автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование волоконно-оптических линий свяхи и преобразователей на базе интерферометра Фабри-Перо

На правах рукописи

КБ ОЦ

3 1 ОПТ пп

Виноградова Ирина Леонидовна О

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА БАЗЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ - ПЕРО

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2000

Работа выполнена на кафедре "Телекоммуникационные системы" Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета, в опытно-конструкторском бюро "Заряд" при Башкирском Государственном Университете.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Султанов А. X.

кандидат технических наук, доцент Тухватуллин Р. А.

Официальные оппоненты :

доктор физико-математических наук, профессор Житников В. П. кандидат технических наук, доцент Бурдин В. А.

Ведущая организация - ГУП НИИ "Полигон"

Защита диссертации состоится "14 " июня 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К - 063.17.01 по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского Авиационного Технического Государственного Университета.

Автореферат разослан" 4 " мая_2000 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета К - 063.17.01 Бакусов Л. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время научно-технический прогресс невозможен без применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), одним из достоинств которых является устойчивость к помехам, связанным с внешними возмущениями. Тем не менее, существует величина РЕ > 0, характеризующая вероятность возникновения ошибок считывания двоичных разрядов в ВОЛС. Это приводит к необходимости подбирать оптимальные значения всех входящих в структуру линии связи параметров. При подключении к ВОЛС различных устройств на стыках оптических волокон в случае рассогласованного разъема, возникают многолучевые интерференционные явления, которые приводят к искажению передаваемых сигналов, уменьшению отношения "сигнал/шум", увеличению РЕ. С развитием скоростных оптоволоконных вычислительных сетей с высокой степенью структуризации (межсегментной, внутриуровневой и межуровневой коммутацией) и появлением технологии передачи информации со спектральным уплотнением DWDM эта проблема становится особенно актуальной, поскольку возрастает количество компонентов в тракте передачи. Такие оптические процессы подобны процессам, возникающим в интерферометре Фабри-Перо (ИФП), следовательно, линия связи может рассматриваться в виде композиции элементов ИФП.

В настоящей работе изучаются процессы в ИФП применительно к ВОЛС, а также исследуется возможность построения помехоустойчивых волоконно-оптических измерительных преобразователей (ВОИП). Преимущество ВОИП по сравнению с традиционными датчиками физических величин связано не только с их потенциально более высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, но и с возможностью их интеграции с ВОЛС. Применение ИФП для построения датчиков физических величин интересно с точки зрения большей чувствительности многолучевого интерферометра, компактности изготовления и большей защищенности от влияния внешних возмущений.

Цель работы. Разработка математических моделей процессов в ИФП со спектрально модулированным излучением для исследования влияния многолучевой интерференции на распространяющийся в ВОЛС импульсный сигнал и построения помехоустойчивых ВОИП.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи :

• Разработка модели сегмента ВОЛС, представляющей собой распределенную систему независимых элементов ИФП. Изучение влияния многолучевой интерференции на импульсный сигнал в цифровом канале передачи информации.

• Математическое моделирование и исследование характеристик интерференционных помех, вносимых элементами ИФП : амплитуды отраженной волны и спектральной плотности мощности.

• Разработка математической модели и исследование взаимодействия двух связанных ИФП.

• Разработка математической модели помехоустойчивых измерительных преобразователей с ИФП. Изучение влияния дестабилизирующих факторов на передаточную характеристику ВОИП с ИФП.

• Разработка моделей новых устройств сопряжения для ВОЛС, нового способа измерения перемещений и конструкций новых ВОИП с ИФП, реализованных по этому способу.

Методы исследований. Исследования выполнены с использованием теории физической, геометрической оптики и теории случайных процессов. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного.

Научная новизна работы заключается в следующем :

• Новом подходе моделирования сегмента ВОЛС в виде распределенной системы элементов ИФП.

• Анализе влияния многолучевой интерференции на импульсный сигнал в цифровом канале передачи информации.

• Моделировании двух связанных интерферометров, получении и исследовании передаточной характеристики такого устройства.

• Разработке математической модели помехоустойчивых измерительных преобразователей с ИФП.

Практическая ценность. Разработаны новые модели волоконно-оптических разветвителей, позволяющие уменьшить влияние многолучевой интерференции на распространяющийся в ВОЛС сигнал. Предложены новые

модели измерительных преобразователей с ИФП и способы их использования при измерении физических величин. Представлены рекомендации по улучшению метрологических характеристик новых моделей ВОИП.

