автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Физические принципы организации адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем для реконструкции распределений физических полей в реальном времени

На правах рукописи

Каменев Олег Тимурович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ АДАПТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Специальность 05.11.16 - информационно-измерительные и управляющие системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Владивосток - 2004

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В.Куйбышева)

Научный консультант: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор Кульчин Ю.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Крижановский Б.В.

доктор физико-математических наук, профессор Букин О.А

доктор физико-математических наук, профессор Короченцев В.И.

Ведущая организация: Московский государственный инженерно-физический институт (Технический университет)

Защита диссертации состоится "30" декабря 2004 г. в 10 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.055.06 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690950, Владивосток ул. Пушкинская, 10. Телефон: 45-38-26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан "30" ноября 2004 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Актуальность темы. В настоящее время перспективы развития науки и техники тесно связаны с широкомасштабным внедрением автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и объектами, с созданием разнообразных измерительных комплексов, позволяющих получать в реальном времени достоверную информацию о состоянии контролируемых объектов и о протекающих в них процессах. При этом особое внимание уделяется мониторингу протяженных объектов: шахт, мостов, туннелей, дамб, плотин, взлетно-посадочных полос, нефтепроводов и прочих сооружений.

Поскольку для контроля состояния подобных объектов необходим постоянный мониторинг крупномасштабных и пространственно неоднородных физических полей, особую актуальность приобретает создание

специализированных информационно-измерительных систем, способных осуществлять измерение параметров различных физических полей на значительных площадях пространства, а также обработку формируемых при этом многомерных информационных массивов в реальном масштабе времени.

Традиционный путь решения указанной проблемы посредством размещения на контролируемом объекте большого количества стандартных дискретных измерительных устройств не всегда оказывается приемлемым. Ограничение применения информационно-измерительных систем на основе подобных устройств связано с низким быстродействием, значительными размерами и массой, жесткостью измерительных устройств, низкой помехозащищенностью и т.д.

Широкие возможности в преодолении отмеченных проблем открываются при использовании одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники — волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин. Органичное сочетание в едином тракте волоконного световода функций передающей световое излучение среды и чувствительного элемента датчика открывает перспективы для создания принципиально новых, не имеющих аналогов в измерительной технике, быстродействующих измерительных устройств, способных интегрироваться в протяженные и разветвленные измерительные системы, отличающиеся высокой чувствительностью и помехозащищенностью. При этом важными достоинствами ВОД являются незначительная удельная масса, эластичность, возможность встраиваться в композитные материалы без нарушения изменения свойств последних и потенциально низкая стоимость. Перечисленные достоинства и наметившийся в последние годы переход от дискретных ВОД физических величин к протяженным распределенным и мультиплексированным ВОД позволили начать разработку распределенных волоконно-оптических измерительных сетей (РВОИС) и информационно-измерительных систем на их основе, способных реконструировать пространственные распределения параметров исследуемых физических полей.

I '^С. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА

Многообещающим подходом в организации распределенных волоконно-оптических измерительных сетей является применение томографических методов сбора информации о пространственном распределении исследуемого физического поля. Тогда РВОИС может быть организована как совокупность относительно простых измерительных элементов - протяженных волоконно-оптических измерительных линий с интегральной чувствительностью, получивших название интегрирующих. Применение томографических методов сбора данных в распределенных волоконно-оптических измерительных сетях позволяет существенно уменьшить количество межсоединений в измерительной сети, а следовательно, и количество информационных каналов, что, в конечном счете, приводит к уменьшению объема измерительной информации. Значительно упрощается процесс измерения и его элементная база. Для создания протяженных РВОИС томографического типа наиболее целесообразно использование интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ). Однако, несмотря на очевидные достоинства, состоящие в сочетании высокой чувствительности с простотой и технологичностью изготовления и эксплуатации, волоконно-оптические датчики на ОМИ не нашли широкого распространения. Причина этого состоит в том, что одноволоконные интерферометры неустойчивы к неконтролируемым воздействиям со стороны окружающей среды, и поэтому не могут обеспечить долговременные измерения физических величин при использовании существующих методов обработки их сигналов. Поэтому особую актуальность приобретает комплексная проблема разработки адаптивных методов обработки сигналов ОМИ, способных обеспечить устойчивость РВОИС к неконтролируемым внешним воздействиям.

Способ представления измерительной информации распределенной сетью томографического типа - в виде массива данных, формируемого одновременно всеми включенными в сеть измерительными линиями, хорошо совмещается с концепцией параллельной обработки информации, которая открывает перспективу работы информационно-измерительной системы в реальном времени. Однако в настоящее время реконструкция пространственных распределений физических полей по томографическим данным осуществляется с использованием итерационных алгоритмов, что исключает возможность работы распределенных ИИС в реальном времени. Поэтому успех развития систем мониторинга протяженных физических полей, прежде всего, определится достижениями в разработке методов и средств, позволяющих реализовать параллельную обработку больших информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями томографического типа. Развитие и совершенствование методов нейросетевой обработки информации открывает широкие перспективы решения этой задачи.

Целесообразность применения нейроподобных вычислительных устройств в системах контроля состояния протяженных объектов обусловлена целым рядом их преимуществ. Способность нейросистем к обучению позволяет создавать реконфигурируемые ИИС. Адаптивность процесса обучения позволяет осуществлять подстройку ИИС под изменения условий эксплуатации исследуемого объекта. Параллельная архитектура нейросистем хорошо согласуется с топологией распределенной измерительной сети, а ассоциативность позволяет осуществлять распознавание критических ситуаций, возникающих на контролируемом объекте. Способность нейросистем принимать эвристические и интуитивные решения обеспечивает интеллектуализацию ИИС. В связи с этим представляется актуальной разработка нейросетевых принципов обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей, обеспечивающих реконструкцию пространственных распределений параметров физических полей в реальном времени.

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 распределенных волоконно-оптических измерительных сетях на основе протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий и разработку физических принципов реализации методов и схем адаптивной обработки этих сигналов с учетом особенностей волноводного распространения излучения.

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.

В диссертации решаются следующие задачи:

1.Разработка принципов 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 томографического типа и нейросетевых методов обработки информации.

2. Разработка и изучение принципов организации и функционирования протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, а также методов адаптивной обработки их сигналов, обеспечивающих устойчивость по отношению к неконтролируемым воздействиям окружающей среды.

3. Разработка принципов применения нейросетевых методов обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей томографического типа, обеспечивающих реконструкцию пространственных распределений параметров физических полей в реальном времени.

Научная новизна работы и положения выдвигаемые на защиту:

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.

2. 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.

3. 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.

4. Теоретически и экспериментально исследовано применение явления самодифракции световых волн 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- 0,8дБ/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. .

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 - 100 м2, пространственное разрешение -1м2, порог чувствительности к ускорению - 10-4м/с2, 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 оптоэлектронных 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, исследование применения явления самодифракции световых волн в фоторефрактивных кристаллах для формирования амплитудных корреляционных голографических фильтров 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 принципов применения нейросетевых вычислительных методов для обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей показало возможность реализации параллельных алгоритмов обработки информации при реконструкции пространственных распределений физических полей. Полученные результаты применены для создания моделей нейроподобных вычислительных систем обработки сигналов распределенных измерительных сетей и могут быть использованы для создания информационно-измерительных систем мониторинга протяженных физических полей в реальном времени.

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 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.

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", Tokio, 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; "1st 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 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 240 страниц, включая 69 рисунков и библиографию из 277 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается постановка решаемой в диссертации задачи, показаны актуальность и новизна проводимых исследований, дается краткое содержание работы.

Первая глава диссертации отражает современные тенденции в области создания информационно-измерительных систем мониторинга физических полей. Сформулированы цели и задачи диссертации.

Решение задачи мониторинга крупномасштабных и пространственно неоднородных многомерных физических полей приводит к необходимости создания специализированных адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем, в которых сбор данных об исследуемом распределении физического поля осуществляется с использованием распределенных волоконно-оптической измерительных сетей (РВОИС), а обработка полученных данных осуществляется с использованием нейроподобных вычислительных устройств.

В настоящее время распределенные волоконно-оптические измерительные сети строятся на основе мультиплексированных и распределенных волоконно-оптических измерительных линий (ВОИЛ). Анализ отдельных методов и подходов к созданию измерительных сетей на основе систем мультиплексированных и распределенных волоконно-оптических датчиков показал, что такие сети требуют использования сложной, дорогостоящей и, порой, громоздкой аппаратуры разделения и обработки оптических сигналов. Разрешение таких измерительных сетей оказывается недостаточным для отслеживания параметров крупномасштабных и быстро изменяющихся в пространстве и времени физических полей.

Принципиально новый подход к регистрации физических полей состоит в том, чтобы на выходе протяженной волоконно-оптической измерительной линии принимать суммарный сигнал о внешних воздействиях, не вычленяя сигналы, поступающие от элементарных участков линии. По набору интегральных данных, формируемых волоконно-оптическими измерительными линиями, осуществляется 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, получивших название интегрирующих.

При создании протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий предпочтение следует отдавать одноволоконным многомодовым интерферометрам (ОМИ). Изучение существующих методов обработки сигналов ОМИ показало, что способы корреляционной пространственной фильтрации картины излучения многомодовых интерферометров представляются наиболее перспективными. Однако разработанные методы пространственной фильтрации имеют один общий недостаток - они не обеспечивают устойчивость измерительной системы по отношению к неконтролируемым влиянием параметров окружающей среды на интерферометр. Это обстоятельство препятствует использованию многомодовых волоконных световодов для создания протяженных измерительных линий. Решение этой проблемы следует искать в применении для обработки сигналов ОМИ адаптивных пространственных фильтров, способных изменять свою структуру, подстраиваясь тем самым под неконтролируемые изменения любых внешних условий. Применение фоторефрактивных кристаллов в качестве динамической среды для записи корреляционных пространственных фильтров открывает перспективы разработки адаптивных методов обработки выходных сигналов протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров.

Исследования последних лет показали перспективность использования нейроподобных вычислительных систем в качестве быстродействующих устройств обработки значительных информационных массивов. 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.

Для решения задачи реконструкции пространственных распределений физических полей наиболее перспективным является применение нейронной сети типа персептрон, способной реализовать практически любое функциональное преобразование. Количество циклов итерации, требуемых для реконструкции пространственного распределения физического поля по томографическим данным традиционными методами, составляет от 100 до 1000. Так как обработка данных в персептроне осуществляется за время, соизмеримое с временем выполнения одного цикла итерации, то использование указанной нейросети для обработки сигналов РВОИС томографического типа позволит не менее чем в 100 раз повысить скорость реконструкции и обеспечит мониторинг физических полей в реальном времени. Указанные достоинства персептронов позволяют сделать вывод о целесообразности их применения для создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем реконструкции распределений физических полей в реальном времени.

Таким образом, применение волоконно-оптической элементной базы в сочетании с томографическими принципами сбора данных об исследуемом физическом поле открывает широкие перспективы для создания помехозащищенных распределенных измерительных сетей, способных осуществлять сбор измерительной информации о состоянии протяженных объектов. При этом для создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей необходима разработка протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, а также адаптивных методов обработки их сигналов. Применение современных нейросетевых технологий обработки информации открывает широкие возможности для создания интеллектуальных устройств адаптивной обработки выходных сигналов распределенных измерительных сетей, способных осуществлять реконструкцию пространственных распределений параметров физических полей и их последующую обработку.

Во второй главе представлены принципы организации и функционирования протяженных интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров.

Интегрирующая фазовая волоконно-оптическая измерительная линия состоит из следующих основных частей: входной волоконный световод, направляющий оптическое излучение в первичный преобразователь; первичный преобразователь физических воздействий (одноволоконный интерферометр), осуществляющий преобразование измеряемой физической величины в модуляцию фазы оптического излучения, распространяющегося в

ВОИЛ; устройство фазовой демодуляции, осуществляющее преобразование фазовой модуляции в амплитудную; выходной волоконный световод, направляющий оптическое излучение от первичного преобразователя к фотоприемнику; фотоприемник, регистрирующий интенсивность оптического излучения на выходе ВОИЛ. Первичный преобразователь интегрирующей ВОИЛ может содержать дополнительные преобразователи - чувствительные элементы, усиливающие чувствительность волоконного световода к измеряемой физической величине.

Принцип действия одноволоконных многомодовых интерферометров основан на чувствительности фазы направляемого в многомодовых волоконных световодах (ВС) излучения к внешним воздействиям. Можно показать, что если чувствительность волоконного световода к физической величине F не меняется на всем его протяжении, то интегральное изменение фазы LPш-моды излучения, распространяющегося в ВС описывается выражением

где Цр,ф) - контур укладки ВС, ДЬ - изменение длины ВС, Р(х,у) -пространственное распределение физической величины, константа,

определяемая параметрами ВС, I -координата вдоль контура, по которому

уложен ВС, 0'1„ —а^ь,,, <Хр — , L - длина интерферометра. Изменения фаз

мод ВС преобразуются устройством фазовой демодуляции в изменение интенсивности излучения на выходе измерительной линии, регистрируемое фотоприемником. Таким образом, на линейном участке функции передачи выходной сигнал интегрирующей ВОИЛ пропорционален контурному интегралу от исследуемого физического поля при контуре интегрирования, проходящем вдоль измерительной линии :

ь(р,ф)=к

где - полярные координаты, задающие положение контура , к-

коэффициент, определяющий погонную чувствительность ВОИЛ к измеряемой физической величине. Следовательно, одноволоконные многомодовые интерферометры могут быть использованы для создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей томографического типа.

Различают два типа одноволоконных многомодовых интерферометров: двухмодовые интерферометры (ОДИ) на основе двухмодовых ВС и многомодовые интерферометры на основе существенно многомодовых ВС.

