Введение к работе
Актуальность, В решении ряда важнейших социальных и научно-технических проблем, таких как охрана окружающей среды, снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, повышение безопасности движения и развитие перспективных транспортных средств, повышение безопасности эксплуатации транспортных энергетических коммуникаций, развитие телекоммуникационных магистралей фотоника занимает одно из важнейших мест. Эффективность фотометрических методов определяется, прежде всего, высокой информативностью эффектов взаимодействия оптического излучения с веществом, как при непосредственном зондировании, так и опосредованно через волоконно-оптические датчики.
Метод обратного рассеяния, как один из самых эффективных фотометрических методов, является мощным инструментом для создания систем экологического мониторинга, мониторинга транспортных магистралей - и средств, потенциальных источников загрязнения и субъектов техногенных аварий и катастроф. Рефлектометрические системы, реализующие метод обратного рассеяния, можно разделить на открытые и встроенные. К первым следует отнести лидары, спектрометры аэрозолей, дальномеры, интерферометры, а также более простые переносные приборы индикаторного типа, необходимые для дистанционного зондирования атмосферы, определения ее химического состава и динамики распространения; мониторинга перемещений, локализации структурных узлов технических объектов и т.д. Ко вторым - встроенные волоконно-оптические системы контроля состояния технических объектов, содержащих в своем составе протяженные датчики интегрального типа, пространственного разрешения, а также более простые концевые датчики, необходимые для измерения давления, механических напряжений, смещений, температуры и т.д.
Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения; во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств).
Подавляющее большинство открытых и встроенных непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительныхгкамялйа ЛЙЭДШ<Ш;Й1ФКис системы
СНБЛКОТЕКА СПтИг О» t»J
обладают простой консфукцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрическою преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для ефуктурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем.
Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании двухчастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования двухчастотного лазерного излучения (УФДЛИ).
Необходимо отметить, что разработкой двухчастотных методов занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем информации по данной проблеме для открытых систем содержится в трудах Ю.Ф. Застрогина, В.Е. Зуева, Г.И. Ильина, Д.П. Лукьянова, В.В. Молебного, И.В. Самохвалова, Ю.Е. Польского, L. Bissonnette, G. Ка-merman и др., для встроенных волоконно-оптических систем - Ю.В. Гуляева, Е.М. Дианова, М.Е. Зака, Ю.Е. Польского, D. Inaudi, Е. Udd и др. Ежегодно ведущие научные общества проводят международные симпозиумы и конференции, посвященные данной проблеме. Среди самых значительных — симпозиумы ИОАТФ РАН, РОНКТД, IEEE, OSA, SPIE.
Однако сравнительный анализ результатов, полученных в ряде работ при эксплуатации в одинаковых условиях и с одинаковыми задачами гомодинных и гетеродинных систем, говорит не в пользу последних. Это объясняется отсутствием решения широкого круга практических и теоретических вопросов, как в открытых, так и во встроенных системах.
Для систем открытого типа нерешенной остается проблема получения стабильного двухчастотного излучения с высоким коэффициентом преобразования, с возможностью управления разностной частотой по заданному закону с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности его составляющих. Остаются неизученными вопросы применимости симметричного двухчастотного излучения для построения гомодинных и гетеродинных систем: систем с учетом нестабильности частоты передатчика, сканирующих систем с исследованием контура линии поглощения и настройки на его центр, систем многочастотного зондирования и т.д.
Для встроенных систем проблема применимости двухчастотной рефлек-тометрии, как симметричной, так и асимметричной, также окончательно не решена. Во-первых, это вызвано особенностями распространения лазерного излучения в волокне, при котором значительно ухудшаются его когерентные свойства, во-вторых, высокими потерями, вызванными стыковкой объемных УФДЛИ с волоконно-оптическими магистралями, в-третьих, широким использованием датчиков с резонансным высоко добротным преобразованием информации. Это определяет необходимость решения задачи создания эффективных волоконно-оптических УФДЛИ, волоконно-оптических датчиков, зондируе-
мых двухчастотным излучением, и волоконно-оптических распределенных систем на их основе, в частности, временных с когерентным приемом, часлог-ных когерентных и некогерентных со сканированием частоты, частотных с формированием требуемой функции когерентности.
Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность научно-технической проблемы улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.
Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы», выполняемых кафедрой «Радиоэлектронные и квантовые устройства» и научно-исследовательским центром прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. АН. Туполева.
Цель работы состоит в решении важной научно-технической проблемы -улучшении метрологических характеристик и расширении функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, основанных на развитии теории и техники симметричной двухчао-тотной рефлектометрии на базе амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.