На защиту выносятся :

1. Модель сегмента BOJIC, представляющая собой композицию элементов ИФП, позволяющая проводить анализ влияния многолучевых интерференционных явлений на распространяющийся оптический импульсный сигнал.

2. Математическое моделирование и исследование амплитуды отраженной волны и спектральной плотности мощности интерференционных помех совокупности элементов ИФП в ВОЛС.

3. Математическая модель системы связанных ИФП.

4. Математическая модель помехоустойчивых ВОИП с ИФП с учетом влияния дестабилизирующих факторов.

5. Новые модели устройств сопряжения для BOJIC, новый способ измерения перемещений и конструкция нового волоконно-оптического датчика перемещений. Использование разработанного датчика для коррекции изображения фотоплоттера "Микроника".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на V Международной конференции по радиолакации, навигации, связи - RLNC'99, г. Воронеж, 1999 г., Всероссийской научно-технической конференции РАДИО И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, ЛОКАЦИЯ И НАВИГАЦИЯ, г. Воронеж, 1997 г., 36 Международном коллоквиуме : 36.1 Internationales wissenschaftliches kolloquium, 21. - 24.10.1991 г., Technische hochschule ILMENAU, межвузовских конференциях, а также на семинарах кафедр УГАГУ, БашГУ и института математики УНЦ РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, 2 авторских свидетельства СССР и Патент Российской Федерации, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка сипользуемой литературы. Содержит 145 стр. машинописного текста, 90 рисунков, список использованной литературы из 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современного состояния волоконно-оптических линий связи. Проведена классификация ВОЛС и дан обзор известных методов моделирования и расчета характеристик локальных оптоволоконных вычислительных сетей. Показано, что из-за несовершенства компонентов оптоволоконного тракта (несогласованные разъемы, дефекты в световодах и пр.) в местах нарушения постоянства оптического показателя преломления появляется многолучевая интерференция, которая оказывает негативное влияние на распространяющийся сигнал, увеличивает уровень помех. Для описания этого явления сегмент оптоволоконной линии передачи можно рассматривать как композицию (связанную систему) элементов ИФП.

Современные волоконно-оптические измерительные системы предполагают совместное использование ВОЛС и ВОИП. Развитие волоконно-оптических преобразователей перспективно с точки зрения их более совершенных метрологических показателей и удобства интеграции с ВОЛС. Математические модели и инженерные методики проектирования ВОИП направлены на получение передаточных характеристик устройств, оценок влияния возмущающих факторов (шумов, параметров окружающей среды, случайных изменений уровня мощности излучателя и пр.). Применительно к ВОИП передаточная характеристика определяет отношение выходного оптического сигнала к входному. Приведен обзор литературы, касающийся применения ИФП при построении ВОИП, описаны основные результаты и модели других авторов.

Во второй главе моделируется влияние многолучевой интерференции на распространяющийся в ВОЛС импульсный сигнал в предположении, что оптическая волна, распространяющаяся в световоде - плоская. Так как многолучевая интерференция возникает в каждой области, где происходит локальное изменение оптического показателя преломления среды, предлагается модель сегмента оптоволоконной линии передачи в виде композиции независимых элементов ИФП. Для выяснения результата взаимодействия интерферометров получена лучевым методом и проанализировна передаточная характеристика

ИФП,

4 ст, а^а.

аг п2р

ИФП

Рис. 1. Устройство, представляющее собой два связанных ИФП - ДИФП.

устройства, представляющего собой два связанных ИФП - ДИФП (двойной ИФП). Передаточная характеристика ДИФП, изображенного на рис. 1, имеет вид:

Е= _ео\К<з;2 - к

Е0А/о-,ег2 -к,кгЪгуг •(г.г,)2

1 -г.г.-Тлл -г,?-,]

_ЕоУ^сг; к,к4ггГг (г,г,)'

0)

"У 2 = ехр

5ю • п2Ь2 2с

, 5ш

2[1-(2,У,)г 'ч/ЛРГ]

где Е - векторная напряженность электрического поля на выходе ДИФП, а„ а2, п,, п2, р„ р2, о2, И,, Ь2 - параметры ИФП, и ИФП2 (по порядку коэфф. затухания, преломления, отражения, пропускания, базы); Р, = 2тип1/Х, р2 = 2лпг1"к\ ~К -

7 _ рЧаг») у7 _ ~-(а2-1) у ,»-Кр2ь2) „ длина волны излучения, ¿1-е хе ил2-е хе ; Я,,

112 - коэфф. разделения по мощности и соответствующие им к,, к2, к3, к4 - ко-

{5и • П|Ь| --2с—

ширина спектра излучения лазера, с - скорость света. Интенсивность излучения на выходе ДИФП определится как произведение комплексной величины Е на ее сопряженную величину.