На выходе одноволоконного двухмодового интерферометра наблюдается интерференционная картина в виде двух ярко выраженных пространственно разделенных максимумов интенсивности оптического излучения. Интенсивность максимумов изменяется в противофазе при изменении длины интерферометра. Наилучшие характеристики измерительного преобразователя на основе ОДИ достигаются при максимальном контрасте интерференционной картины, который обеспечивается равенством коэффициентов возбуждения обеих мод интерферометра. Для достижения указанного режима предложена и исследована оригинальная конструкция элемента согласования одно- и двухмодового ВС. Сформированный на стыке входного одномодового ВС с двухмодовым интерферометром, данный элемент выполняет роль модового фильтра и обеспечивает оптимальные условия возбуждения мод интерферометра.

Элемент согласования представляет собой волноводный переход в виде соединения одномодового и двухмодового ВС с радиальным смещением осей световодов. Результаты расчетов зависимостей коэффициентов возбуждения мод LP01 и LP11 ОДИ от относительного смещения осей световодов представлены на рис. 1.

К

Рис. 1. Зависимости коэффициентов возбуждения LP01 и LР11 -мод от относительного смещения осей световодов и экспериментально полученные фотографии картины межмодовой интерференции на выходе из двухмодового ВС.

Как видно из рисунка, равенство коэффициентов возбуждения мод наблюдается при относительном смещении осей 5 » 0,56. При этом контраст интерференционной картины на выходе из ОДИ максимален, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. Однако, как показали результаты экспериментальных исследований, при указанном

значении 8 интерференционная картина является неустойчивой. Оптимальное возбуждение мод наблюдается с несколько меньшим контрастом при « 0,6. На основе полученных результатов предложен и практически реализован первичный преобразователь интегрирующей ВОИЛ на основе ОДИ со следующими характеристиками: чувствительность к аксиальным деформациям- 0,25 Дб/мкм, диапазон измерений- 80 мкм, порог чувствительности- 0,3 мкм.

Для создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей мониторинга вибрационных полей следует принять меры к повышению чувствительности интерферометра к параметрам таких полей. Это требует использования в составе измерительной линии специальных чувствительных элементов, которые представляют собой участки ВС с закрепленными концами, к которым прикреплены инерционные массы. Колебания отрезков ВС будут возбуждаться в таких ЧЭ под воздействием вибрации внешней среды. Результирующая деформация растяжения натянутых участков ВС обуславливает фазовую чувствительность ВОИЛ к параметрам вибрационного поля. Если начальное смещение инерционной массы много больше средней амплитуды ее поперечных колебаний, то амплитуда удлинения участка ВС пропорциональна амплитуде поперечных колебаний корпуса ЧЭ. Тогда суммарное удлинение одноволоконного интерферометра, а значит и сигнал на выходе измерительной ВОИЛ пропорционален сумме амплитуд

колебаний исследуемой поверхности в местах расположения ЧЭ

Таким образом, одноволоконный двухмодовый интерферометр может быть использован для создания интегрирующих фазовых ВОИЛ.

Одноволоконные интерферометры на основе существенно многомодовых ВС обладают большей чувствительностью по сравнению с двухмодовыми интерферометрами. Кроме того, они легко согласуются с источниками излучения и способны каналировать излучение большой мощности. Внешнее воздействие на многомодовый световод приводит к появлению фазовых сдвигов между модами световода, что находит отражение в перестройке интерференционной картины на выходе интерферометра, представляющей собой характерную спеловую картину, обработка которой осуществляется корреляционными методами, в которых для регистрации фазовых изменений мод интерферометра производят измерения корреляции

интерференционных полей, сформированных многомодовым

интерферометром до и после воздействия. При этом значение коэффициента корреляции несет информацию о величине фазовой модуляции собственных волн ОМИ.

Таким образом, одноволоконные интерферометры на основе существенно многомодовых световодов могут быть использованы для создания интегрирующих фазовых ВОИЛ.

Третья глава диссертации посвящена разработке адаптивных методов обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров для создания интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий.

Вследствие поляризационных биений мод в двухмодовом ВС, интерференционная картина на выходе одноволоконного двухмодового интерферометра перестраивается при изменении длины интерферометра. Это осложняет обработку выходных сигналов протяженных измерительных линий на основе ОДИ традиционными методами, например - диафрагмированием. Для решения указанной проблемы в качестве устройства фазовой демодуляции интегрирующей ВОИЛ на основе одноволоконного двухмодового интерферометра предлагается использовать элемент согласования одно- и двухмодовых волоконных световодов, сформированный на стыке двухмодового ВС интерферометра и одномодового выходного ВС. Физические принципы взаимодействия мод в предложенном устройстве позволяют обеспечить устойчивость измерительной линии к поляризационным биениям мод интерферометра. Интенсивность излучения на выходе устройства фазовой демодуляции описывается следующим выражением:

1 = 1о[(А01,о1)2 + (А11.о,)2+2А01,01А110|Со5((р11-Р01)ДЬ)]

где 10-интенсивность мод ЬРо1 И ЬРц ОДИ, А0101 и А1101 - соответственно коэффициенты возбуждения моды ХР01 одномодового ВС модами ХР01 и ЬР11 ОДИ, Б=у/г - относительное смещение осей световодов, г - радиус сердцевины двухмодового ВС ОДИ; Рц (5о1 -постоянные распространения мод 1РтЬРп ОДИ.

При равенстве коэффициентов возбуждения мод данное выражение полностью аналогично функции преобразования, получаемой при обычном диафрагмировании одного из пятен интерференционной картины на выходе ОДИ. Однако в отличие от диафрагмирования при повороте пятен вследствие поляризационных биений регистрация выходного сигнала с использованием предлагаемого устройства фазовой демодуляции будет продолжаться.

Для определения оптимальных параметров предложенного устройства фазовой демодуляции в работе проведены исследования нормированной амплитуды и видности интерференционного сигнала от относительного смещения осей согласуемых световодов, результаты которых представлены на рис.2.

Как следует из рис.2, видность и нормированная амплитуда достигают максимальных значений при различных значениях смещения 8. Отсюда следует, что невозможно добиться одновременно наибольшей амплитуды и видности интерференционного сигнала. Результаты экспериментальных исследований устройства фазовой демодуляции показали, что оптимальное

значение относительного смещения осей световодов составляет S=0,7 . При этом видность V=0,95 , нормированная амплитуда А=0,45.

а) I, отяед

Рис.2. Зависимость видности (1) и Рис.3. Зависимость нормированной амплитуды (2) от интенсивности отфильтрованного относительного смещения осей оптического сигнала от величины световодов аксиального удлинения ОДИ. а)

теория, б) эксперимент.

На рис.3 представлена зависимость интенсивности отфильтрованного оптического сигнала от величины аксиального удлинения ОДИ. Как видно из рисунка, поляризационные биения, вызванные изменением длины интерферометра, не оказывают влияния на выходной сигнал ОДИ.

На основе проведенных исследований физических принципов организации и функционирования протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий разработана и практически реализована 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.

Таким образом, предложенный элемент согласования волоконных световодов может выполнять функцию устройства фазовой демодуляции и позволяет обеспечить устойчивость протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров по отношению к поляризационным шумам.

Обработка выходных сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров традиционно осуществляется методами корреляционной амплитудной или голографической фильтрации, в которых амплитудный или

голографический корреляционный фильтр записывается на обычной фотопластинке. Однако применение фотографических фильтров не позволяет использовать ОМИ для создания протяженных интегрирующих ВОИЛ длительного мониторинга физических полей, так как из-за перестройки спекловой картины вследствие изменений условий окружающей среды фильтр следует периодически перезаписывать. Это привело к необходимости разработки новых адаптивных методов обработки сигналов ОМИ, с целью создания волоконно-оптических измерительных линий на основе существенно многомодовых световодов.

Наиболее эффективным способом решения указанной проблемы представляется применение для обработки сигналов ОМИ адаптивного корреляционного фильтра, способного изменять свою структуру, подстраиваясь тем самым под неконтролируемые изменения любых внешних условий. В работе предложен и изучен метод оптоэлектронной амплитудной пространственной фильтрации излучения для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров, в котором в качестве фильтра используется специальное электронное устройство корреляционной обработки. Выходной сигнал устройства после фильтрации постоянной компоненты будет пропорционален коэффициенту корреляции опорного и текущего распределений поля излучения ОМИ:

где Р12 - коэффициент корреляции, п1 и п2 -показатели преломления сердцевины и оболочки ВС, ^волновое число, ДЪ - изменение длины ОМИ, № - амплитуда корреляционного сигнала.

Как видно из рис. 4, АЧХ предлагаемого устройства имеет линейную область в интервале от 50 Гц до 2000 Гц. В области низких частот наблюдается резкий спад, обусловленный адаптивными свойствами устройства: низкочастотные изменения спекловой интерференционной картины ОМИ не будут зарегистрированы, так как опорное распределение оптического поля успеет перезаписаться. Таким образом, применение данного метода обработки сигналов ОМИ позволяет обеспечить адаптивность интегрирующих ВОИЛ на основе существенно многомодовых ВС по отношению к неконтролируемым воздействиям окружающей среды.

На основе проведенных исследований разработана и практически реализована протяженная интегрирующая волоконно-оптическая измерительная линия, предназначенная для измерений аксиальных деформаций на основе одноволоконного многомодового интерферометра и электронного устройства корреляционной обработки сигналов.

и, В 1.0

и«ых,В

Г

0.5

0.0

2

4

в ».КГЦ

о.о 15 30 45 (0 42,мю»

Рис.4. Амплитудно-частотная характеристика электронного устройства корреляционной обработки сигналов ОМИ.

Рис.5. Зависимость выходного сигнала электронного устройства корреляционной обработки от величины удлинения ОМИ

На рис. 5. представлена зависимость выходного сигнала разработанной ВОИЛ от величины аксиальных деформаций ОМИ при частоте модуляции 500 Гц. Как видно из рисунка, разработанное устройство линейно преобразует величину удлинения интерферометра в электрическое напряжение, если амплитуда удлинения не превышает 40 мкм. При этом чувствительность измерительной линии к величине аксиального удлинения интерфгрометра длиной 100 м составила 17 мВ/мкм, порог чувствительности - 0,03 мкм, динамический диапазон измерений - 35 дБ, средняя температурь?./: нестабильность 0,5%/°С. Исследование долговременной стабильности показало, что при постоянном по амплитуде воздействии на многомодовый интерферометр, выходной сигнал ВОИЛ в течении 8 часов не изменяется более чем на 2.5%. Описанное устройство позволяет проводить прием и предварительную обработку сигналов в реальном масштабе времени в диапазоне от 2 Гц до 10 Кгц.

Однако электронные корреляционные устройства обладают ограниченной разрешающей способностью, определяемой главным образом размером используемых фотоэлементов. Поэтому наиболее перспективным способом решения проблем корреляционной обработки спекловой интерференционной картины ОМИ является использование адаптивных корреляционных голографических фильтров на основе фоторефрактивных кристаллов. В этой связи теоретически и экспериментально исследовано применение явления самодифракции световых волн в фоторефрактивных кристаллах для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров. Показано, что набор самосогласованных динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах способен выполнять функцию амплитудного корреляционного фильтра при обработке сигналов протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий. Исследованы

статические и динамические характеристики данного фильтра. Показано, что корреляционный фильтр адаптируется к медленным изменениям оптического поля, вызванным, например, изменением температуры окружающей среды, что подтверждается амплитудно-частотной характеристикой фильтра, представленной на рис.6.

На рис. 7 представлена зависимость амплитуды модуляции выходного сигнала фильтра от амплитуды изменения длины интерферометра. Как видно, зависимость имеет линейный участок (ДЪо<40 мкм), как и в случае применения электронного устройства корреляционной обработки. При этом чувствительность измерительной линии к амплитуде аксиальных деформаций интерферометра составляет- 0,8 дБ/мкм, динамический диапазон измерений-32 дБ.

Рис.6. Амплитудно-частотная характеритсика адаптивного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле.

модуляции сигнала фаннинга от амплитуды изменения длины ОМИ.

Как показали результаты исследований, характеристики предложенного корреляционного фильтра могут быть оптимизированы подбором значений напряженности внешнего знакопеременного поля, приложенного к фоторефрактивному кристаллу, и интенсивности оптического излучения, направляемого в многомодовом интерферометре.

Адаптивность амплитудного корреляционного фильтра на основе фоторефрактивного кристалла имеет большое значение при создании измерительных линий для мониторинга медленно нарастающих механических напряжений приводящих к формированию трещин в технических конструкциях. Способность адаптивного корреляционного фильтра подстраиваться под медленные изменения спекловой картины ОМИ позволяет зарегистрировать акустические сигналы, формирующиеся в результате

образования трещин, на фоне значительных деформаций, вызванных нарастающими напряжениями.

Таким образом, применение амплитудного корреляционного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле, позволяет производить измерение физических воздействий на протяженные интегрирующие волоконно-оптические измерительные линии, обеспечивая высокую чувствительность и адаптивность измерительной линии к неконтролируемым внешним воздействиям.

В четвертой главе диссертации представлены нейросетевые принципы обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей.

Проведены исследования нейросетевой обработки информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями с линейной и нелинейной функцией передачи для решения задачи реконструкции пространственных распределений физических полей в реальном времени.

Как показали результаты проведенных исследований, нейронная сеть типа однослойный аналоговый персептрон способна с высокой точностью осуществлять реконструкцию распределений параметров исследуемого физического поля по интегральным данным, собираемым с использованием интегрирующих измерительных линий с линейной функцией передачи.

Показано, что для обучения нейросети целесообразно использование известного дельта-правила модификации матрицы межнейронных соединений. Показано, что эффективность применения нейросетевых методов для реконструкции пространственных распределений физических полей зависит от решения трех задач: 1) выбор оптимального метода обучения; 2) выбор оптимального значения параметра Б, определяющего скорость обучения; 3) правильный подбор обучающих пар, которые составляют обучающую страницу нейросети.

