автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Маломодовые методы зондирования волоконно-оптических датчиков на основе решеток Брэгга с фазовым π-сдвигом системах охраны периметра

На правах рукописи

/

КУПРИЯНОВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ

МАЛОМОДОВЫЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО -ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ РЕШЕТОК БРЭГГА С ФАЗОВЫМ я-СДВИГОМ СИСТЕМАХ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА"

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук ^ ДЕК 2013

005542103

Казань 2013

005542103

Работа выполнена на кафедре «Телевидение и мультимедийные системы» и в научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Морозов Олег Геннадьевич

Официальные оппоненты: Данилаев Максим Петрович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ», профессор кафедры «Радиоэлектронные и квантовые устройства»

Дашков Михаил Викторович, кандидат технических наук, доцент, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», доцент кафедры «Линии связи и измерения в телекоммуникационных системах».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

авиационный технический университет»

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. Л. Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ fwww.mon.eov.ru) и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу:. 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, КНИТУ-КАИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.079.06,

к.т.н., доцент Бердников A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР И CT И КЛ. РАБОТЫ

Актуальность темы. С развитием сенсорных волоконно-оптических технологий волоконно-оптические датчики (ВОД) становятся одним из перспективных инструментов, применяемых для систем охраны периметра (СОП). В сравнении с классическими СОП, которые используют ультразвуковые, радиочастотные, инфракрасные технологии и датчики, ВОД имеют существенные преимущества по высокой чувствительности, простоте структуры, компактности, возможности контроля больших расстояний и поверхностей при любых погодных условиях, высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам, а также устойчивости к коррозии.

Для построения волоконно-оптических СОП (ВОСОП) используются телекоммуникационные волокна, например, SMF-28, при этом они могут быть использованы и как распределенный датчик, и как среда передачи информации. Значительное внимание в области ВОСОП отводится использованию квазирас-пределенных и точечных технологий измерений. В этом случае волокно используется только как среда передачи информации от ВОД, мультиплексированных по различным законам.

В качестве одной из наиболее применимых технологий построения ВОД выступают технологии внутриволоконных решеток Брэгга (ВРБ). Преимущества ВРБ заключаются в уникальном преобразовании измеряемой величины в смещение длин волн, отраженного или прошедшего через нее излучения, и в возможности простого изготовления. ВРБ способны измерять широкий спектр параметров, таких как натяжение, давление, вибрации, тепловые деформации, что основано на двойственной чувствительности решеток к механическому напряжению и температуре, и имеют потенциал для одновременного измерения обоих параметров. Спектральные характеристики ВРБ носят резонансный характер, однако функция преобразования «длина волны»-«амплитуда» для их оценки в области резонанса либо осциллирует, либо имеет достаточно плоский характер. Поэтому для повышения разрешающей способности измерений ищут естественные узкополосные неоднородности в спектре ВРБ или синтезируют ВРБ с неоднородностями в структуре. В последнее время в структуре ВОД начинают активно применяться ВРБ с неоднородностью в виде дискретного фазового я-сдвига в законе модуляции коэффициента преломления решетки.

Для преобразования информации с ВРБ используется широкополосная или перестраиваемая в широком диапазоне оптико-электронная измерительная аппаратура (ОЭИА): оптические анализаторы спектра, перестраиваемые лазеры, оптические рефлектометры во временной (OTDR) и частотной (OFDR) областях, сканирующие интерферометры Фабри-Перо, дифракционные решетки с ПЗС матрицами и др. Исследованиям указанных технологий посвящены труды российских ученых Е.М. Дианова, Ю.Н. Кульчина, О.Б. Витрика, С.А. Бабина, С.А. Васильева, A.C. Куркова, И.О. Медведкова, A.C. Введенского и др., ведущих исследования в НЦВО РАН, ИРЭ РАН, ДВФУ, ФГУП ВНИИОФИ, ИТМО, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Известны разработки зарубежных ученых, в том числе Е. Udd, I. Bennion, X. Dong, G. Gagliardi и других.

Практические разработки фирм FFT, AgilFence, Paulsson, Прикладная радиофизика, Т8, Петролайт, Инверсия-Файбер и др. применяются для построения ВОСОП различного назначения.

Особенностью работ представленных авторов и фирм является применение сложных алгоритмов «подгонки» для определения с требуемой точностью значения центральной длины волны ВРБ; использование классических ВРБ, характеризующихся мультипликативностью отклика на физические поля различной природы и неоднозначностью измерительного преобразования, что требует дальнейшего алгоритмического разделения и анализа информации или применения многослойных нейросетевых самообучающихся структур.

Этому способствует устоявшийся подход к СОП, и ВОСОП в том числе, как к системам обнаружения. В условиях современного развития нейросетевых технологий и возможности обучения систем различать внешние воздействия по многим факторам- на первый план выходит подход к СОП как к измерительной системе. При этом рассмотрению подлежат технологии построения датчиков физических полей на основе ВРБ с возможностью получения раздельного отклика на физические поля различной природы, использование технологий построения ВРБ с существенными неоднородностями для повышения разрешающей способности измерений, а также методов и средств реализации узкополосной ОЭИА для регистрации последних.

В последнее время значительного прогресса в плане точности и разрешающей способности измерений, а также практичности применения достигли технологии узкополосного маломодового зондирования ВРБ (двух-, трех- или четырехчастотным непрерывным излучением), что делает их конкурентоспособными для указанных выше методов преобразования информации по метрологическим характеристикам, простоте и стоимости реализации. Их основным достоинством является отсутствие необходимости проведения измерений в области резонанса спектральной характеристики решетки. Данным исследованиям посвящен ряд работ указанных ранее авторов, а также работы научной школы, сложившейся в КНИТУ-КАИ под руководством Польского Ю.Е., Ильина Г.И., Морозова О.Г., Ильина А.Г. и др.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность те,мы и научно-технической задачи разработки методов и средств маломодового анализа спектральных характеристик ВОД на основе ВРБ с фазовым 7Г-сдвигом, предназначенных для раздельной регистрации физических полей различной природы (температуры - точечные датчики открытой и скрытой подземной установки, давления - точечные и квазираспределенные датчики скрытой подземной установки по периметру, изгибного натяжения — квазираспределенные датчики открытой установки на заграждениях) и построения на их основе ОЭИА ВОСОП.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой задачи. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, выполняемых КНИТУ-КАИ в рамках Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 №218, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственного задания Минобрнауки РФ и ряда инициативных хозяйственных договоров.