Получены кривые, характеризующие оптическую мощность на выходе ДИФП в зависимости от изменения баз интерферометров и различных их конструктивных параметров. Проведенные исследования показали, что в целом передаточная характеристика ДИФП аналогична передаточной характеристике ИФП с той лишь разницей, что пики ДИФП имеют фронты разной длительности и разную амплитуду. Следовательно, при моделировании ВОЛС правомерно провести замену связанных ИФП не связанными. Далее взаимодействие между интерферометрами не учитывается. Кроме того, из-за малой длины когерентности излучения, в дальнейших расчетах предполагается, что отрезки

й

световодов между адресатами не приводят к возникновению многолучевой интерференции.

Исследования показали, что в локальной линии связи с пропускной способностью порядка 450 Гбит/с, собранной без согласующих устройств, совместное действие электронно-фотонного резонанса и многолучевой интерференции приводит к размытию сигнальных импульсов. Даже при незначительном отражении от торца световода, в пределах 3 ... 5 %, во время нарастания фронта импульса появляются характерные пики интенсивности. Проведен расчет для сегмента ВОЛС из нескольких элементов ИФП, которые имеют различные случайные параметры, отличающиеся не более, чем на 10 % (рис. 2).

£ 1.0

интерференционная

помеха /\ \ ,

0.5

| 0.0 е

р = 0.04 Ь = 100 мкм п = 1

Время I' 10 с

Рис. 2. Один из возможных реальный вид фронта тра-пециидального сигнального импульса.

Прежде всего, искажение фронтов импульсов приводит к тому, что порог срабатывания в решающем устройстве для импульса с искаженными фронтами достигается в другой момент времени по отношению к неискаженным фронтам импульса. Происходит задержка по времени Д1 и, соответственно, фазовая задержка между последовательностями импульсов. Исследования, проведенные для сигналов с позиционно-импульсной модуляцией (ПИМ) и с амплитудной манипуляцией (АМ), показали, что вероятность возникновения ошибки РЕ зависит от относительного смещения импульсов е = |2Дг]/Т и отношения "сигнал/шум" в линии связи. Построены графические зависимости величины РЕ от перечисленных влияющих факторов. Расчет показал, что для ПИМ-сигнапов режим работы системы с е = 0.06 и отношением "сигнал/шум" = 20 является допустимым, т. е. вероятность ошибки не превысит величину РЕдо„ = 10"9. Для АМ-сигналов допустимый режим работы останется при е = 0.03 и

"сигнал/шум" = 20. В данном рассмотрении АМ-сигналы являются конечной стадией сигналов с импульсно-кодовой модуляцией.

Для активных компонентов ВОЛС опасна ситуация, когда все или часть интерферометров уйдут из максимума своих передаточных характеристик и появится отраженная волна. С целью ее оценки проведено статистическое описание элементов ИФП и получено выражение для среднестатистичекого значения отраженной волны. Ввиду малого значения коэффициента отражения зеркал ИФП р функция передаточной характеристики ИФП апроксимирована ступенчатой функцией из трех ступеней с критерием а. Согласно этой модели, для случая равновероятного нахождения интерферометра в состоянии на передаточной характеристике, каждый элемент ИФП находится в одном из трех своих состояний - максимуме передаточной характеристики (max), среднем состоянии (ср) и минимуме (min). Отраженную волну определяют интерферометры, находящиеся в ср и min, они понижают общий уровень сигнала, следовательно и вызывают отражение. Амплитуда отраженной волны Д_ определяется выражением:

ИФП, находящихся в min и ср соответственно и зависят от количества интерферометров в ВОЛС.

