автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Симметричная двухчастотная рефлектометрия в лазерных системах контроля параметров природной и искусственных сред

На правах рукописи

МОРОЗОВ ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ

УДК 535.3+535.4+621.373.826+681.586

СИММЕТРИЧНАЯ ДВУХЧАСТОТНАЯ РЕФ ЛЕКТОМЕТРИЯ В ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИРОДНОЙ И ИСКУССТВЕННЫХ СРЕД

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань 2004

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и квантовые устройства» и в научно-исследовательском центре прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А. И. Туполева

1 !аучный консультант:

д.т.н., профессор Ильин Герман Иванович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Воскресенский Дмитрий Иванович д.ф.-м.н., профессор Самохвалов Игнатий Викторович д.т.н., профессор Солдаткин Владимир Михайлович

Ведущая организация (предприятие):

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный институт прикладной оптики»

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева 14 июня 2004 года в 1100 в ауд. 301,5-го учебного здания по адресу: Казань, ул. К. Маркса, 31/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу: Казань, ул. К. Маркса, 10

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу: 420111, Казань, ул. К. Маркса, 31/7, а/я 381

Автореферат разослан 14 мая 2004 года

Ученый секретарь Диссертационного совета,

к.т.н., доцент

В.А. Козлов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В решении ряда важнейших социальных и научно-технических проблем, таких как охрана окружающей среды, снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, повышение безопасности движения и развитие перспективных транспортных средств, повышение безопасности эксплуатации транспортных энергетических коммуникаций, развитие телекоммуникационных магистралей фотоника занимает одно из важнейших мест. Эффективность фотометрических методов определяется, прежде всего, высокой информативностью эффектов взаимодействия оптического излучения с веществом, как при непосредственном зондировании, так и опосредованно через волоконно-оптические датчики.

Метод обратного рассеяния, как один из самых эффективных фотометрических методов, является мощным инструментом для создания систем экологического мониторинга, мониторинга транспортных магистралей - и средств, потенциальных источников загрязнения и субъектов техногенных аварий и катастроф. Рефлектометрические системы, реализующие метод обратного рассеяния, можно разделить на открытые и встроенные. К первым следует отнести лидары, спектрометры аэрозолей, дальномеры, интерферометры, а также более простые переносные приборы индикаторного типа, необходимые для дистанционного зондирования атмосферы, определения ее химического состава и динамики распространения; мониторинга перемещений, локализации структурных узлов технических объектов и т.д. Ко вторым - встроенные волоконно-оптические системы контроля состояния технических объектов, содержащих в своем составе протяженные датчики интегрального типа, пространственного разрешения, а также более простые концевые датчики, необходимые для измерения давления, механических напряжений, смещений, температуры и т.д.

Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения; во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств).

Подавляющее большинство открытых и встроенных непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых

несущие частоты опорных и

БИБЛИОТЕКА

сие системы

СЛтЦлго

О» УЛ^шУрдЬ

обладают простой консфукцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрическою преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для ефуктурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем.

Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании двухчастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования двухчастотного лазерного излучения (УФДЛИ).

Необходимо отметить, что разработкой двухчастотных методов занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем информации по данной проблеме для открытых систем содержится в трудах Ю.Ф. Застрогина, В.Е. Зуева, Г.И. Ильина, Д.П. Лукьянова, В.В. Молебного, И.В. Самохвалова, Ю.Е. Польского, L. Bissonnette, G. Ка-merman и др., для встроенных волоконно-оптических систем - Ю.В. Гуляева, Е.М. Дианова, М.Е. Зака, Ю.Е. Польского, D. Inaudi, E. Udd и др. Ежегодно ведущие научные общества проводят международные симпозиумы и конференции, посвященные данной проблеме. Среди самых значительных — симпозиумы ИОА ТФ РАН, РОНКТД, IEEE, OSA, SPIE.

Однако сравнительный анализ результатов, полученных в ряде работ при эксплуатации в одинаковых условиях и с одинаковыми задачами гомодинных и гетеродинных систем, говорит не в пользу последних. Это объясняется отсутствием решения широкого круга практических и теоретических вопросов, как в открытых, так и во встроенных системах.

Для систем открытого типа нерешенной остается проблема получения стабильного двухчастотного излучения с высоким коэффициентом преобразования, с возможностью управления разностной частотой по заданному закону с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности его составляющих. Остаются неизученными вопросы применимости симметричного двухчастотного излучения для построения гомодинных и гетеродинных систем: систем с учетом нестабильности частоты передатчика, сканирующих систем с исследованием контура линии поглощения и настройки на его центр, систем многочастотного зондирования и т.д.

Для встроенных систем проблема применимости двухчастотной рефлек-тометрии, как симметричной, так и асимметричной, также окончательно не решена. Во-первых, это вызвано особенностями распространения лазерного излучения в волокне, при котором значительно ухудшаются его когерентные свойства, во-вторых, высокими потерями, вызванными стыковкой объемных УФДЛИ с волоконно-оптическими магистралями, в-третьих, широким использованием датчиков с резонансным высоко добротным преобразованием информации. Это определяет необходимость решения задачи создания эффективных волоконно-оптических УФДЛИ, волоконно-оптических датчиков, зондируе-

мых двухчастотным излучением, и волоконно-оптических распределенных систем на их основе, в частности, временных с когерентным приемом, часлог-ных когерентных и некогерентных со сканированием частоты, частотных с формированием требуемой функции когерентности.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность научно-технической проблемы улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы», выполняемых кафедрой «Радиоэлектронные и квантовые устройства» и научно-исследовательским центром прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Цель работы состоит в решении важной научно-технической проблемы -улучшении метрологических характеристик и расширении функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, основанных на развитии теории и техники симметричной двухчао-тотной рефлектометрии на базе амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.

Решаемые задачи:

• Анализ существующих и перспективных лазерных рефлектометричс-ских систем контроля параметров природной и искусственных сред; выявление причин, сдерживающих более широкое использование двухчастотных систем непрерывного действия, и резервов для улучшения их метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей; формулирование на этой основе направлений исследований.

• Разработка амплитудно-фазового метода преобразования одночастотно-го когерентного излучения в симметричное двухчастотное и развитие на его основе теории симметричной двухчастотной рефлектометрии с учетом особенностей дистанционного зондирования в атмосфере и оптическом волокне; постановка и формализация основных задач управления параметрами симметричного двухчастотного зондирующего излучения; постановка и формализация основных задач приема и обработки симметричной рефлектометрической информации.

• Проектирование и создание перестраиваемых электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двух-частотное с возможностью управления разностной частотой по заданному $а-кону и с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности ею составляющих, учитывающих особенности открытых систем контроля параметров природной среды.

• Определение принципов построения лидарных систем контроля параметров природной среды и практических рекомендаций по построению рефле-ктометримеских систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дально-метрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Проектирование и создание волоконно-оптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и сопряженных с ними измерительных преобразователей, учитывающих особенности встроенных систем контроля параметров искусственных сред.

• Определение принципов построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и практических рекомендаций по построению встроенных распределенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Внедрение систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии для улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались эмпирические и теоретические методы исследований: математическое моделирование, математический аппарат интегральных преобразований Фурье и матриц Джонса, методы математической физики, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов, рефлектометрический метод измерения характеристик волокна, спектральный метод анализа излучений на базе интерферометра Фабри-Перо.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ВНИИГПЭ и ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями, промышленными образцами и полезными моделями, защищенными авторскими свидетельствами СССР, свидетельствами и патентами РФ.

Научная новизна;

• Развита теория амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработан метод преобразования, обеспечивающий высокую степень чистоты выходного двухчас-тотного спектра и стабильность его характеристик; изучено влияние параметров преобразования на спектр выходного излучения и получены соотношения, определяющие их взаимосвязь с учетом реальных характеристик используемых электрооптических модуляторов.

• • Определены основные положения теории двухчастотных рефлектомет-рических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных

сред при использовании симметричного двухчастотного зондирования и обработке симметричной рефлектометрической информации.

• Предложены технические решения электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, позволяющих обеспечить работу систем в широком диапазоне рабочих длин волн с плавной перестройкой разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью.

• Уточнен ряд положений теории амплитудных электрооптических модуляторов. Впервые теоретически и экспериментально показано, что спектр выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора при работе в «нулевой» точке модуляционной характеристики является симметричным и двухчастотным. При этом реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования частоты на второй гармонике модулирующего колебания.

