Введение к работе
Актуальность теш.
Волоконно-оптические датчики (ВОД) находят все более широкое применение в различных измерительных устройствах, системах сбора информации, диагностики и сигналгаации. При этом наиболее перспективным является направление исследований, которое предполагает создание мультиплексных волоконно-оптических информационных систем.
Одним из вариантов мультиплексных измерительных систем являются собственные распределенные ВОД (СРВОД), в которых функции нескольких чувствительных элементов выполняет один достаточно длинный отрезок оптического волокна. В СРВОД оптическое волокно используется одновременно как чувствительный элемент и как направляющая среда, обеспечивающая доставку излучения от источника к зоне воздействия измеряемого физического параметра и затем к фото-приэмнику. Этим определяется основное достоинство СРВОД, заключающееся в простоте конструкции и высокой надежности чувствительного элемента. Создание СРВОД с большим числом независимых измерітгель-ных каналов (свыпе 100) при обеспечении возможности измерения разнородных физических параметров одним чувствительны;,! элементом позволит успешно использовать такие датчики в качестве элементов
Интеллектуальных структур (smart structures).
В настоящее время исследования в области разработки СРВОД идут в двух направлениях. Первое предполагает использование специальных типов оптических волокон (с жидкостной сердцевиной, легированных редкоземельными ионами и других), второе - использование кварцевых волокон с малыми потерями, разработанных для целей оптической связи. Ввиду высокой технологической отработанности кварцевых оптических волокон второе направление представляется более
4 перспективным на ближайшие годы, тем более, что возможности кварцевых световодов не исчерпаны в смысле расширения круга физических явлений, которые могут быть использованы для создания датчиков с улучшенными характеристиками и богатыми функциональными возрложнос-тями, в том числе датчиков с наиболее защищенным от дестабилизирующих воздействии способом представления информации - частотным.
Существующие (ЗРВОД с использованием многокодовых кварцевых оптических волокон, как правило, пригодны для измерения лишь одного физического параметра - температуры. Имеются лабораторные макеты СРВОД на одномодовых кварцевых волокнах, которые при использовании метода поляризационной оптической рзфлектокэтрии (potdr -
Polarization optic time domain reflectometry) ПОЗВОЛЯЮТ Измерять
распределение практически любых физических параметров при преобразовании их воздействия в поперечную механическую деформацию оптического волокна. Однако в таких СРВОД не решена проблема устраве-шеі влияния дестафцшзирующих факторов (например, флуктуациа температуры, изгибов, световода)-на результаты измерений. Вероятно, поэтому они до сих пор не нашли широкого практического применения. Настоящая работа посвящена исследованию вопросов улучшения харатеристик существующих СРВОД, а также исследованию возможностей создания новых типов СРВОД на кварцевых оптических волокнах, пригодных для измерения различных физических параметров и устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов.
Пель настоитай работы состояла в исследовании физических принципов, которые могут быть положены в основу создания распределенных волоконно-оптических датчиков на кварцевых оптических волокнах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
показано, что амплитудные распределенные датчики температуры могут быть основаны на измерении интенсивности рассеяния Мандель-штама-Бриллюэна, бозоновских компонет комбинационного рассеяния при значительном улучшении точности измерения;
показано, что при регистрации частотного сдвига компонент нан-дзльштам-бриллюэновского рассеяния в кварцевых оптических волокнах возможно создание нового класса распределенных датчиков с частотным представлением информации, прэдназначенных для измерения не только температуры, но и других физических величин при преобразовании их воздействия в продольную деформацию растяжения оптического волокна;
предлошн вариант практического применения метода регуляризации Тихонова при решении интегрального уравнения 1-го рода типа свертки применительно к задаче улучшения характеристик распределенного датчика путем дополнительной математической обработки результатов измерения.
Пожжения. выносимые на зззздту.
-
Решение обратной задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра в собственных распределенных волоконно-оптических датчиках приводит к улучшению отношения сигнал/шум в 1,3...1,6 раза или уменьшению времени накопления сигнала в 1,7...2,6 раза в зависимости от используемого метода измерения.
-
При продольной деформации растяжения кварцевого световода и при температурных воздействиях наблюдаются эффекты изменения частотного сдвига манделыптам-бриллюэновского рассеяния света, позво-
б ЛЯЮЩИ8 создать волоконно-оптические датчики нового класса с частотным представлением информации , в том числе распределенные, основанные на регистрации частотного сдвига компонент обратно рассеянного света.
3. Температурные зависимости интенсивности рассеяния Мандель-штама-Бриллюэна и бозоновских компонент комбинационного рассеяшія могут быть использованы при создании амплитудных распределенных волоконно-оптических датчиков температуры с более высокой точностью измерения по сравнению с датчиками, основанными на регистращш основной антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния.
Практическая данность работы:
обнаружен и объяснен эффект сдвига частоты линий манделыптам-бриллюэновского рассеяния света в кварцевых оптических волокнах при продольных деформациях и изменениях температуры;
созданы предпосылки для разработки волоконно-оптических датчиков с частотным представлением. информации, предназначенных для измерения широкого класса физических величин;
продемонстрирована возможность улучшения характеристик существующих и вновь разрабатываемых распределенных датчиков с временным разделением сигналов при практическом применении метода регуляризации Тихонова для решения задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра по результатам измерений.
Апробация результатов работы. Результаты доложены на 5-м
межведомственном научно-техническом семинаре "Применение волокон
ной техники и интегральной оптики в авиационных системах информа
ционного обмена" в ВВИА им. Н.Е.Жуковского в 1988 году; на 2-м
7 научно-техническом семинаре "Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах" 4-6 мая 1988 года в г. Севастополе; на 6-м межведомственном научно-техническсм семинаре "Применение волоконной оптики в авиационных системах информационного обмена" 27 марта 1989 г. в ВВИА им. Жуковского; на конференции "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении" 6-8 апреля 1989 года в г. Севастополе; на конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем" 4-6 мая 1990 года в г. Севастополе.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и обЪём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии; содержит 210 страниц, из них 147 страниц текста, 46 рисунков. Список литературы включает 115 наименований.
