций на основе данных материалов в течение всего времени их эксплуатации. Измерительные световоды могут стать «органической» составной частью композитных материалов, выполняя одновременно функции сбора информации и прочностных элементов.
Волоконные световоды тепло и морозоустойчивы, пожаробезопасны, обладают низким удельным весом (~г/м), малым диаметром (125 рт - без защитной полимерной оболочки), высокой эластичностью (относительное удлинение до 5%, радиус изгиба до 3 мм) [8,11]. Их предел прочности на растяжение превышает таковой у стали [12]. Поэтому, размещение измерительных волокон на поверхности технических конструкций и
9 механизмов не сопровождается сколько-нибудь заметным изменением механических параметров узлов и не предполагает быстрого выхода из строя волоконных чувствительных элементов вследствие воздействия окружающей среды или деформационных нагрузок. Практика эксплуатации волоконных измерительных приборов в подобных условиях доказала, что они полностью сохраняют работоспособность в течение нескольких лет [12, 35-37].
Органичное сочетание в едином тракте волоконного световода функций передающей световое излучение среды и чувствительного элемента датчика открывает широкие перспективы для создания принципиально новых, не имеющих аналогов в измерительной технике быстродействующих измерительных устройств, способных не только интегрироваться в сложные разветвленные информационно-измерительные системы, но и легко сопрягаться с высокоскоростными, помехозащищенными волоконно-оптическими линиями связи [38-42].
Необходимость создания систем мониторинга протяженных промышленных объектов повышенной опасности, таких как шахты, мосты, туннели, дамбы, плотины, взлетно-посадочные полосы, нефтепроводы и т.д. привело к формированию нового направления измерительных систем -протяженных измерительных линий на основе мультиплексирования значительного количества отдельных «сосредоточенных» датчиков [43,44]. Такие измерительные линии получили название мультиплексированных. Использование световой несущей в датчиках физических воздействий и волоконных линий связи со скоростью передачи данных, достигающей нескольких десятков Гбит/с, позволяет наиболее полно реализовать потенциальные возможности по объединению большого числа датчиков в единую измерительную линию. Такой подход позволяет получить значительный выигрыш в стоимости измерительных устройств и решить проблему создания разветвленных систем телеметрии за счет подключения
10 измерительных линий к существующим локальным или магистральным системам волоконно-оптической связи.
Создание протяженных мультиплексированных волоконно-оптических линий стимулировало развитие более сложных измерительных устройств — распределенных волоконно-оптических измерительных сетей (РВОИС), которые в мировой литературе получили название «чувствительные поверхности». Распределенная измерительная сеть, составленная из мультиплексированных волоконно-оптических измерительных линий (ВОИЛ), делает возможным одновременное измерение параметров физического поля в различных точках и осуществление мониторинга состояния контролируемого объекта или процесса в реальном времени .
Однако нестабильность параметров используемого излучения (амплитуды, частоты, продолжительности оптических импульсов), обусловленная нестабильностью источников и оптоэлектронных компонентов, способна существенно ограничить число каналов передачи данных внутри волоконной линии связи и, как следствие, число измерительных элементов в составе РВОИС [45-50]. Потери излучения в «сосредоточенных» ВОД и проблемы демультиплексирования поступающих от них сигналов также ограничивают возможности их объединения [51]. Поэтому, даже в лучших, и наиболее дорогих из рассмотренных мультиплексированных систем число приемников не превышает одного - двух десятков [51]. Это обстоятельство делает невозможным выполнение измерений на больших площадях или для протяженных объектов, когда требуется высокая точность восстановления распределения параметров физических полей.
Проблемы, возникшие при разработке методов мультиплексирования «сосредоточенных» ВОД, привели к формированию нового подхода к созданию протяженных волоконно-оптических измерительных линий, в котором используется свойство ВС воспринимать внешнее воздействие по всей его длине - непрерывная чувствительность. Протяженные датчики с непрерывной чувствительностью, называют распределенными и созданные на их основе измерительные сети также относятся к распределенным ИС [52-59]. В основу работы большинства известных в настоящее время распределенных волоконно-оптических измерительных линий положен принцип оптической временной рефлектометрии [54,60,61], применяемый в мультиплексированных измерительных системах с временным разделением каналов. Однако такие сети требуют использования сложной, дорогостоящей и, порой, громоздкой аппаратуры разделения и обработки оптических сигналов.