• Разработаны математическая модель взаимодействия симметричного двухчастотного излучения с контурами линий поглощения атмосферных газов и методы обработки симметричной рефлектометрической информации в открытых системах контроля параметров природной среды. Предложены структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработаны рекомендации по построению преобразователей данного вида для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконно-оптических датчиков на базе двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; разработаны рекомендации по построению на их базе измерительных преобразователей амплитудного, поляризационного и рефлектометрического типов для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Определены принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и структурные схемы встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов, спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность создания симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред с улучшенными

метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Подтверждением этому являются разработанные кристаллические и волоконные электрооптические преобразователи одночастотного коге-ренного излучения в симметричное двухчастотное; разработанные волоконно-опти-ческие измерительные преобразователи, сопряженные с методами симметричного двухчастотного зондирования; практические рекомендации по их использованию в структуре двухчастотных рефлектометрических систем; разработанные симметричные двухчастотные рефлектометрические системы контроля параметров природной и искусственных сред; разработанные системы управления измерительными процессами, используемые при контроле параметров природной и искусственных сред.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные в виде информационно-измерительных систем, оптоэлектронных приборов и устройств, волоконно-оптических датчиков, программных средств и методик проектирования симметричных двухчастотных рефлектометриче-ских систем контроля параметров природной и искусственных сред внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в ФГУП НПО ГИПО, ФГУП КАПО им. СП. Горбунова, ГУП «Таттелеком», ЗАО «Виктория», г. Казань, ОАО «Татнефть», г. Альметьевск, ОАО СЗМН, г. Пермь, НИИ АУС, г. Феодосия, Крым, Украина. Научно-технические результаты работы использовались при выполнении НИР по грантам Минобразования РФ «Разработка научно-технических основ проектирования бортовых волоконно-оптических систем контроля параметров безопасности аэрокосмической техники» в 1997-1999 гг., инновационным научно-техническим программам Минобразования РФ «Перспективные средства связи» в 1996-1997 гг., «Информационные технологии и электроника» в 1998-1999 гг., «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. Транспорт» в 1999-2003 гг., межотраслевым научно-техническим программам Минобразования РФ и Минобороны РФ «Научно-инновационное сотрудничество. Исследование проблем радиотехники и связи» в 2001-2002 гг., «Научно-инновационное сотрудничество. Создание перспективных летательных аппаратов, импульсных установок, роботизированных комплексов, перспективных конструкционных, специальных и топливных материалов и технологий их получения» в 2003 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, Казань, 1983-2003 гг., IX Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию, Туапсе, 1986 г., II Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров», Харьков, 1990 г., Всесоюзном семинаре «Метрология в прецизионном машиностроении», Саратов, 1990 г., 1-\П межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск, 1994-2000 гг., \Г1-ХП Всероссийских конференциях с участием иностранных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»,

Гурзуф-Судак, Крым, Украина, 1995-2000 гг., Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды», Томск, 1995 г., III Международной конференции «Методы управления системной эффективностью функционирования электронных и пилотажно-навигаци-онных комплексов», Киев, 1995 г.. Международной конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации», Москва, 1996 г.. Международном симпозиуме «Optical Inspection and Micromeasurements», Бе-зансон, Франция, 1996 г., I-II, IV Международных симпозиумах «Nondestructive Evaluation of Utilities and Pipelines», США, Феникс, Сан Лнтонио, Ньюпорт, 1996-97, 1999 гг., Международном симпозиуме «Infrared Remote Sensing», Сан Диего, США, 1997 г., VII Международной конференции «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики», Феодосия, Крым, Украина, 1997 г., 9-13 Международных Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо», Севастополь, Крым, Украина, 1999-2003 гг., Международном симпозиуме «Optical Measurement and Industrial Inspection», Мюнхен, Германия, 1999 г., Всероссийской конференции «Проск-ти-рование и эксплуатация электронных средств», Таганрог-Казань, 2000 г., Всероссийской конференции «Методы и средства измерений в системах контроля и управления», Пенза, 2001 г., III Всероссийской конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов», Пенза, 2001 г., LVI научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2001 г., Международных конференциях НИИ АУС, Феодосия, Крым, Украина, 2001, 2003 гг., VII Международном симпозиуме «Videometrics and Optical Methods for 3D shape measurements», Сан Хосе, США, 2001 г., VIII Международном симпозиуме «Remote Sensing», Тулуза, Франция, 2001 г., научно-практической конференции «Нефть, газ, нефтехимия», Казань, 2002 г., научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань, 2002 г., Международной конференции «Antenna Theory and Techniques», Севастополь, Крым, Украина, 2003 г., научно-практической конференции «Инфокоммуника-ционные технологии глобального информационного общества», Казань, 2003 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы монография и ее журнальная версия, 78 научных работ, в том числе 12 статей в журналах, включенных в перечень ВАК, 20 статей в реферируемых трудах и сборниках докладов симпозиумов международных НТО. Автор имеет 13 единоличных публикаций, 6 авторских свидетельств СССР, 9 свидетельств и патентов РФ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из «ведения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 192 наименования, и трех приложений. Работа без приложений изложена на 285 страницах машинописного текста, включая 80 страниц рисунков и таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Результаты системного поиска путей улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных двухчас-тотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред.

• Основные положения теории и метод амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; результаты исследования влияния параметров преобразования на спектральный состав выходного излучения и соотношения, определяющие их взаимосвязь.

Основные положения теории двухчастотных рефлектометрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред при использовании симметричного двухчастотного зондирования и обработке симметричной рефлектометрической информации.

• Результаты исследований и разработки электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; рекомендации по построению преобразователей данного вида для открытых систем контроля параметров природной среды.

Уточненные положения теории амплитудных электрооптических модуляторов; результаты исследований спектра выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора; результаты разработки на его базе амплитудно-фазового преобразователя одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.

• Результаты математического моделирования взаимодействия симметричного двухчастотного излучения с контурами линий поглощения атмосферных газов и методы обработки принимаемой симметричной рефлектометрической информации.

Структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двух-частотной рефлектометрии.

• Результаты математического моделирования и разработки волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и волоконно-оптических измерительных преобразователей на базе датчиков из двух скрученных волокон о замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; рекомендации по построению преобразователей частоты и измерительных преобразователей указанных видов для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред.

• Принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и структурные схемы встроенных волоконно-оптических систем, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов и спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

• Результаты внедрения разработанных методов, систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих преимущества симметричной двухчастотной рефлектометрии в промышленность, научные исследования и учебный процесс.

II. 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 двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред (ДРСК), определены причины, ограничивающие возможности систем указанного класса. Проанализировано современное состояние работ по созданию методов и средств улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей ДРСК.

Среди основных преимуществ ДРСК, определяющих необходимость их дальнейшего развития, следует выделить следующие:

• возможность повышения чувствительности при работе в условиях фоновых засветок;

• возможность переноса спектра информационного сигнала в область с минимальным уровнем собственных шумов фотоприемника и других шумов низкочастотной природы (шумы источника излучения, вибрационные шумы оптической схемы, низкочастотные флуктуации и т.д.);

• возможность расширения функциональных возможностей, а именно: автоматическая настройка на центр линии поглощения, определение знака скорости доплеровских приращений и т.д.

Однако зачастую сравнительный анализ результатов, полученных при эксплуатации в одинаковых условиях и с одинаковыми задачами ДРСК и одночас-тотных систем, говорит не в пользу последних. Для выяснения причин сложившейся ситуации был проведен сравнительный анализ характеристик устройств формирования двухчастотного лазерного излучения, используемых в ДРСК.

В ДРСК широкое применение получили УФДЛИ на базе лазеров, использующих для получения двух частот эффект Зеемана. Следует отметить такие преимущества этих устройств, как возможность работы в широком диапазоне разностных частот от десятков кГц до сотен МГц при нестабильности 10-8 Однако получение такой нестабильности требует сложнейших систем автоподстройки разностной частоты. Кроме того, лазеры на эффекте Зеемана характеризуются наличием сильной 8-образной зависимости разностной частоты от величины напряженности магнитного поля и уровня накачки, сложностью формирования электронного опорного канала для эффективной обработки сигнала.

Преодолеть эти недостатки можно с помощью акусто- и электрооптических УФДЛИ. Преимущества создания двухчастотного излучения на их баче заключаются, во-первых, в однозначном соответствии величины разностной частоты и частоты управляющего поля, во-вторых, в возможности получения высокой стабильности разностной частоты, которая в основном определяется стабильностью частоты управляющего поля, и, наконец, в-третьих, в вочмож-

мости использования управляющего сигнала для простого формирования электронного опорного канала.