Решаемые задачи:
Анализ существующих и перспективных лазерных рефлектометричс-ских систем контроля параметров природной и искусственных сред; выявление причин, сдерживающих более широкое использование двухчастотных систем непрерывного действия, и резервов для улучшения их метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей; формулирование на этой основе направлений исследований.
Разработка амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и развитие на его основе теории симметричной двухчастотной рефлектометрии с учетом особенностей дистанционного зондирования в атмосфере и оптическом волокне; постановка и формализация основных задач управления параметрами симметричного двухчастотного зондирующего излучения; постановка и формализация основных задач приема и обработки симметричной рефлектометрической информации.
Проектирование и создание перестраиваемых электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное с возможностью управления разностной частотой по заданному $а-кону и с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности ею составляющих, учитывающих особенности открытых систем контроля параметров природной среды.
Определение принципов построения лидарных систем контроля параметров природной среды и практических рекомендаций по построению рефле-ктометримеских систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дально-метрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.
Проектирование и создание волоконно-оптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и сопряженных с ними измерительных преобразователей, учитывающих особенности встроенных систем контроля параметров искусственных сред.
Определение принципов построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и практических рекомендаций по построению встроенных распределенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.
Внедрение систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии для улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались эмпирические и теоретические методы исследований: математическое моделирование, математический аппарат интегральных преобразований Фурье и матриц Джонса, методы математической физики, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов, рефлектометрический метод измерения характеристик волокна, спектральный метод анализа излучений на базе интерферометра Фабри-Перо.
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 исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ВНИИГПЭ и ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями, промышленными образцами и полезными моделями, защищенными авторскими свидетельствами СССР, свидетельствами и патентами РФ.
Научная новизна:
Развита теория амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработан метод преобразования, обеспечивающий высокую степень чистоты выходного двухчас-тотного спектра и стабильность его характеристик; изучено влияние параметров преобразования на спектр выходного излучения и получены соотношения, определяющие их взаимосвязь с учетом реальных характеристик используемых электрооптических модуляторов.
Определены основные положения теории двухчастотных рефлектомет-рических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных
сред при использовании симметричного двухчастотного зондирования и обработке симметричной рефлектометрической информации.
Предложены технические решения электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, позволяющих обеспечить работу систем в широком диапазоне рабочих длин волн с плавной перестройкой разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью.
Уточнен ряд положений теории амплитудных электрооптических модуляторов. Впервые теоретически и экспериментально показано, что спектр выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора при работе в «нулевой» точке модуляционной характеристики является симметричным и двухчастотным. При этом реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования частоты на второй гармонике модулирующего колебания.
Разработаны математическая модель взаимодействия симметричного двухчастотного излучения с контурами линий поглощения атмосферных газов и методы обработки симметричной рефлектометрической информации в открытых системах контроля параметров природной среды. Предложены структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.
Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработаны рекомендации по построению преобразователей данного вида для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.
Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконно-оптических датчиков на базе двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; разработаны рекомендации по построению на их базе измерительных преобразователей амплитудного, поляризационного и рефлектометрического типов для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.
Определены принципы построения единого поля комплексированных
волоконно-оптических датчиков и структурные схемы встроенных волоконно-
оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих
методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирова
ния измерительных каналов, спектрального уплотнения информационных ка
налов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.
Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность создания симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред с улучшенными
метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Подтверждением этому являются разработанные кристаллические и волоконные электрооптические преобразователи одночастотного коге-ренного излучения в симметричное двухчастотное; разработанные волоконно-опти-ческие измерительные преобразователи, сопряженные с методами симметричного двухчастотного зондирования; практические рекомендации по их использованию в структуре двухчастотных рефлектометрических систем; разработанные симметричные двухчастотные рефлектометрические системы контроля параметров природной и искусственных сред; разработанные системы управления измерительными процессами, используемые при контроле параметров природной и искусственных сред.