Существует две возможности применения дельта-правила, которые характеризуются двумя методами обучения: последовательным и параллельным. Последовательный метод обучения заключается в том, что нейросеть сначала обучается реконструкции вектора У1, входящего в первую обучающую пару, затем эта пара отбрасывается и нейросеть обучается реконструкции вектора У2 из второй пары и так далее до тех пор, пока обучающая страница не завершится. После этого весь процесс повторяется вновь. Параллельный метод заключается в том, что на каждом шаге обучения нейросети предлагается новая пара из обучающей страницы, но всякий раз матрица связей модифицируется незначительно, так что обучение происходит постепенно, и только после его полного завершения нейросеть способна восстанавливать любой вектор У из обучающей страницы. Численные

эксперименты, проводившиеся с математическими моделями однослойного персептрона позволили провести сравнительную характеристику этих двух методов. На рис.8 представлены зависимости суммарной ошибки рассогласования исходных и реконструируемых распределений от количества шагов обучения для обоих методов. Из рисунка видно, что параллельный метод позволяет проводить обучение более быстро, чем последовательный.

Рис.8. Зависимость суммарной ошибки рассогласования нейросети от количества шагов обучения. 1 - последовательный метод, 2 - параллельный.

Большое влияние на скорость обучения имеет значение коэффициента в дельта-правиле модификации матрицы связей, определяющего скорость обучения нейросети. При параллельном методе обучения для каждого шага обучения существует свое оптимальное значение этого параметра, при котором достигается минимальное значение суммарной ошибки рассогласования между требуемыми и текущими векторами активности выходных нейронов нейросети. Однако, как показали результаты численных экспериментов, процесс обучения протекает быстрее, если для всех шагов обучения используется одно значение При этом существует оптимальное для всего процесса обучения значение этого параметра. Возможность определения этого значения до начала обучения позволит существенно снизить затраты времени на весь процесс формирования матрицы связей нейросети.

Для определения оптимального параметра е предложено использовать следующее выражение

- среднее значение элементов всех векторов X в обучающей странице, к- номер обучающей пары, Р - количество обучающих пар в

странице, М - количество нейронов во входном слое (1=1,.....М). Как показали

результаты численных экспериментов, отклонение рассчитанного согласно выражения (9) параметра Е от оптимального несущественно сказывается на скорости обучения.

Третий фактор, влияющий на скорость и точность обучения нейросети -это правильный подбор пар векторов (Х,У) при формировании обучающей страницы. При этом следует учитывать некорректность задачи реконструкции пространственных распределений физических полей по томографическим данным, которая не позволяет обеспечить единое для всех пар векторов (Х,У) функционально преобразование Х=Р"1(У), связывающее вектора в паре. С целью решения проблемы некорректности задачи реконструкции для формирования обучающей страницы предложено использовать итерационный алгоритм реконструкции, что обеспечит выполнение требования о том, чтобы эталонное распределение физического поля, которому соответствует вектор У, обладало минимальной нормой отклонения от своего среднего значения в области исследования.

На рис.9 представлены результаты численных экспериментов по реконструкции функций, описывающих пространственные распределения параметров физических полей, по томографическим данным, сформированным распределенной измерительной сетью с линейной функцией передачи. Для представленной функции коэффициент корреляции между исходной и восстановленной функциями составил 0,99.

Рис.9. Результаты реконструкции пространственного распределения А(г). а) исходное распределение, б) реконструированное с использованием нейросетевых методов.

Как показали результаты исследований, для реконструкции пространственных распределений физических полей по томографическим данным, формируемым измерительными сетями с нелинейной функцией

передачи, следует использовать двухслойный персептрон с одним внутренним слоем нейронов.

Нейроны внутреннего слоя должны иметь нелинейную функцию активации, нейроны выходного слоя - линейную. Для обучения указанной нейросети целесообразно применение метода обратного распространения ошибки, отличающегося простотой и малым количеством математических операций для одного шага обучения, в сравнении с другими методами.

На рис. 10 представлены результаты численных экспериментов по реконструкции функций, описывающих пространственные распределения параметров физических полей, по томографическим данным, сформированным томографической измерительной сетью с нелинейной функцией передачи. Для представленной функции коэффициент корреляции между исходной и восстановленной функциями составил 0,97.

Таким образом, нейросетевые вычислительные методы позволяют реализовать параллельный алгоритм обработки информации при обработке сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей для реконструкции пространственных распределений физических полей.

Рис.13. Результаты реконструкции распределения Дг) . а) исходное распределение, б) реконструированное с использованием нейросетевых методов.

На основе проведенных исследований физических принципов организации и функционирования протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий и методов нейросетевой обработки их сигналов разработана и практически реализована адаптивная распределенная оптоэлектронная информационно-измерительная система реконструкции пространственных распределений параметров вибрационных полей со следующими характеристиками: общее число измерительных каналов - 39, площадь исследуемой поверхности - 100 м2, пространственное разрешение -

1м2, порог чувствительности - 10-4м/с2, диапазон измерений 50 дБ, время реконструкции одного распределения физического поля - 1 мс.

В заключении сформулированы основные результаты работы, их научная и практическая значимость.

Основные результаты работы.

1.Впервые проведено исследование принципов организации и построения адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем, предназначенных для реконструкции распределений физических полей в реальном времени. Показано, что в такой системе сбор данных о пространственном распределении физических полей должен осуществляться с использованием распределенной измерительной сети томографического типа, состоящей из протяженных интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий размещенных так, чтобы сканировать исследуемую область по полярным координатам. Показано, что обработка сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей должна осуществляться с использованием нейросетевых вычислительных методов. При этом высокое качество реконструкции пространственного распределения физического поля по томографическим данным, формируемым измерительной сетью, достигается при выполнении следующего условия: характерная пространственная частота измерительной сети, согласно теореме Котельникова, по крайней мере в 2 раза превышает верхнюю границу спектра пространственных частот исследуемой функции.

2. Проведено исследование физических принципов организации и функционирования протяженных интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров. Показано, что использование одноволоконных многомодовых интерферометров для построения протяженных измерительных линий напрямую связано с решением проблемы повышения их устойчивости по отношению к неконтролируемым внешним воздействиям. Предложена и экспериментально 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. Разработана и практически реализована 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.

3. Разработан 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 продольных деформаций с чувствительностью - 17 мВ/мкм, порогом чувствительности - 0,03 мкм, динамическим диапазоном измерений - 35 дБ, средней температурной нестабильностью 0,5%/°С.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования применения явления самодифракции световых волн в фоторефрактивных кристаллах для обработки сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров. Показано, что набор самосогласованных динамических голограмм в 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 формируемый в фоторефрактивном кристалле амплитудный корреляционный фильтр обладает способностью адаптироваться к медленным изменениям оптического поля, вызванным неконтролируемыми внешними воздействиями. Показано, что подбором значений напряженности внешнего знакопеременного поля, приложенного к фоторефрактивному кристаллу, и интенсивности оптического излучения, направляемого в многомодовом интерферометре можно управлять временем записи фильтра, изменяя частотные характеристики измерительной линии на основе одноволоконного многомодового интерферометра. Показано, что применение адаптивного амлитудного корреляционного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле, позволяет производить измерение физических воздействий на протяженные интегрирующие волоконно-оптические измерительные линии, обеспечивая широкий динамический диапазон и высокую чувствительность к аксиальным деформациям многомодового интерферометра. При этом чувствительность

измерительной линии составляет- 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 обработки сигналов распределенных измерительных сетей с линейной функцией передачи целесообразно применение нейронных сетей типа однослойный персептрон с линейной функцией активации нейронов, для обучения которых следует использовать дельта-правило модификации элементов матрицы связей нейросети. Показано, что для обработки сигналов распределенных измерительных сетей с нелинейной функцией передачи целесообразно применение нейронных сетей типа двухслойный персептрон, в котором входной слой предназначен только для ввода томографических данных, нейроны первого слоя имеют нелинейную функцию активации, нейроны второго (выходного) слоя имеют линейную функцию активации. 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.

6. Проведен анализ и экспериментальное исследование оптимальных условий обучения нейронных сетей типа персептрон решению задачи реконструкции пространственных распределений физических полей по тмомографическим данным, формируемым распределенными волоконно-оптическими измерительными сетями. Установлено, что для обучения следует использовать параллельный метод, при котором на каждом шаге обучения нейросети предлагается новая пара из обучающей страницы, но всякий раз матрица связей модифицируется незначительно, так что обучение происходит постепенно, и только после его полного завершения нейросеть способна решать поставленную задачу. Предложен способ оптимизации процесса обучения однослойного персептрона, основанный на предварительном расчете коэффициента, определяющего величину однократной модификаций матрицы связей нейросети. Показано, что для успешного обучения персептрона указанной задаче при формировании обучающей страницы необходимо применять итерационный алгоритм, используемый при традиционной реконструкции пространственных распределений физических полей по томографическим данным.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kirichenko O.V., Kamenev O.T., Petrov Yu.S. Fiber-optic measuring network for scalar and vector physical field investigation. // Proc. of SPIE.-1994.- V.2294.- P.165-173.

2. Kulchin Yu.R, Vitrik O.B., Kirichenko O.V., Kamenev O.T., Petrov Yu.S. Tomography fiber optic network for low frequency acoustic investigations. // Proc. Of Int. Simposium on Surface Wave in solid and layered structures and National conference on Acoustoelectronics.- St.-Petersburg.-1994.- P. 121-122.

3. Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т. Обучающаяся нейросеть для обработки томографических данных. // Кибернетика и вуз.- Томск: ТПУ.- 1994.- Вып.28.-С.3-7.

4. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Система регистрации вибрационных полей на основе волоконно-оптической измерительной сети. // Тезисы докладов межд. конф. "Моделирование технологических процессов и систем в мапшностроении".-Хабаровск: ХГТУ.-1994.- С.24-25.

5. Vitrik О., Kulchin Yu., Kirichenko О., Petrov Yu., Kamenev О. Distributed fiber-optic acoustic sensor. // Distributed and multiplexed fiber optic sensor IV.-San-Diego, USA.-1994.-V.2294.-P.129-132.

6. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Каменев О.Т., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Восстановление векторных физических полей оптическим томографическим методом // Квантовая электроника.- Т.22, N 10.- 1995.-С.1009-1012.

7. Kamenev О.Т. Training two- layer neural network model for tomography data processing // IntConf. OCEAN'95.- San-Diego, USA.- 1995.- P.2086-2087.

8. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С, Каменев О.Т. Метод обработки сигналов одноволоконного двухмодового интерферометра. // Автометрия.-1995.-№ 5.- С.32-35.

9. Kulchin Yu. Kamenev О. Self-training neural network model for real time tomography data processing // Laser Biology.-1995.- V.4, №2.- P.625-679.

10. Kulchin Yu., Vitrik O., Kirichenko 0., Kamenev O., Petrov Yu. The laser tomographical method using minimum of projection for biological object structure study. // Lazer Biology.-1995.- V.4, № 3.- p.679-683.

11. Kulchin Yu., Vitrik O., Kamenev 0., Kirichenko 0., Petrov Yu.,., Maksaiev O. Concepts of the neural network model for tomography data processing // Proc. of SPIE.-1995.- V.2647.- P.150-152.

12. Витрик О.Б., Горбачев К.П., Аносов А.П., Кириченко О.В., Петров Ю.С, Каменев О.Т. Волоконно-оптическая измерительная сеть для регистрации параметров колебательных процессов // Измерительная техника.-1995.- № 3.- С 32-35.

13.Kulchin Yu., О. Vitrik., О. Kirichenko, О. Kamenev, Yu. Petrov, R.Romasko. Tomography methods of vector field investigation. // Proc. of SPIE .-1996.-V.2838.-P.169-176.

14. Kulchin Yu.N., Vitrik O.B.., Kirichenko O.V., Petrov Yu.S., Kamenev O.T., Maksaev O.G.. New method of multimode fiber interferometer signal. // Proc. of SPIE.-1996.- V.2778,partII.-P. 1070-1071.

15. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Максаев О.Г., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Метод электронной корреляционной обработки спекл-картин для выделения полезного сигнала одноволоконных многомодовых интерферометров. // Журнал технической физики.-1996.- Т.66, №12, С. 137-140.

16. Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Maxaev O.G., Kirichenko O.V., Kamenev O.T., Petrov Yu.S., Romashko R.V. Perspective of using optoelectronic methods to test ship structures. // Proc. of Tenth Asian Technical Exchange and Advisory meeting of marine structures, Pusan, Korea.-1996.- P.3 89-393.

17. Кульчин Ю.Н., Воробьев Ю.Д., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т., Максаев О.Г. Датчик температуры на основе волоконно-оптических интерферометров Фабри-Перо с внешними резонаторами. // Оптическая техника.-1997.-Т. 12,№1.-С.24-25.

18. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Максаев О.Г., Кириченко О.В., Каменев О.Т., Петров Ю.С. Электронное устройство корреляционной обработки сигналов одноволоконного многомодового интерферометра // Сб. докл. XXXVIII Всерос. межвуз. научно-технич. конф. т.1, ч.2.-Владивосток.-1995.-С.101-103.

19. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ромашко Р.В., Петров Ю.С, Кириченко О.В., Каменев О.Т. Томографические методы исследования векторных полей с применением оптоволоконных измерительных систем. // Квантовая электроника.-1997.- Т.24, N5.- С.467-471.

20. Kulchin Yu., Vitrik О., Kirichenko О., Kamenev О., Petrov Yu., Maksaev О. Method of single fiber multimode interferometer speckle signal processing // Optical Engineering. - 1997. - Vol.36, No.5. - P.1494-1499.