Несмотря на то, что управляемые мощности и напряжения у акусто-опти-ческих УФДЛИ меньше, чем у электрооптических, в эксплуатации они менее стабильны и надежны. Поэтому на первый план выдвигается использование электрооптических УФДЛИ. К их классу относятся устройства, использующие нелинейные эффекты, эффект взаимодействия лазерного излучения с круговой поляризацией и вращающегося электрического поля, эффект модуляции фазы лазерного излучения по специальным законам. Большинство разработанных УФДЛИ так и остаются лабораторными. В первую очередь это объясняется значительной нестабильностью спектрального состава излучения на выходе при отклонении параметров управляющих напряжений. Данный недостаток присущ и фазовым электрооптическим УФДЛИ. Однако в этом случае следует отметить простоту преобразования частоты и ее технической реализации.

С определенной осторожностью можно утверждать, что использование электрооптических фазовых УФДЛИ будет находить все более широкое применение при условии их быстрого и качественного развития. Для этого необходимо значительно упростить методику преобразования частоты, повысить чистоту и стабильность спектральных характеристик их выходного излучения.

Совокупный анализ характеристик ДРСК и УФДЛИ позволил предложить новый класса ДРСК, обладающий улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями по сравнению с существующими. Данный класс был назван симметричными ДРСК. Симметричные ДРСК строятся на основе:

• асимметричных двухчастотных систем на основе двухчастотных и двух-модовых лазеров, характерными чертами которых являются высокая точность измерений, простые оптические схемы, простое выполнение жестких требований' гетеродинирования (отсутствие пространственного разнесения спектральных компонент и их одинаковая поляризация) с возможностью, при необходимости, разделения спектральных компонент с помощью фильтров, что существенно для ряда применений, например, при дифференциальных измерениях;

• асимметричных двухчастотных систем на основе электрооптических УФДЛИ, характерными чертами которых являются возможность получения высокой чувствительности измерений, оптимальных разностных частот для переноса спектра информационного сигнала в область минимальных шумов, пространственного разрешения за счет использования ЛЧМ, вводимой в процессе сдвига частоты, простой реализации электронного опорного канала сигналов;

• амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в двухчастотное, отличительной особенностью которого является симметричное расположение сдвинутых по частоте спектральных составляющих относительно подавленной частоты исходного излучения, высокая степень спектральной чистоты и стабильность выходного излучения, высокий коэффициент преобразования.

Все сказанное выше относится в равной мере, как к открытым ДРСК параметров природной среды, так и встроенным ДРСК параметров искусственных сред. Однако если в ДРСК параметров природной среды процессы взаимодействия излучения с исследуемым веществом достаточно хорошо изучены, то в волоконно-оптических ДРСК параметров искусственных сред процесс измерения происходит опосредованно-через волоконно-оптический датчик (ВОД). Поэтому далее в главе был проведен анализ возможности использования существующих ВОД в ДРСК симметричного типа.

Не вызывает сомнения возможность применения в ДРСК симметричного типа ВОД на базе интерферометров Саньяка, Маха-Цандера и Майкельсона. Однако их высокая стоимость, конструктивная сложность и практически точечная схема включения, несмотря на многофункциональность последней, не позволяет высоко оценить перспективность их развития в симметричных ДРСК.

Волоконно-оптические решетки Брэгга (ВРБ) и интерферометры Фабри-Перо (ИФП), как и в случае, рассмотренном выше, представляют собой точечные датчики. Возможность последовательного формирования нескольких ВОД указанного типа в одном волоконном световоде (ВС) в принципе решает задачу получения распределенной информации, однако требует широкополосных перестраиваемых источников излучения, что при определенном времени сканирования длины волны вызывает потери информации о динамических изменениях измеряемой величины. Кроме того, вмешательство во внутреннюю структуру ВС при изготовлении указанных типов ВОД приводит к их конструктивной и технологической ненадежности*. Основной причиной, по которой ВРБ и ИФП не удовлетворяют условиям применимости в симметричных ДРСК, является используемый в них резонансный высокодобротный механизм преобразования информации, что делает проблематичной возможность симметричного двухчастотного зондирования.

Возможность получения распределенной динамической информации возможна в одноволоконных ВОД, использующих эффекты Рамана и Бриллюэна, и ВОД на базе двух или нескольких скрученных волокон. В них отсутствуют ограничения на возможность использования симметричного двухчастотного зондирования. Однако одноволоконные ВОД узко специализированы (по используемому эффекту) для построения распределенных систем измерения температуры, например, в нефтяных скважинах.

Поэтому наиболее перспективным представляется использование в симметричных ДРСК многофункциональных ВОД на базе двух скрученных ВС при условии повышения точности и расширения диапазона, проводимых с их помощью измерений.

На основе проведенного анализа сформулированы цель диссертационной работы и перечень основных задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

* Следует отметить, что в ИОФ РАН недавно найдены возможности «холодного» - без вмешательства-формирования ВРБ.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.

Теоретические предпосылки способа содержатся в работах A.M. Винницкого, И.(Л Гоноровского и А.А. Харкевича. Для получения симметричного двухчастотного колебания из одночастотного было предложено амплнтудно-фачовое преобразование вида

e(t) = Е[ I + «S(/)]sin[cd0/ + <p(f)L (1)

где Е и Wo — амплитуда и частота исходного к о л е б од у л и -

рующие функции соответственно по амплитуде и фазе, т — коэффициент амплитудной модуляции. При этом была решена задача определения таких функций S(0, ф(0 и значений коэффициента т, при которых колебание (1) становится двухчастотным:

модуляции. Полученное в обоих случаях выходное колебание характеризуется подавленной составляющей на частоте исходного колебания ю0 и наличием двух частотных составляющих равноудаленных от 0)0 на частоту Q. Определенный коэффициент преобразования составил При этом в отличие от балансной модуляции разностная частота выходного колебания в два раза меньше.

Теоретическое исследование зависимости относительных амплитуд спектральных составляющих выходного колебания от изменения значения параметров преобразования ">5 ^)1 #%,(,) и <р0 позволили, задавшись уровнем коэффициента нелинейных искажений определить требования к возможным отклонениям модулирующих напряжений, при которых амплитуда паразитных составлявших на порядок меньше амплитуды полезных составляющих на частотах (о0 ±П, а изменение последних не превышает 4%. Для случая 5t(f) отклонения =(0,85...I,I5)m^, для случая S2(t) - w<;,(,) = (0,7...Для фазовой модуляции <р0 = (0,9... 1,1)фцт. [ля случая изменения как mst(,)> ms2(i)' так и <р(1 получены соотношения для определения амплитуд спектральных составляющих выходного колебания на частотах o^iníí, где п — номер гармоники разложения по модулирующей частоте (табл. 1). __ Таблица 1

т S¿!)

К. £(l-cos<f>0) л2(1-т)-4 _ ,, J . — ,#1-1,3... пп л—4 £ £n=—(1 + cos290) /?з =^(I + COS290) 4 Е" = + - cos 2(Ро i " = 1 £. = £(1-COs2<P»)(l-mb = 3,5... IUI £ £o=y(l+cc*2q>0) r m£(l + cos2<pn)__ t, = 2 ,/i-2,4... 1-Я

В общем случае для сложного гармонического состава модулирующего колебания 5(/) определить спектр коэффициентов ряда Фурье можно как

1 1

п ^ 2 {п-2к п + 2к)

(2)

где парциальныекоэффициенты модуляции.

Проведенные в радиодиапазоне электромагнитных волн экспериментальные исследования подтвердили полученные теоретические соотношения.

Таким образом, был разработан эффективный и простой метод преобразования одночастотного колебания в симметричное двухчастотное, характеризующийся высоким коэффициентом преобразования частоты, высокой степенью спектральной чистоты выходного колебания, малыми изменениями амплитуд спектральных составлявших при отклонении параметров преобразования от оптимальных в достаточно широких пределах.

Далее в главе была сформулирована общая задача фотосмешения симметричного двухчастотного и исходного одночастотного излучения, на основе решения которой были поставлены и формализованы основные задачи управления параметрами симметричного двухчастотного зондирующего излучения, приема и обработки симметричной рефлектометрической информации. .,

Предполагая, что в пределах апертуры детектора обеспечивается пространственная погрешность первого порядка, амплитуды составляющих соответственно исходного и двухчастотного излучения поляризованы одинаково, для интенсивности электрического поля на входе приемника можно записать

£(/)£'(')=к «р*-^* А, схр^К Аг ех^^х х [/10 ехр"^"^*- А, ехр-^'^К Аг ехр"^^)] где (00, (0| и <п2 — угловые частоты составляющих одночастотного и двухчас-тотного излучений соответственно,

С учетом практически идеальной квадратичности фотоприемников оптического диапазона и закона Столетова в работе найдены решения задач интегрального автогетеродинирования (А0 = 0,/4( = Аг ) и супергетеродинирования ( А0 » А, = Аг ), дифференциального автогетеродинирования ( А0 = О,А1 * А2) и супергетеродинирования (А0»А, * Аг), приема и обработки частотной информации (о>0 * (с0| +й>2)/2), приема и обработки фазовой информации

оценены возможности поляризационного и пространственного разделения каналов.