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные в виде информационно-измерительных систем, оптоэлектронных приборов и устройств, волоконно-оптических датчиков, программных средств и методик проектирования симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в ФГУП НПО ГИПО, ФГУП КАПО им. СП. Горбунова, ГУЛ «Таттелеком», ЗАО «Виктория», г. Казань, ОАО «Татнефть», г. Альметьевск, ОАО СЗМН, г. Пермь, НИИ АУС, г. Феодосия, Крым, Украина. Научно-технические результаты работы использовались при вьшолнении НИР по грантам Минобразования РФ «Разработка научно-технических основ проектирования бортовых волоконно-оптических систем контроля параметров безопасности аэрокосмической техники» в 1997-1999 гг., инновационным научно-техническим программам Минобразования РФ «Перспективные средства связи» в 1996-1997 гг., «Информационные технологии и электроника» в 1998-1999 гг., «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. Транспорт» в 1999-2003 гг., межотраслевым научно-техническим программам Минобразования РФ и Минобороны РФ «Научно-инновационное сотрудничество. Исследование проблем радиотехники и связи» в 2001-2002 гг., «Научно-инновационное сотрудничество. Создание перспективных летательных аппаратов, импульсных установок, роботизированных комплексов, перспективных конструкционных, специальных и топливных материалов и технологий их получения» в 2003 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях КПУ-КАИ им. А.Н. Туполева, Казань, 1983-2003 гг., ГХ Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию, Туапсе, 1986 г., II Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров», Харьков, 1990 г., Всесоюзном семинаре «Метрология в прецизионном машиностроении», Саратов, 1990 г., 1-VH межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск, 1994-2000 гг., VIl-ХП Всероссийских конференциях с участием иностранных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»,
Гурзуф-Судак, Крым, Украина, 1995-2000 гг., Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды», Томск, 1995 г., III Международной конференции «Методы управления системной эффективностью функционирования электронных и пилотажно-навигаци-онных комплексов», Киев, 1995 г.. Международной конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации», Москва, 1996 г.. Международном симпозиуме «Optical Inspection and Micromeasurements», Бе-зансон, Франция, 1996 г., I-II, IV Международных симпозиумах «Nondestructive Evaluation of Utilities and Pipelines», США, Феникс, Сан Лнтонио, Ньюпорт, 1996-97, 1999 гг., Международном симпозиуме «Infrared Remote Sensing», Сан Диего, США, 1997 г., VII Международной конференции «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики», Феодосия, Крым, Украина, 1997 г., 9-13 Международных Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо», Севастополь, Крым, Украина, 1999-2003 гг., Международном симпозиуме «Optical Measurement and Industrial Inspection», Мюнхен, Германия, 1999 г., Всероссийской конференции «Проск-ти-рование и эксплуатация электронных средств», Таганрог-Казань, 2000 г., Всероссийской конференции «Методы и средства измерений в системах контроля и управления», Пенза, 2001 г., III Всероссийской конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов», Пенза, 2001 г., Г\Т научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2001 г., Международных конференциях НИИ АУС, Феодосия, Крым, Украина, 2001, 2003 гг., VII Международном симпозиуме «Videometrics and Optical Methods for 3D shape measurements», Сан Хосе, США, 2001 г., VIII Международном симпозиуме «Remote Sensing», Тулуза, Франция, 2001 г., научно-практической конференции «Нефть, газ, нефтехимия», Казань, 2002 г., научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань, 2002 г., Международной конференции «Antenna Theory and Techniques», Севастополь, Крым, Украина, 2003 г., научно-практической конференции «Инфокоммуника-ционныетехнологии глобального информационного общества», Казань, 2003 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы монография и ее журнальная версия, 78 научных работ, в том числе 12 статей в журналах, включенных в перечень ВАК, 20 статей в реферируемых трудах и сборниках докладов симпозиумов международных НТО. Автор имеет 13 единоличных публикаций, 6 авторских свидетельств СССР, 9 свидетельств и патентов РФ.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из «ведения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 192 наименования, и трех приложений. Работа без приложений изложена на 285 страницах машинописного текста, включая 80 страниц рисунков и таблиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты системного поиска путей улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных двухчас-тотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред.
Основные положения теории и метод амплитудно-фазового преобразо
вания одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное;
результаты исследования влияния параметров преобразования на спектральный
состав выходного излучения и соотношения, определяющие их взаимосвязь.
Основные положения теории двухчастотных рефлектометрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред при использовании симметричного двухчастотного зондирования и обработке симметричной рефлектометрической информации.
Результаты исследований и разработки электрооптических амплитудно-
фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симмет
ричное двухчастотное; рекомендации по построению преобразователей данно
го вида для открытых систем контроля параметров природной среды.
Уточненные положения теории амплитудных электрооптических модуляторов; результаты исследований спектра выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора; результаты разработки на его базе амплитудно-фазового преобразователя одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.
Результаты математического моделирования взаимодействия симмет
ричного двухчастотного излучения с контурами линий поглощения атмосфер
ных газов и методы обработки принимаемой симметричной рефлектометриче
ской информации.
Структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двух-частотной рефлектометрии.
Результаты математического моделирования и разработки волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и волоконно-оптических измерительных преобразователей на базе датчиков из двух скрученных волокон о замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; рекомендации по построению преобразователей частоты и измерительных преобразователей указанных видов для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред.
Принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и структурные схемы встроенных волоконно-оптических систем, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов и спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.
Результаты внедрения разработанных методов, систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих преимущества симметричной двухчастотной рефлектометрии в промышленность, научные исследования и учебный процесс.