В рамках рассматриваемой модели разработана методика представления многих ИФП в ВОЛС в виде случайного марковского процесса с непрерывным временем и дискретным множеством состояний. Для ВОЛС из трех ИФП построен граф состояний, составлена и решена система дифференциальных уравнений Колмогорова. Эта методика позволяет определить вероятность появления максимальной и наиболее вероятной отраженной волны. В данном примере для установившегося режима:

1. максимальная амплитуда отраженной волны : А тах = 1.67 дБ появляется с вероятностью Р(Л_,11ах) = 0.00051;

2. наиболее вероятная амплитуда отраженной волны : А ВЕР = 0.31 дБ имеет вероятность Р(Д ) = 0.3851. Расчет проведен для р = 0.05.

(2)

Величины к и I представляют среднестатистические количества элементов

3. Вероятность отсутствия отраженной волны : Р(Л_ = 0) = 0.00051. В результате проведения макетного эксперимента исследована амплитуда отраженной волны в зависимости от параметров и количества элементов ИФП в ВОЛС. Отличие теоретических и экспериментальных результатов составляет не более 5 %. Значение Д_ используется для оценки величины отношения "сигнал/шум" в линии связи.

Теоретически и в результате проведения вычислительного эксперимента исследован спектр помех многих элементов ИФП в ВОЛС. Расчет показал, что спектр помех зависит от характера внешнего воздействия. В случае квазиде-терминированного изменения параметров ИФП шум-фактор помех представляется убывающей кривой по мере возрастания частоты (рис. 3).

Случайные изменения параметров ИФП (базы ИФП) стационарного характера имеют гауссовское распределение и спектр помех определяется видом функции корреляции. Для описания нестационарного случайного изменения параметров ИФП разработана методика представления многих ИФП в ВОЛС в

^олс М-

ДБ

~1-1-1-Г-1-г

10 6 105 10 4 103 Ю2 10' 1

10 ю2 ю3 ю4

Частота, Гц

Рис. 3. Шум-фактор помех четырех элементов ИФП в ВОЛС при квазидетерминиро-ванном внешнем воздействии.

виде случайного марковского процесса с непрерывным временем и непрерывным множеством состояний. Для ВОЛС из четырех ИФП в случае, когда изменения базы интерферометров являются процессом Орнштейна-Уленбека, определена переходная функция марковского процесса:

п, *и\ 0-794 / (/г - /¡ь • ехр(-0.6 • I))21

р(п0^,п) = , , . хех/Х-0.631----——-—>. т

* ^\-ехр{-1.2-*) \-ехр(-\.2-1) \ ^

В (3) время I измеряется в секундах, Ь и Ь0 - в микрометрах.

Функции корреляции и спектры процессов малых отклонений базы ИФП и изменения оптической мощности на выходе ВОЛС, состоящей из одного

£>ифп(ш) и четырех 8В0ЛС(ю) элементов ИФП, получены путем численного интегрирования (рис. 4).

В(т), «10

Е(со), ГЦ «10

0.9 0В 0.7 0.8 0.5 0 4

3 20 40 60 80 100 Интервал времени, мке

10 20 30

Частота, кГц

Рис. 4. Функции корреляции и спектр помех для четырех ИФП в ВОЛС.

а) Функции корреляции, кривая 1 - В,,(т), 2 - В[мп(т), 3 - Вволс(т).

б) Спектральные плотности мощности, 1 - б^со), 2 - 8ИФП(о), 3 - 8[юлс(и).

В ходе вычислительного эксперимента проведено моделирование псевдослучайных процессов: отклонения базы ИФП, относительной оптической мощности на выходе ИФП и относительной мощности на выходе линии связи, состоящей из пяти элементов ИФП (рис. 5). Разработана методика моделирования на ЭВМ влияния случайных изменений параметров ИФП на характеристики ВОЛС. Определены корреляционные функции и спектры перечисленных

процессов. Корреляционные функции близки по виду к кривой . Отклонения от этой кривой обусловлены наличием известных зависимостей между входящими величинами, а также погрешностями счета.

В

1 .ф), Гц'« К)'

К N ! ч-

4;

2 ;

I

0 ^-----

.Г

10

15 20 25 Частота, кГц

Рис. 5. Спектры процессов, полученные в результате вычислительного эксперимента. 1 - бь(ю), 2 - 8ИФП(со), 3 -$волс(ю)-

о

Спектры процессов отклонения базы ИФПи относительной оптической мощности на выходе линии связи близки к спектру "квазибелого" шума, отклонения между графиками предлагается оценивать через П - фактор :

{$ъопс(и>)-Ч(й))тт е> ..........(4)

П =

• — •100%, р..