На основе полученных решений обсуждены вопросы построения симметричных ДРСК параметров природной и искусственных сред открытого и встроенного типов, а также возможности применения амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного колебания в симметричное двухчастотное дня формирования телекоммуникационных каналов указанных систем, как метода позволяющего повысить коэффициент их использования.

(3)

Третья глава посвящена вопросам разработки и исследования электрооптических устройств преобразования линейно-поляризованного одиочастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, реализующих преимущества разработанного амплитудно-фазового метода.

Результаты, полученные при выводе спектра излучения на выходе тандема амплитудный и фазовый электрооптический модулятор (АЭМ-ФЭМ) с учетом реальных модуляционных характеристик, показали возможность реализации амплитудно-фазового метода в оптическом диапазоне. При этом нелинейность модуляционных характеристик приводит к появлению в спектре излучения боковых составляющих с и^З, амплитуда которых на порядок меньше амплитуды полезных составляющих, а принципиальное ограничение по интенсивности излучения на выходе АЭМ /,„, к интенсивности на входе , /1ЫЧ < 1п, приводит к тому, что коэффициент преобразования в тандеме АЭМ-ФЭМ будет равен 0,5 для случая модуляции колебанием 5^) и 0,64 для случая модуляции колебанием При отклонении параметров преобразования от оптималь-

ных, в пределах, оговоренных в гл. 1, изменение амплитуд полезных составляющих спектра выходного излучения не превышает 1-5%, что в 3-5 раз лучше, чем у других существующих УФ ДЛИ.

Проведенные исследования позволили на основе кристаллов ГлЫЬОз разработать ряд устройств преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, отличающихся от известных аналогов возможностью работы в широком диапазоне длин волн и простотой плавной перестройки разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью. Анализ работы данных устройств показал, что их использование в реальных симметричных ДРСК возможно при обеспечении стабильных температурных условий и высокой виброзащищенности.

При поиске путей конструктивного упрощения устройств и путей повышения температурной стабильности было обращено внимание на особенности модуляционных характеристик собственно АЭМ. В момент перехода модулирующего напряжения через 0 происходит изменение характера поляризации и знака фазовой задержки Г между ортогональными составляющими излучения, распространяющегося в кристалле. Наличие данного эффекта позволило предположить, что в этот момент времени происходит скачкообразное изменение фазы излучения на п и, таким образом, реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования одночастотного когерентного излучения (модуляция колебанием ^(О) в симметричное двухчастотное. Теоретический анализ спектра излучения на выходе АЭМ по напряженности поля, результаты которого сведены в табл. 2, подтвердил, что при работе АЭМ в «нулевой» точке Гж=0 и ортогональном расположении осей поляризатора и анализатора излучение на его выходе двухчастотно и симметрично относительно частоты подавленного входного. Однако, в известных работах выходное излучение АЭМ рассматривается как амплитудно-модулированное (АМ), подразумевая, тем самым, наличие в его спектре, как минимум, трех составляющих.

а,Р. Г. Спектр имучепия на выходе ЛЭМ

а=45°, Р=—45°, г.=о и »"=0

а=45°, р=45°, Г, =0 1 1-1

а=45°, Р=-45° Г.=л/2 » во 1 У0(г) + г£|Ju (2)С082Ш/ + 2^Г¡Ju^{z)s\n(2k + 1)П/ [ 1-1 к-0 .1

а=45°, р=45«\ Г. = л/2 Е^О-^-Ее"* <0 в 1 Л (г) + (г) соз2Ш/ (г)яп(2* 4- 1)П/1 1-1 1-0 }

Для разрешения возникших противоречий были проведены исследования на двух экспериментальных установках. Первая установка, построенная по схеме оптического гетеродина, позволила зарегистрировать двукратное уменьшение частоты выходного напряжения ФЭУ при фотосмешении (частота биений между двухчастотным излучением АЭМ, работающим в «нулевой» точке, и исходным одночастотным излучением лазера) по сравнению с частотой при контроле только излучения АЭМ (частота биений между составляющими двух-частотного излучения), что косвенно подтвердило результаты теоретических исследований. Вторая экспериментальная установка, содержащая лазер, АЭМ, сканирующий интерферометр Фабри-Перо, ФЭУ и осциллограф, позволила провести прямую регистрацию двухчастотного спектра излучения на выходе АЭМ, работающего в «нулевой» точке, и его экспериментальные исследования.

На рис. 1 показаны спектры излучений: исходного одночастотного (а), ЛМ при работе на линейном участке (б) и двухчастотного (в) при работе в «нулевой» точке а=45°, Р=-45°, Г, = 0.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтвердили возможность использования АЭМ в качестве простого высокостабильного симметричного УФ ДЛИ. При этом автоматически реализуется близкая к 100%-ой амплитудная модуляция (при коэффициенте контрастности модулятора больше 1:100) и переключение фазы излучения на в момент прохождения модулирующего напряжения через 0, что свидетельствует о высокой чистоте и стабильности спектрального состава выходного излучения устройства.

Анализ результатов, полученных в данной главе, позволил сделать вывод о перспективности применения амплитудно-фазового метода и электрооптических устройств на его основе для разработки и создания симметричных ДРСК открытого типа.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию двухчастотных сканирующих лидаров, использующих преимущества амплитудно-фазового метода преобраювания когерентного лазерного излучения в симметричное двухчастотное. На их базе рассматриваются вопросы развития теории симметричных ДРСК параметров природной среды.

Активная разработка сканирующих и ЛЧМ-лидаров, построенный на базе симметричного двухчастотного зондирования, требует четкого разделения требований к частотам сканирования и модуляции при построении комплексных приборов - симметричных двухчастотных сканирующих (СДС) ЛЧМ-лидаров - и подробного анализа методов обработки получаемой информации. Вес многообразие условий применения СДС ЛЧМ-лидаров с учетом среды распространения излучения экспериментально исследовать не представляется возможным. В этом случае применяются модельные расчеты на основе параметров лидаров и оптико-микрофизических характеристик исследуемых сред, их проверка на экспериментальных стендах.

СДС ЛЧМ-лидар с симметричным двухчастотным гетеродином В работе приведена оценка возможности использования в качестве гетеродина разработанных УФДЛИ. Предполагая, что в пределах апертуры детектора обеспечивается пространственная погрешность первого порядка, сигналы и составляющих излучения двухчастотного гетеродина поляризованы одинаково, для напряженности электрического поля на входе приемника можно записать

£(/)= /4, со$(ш,/ + ф,)+ Аг сск(а>2* + ф2)+Лс со5(шс/ + фс), (4) где (0|, (¿>2 и (0С — угловые частоты составляющих двухчастотного гетеродина и принимаемого сигнала с амплитудой

С учетом практически идеальной квадратичности фотоприемников оптического диапазона и значительного превышения интенсивности излучения гетеродина над интенсивностью сигнала выходной сигнал состоит только из постоянных составляющих и составляющих с разностными частотами, Полагая, что а сигнал с выхода фотоприемника через заграждающий

фильтр на частоте, поступает на второй квадратичный электронный

приемник, получим

2 и " 2 2 (5)

+ С05((01 + 0)2 -2юсУ + СОз(<1)| -

При установке на выходе второго квадратичного электронного приемника узкополосного пропускающего фильтра на частоту его выходной сиг-

нал будет представлять собой лишь изменение амплитуды обратно-рассеянного сигнала без учета нестабильностей частоты передатчика /2 собДш^/.

Составляющая с частотой (0, + (02 — 2(0,. характеризует смещение частоты передатчика относительно частот

Целесообразно, чтобы при зондировании начальная частота передатчика соответствовала средней (подавленной) частоте излучения гетеродина, то есть 18

¡7«4к2А1А1

<ВС =(й),Появление Лй>с свидетельствует о нестабильности частоты передатчика, что приведет к паразитным биениям спектральных составляющих сигнала в области единиц МГц и будет определять основную погрешность измерения обратно-рассеянного сигнала, в частности доплеровской частоты исследуемых образований. Поскольку проявление биений и доплеровского сдвига в обрабатываемом сигнале одинаково, для компенсации первых предложено создать в оптической схеме лидара дополнительный канал фотосмешения излучения передатчика и двухчастотного гетеродина. Выделенный, аналогично доплеровскому, сигнал биений далее учитывается при обработке результатов измерений. Создание подобного канала в когерентных системах без преобразования частоты ограничено в силу высокого уровня шумов фотоприемника и других шумов низкочастотной природы.