В целом измерительные сети на основе систем мультиплексированных и распределенных волоконно-оптических датчиков в большинстве случаев обладают весьма ограниченными возможностями при разделении сигналов от большого числа приемных элементов (сосредоточенных волоконных ЧЭ в составе мультиплексированной сети или элементарных участков ВС в распределенном датчике). Как следствие, при проведении измерений на больших площадях, такие измерительные сети обеспечивают низкую пространственную плотность отсчетов, поэтому разрешение оказывается недостаточным для отслеживания параметров крупномасштабных и быстро изменяющихся в пространстве и времени физических полей. Это требует качественно нового подхода к разработке принципов формирования протяженных измерительных сетей, методов сбора измерительной информации и реконструкции по ней пространственно-временных распределений физических величин.
Принципиально новый подход к регистрации физических полей состоит в том, чтобы на выходе протяженной волоконной измерительной линии принимать суммарный сигнал о внешних воздействиях, не вычленяя сигналы, поступающие от элементарных участков линии. Принимаемая величина в этом случае во многом аналогична луч-сумме, получаемой при томографическом исследовании объектов, когда проникающее излучение интегрирует воздействие всех встречных слоев объектов [62-68]. По набору луч-сумм, как
12 это впервые показал Радон, можно реконструировать пространственные распределения оптических величин [69]. По такому же принципу - на основании данных, полученных волоконными линиями интегрирующего типа, как это впервые отмечается в работе [70], может быть организована реконструкция пространственных распределений физических полей. Тогда распределенная волоконно-оптическая измерительная сеть может быть организована как совокупность относительно простых измерительных элементов - протяженных волоконно-оптических измерительных линий с интегральной чувствительностью [71,72]. Подобно обычным томографическим системам, такая сеть способна обеспечить непрерывный по охватываемой ею поверхности прием информации.
Применение томографических методов сбора данных в распределенных волоконно-оптических измерительных сетях на основе интегрирующих измерительных линий с одной стороны усложняет топологию измерительной сети, однако с другой стороны позволяет существенно уменьшить количество межсоединений в измерительной сети, а, следовательно, и количество информационных каналов, что в конечном счете приводит к уменьшению объема измерительной информации [72]. Значительно упрощается процесс измерения и его элементная база, возрастает точность реконструкции распределений параметров физических полей, снижается цена изделия и, что принципиально важно, снимаются ограничения на размеры контролируемых областей или объектов. Благодаря низким потерям на светопропускание в ВС, волоконные измерительные линии могут иметь значительную длину. Поэтому, составленные из них сети могут быть использованы для наблюдения и контроля крупномасштабных объектов.
Волоконные измерительные линии, входящие в состав сети, могут иметь произвольную конфигурацию. Как следствие, они способны придавать чувствительность сложным по форме поверхностям. Это позволяет осуществить непрерывный по времени мониторинг процессов деформации в элементах, обеспечивающих прочность зданий, корпусов морских и воздушных судов и т.д. Способ представления измерительной информации распределенной сетью рассматриваемого типа - в виде массива данных, формируемого одновременно всеми включенными в сеть ИЛ, хорошо совмещается с концепцией параллельной обработки, которая открывает перспективу работы информационно-измерительной системы в реальном времени, и, как следствие, дает возможность оперативно реагировать на изменения состояния контролируемого объекта.
Таким образом, применение интегрирующих измерительных линий в сочетании с томографическими методами сбора и обработки данных об исследуемом поле позволяет создать принципиально новый класс измерительных устройств - распределенные оптоэлектронные информационно-измерительные системы. Принципиально важным достоинством таких ИИС является возможность создавать измерительные системы любых размеров и любой топологии, что достигается благодаря малому затуханию сигналов в волоконных трактах и гибкости волоконно-оптических измерительных линий, обеспечивающих любую пространственную траекторию сбора информации. Это открывает широкие возможности для постановки и решения задач мониторинга и управления более высокого порядка. Как было показано в работах [73-76], волоконно-оптическая ИЛ может быть непрямолинейной, что позволяет решить проблему реконструкции распределений параметров векторных физических величин, ранее недоступную классической томографии. Это позволяет расширить область применимости оптоэлектронных ИИС на решение задач реконструкции распределений напряженности электрических и магнитных полей, полей деформаций и механических напряжений и т.д.