21. Kulchin Yu., Vitrik 0., Denisov I., Kamenev 0., Kirichenko 0. Neural-like holographic information system for processing of optical signals // Proc. of SPIE.-1997.- V.3402.- P.374-376.

22. Ю.Н.Кульчин, И.В.Денисов, О.Т.Каменев. Оптоэлектронная нейроподобная система обработки выходных данных волоконно-оптической измерительной сети // Письма в ЖТФ.-1999.- Т.25, вып.6.- С.65-70.

23. Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Пискунов Е.Н., Ляхова Л.П. Принцип организации двухканального адаптивного фильтра на основе фоторефрактивного кристалла // Материалы XXXII Всерос. межвуз. научно-технич. конф. «Фундаменталь-ные и прикладные вопросы физики и математики», т.2, Владивосток.-1999.- С 101-103.

24. Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Каменев О.Т., Камшилин А.А. Применение фоторефрактивных сред для создания оптических аналоговых вычислительных элементов // Материалы Второй Байкальской школы по фундаментальной физике, т.1, Иркутск.-1999.- С.148-155.

25. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Каменев О.Т., Ромашко Р.В. Восстановление векторных физических полей с использованием двумерной волоконно-оптической измерительной сети // Измерительная техника.- 1999.-, Вып.6, С.21-28.

26. Кульчин Ю.Н., Денисов И.В., Обух В.Ф., Каменев О.Т., Каменев О.Т., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Ромашко Р.В. Computer Neural Networks for Processing of Optical Tomography Information // Pacific Science Review.-1999,-V.1.-P.1-4.

27. Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Каменев О.Т. Волоконно-оптическая измерительная система для исследования градиента физических полей // Сб. трудов 13 междун. научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-2000, т.7, секция 10.- Санкт- Петербург.-2000.- С. 104-108.

28. Кульчин Ю.Н., Денисов И.В., Каменев О.Т. Сегментарная модель нейронной сети для обработки сигналов распределенных измерительных сетей // Тезисы докладов третьей международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - XXI век».- М.: МИЭТ.- 2000. С.321-322.

29. Kulchin Yu., Kamenev О., Petrov Yu. Fiber-optical intelligent system for physical field monitoring // Proc. ofFirst Asia-Pacific Conf. "Fundamental problems of opto- and microelectro-nics".- Vladivostok.- 2000.- C.49-54.

30. Kulchin Yu., Kamenev O., Petrov Yu. Fiber optical intelligent system for physical field monitoring // Proc ofSPIE.- 2001.- V.4513.- P.58-63.

31. Денисов И.В., Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т., Панов А.В. Мониторинг распределённых физических полей с использованием фотоматричной нейроподобной вычислительной системы // Сборник научных статей «30 лет ИАПУ».- Владивосток: ИАПУ ДВО РАН.-2001, С.237-250. •

32. Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Каменев О.Т. Измерение динамики градиентов физических полей в реальном времени с помощью адаптивной волоконно-оптической измерительной системы // Оптико-электронные информационно-энергетические технологии. - 2001. - Т.2.- С. 178-182.

33. Kulchin Yu., Vitrik О., Kamenev О., Romashko R.V. Vector fields reconstruction by fiber -optic measuring network // Proc. of SPIE.- 2001.- V. 4357,-P.100-108.

34. Kulchin Yu., Kamenev O., Denisov I. Neural processing system for optical informational-measuring systems // proc of SPIE.- 2001.- V. 4357.- P. 109-117.

35. Kulchin Yu., Kamenev O., Petrov Yu. Distributed measuring system for dynamical deformational fields monitoring // Asia-Pacific Conference on fundamental problems of opto- and microelectronics.- Vladivostok.- 2001,- P.27-28.

36. Kulchin Yu., Vitrik 0., Kamenev 0., Romashko R.V. Vector fields reconstruction by fiber -optic measuring network // Proc. of SPIE.-2001.- V.4513.-P.29-37

37. Kulchin Yu., Romashko R.V., Kamenev O. Method of Measuring Physical Field Gradient by Adaptive Fiber Optic System // Pacific Science Review.-2001,-V.3.-P.9-12.

38. Kulchin Yu., Denisov I., Kamenev O., Panov A., Petrov Yu. Distributed physical field monitoring by using photo-matrix neural-like system // Proc. of SPIE. -2001.-V. 4416.-P. 268-271.

39. Денисов И.В., Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н. Способ измерения параметров физических полей // Патент №2178188 от 10.01.2002 по заявке №99120917 от 01.10.1999.

40. Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т., Денисов И.В., Петров Ю.С. Распределенный волоконно-оптический датчик температуры // Материалы IV ВНТК "Методы и средства измерений", часть 2. - Н. Новгород: МВВО АТН РФ.-2002.-С. 18-19.

41. Денисов И.В., Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н., Кириченко О.В. Способ обработки сигналов // Патент РФ на изобретение № 2189078 от 10.09.2002 по заявке 99120927 от 01.10.1999.

42. Денисов И.В., Каменев О.Т., Седов ВА. Устройство ввода оптического излучения в волоконно-оптическую сеть томографического типа // Известия вузов. Приборостроение,- №7.- 2002.

43. Кульчин Ю.Н., Денисов И.В., Седов ВА. Принцип функционирования сегментарной модели нейронной сети // Труды VIII Всерос. конф. «Нейрокомпьютеры и их применение».-Москва.- 2002.- С.995-996.

44. Yuri N. Kulchin, Oleg Т. Kamenev, Andrey V. Panov. Application of neural-like system for signal processing of distributed fiber-optical measuring networks //Proc. of SPIE.-2003.- V. 5129.- P.178-181.

45. Kulchin Yu., Kamenev O., Petrov Yu. Kantur M. Fiber optical distributed network for dynamic deformation measuring // Proc. of SPIE.-2003.- V. 5129.-P.68-73.

46. Denisov I.V., Kamenev O.T., Kim A.Yu., Kulchin Yu.N., Panov A.V. Neural data processing method for fiber-optic distributed measuring systems // Optical Memory & Neural Networks.- V.12, N3.- 2003.- P.165-172.

47. Kamenev O., Kulchin Yu., A.Panov, Yu.Petrov. Effective learning algorithm for a neural-like opto-electronic tomographical system // Proceedings of Forth Asia-Pacific Conf. "Fundamen-tal Problems of Opto-and Micro-electronics".-Khabarovsk.- 2004,- P.471-479.

48. Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т., Петров Ю.С. Физические принципы создания распределенных измерительных сетей на основе одноволоконного двухмодового интерферометра // Вестник ДВО РАН. 2004. №5. С.39-45.

»2 68 9 0

Каменев Олег Тимурович

Физические принципы организации адаптивных оптоэлектронных информационно-измерительных систем для реконструкции распределений физических полей в реальном времени

Автореферат

Подписано в печать 25.11.04. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 1,62. Тираж 100 экз. Заказ 187.

Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ОРГАНИЗАЦИИ АДАПТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

1.1. Общие принципы организации информационно-измерительных систем мониторинга распределений физических полей

1.2. Современные тенденции создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей '

1.3. Современные тенденции применения нейросетевых методов обработки данных в информационно-измерительных системах

1.4. Постановка целей и задач диссертации

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 70 РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

2.1. Общие принципы построения интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий

2.2. Физические принципы организации и функционирования интегрирующих фазовых волоконно-оптических измерительных линий

2.3. Принципы создания фазовых интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров

2.4. Принципы создания фазовых интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров

2.5 Выводы

3. АДАПТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВЫХОДНЫХ

СИГНАЛОВ ИНТЕГРИРУЮЩИХ ФАЗОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

3.1. Метод адаптивной обработки выходных сигналов интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров с использованием элемента согласования одно- и двухмодовых волоконных световодов

3.2. Метод адаптивной обработки выходных сигналов интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием электронного устройства корреляционной 115 обработки

3.2.1. Обработка поля излучения на выходе одноволоконного многомодового интерферометра с использованием фотографического амплитудного корреляционного 115 пространственного фильтра

3.2.2. 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

3.3.1. Обработка поля излучения на выходе одноволоконного моногомодового интерферометра методом голографической 129 фильтрации на стационарной голограмме

3.3.2. Процесс формирования адаптивного корреляционного голографического фильтра в фоторефрактивной среде

3.3.3. Особенности процесса формирования адаптивного корреляционного топографического фильтра в фоторефрактивной среде осциллирующей спекловой картиной одноволоконного многомодового интерферометра

3.3.4. Экспериментальное исследование адаптивных свойств корреляционного фильтра, сформированного в фоторефрактивном кристалле, в задаче мониторинга состояния твердых тел, находящихся под действием механических напряжений

3.4. Выводы

4. НЕЙРОСЕТЕВЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

4.1. Принципы формирования информационных массивов распределенными волоконно-оптическими измерительными 164 сетями томографического типа

4.2. Нейросетевая обработка информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями с линейной функцией передачи

4.3. Нейросетевая обработка информационных массивов, формируемых распределенными измерительными сетями с нелинейной функцией передачи

4.4. Нейросетевые принципы реконструкции распределений физических полей с использованием адаптивной оптоэлектронной информационно-измерительной системы

4.5. Выводы 204 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 206 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 214 Приложение

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 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 /ит - 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 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 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 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 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.

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"8 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 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 1°С 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 голографических 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 голографических 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 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

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.

2. 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.

3. 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.

4. Теоретически и экспериментально исследовано применение явления самодифракции световых волн 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.

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

2 4 2

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 оптоэлектронных 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 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.

4.5. Выводы

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 обработки сигналов распределенных измерительных сетей с линейной функцией передачи целесообразно применение нейронных сетей типа однослойный персептрон с линейной функцией активации нейронов, для обучения которых следует использовать дельта-правило модификации элементов матрицы связей нейросети. Показано, что для обработки сигналов распределенных измерительных сетей с нелинейной функцией передачи целесообразно применение нейронных сетей типа двухслойный персептрон, в котором входной слой предназначен только для ввода томографических данных, нейроны первого слоя имеют нелинейную функцию активации, нейроны второго (выходного) слоя имеют линейную функцию активации. 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.

Проведен анализ и экспериментальное исследование оптимальных условий обучения нейронных сетей типа персептрон решению задачи реконструкции пространственных распределений физических полей по тмомографическим данным, формируемым распределенными волоконно-оптическими измерительными сетями. Установлено, что для обучения следует использовать параллельный метод, при котором на каждом шаге обучения нейросети предлагается новая пара из обучающей страницы, но всякий раз матрица связей модифицируется незначительно, так что обучение происходит постепенно, и только после его полного завершения нейросеть способна решать поставленную задачу. Предложен способ оптимизации процесса обучения однослойного персептрона, основанный на предварительном расчете коэффициента, определяющего величину однократной модификаций матрицы связей нейросети. Показано, что для успешного обучения персептрона указанной задаче при формировании обучающей страницы необходимо применять итерационный алгоритм, используемый при традиционной реконструкции пространственных распределений физических полей по томографическим данным.

Разработана и практически реализована адаптивная распределенная оптоэлектронная информационно-измерительная система реконструкции пространственных распределений параметров вибрационных полей со следующими характеристиками: общее число измерительных каналов - 39, площадь исследуемой поверхности - 100 м2, пространственное разрешение

2 4 2

1 м , порог чувствительности к ускорению - 10" м/с , диапазон измерений 50 дБ, время реконструкции одного распределения физического поля - 1 мс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время прогресс развития науки и техники тесно связан с широкомасштабным внедрением автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и объектами, с созданием разнообразных измерительных комплексов, позволяющих получать в реальном времени достоверную информацию о состоянии контролируемых объектов и о протекающих в них процессах. При этом особое внимание уделяется мониторингу протяженных объектов: шахты, мосты, туннели, дамбы, плотины, взлетно-посадочные полосы, нефтепроводы.

Поскольку для контроля состояния подобных объектов необходим постоянный мониторинг крупномасштабных и пространственно неоднородных физических полей, особую актуальность приобретает создание специализированных информационно-измерительных систем, способных осуществлять измерение параметров различных физических полей на значительных площадях пространства, а также обработку формируемых при этом многомерных информационных массивов в реальном масштабе времени.

Традиционный путь решения указанной проблемы посредством размещения на контролируемом объекте большого количества стандартных дискретных измерительных устройств не всегда оказывается приемлемым. Ограничение применения информационно-измерительных систем на основе подобных устройств связано с низким быстродействием, значительными размерами и массой, жесткостью измерительных устройств, низкой помехозащищенностью и т.д. Это потребовало качественно нового подхода не только к разработке новых методов измерений, но и к разработке новой элементной базы измерительных средств, а также к разработке новых методов обработки измерительной информации.

Широкие возможности в преодолении отмеченных проблем открываются при использовании одной из наиболее динамично развивающихся областей оптоэлектроники - волоконно-оптических датчиков физических величин.

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 интегрироваться в протяженные и разветвленные измерительные системы, отличающиеся высокой чувствительностью и помехозащищенностью.

Настоящая работа посвящена решению 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. С этой целью проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, направленный на изучение процессов формирования информационных сигналов в распределенных волоконно-оптических измерительных сетях на основе протяженных интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий и разработку физических принципов реализации методов и схем адаптивной обработки этих сигналов с учетом особенностей волноводного распространения излучения.

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, исследование применения явления самодифракции световых волн в фоторефрактивных кристаллах для формирования амплитудных корреляционных голографических фильтров 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 принципов применения нейросетевых вычислительных методов для обработки сигналов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей показало возможность реализации параллельных алгоритмов обработки информации при реконструкции пространственных распределений физических полей. Полученные результаты применены для создания моделей нейроподобных вычислительных систем обработки сигналов распределенных измерительных сетей и могут быть использованы для создания информационно-измерительных систем мониторинга протяженных физических полей в реальном времени.

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 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.

Таким образом весь комплекс проведенных в работе исследований позволяет выделить наиболее существенные физические особенности при разработке и создании новых, более производительных и эффективных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга физических полей и предложить основные теоретические модели и схемы устройств сбора и обработки данных о пространственных распределениях физических полей.