Таким образом, при двухчастотном гетеродинном приеме удается разделить амплитудный и частотный информационные каналы, а также сформировать опорный канал для устранения влияния частотной нестабильности передатчика на данные измерений.

СДС ЛЧМ-лидар со сканированием исследуемой линии поглощения. Поскольку полуширина Ду линий поглощения атмосферных газов в приземном слое атмосферы имеют значения порядка а требуемое для практически неискаженной записи их контура разрешение - не хуже 0,001-0,01 СМ-1, то разработанные УФДЛИ могут найти широкое применение для построения лидаров дифференциального поглощения.

При использовании двухчастотного излучения линия поглощения зонди-

руется двумя сигналами с центральными частотами

законы модуляции зондирующих частот определяются как

7"

При

(6)

Взаимодействие частотно-модулированного излучения лазера с газом приводит к появлению амплитудной модуляции (AM) мощности излучения принимаемого сигнала. Глубина модуляции такого сигнала пропорциональна концентрации газа, а огибающая АМ-колебания подчиняется ЛЧМ закону. При настройке центральной частоты лазера на центр линии поглощения газа и равенстве девиации частоты полуширине линии исходная частота амплитудной модуляции будет равна а ее частотная девиация будет равна

В работе проведено математическое моделирование процессов обработ ки сигналов обратного рассеяния рассматриваемой системы для автогетеродинного и супергетеродинного приема.

В случае прямого детектирования двухчастотного отраженного сигнала осуществляется автогетеродинирование, характеризующееся пространственным совпадением смешивающихся лучей. При этом спектр сигнала обратного рассеяния переносится в область с минимальным уровнем шумов фотоприемника на поднесущую. Контроль дальности производится путем измерения разности частоты модулирующего ЛЧМ-сигнала, взятой с удвоением, и часго-

гы сигнала с выхода промежуточного усилителя приемно-регистрирующей системы, а контроль параметра атмосферы - по уровню мощности принятого сигнала на измеренной частоте. Для трасс малой протяженности, требующих полос пропускания приемно-регистрирующей системы в диапазоне 100 кГц -1 МГц, выигрыш по чувствительности может составить 1-2 порядка

В ряде работ отмечается возможность использования дополнительных сигналов, испытывающих неселективное воздействие исследуемой среды для улучшения метрологических характеристик систем. Воспользовавшись возможностью разработанных УФДЛИ изменять разностную частоту по заданному закону с заданной скоростью можно сформировать комплексное сканирующее ЛЧМ-АМ управляющее воздействие. Первая составляющая в нем удовлетворяет требованиям сканирования контура (и соответственно определяет разрешение ЛЧМ), вторая представляет собой модулирующий сигнал постоянной частоты, лежащий в пределах линии поглощения, с амплитудой на два порядка меньшей, амплитуды зондирующих сигналов, и частотой в два раза отличающейся от частоты По- Тогда сигнал обратного рассеяния будет содержать две компоненты. Первая зависит от оптических

характеристик атмосферы, параметров измерительной аппаратуры и концентрации ф(т) исследуемого газа. Вторая, практически не испытывающая селективного воздействия исследуемой среды, - только от (^"^/(/о»^»/?). Проведя нормировку по !/г для дальности R (одновременная выборка сигналов) и полагая, что можно обеспечить к^кг, получим выражение, зависящее только от концентрации

Таким образом, использование двухчастотного зондирования в системах со сканированием исследуемой линии поглощения, позволяет получить выигрыш, как в режиме прямого детектирования, так и в режиме нормировки принятого сигнала, поскольку параметры опорного сигнала носят детерминированный характер, а не являются сигналами паразитной модуляции. Однако во всех случаях точность сканирующих ЛЧМ-лидаров определяется точностью настройки лазера на центр линии поглощения.

СДС ЛЧМ-лидар с настройкой частоты лазера на центр линии поглощения исследуемого газа Среди трех наиболее распространенных моделей линий поглощения газа, описывающих механизмы уширения (радиационного, допле-ровского и уширения давлением), условиям измерений на открытых трассах в приземных слоях атмосферы на высотах до 20 км и при давлениях от 1 до 0,05 атмосфер соответствуют переходы, уширенные давлением. В этом случае контур поглощения является приблизительно лоренцевским с сечением поглощения, представимым в виде

о(Г) = (5/ТС)^/(У-У0)2+У?, (7)

где $ — интегральная интенсивность колебательно-вращательной полосы поглощения газа, полуширина контура линии, уширенной давлением, частота центра линии поглощения.

Обобщенную амплитудно-частотную характеристику контура, который зондируется двухчастотньтм ситнягом можно определить с помощью следующего выражения У(е)=1/-^1 + . Будем считать, что амплитуды составляющих входного колебания равны, А1 = А2=11 частоты составляющих симметричны относительно средней обобщенной расстройки двухчастбтного входного колебания Со: е01 =е0 + Де/2 и е^ =е0 — Де/2, где Аб — расстройка между частотами составляющих двухчастотного сигнала.

Общее выражение для огибающей выходного двухчастотного сигнала после зондирования линии поглощения будет иметь вид (8)

+4 +

2 А,А2 соз[(ф2 — <р1)+П/]

соб

ш*+ ф0 + агс/£

5ш[(ф2-ф,)+П/]

+ со$[(<р2 - ф,) + О/]

Анализ (8) показал, что в момент достижения средней частоты двухчастотного сигнала резонансной частоты контура линии, огибающая выходного сигнала по фазе совпадает с огибающей двухчастотного сигнала на входе (рис. 2), а коэффициент модуляции огибающей выходного двухчастотного сигнала максимален и равен 1 (рис. 3).

Таким образом в отличии от существующих лидарных систем в рассматриваемом СДС ЛЧМ-лидаре при настройке лазера на центр контура линии поглощения достигается максимальная чувствительность, при этом значение расстройки между его составляющими равно полуширине линии поглощения исследуемого вещества.

Далее в главе рассмотрены практические рекомендации по построению систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии. Приведены рекомендуемые для использования в спектрометрических и дистанционных измерениях диапазоны разностных частот, методы устранения дестабилизирующих факторов амплитудного, частотного и фазового характеров. Описаны структурные схемы разработанных систем открытого типа и оценена возможность их реализации с применением техники волоконно-оптических встроенных систем.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию волоконно-оптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и волоконно-оптических измерительных преобразователей, сопряженных с методами симметричного двухчастотного зондирования, для встроенных ДРСК параметров искусственных сред.

Невозмущенный ВС представляет собой изотропную центросимметрич-ную среду, в которой линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса) отсутствует. Однако при внешних воздействиях, например, при изгибных деформациях, ВС уже нельзя считать изотропной средой.

Уравнение оптической индикатрисы при воздействии на ВС электрическим полем £ с точностью до членов второго порядка может быть записано в виде

(9)

где декартовы координаты, индексы принимают значения от

показатель преломления деформированного ВС в отсутствии электрического поля, член — отвечает эффекту Поккельса, член ВуиЕцЕ/ — квадратичному электрооптическому эффекту (эффекту Керра).

Учитывая, что постоянные члены для эффекта Керра на порядок меньше, чем для эффекта Поккельса, можно рассматривать ВС как фазовую пластину. При приложении внешнего электрического поля Е(1;) в ВС формируется фазовый сдвиг Г(/)= Г0+ Гя$тП„Г для двух ортогональных направлений излучения вдоль осей Воспользовавшись формализмом матриц Джонса выходное

излучение АЭМ на базе ВС можно описать как

Л

-У(Г/2)

соз20 СОБЭЗШЭ созЭзтв зт2Э

ехр-

уо>г

(10)

ехр"'"' О 0 ехр"^

где матрица (1} отображает распространение входного излучения, линейно поляризованного в плоскости, составляющей угол 45° с осями х и у, матрица {2} - фазовую пластину, соответствующую ВС, например, намотанному на цилиндр, и помещенному между обкладками цилиндрического конденсатора, матрица {3} — поляризатор с главной осью, расположенной под углом 8 к оси поляризации лазерного излучения. Теоретические и экспериментальные исследования, показали, что на выходе преобразователя (2) при 8=90° присутствуют только линейно-поляризованные компоненты ю0 ±{2к — 1)С1. При этом амплитуда составляющих основной частоты А=1, на порядок выше, чем для остальных к=3, 5... и изменяется на 2-4% при отклонении параметров преобразования от оптимальных в пределах, оговоренных в гл. 2.

Таким образом, в работе показана возможность реализации амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное на электрооптическом амплитудном модуляторе, выполненном из отрезка оптического ВС. Обсуждены технологические ас-

лекты реализации волоконных преобразователей, которые могут быть выполнены как из отрезков ВС, так и с использованием интегральной оптики и комбинированных технологий. Создание новых типов волокон, например, из LiNbOj, с высокими значениями постоянных эффекта Поккельса позволяют получить как резонансные, так и широкополосные модуляторы (до 200 ГГц) при малых управляющих напряжениях от 10—100 В.