Для создания протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий возможно применение датчиков с различными видами модуляции параметров световой волны. В зависимости от того, какой из параметров каналируемого в ВС оптического излучения модулируется
14 внешним воздействием, различают: амплитудные, поляризационные и фазовые (интерференционные) волоконно-оптические датчики.
Амплитудная модуляция оптического сигнала наиболее удобна для регистрации, поскольку для этой цели могут быть использованы обычные фотопримные устройства. Большинство схем с амплитудной модуляцией не требуют использования когерентного излучения, хотя некоторые из них реализуемы лишь при работе с поляризованным светом. Оценивая достоинства и недостатки различных методов приема физических величин, использующих амплитудную модуляцию излучения в световоде, следует иметь в виду, что общим их недостатком является зависимость выходного сигнала от мощности источника излучения, которая в свою очередь существенно зависит от температуры окружающей среды (например, для светодиодов до 1.5%/1 С), что приводит к неприемлемо большой погрешности измерения. Поэтому в состав устройств, использующих амплитудную модуляцию излучения должны входить системы стабилизации мощности оптического излучения. Следует также заметить, что по чувствительности эти методы уступают методам, использующим поляризационную и фазовую модуляцию излучения в волоконно-оптическом световоде.
Известно, что дополнительное двулучепреломление в оптическом волокне, приводящее к поляризационной модуляции каналируемого излучения, может быть легко достигнуто в результате возникновения механических напряжений ВС. Поэтому большинство волоконных приемных устройств, использующих поляризационную модуляцию (за исключением основанных на оптических эффектах Керра и Поккельса), используются для регистрации физических величин, оказывающих деформационные воздействия на чувствительный ВС. На их основе могут быть проведены измерения перемещений, давления, усилия, ускорения, температуры.
15 Поляризационные изменения излучения на выходе ВС не могут быть зарегистрированы непосредственно. Оптический сигнал должен быть подвергнут дополнительной обработке, преобразующей поляризационную модуляцию световой волны в изменение амплитуды, так как существующие фотоприемники способны регистрировать только изменения интенсивности световых волн. Поэтому приемники физических величин, использующие поляризационную модуляцию требуют соответствующих схем демодуляции, выполняемых на основе различных типов поляризаторов. Эти элементы, как правило, должны устанавливаться в месте получения первичной информации, что связано с возможной деполяризацией излучения или дополнительным двулучереломлением, которое могут внести длинные волоконные линии, используемые для передачи информационного сигнала. Такое расположение поляризаторов, выполняемых в большинстве случав на основе органических пленок, существенно усложняет схему датчиков, снижает верхний предел рабочих температур до 50-60 С. Использование скрещенного поляризатора и анализатора, располагаемых последовательно по световому лучу, вызывает значительные потери в оптической системе, уменьшая регистрируемую мощность примерно на два порядка, что в свою очередь приводит к уменьшению динамического диапазона поляризационных приемников.
Наиболее чувствительными методами регистрации физических воздействий с использованием средств волоконной оптики являются методы, основанные на модуляции фазы световой волны, распространяющейся в ВС. Техника оптической интерферометрии позволяет фиксировать изменение фазы колебаний до 10" радиан [17,77]. Поскольку используются оптические сигналы с длиной волны порядка микрометра, то можно регистрировать ничтожно малые изменения оптической длинны пути излучения в волокне. Изменение данного параметра наблюдается в основном при изменениях геометрических размеров и формы оптического волокна. Поэтому, в большинстве случаев методы, использующие фазовую модуляцию излучения в волоконном световоде, применяются для приема физических величин, оказывающих деформационные воздействия на чувствительный ВС.
Для регистрации фазовых изменений в волоконном световоде используют одну из наиболее известных интерферометрических схем Маха-Цендера, Фабри-Перо или многомодового интерферометра [19]. Важной привлекательной особенностью всех этих схем является то, что для создания волоконных интерферометров, в большинстве случаев, подходят обычные волоконные световоды, выпускаемые промышленностью для линий связи и, что чувствительность волоконных интерферометров равномерно распределена по длине так, что достаточно длинный интерферометр может быть использован для приема интегральной информации. Поэтому волоконные интерферометры являются наиболее перспективными устройствами для построения протяженных интегрирующих датчиков.