Объектом исследования является оптико-электронная измерительная аппаратура волоконно-оптических систем охраны периметра.

Предмет исследования - волоконно-оптические датчики систем охраны периметра и методы их зондирования.

Цель настоящей работы — улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра на основе применения мало-модовых методов зондирования волоконных решеток Брэгга с фазовым л-сдвигом, являющихся чувствительными элементами ее датчиков.

Научная задача диссертации - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра, основанной на особенностях применения датчиков, построенных на базе волоконно-оптических решеток Брэгга с фазовым тг-сдвигом, возможности получения от них раздельного отклика на воздействия физических полей различной природы и объединения однотипных решеток в группы, а также методов маломодового зондирования для определения их спектральных характеристик, как основных характеристик измерительного преобразования.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

1. Сравнительный анализ характеристик существующих и перспективных ВОСОП, в том числе с ВОД, построенными на базе классических ВРБ и ВРБ с фазовым л-сдвигом; выявление резервов для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП, основанных на применении для анализа спектральных характеристик ВРБ маломодового излучения.

2. Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым л-сдвигом с целью построения на их основе датчиков температуры и давления; теоретическое обоснование метода измерения температуры и давления на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым л-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с различными средними и разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.

3. Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым л-сдвигом с целью построения на их основе датчиков изгибного натяжения; теоретическое обоснование метода измерения изгибного натяжения на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым л-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с одинаковой средней и различными разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию ОЭИА ВОСОП для регистрации температуры, давления и изгибного натяжения на основе предложенных методов и датчиков; разработка принципов построения ВОСОП с разделением отклика решетки при одновременном воздействии физических полей различной природы и объединением однотипных решеток в группы; внедрение результатов исследований и оценка перспектив их развития.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. При выполнении данной работы применялись методы математической физики, оптомеха-ники, методы моделирования волоконно-оптических структур с помощью матриц передачи и связанных мод, методы анализа оптико-электронных и радиоэлектронных систем. Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами других авторов. При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ МАТЬАВ 7.0.1, Ор118у51ет 7.0, ОрНСга!^ 4.2.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

Выявлены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП, основанные на применения ма-ломодовых методов зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым я-сдвигом, являющихся чувствительным элементом датчиков охраны периметра.

Предложены структуры датчиков температуры, давления и изгибного натяжения на основе использования ВРБ с фазовым тг-сдвигом в качестве их чувствительных элементов с возможностью раздельной регистрации отклика решетки на одновременное воздействие полей различной физической природы.

Дано теоретическое обоснование методов маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым я-сдвигом с использованием двух двухчас-тотных излучений с различными средними и разностными частотами для измерения температуры и давления, с одинаковой средней и разными разностными частотами для измерения изгибного натяжения. Получены результаты вычислительных и физических экспериментов, подтвердившие повышение чувствительности, разрешающей способности и точности измерений.

Разработаны структуры и алгоритмическое обеспечение, рекомендации по проектированию ОЭИА ВОСОП для регистрации температуры, давления и изгибного натяжения на основе разработанных методов и средств, в том числе при объединении однотипных решеток в группы, характерной чертой которых является простота и низкая стоимость практической реализации.

Практическая ценность работы заключается в разработке ВОД и оптико-электронных устройств с улучшенными метрологическими характеристиками, а именно: опытных образцов датчиков на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом, ОЭИА для снятия с них информации и ее обработки, алгоритмы программного обеспечения для измерений и управления работой ОЭИА в целом. При этом достигается значительная экономия ресурсов на создание ОЭИА за счет упрощения блоков интеррогации и методик мультиплексирования. Кроме указанных результатов разработаны рекомендации по проектированию и расчету указанных волоконно-оптических и оптико-электронных устройств.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении НИОКР и НИР в рамках работ по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 №218 (договор №9932/17/07-К-12), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглаше-

ние №14.В37.21.1522), государственного задания на выполнение работ по организации научных исследований (ТЗ №7.2217.2011, «Симметрия»), договора №НИЦ118, выполняемых КНИТУ-КАИ, а также в учебном процессе университета по направлению 210400 «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17-ой Российской конференции по системам управления, Тула, 2010 г., X, XII-XIV-ой Международной НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Уфа, 2010, 2012 гг., Казань, 2011 г., Самара, 2013 г., на 4-ом Российском семинаре по волоконным лазерам, Ульяновск, 2010 г., X и XI-ой Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Челябинск, 2010 г., Самара, 2011 г VI-VIII -ой Международной НПК «Авиакосмические технологии, современные материалы и оборудование», Казань, 2011-2013 гг., П-ой Международной НТК «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы», Курск, 2011 г. и III Международном экологическом конгрессе, Тольятти, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 научных работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК, две статьи в зарубежном издании, входящем в базу данных Scopus, 13 тезисов и материалов докладов, получено два патента на полезную модель.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 163 наименования. Работа без приложений изложена на 180 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и семь таблиц.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по пункту 2.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методы и средства улучшения метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра;

- структуры датчиков на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом для измерения температуры, давления и изгибного натяжения;

- методы маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым л-сдвигом двумя двухчастотными излучениями: с различными средними и разностными частотами для измерения температуры и давления, с одинаковой средней и разными разностными частотами для измерения изгибного натяжения;

- результаты виртуальных и физических экспериментов, подтверждающие повышение чувствительности, разрешающей способности и точности разработанной оптико-электронной измерительной аппаратуры;

- рекомендации и результаты проектирования оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра и ее элементов, характеризующейся простотой и низкой стоимостью реализации;

- результаты внедрения в научно-исследовательский и образовательный процесс разработанных теоретических положений и устройств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, методы исследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов, апробация и публикации, основные защищаемые положения. Приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены основные характеристики существующих и перспективных ВОСОП и причины, ограничивающие возможности их широкого внедрения в практику СОП. Проанализировано современное состояние работ по созданию методов и средств мультиплексирования и интеррогации волоконно-оптических датчиков, которые определяют метрологические и технико-экономические характеристики ОЭИА ВОСОП как измерительной системы.