Далее в главе рассмотрены вопросы разработки ВОД на базе скрученных волоконных световодов (СВС) для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

Реально ВОД на базе СВС представляет собой сложную систему, при рассмотрении которой следует учитывать три физических эффекта: эффект тунне-лирования мод из сердцевины первого ВС через его оболочку в оболочку второго ВС и далее в сердцевину; эффект наведенного двулучепреломления, вызванного скручиванием ВС вокруг их общей оси; эффект обратного рассеяния за счет неоднородностей ВС и его изгибов (скрутки).

В работе предложено для совершенствования метрологических характеристик ВОД на базе СВС замкнуть их концы и использовать переменный шаг скрутки. С целью проверки выработанных предложений было проведено математическое моделирование датчика и ряд экспериментов по исследованию его характеристик, в том числе определена чувствительность ВОД из двух замкнутых СВС с переменным шагом скрутки, характерная для каждого из эффектов.

Амплитудный ВОД. При использовании многомодовых ВС определение степени внешних воздействий на рабочем участке датчика будет определяться решением системы из двух уравнений перекачки мод и сравнением найденного решения с решением, характеризующим состояние покоя.

В этом случае изменение значения передаваемой по волокнам мощности, вызванное внешним воздействием, может быть выражено в первом приближении как

ДРА = SPA + Т(РА -РЙ) и АРВ = SPB - Т(РА -Р„), (И)

а соответствующие индексы модуляции

тл =ДРА/РА-S + T[l-{PB/PA)UmB =ДРв/Рв =S-T[{PA/PB)-i\. (12)

В приведенных выше выражениях: S — коэффициент рассеяния, обуславливающий потери, вызванные изменением под действием внешних факторов коэффициента преломления и диаметра оболочки, исключая мощность переданную другому ВС; Т- коэффициент перекачки мощности излучения из одной сердцевины в другую под действием внешних факторов, обусловленный изменением коэффициента преломления и расстояния между ВС.

Для случая 5Ю, соответствующего передаче энергии от одной оболочке к другой без потерь, можно получить тл1тв--РА1Рв. Таким образом, сигнал, наведенный внешними факторами, будет одинаков по амплитуде и отличен по фазе на 180°.

Пороговую мощность ВОД на СВС можно определить из выражения

(Л^и ={М^/т\РУП, (13)

где А — постоянная Планка, V — оптическая частота, ДК — полоса пропускания фотоприемника, а Т] — квантовая эффективность фотоприемника. При Р = 1 мВт, Т| = 0,7 И ДР = 1 Гц получим (&Р/Р)в^=ЪЛ0~*, что соответствует

При использовании одномодовых ВС чувствительность ВОД на базе двух СВС в основном зависит от коэффициента поперечной упругости оболочки ВС, и незначительно от радиуса его сердцевины и разности их коэффициентов преломления. Диапазон уменьшения потерь в зависимости от первого фактора может меняться от 0,01 до 5 дБ/м. На рис. 4 приведены результаты измерения линейности отклика ВОД из одномодовых ВС на растяжение. Квадратиками показаны полученные с помощью измерителя мощности значения потерь на длине волны 1,3 мкм. Сплошной линией представлен отклик, рассчитанный на основе математической модели.

Поляризационный ВОЛ. Косвенно распределенную информацию о приложении внешних воздействий по оси датчика можно получить, используя эффект наведенного двулучепреломления за счет скручивания ВС.

Рассчитав сдвиг фаз, претерпеваемый ортогональными модами на длине датчика I, получим в силу замкнутости концов

где ^ — определяет внешнее воздействие, а 1 —параметры скрутки.

В ряде работ было предложено с целью определения направления распространения колебаний использовать ряд датчиков с различным периодом скручивания, расположенных параллельно. В нашем же случае для придания датчику распределенных свойств необходимо обеспечить переменный шаг скрутки вдоль его оси с определенной дискретностью, что технологически реализуемо. В этом случае периодический множитель СО$(2тг) будет нести в себе функции маркерной линейки, а спектральный анализ сигнала может дать информацию о внешних воздействиях на датчик.

С точки зрения применимости ВОД на базе СВС с замкнутыми концами как поляризационного датчика особо ценно его использование как комплекси-рованного датчика, позволяющего использовать его одновременно для регистрации внешних воздействий и температуры. Кроме того, он является практически аналогом двухмодовых В ОД которые менее чувствительны к внешним паразитным воздействиям, чем интерферометрические, и может быть использован там, где требуется простота исполнения за счет некоторого снижения чувствительности. 24

чувствительности 72 дБ/мкПа.

О 0,2 0,4 0,6 Растяжение, %

Рис.4

Рефлектометрический ВОЛ. Прямую распределенную информацию с ВОД на базе СВС с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки можно получить при использовании рефлектометрических методов, в частности некогерентной частотной симметричной ЛЧМ рефлектометрии. При ком в работе решены задачи анализа выходного излучения при доступе к датчику, как с одного конца, так и с обоих с учетом и без учета перекачки мод.

Сигнал обратного рассеяния для ВОД на мдзученных одномодовых ВС с потерями без учета пе-

рекачки мод и френелевского рассеяния на торцах имеет следующий вид (15)

Введя ЛЧМ модуляцию, косинусная составляющая которой может быть описана выражением cos(2Z.&) = cos[27t(2/yug %df/dt)t\, определим глубину м<ь дуляции М на частоте биений и предельные характеристики ВОД_ по потерям.

М = 2ехр{- 2[а,(£-AL)+а2Д/,]}/1 + ехр {- 4[а,(£ - Ai)+агД£]}, (16)

а общие потери в датчике аL при предельно регистрируемой глубине модуляции 10% не могут превышать 1,5 (для ВС без потерь aL =0,002).

Получение обратно рассеянного сигнала с обоих концов датчика позволяет решить задачу локализации последовательно расположенных распределенных неоднородностей. Если предположить, что фактор обратного рассеяния G(x) и эффективный коэффициент рассеяния Ctp(x) не зависят от направления распространения света, то для распределений, эквивалентных /^(O.xJ./^L.x) можно получить:

fop^W-.*)]^ =ар(х)С(х)/>0ехр~к(О4в (|7)

Первое из этих выражений включает зависимость от х только через члены ap(x)G(x) и, таким образом, описывает флуктуации параметров ВС по длине.

Второе зависит от и определяет среднее затухание света на уча-

стке [0, х] ВС. Совместное решение (18) и (19) позволяет эффективно разделить вклад общего затухания и вклад зон потерь в сигнал обратного рассеяния.

Таким образом, разработаны ВОД на базе СВС с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки. Показана реализация датчиков амплитудного, поляризационного и рефлектометрического типов. Определены перспективы использования указанных типов ВОД и разработаны рекомендации по их применению в симметричных ДРСК параметров искусственных сред.

В шестой главе на основании результатов анализа существующих систем и датчиков, используемых на различных стадиях (прогнозирования; контроля активного процесса дефектообразования; аварийного состояния) определены требования к симметричным распределенным волоконно-оптическим ДРСК параметров искусственных сред, рассмотрены вопросы синтеза их структур как информационно-измерительных систем.

Очевидно, что при разработке требований к РОВС следует учитывать многообразие конструкционных узлов, их срок службы, условия эксплуатации, необходимые временные интервалы контроля, качество и информативность получаемых данных. Кроме этого следует учесть, что необходимо обнаруживать широкий спектр дефектов, присущих современному состоянию объектов контроля. Учитывая вышеизложенное, общие требования к РВОС могут быть сформулированы следующим образом:

• необходимость контроля значительного количества датчиков и исполнительных устройств, что определяется требованиями оперативности контроля и управления, повышением плотности средств диагностики;

• пространственное распределение средств управления и диагностики по объекту контроля, необходимость их временного разделения и синхронизации;

• возрастание информационных потоков каналов управления и обработки информации, работающих в реальном масштабе времени или близком к нему;

• принятие решений, обеспечивающих повышенные требования к сроку службы и надежности объекта контроля.

В этих условиях актуальной становится задача комплексирования ВОД и создания их единого поля для улучшения качества контроля СДРСК (напряжений, температур, давления и т.д.). Под единым полем комплексирован-ных датчиков будем понимать множество ВОД расположенных в контрольных зонах объекта контроля или технологически встроенных в его узлы и агрегаты, позволяющих получать с одного датчика информацию об одном или нескольких физических процессах и соединенных в общую волоконно-оптическую сеть передачи и обработки информации, управления и синхронизации.