где ю - частота, на которой происходит наибольшее отклонение кривых Бь(сй) и БволсС®)» Ру - верхняя частота спектра. В данном случае а = 19100'2и 1/с и П = -14%.

Исследования показали, что наличие элементов ИФП в ВОЛС приводит к появлению мультипликативной помехи в полосе частот от 0 до верхней частоты, составляющей порядка 20 кГц. Спектр этих помех близок к спектру "квазибелого" шума. В цифровых системах передачи такую помеху можно устранить применением современных методов обработки сигнала. Однако в аналоговых линиях связи, таких как телевизионные, интерференционная помеха будет присутствовать как мультипликативная, что вызовет ухудшение качества связи.

В третьей главе теоретически исследуется возможность построения помехоустойчивого ВОИП с ИФП, в работе которого используется действие многолучевой интерференции в ИФП на спектрально-модулированный по гармоническому закону сигнал. Модуляция спектра излучения проводилась путем модуляции тока накачки полупроводникового лазера. Получено выражение для относительной оптической мощности на выходе интерферометра РифпСО-

1 - ДЬ = 0.10;

2 - ДЬ = 0.21;

3 - ДЬ = 0.23;

4 - ДЬ = 0.25;

5 - ДЬ = 0.55.

2

'¿Л и

Рис. 6. Передаточные характеристики Риоп№ Для различных значений малого изменения Ь (в мкм).

В координатах мощность и время график функции РИФП(0 представляет собой периодическую кривую (рис. 6). Количество пиков на периоде и их форма зависят от величины модуляции тока накачки, параметров интерферометра и лазера, и от базы ИФП Ь. При изменении Ь (все остальные параметры фиксированы) форма передаточной характеристики ИФП меняется следующим образом: два импульса приближаются, сливаются в один, который уменьшается по мере зарождения двух следующих импульсов с краев, и далее процесс повторяется. Из выходного периодического сигнала ИФП выделяется первая а, и вторая а2 гармоника. Для формирования выходного сигнала ВОИП используется отношение амплитуд второй гармоники к первой Б = а2/а,. Функция отношения амплитуд гармоник в приближении идеальной параллельности зеркал ИФП имеет вид :

О" • Дг (кВ)• с<к(кА) + 2М1 • £ Ок •[I, (кВ) - .1, (кВ)] • 5т(кА) 8 = — =----(5)

а' М,+4|;о1-;,(кВ)-5;п(кА)-1-2М-|]Ск[;0(кВ)-;:!(кВ)]со5(кА)

где А = (2лпЬ.у\0, В = ¡Ак,, 1 - ток модуляции, кх - коэффициент модуляции длины волны, в = ур2, у - степень когерентности излучения, М; = ¡/10, 10 - ток смещения источника излучения, .1,, и - функции Бесселя I рода соответствующего порядка.

Расчет показал, что величина отношения гармоник не зависит от уровня мощности в оптическом тракте, но имеет очень сильную зависимость от значения разности фаз лучей в ИФП.

Моделирование рассматриваемых функций проведено для различных параметров интерферометра. Показана возможность построения помехоустойчивых измерительных преобразователей физических величин с точностью, имеющей порядок десятков нанометров. Выявлены диапазоны параметров, необходимые для практической реализации преобразователя. Проведено сравнение результатов теоретических расчетов по разработанной модели ВОИП с известными экспериментальными исследованиями. Максимальное отличие составило не более 5 %, что доказывает адекватность разработанных математических моделей практически реализованным физическим моделям.

Изучено влияние различных дестабилизирующих факторов на выходной сигнал ВОИП, который характеризуется амплитудой пика функции 8 и поло-

жением этого пика на периоде изменения разности фаз лучей 8 в ИФП.

Среди рассмотренных факторов наиболее сильное влияние оказывает угол перекоса зеркал - приводит к уменьшению амплитуды, смещению основных и появлению дополнительных резонансных пиков передаточной характеристики ИФП. Поверхности зеркал интерферометра должны быть изготовлены с высокой степенью точности без микротрещин и сколотых участков. При наличии перекоса и неоднородности зеркал происходит снижение амплитуды пика S и его смещение. Для снижения влияния этих факторов целесообразно использовать интерферометр в волоконном исполнении и коэффициент отражения зеркал выбирать в пределах р = 0.5 ... 0.6. Тогда угол перекоса допустим до значений е = 0.001, амплитуда пика S останется порядка S^ = 150 и систематическая погрешность датчика составит не более десятков нанометров.