При создании протяженных волоконно-оптических измерительных сетей наиболее предпочтительными представляются одноволоконные датчики на основе интерферометра Фабри-Перо и межмодовой интерференции. Это обусловлено тем, что при их использовании в составе фазовых ВОД отсутствует необходимость в дополнительном опорном плече интерферометра, что значительно упрощает конструкцию чувствительного элемента ВОД и повышает помехоустойчивость измерительной системы в целом. Однако интерферометр Фабри-Перо обладает чрезвычайно высокой чувствительностью и поэтому не предназначен для создания датчиков протяженностью больше нескольких метров. Поэтому с практической точки зрения для создания протяженных измерительных сетей наиболее целесообразно использование интерферометров на основе межмодовой интерференции [17,19,78,79]. Преимущество такого интерферометра состоит в том, что взаимодействующие моды распространяются в среде с одной и той же температурой и подвергающейся одним и тем же воздействиям, что снижает уровень шумов [17,19]. Другие преимущества - простота согласования с
17 источниками излучения и возможность ввода большой световой мощности. Все это делает подобные датчики наиболее перспективными при создании протяженных распределенных измерительных сетей.
Сдерживающим фактором развития распределенных волоконно-оптических измерительных сетей на основе интегрирующих фазовых измерительных линий является значительная подверженность протяженных измерительных систем влиянию внешних факторов, таких как температура, давление, неконтролируемые деформационные воздействия. Так, например, повышение температуры всего на 1С приведет к удлинению кварцевого волоконного световода длиной 70 см на величину -0.4 мкм [80]. Тогда удлинение протяженной измерительной линии длиной 70 м составит 40 мкм. В случае использования статических корреляционных топографических фильтров [79] для обработки спекловых полей одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ) этого вполне достаточно для полной декорреляции фильтра и прекращения работы измерительной линии. В связи с чем возникает комплексная проблема разработки и исследования методов адаптивной обработки сигналов многомодовых одноволоконных интерферометров, которая тесно связана с задачей стабилизации рабочих характеристик волоконно-оптических измерительных систем с целью исключения или компенсации влияния внешних неконтролируемых воздействий на параметры измерительной сети.
Широкие возможности в решении задачи адаптивной обработки сигналов волоконно-оптических интерферометров в реальном времени открываются при использовании перезаписываемых топографических материалов для формирования динамических фазовых голограмм, способных подстраиваться под неконтролируемые случайные воздействия. В работах [83,84] было отмечено, что в качестве таких материалов могут быть использованы фоторефрактивные кристаллы (ФРК). На сегодняшний день разработан целый ряд схем, в которых фоторефрактивные кристаллы используются в качестве адаптивных фильтров для обработки сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков [83,85,86]. Однако эти схемы адаптивной фильтрации ввиду своей относительной сложности не могут быть использованы для обработки сигналов волоконно-оптических измерительных сетей, содержащих большое количество измерительных линий.
Как показано в работах [87,88], наиболее простой и эффективной является схема формирования адаптивного фильтра на основе эффекта фаннинга. Эффект фаннинга известен как процесс усиления рассеянного в фоторефрактивных кристаллах излучения (самодифракция). Поэтому в схеме с таким фильтром нет необходимости использовать опорную волну. Предметная волна сама записывает динамическую голограмму внутри ФРК, на которой и дифрагирует [90]. Эта голограмма представляет собой набор дифракционных решеток, являющихся преимущественно фазовыми [89]. Последующая дифракция предметной волны на этих дифракционных решетках приводит к усилению волн рассеяния. Формируемое таким образом излучение - фаннинг является выходным сигналом фильтра. Любое быстрое (быстрее характерного времени записи) изменение пространственного распределения фазы или амплитуды введенной в фоторефрактивный кристалл волны приведет к нарушению стационарного режима фаннинга вследствие отстройки от брэгговского резонанса, а значит — к уменьшению мощности волны фаннинга, т.е. к амплитудной модуляции.
Таким образом, разработка адаптивных волоконно-оптических измерительных систем, способных в реальном времени осуществлять долгосрочный сбор данных о распределении параметров физических полей, выдвигает проблему разработки методов обработки сигналов интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий с использованием адаптивных корреляционных фильтров на основе фоторефрактивных кристаллов.