С одной стороны, перспективность создания единого поля комплексиро-ванных датчиков определяется свойствами созданных одномодовых ВОД, возможность регистрации с их помощью воздействий различных физических полей: механических, температурных, акустических и др. С другой стороны возможностями многомодовых ВС в связных системах, их устойчивостью к воздействию внешних помех и стабильностью к изменению условий эксплуатации. И, наконец, особо следует выделить наличие широкого круга волоконно-оптических устройств обработки информации, которые позволят объединить отдельные элементы единого поля и их информационные потоки.

Вполне естественно, что требования к отдельным элементам единого поля ВОД могут быть различны (например, избирательная чувствительность к регистрируемому воздействию). Однако в целях универсальности применения, а также простоты реализации датчики поля должны обладать позиционной чувствительностью, то есть возможностью получения информации с простран-

ственным разрешением. Наибольший интерес с данной точки зрения представляют собой протяженные датчики, реализуемые на базе метода обратного рассеяния, которые сочетают в себе свойства ВС как многоточечного датчика и одновременно как линии передачи информации. Дополнительным преимуществом является необходимость доступа лишь к одному концу ВОД.

На примере структур симметричных ДРСК состояния подводного перехода магистрального нефтепродуктопровода проанализированы вопросы применимости в них методов и средств, разработанных в гл. 2 и 5, проведена детализация расположения датчиков, рассмотрены методики их мультиплексирования на базе временного, частотного и волнового уплотнения, определены преимущества формирования телекоммуникационных каналов системы с использованием двойного перемежения спектров информационных сигналов.

Симметричный когерентный временной рефлектометр (СКВР). Структура СКВР синтезирована на базе когерентного временного рефлектометра, ос-1 новным преимуществом которого является возможность обеспечения максимальной чувствительности фотоприемника, которая в идеальном случае определяется его квантово-механическим пределом Рс/Рш=И\Рор/Н(Л^. Основными дестабилизирующими факторами является нестабильность частоты гетеродина и невыполнение условий поляризационного и пространственного совмещения сигнального и опорного пучков при фотосмешении. Несомненно, что в волоконно-оптических ДРСК устранить указанные выше факторы гораздо проще, чем в открытых, однако используемые при этом методы не всегда приводят к желаемому результату. Применение методов и устройств симметричной двухчастотной рефлектометрии в СКВР позволяет устранить нестабильность частоты путем применения двухчастотного гетеродина (аналогично методу, описанному в гл. 3), а также обеспечить выполнение условий фотосмешения при непосредственном двухчастотном зондировании. Во втором случае для отношения сигнал/шум получим

Рс = гу1р{ет\1п<й)2 ^рр2р(ц/аш) Ра 2еД/ф'т + Яшфп(ег1/Лм)]И

Анализ (19) при /^^^тфц позволяет утверждать, что, несмотря на снижение чувствительности приемника по сравнению с когерентным приемом, получен выигрыш за счет переноса спектра информационного сигнала в область с минимальным уровнем шумов по сравнению с прямым детектированием.

Симметричный некогерентный частотный рефлектометр (СНЧР). Основное преимущество некогерентной частотной рефлектометрии перед временной заключается в возможности сужения полосы пропускания фотоприемника. Поскольку частота биений может быть изменена за счет изменения периода модуляции, полоса пропускания может быть значительно ниже, чем та, которая требуется при использовании временной рефлектометрии с высоким разрешением. В отличие от когерентной некогерентная частотная рефлекто-метрия использует фиксированную непрерывную оптическую несущую на которую наложена изменяющаяся во времени радиочастотная составляющая.

На рис. 5 приведена зависимость глубины модуляции М от потерь aL в ВС, определенная согласно (17). Задавшись минимально регистрируемой глубиной модуляции, например 10%, и общими максимально возможными потерями, вызванными потерями в волокне в состоянии покоя, например, 5 дБ/км (при этом а=1,15х10"3) можно определить максимальную протяженность зондируемой трассы, которая составит 1,3 км.

Рассмотренные рефлектометры позволяют регистрировать состояние объектов контроля по возмущениям, вызывающим изменения в ВС параметров рассеяния Релея и Френеля. Далее в работе проведена оценка применимости амплитудно-фазового метода преобразования частоты и ЛЧМ-модуляции для создания частотного рефлектометра с синтезируемой функиией когерентности (ЧРСФЮ. использующего эффект рассеяния Бриллюэна. Сигнал на выходе фотодетектора такого рефлектометра может быть описан в виде

(20)

где р — коэффициент отражения неоднородности, 8л — изменение коэффициента преломления,

Интеграл в фигурных скобках представляет синтезируемую функцию когерентности. Основное преимущество ЧРСФК заключается в возможности получения прямого измерения без проведения сложных вычислений, что объясняется возможностью приведения синтезированной функции когерентности и функции корреляции по п к виду дельта-функции. Сканирование пика функции когерентности достигается изменением значения частоты при этом пространственное разрешение будет определяться как

Ьхщ~г т^/Ш, (21)

где число ступеней аппроксимации функции когерентности.

Преимущество амплитудно-фазовых устройств заключается в возможности перестройки частоты Л по заданному закону с заданной скоростью. При этом N —> оо, а следовательно может быть достигнуто очень высокое пространственное разрешение. Основное ограничение на достижение пространственного разрешения в субмиллиметровой области накладывает нелинейность модуляционных характеристик электрооптических модуляторов, которая приводит как к искажению законов модуляции и синтеза функции когерентности, так и к появлению ее субпиков (паразитных спектральных составляющих). Последнее приводит к снижению динамического диапазона измерений, который в основном определяется характеристиками гетеродинного детектирования.

Структура информационного капала с двойным перемежением спектра (ЛПС) на базе амплитудно - фазового метода. В работе рассматриваются принципы формирования двойного перемежения спектров (ДПС) в структуре CWDM каналов с мультиплексированием на поднесущих. Показана возможность получения двух разнесенных поднесущих с использованием амплитудно-фазового метода преобразования, определены параметры модуляции поднесу-щих для получения ДПС, и представлен вариант использования системы с мультиплексированием на поднесущих и ДПС в структуре CWDM канала КТВ при передаче композитных телевизионных сигналов.

На рис. 6 иллюстративно представлены возможности повышения эффективности использования CWDM каналов с мультиплексированием на поднесущих в случаях тандемной однополосной модуляции (ОПМ) (б) и ДПС (в) по сравнению с AM (а). Видно, что в случае ДПС полоса частот, занимаемая информационным сигналом в два раза меньше, чем в случае с тандемной ОПМ. Это позволяет либо снизить потери информации, вызванные завалом высоких частот в полосах, выделяемых оптическими фильтрами ОФ, при уходах частоты лазерного излучения, либо расширить полосу передаваемых информационных сигналов (до 1,5-2 раз) при обеспечении стабильности частоты лазерного излучения.

ДПС может быть сформировано на стадии модуляции оптических подне-сущих. Более целесообразным представляется использование комбинированного подхода с одновременным амплитудно-фазовым формированием оптических поднесущих и их квадратурной модуляцией информационным сигналом, что может быть реализовано в интегральных электрооптических модуляторах.

Производя амплитудно-фазовое преобразование с одночастотным излучением в первом приближении при частоте /г = П/2л я Р,/2, где Р, — верхняя частота в спектре информационного сигнала, и соответствующим образом выбрав остальные параметры преобразования, получим спектр информационного сигнала:

и = У - , {соз[(лП + П')1 + <р] + с«к[(иП - О')/ - ф]}, (22) 2 ¿-<пп -р

что соответствует амплитудно-фазовой модуляции каждой его составляющей.

Таким образом, действительно существует принципиальная возможность передачи сигналов с при помощи поднесущей с частотой коммутации фазы с сокращением полосы частот сигнала информации вдвое в сравнении с полосой сигнала информации при обычной амплитудной модуляции (при амплитудной модуляции Д/=2Г„ а в рассмотренном случае &/=2

Седьмая глава содержит описание разработанных, апробированных и внедренных симметричных лазерных ДРСК параметров природной и искусственных сред, а также сопутствующих программно-аппаратных средств и систем измерений, созданных в процессе работы над диссертацией.

Фазовый лазерный дальномер для испытания новых образцов аэроупругой техники Разработанный нами фазовый прецизионный лазерный дальномер предназначен для проведения динамических испытаний по оценке процесса приземления изделий с горизонтальной составляющей скорости (наклонный стенд), скорости нагружения объекта испытаний (горизонтальный и вертикальный стенды). Он состоит из трех оптических блоков (универсальных для всех стендов) и блока обработки результатов измерений на базе промышленного компьютера, позволяющего мультиплексировать измеряемые потоки в реальном масштабе времени при одновременности испытаний на всех трех стендах.

