Введение к работе
Актуальность темы. С развитием сенсорных волоконно-оптических технологий волоконно-оптические датчики (ВОД) становятся одним из перспективных инструментов, применяемых для систем охраны периметра (СОП). В сравнении с классическими СОП, которые используют ультразвуковые, радиочастотные, инфракрасные технологии и датчики, ВОД имеют существенные преимущества по высокой чувствительности, простоте структуры, компактности, возможности контроля больших расстояний и поверхностей при любых погодных условиях, высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам, а также устойчивости к коррозии.
Для построения волоконно-оптических СОП (ВОСОП) используются телекоммуникационные волокна, например, SMF-28, при этом они могут быть использованы и как распределенный датчик, и как среда передачи информации. Значительное внимание в области ВОСОП отводится использованию квазираспре деленных и точечных технологий измерений. В этом случае волокно используется только как среда передачи информации от ВОД, мультиплексированных по различным законам.
В качестве одной из наиболее применимых технологий построения ВОД выступают технологии внутриволоконных решеток Брэгга (ВРБ). Преимущества ВРБ заключаются в уникальном преобразовании измеряемой величины в смещение длин волн, отраженного или прошедшего через нее излучения, и в возможности простого изготовления. ВРБ способны измерять широкий спектр параметров, таких как натяжение, давление, вибрации, тепловые деформации, что основано на двойственной чувствительности решеток к механическому напряжению и температуре, и имеют потенциал для одновременного измерения обоих параметров. Спектральные характеристики ВРБ носят резонансный характер, однако функция преобразования «длина волны»-«амплитуда» для их оценки в области резонанса либо осциллирует, либо имеет достаточно плоский характер. Поэтому для повышения разрешающей способности измерений ищут естественные узкополосные неоднородности в спектре ВРБ или синтезируют ВРБ с неоднородностями в структуре. В последнее время в структуре ВОД начинают активно применяться ВРБ с неоднородностью в виде дискретного фазового л-сдвига в законе модуляции коэффициента преломления решетки.
Для преобразования информации с ВРБ используется широкополосная или перестраиваемая в широком диапазоне оптико-электронная измерительная аппаратура (ОЭИА): оптические анализаторы спектра, перестраиваемые лазеры, оптические рефлектометры во временной (OTDR) и частотной (OFDR) областях, сканирующие интерферометры Фабри-Перо, дифракционные решетки с ПЗС матрицами и др. Исследованиям указанных технологий посвящены труды российских ученых Е.М. Дианова, Ю.Н. Кульчина, О.Б. Витрика, С.А. Бабина, С.А. Васильева, А.С. Куркова, И.О. Медведкова, А.С. Введенского и др., ведущих исследования в НЦВО РАН, ИРЭ РАН, ДВФУ, ФГУП ВНИИОФИ, ИТМО, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Известны разработки зарубежных ученых, в том числе Е. Udd, I. Bennion, X. Dong, G. Gagliardi и других.
Практические разработки фирм FFT, AgilFence, Paulsson, Прикладная радиофизика, Т8, Петролайт, Инверсия-Файбер и др. применяются для построения ВОСОП различного назначения.
Особенностью работ представленных авторов и фирм является применение сложных алгоритмов «подгонки» для определения с требуемой точностью значения центральной длины волны ВРБ; использование классических ВРБ, характеризующихся мультипликативностью отклика на физические поля различной природы и неоднозначностью измерительного преобразования, что требует дальнейшего алгоритмического разделения и анализа информации или применения многослойных нейросетевых самообучающихся структур.
Этому способствует устоявшийся подход к СОП, и ВОСОП в том числе, как к системам обнаружения. В условиях современного развития нейросетевых технологий и возможности обучения систем различать внешние воздействия по многим факторам на первый план выходит подход к СОП как к измерительной системе. При этом рассмотрению подлежат технологии построения датчиков физических полей на основе ВРБ с возможностью получения раздельного отклика на физические поля различной природы, использование технологий построения ВРБ с существенными неоднородностями для повышения разрешающей способности измерений, а также методов и средств реализации узкополосной ОЭИА для регистрации последних.
В последнее время значительного прогресса в плане точности и разрешающей способности измерений, а также практичности применения достигли технологии узкополосного маломодового зондирования ВРБ (двух-, трех- или четырехчастотным непрерывным излучением), что делает их конкурентоспособными для указанных выше методов преобразования информации по метрологическим характеристикам, простоте и стоимости реализации. Их основным достоинством является отсутствие необходимости проведения измерений в области резонанса спектральной характеристики решетки. Данным исследованиям посвящен ряд работ указанных ранее авторов, а также работы научной школы, сложившейся в КНИТУ-КАИ под руководством Польского Ю.Е., Ильина Г.И., Морозова О.Г., Ильина А.Г. и др.
Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность темы и научно-технической задачи разработки методов и средств маломодового анализа спектральных характеристик ВОД на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом, предназначенных для раздельной регистрации физических полей различной природы (температуры - точечные датчики открытой и скрытой подземной установки, давления - точечные и квазираспределенные датчики скрытой подземной установки по периметру, изгибного натяжения - квазираспределенные датчики открытой установки на заграждениях) и построения на их основе ОЭИА ВОСОП.
Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой задачи. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, выполняемых КНИТУ-КАИ в рамках Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 №218, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственного задания Минобрнауки РФ и ряда инициативных хозяйственных договоров.
Объектом исследования является оптико-электронная измерительная аппаратура волоконно-оптических систем охраны периметра.
Предмет исследования - волоконно-оптические датчики систем охраны периметра и методы их зондирования.