Томографические методы сбора информации об исследуемом объекте не требуют применения сложного оборудования для организации измерительных
19 сетей, однако при их использовании возникает проблема обработки томографических данных, так как все алгоритмы реконструкции распределений исследуемых физических полей являются итерационными [69], что не позволяет создавать быстродействующие ИИС даже при применении параллельных принципов организации вычислительных сетей.
Исследования последних лет, проведенные у нас в стране и за рубежом, показали перспективность использования нейроподобных вычислительных систем в качестве быстродействующих устройств обработки значительных информационных массивов [242,246,247]. Особенностью такого рода устройств является способность к обучению, обеспечивающая выполнение практически любого преобразования данных, даже в том случае, если оно не может быть описано определенной функциональной зависимостью. Адаптивность нейросистем, вытекающая из способности к обучению, позволяет осуществлять подстройку вычислительной системы под изменения параметров решаемой задачи. Важная особенность архитектуры адаптивных вычислительных сетей состоит в том, что ее топология может быть легко согласована как с измерительными алгоритмами, так и с параметрами измерительных сетей. Еще одна важная особенность нейросистем, которая делает их перспективными для применения в составе распределенных ИИС, это параллельная архитектура, которая успешно сочетается с архитектурой томографических измерительных сетей. В связи с этим, наиболее полная реализация преимуществ распределенных томографических волоконно-оптических измерительных сетей окажется осуществимой, если будут найдены пути использования нейроподобных вычислительных устройств для реконструкции распределений физических полей по интегральным данным, формируемым подобными сетями.
В настоящее время нейросетевые методы обработки информации используются для решения широкого круга различных задач, таких как распознавание образов, классификация, реализация ассоциативной памяти
20 [252,253, 92]. Однако, несмотря на очевидные достоинства и проработку принципов построения и обучения нейросистем, они не нашли широкого применения в информационно-измерительных системах мониторинга протяженных физических полей. Подобные устройства только начинают применять в охранных системах.
Таким образом, для решения важной научной и практической задачи, связанной с наиболее полной реализацией всех преимуществ, которые дает использование функциональных элементов оптоэлектроники в информационно-измерительных системах мониторинга распределений физических полей, актуальной является широкая постановка экспериментальных и теоретических работ, направленная на изучение процессов формирования информационных сигналов в протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линиях и разработку физических принципов реализации методов и схем адаптивной обработки этих сигналов с учетом особенностей волноводного распространения излучения и информационной структуры сигналов.
Целью работы явилось изучение физических принципов, обеспечивающих формирование и обработку информационных массивов в функциональных устройствах оптоэлектроники, направленное на разработку принципов и схем построения адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга распределений физических полей в реальном времени, основанных на применении распределенных волоконно-оптических измерительных сетей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Впервые разработаны теоретически и экспериментально обоснованы принципы организации и построения адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем, предназначенных для реконструкции распределений физических полей в реальном времени, основанных на применении распределенных волоконно-оптических измерительных сетей и нейросетевых методов обработки информации.
Исходя из особенностей функционирования распределенных волоконно-оптических измерительных сетей предложена и исследована оригинальная конструкция элемента согласования одно- и двухмодовых световодов, позволяющая обеспечить максимальный контраст интерференционной картины и фазовую демодуляцию сигналов одноволоконных двухмодовых интерферометров. Показано, что элементы согласования волоконных световодов могут выполнять функции модовых фильтров и элементов фазовой демодуляции и позволяют обеспечить устойчивость протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров по отношению к поляризационным шумам.
Предложен и изучен корреляционный метод оптоэлектронной амплитудной пространственной фильтрации излучения для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров, позволяющий использовать для создания протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий существенно многомодовые световоды. Показано, что применение корреляционного метода оптоэлектронной амплитудной пространственной фильтрации излучения обеспечивает адаптивность распределенных измерительных сетей на основе одноволоконных многомодовых интерферометров по отношению к неконтролируемым воздействиям окружающей среды. Разработана и практически реализована протяженная интегрирующая волоконно-оптическая измерительная линия на основе одноволоконного многомодового интерферометра длиной 100 м, предназначенная для измерений аксиальных деформаций с чувствительностью -17 мВ/мкм, порогом чувствительности - 0,03 мкм, динамическим диапазоном измерений - 35 дБ, средней температурной нестабильностью 0,5%/С.