Наиболее существенные результаты настоящей работы сводятся к следующему:

1. Теоретически и экспериментально показано, что адаптивная оптоэлектронная информационно-измерительная система может быть организована на основе распределенной волоконно-оптической измерительной сети с использованием нейросетевых методов обработки информации.

2. Разработаны физические и технологические основы создания протяженных волоконно-оптических фазовых измерительных линий, являющихся основными элементами распределенных измерительных сетей томографического типа. Показано, что указанные линии могут быть организованы на базе одноволоконных двухмодовых и многомодовых интерферометров. Изучены процессы модуляции фазы излучения, направляемого протяженными волоконно-оптическими измерительными линиями при различных внешних воздействиях.

3. Подробно рассмотрены конструктивные особенности протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров. Описаны принципы функционирования указанных измерительных линий, а также особенности формирования их выходных сигналов. Показано, что максимальная глубина модуляции интерференционной картины на выходе двухмодового интерферометра наблюдается при равенстве коэффициентов возбуждения мод. Показано, что для обеспечения оптимальных условий возбуждения мод в интерферометре необходимо использование специального волоконно-оптического устройства согласования, представляющего собой волноводный переход в виде соединения одномодового и многомодового ВС со смещением осей световодов. Найдены оптимальные конструктивные параметры устройства согласования, при которых обеспечивается устойчивое формирование обеих мод интерферометра при одинаковых коэффициентах возбуждения.

4. Предложен и исследован метод адаптивной обработки световых полей, формируемых одноволоконным двухмодовым интерферометром, с использованием корреляционного волоконно-оптического интегрированного фильтра. Теоретически и экспериментально показано, что интегрированный фильтр, представляющий собой неразъемное соединение двухмодового интерферометра и одномодового волоконного световода, выполненное со смещением осей световодов, позволяет преобразовать сигнал фазовой модуляции в изменение интенсивности излучения на выходе измерительной линии. Найдены оптимальные конструктивные параметры фильтра, при которых нормированная амплитуда и видность обработанного интерференционного сигнала одновременно близки к своим максимальным значениям, составляющим - 0,45 и 0,95, соответственно. Показано, что применение данного фильтра в составе измерительной линии позволяет существенно снизить влияние поляризационных биений на точность измерений.

5. Подробно рассмотрены конструктивные особенности протяженных интегрирующих измерительных линий на основе одноволоконных многомодовых интерферометров. Описаны принципы функционирования указанных измерительных линий, а также особенности формирования их выходных сигналов. Таким образом, разработан 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 данного метода обеспечивает адаптивность распределенных измерительных сетей на основе одноволоконных многомодовых интерферометров по отношению к медленной перестройке спекловой картины на выходе интерферометра, вызванной изменением условий эксплуатации измерительной линии. Разработана и практически реализована протяженная интегрирующая волоконно-оптическая измерительная линия на основе одноволоконного многомодового интерферометра длиной 100 м, предназначенная для измерений продольных деформаций с чувствительностью -17 мВ/мкм, порогом чувствительности - 0,03 мкм, динамическим диапазоном измерений - 35 дБ, средней температурной нестабильностью 0,5%/°С.

6. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован адаптивный метод обработки сигналов интегрирующих ВОИЛ на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, основанный на использовании динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах. Разработана и экспериментально исследована физическая модель функционирования адаптивного корреляционного голографического фильтра, сформированного в фоторефрактивной среде под воздействием оптического поля и являющегося элементом информационно-измерительной системы. Исследован случай квазистационарного оптического поля, на примере которого продемонстрированы адаптивные свойства корреляционного голографического фильтра -способность подстраиваться под неконтролируемые изменения внешних условий. Показано, что расчеты динамики сигнала на выходе фильтра, выполненные на основе разработанной модели, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами, что подтверждает справедливость модели. Показано, что в случае, когда оптическое поле изменяется во времени по гармоническому закону (осциллирует), максимальный переменный сигнал на выходе из адаптивного корреляционного фильтра наблюдается на второй гармонике частоты колебаний оптического поля. Исследованы случаи обработки осциллирующих оптических полей, носящих интерференционный и спекловый характер распределения интенсивности. Показано, что характер амплитудно-частотной характеристики идентичен в обоих случаях. Показано, что адаптивный корреляционный фильтр, сформированный в ФРК, фактически является фильтром низкой частоты, что позволяет отсекать медленные изменения обрабатываемого оптического поля, вызванные неконтролируемыми изменениями условий эксплуатации измерительной линии.

7. Разработаны принципы адаптивной обработки измерительной информации, поступающей от распределенных волоконно-оптических измерительных сетей, с использованием нейроподобных вычислительных сетей. Теоретически и экспериментально доказано, что нейронная сеть типа однослойный персептрон способна с высокой точностью осуществлять реконструкцию распределения параметров исследуемого физического поля по интегральным данным, собираемым с использованием распределенных измерительных линий с линейной, передаточной функцией. Теоретически и экспериментально доказано, что нейронная сеть типа двуслойный персептрон с одним внутренним слоем нейронов способна с высокой точностью осуществлять реконструкцию распределения параметров исследуемого физического поля по интегральным данным, собираемым с использованием распределенных измерительных линий с нелинейной, передаточной функцией. Предложены и изучены методы оптимизации обучения разработанных нейронных сетей с целью уменьшения времени их обучения.

8. Разработана и практически реализована адаптивная распределенная оптоэлектронная информационно-измерительная система реконструкции пространственных распределений параметров вибрационных полей со следующими характеристиками: общее число измерительных каналов - 39, площадь исследуемой поверхности - 100 м2, пространственное разрешение

4 2

1 м", порог чувствительности к ускорению - 10" м/с , диапазон измерений 50 дБ, время реконструкции одного распределения физического поля - 1 мс.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность и искреннюю признательность моему научному консультанту, чл.-корр. РАН Кульчину Ю.Н. за поддержку, ценные советы и полезные обсуждения, что определило успех настоящей работы.

Я благодарен коллективам кафедры физики ДВГТУ и лаборатории № 37 ИАПУ ДВО РАН, в которых я работал, и в которых были выполнены все работы, составившие содержание диссертации.

1. Информационно-измерительная техника и технологии: Учеб. для вузов /

2. В. И. Калашников, С. В. Нефедов, А. Б. Путилин и др.; Под ред. проф. Г. Г. Раннева.- М.: Высш. шк, 2002.- 454 с.

3. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: структуры иалгоритмы, системотехническое проектирование.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Т.Н. Применение прецизионныханалоговых ИС.- М.: Радио и связь, 1998.

5. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем.- М.: Высшая школа,1989.

6. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств.1. М.: Энергия, 1968.

7. РанневГ.Г. Измерительные информационные системы.- М.: Изд-во МГОУ,1993.

8. Цифровые измерительно-информационные системы, теория и практика / Подред. А.Ф.Фомина, О.Н.Новоселова. М.: Энергоатомиздат, 1996.

9. Чернявский Е.А, Недосекин Д.Д., Алексеев В.В. Измерительновычислительные средства автоматизации производственных процессов.- Л.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Боголюбов A.A., Лебедев Т.Н., Новиков А.Н. Архитектура многоуровневойинтеллектуальной системы контроля и управления динамическим объектом // Кибернетика и вуз. Томск: ТПУ, 1994.- Вып.28.- С.81-84.

11. Аш. Ж. Датчики измерительных систем: Кн.1. / Пер. с франц.- М.: Мир, 1992.-480 с.

12. RisticL. Sensor technology and devices. Chapter one.- Boston: Artech House, 1994.- 520 p.

13. Friebele E.J. Fiber Bragg grating strain sensors: Present and future applications in smart structures. // Optics and photonics news.- 1998.- V.9, No.8,- P.33-37.

14. Боббер P. Гидроакустические измерения.- M.: Мир, 1974.

15. Марков Н.Г. Автоматические системы сбора и регистрации сейсмической информации.- М.: Недра, 1992.- 219 с.

16. Евтихиев Н.Н., Засовин Э.А., Мировицкий Д.И. Волоконная и интегральная оптика в информационных системах.- М. Изд.МИРЭА, 1987.

17. Dakin J., Culshaw В. Optical Fiber sensors: Principles and components. Boston: Artech House, Vol.1, 1988.

18. Бусурин В.И., Семенов A.C., Удалов Н.П. Оптические и волоконно-оптические датчики // Квантовая электроника.-1985.- Т. 12, №5.- С901-943.

19. Бутусов М.М., Тарасюк Ю.Ф., Урванцева H.JI. Гидроакустические антенны на волоконных световодах.//Зарубежная радиоэлектроника.- 1983, N5.- с.38-51.

20. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат.- 1990.- 255 с

21. Балаев В.И., Мишин Е.В., Пятакин В.И. Волоконно-оптические датчики параметров физических полей // Квантовая электроника.- 1984.- т.11, №1.-С.10-30.

22. Оптоволоконные сенсоры. / Под ред. Дж.Дейкина и Б.Калшо.- М.: Мир, 1992.- 289 с.

23. Udd Е. Fiber Optic sensors: An introducing for Engineers and Scientists. New York: Willey.- 1991.-567 p.

24. Кривошлыков С.Г., Сисакян И.Н. Функциональные возможности и чувствительность датчиков на основе одномодовых градиентных оптических волноводов.// Квантовая электроника.- 1987.- т. 14, №3.- С.481-491.

25. Yu F.T.S., Zhang J., Pan К., Zhao D. Fiber vibration sensor that uses the speckle contrast ratio. // Opt. Eng.- 1995.- Vol.34, No.l.- 236-239.

26. Kersey A. An overview of fiber grating sensors. I I J.of Lightwave techn.- 1997.-Vol. 15, No.12.- P.1442-1463.

27. Pitt, G. D., Extance P., Neat R. C., Batchelder D. N., Jones R. E., Barnett J. A., and Pratt R. H. Optical fibre sensors. // IEEE Proc.- 1985.- Vol.135, part I, No.4.-P.214-247.

28. Medlock, R. S. Review of modulating techniques for fibre optic sensors. // Int. J. Optical Sensors.- 1986.-Vol.1, №1.-P.43-68.

29. Culshaw В., Dakin J. Optical Fiber sensors: Systems and application. Norwood: Artech House.- 1989.- Vol.2.- 349 p.

30. Краскж Б.А., Корнеев Т.Н. Оптические системы связи и световодные датчики. М.: Радио и связь.- 1985.- 367 с.

31. Красюк Б. А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г., Шестериков В. А. Световодные датчики. М.: Машиностроение.- 1990.- 256 с.

32. Витрик О.Б., Кириченко О.В., Кульчин Ю.Н., Петров Ю.С., Воробьев Ю.Д. Волоконные интерферометрические датчики для создания измерительных сетей. // Труды Дальневосточного государственного технического университета.- 1993.- Выпуск 111, серия 5.- С.5-8

33. Кульчин Ю.Н., Витрик ОБ., Обух В.Ф., Петров Ю.С Исследование интерферометра сдвига в схеме волоконно-оптического датчика давления. // Измерительная техника.-1992.- №10.- С.24-26.

34. Кульчин Ю.Н., Воробьев Ю.Д., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т., Максаев О.Г. Датчик температуры на основе волоконно-оптических интерферометров Фабри-Перо с внешними резонаторами. // Оптическая техника.- 1997.- Т. 12, №1.- С.24-25.

35. Kersey A. Transient load monitoring on composite hull ship using distributed fiber optic Bragg sensors. // In composite volume: Smart sensing. / by editing of R. Clauss, Bellingam: SPIE Press.- 1997.- P.421-430.

36. Hjelme D. R., Вакке В., Rambech J. S., Neegurd S. Multiplexed fiber optic Bragg grating strain sensor system for use in marine vehicle testing. // Proc. of SPIE.- 1996.- V.2838.- P.40-51.

37. Ransford M. J., Whitesel H. K. Redundant multiplexing topologies of Fabry-Perot sensors for shipboard applications. // Proc. of SPIE.- 1994,- V.2294.- P. 143-152.

38. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи / Под ред. Свечникова С.В., Андрющенко JI.M. -К.:Тэхника.- 1988.- 239 с.

39. Снайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов. /Пер. с англ., М.: Радио и связь.- 1987.- 656 с.

40. Унгер Х.Г. Планарные и волоконые оптические волноводы.- М.: Мир.-1980,- 656 с.

41. Маркузе Д. Оптические волноводы.- М.: Мир.- 1974.- 576 с.

42. Унгер Г. Оптическая связь /Пер. с англ.- М.: Связь.- 1979.- 264 с.

43. Kulchin Yu.N., Vitrik О.В., Kirichenko O.V., Petrov Yu.S. Distribute fiber-optic sensor for seismoacoustic investigation // Proc. of conf. "3-rd International Russian Fiber Optic Conference".- St.Peterburg.- 1993.- V.2.- P.291-294.

44. Гиневский С.П., Котов О.И., Николаев B.M., Петрунькин В.Ю. Применение методов реконструктивной вычислительной томографии в волоконно-оптических датчиках // Квантовая электроника. 1995. - Т.22, №10. -С.1013-1018.

45. Senior J. М„ and S. D. Cusworth. Spectral effects concerning wavelength division multiplexed optical fibre sensor systems. // Opt. Laser Technol.- 1989.- V. 21, No.2.- P.87-97.

46. Murtaza G., and J. M. Senior. Referenced intensity-based optical fibre sensors. // Int. J. Optoelectron.- 1994.- V.9, No.4.- P.339-348.

47. Adamovsky G. Fiber-optic displacement sensor with temporally separated signal and reference channels. //Appl. Opt.- 1988.- V. 27, No.7.- P.1313-1315.