Анализ основных характеристик ВОСОП показал, что ВОСОП на базе ВРБ лишены большинства недостатков и превосходят по всем своим технико-экономическим характеристикам большинство интерферометрических систем, а по чувствительности - рефлектометрических. При этом наиболее интересным выглядит создание маскируемой подземной системы, что позволит вести скрытное наблюдение за всеми объектами, приближающимися или пересекающими охранную зону, а также создавать многоуровневые системы защиты. При этом следует отметить широкое применение ВРБ и развитые методы снятия информации с них в телекоммуникационных и сенсорных системах. Основные недостатки ВОСОП на ВРБ — сложность и высокая стоимость спектроаналити-ческих и сканирующих методов интеррогации, мультипликативность отклика ВРБ на температуру и механическое напряжение, монотонность характеристик измерительного преобразования. На преодоление указанных ограничений направлено применение специальных структур ВОД на основе ВРБ с фазовым п-сдвигом и маломодовых методов зондирования как точечных, так и квазирас-пределенных датчиков.

Рассмотрение современного состояния работ по созданию ВРБ с фазовым тг-сдвигом и маломодовых методов зондирования, обеспечивающих низкую стоимость и простоту реализации интеррогации и мультиплексирования решеток при прецизионных измерениях их спектральных характеристик, показало, что малое количество публикаций, в которых решены лишь частные вопросы, посвященные данной тематике, не позволяет обоснованно подойти к выбору путей улучшения основных характеристик ВОСОП, а созданные на их основе устройства не удовлетворяют требованиям по метрологическим и технико-экономическим характеристикам.

Среди указанных выше методов особо следует выделить методы маломо-дового двухчастотного зондирования ВРБ с дифференциальной обработкой и обработкой по огибающей. Данные методы (с амплитудной, фазовой и амплитудно-фазовой регистрацией) обладают высокой оперативностью, обеспечивают измерение температуры в диапазоне ±100 °С с погрешностью ±0Д °С и относительное натяжение в диапазоне до Ю-1 с погрешностью ±0,005. Однако они используются в основном лишь для работы с точечными датчиками.

Основной причиной последнего являются определенные трудности, возникающие при регистрации фазовой информации. В большинстве случаев для измерения используются ВРБ с шириной полосы отражения на полувысоте в 0,3 - 0,5 нм, что соответствует по требованиям метода необходимой разностной частоты между двумя составляющими в 40-60 ГГц. Измерение разности фаз на такой частоте достаточно сложный процесс, а используемая элементная база дорогостояща. Ссылок на применение методов без необходимости измерения фазы для целей измерений автором не найдено.

Второй сдерживающей причиной является проблема обеспечения измерений механического напряжения в широком диапазоне. При преодолении человеком заграждения (это 10-50 кПа по давлению или 10"2 и больше по удлинению волокна) кроме сдвига центральной длины волны ВРБ происходит ушире-ние спектра решетки и изменение ее коэффициента отражения. Таким образом, необходима разработка методов с возможностью измерения, как изменений центральной длины волны, так и коэффициента отражения и полосы пропускания ВРБ на полувысоте.

Указанные факторы приводят к необходимости разработки и применения датчиков с узкой полосой измерительного преобразования и ставит задачу ана-1 лиза методов интеррогации и мультиплексирования однотипных (одинаковых или близких по длине волны) ВРБ в группе при структурной минимизации ВОСОП.

Поиск путей решения указанных выше проблем, привел к необходимости детального рассмотрения оптомеханических свойств волоконно-оптических датчиков. Результатом анализа стала постановка задачи проектирования специальных типов датчиков на основе фазированных структурно неоднородных решеток, а именно ВРБ с фазовым я-сдвигом, адаптированных к маломодовым методам зондирования и способных обеспечить возможность регистрации раздельного отклика на воздействие физических полей различной природы, например, с помощью чирпирования их внутренней структуры без сдвига центральной длины волны при измерительном преобразовании давления или из-гибного натяжения.

Таким образом, был определен круг нерешенных вопросов, связанных с разработкой ОЭИА ВОСОП на основе маломодовых методов зондирования и специально разработанных для них ВОД на основе ВРБ с фазовым я-сдвигом, что позволило сформулировать в конце главы направления дальнейших исследований, необходимые для достижения поставленной ранее цели и научной задачи диссертации.

Во второй главе приведены результаты анализа оптомеханики ВОД на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом при измерении температуры и давления; дано теоретическое обоснование метода маломодового зондирования окна прозрачности решетки двумя двухчастотными излучениями с различными средними и разностными частотами для их измерения; представлены результаты вычислительных и физических экспериментальных исследований ОЭИА на основе разработанных методов и средств.

Для достижения высокой разрешающей способности в различных сенсорных системах на основе ВРБ применяются как сами решетки, анализ сдвига центральной длины волны которых проводится по узкополосным особенностям их спектральных характеристик, так и более сложные конфигурации, например, интерферометр Фабри-Перо на базе двух ВРБ, характеризующийся наличием очень узкого резонанса и который на сегодняшний день наиболее широко используются на практике. Однако в ВОД наиболее приемлемо использование таких решеток, как решетки с фазовым тг-сдвигом. Реально достижимая полуширина резонансного спектра ВОД в конфигурации ИФП составляет - 0,025 нм (у ВРБ - 0,5 нм). Это значит, что разрешающая способность ИФП в 20 раз лучше, чем у датчика на одной ВРБ. Развивая данный подход можно использовать для создания датчиков ВРБ с фазовым 7г-сдвигом, которая представляет собой простейший ИФП с длиной резонатора, не превышающей Ав. Полуширина резонансного пика такого типа решеток может достигать 0,005 нм, что свидетельствует о возможном увеличении разрешающей способности измерений на два порядка по сравнению с датчиком на одной ВРБ и возможность проведения фазовых измерений по огибающей с частотой 0,4-0,6 ГГц, что достаточно просто реализуется на современной элементной базе. Однако типичные значения сдвига центральной длины волны решетки в зависимости от температуры 10 пм на градус и относительного удлинения волокна I пм на микрострейн накладывают свои ограничения на ширину полосы снизу.