22 4. Теоретически и экспериментально исследовано применение явления самодифракции световых волы в фоторефрактивных кристаллах для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров. Показано, что набор самосогласованных динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах способен выполнять функцию адаптивного амплитудного корреляционного фильтра при обработке сигналов протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий. Исследованы статические и динамические характеристики данного фильтра. Показано, что характеристики фильтра могут быть оптимизированы подбором значений напряженности внешнего знакопеременного поля, приложенного к фоторефрактивному кристаллу, и интенсивности оптического излучения, направляемого в многомодовом интерферометре. Показано, что применение адаптивного амлитудного корреляционного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле, позволяет производить измерение физических воздействий на протяженные интегрирующие волоконно-оптические измерительные линии, обеспечивая чувствительность измерительной линии к амплитуде аксиальных деформаций интерферометра- 0,8 дБ/мкм, динамический диапазон измерений- 32 дБ.
5. Впервые для обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей применены нейросетевые вычислительные методы. Показано, что данные методы позволяют реализовать параллельный алгоритм обработки информации при реконструкции пространственных распределений физических полей. Показано, что для решения указанной задачи целесообразно применение многослойных нейронных сетей типа персептрон. Установлено, что такие нейронные сети позволяют увеличить скорость реконструкции пространственных распределений физических полей не менее чем в 100 раз, обеспечивая тем самым работу информационно-измерительных систем мониторинга физических полей в реальном времени.
23 6. На основе проведенных исследований физических принципов организации и функционирования протяженных интегрирующих волоконно- оптических измерительных линий разработаны и практически реализованы: протяженная интегрирующая волоконно-оптическая измерительная линия на основе одноволоконного двухмодового интерферометра для измерения параметров поперечных колебаний поверхностей с чувствительностью к амплитуде колебаний - 0,3 мВ/мкм, порогом чувствительности - 0,3 мкм, динамическим диапазоном— 35 дБ; адаптивная распределенная оптоэлектронная информационно-измерительная система реконструкции пространственных распределений параметров вибрационных полей со следующими характеристиками: общее число измерительных каналов - 39, площадь исследуемой поверхности - 100м2, пространственное разрешение -1м , порог чувствительности к ускорению — 10" м/с , диапазон измерений 50 дБ, время реконструкции одного распределения физического ПОЛЯ — 1 мс.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что проведенные исследования позволяют выделить наиболее существенные физические особенности при разработке и создании новых, более производительных и эффективных оптоэлектронньгх информационно-измерительных систем мониторинга физических полей и предложить основные теоретические модели и схемы устройств сбора и обработки данных о пространственных распределениях физических полей.
Изучение физических свойств и возможностей элементной базы волоконной оптики демонстрирует методы и условия создания протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров, обладающих устойчивостью по отношению к неконтролируемым внешним воздействиям. Полученные результаты применены для создания макетов интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий и могут быть использованы для проектирования распределенных измерительных сетей томографического типа.
Изучение методов корреляционной обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров, изучение процессов формирования адаптивных амплитудных корреляционных фильтров в фоторефрактивной среде показали возможность применения существенно многомодовых волоконных световодов для создания протяженных интегрирующих измерительных линий. Данные результаты могут быть использованы для разработки и оптимизации характеристик протяженных волоконно-оптических приемников физических величин различного функционального назначения и создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей обладающих адаптивностью по отношению к неконтролируемым воздействиям окружающей среды.
Изучение процессов формирования распределенными измерительными сетями томографических данных о пространственных распределениях физических полей показали возможность применения нейросетевых методов обработки информации для осуществления реконструкции пространственных распределений физических полей в реальном времени. Полученные результаты применены для создания моделей нейроподобных вычислительных систем обработки сигналов распределенных измерительных сетей и могут быть использованы для создания интеллектуальных устройств обработки информации информационно-измерительных систем мониторинга протяженных физических полей.
Проведенные исследования интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий и нейросетевых методов обработки информации показали возможность создания на их основе адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем, предназначенных для мониторинга физических полей в реальном времени. Полученные результаты применены для создания макетов оптоэлектронных измерительных устройств и систем и могут быть использованы для проектирования элементов и схем информационно-измерительных систем длительного мониторинга в
25 реальном времени пространственных распределений параметров физических полей, определяющих состояние протяженных объектов и технических конструкций в процессе их эксплуатации. Использование полученных результатов позволит повысить эффективность охранных систем и систем раннего оповещения для предупреждения природных и техногенных катастроф, таких как землетрясения, лесные пожары, аварии на объектах повышенной опасности, разрушение зданий и гидротехнических сооружений, порывы газо- и нефтепроводов, взрывы газа в шахтах, крушение воздушных и морских судов и т.д.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 240 страниц и включает 69 рисунков и список литературы из 277 наименования.