48. Senior J. M., G. Murtaza, A. 1. Stirling, and G. H. Wainwright. Single LED based dual wavelength referenced optical fibre sensor using intensity modulation. // Opt. Laser Technol.- 1992.- Vol.24, No.4.- P. 187-192.

49. Berkoff T. A., SFA Inc.; M. A. Davis, A. D. Kersey, Source-structure-induced measurement errors in fiber Bragg grating sensor arrays. // Proc. of SPIE.- 1994,-P.60-68.

50. M. G. Xu, H. Geiger, J. P. Dakin. Multiplexed point and stepwise continuous fiber grating based sensors: practical sensor for structural monitoring? // Proc. of SPIE.- 1994.- V.2294.- P. 69-80.

51. Senior J., S.Moss, S.Cusworth Multiplexing techniques for noninterferometric optical point sensor network // Fiber and integrating optics.- 1998.- V.17, No.l, P.3-20.

52. Feminand P., Y. Desnarolles, C. Mersicr, J. Plantey, N. Recrosio, M. Pays, and D. Vielpau. The potential for distributed sensors and optical fibre sensor networks in the electric power industry // Measure. Sci. Technol.- 1990.- V.l, No.9.- P.908-916.

53. Crossley S. D. Commercial prospects for distributed fiber optic sensors // Proc. of SPIE.- 1994.-V.2294.-P.14-21.

54. Мировицкий Д.И. Распределенные и квазираспределенные волоконно -оптические датчики // Изм.техника.- 1991.- N11.- С.43-44.

55. Davis М. A., A. D. Kersey. Visibility-tuning technique for addressing fiber sensor networks// Proc. of SPIE.- 1994.-V.2294.-P. 121-128.

56. Feced R., M. Farhadiroushan, P. Rodriguez, V. A. Handerek, A. J. Rogers. Advances in high-resolution distributed sensing using a time-resolved photon counting technique//Proc. of SPIE.- 1996.-V.2838.-P.105-113.

57. Spillman W. В., Jr., D. R. Huston. Impact detection, location, and characterization using spatially weighted distributed fiber optic sensors // Proc. of SPIE.- 1996.- V.2838.- P.143-150.

58. Dunphy J. R., G. Meltz, F. P. Lamm, and W. W. Morey. Multi-function distributed optical fiber sensor for composite cure and response monitoring // Proc. of SPIE.- 1990.- V. 1370.- P.l 16-118.

59. Rogers A., V.Handerek. High-resolution frequency-derived distributed sensing. //. //Proc. of SPIE.- 1994.- V.2294.- P.2-10.

60. Rogers A.J. Polarization-optical time domain reflectometry: a technique for the measurement of field distribution // Applied Optics. 1981. - V.20. - P. 10601074.

61. Dakin J.P. Distributed optical fiber sensor // Proc. SPIE. 1992. - V.1797. -P.76-108.

62. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. М.: Мир.- 1990.

63. Луис А., Ф.Наттерер. Математические проблемы реконструктивной вычислительной томографии. //ТИИЭР.- 1983,- т.71, N3.- c.l 11-125.

64. Хелгасон С. Преобразование Радона. М.: Мир.- 1983.- 152 с.

65. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я., Тимонов А.А. Математические задачи компьютерной томографии. -М.: Наука,- 1987.

66. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. М.: Наука.- 1991.

67. Введение в современную томографию. / Под ред. К.С.Тернового, М.С.Слюнькова. -Киев: Наукова думка.-1983.-232 с.

68. Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Реконструктивная томография в газодинамике и физике плазмы.-Новосибирск: Наука.-1987.

69. Deans S.R. The Radon transform and some of its applications. N.Y.: John Wiley and Sons.- 1983.

70. Малеханов А.И. О волоконно-оптической томографии акустических полей // Изв. ВУЗов. Радиофизика.- 1988.-Т.31, № 11.- С. 1388-1393.

71. Ginevsky S.P., Kosareva L.I., Kotov O.I. et al. Fiber Optic Tomografic Sensor // Proc. of conf. ISFOC'92.- St.Peterburg.- 1992.- P. 122-123.

72. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко O.B., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптическойраспределенной измерительной сети // Квантовая электроника.- 1993.- Т. 20, №5.- С.513-516.

73. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Восстановление векторных физических полей оптическим томографическим методом // Квантовая электроника.- 1995.- Т.22, № 10.-С.1009-1012.

74. Kulchin Yu., О. Vitrik., О. Kirichenko, О. Kamenev, Yu. Petrov, R.Romasko. Tomography methods of vector field investigation // Proc. of SPIE.- 1996.- V. 2838.- P.169-176.

75. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ромашко P.B., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Томографические методы исследования векторных полей с применением оптоволоконных измерительных систем // Квантовая электроника.-1997.- Т. 24, N5.- С.467-471.

76. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат.- 1990.- 256 с.

77. Быковский Ю.А., Ю.Н. Кульчин, В.Ф. Обух, В.Л. Смирнов. Коррелированная перестройка спеклов в интерферометре на многомодовом световоде // Квантовая электроника.- 1990.- Т. 17, №8.- Р.561-564.

78. Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. Амплитудная пространственная фильтрация в обработке сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров // Квантовая электроника.- 1990.- Т. 17, № 10.- С. 1377-1378.

79. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа.- 1976. -288 с.

80. Kulchin Yu., Vitrik O., Kirichenko O., Kamenev O., Petrov Yu., Maksaev O. Method of single fiber multimode interferometer speckle signal processing // Optical Engineering. 1997. - Vol.36. -No.5. -P.1494-1499.

81. Spillman Jr. W.B., Huston D.R., and Wu J. Seismic event monitoring using very long guage integrating fiber optic sensors // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4357. -P.54-65.

82. Hall T.J., Fiddy M.A., and M.S.Ner M.S. Detector for an optical-fiber acoustic sensor using dynamic holographic interferometry // Optics Letters. 1980. -Vol.5.-No.lL-P.485-487.

83. Petrov M.P., Stepanov S.I., and Khomenko A.V. Photosensitive electrooptic materials in holography and optical information processing. Leningrad: Nauka.- 1983.- 269 p.

84. Kamshilin A.A., Jaaskelainen T., Khomenko A.V., and Garcia-Weinder A. Multimode fiber-optical sensor using photorefractive double phase conjugator // Applied Physics Letters. 1995. - Vol.67(18). -P.2585-2587.

85. Kamshilin A.A., Mokrushina E.V., and Petrov M.P. Adaptive holographic interferometers operating through self-diffracting of recording beams in photorefractive crystals // Optical Engineering. 1989. - Vol.28. - No.6. -P.580-585.

86. V.V.Voronov, I.R.Dorosh, Y.S.Kuzminov, and N.V.Tkachenko. Photoinduced light scattering in cerium-doped barium strontium niobate crystals // Soviet Journal of Quantum Electronics. 1980. - Vol.10. -P.1346-1349.

87. Feinberg J. Asymmetric self-defocusing of an optical beam from the photorefractive effect // Journal of Optical Society of America. 1982. - Vol.72. -No.l. - P.46-51.

88. Cronin-Golomb M., and Yariv A. Optical limiters using photorefractive nonlinearities // Journal of Applied Physics. 1985. - Vol.57. - P.4906-4910.

89. Kamshilin A.A., Jaaskelainen T., and Kulchin Yu.N. Adaptive correlation filter for stabilization of interference-fiber-optic sensors // Applied Physics Letters. -1998: Vol.73. - No.6. - P.705-707.

90. Кульчин Ю.Н. Витрик О.Б., Обух В.Ф. Датчик СНЧ колебаний на волоконном световоде. Тезисы II Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения." Воронеж.- 1987.-с.99-100.

91. Матушкин H.H., Южаков A.A. Измерительные системы на основе нейронных технологий // Кибернетика и вуз.- Томск: ТПУ.- 1994.- Вып.28.-С.92-97.

92. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С., Каменев О.Т. Метод обработки сигналов одноволоконного двухмодового интерферометра //Автометрия.- 1995.- № 5.- С.32-35.

93. Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т. Обучающаяся нейросеть для обработки томографических данных // Кибернетика и вуз.- Томск: ТПУ.- 1994.-Вып.28.- С.3-7.

94. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О.В., Каменев О.Т. Волоконно-оптическое устройство фазовой демодуляции для схемы многомодового интерферометра // Материалы XXXIV научно-техн. конф. ДВГТУ.- Владивосток: ДВГТУ.- 1994.

95. Kulchin Yu. Kamenev О. Self-training neural network model for real time tomography data processing // Laser Biology.-1995.- V.4, N2.- P.625-629.

96. Kulchin Yu., Vitrik O., Kirichenko O., Kamenev O., Petrov Yu. The laser tomographical method using minimum of projection for biological object structure study // Lazer Biology.- 1995.- V.4, №3.- P.679-683.

97. Kulchin Yu., Vitrik O., Kamenev O., Kirichenko O., Petrov Yu.,., Maksaiev O. Concepts of the neural network model for tomography data processing // Proc. of SPIE.- 1995.- V.2647.- P.150-152.

98. Kamenev O.T. Training two-layer neural network model for tomography data processing // Proc. of Int. Conf. OCEAN'95.- San-Diego.- 1995.-p.2086-2087.

99. Левченко Е.Б. Искусственные нейронные сети: Элементы и архитектуры // Нейрокомпьютер как основа мыслящих ЭВМ.- М: Наука.- 1993.- С.84-86.

100. Murphy К.A. Practical application of extrinsic Fabry Perot interferometric sensors // Proc. of SPIE.- 1996.- V.2839.- P.82-92.

101. Yu.N.Kulchin, O.B.Vitrik.,O.V.Kirichenko,Yu.S.Petrov, O.T.Kamenev, O.G.Maksaev. New method of multimode fiber interferometer signal // Proc. of SPIE.- 1996.- V.2778, part II.- P. 1070-1071.

102. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Максаев О.Г., Кириченко О.В., Каменев O.T. Метод электронной корреляционной обработки спекл-картин для выделения полезного сигнала одноволоконных многомодовых интерферометров. // ЖТФ.-1996.- Т.66, №12.- С.137-140.

103. Kulchin Yu., Vitrik O., Denisov I., Kamenev O., Kirichenko O. Neural-like holographic information system for processing of optical signals // Optical memory and neural networks.- Proc. of SPIE.- 1997.- V.3402.- P.374-376.

104. Кульчин Ю.Н., Денисов И.В., Каменев O.T. Оптоэлектронная нейроподобная система обработки выходных данных волоконно-оптической измерительной сети // Письма в ЖТФ.- 1999.- Т.25, вып.6.- С.65-70.

105. Петров Ю.С., Каменев О.Т. Волоконно-оптический элемент для реализации матрицы связей нейроподобной сети // Материалы региональной научн. конф. "Молодежь и научно-технический прогресс".-Владивосток, 2000.- ч.1.- С.222-223.

106. Kulchin Yu., Kamenev О., Petrov Yu. Fiber optical intelligent system for physical field monitoring//Proc. of SPIE.- 2001.- V.4513.- P.58-63.

107. Денисов И.В., Кульчин Ю.Н., Каменев O.T., Панов А.В. Мониторинг распределённых физических полей с использованием фотоматричной нейроподобной вычислительной системы // Сборник научных статей «30 лет ИАПУ».- Владивосток: ИАПУ ДВО РАН.-2001.- С.237-250.

108. Yuri N. Kulchin, Oleg T. Kamenev, Andrey V. Panov. Application of neural-like system for signal processing of distributed fiber-optical measuring networks //Proc. of SPIE.-2003.- V. 5129.-P. 178-181.

109. Витрик О.Б., Горбачев К.П., Аносов А.П., Кириченко О.В., Петров Ю.С., Каменев О.Т. Волоконно-оптическая измерительная сеть для регистрации параметров колебательных процессов // Измерительная техника.- 1995,- № З.-С. 32-35

110. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы.- М.: Высшая школа.- 1977.

111. Каверкин И.Я., Цветков Э.И. Синтез и анализ измерительных информационных систем.- Л.: «Энергия».- 1974.

112. Giallorenzi Т., Bukaro J., Dandridg A., et al. Optical Fiber Sensor challange the Competition // IEEE Spectrum.- 1986.- V.23, № 9.- P.44-49.

113. Бердичевский Б., Королькевич В., Лавренцов В. и др. Состояние и перспективы развития оптоволоконных измерительных систем // Заруб, электронная техника.- 1987.- №3.- С.3-68.

114. Davis Charls М. Status of Fiber-Optic Sensing // Proc. of Conf. "Soc.Photo-Opt. Instrum.Eng".- 1988.- V. 959.- P.60-65.

115. Мировицкий Д.И. Мультиплексированные системы волоконно оптических датчиков // Изм. Техника.- 1992.- N1.- С.40-42.

116. Dakin J. P. Multiplexed and distributed optical fibre sensor systems // J. Physics Engineering Science Instrumentation.- 1987.- V. 2, No.8.- P.954-967.

117. Nelson A. R., D. H. McMahon, and R. L. Gravel. Passive multiplexing system for fiber-optic sensors // Appl. Opt.- 1980.- V. 19, № 17.- P.2917-2920.

118. Spillman W. В., and J. R. Lord. Self-referencing multiplexing technique for fiber-optic intensity sensors // IEEE J. Lightwave Technol.- 1987.- V.5, No.7.-p.865-869.

119. Fernandez de Caldeya R,, M. Lopez-Amo, and J. A. Martin-Pereda. Low quasi time division multiplexing of identical optical fibre ring sensors // Int. J. Optoelectron. 1994.-V. 9,No.l.- P.81-88.

120. Wanser, K. F. Voss, Crack detection using multimode fiber optical time domain reflectometr. //Proc. of SPIE.- 1994.- V.2294.-P. 43-52.

121. Mallalieu К. 1., R. Youngquist, and D. E. N. Davies. FMCW of optical source envelope modulation for passive multiplexing of frequency-based fibre-optic sensors. // Electron. Lett.- 1986.- V. 22, No.15.- P.809-810.