ВРБ с фазовым п-сдвигом характеризуется неоднородностью с размером я, расположенным в середине ее структуры по длине. Наличие неоднородности приводит к появлению в спектре ВРБ узкого окна прозрачности. Для анализа спектральных характеристик применяются различные методы, включая метод матриц передачи до и после фазового сдвига, метод матриц Джонса. Получение наиболее точных спектральных характеристик ВРБ с фазовым сдвигом возможно при использовании метода связанных мод. В работе проанализированы спектральные характеристик окна прозрачности решеток Брэгга с фазовым тг-сдвигом. Моделирование, выполненное в пакете MATLAB, позволило получить зависимости ширины решетки на полувысоте от ее длины и глубины коэффициента модуляции. Полученные значения лежат в пределах 5-60 пм и позволяют строить датчики для контроля температуры и давления с организацией контура автоматического регулирования при достаточно монотонном изменении измеряемых параметров. Также подтверждено, что при изменении измеряемых параметров в пределах ±100 °С и давления, приведенного к натяжению в пределах 10~3 форма решетки и ее окна прозрачности остается неизменной, что требуется для датчиков ВОСОП по температуре и давлению.

На базе теоретического исследования информационной структуры двух-частотного излучения показана возможность измерения различных параметров решеток Брэгга: центральной (брэгговской) длины волны, коэффициента отражения/пропускания на ней, полосы отражения/пропускания решетки на полувысоте. Получены соотношения для анализа спектральных характеристик окна прозрачности на его склонах. Данные результаты были использованы для разработки метода маломодового зондирования ВРБ с фазовым тс-сдвигом двумя

двухчастотными излучениями с разными средними и разностными частотами, при реализации которого не требуется учет фазовых характеристик огибающих.

Метод измерения температуры или давления заключается в том, что генерируют две пары сигналов равной амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном параметре физического поля, и различными разностными частотами, достаточно узкими, для того чтобы обе пары сигналов попали в указанную полосу пропускания, а разность между средними частотами пар равнялась ее полуширине.

Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, принимают прошедшие через оптический датчик пары сигналов, передаваемые по второй оптической среде, выделяют биения пар сигналов на первой и второй разностной частотах и регистрируют амплитуды их огибающих. Для определения параметра физического поля находят разность между амплитудами огибающих, по зависимости от разности амплитуд огибающих определяют обобщенную расстройку полосы пропускания оптического датчика от средней частоты пар сигналов, которая однозначно связана с параметром измеряемых температуры или давления (рис.1).

Получены соотношения, позволяющие качественно и количественно оценить отклик решеток на температуру и давление, определить соответствующие им характеристики измерительного преобразования и погрешности, вызванные мультипликативным характером отклика и отклонениями параметров зондирующего излучения от оптимальных.

В третьем разделе главы приведена структурная схема, разработанной виртуальной экспериментальной ОЭИА. Для компьютерных экспериментов использовался пакет программ ОрН8уз1егп 7.0. Решетка с фазовым я-сдвигом моделировалась в пакете ОрНСга^гщ 4.2 и экспортировалась в пакет Орйзу81ет 7.0. Выполнено моделирование процедуры измерений с использованием метода. Проведены исследования по определению допустимых отклонений на амплитуду зондирующих излучений. Показана пропорциональная зависимость отклонения амплитуд и погрешности измерений.

В четвертом разделе главы проведены исследования ВОД на базе ВРБ с фазовым я-сдвигом для измерения температуры (рис. 2) немаскируемым датчиком, закрепленном на опоре, и измерения давления (рис. 3) для маскируемого датчика, расположенного в грунте на глубине 25 см. ВРБ с фазовым я-сдвигом

II

5 Ч

з §■

ъ 1

\ч

Л

¿/ \

Обобщенная расстройка \ полос« пропускания СЖ1ЙЧССКОГО датчика от средней чзсгош еш-грнройзнньк. пар

сигналов

= К з й

Рис.1

(рис. 4) была изготовлена в лаборатории записи НИИ ПРЭФЖС (рис. 5). Для имитации датчика решетка встраивалась в композит. В качестве метрологического обеспечения исследований использовались анализатор спектра БТВ 5240-Э, интеррогатор М-РХ1е-1078, лазер Ь01-0РВ 1550-20/50-Т28МЗ, модулятор Ма-ха-Цендера ЬЫ635, фотоприемники Ь81РО-А75-РА.

Температура, °С Удлинение,]

Рис. 2 Рис. 3

-------------------------------шт.ш,.............-...........................-...... ШИ I ШИК!

Рис.4 Рис. 5

Проведенные физические эксперименты, подтвердили работоспособность предложенного метода, и показали возможность повышения разрешающей способности измерений в 10-50 раз без необходимости измерения фазовых характеристик зондирующего излучения. Получен патент РФ [6].

В третьей главе приведены результаты анализа оптомеханики ВОД на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом при измерении изгибного натяжения; дано теоретическое обоснование метода маломодового зондирования окна прозрачности решетки двумя двухчастотными излучениями с одинаковой средней и разными разностными частотами для его измерения; представлены результаты вычислительных и физических экспериментальных исследований ОЭИА на основе разработанных метода и средств.

На основе анализа оптомеханики оптического волокна впервые предложены структуры ВОД на базе решеток Брэгга с фазовым тс-сдвигом для получения раздельного отклика на физические поля изгибного натяжения и температуры соответственно с использованием механизма чирпирования и без него.

На рис. 6,а показана схема установки ВРБ длиной [0, Г\ под углом 9 к оси датчика и изменение его структуры до (вверху) и после воздействия (снизу), спектральная характеристика до (А) и после (Б) воздействия - на рис. 6,6.