Содержание работы
Во введении обсуждается постановка решаемой в диссертации задачи, показаны актуальность и новизна проводимых исследований, дается краткое содержание работы.
В первой главе рассматриваются современные тенденции в области создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга распределений физических полей. Рассматриваются различные пути создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей на основе распределенных и мультиплексированных волоконно-оптических датчиков, их достоинства и недостатки. Рассматриваются основные принципы адаптивной обработки выходных сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей с использованием нейронных сетей. Обоснованы принципы организации адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем, предназначенных для реконструкции распределений физических полей в реальном времени. Сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.
Во второй главе представлены принципы организации и функционирования протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, являющихся основными элементами распределенных измерительных сетей томографического типа. Рассматриваются физические процессы модуляции фазы излучения, направляемого волоконными световодами при различных внешних воздействиях. Рассматриваются конструкции первичных преобразователей протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров. Рассмотрены особенности формирования выходных сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров.
Третья глава диссертации посвящена разработке адаптивных методов обработки сигналов интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий. Изучается корреляционный метод оптоэлектронной амплитудной пространственной фильтрации излучения для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров, позволяющий использовать для создания протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий существенно многомодовые световоды. Исследуется применение явления самодифракции световых волн в фоторефрактивных кристаллах для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров. Рассмотрены примеры практической реализации протяженных интегрирующих измерительных линий, в основу работы которых положены адаптивные методы обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров.
Четвертая глава посвящена применению нейросетевых методов обработки выходных сигналов томографических распределенных волоконно-оптических измерительных сетей для реконструкции распределений физических полей. Рассматриваются особенности формирования распределенными измерительными сетями томографических данных, предназначенных для реконструкции пространственных распределений физических полей. Рассматриваются архитектуры нейроподобных сетей, предназначенных для обработки выходных сигналов распределенных измерительных сетей. Исследуются методики обучения нейроподобных сетей реконструкции пространственных распределений физических полей по интегральным данным, формируемым распределенными измерительными сетями. Рассмотрен пример практической реализации адаптивной оптоэлектронной информационно-измерительной системы на основе распределенной волоконно-оптической измерительной сети и нейросетевых методов обработки информации предназначенной для реконструкции пространственных распределений параметров физических полей.
В заключении сформулированы основные результаты работы, и обсуждается их научная и практическая значимость.
Апробация работы
Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались на международных конференциях: "International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures", Moscow-S.-Petersburg, 1994; "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении", Хабаровск, 1994; "Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensor IV", San-Diego, USA, 1994; "Optical methods in biomedical and environmental sciences", Токіо, Japan, 1994; "International Conference on Holography and Correlation Optics", Chernovtsy, Ukraine, 1995; OCEANS'95, San-Diego, USA, 1995; "10-th Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures", Pusan, Korea, 1996; "17-th Congress of the International Commission for Optics", Taejon, Korea, 1996; "lsl Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics", Vladivostok, Russia, 2000; Третья международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - XXI век», Москва, 2000; 13-ая международная научная конференция "Математическое моделирование в
28 технике и технологии-2000", Санкт-Петербург, 2000 г; "Second Asia-Pacific Conference on fundamental problems of opto- and microelectronics", Vladivostok, 2001; Третья международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - XXI век», Москва, 2002 г; "Third Asia-Pacific Conference on fundamental problems of opto- and microelectronics", Vladivostok, 2003; "Forth Asia-Pacific Conference on fundamental problems of opto- and microelectronics", Vladivostok, Khabarovsk, 2004. Всероссийских конференциях: IV
Всероссийский семинар "Нейроинформатика и ее приложения", Красноярск, 1996; IV Всероссийская школа-семинар «Люминесценция и сопутствующие явления», Иркутск, 1998; Вторая Байкальская школа по фундаментальной физике, Иркутск, 1999.
Основные материалы диссертации изложены в 47 публикациях [34, 73, 74, 76, 81,93-101, 104-109, 111-И5, 249, 254-274].
29 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ АДАПТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