122. Senior J. M., S. E. Moss, and S. D, Cusworth. Wavelength division multiplexed multiple sensor networks. // Proc. SPIE.- 1991.-V. 1586.- P.203-213.

123. Senior J. M., and S. D. Cusworth. Wavelength division multiplexing in optical fibre sensor systems and networks // Opt. Laser Technol.- 1990.- V. 22, No.2.-P.l 13-125.

124. Carter A. C. Wavelength multiplexing for enhanced fiber-optic performance. // Telecommunications.- 1986.-No. 10, P. 30-36.

125. Gardiner P. T„ and R. A. Edwards. Fibre optic sensors (FOS) for aircraft flight controls // Proc. Applications of Light in Guided Flight, Royal Aeronautical Society.- 1987.-P. 42-63.

126. Figueroa L., C. S. Hong, R. W. Huggins, G. E. Miller, A. A. Popoff, C. R. Porter, D. K. Smith, and B. Van Deventer. Fiber optics for military aircraft flight systems // IEEE Lightwave Commun. Syst.- 1991.- V. 2, No.l.- P.52-64.

127. Jarret B. and E. Bran. Network for optical fiber sensors using the wavelength division multiplexing technique. Distributed and multiplexed fiber optic sensors. //Proc. SPIE.- 1992.-V. 1586.-P.164-173.

128. Senior J. M., S. E. Moss, and S. D. Cusworth. Spectrally sliced WDM sensor networks: improved topologies to increase sensor numbers // Int. J. Optoelectron. 1992.-V. 9, No.5.- P.425-431.

129. Senior J. M. S. E. Moss, and S. D. Cusworth. LED spectral slicing: modeling of interchannel crosstalk and slice optical power conten // Int. J. Optoelectron. 1994,- V.9, No.3.- P.227-234.

130. Ishio H., J. Minowa, and K. Nosu. Review and status of wavelength-division-multiplexing technology and its application // IEEE J. Lightwave Technot.-1984.- V. 2, No.4.- P.448-463.

131. Wagoner R. E. and T. E. Clark. Overview of multiplexing techniques for allfiber interferometric sensor arrays // Proc. SPIE.- 1986.- V. 718.- P.80-91.

132. Kersey A. D. Multiplexed fiber optic sensors // Proc. of SPIE.- 1992.- V.1797.-P.161-185.

133. Meltz G. Overview of fiber grating-based sensors // Proc. of SPIE.- 1996.-V.2838.- P.2-22.

134. Mizrahi V., and J. E. Sipe. Optical properties of photosensitive fiber phase gratings // IEEE. Lightwave Technol.- 1993.- V.LT-11, No.9.- P. 1513-1517.

135. Meltz G., W. W. Morey, and W. H. Glen. Formation of Bragg gratings in optical fiber by a transverse holographic method // Opt. Lett.- 1989.- V.14, No.7.-P.823-825.

136. Anderson D. Z. Mizrahi V., Erdogan T., and White A. E. Production of in-fibre gratings using a diffractive optical element. // Electron. Lett.- 1993.- V. 29, No.6.-P.566-568.

137. Meltz G., W. W. Morey, and W. H. Glenn. In fiber Bragg grating. // Proc. of Conference Digest OFC'91.- 1991.- 44-46.

138. Blair L. T. and S. A. Cassidy. Wavelength division multiplexed sensor network using Bragg fibre reflection gratings // Electron. Lett.- 1992.- V. 28, No. 18.-P.1734-1735.

139. Lopez-Amo M., L. T. Blair, and P. Urquhart. Wavelength division multiplexed distributed optical fiber amplifier bus network for data and sensors // Opt. Lett.-1993.- V.18, No.14.- P.1159-1161.

140. Morey W. W., J. R. Dunphy, and G. Meltz. Multiplexing fiber Bragg grating sensors//Proc. ofSPIE.- 1991.- V. 1586.-P.216-224.

141. Kersey A. D. High resolution fiber grating based strain sensor with interferometric wavelength shift detection // Electron. Lett.- 1992.- Vol. 28, No.3.- P.236-238.

142. Xu M. G. H. Geiger, J. L. Archambault, and J. P. Dakin. Novel interrogation system for fibre Bragg grating sensors using an acousto-optic tunable filter // Electron. Lett.- 1993.-V. 29,No.4.- P.510-511.

143. Xu M. G., L. Reekie, Y. T. Chow, and J. P. Dakin. Optical in-fibre grating high pressure sensor // Electron. Lett.- 1993.- V. 29.- No.4.- P.398-399.

144. Crespo A. AOTT interrogation scheme for FBG // Proc. SPIE.- 1996.- V. 2722.-P.107-110.

145. Askins C. G., M. A. Putnam, and E. J. Friebele. Instrumentation for interrogating many-element fiber Bragg grating arrays. // Proc. SPIE.- 1995,- V. 2444.- P.257-266.

146. Jones M. E„ J. A. Greene, V. Bhatia, K. A. Murphy, R. 0. Claus, A. E. Miller, and A M. Vengsarkar. In-line fiber demodulators for interrogation of Bragg grating sensors //Proc. SPIE.- 1995.- V. 2444.- P.248-256.

147. Measures R. M., A. T. Alavie, R. Maaskant, M. Ohn, S. Karr, and S. Huang. Structurally integrated Bragg grating laser sensing system for a carbon fibre prestressed concrete highway bridge // Smart Mater. Struct. 1989.- V. 4, No.l.-P.20-30.

148. Sirkis J. Using Bragg grating sensors systems in construction material and bridges. In composite volume: Fiber optic sensors for construction material and bridges/ by editing of F.Ansari. Lancaster: Technomic.- 1998.- P.44-61.

149. Jong T., K.Hotate. Frequency division multiplexing of optical fiber sensors using an optical delay loop frequency shifter. //Appl. Opt.- 1989.- V.28, N 7.-P.1289-1297.

150. Hotate T. K., Optical coherence domain reflectometry by synthesis of coherence function: scanning the coherence function by phase modulation. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference.- 1994.- SPIE Vol.2294.-P.14-21.

151. Kist R. Point sensor multiplexing principles. // Optical fiber sensors, systems ant applications / by eds. B. Culshaw and J. Dakin. Washington: Artech House.-1989.- P. 511-574.

152. Dakin J. P., and A. J. King. Limitations of a single optical fibre fluorimeter due to background fluorescence. // Proceedings of 1st International Conference on Optical Fiber Sensors in London.- 1983.- P. 195-199.

153. Hutley M. C., R. F, Stevens, and D. E. Rutland. Wavelength encoded optical fibre sensors // Int. J. Opt. Sensors.- 1986.- V. 1, No.2.- P. 153-162.

154. Juskaitis R., and S. V. Shatalin. Multiplexing of fiber optic sensors using scanning microscopy. // Proc. SPIE.- 1994.- V. 2360.- P.538-540.

155. Davis M. A., D. G. Bellemore, M. A. Putnam, and A. D. Kersey. Interrogation of 60 fibre Bragg grating sensors with microstrain resolution capability // Electron. Lett.- 1996.- V. 32, No. 15.- P.1393-1394.

156. Hu Y., and S. Chen. Dual-wavelength operation of digital spatial domain multiplexed fibre sensor arrays for dynamic strain monitoring. // Proc. SPIE, 1996.- Vol. 2779.- P.192-197.

157. Voet M. R,, A. R. Barel, and L. M. Boschmans. Optical fiber sensor arrays to detect impact and damage assessment on board spacecraft and manned platforms. //Proc SPIE.- 1994.- V. 2210.- P. 126-135.

158. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко O.B., Петров Ю.С., Воробьев Ю.Д. Квазираспределенный волоконнооптический датчик // Измерительная техника.- 1994. -№1. С. 16-17.

159. Бутусов М.М., Галкин C.JL, Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение.- М.:Энергоатомиздат.- 1989.

160. Основы оптоэлектроники // Пер. с яп.- М.: Мир.- 1988.

161. Udd Е. Sagnac distributed sensor concepts // Proc. SPIE. 1991. - Vol.1586. -P.46-52.

162. Pavlath G.A., Shaw H.J. Birefringence and polarization effects in fiber gyroscopes. // Applied Optics.- 1982,- V.21.- P. 1752.

163. Jascon D.A. Monomode optical fibre interferometers for precision measurements // Journ. Phys. E: Sci. Instrum.- 1985.- V.18.- P.981-1001.

164. Kashyar R., Nayar B.K. A single-mode fibre michelson interferometer sensors// 1st Intern, conf. on optical fibre sensors. Venue.- 1983.- P.38-42.

165. Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kirichenko O.V., Petrov Yu.S., Kamenev O.T., Maksaev O.G. Electronic speckle-interferometry method for processing of multimode interferometry sensor output signal // Proceedings of International

166. Conf. on Holography and Correlation Optics. Chernovtsy.- 1995.- SPIE Vol.2647.- P.251-254.

167. Lee C.E., and Taylor H.F. Interferometric optical fiber sensors using internal mirrors // Electronics Letters. 1988. - Vol.24. - P. 193.

168. Бутусов M.M., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение.- Л.: Машиностроение.- 1987.- 328 с.

169. Layton M.R., Bucaro J.A. Optical fiber acoustic sensor utilizing mode-mode interference // Appl.Opt.- 1979- V.18, №5.- P.666-670.

170. Knowles S.F., Jones B.E., Purdy S., and France C.M. Multiple microbending optical-fibre sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fuel tanks // Sensors and Actuators A. 1998. - Vol.68. - P.320-323.

171. Kersey A.D., Berkoff T.A., and Morey W.W. Fibre-optic Bragg grating strain sensor with drift-compensated high-resolution interferometric wavelength-shift detection // Optics Letters. 1993. - V.18. - P.72-74.

172. Davis M.A., and Kersey A.D. Simultaneous measurement of temperature and strain using fiber Bragg gratings and Brillouin scattering // Proc. SPIE. 1996. -V.2838.-P.114-123.

173. Козлова H.Д. Способы электронной обработки сигнала в фазовых волоконно-оптических датчиках // Измерительная техника. — 1991. —N11. — С.31-33.

174. Нефф Дж., Атхале Р., Ли С. Двумерные пространственные модуляторы света. //ТИИЭР.- Т.78, N5.-1990.- С.29-57.

175. Bates В., P.C. Miller, Speckle metrology employing LCTV spatial light modulator // Optics and lasers in Engineering.- 1991.- V.14, No.4&5.- 341-349.

176. Staebler D.L. and Amodey J.J. Coupled-wave analysis of holographic storage in LiNb03. // J. Appl. Phys.- 1972.- Vol.43.- P.1042-1049.

177. Pedersen H.C. and Johansen P.M. Analysis of wave coupling in the photorefractive cubic media far from paraxial limit. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1995.-V.12.- P.592-599.

178. A.Blouin and J.Monchalin. Detection of ultrasonic motion of scattering surface by two-wave mixing in a photorefractive GaAs crystal. // Appl. Phys. Lett.-1994.- V.65.- P.932-934.

179. S.Sternklar, S.Weiss, M.Segev, and B.Fischer. Beam coupling and locking of lasers using photorefractive four-wave mixing. // Opt. Lett.- 1986.- V.l 1.- P.528-530.

180. Kamshilin A.A., Kulchin Yu., Raita E., Paivasaari, Jaaskelainen T. Photorefractive novelty correlation filtering of time-varying laser speckles for vibration monitoring // J. Appl. Phys, Lett.- 1998.- V.73, № 8.- P. 1466-1468.

181. Hopfild J.J. Neural Networks and Phisical Systems with Emergent Collective Computation Abilites // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1982.- V.79.- P.2554-2558.

182. Шульгина Г.И. Основные принципы системной организации нейронов головного мозга при обработке, фиксации и воспроизведении информации. // Нейрокомпьютер как основа мыслящих ЭВМ".- М.: Наука.-1993.- С.23-37.

183. Крюков В.И. Что такое нейрокомпьютеры? // Нейрокомпьютер как основа мыслящих ЭВМ.- М.: Наука.- 1993.- С.84-86.

184. Шульгина Г.И. Исследование условий проведения возбуждения, процессов обучения и образования ассоциаций на модели сети из возбудительных и тормозных нейроподобных элементов // Нейрокомпьютер как основа мыслящих ЭВМ.- М.: Наука.- 1993.- С.110-128.

185. Тэнк Д.У., Хопфилд Д.Д. Коллективные вычисления в нейроподобных электронных схемах. // В мире науки.- 1988.- №2.

186. Burns R.S. The Use of Artificial Neural Network for the Intelligent Optimal Control of Surface Ship // Oceanic Engineering.- 1995.- V.20. № 1.

187. Шубников Е.И. Адаптивная нейронная сеть для распознавания образов. // Оптика и спектроскопия.- 1994.- Т.76, № 5.- С.785-789.

188. Distributed fiber optical sensors and measuring networks. Proc. of SPIE.-V.4357.- 2001.

189. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко O.B., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптической измерительной сети // Квантовая электроника.- 1993. Т.20 (5). - С.711-714.

190. Кульчин Ю Н Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит.- 2001. - 272 с.

191. Anderson D. Z„ V. Mizrahi, Т. Erdogan, and A. E. White. Production of in-fibre gratings using a diffractive optical element. // Electron. Lett. 1993.- Vol. 29, No.6.- P.566-568.

192. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под ред. В.А. Панова. JL: Машиностроение.- 1980.- 741 с.

193. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. Оптическая томография.- М.: Радио и связь.-1989.-423 с.

194. Yu.N. Kulchin, О.В. Vitrik., O.V. Kirichenlco, Yu.S. Petrov., O.T. Kamenev Distributed fiber-optic acoustic sensor // Proc. of Distributed and multiplexed fiber optic sensor IV Conf. San- Diego, California.- 1994.- V.2294.- P. 129-132.