Для минимизации структуры ВОСОП могут быть использованы структуры каналов, содержащие однотипные датчики, объединенные в группы в определенном порядке с изменяющимся по определенному закону коэффициента отражения, ширины окна прозрачности ВРБ и т.д. В качестве технологии мультиплексирования была предложена частотная рефлектометрия, как наиболее согласованная с предложенной и используемой нами методикой маломодо-вого зондирования ВРБ с фазовым я-сдвигом. Маломодовое лазерное излучение через волоконные ответвители поступает в интерферометры опорного и измерительного плеч системы. После фильтрации и процедуры БПФ отраженные от каждой решетки двухчастотные сигналы с учетом /-ой амплитуды зондирования и спектрального коэффициента отражения могут быть обработаны с помощью предложенных в главах 2 и 3 методах анализа огибающей. Однако проблемой такого решения может являться наличие большого количества переотражений между ВРБ в группе, которые будут определять уровень перекрестных искажений системы. Для их устранения был использован метод анализа распространения электромагнитной волны через многослойную диэлектрическую среду с последовательным отслоением.

Для построения ВОСОП, использующих маломодовые методы зондирования, требуются ВРБ с фазовым я-сдвигом с коэффициентом пропускания окна прозрачности 95-99%, полуширина которого может изменяться в диапазоне - 0,01...0,2 нм, а температурный коэффициент - 0,1... 10 пм/°С. При этом диапазон измеряемых температур составит -45...+80 °С, давлений от 1 до 50 кПа, изгибных натяжений по кривизне в пределах 0,1-6 м-1. При этом стоимость типовой реализации ОЭИА на основе методов маломодового зондирования датчиков в 3-5 раз меньше стоимости типовой широкополосной системы спектрального анализа при сравнении по 10 волоконно-оптическим ветвям с 4-5 однотипными датчиками.

В главе также показаны перспективные области приложения разработанных методов маломодовых измерений в различных оптико-электронных информационно-измерительных системах, в том числе для исследования спектра усиления Мандельштама-Бриллюэна в распределенных датчиках, которые также могут быть использованы в ВОСОП. Для кварцевых волокон сдвиг частоты Мандельштама-Бриллюэна составляет порядка 10-20 ГГц, а усиление наблюдается в полосе пропускания 20-100 МГц. Основными определяемыми параметрами является центральная частота лоренцевского контура усиления, его добротность и коэффициент усиления. При этом для их анализа нами предложены процедуры метода вариации разностной частоты (глава 3).

Полученные в главах 2-3 результаты также были использованы при разработке ВОД на основе ВРБ с фазовым я-сдвигом различного назначения в рамках работ по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 №218 (договор №9932/17/07-К-12 с ОАО «КАМАЗ»), при разработке узкополосных перестраиваемых фильтров в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение №14.В37.21.1522) и договора №НИЦ118, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

В заключении представлены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Совокупность результатов проведенных научных исследований можно квалифицировать как решение актуальной научно-технической задачи улучшения метрологических и технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП на основе применения маломодовых методов зондирования волоконных решеток Брэгга с фазовым я-сдвигом, являющихся чувствительным элементом датчиков охраны периметра.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. На основе систематизации и анализа информации о существующих и перспективных ВОСОП определены возможные пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик их ОЭИА для интеррогации ВОД. Показано, что дальнейшее развитие систем указанного класса может быть основано на использовании простых и дешевых в реализации маломодовых методов зондирования ВОД на основе ВРБ с фазовым л-сдвигом, которые должны быть специально разработаны с учетом процедур прецизионного измерительного преобразования по параметрам огибающей биений спектральных составляющих маломодового излучения и формирования раздельного отклика на воздействие физических полей различной природы при возможном объединении однотипных датчиков в группы.

2. По результатам анализа температурных и барических эффектов и оп-томеханики ВРБ с фазовым я-сдвигом, предложена структура датчика, позволяющего измерять температуру и давление по-изменяющейся под внешним воздействием центральной длине волны окна прозрачности решетки. Разработан метод маломодового зондирования окна прозрачности, который основан на использовании двух двухчастотных излучений с разными средними и разностными частотами. При этом особенностью метода является возможность измерения сдвига центральной длины волны окна прозрачности решетки без учета фазовых характеристик,. Проведены численные и физические эксперименты, подтвердившие работоспособность предложенного метода и показавшие возможность повышения разрешающей способности проводимых измерений при использовании ВРБ с фазовым я-сдвигом в 10-50 раз по сравнению с методами, использующими классические ВРБ. Разработаны методические рекомендации по синтезу структур и выбору средств для реализации метода.

3. По результатам анализа эффектов изгибного натяжения и оптомехани-ки ВРБ с фазовым я-сдвигом, предложена оригинальная структура датчика, позволяющего измерять изгибное натяжение по изменяющейся под внешним воздействием амплитуде и ширине окна прозрачности решетки без смещения ее центральной длины волны. Разработан метод маломодового зондирования окна прозрачности, особенностью которого является возможность измерения его резонансных характеристик (резонансной длины волны, амплитуды и добротности), изменяющихся под воздействием изгибного натяжения, и который основан на вариации разностной частоты двухчастотного зондирующего излучения. Проведены численные и физические эксперименты, подтвердившие работоспо-

собность предложенного метода, и показавшие возможность повышения чувствительности проводимых измерений в 1,7 — 3,2 раза по сравнению с гомодин-ными методами измерений без необходимости измерения фазовых характеристик. Разработаны методические рекомендации по синтезу структур и выбору средств для реализации метода.

4. На базе анализа оптомеханики решеток и синтезированных маломодо-вых методов зондирования разработаны и созданы ВОД, использующие ВРБ с фазовым тг-сдвигом, и модули ОЭИА ВОСОП с улучшенными метрологическими характеристиками. Разработаны рекомендации по их проектированию и применению в зависимости от требований, предъявляемых к ним условиями эксплуатации конкретной системы, например, при необходимости раздельной регистрации одновременно действующих физических полей различной природы или необходимости анализа однотипных решеток, объединенных в группу. Показана возможность построения ОЭИА ВОСОП, характеризующаяся улучшенными технико-экономическими характеристиками. При этом стоимость типовой реализации ОЭИА, построенной на основе методов маломодового зондирования ВОД на ВРБ с фазовым я-сдвигом, в 3-5 раз меньше стоимости типовой широкополосной системы спектрального анализа. Проанализированы перспективные области приложения разработанных методов и средств.

Результаты диссертационной работы внедрены в виде датчиков и модулей ОЭИА, программных средств, рекомендаций по проектированию и учебно-методических материалов.

Новизна и полезность технических решений подтверждены двумя патентами на полезную модель РФ.

СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Куприянов, В.Г. Волоконно-оптические технологии в распределенных системах экологического мониторинга / В.Г. Куприянов, O.A. Степущенко, В.В. Куревин [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Т. 13 (34). - №4(4).-С. 1087-1091.

2. Куприянов, В.Г. Определение характеристик спектра усиления Ман-дельштама-Бриллюэна с помощью двухчастотного зондирующего излучения / О.Г. Морозов, Г.А. Морозов, A.A. Талипов, В.Г. Куприянов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - № 3. - С. 95-101.

3. Куприянов, В.Г. Маломодовое зондирование датчиков на основе волоконных решеток Брэгга / В.Г. Куприянов, О.Г. Морозов, A.A. Талипов [и др.] // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - № 4. - С. 200-204.

Публикации в иностранных изданиях, входящих в базу данных Scopus:

4. Kouprianov, Vladimir G. Structural minimization of fiber optic sensor nets for monitoring of dangerous materials storage /' Oleg G. Morozov, Gennady A. Mo-rozov, Vladimir G. Kouprianov [et al.] // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. - 2011. - V. 7992. - P. 79920E-9

15. Куприянов, В.Г. Волоконно-оптические технологии в распределенных системах экологического мониторинга Z О.Г. Морозов, В.Г. Куприянов, O.A. Степущенко и др. ZZ Труды VI МНТК «Авиакосмические технологии, современные материалы и оборудование. АКТО-2011». - Казань, КНИТУ-КАИ. 2011.-Т. 2. С. 361 365.

16. Куприянов, В.Г. Волоконно-оптические распределенные системы экологического мониторинга Z О.Г. Морозов, В.Г. Куприянов, O.A. Степущенко и др. ZZ Труды XII МНТК «Проблемы техники и технологий телекоммуника ций». - Казань, КНИТУ-КАИ. 2011.-С. 338 339.

17. Куприянов, В.Г. Волоконно -оптические технологии в распределенных системах экологического мониторинга Z О.Г. Морозов, В.Г. Куприянов, O.A. Степущенко и др. ZZ Сборник трудов III Международного экологического ко н-гресса ЭЛПИТ-2011.-Тольятти, ТГУ. 2011. - С. 156 162.

18. Куприянов, В.Г. Методы и средства двухчастотного зондирования распределенных и квазираспределенных датчиков в волоконно -оптических системах охраны периметра Z О.Г. Морозов, В.Г. Куприянов, Л.М. Сарварова и др. ZZ Труды XI МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». -Екатеринбург, УГУ. 2011. С. 241 243.

19. Куприянов, В.Г. Определение характеристик спектра усиления Ман-дельштама-Бриллюэна с помощью двухчастотного зондирующего излучения Z О.Г. Морозов, Г.А. Морозов, A.A. Талипов, В.Г. Куприянов ZZ Труды VII МНТК «Авиакосмические технологии, современные материалы и оборудование. АКТО-2012»,- Казань, КНИТУ-КАИ. 2012. С. 208 215.

20. Куприянов, В.Г. Исследование спектра вынужденного рассеяния Бриллюэна с помощью двухчастотного зондирования Z О.Г. Морозов, В.Г. Куприянов, A.A. Талипов и др. ZZ Труды XIII МНТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». - Уфа, УГАТУ. 2012. - С. 300 302.

Подписано в печать 20.11.2013. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Формат 90x64 „„. Усл.печ.л. 1,63. Уч.-изд.л. 1,25. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ 11 /02. Издательство ООО «Новое знание» 420029, г.Казань, ул.Сибирский тракт, 34, корпус 10, помещение 6.

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфическом участке ООО "Новое знание". 420029, г.Казань, ул.Сибирский тракт, 34, корпус 10.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева-КАИ»

КУПРИЯНОВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ

МАЛОМОДОВЫЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ РЕШЕТОК БРЭГГА С ФАЗОВЫМ тг-СДВИГОМ В СИСТЕМАХ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА

Специальность 05.11.07 -Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Морозов Олег Геннадьевич

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ

И НОРМАТИВНЫХ ССЫЛОК..................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

ГЛАВА 1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ .23

1.1 Волоконно-оптическая система охраны периметра

как информационно-измерительная система....................................................24

1.2 Методы и средства оптико-электронных измерений в ВОСОП...............28

1.2.1 Технологии оптико-электронных измерений.........................................28

1.2.2 Оптико-электронные методы зондирования и интеррогации ВРБ......35

1.2.3 Маломодовые методы зондирования

избирательных волоконно-оптических структур............................................40

1.2.4 Краткое обсуждение результатов анализа..............................................46

1.3 Оптомеханика волоконно-оптических датчиков на основе ВРБ..............48

1.4 Выводы по главе. Постановка задач исследований...................................55

ГЛАВА 2. МЕТОД МАЛОМОДОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА С ФАЗОВЫМ тг-СДВИГОМ В ДАТЧИКАХ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ..................................................58

2.1 Оптомеханика волоконных решеток Брэгга с фазовым 71-сдвигом

в датчиках температуры и давления..................................................................61

2.2 Принципы двухчастотного зондирования

окна прозрачности ВРБ с фазовым 7г-сдвигом.................................................70

2.3 Двухчастотный метод попарного зондирования ВРБ

с различными средними и разностными частотами.........................................76

2.3.1 Описание метода........................................................................................78

2.3.2 Структурная схема устройства для реализации метода........................81

2.3.3 Виртуальное моделирование метода в среде ОрЙ8у81ет 7.0.................84

2.3.4 Исследование методических погрешностей

двухчастотного метода попарного измерения.................................................87

2.3.5 Выводы по разделу....................................................................................90

2.4. Виртуальное и экспериментальное исследование датчиков температуры и давления для реализации метода.............................................91

2.4.1 Виртуальное моделирование ВРБ с фазовым 71-сдвигом

в программном пакете Орй8уз1ет....................................................................91

2.4.2 Экспериментальное исследование датчиков температуры

и давления на основе ВРБ с фазовым 7г-сдвигом............................................91

2.5. Выводы по главе.........................................................................................100

ГЛАВА 3. МЕТОД МАЛОМОДОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА С ФАЗОВЫМ тг-СДВИГОМ В ДАТЧИКАХ ИЗГИБНОГО НАТЯЖЕНИЯ.......................................................101

3.1 Оптомеханика волоконных решеток Брэгга с фазовым 7г-сдвигом

в датчиках изгибного натяжения.....................................................................103

3.2 Метод вариации разностной частоты для зондирования

ВРБ в датчиках изгибного натяжения.............................................................109

3.3 Устройство для реализации метода вариации разностной частоты.......114

3.4. Анализ методических погрешностей 5 при реализации метода вариации разностных частот....................................121

3.5 Экспериментальное исследование датчиков изгибного натяжения......128

при реализации метода вариации разностных частот....................................128

3.6. Выводы по главе.........................................................................................134

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ОЭИА ВОСОП НА ОСНОВЕ ВРБ с ФАЗОВЫМ тг-СДВИГОМ

И МЕТОДОВ МАЛОМОДОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ......................................135

4.1 Общая структура ОЭИА ВОСОП..............................................................136

4.2 Разработка методических рекомендаций по выбору решений

для одновременной регистрации полей различной физической природы ..140

4.3 Разработка методических рекомендаций по выбору решений для регистрации физических полей однотипными ВРБ,

объединенными в группы.................................................................................145

4.4 Определение характеристик спектра усиления Манделыитама-Бриллюэна с помощью

"« двухчастотного зондирующего излучения

^ в датчиках ВОСОП распределенного типа.....................................................151

4.4.1 Теоретические предпосылки..................................................................151

4.4.2 Вынужденное рассеяние и усиление Манделыптама-Бриллюэна......153

4.4.3 Двухчастотное зондирование контура усиления

Манделыитама-Бриллюэна..............................................................................155

4.4.4 Определение основных параметров

контура усиления Манделыптама-Бриллюэна...............................................157

4.4.5 Выводы по разделу

4.5 Выводы по главе.........................................................................................159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................181

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ И НОРМАТИВНЫХ ССЫЛОК

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ВБР — волоконная брэгговская решетка;

ВОД - волоконно-оптическая решетка Брэгга;

ВОК - волоконно-оптический кабель;

ВОСОП - волоконно-оптическая система охраны периода;

ВРБ - волоконная решетка Брэгга;

ВРМБ - вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна;

ДПВР - длинно-периодная волоконная решетка;

ИЗИ - источник зондирующего излучения;

ИФП - интерферометр Фабри-Перо;

КП - контроллер поляризации;

ЛД - лазерный диод;

ЛЭП - линия электропередачи;

ОВ - оптическое волокно;

ОПР - оптическая пространственная рефлектометрия; ОЭИА - оптико-электронная измерительная аппаратура; ПЗС - прибор с зарядовой связью; ГШ - показатель преломления;

СУМБ - спектр усиления Манделыитама-Бриллюэна;

ТУВ - тестируемый участок волокна;

ФД - фотодетектор

ФПУ - фотоприемное устройство;

ФЧХ - фазочастотная характеристика;

FWHM - full width on half maximum {от англ. - полная ширина на полувысоте);

MSL - microstrain locator {от англ. - локатор микродеформаций);

OTDR - optical time domain reflectometry (от англ. - оптическая рефлек-тометрия во временной области);

SNR - отношение сигнал/шум;

Aj(z), Bj(z) - встречные волны, распространяющиеся в ВРБ; /¡j-частотная составляющая двухчастотного сигнала; A/pi - разностная частота двухчастотного сигнала; fox - средняя частота двухчастотного сигнала; F, - матрица передачи;

т - коэффициент модуляции огибающей биений двухчастотного сигнала; п - эффективный показатель преломления основной моды; Ру - коэффициенты Поккельса упруго-оптического тензора; Т{Х) - спектральное окно прозрачности ВРБ с фазовым сдвигом; AT- изменение температуры;

а - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла;

в - приложенное механическое напряжение;

в0 - средняя обобщенная расстройка двухчастотного сигнала;

Ав - расстройка между составляющими двухчастотного сигнала; к - коэффициент изгиба оси датчика изгибного натяжения; к - общий «переменный» коэффициент связи мод; у- коэффициент Пуассона;

- термооптический коэффициент волокна; Хвв ~ резонансная длина волны Брэгга; а - общий «постоянный» коэффициент связи мод; ф{г) - фазовый сдвиг внутренней структуры ВРБ. В настоящей диссертации использованы нормативные ссылки на:

1. ГОСТ Р 50775-95. Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования. Раздел 1. Общие положения. Введен в действие в 1995 г.

2. ГОСТ Р 50776-95. Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования. Раздел 4. Руководство по проектированию, монтажу и техническому обслуживанию. Введен в действие в 1995 г.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, С развитием сенсорных волоконно-оптических технологий волоконно-оптические датчики (ВОД) становятся одним из перспективных инструментов, применяемых для систем охраны периметра (СОП). В сравнении с классическими СОП, которые используют ультразвуковые, радиочастотные, инфракрасные технологии и датчики, ВОД имеют существенные преимущества по высокой чувствительности, простоте структуры, компактности, возможности контроля больших расстояний и поверхностей при любых погодных условиях, высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам, а также устойчивости к коррозии.

Для построения волоконно-оптических СОП (ВОСОП) используются телекоммуникационные волокна, например, 8МР-28, при этом они могут быть использованы и как распределенный датчик, и как среда передачи информации. Значительное внимание в области ВОСОП отводится использованию квазирас-пределенных и точечных технологий измерений. В этом случае волокно используется только как среда передачи информации от ВОД, мультиплексированных по различным законам.

