Введение к работе
Актуальность. На основе волоконных световодов разработан и быстро расширяется целый класс измерительных приборов - волоконно-оптических датчиков (ВОД) параметров физических полей [1-4]. Как правило, датчики и измерительные комплексы с использованием ВС обладают очень высокой чувствительностью к измеряемой величине, и практически любой вид поля может быть зарегистрирован. Однако большинство известных ВОД явтяются локальными датчиками, т.е. датчиками однородного поля. Для измерения пространственных распределений физических величин используются распределенные ВОД с различными методами регистрации сигналов, как правило измеряющие воздействия вдоль всего волоконного тракта [4-6]. Исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, демонстрируют возможность измерения при помощи ВОД пространственных распределений различных физических величин с высокой точностью и разрешением.
Целью настоящей работы являются построение волоконно-оптических датчиков физических полей с использованием принципов томографии и разработка эффективных методов регистрации сигналов с учетом особенностей таких датчиков.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
теоретически и экспериментально показана возможность использования методов реконструктивной томографии в волоконно-оптических датчиках;
проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование волоконно-оптических томографических датчиков и детально изучены их основные характеристики;
на основе созданного лабораторного макета ВОТД проведены автоматизированные измерения скалярных и векторных физических полей;
разработаны методы регистрации сигналов волоконных интерферометров, учитывающие специфику томографических измерений (оптоэлектронный автогенератор с волоконным интерферометром в цепи обратной связи и псевдогетеродин на межмо-довой интерференции).
Практическая значимость работы состоит в возможности использования ее результатов при построении самьк различных измерительных волоконно-оптических систем как для научных исследований, так и для промышленного применения. Некоторые примеры потенциального использования ВОТД: измерительные сети для картирования колебаний земной коры (сейсмология); пассивная и активная акустическая локаиия (геологоразведка); системы слежения, обнаружения и идентификации объектов; диагностика качества и технические испытания при производстве различных изделий и конструкций и т.д.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
С помощью волоконно-оптического интерферометрического датчика, использующего принципы реконструктивной вычислительной томографии, можно измерить пространственное распределение физических величин с высокой точностью и разрешением. При этом не требуется знания какой-либо априорной информации. Для восстановления изображения применимы методы традиционной томографии.
-
Для повышения помехоустойчивости ВОТД и снижения влияния паразитных воздействий в схеме датчика целесообразно применять псевдогетеродинный метод регистрации сигналов межмодовой интерференции, обеспечивающей большой динамический диапазон с сохранением относительно высокой чувствительности. Метод позволяет без оптического смешения частот перенести изменения разности фаз интерферирующих мод оптической волны в световоде в фазу вспомогательного радиочастотного модулирующего сигнала, что дает дополнительный выигрыш в схемах волоконных томографов с большой базой (с протяженными измерительными волоконными трактами).
-
При использовании волоконно-оптического интерферометра с псевдогетеродинным методом приема сигналов в цепи обратной связи оптоэлектронного автогенератора возможно управление частотой автомодуляционных колебаний при изменениях оптической фазы в волоконном интерферометре. Такой автогенератор, как высокочувствительный измеритель относительных величин, может быть использован в ВОТД в качестве регистратора, поскольку обработка данных может производиться
без абсолютной привязки к исследуемому полю. При этом достигается существенное упрощение электронной аппаратуры в схеме обработки сигнала датчика (поскольку информационным параметром в таком ВОТД является частота подне-сущей радиочастотного диапазона) и сохраняется высокая чувствительность фазовых датчиков. 4. Волоконно-оптический томографический датчик с чувствительным элементом, регистрирующим проекцию векторной величины и ее знак, способен измерять векторные поля. Векторное поле, измеренное при помощи ВОТД, может быть реконструировано алгебраическими методами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 1-й, 2-й и 3-й Международных конференциях по волоконной оптике в России ISFOC (Ленинград - 1991 г., Санкт-Петербург -1992 и 1993 гг.); International Conference on Optoelectronic Science and Engineering (ICOESE'94), 15-18 August, 1994, Beijing, China; Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", 25-27 апреля 1995 г. Санкт-Петербург.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано более 19 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Обший объем работы - 125 страниц основного текста, 41 рисунок, 3 таблицы и библиография из 66 наименований.