Цель настоящей работы - улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра на основе применения мало-модовых методов зондирования волоконных решеток Брэгга с фазовым тг-сдвигом, являющихся чувствительными элементами ее датчиков.
Научная задача диссертации - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра, основанной на особенностях применения датчиков, построенных на базе волоконно-оптических решеток Брэгга с фазовым ти-сдвигом, возможности получения от них раздельного отклика на воздействия физических полей различной природы и объединения однотипных решеток в группы, а также методов маломодового зондирования для определения их спектральных характеристик, как основных характеристик измерительного преобразования.
Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:
-
Сравнительный анализ характеристик существующих и перспективных ВОСОП, в том числе с ВОД, построенными на базе классических ВРБ и ВРБ с фазовым ти-сдвигом; выявление резервов для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП, основанных на применении для анализа спектральных характеристик ВРБ маломодового излучения.
-
Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым ти-сдвигом с целью построения на их основе датчиков температуры и давления; теоретическое обоснование метода измерения температуры и давления на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым ти-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с различными средними и разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.
-
Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым ти-сдвигом с целью построения на их основе датчиков изгибного натяжения; теоретическое обоснование метода измерения изгибного натяжения на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым ти-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с одинаковой средней и различными разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.
-
Разработка практических рекомендаций по проектированию ОЭИА ВОСОП для регистрации температуры, давления и изгибного натяжения на основе предложенных методов и датчиков; разработка принципов построения ВОСОП с разделением отклика решетки при одновременном воздействии физических полей различной природы и объединением однотипных решеток в группы; внедрение результатов исследований и оценка перспектив их развития.
Методы исследования, достоверность и обоснованность. При выполнении данной работы применялись методы математической физики, оптомеха-ники, методы моделирования волоконно-оптических структур с помощью матриц передачи и связанных мод, методы анализа оптико-электронных и радиоэлектронных систем. Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами других авторов. При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ MATLAB 7.0.1, OptiSystem 7.0, OptiGrating 4.2.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
Выявлены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП, основанные на применения ма-ломодовых методов зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым л-сдвигом, являющихся чувствительным элементом датчиков охраны периметра.
Предложены структуры датчиков температуры, давления и изгибного натяжения на основе использования ВРБ с фазовым л-сдвигом в качестве их чувствительных элементов с возможностью раздельной регистрации отклика решетки на одновременное воздействие полей различной физической природы.
Дано теоретическое обоснование методов маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым л-сдвигом с использованием двух двухчас-тотных излучений с различными средними и разностными частотами для измерения температуры и давления, с одинаковой средней и разными разностными частотами для измерения изгибного натяжения. Получены результаты вычислительных и физических экспериментов, подтвердившие повышение чувствительности, разрешающей способности и точности измерений.
Разработаны структуры и алгоритмическое обеспечение, рекомендации по проектированию ОЭИА ВОСОП для регистрации температуры, давления и изгибного натяжения на основе разработанных методов и средств, в том числе при объединении однотипных решеток в группы, характерной чертой которых является простота и низкая стоимость практической реализации.
Практическая ценность работы заключается в разработке ВОД и оптико-электронных устройств с улучшенными метрологическими характеристиками, а именно: опытных образцов датчиков на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом, ОЭИА для снятия с них информации и ее обработки, алгоритмы программного обеспечения для измерений и управления работой ОЭИА в целом. При этом достигается значительная экономия ресурсов на создание ОЭИА за счет упрощения блоков интеррогации и методик мультиплексирования. Кроме указанных результатов разработаны рекомендации по проектированию и расчету указанных волоконно-оптических и оптико-электронных устройств.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении НИОКР и НИР в рамках работ по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 №218 (договор №9932/17/07-К-12), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглаше-
ниє №14.В37.21.1522), государственного задания на выполнение работ по организации научных исследований (ТЗ №7.2217.2011, «Симметрия»), договора №НИЦ118, выполняемых КНИТУ-КАИ, а также в учебном процессе университета по направлению 210400 «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17-ой Российской конференции по системам управления, Тула, 2010 г., X, XII-XIV-ой Международной НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Уфа, 2010, 2012 гг., Казань, 2011 г., Самара, 2013 г., на 4-ом Российском семинаре по волоконным лазерам, Ульяновск, 2010 г., X и XI-ой Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Челябинск, 2010 г., Самара, 2011 г., VI-VIII-ой Международной НІЖ «Авиакосмические технологии, современные материалы и оборудование», Казань, 2011-2013 гг., П-ой Международной НТК «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы», Курск, 2011 г. и III Международном экологическом конгрессе, Тольятти, 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 научных работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК, две статьи в зарубежном издании, входящем в базу данных Scopus, 13 тезисов и материалов докладов, получено два патента на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 163 наименования. Работа без приложений изложена на 180 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и семь таблиц.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по пункту 2.
Основные положения, выносимые на защиту:
методы и средства улучшения метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра;
структуры датчиков на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом для измерения температуры, давления и изгибного натяжения;
методы маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым 7г-сдвигом двумя двухчастотными излучениями: с различными средними и разностными частотами для измерения температуры и давления, с одинаковой средней и разными разностными частотами для измерения изгибного натяжения;
результаты виртуальных и физических экспериментов, подтверждающие повышение чувствительности, разрешающей способности и точности разработанной оптико-электронной измерительной аппаратуры;
рекомендации и результаты проектирования оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра и ее элементов, характеризующейся простотой и низкой стоимостью реализации;
результаты внедрения в научно-исследовательский и образовательный процесс разработанных теоретических положений и устройств.