В качестве одной из наиболее применимых технологий построения ВОД выступают технологии внутриволоконных решеток Брэгга (ВРБ). Преимущества ВРБ заключаются в уникальном преобразовании измеряемой величины в смещение длин волн, отраженного или прошедшего через нее излучения, и в возможности простого изготовления. ВРБ способны измерять широкий спектр параметров, таких как натяжение, давление, вибрации, тепловые деформации, что основано на двойственной чувствительности решеток к механическому на-

пряжению и температуре, и имеют потенциал для одновременного измерения обоих параметров. Спектральные характеристики ВРБ носят резонансный характер, однако функция преобразования «длина волны»-«амплитуда» для их оценки в области резонанса либо осциллирует, либо имеет достаточно плоский характер. Поэтому для повышения разрешающей способности измерений ищут естественные узкополосные неоднородности в спектре ВРБ или синтезируют ВРБ с неоднородностями в структуре. В последнее время в структуре ВОД начинают активно применяться ВРБ с неоднородностью в виде дискретного фазового л-сдвига в законе модуляции коэффициента преломления решетки.

Для преобразования информации с ВРБ используется широкополосная или перестраиваемая в широком диапазоне оптико-электронная измерительная аппаратура (ОЭИА): оптические анализаторы спектра, перестраиваемые лазеры, оптические рефлектометры во временной (OTDR) и частотной (OFDR) областях, сканирующие интерферометры Фабри-Перо, дифракционные решетки с ПЗС матрицами и др. Исследованиям указанных технологий посвящены труды российских ученых Е.М. Дианова, Ю.Н. Кульчина, О.Б. Витрика, С.А. Бабина, С.А. Васильева, A.C. Куркова, И.О. Медведкова, A.C. Введенского и др., ведущих исследования в НЦВО РАН, ИРЭ РАН, ДВФУ, ФГУП ВНИИОФИ, ИТМО, МГТУ им. Н.Э. Баумана. Известны разработки зарубежных ученых, в том числе Е. Udd, I. Bennion, X. Dong, G. Gagliardi и других.

Практические разработки фирм FFT, AgilFence, Paulsson, Прикладная радиофизика, Т8, Петролайт, Инверсия-Файбер и др. применяются для построения ВОСОП различного назначения.

Особенностью работ представленных авторов и фирм является применение сложных алгоритмов «подгонки» для определения с требуемой точностью значения центральной длины волны ВРБ; использование классических ВРБ, характеризующихся мультипликативностью отклика на физические поля различной природы и неоднозначностью измерительного преобразования, что требует дальнейшего алгоритмического разделения и анализа информации или применения многослойных нейросетевых самообучающихся структур.

Этому способствует устоявшийся подход к СОП, и ВОСОП в том числе, как к системам обнаружения. В условиях современного развития нейросетевых технологий и возможности обучения систем различать внешние воздействия по многим факторам на первый план выходит подход к СОП как к измерительной системе. При этом рассмотрению подлежат технологии построения датчиков физических полей на основе ВРБ с возможностью получения раздельного отклика на физические поля различной природы, использование технологий построения ВРБ с существенными неоднородностями для повышения разрешающей способности измерений, а также методов и средств реализации узкополосной ОЭИА для регистрации последних.

В последнее время значительного прогресса в плане точности и разрешающей способности измерений, а также практичности применения достигли технологии узкополосного маломодового зондирования ВРБ (двух-, трех- или четырехчастотным непрерывным излучением), что делает их конкурентоспособными для указанных выше методов преобразования информации по метрологическим характеристикам, простоте и стоимости реализации. Их основным достоинством является отсутствие необходимости проведения измерений в области резонанса спектральной характеристики решетки. Данным исследованиям посвящен ряд работ указанных ранее авторов, а также работы научной школы, сложившейся в КНИТУ-КАИ под руководством Польского Ю.Е., Ильина Г.И., Морозова О.Г., Ильина А.Г. и др.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность темы и научно-технической задачи разработки методов и средств маломодового анализа спектральных характеристик ВОД на основе ВРБ с фазовым ти-сдвигом, предназначенных для раздельной регистрации физических полей различной природы (температуры - точечные датчики открытой и скрытой подземной установки, давления - точечные и квазираспределенные датчики скрытой подземной установки по периметру, изгибного натяжения - квазираспределенные датчики открытой установки на заграждениях) и построения на их основе ОЭИА ВОСОП.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой задачи. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, выполняемых КНИТУ-КАИ в рамках Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 №218, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственного задания Минобрнауки РФ и ряда инициативных хозяйственных договоров.

Объектом исследования является оптико-электронная измерительная аппаратура волоконно-оптических систем охраны периметра.

Предмет исследования - волоконно-оптические датчики систем охраны периметра и методы их зондирования.

Цель настоящей работы — улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра на основе применения мало-модовых методов зондирования волоконных решеток Брэгга с фазовым л-сдвигом, являющихся чувствительными элементами ее датчиков.

Научная задача диссертации - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры волоконно-оптических систем охраны периметра, основанной на особенностях применения датчиков, построенных на базе волоконно-оптических решеток Брэгга с фазовым тг-сдвигом, возможности получения от них раздельного отклика на воздействия физических полей различной природы и объединения однотипных решеток в группы, а также методов маломодового зондирования для определения их спектральных характеристик, как основных характеристик измерительного преобразования.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

1. Сравнительный анализ характеристик существующих и перспективных ВОСОП, в том числе с ВОД, построенными на базе классических ВРБ и ВРБ с фазовым тг-сдвигом; выявление резервов для улучшения метрологических и

технико-экономических характеристик ОЭИА ВОСОП, основанных на применении для анализа спектральных характеристик ВРБ маломодового излучения.

2. Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым тг-сдвигом с целью построения на их основе датчиков температуры и давления; теоретическое обоснование метода измерения температуры и давления на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым тг-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с различными средними и разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.

3. Исследование оптомеханики ВРБ с фазовым тс-сдвигом с целью построения на их основе датчиков изгибного натяжения; теоретическое обоснование метода измерения изгибного натяжения на основе маломодового зондирования окна прозрачности ВРБ с фазовым тг-сдвигом с помощью двух двухчастотных излучений с одинаковой средней и различными разностными частотами; проведение вычислительных и физических экспериментов для подтверждения работоспособности и оценки преимуществ метода и датчиков.

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию ОЭИА ВОСОП для регистрации температуры, давлен