Рис. 7. Амплитуды гармоник а„ а2 и функция Б, изображенные с учетом шумов и дестабилизирующих факторов, р = 0.8, Ь,, = 1 мм. Значения амплитуд гармоник и их отношения на рис. 7 представлены в отн. ед. относительно входной оптической мощности.

Из-за дисперсионных явлений допускается использование волокон с градиентным профилем изменения показателя преломления или одномодовых. Шумы электронной схемы датчика ограничивают амплитуду пика Б до значения =¡200. Температурный дрейф оказывает заметное влияние на амплитуду пика Б, но является медленно меняющимся параметром. Для значений р = 0.5 ... 0.6 в результате термодрейфов в пределах нескольких градусов из-за появляю-

щейся шумовой составляющей оптической мощности пик 8 не превысит величину порядка 200... 300.

Четвертая глава посвящена разработке новых конструкций волоконно-оптических компонентов линий связи, содержащих ИФП и новых способов измерения перемещений с использованием ИФП. Разработанные модели устройств сопряжения позволяют снизить уровень потерь оптической мощности и уменьшить влияние интерференционных помех, а новые модели ВОИП - повысить точность и помехоустойчивость по отношению к известным аналогам.

При проектировании волоконно-опгических устройств возникает задача организации многоабонентских волоконно-оптических сетей с минимальными вносимыми потерями и минимальными затратами оптического кабеля. Для ее решения предложено использовать новый многоканальный волоконно-оптический разветвитель оптических сигналов. Разработано две конструкции разветвителя, с применением и без иммерсионной жидкости.

Предложены две новые конструкции волоконно-оптических датчиов охранной сигнализации, в основу работы которых заложен принцип изменения "спекл-картины" при механическом воздействии на волокно. Для получения устойчивого выходного сигнала необходимо проводить диафрагмирование. В первом устройстве диафрагма выполнена из непрозрачной пленки, наносимой на торец волокна или расположенной вблизи от него. Во второй конструкции роль диафрагмы выполняет меньший диаметр выходного световодного канала.

Предложен новый способ измерения перемещений и разработаны конструкции волоконно-оптических преобразователей перемещений, реализованные по данному способу. В основу работы устройств положено использование действия многолучевой интерференции в ИФП на спектрально модулированный сигнал. Предложенный способ измерения перемещений позволяет уменьшить влияние мультипликативных помех за счет подавления их при электронном сравнении амплитуд (например, делении) первой и второй гармоники выходного сигнала ИФП. Преобразователь позволяет проводить точные измерения перемещений благодаря тому, что информативный сигнал пропорционален измеряемому параметру.

На основе теоретически исследованных устройств предложено ВОИП с ИФП использовать в качестве датчика перемещений для коррекции изображе-

и

ния фотоплоттера на базе графопостроителя "Микроника ПР297". Фотоплоттер применяется для получения оригиналов фотошаблонов и диапозитивов. Изображение получается в результате освещения фотопленки излучением, подводимым по волокну. Из-за того, что момент включения излучения происходил раньше, чем начинало двигаться перо по поверхности фотопленки, на концах каждой изображенной линии содержались ярко выраженные заштрихованные круги, которые впоследствии проявлялись на плате. Для повышения качества изображения было предложено ввести в схему пера волоконно-оптический датчик перемещений с ИФП, который отслеживал момент начала движения пера. Следовательно, засвечивающее излучение подавалось только на движущееся перо и нежелательные круги исчезли.

Таким образом, предложены новые схемы устройств сопряжения и ВОИП, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентом Российской Федерации. Рекомендованные устройства и способы формирования и обработки сигнала позволяют повысить надежность работы, точность измерений, расширить область применения, понизить случайную составляющую погрешности преобразователей и упростить технологию изготовления.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении представлены документы, подтверждающие практическое использование лабораторных макетов и программных пакетов, предназначенных для изучения влияния многолучевой интерференции на сигнал в ВОЛС. А также документы, подтверждающие использование ВОИП с ИФП для коррекции изображения фотоплоттера на базе графопостроителя "Микроника ПР297".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана новая модель сегмента ВОЛС, представляющая совокупность соединенных последовательно элементов ИФП, позволяющая исследовать влияние многолучевой интерференции на распространяющийся импульсный сигнал. Показано, что интерференция в элементах ИФП приводит к рассин-хронизации сигнала. Даны рекомендации по проектированию помехоустойчивых ВОЛС.