195. Yu.N. Kulchin, O.B. Vitrik., O.V. Multidimentional signal processing with fiber-optic control network using// Proc. of conf. ISFOC'92.- St.Peterburg.-1992.-P.193-195.

196. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко O.B., Петров Ю.С. Сейсмоизмерительное устройство // Патент РФ на изобретение №2066467 по заявке 94005196 от 14.02.94. ВНИИГПЭ.

197. Беловолов М.И., Витрик О.Б., Дианов Е.Д., Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Исследование модуляции фазы и состояния поляризации в маломодовомволоконном световоде при аксиальных деформациях // Квантовая электроника, 1989.- Т.16.- С.2301-2303.

198. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Обух В.Ф. Деформометр с протяженной базой на основе маломодового волоконного световода // Деп. в ВИНИТИ.- 1987.-С. 974-989.

199. Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Исследование влияния апертурной диафрагмы на отношение сигнал/шум в одноволоконном датчике интерференционного типа. //Квантовая электроника. 1986.- Т.13, N8.- С. 650-653.

200. L.Chung-Yee, C.I-Fan. Optical-fiber line sensor based on intermodal interference. // Proc. 14 congress for integral and communication optics. Quebec, 1987.- P.365-366.

201. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Обух В.Ф. Петров Ю.С. Исследование возможности создания одноволоконного оптического датчика гидроакустического давления. Оптико электронные устройства и системы. Тезисы II Всесоюзной конференции. Томск.- 1989.- С.89-90.

202. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Обух В.Ф. Исследование статистических свойств излучения на выходе из многомодового волоконного световода. Оптико-электронные устройства и системы. Тезисы II Всесоюзной конференции. Томск.- 1989,- С.91-92.

203. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ларкин А.И. Голографическая согласованная фильтрация сигналов интерференционных датчиков на многомодовых волоконных световодах. // Квантовая электроника.- 1990.- T.17,N1.- С.95-98.

204. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б. Запись голограмм Френеля излучением прошедшим многомодовые волоконные световоды. // Оптика и спектроскопия.- 1990.- t.68,N5.- С. 1160-1164.

205. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б. Статистические характеристики когерентного излучения в многомодовых волоконных световодах. // Изв.ВУЗ "Радиофизика."- 1990.- т.ЗЗ, N11.- С.1301-1304.

206. Graindorge P., D. Mangeot, V. Morin, A. Gonos, В. Laloux, and F. X. Desforges. Optonet system: a 64 on/off fiber optic sensor network designed for industrial an military applications. // Proc. SPIE.- 1996.- V. 2838.- P.244-255.

207. Measures M., A. T. Alavie, R. Maaskant, M. M. Ohn, S. E. Karr, S. H. Huang. Bragg grating structural sensing system for bridge monitoring. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference. 1994.- SPIE Vol.2294.- P. 14-21.

208. Claus, W. J. Pulliam, J. A. Schetz. Multiplexing optical fiber-based pressure sensors for smart wings. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors VI Conference.- 1996.- SPIE Vol.2838.- P.230-236.

209. Udd E. Application of fiber optic smart structures. // Optics and photonics news.- 1996.- Vol.7, No.5.- P.17-20.

210. Гауэр Дж., Оптические системы связи. /Пер. с англ., М.: Радио и связь.-1989.-500 с.

211. Быковский Ю.А. Кульчин Ю.Н. Витрик О.Б. Обработка сигналов волоконно-оптических датчиков корреляционным способом. // Межвузовский сборник "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики".- Саратов.- 1989.- С.95-97.

212. Ривлин JI.A., Семенов А.Т., Шелков Н.В. Стабилизация выходных сигналов в двухплечевых волоконно-оптических интерферометрах на многомодовых световодах.// Квантовая электроника.- 1985.- т.12, № 11.- С. 201-205.

213. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука.- 1973.

214. Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Измерение гидростатического давления с использованием многомодового оптического волокна.//Изв. Вузов Радиофизикаю- 1986-Т.29,№ 10.- С. 1238-1243.

215. Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Оптоэлектронный метод обработки сигналов волоконно-оптического датчика гидростатического давления // Деп. в ВИНИТИ.-1986.-N4721.

216. ФрансонМ. Оптика спеклов.-М.:Мир.- 1980.- 179 с.

217. Jones R., C.Wykes, Holographic and speckle interferometry, Cambridge: Cambridge university press .- 1989.- 387 p.

218. Rebolo M.A., E.N.Hogert, J.Albano, C.A.Raffo, N.G.Gaggioli, "Correlation between roughness and porosity in rocks," Optical and Laser Technology.- 1995.-V. 28, No.l.- P. 1175-1178.

219. Lehman, J.A.Pomarico, R.D.Torrorba, Digital speckle pattern interferometry applied to a surface roughness study, // Opt Eng.- 1995.- V.34.- N.4, P. 11481152.

220. Cobrun D., J.Slevin, Digital correlation system for nondestructive testing of thermally stressed ceramics, // Appl. Opt.- 1995.- V. 34.- No.26.- 5977-5986.

221. Okamoto Т., Y.Egawa, T.Asakura, Speckle correlation method for the real time measurement of motion parth using a liquid crystall television. // Opt Eng.-1993.-V. 32.- No.l.- P.10-14.

222. Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Пространственная фильтрация излучения многомодового световода при измерении гидроакустического давления.// Квантовая электроника.- 1986.- Т.13, № 3.- С. 650-653.

223. Kexing L., and R. М. Measures. Signal processing techniques for interferometric fiber-optic strain sensors. // J. Intel. Mater. Syst. Struct.- 1992.- V. 3, No.3.-P.432-461.

224. Kukhtarev N.V., Markov V.B., Odulov S.G., Soskin M.S. and Vinetskii V.L. Holographic storage in electrooptic crystals. I. Steady state // Ferroelectrics. -1979.-Vol.22.-P.949-960.

225. Stepanov S.I. and Petrov M.P. Efficient unstationary holographic recording in photorefractive crystals under an external alternating electric field // Optics Communications. 1985. - Vol.53. -No.5. -P.292-295.

226. Kamshilin A.A. Polarization self-modulation effect in photoconductive electro-optic crystals // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4513. - pp. 184-191.

227. Valley G.C. and Klein M.B. Optimal properties of photorefractive materials for optical data processing // Optical Engineering. 1983. - Vol.22. - P.704.

228. Gunter, P. and Huignard, J.P. Photorefractive effects and materials. In: Photorefractive materials and their applications I. Fundamental phenomena, edited by Gunter, P. and Huignard, J.P.Berlin:Springer-Verlag.- 1988, P. 7-74.

229. Yu.Kulchin, R.Romashko, O.Kamenev. Using photorefractive crystals for adaptive processing of signals of fiber-optical measuring systems // Proc. of SPIE.-2003.- v. 5129.- P.168-175.

230. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука.- 1978. - 720 с.

231. G. Muravin, V. 'Gur'ev, and A. Schurov, "Kaizer Effect and Concrete Structural Integrity Restoration', Proceeding of the 1-st All-Union Conference "AE of Materials and Structures", Part 2.- Rostov on Don.- 1989, P. 20-24.

232. Muller В., Reinhardt J. Neural Networks.- Berlin: Springer-Veterad, Heindelberg.- 1990.

233. Куницин B.E., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы.- М.: Наука.- 1991.

234. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации / Пер. с польского И.Д. Рудинского.- М.: Финансы и статистика.- 2002.- 344 с.

235. Haykin S. Neural networks, a comprehensive foundation.- N.Y.: Macmillian College Publishing Company.- 1994.

236. Kulchin Yu.N., Romashko R.V., Vitrik O.B., Kamenev O.T. and Piskunov E.N. Adaptive correlation filters in fiber-optical measuring systems // Proc. SPIE. — 2001.-V. 4357.- P.130-140.

237. Кульчин Ю.Н., Каменев O.T., Петров Ю.С. Физические принципы создания распределенных измерительных сетей на основе одноволоконного двухмодового интерферометра // Вестник ДВО РАН. 2004. №5. С.39-45.

238. Франсон М. Оптика спеклов.-М.:Мир.- 1980.-179 с.

239. Розенблатт Ф. Принципы нейродинамики. Перцептроны и теория механизмов мозга. //Москва, Мир.- 1965.

240. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей. : Пер. с англ. М. : Издательский дом «Вильяме».- 2001.-287с.

241. Горбань А.Н., Россиев Д. А. Нейронные сети на персональном компьютере.-Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН.-1996.-276 с.

242. Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Каменев О.Т., Камшилин A.A. Применение фоторефрактивных сред для создания оптических аналоговых вычислительных элементов // Материалы Второй Байкаль-ской школы по фундаментальной физике, т.1.- Иркутск, 1999.- С.148-155.

243. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Каменев О.Т., Ромашко Р.В. Восстановление векторных физических полей с использованием двумерной волоконно-оптической измерительной сети // Измерительная техника.- вып.6.- 1999.-С.21-28.

244. Денисов И.В., Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н. Способ измерения параметров физических полей // Патент № 2178188 от 10.01.2002 по заявке № 99120917 от 01.10.1999.

245. Кульчин Ю.Н., Каменев О.Т., Денисов И.В., Петров Ю.С. Распределенный волоконно-оптический датчик температуры // Материалы IV ВНТК "Методы и средства измерений", часть 2, январь 2002 г. Н. Новгород: МВВОАТНРфю- 2002.-С. 18-19.

246. Денисов И.В., Каменев О.Т., Кульчин Ю.Н., Кириченко О.В. Способ обработки сигналов. Патент РФ на изобретение 2189078 от 10.09.2002 (по заявке 99120927 от 01.10.1999)

247. Денисов И.В., Каменев О.Т., Седов В.А. Устройство ввода оптического излучения в волоконно-оптическую сеть томографического типа // Известия вузов. Приборостроение.- №7,- 2002.

248. Кульчин Ю.Н., Денисов И.В., Седов В.А. Принцип функционирования сегментарной модели нейронной сети // Труды VIII Всерос. конф. «Нейрокомпьютеры и их применение» НКП-2002.-Москва.- 2002.- С.995-996.

249. Vitrik О., Kulchin Yu., Kirichenko О., Petrov Yu., Kamenev О. Distributed fiber-optic acoustic sensor. // Proc.of Conf. "Distributed and multiplexed fiber optic sensor IV.", San- Diego, USA.- 1994.- vol.2294.- P.129-132.

250. Kulchin Yu., Denisov I.V., Obuh V.F., Kamenev O. , Vitrik О., Петров Ю.С., Ромашко P.B. Computer Neural Networks for Processing of Optical Tomography Information // Pacific Science Review.- 1999.- V.1.-JP.1-4.

251. Kulchin Yu., Romashko R.V., Kamenev O. Method of Measuring Physical Field Gradient by Adaptive Fiber Optic System // Pacific Science Review.- 2001.-V.3.- P.9-12

252. Kulchin Yu., Kamenev O., Petrov Yu. Fiber-optical intelligent system for physical field monitoring // Proc. of First Asia-Pacific Conf. "Fundamental problems of opto- and microelectro-nics".- Владивосток.- 2000. C.49-54.

253. Kulchin Yu., Vitrik O., Kamenev O., Romashko R.V. Vector fields reconstruction by fiber -optic measuring network // Distributed fiber optical sensors and measuring networks.- SPIE vol. 4357.- 2001.- P.100-108.

254. Kulchin Yu., Kamenev O., Denisov I. Neural processing system for optical informational-measuring systems // Distributed fiber optical sensors and measuring networks.- SPIE vol. 4357.- 2001.- P.109-117.

255. Kulchin Yu., Vitrik O., Kamenev O., Romashko R.V. Vector fields reconstruction by fiber -optic measuring network // Optoelectronic information systems and processing. Proc.of SPIE.- vol.4513.- 2001.- P.29-37.

256. Kulchin Yu., Denisov I., Kamenev O., Panov A., Petrov Yu. Distributed physical field monitoring by using photo-matrix neural-like system // Optical Engine-ering for Sensing and Nanotechno-logy. Proc. of SPIE. -2001.-V. 4416.-P.268-271.

257. Kulchin Yu., Kamenev O., Petrov Yu. Kantur M. Fiber optical distributed network for dynamic deformation measuring // Proc. of SPIE.-2003.- V. 5129.-P.68-73.

258. Denisov I.V., Kamenev O.T., Kim A.Yu., Kulchin Yu.N., Panov A.V. Neural data processing method for fiber-optic distributed measuring systems // Optical Memory & Neural Networks.- 2003.- V.12, N3.- P. 165-172.

259. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. -М.: Мир.- 1971. -495 с.1. УТВЕРЖДАЮ»1. Директор НИИРО/ а У* . Р а д о м и и о в1. О 2002г.1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работышифр "Фаза"

260. Настоящим Актом подтверждается, что на предприятии НИИ радиооптики НПО У «Вега» внедрены следующие результаты НИР «Фаза», выполненной коллективомисполнителей под руководством д.ф.м.-н., профессора Ю.Н.Кульчина: О.Т. Каменев, Ю.С. Петров:

261. Принципы организации и функционирования распределенных волоконно-оптических фазовых измерительных сетей.

262. Рекомендации по применению различных материалов для создания элементной базы распределенных волоконно-оптических фазовых датчиков.

263. Нейросетевые методы обработки данных, собираемых с использованием распределенных волоконно-оптических измерительных сетей.

264. Архитектура и алгоритмы обучения нейронных вычислительных сетей.

265. Принципы построения и конструкции нейронных вычислительных сетей.

266. Принципы организации сбора информации о параметрах военных комплексов с использованием оптоэлектронной системы на базе оптической измерительной сети с применением нейросетевых методов обработки информации

267. Макет гибридной оптоэлектронной информационно-измерительной системы на базе волоконно-оптической измерительной сети и нейроподобнон в ы ч и с л ите л ы ю й сети.

268. Председатель комиссии Члены комиссии: