автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Распределенные волоконно-оптические датчики на основе кварцевых световодов

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ Г) и* Л -»ппо_ _

1 и ..¡Л.1 ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукошси

ГОРБАТОВ Игорь Евгеньевич

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ СВЕТОВОДОВ

05.27.03 - квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканиэ ученой стегони кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Военно-воздушной инженерной академии им, проф. Н.Е. Жуковского.

Научный руководитель: кандидат физико-математических науз

с.н.с. Горшков Б.Г,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических науз

профессор Григорьянц В.В,

кандидат технических науз с.н.с. Кузин А.Ю,

Ведущая организация: Институт общэй физию

Российской академии науз

Защита состоится 28 мая 1993 г. в 10 часов на заседании Специализированного совета Д002.74.04 в Институте радиотехники и электроники Российской академии наук по адресу: 103907, Москва, ГСП-3 ул. Моховая, II, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан «27« апреля 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного

совета Д002.74.04 кандидат физико-математических наук Яуъ/^ Т.В. Бухтиаров;

Актуальность теш.

Волоконно-оптические датчики (ВОД) находят все более широкое применение в различных измерительных устройствах, системах сбора информации, диагностики и сигнализации. При этом наиболее перспективным является направление исследований, которое предполагает созданн-э мультиплексных волоконно-оптических информационных систем.

Одним из вариантов мультиплексных измерительных систем являются собственные распределенные ВОД (СРВОД), в которых функции нескольких чувствительных элементов выполняет одян достаточно длинный отрезок оптического волокла. В СРВОД оптическое волокно используется одновременно как чувствительный элемент и как направляющая среда, обеспечивающая доставку излучения от источника к зоне воздействия измеряемого физического параметра и затем к фото-приэмнику. Этим определяется основное достоинство СРВОД, заключающееся в простоте конструкции и высокой надежности чувствительного элемента. Создание СРВОД с большим числом независимых изкертгель-ных каналов (свысе 10О) при обеспечении возможности измерения разнородных физических параметров одним чувствительны:,1 элементом позволит успешно использовать такие датчики в качестве элементов интеллектуальных структур (smart structures).

В настоящее время исследования в области разработки СРВОД идут в двух направлениях. Первое предполагает использование специальных типов оптических волокон (с жидкостной сердцевиной, легированных редкоземельными ионами и других), второе - использование кварцевых волокон с малыми потерями, разработанных для целей оптической связи. Ввиду высокой технологической отработанности кварцевых оптических волокон второе направление представляется более

перспективным на блшайшие года, тем более, что возможности кварцевых световодов но исчерпаны в смысле расширения круга физических явлений, которые могут быть использованы для создания датчиков с улучшенными характеристика?,ш и богаты?,и функциональными возможностями, в том числе датчиков с наиболее защищенным от дестабилизирующих воздействий способом представления информации - частотным.

Существующие СРВОД с использованием многокодовых кварцэвых оптических волокон, как правило, пригодны для измерения лшь одного физического параметра - темшратуры. Имеются лабораторные пакеты СРВОД на одаомодовых кварцевых волокнах, которые ври использовании метода поляризационной оптической рэфлзктокэтрии (potdr -

Polarization optic time domain reílectometry) ПОЗВОЛЯЮТ ИЗМврЯТЬ распределение практически любых физических параметров при преобразовании их воздействия в поперечную механическую деформацию оптического волокна. Однако в таких СРВОД не решена проблема устране-шя влияшю дестабилширующих факторов (йапримэр, флуктуациа темшратуры, изгибов, световода).на результаты измерений. Вероятно, поэтому они до сих пор не нашли широкого практического применения.

Настоящая работа посвящена исследованию вопросов улучшения харатеристик существующих СРВОД, а также исследованию возможностей создания новых типов СРВОД на кварцевых оптических волокнах, пригодных для кз?,ирония различных физических параметров и устойчивых к воздействию дестабилизирующих факторов.

Цель настоящей работы состояла в исследовании физических принципов, которые могут быть положены в основу создания распределенных волоконно-оптических датчиков на кварцэвых оптических волокнах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показано, что амплитудные распределенные датчики температуры могут быть основаны на измерении интенсивности рассеяния Мандель-штама-Бриллюэна, бозоновских компонет комбинационного рассеяния при значительном улучшении точности измерения;

- показано, что при регистрации частотного сдвига компонент ман-дзльитам-бршкюэновского рассеяния в кварцевых оптических волокнах возможно создание нового класса распределенных датчиков с частотным представлением информации, предназначенных для измерения не только температуры, но и других физических величин при преобразовании их воздействий в продольную деформацию растяжения оптического волокна;

- предложен вариант практического применения метода регуляризации Тихонова при решении интегрального уравнения 1-го рода типа свертки применительно к задаче улучшения характеристик распределенного датчика путем дополнительной математической обработки результатов измерений.

Пожжения. выносимые на зажгу.

1. Решение обратной задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра в собственных распределенных волоконно-оптических датчиках приводит к улучшению отношения сигнал/шум в 1,3...1,6 раза или уменьшению времени накопления сигнала в 1,7...2,6 раза в зависимости от используемого метода измерения.

2. При продольной деформации растяжения кварцевого световода и при температурных воздействиях наблюдаются эффекты изменения частотного сдвига манделыптам-бриллюэновского рассеяния света, позво-

ляющив создать волоконно-оптические датчики нового класса с частотным представлением информации , в том числе распределенные, основанные на регистрации частотного сдвига компонент обратно рассеянного света.

• 3. Температурные зависимости интенсивности рассеяния Мандель-штама-Бриллгаэна и бозоновских компонент комбинационного рассеяния могут быть использованы при создании амплитудных распределенных волоконно-оптических датчиков температуры с более высокой точностью измерения по сравнению с датчиками, основанными на регистрации основной антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния.

Практическая юнность работы:

- обнаружен и объяснен эффект сдвига частоты линий манделыптам-бриллюэновского рассеяния света в кварцевых оптических волокнах при продольных деформациях и изменениях температуры;

- созданы предпосылки для разработки волоконно-оптических датчиков с частотным представлением. информации, предназначенных для измерения широкого класса физических величин;

- продемонстрирована возможность улучшения характеристик существующих и вновь разрабатываемых распределенных датчиков с временным разделением сигналов при практическом применении метода регуляризации Тихонова для решения задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра по результатам измерений.

Апробация результатов работы. Результаты доложены на 5-м межведомственном научно-техническом семинаре "Применение волоконной техники и интегральной оптики в авиационных системах информационного обмена" в ВВИА им. Н.Е.Жуковского в 1986 году; на 2-м

научно-техническом семинаре "Применение волоконно-оптических систем передачи информации в энергетических комплексах" 4-6 мая 1988 года в г. Севастополе; на 6-м межведомственном научно-техническом семинаре "Применение волоконной оптики в авиационных системах информационного обмена" 27 марта 1989 г. в ВВИА им. Жуковского; на конференции "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении" 6-8 апреля 1989 года в г. Севастополе; на конференции "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем" 4-6 мая 1990 года в г. Севастополе.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и обЪём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии; содержит 210 страниц, из них 147 страниц текста, 46 рисунков. Список литературы включает 115 наименований.

Краткое содержание диссертации.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работа и выбор направления исследований, а также дается краткое описание содержания по главам.

В первой главе дан обзор работ по распределенным волоконно-оптическим датчикам, приведена их классификация. Анализ литературы показал, что среди мультиплексных волоконно-оптических измерительных систем наилучшими эксплуатационно-техническими характеристика-

ми обладают СРВОД, обеспечивающие получение непрерывного распределения физического параметра.

Описан принцип действия СРВОД с временным разделением сигналов. Рассмотрены три различных метода измерения физических параметров, которые могут быть использованы в СРВОД: а) амплитудный к$тод с определением эффективности переизлучения; б) частотный метод с определением спектрального сдвигав) амплитудный метод с определением изменения потерь.

Одной из основных характеристик СРВОД является пространственное разрешение по дайне чувствительного элемента. Независимо от используемого метода измерения недостаточное пространственное разрешение датчика приводит к искажению измеряемого (истинного) распределения физического параметра. Отмечена возможность улучшения основных характеристик распределенных датчиков с временным разделением сигналов при решении обратной задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра по дайне чувствительного элемента

Сделаны выводы о необходимости детального рассмотрения обратной задачи в СРВОД при различных методах измерения, а также о целесообразности теоретического и экспериментального исследования процессов рассеяния, люминесценции и поглощения света в оптических волокнах на основе плавленого кварца с целью выявления физических эффектов, которые могут быть положены в основу создания амплитудных и частотных СРВОД.

Во второй главе приведено решение обратной задачи восстановления истинного распределения измеряемого параметра при дополнительной математической обработке результатов измерений в распределенных волоконно-оптических датчиках с временным разделением сиг-

налов. Эта задача может быть сведена к известной задаче нахождения приближенного решения интегрального уравнения 1-го рода типа свертки следующего вида:

00

J ro(t - t)gs(X)dt = Ro(t) + S(t), (I)

-00

если под gs<T) понимать соответствующую каждому типу СРВОД переходную импульсную функцию < ro<t) - истинное распределение, R0<t) - измеряемое распределение, s(t) - шумовая компонента). Такая задача может быть решена методом регуляризации Тихонова. Регуляри-зованное решение уравнения (I) имеет следующий вид:

00

1 г g <-lO)[R (CO)+S(CO)] -iCüt

Г (t)= ---^- e dü),

p 2% J S (Ш)

-oo Ь(Ш) + —-

N (CO)

X

где gs<-co). Ro(u), s(co) - фурье-образы функций gs(t), RQ(t), s(t); L(to) = gs(-cü)gs(a)); sx((o) и Nx(td) - спектральные плотности соответственно шума и истинного распределения. Это выражение описывает оптимальное приближенное решение интегрального уравнения с точки зрения минимального среднеквадратического отклонения рэгуля-ризованного решения rp(t) от истинного ro(t).

При использовании такого стандартного подхода к решению обратной задачи в случае распределенного датчика возникает ряд трудностей. В частности, нельзя заранее определить, как дополнительная обработка скажется на основных характеристиках датчика. То есть не известно, в какой мере изменится пространственное разрешение и

точность.

В работе показано, что указанную трудность можно устранить, если в качестве функционала, характеризующего величину среддаеквад-ратического отклонения, взять соотношение.:

СО 00

1 г a2mz(tú)n (ш) е Г l(co)s (ш)

Т = - -^---- dCO + —— I ---г dü),

° 4тс J [Ь(ш) + а м(ш)] 4тс J [L(ш) + а м(ш)]

-со р -оо р

где ар - параметр регуляризации, м(ш)- некоторая четная функцш на которой ищется минимум функционала т . Введение весового коэффициента е позволяет получить множество оптимальных с точки зренш минимума среднеквадратического отклонения регуляризованных решенк при различных значениях е. При этом выбор значений е позволяет по-разному учитывать ошибку регуляризации

00

1 г а2м2(ш)ы <ш)

б = — —р---- dü)

р 4ir J[L(w) + а М(ш)]

-со р

и шумовую ошибку

оо

1 г L(ü))S (Ш)

Рт = —Т -2-г

4иг J [Ь(Ш) + а М(Ш)]

-оо р

и получать практически любое пространственное разрешение датчик; при максимально возможном отношении сигнал/шум или любое отношении сигнал/шум при наилучшем пространственном разрешении. Регуляризо ванное решение при таком подходе записывается в следующем виде:

1 г е5,(-ш)[й (Ш)+5(Ш)] -1сл г — -?--е da)

р" 2г J 5 (а>)

-со Ь(ш) + е

N (ш)

Результаты математического моделирования процесса восстановления истинного распределения измеряемого параштра при различных методах измерения свидетельствуют об изменении оптимальных соотношений между требуемым пространственным разрешением датчика и частотными характеристиками оптоэлектронного тракта в случае решения обратной задачи. Выбор оптимальных для этого случая длительности лазерного импульса и импульсной характеристики фотоприемника позволяет улучшить пространственное разрешение СРВОД в 1,16...1,4 раза при фиксированной точности измерения или повысить точность измерений в 1,3...1,6 раза при фиксированном пространственном разрешении, что эквивалентно уменьшению времени накопления сигналов в в 1,7...2,6 раза при сохранении точности измерений и пространственного разрешения. Степень улучшения характеристик СРВОД при решении обратной задачи зависит от используемого метода измерения.

В третьей главе исследованы вопросы, связанные с возможностями построения распределенных волоконно-оптических датчиков с частотным представлением информации, основанных на регистрации частотного сдвига рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в кварцевых оптических волокнах. На частотный сдвиг обратного манделызтам-бриллюэновского рассеяния могут оказывать влияние изменения модуля упругости, плотности и показателя преломления рассеивающего материала. На основании имеющихся экспериментальных данных по темпера-

турной зависимости частотного сдвига мандельштам-бриллюэновского рассеяния в объемных образцах плавленого кварца сделан вывод о возможности использования этого эффекта в распределенных датчиках •температуры с частотным представлением информации. Показано, что температурная зависимость частотного сдвига рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна в кварцевых оптических волокнах в основном определяется температурной зависимостью модуля упругости материала сердцевины световода.

Изменение частотного сдвига рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, связанное с изменением показателя преломления, модуля упругости и плотности плавленого кварца, может быть вызвано не только воздействием температуры, но и продольной деформацией растяжения кварцевого оптического волокна. Результаты проведенного анализа свидетельствуют о сравнительно слабой зависимости показателя преломления и плотности сердцевины оптического волокна от величины относительного продольного удлинения. Влияние этих параметров в некоторой степени взаимно компенсируется и не приводит к сильному изменению частотного сдвига рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Изменение модуля упругости материала при продольной деформации может наблюдаться только в случае нелинейной зависимости удлинения образца от приложенной растягивающей силы. Такая нелинейная зависимость действительно была экспериментально обнаружена во многих материалах (в том числе плавленом кварце) и математически описывается в рамках теории упругости с учетом нелинейности. По данным ранее проведенных экспериментов, в которых различными методами регистрировалась зависимость величины относительного удлинения образцов плавленого кварца (не имеющих отношение к волоконной оптике) от величины приложенной растягивающей силы; изменение

модуля упругости составляет 2,6...8,4% при относительном удлинении 1%. Соответственно частотный сдвиг обратного рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна должен увеличиваться в кварцевом оптическом волокне на 1,4...4,3% (примерно на О,4...1,3 ГГц на длине волны 0,5145 мкм) при продольном удлинении 1%. Большой разброс значений крутизны зависимости частотного сдвига может объясняться различием образцов, использованных при экспериментальных исследованиях. Более точные данные могут быть получены в результате прямых измерений частотного сдвига рассеяния Манделыптамз-Бриллюэна от продольной деформации как в одномодовых кварцевых оптических волокнах, так и в многомодовых кварц-кварцевых и кварцполимерных волоконных световодах .

Описана экспериментальная установка, и приведены результаты экспериментальных исследований спектров рассеяния Мандельштама-Бриллюэна при продольной деформации растяжения и изменении температуры кварцевых световодов. Относительное изменение частотного сдвига, вызванное воздействием температуры, составило

1 аг,мвр -4 -1

-- == 0,5-10 к ,

V ат

МБР

вызванное продольной деформацией растяжения, составило

^МБР С1Ь

- = (3...4) — .

В результате проведенных расчетов при использовании данных экспериментов, касающихся крутизны зависимостей частотного сдвига рассеяния Нанделыптама-Бриллоэна, сделан вывод о возможности соз-

дания СРВОД с точностью измерения температуры 0,005° в диапазоне 20...150°с и усилия продольной деформации (при диаметре кварцевого световода 150 мкм) около 10"* Н. Исходные данные при расчетах были следующие: мощность излучения, вводимого в световод, I Вт на длине волны 0,8 мкм, пространственное разрешение датчика 10 м, частота повторения импульсов I кГц, время измерения 10 с.

Четвертая глава посвящена исследованиям возможностей построения распределенных волоконно-оптических датчиков амплитудного типа при регистрации сигналов рассеяния Манделыптама-Бриллюэна, рэлеев-ского и комбинационного рассеяния, а также датчиков, основанных на температурной зависимости характеристик поглощения и интенсивности фотолюминесценции в кварц-кварцевых и кварцполимерных оптических волокнах. Обсувдены вопросы, связанные с влиянием неупорядоченности структуры плавленого кварца на спектры комбинационного рассеяния и рассеяния Манделыптама-Бриллюэна. Как в оригинальных работах, так и в обзорах, посвященных распределенным волоконно-оптическим датчикам, приводятся спектры KP, снятые с недостаточным контрастом вблизи частоты рэлеевского рассеяния. Эти спектры содержат стоксову и антистоксову компоненты рассеяния, смещенные по частоте на 460 см-1. В существующих амплитудных СРВОД температуры регистрируется интенсивность антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния. Однако в полном спектре комбинационного рассеяния в плавленом кварце (такие спектры наблюдались в объемных образцах чистого плавленого кварца) наряду с основными максимумами, смещенными по частоте на ±460 см"1, имеются так называемые бозоновские компоненты комбинационного рассеяния с частотным сдвигом ±100 см"1, интенсивность которых зависит от температуры.

Температурная зависимость интенсивности различных компонент комбинационного рассеяния и рассеяния Манделыптама-Бриллюэна опре1-деляется функцией Бозе-Эйнштейна, являющейся одним из членов в выражении для интенсивности рассеяния на фононах. Из расчетов по формуле, описывающей распределение Бозе-Эйнштейна, следует, что крутизна температурной зависимости интенсивности основной антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния при нормальных температурах составляет 0,75 - 0,8%/°к, бозоновских компонент -0,25 - 0,3%/°к, компонент рассеяния Манделыптама-Бриллюэна -0,25%/°к. Несмотря на меньшую крутизну температурной зависимости использование более интенсивных компонент рассеяния Манделыптама-Бриллюзна и бозоновских компонент комбинационного рассеяния позволяет получить более высокую точность измерения в СРВОД температуры.

При тех же исходных данных, что и для частотного СРВОД, были проведены расчеты, которые свидетельствуют о возможности разработки амплитудных СРВОД с регистрацией интенсивности МБР, обладающих точностью 0,03° при пространственном разрешении 10 м и времени измерения 10 с. Потенциальная точность амплитудных СРВОД, основанных на измерении интенсивности антистоксовой компоненты КР, при таких же расчетах оказывается гораздо худшей и составляет 0,6°. Регистрация бозоновских компонент позволяет повысить точность до 0,2°. Указанные значения точности измерения получены для нормальных температур.

Описана экспериментальная установка, и представлены результаты экспериментального исследования температурной зависимости интенсивности комбинационного и рэлеевского рассеяния, а также параметров люминесценции и инфракрасного поглощения в кварц-полимерных

и кварц-кварцевых оптических волокнах. Приведены результаты экспериментальных исследований макета СРВОД, основанного на эффекте температурной зависимости интенсивности антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния. По результатам теоретических и экспериментальных исследований проведено сравнение потенциально достижимых характеристик амплитудных СРВОД, основанных на различных физических эффектах в кварцевых оптических волокнах при учете современной элементной базы и возможностей выбора излучателей и фотоприемников.

В заключении диссертации приведены ее основные результаты:

1. Сформулирована и решена обратная задача восстановления истинного распределения измеримого параметра в распределенных волоконно-оптических датчиках с временным разделением сигналов при заданном пространственном разрешении для амплитудных и частотного методов измерения.

2. Получены оптимальные соотношения между заданным пространственным разрешением распределенного датчика и частотными характеристиками оптоэлектронного тракта в случае решения обратной задачи для амплитудных и частотного методов измерений. Показано, что решение задачи восстановления при фиксированном пространственном разрешении приводит к улучшению отношения сигнал/шум в 1,3...1,6 раза или позволяет уменьшить время накопления сигнала в 1,7...2,6 раза в зависимости от используемого метода измерения.

3. Впервые экспериментально наблюдались эффекты изменения частотного сдвига мандельштам-бриллюэновского рассеяния света в оптических волокнах на основе плавленого кварца при продольной деформации растяжения световода и при температурных воздействиях, поз-

волягащиз создать волоконно-оптические датчики нового класса, в том числа распределенные, с частотный представлением информации.

4. Впервые предложено использовать температурные зависимости интенсивности рассеяния Манделыптамэ-Бршшоэна и бозоновских компонент комбинационного рассеяния при создании амплитудных распределенных волоконно-оптических датчиков на основании полученных в работе экспериментальных данных

5. Впервые на отечественной элементной базе реализован макет распределенного волоконно-оптического датчика температуры с пространственном разрешением 10 и, точностью измерения 2°С, дайной чувствительного участка световода 100 м.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горбатов И.Е., Горшков Б.Г. Исследование мандельштам-бриллюэновского рассеяния в плавленом кварце при нагревании и механической деформации // Физика твердого тела.-Т. 30.- N 7.-1988.- Стр. 2226.

2. Горшков Б.Г., Горбатов -И.Е., Данилейко Ю.К., Сидорин A.B. Люминесценция, рассеяние и поглощение света в кварцевых оптических волокнах и перспективы их использования в распределенных сввтовод-ных датчиках // Квантовая электроника.-Т. 17.- N 3.- 1990.- Стр. 345 - 350.

3. Горшков Б.Г., Горбатов И.Е., Температурная зависимость ИК поглощения в кварцевых волоконных световодах и возможность ее использования душ создания распределенных волоконно-оптических датчиков // Применение волоконной техники и интегральной оптики в авиационных системах информационного обмена. Научно-методические материалы

/ ВВИА ИМ. Н.Е. Жуковского.- 1989.- Стр. 24 - 30.

4. A.c. 1477057 СССР. Способ измерения температуры / И.Е. Горбатов, Б.Г. Горшков (СССР).

5. A.c. I5087I6 СССР. Устройство мультиплексирования волоконно-оптических датчиков / И.Е. Горбатов, Б.Г. Горшков (СССР).

6. A.c. 1534304 СССР. Способ определения деформаций / И.Е. Горба тов , Б.Г. Горшков, В.В. Быканов и др. (СССР).

7. A.c. I54324I СССР. Устройство для определения границы раздел двух сред" / И.Е. Горбатов, Б.Г. Горшков, В.А. Яремчук.

Подписано в печать 7.04.1993г.

Формат 60x84 1/16. Объем 1,16 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Заказ № 90.