2. Проведено математическое моделирование характеристик интерференционных помех, представляющее собой математическое выражение, характеризующее среднестатистическое значение амплитуды отраженной волны в BOJIC, графическую зависимость спектральной характеристики помех многих элементов ИФП в BOJIC. Проведенные исследования позволили уточнить характеристики BOJIC.

3. Впервые разработана и исследована математическая модель системы двух связанных ИФП, представленная в виде передаточной характеристики, позволяющая оценить взаимодействие между интерферометрами.

4. На основе сравнения гармонических составляющих выходного сигнала ИФП разработана математическая модель измерительного преобразователя, позволяющая исследовать влияние дестабилизирующих факторов на передаточную характеристику ВОИП с ИФП.

5. Разработаны модели новых устройств сопряжения для ВОЛС, способ измерения перемещений и конструкция нового волоконно-оптического датчика перемещений с ИФП, позволяющие снизить уровень интерференционных помех и повысить точность измерений. Датчик использован для коррекции изображения в фотоплоттере на базе графопостроителя "Микроника".

По теме диссертации опубликованы следующие работы :

1. А. с. 1697035 СССР, МКИ5 G 02 В 6/28. Волоконно-оптический развет-витель / Р. А. Тухватуллин, Л. Е. Виноградова, И. Л. Виноградова, С.П. Ржевский. - Заявлено 01.09.1989; Опубл. 08.08.1991, Бюл. № 45.

2. Тухватуллин Р. А., Виноградова И. Л., Виноградова Л. Е. Интерференционный волоконно-оптический преобразователь// 36. Int. Wiss. Kolloq. : Сб. докл. Международной, науч. - техн. конф. - Ilmenau : Изд-во Tagungsbd, 1991,-р.р. 480 - 484. - Англ.

3. А. с. 1760494 СССР, МКИ5 G 02 В 6/28. Волоконно-оптический развет-витель / Р. А. Тухватуллин, И. Л. Виноградова, Л. Е. Виноградова. - Заявлено 04.01.1990; Опубл. 08.05.1992, Бюл. № 33.

4. Виноградова И. Л., Сагитов Р. Г., Тухватуллин Р. А. Влияние интерференционных явлений на сигнал в линиях связи// Радио и волоконно-оптическая

связь, локация и навигация, связь : Сб. докл. Всесоюзной науч. - техн. конф. Воронеж: Изд-во НПФ "Саквоее, 1997. - С. 1178 - 1184.

5. Виноградова И. Л., Сагитов Р. Г., Тухватуллин Р. А. Помехоустойчи вые волоконно-оптические преобразователи на основе интерферометра Фабри Перо/У Новые методы, технические средства и технологии получения измери тельной информации : Сб. докл. Респ. науч.-техн. конф. - Уфа: Изд-во УГАТУ 1997.-С. 21 -22.

6. Виноградова И. Л., Сагитов Р. Г., Тухватуллин Р. А. Волоконно оптический преобразователь физических величин с интерферометром Фабри-Перо// Управляемые эл. цепи и эл. - маг. поля : Межвуз. науч. сб. - Уфа: Изд-вс УГАТУ, 1997. - С. 13-17.

7. Патент 2115884 РФ, МКИ6 G 01 В 11/14. Способ измерения перемещений / P.A. Тухватуллин, Р. Г. Сагитов, И. Л. Виноградова. - Заявленс 13.05.1996; Опубл. 20.07.1998, Бюл. № 20.

8. Виноградова И. Л. Представление волоконно-оптической линии связи в виде композиция интерферометров Фабри-Перо// Радиолокация, навигация, связь : Сб. докл. Международной науч.-техн. конф. - Воронеж: Изд-во НПФ "Саквоее, 1999. - С. 1498 - 1506.

9. Виноградова И. Л., Сагитов Р. Г., Тухватуллин Р. А. Отраженная волна в волоконно-оптической линии связи// Радиолокация, навигация, связь : Сб. докл. Международной, науч. - техн. конф. - Воронеж: Изд-во НПФ "Саквоее, 1999.-С. 1178 - 1184.

10. Виноградова И. Л., Султанов А. X. Статистический подход к описанию интерферометров Фабри-Перо как элементов многолучевой интерференции в линиях связи// Радиотехника. - 2000. - № 1. - С. 45 - 49. - ISSN 0033-8486.