Высокая точность измерения расстояний предлагаемым дальномером достигается применением фазового метода измерений и высокочастотной модуляцией света с трехкратным преобразованием частоты (50 и 5 МГц, 25 кГц). В отличие от существующих методов модуляции в дальномере использовано преобразование одночастотного лазерного излучения в симметричное двухчас-тотное. Использование данного преобразования позволяет значительно повысить энергетику модуляции (до 36% интенсивности в каждой составляющей), и получать первичный сигнал на выходе фотоприемника на высокой частоте, которая лежит в области минимума собственных шумов фотоприемника.

При мощности Ые-№-лазера 2 мВт дальность действия дальномера достигает 150 м, а диапазон измеряемых скоростей 0,05 - 80 м/с при относительной погрешности измерений 1%.

Мобильный информационно-измерительный комплекс для исследования траекторий полета аэроупругих систем. В состав разработанного комплекса средств для исследования траектории полета аэроупругих систем «КАСКАД» входят: в базовом варианте — импульсный лазерный дальномер, телевизионная система автоматического сопровождения и определения угловых координат исследуемого объекта, система сбора и обработки информации на базе промышленного компьютера; в модернизированном варианте - лазер подстветки, прецизионный симметричный двухчастотный дальномер для привязки к местности по реперным точкам полигона, телевизионно-теодолитная система из трех камер, система сбора и обработки информации с оптическим каналом связи.

Основной проблемой, решенной при разработке комплекса, явилась проблема выбора вида зондирующего сигнала и метода его обработки с учетом необходимости значительного улучшения массогабаритных показателей аппаратуры (импульсное излучение мощностью 1 МВт с длительностью 20 не на длине волны 1,06 мкм, с частотой следования до 150 Гц и возможностью ее плавной перестройки в зависимости от фазы полета, начиная с единиц герц). Это потребовало разработки специальных блоков питания «РИТМ» для использованного в базовом варианте комплекса лазера ИЗ-25 и «РИТМ-М» для модернизированного варианта с лазером ЬТ-5Х. Проблема анализа данных об угло-

вых скоростях аэроупругих систем была решена с помощью «грубого» контура слежения - опорно-поворотной платформы и «точного» контура - телевизионной передающей камеры. В модернизированном варианте опорно-поворотная платформа, как фактор, определяющий основную погрешность измерения угловых координат, была исключена из структуры комплекса. Конструктивно комплекс расположен в кунге автомобиля КАМАЗ-4280, который снабжен автономным источником энергоснабжения. В модернизированном варианте автомобиль является средством доставки аппаратуры и центром управления комплекса. Из центра управления осуществляется привязка телевизионных камер с помощью симметричного двухчастотного дальномера и приемников GPS, а также координация спуска аэроупругих систем.

Диапазон рабочих дальностей 5 км, погрешность измерения дальности 2,5 м, диапазон сопровождения по угловым координатам 80° по горизонтали и 120° по вертикали, погрешность определения угловых координат - 10".

В диссертации приведены сведения о разработанных и внедренных: электрооптическом устройстве преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное ИПМ-3. экспериментальном стенде для исследования характеристик двухчастотных симметричных лидарных систем, экспериментальном стенде для исследования двухчастотных симметричных интерферометрических систем, внутрирезонаторном спектрометре аэрозольных частиц «Спектр-ВР». экспериментальном стенде для исследования некогерентных частотных волоконно-оптических рефлектометров, экспериментальном стенде для исследования ВОД крутящего момента.

Распределенные ВОД для мониторинга состояния интеллектуальных узлов перспективных транспортных средств (ИУПТС). Разработанные ВОД на двух скрученных волокнах с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки были использованы для создания ИУПТС, в частности, парашютных шнуров и строп из капрона и СВМ, а также криогенных топливных баков для сжиженного природного газа из стеклопластика. Возможность создания встроенной системы контроля определялась близкими характеристиками материалов, используемых для создания ИУПТС и ВОД.

В случае криогенных топливных баков ВОД предназначались для измерения давления и вклеивались на предпоследнем слое оболочки бака. Для защиты от внешних повреждений ВОД покрывались дополнительным слоем стеклопластика. Проведенные измерения позволили определить равномерность характеристики преобразования ВОД в диапазоне до 10 кГц при пороговом давлении 70 дБ/мкПа, соответствующему рассчитанному по уровню дробового шума фотоприемника (гл. 5). Для компенсации постоянного давления использовались ВОД с различным шагом скрутки. В случае парашютных шнуров и строп ВОД предназначался для измерения натяжения и сокращения строп. Волокна вплетались в структуру исследуемых образцов и испытывались на разрывной машине при плавном нагружении исследуемых образцов. Типичное разрешение ВОД составило 25 мкм в течении восьми часов и доходило до 120 мкм при непрерывном использовании более двух суток.

Информационно-измерительные системы удаленного сбора данных в системах контроля состояния технологического оборудования. В работе приведены результаты разработки информационно-измерительных систем контроля состояния обмоток якорей двигателей постоянного тока (ДПТ) электроприводов стрелочных переводов, контроля и управления температурой производственных печей по обработке узлов авиационной техники, контроля обводненности добываемой и транспортируемой нефти.

Общий принцип работы автоматизированной системы мониторинга (ЛСМ) состояния ДПТ заключается в регистрации тока, потребляемого им во время эксплуатации, преобразования его в цифровой вид и передачу полученного массива данных для обработки в микро-ЭВМ. Программное обеспечение микро-ЭВМ позволяет осуществить визуальный контроль сигна-лограмм, их пороговый контроль для определения соотношения между пиковым и средне-выпрямленным значениями потребляемого тока, и, наконец, более тонкий спектральный контроль на базе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Три степени контроля позволяют с высокой достоверностью определить по характеру пульсаций потребляемого ДПТ тока его состояние и тип неисправности. В настоящее время разработанные образцы АСМ прошли опытную эксплуатацию в Казанском отделении Горьковской железной дороги.

Основой системы контроля и управления температурой производственных печей по обработке узлов авиационной техники является технологическая сеть на основе интерфейса RS-485 с подключенным к ней IBM PC совместимым компьютером и измерительными модулями серии ADAM-4000 фирмы Advan-tech. Программное обеспечение системы реализовано на базе программной оболочки GENIE и работает под управлением системы Win98. В его состав входят основной исполняемый модуль, программа визуализации архива зарегистрированных технологических параметров, а также программы тестирования технических средств, макросы параметров измерительных каналов, позволяющие включать и выключать любые каналы, корректировать аддитивные и мультипликативные погрешности первичных датчиков, выбирать единицы измерений и конфигурировать внешний вид пользовательского интерфейса. Система проходит опытную эксплуатацию на ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова.

Система сбора информации о количественных соотношениях нефти и воды в водонефтяных эмульсиях состоит из модулей, устанавливаемых на сборных и учетных узлах нефтепроводов, каждый из которых содержит микроволновый генератор для сепарации эмульсии, телевизионную подсистему для визуализации воды и нефти, микропроцессорный блок для обработки видеосигналов, управления работой модуля и передачи данных, подсистему ввода эмульсии в зону контроля и ее вывода. Система разработана для ОАО «Татнефть». Получены результаты, позволяющие заменить существующий лабораторный парк приборов Дина-Старка для определения обводненности нефти на разработанные модули. Время анализа полулитровой пробы, обеспечивающей репрезентативность измерений при одинаковой погрешности, в разработанном приборе в 16 paз меньше, чем у прибора Дина-Старка.

J2

В приложении содержатся дополнительные материалы и документы, подтверждающие ряд положений диссертации и использование её результатов.

Приложение 1 содержит описание пакетов прикладных программ, разработанных и использованных при проведении исследований; Приложение 2 показывает возможность применения волоконно-оптических методов измерений для анализа пространственною распределения ЭМП СВЧ-диапазона в рабочих камерах технологических установок; Приложение 3 содержит акты, подтверждающие внедрение результатов работы.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Главным результатом диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы - улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, основанных на развитии теории и техники симметричной двухчастотной рефлектометрии на базе амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Кроме того, получены следующие результаты.

1. Проведен анализ современного состояния лазерных рефлектометриче-ских систем контроля параметров природной и искусственных сред, на основе результатов которого предложен новый класс систем — симметричные двухчас-тотные системы. Показаны возможности улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей контроля параметров природной и искусственных сред при их использовании.

2. Развита теория амплитудно-фазового преобразования частоты с целью получения симметричного двухчастотного когерентного излучения. Разработан амплитудно-фазовый метод преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Теоретически и экспериментально подтверждены высокая степень чистоты и стабильность спектрального состава выходного излучения, как при оптимальных параметрах преобразования, так и при отклонении от них.

На основе метода развиты основные положения теории и техники симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред.

2. Предложены различные способы построения амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двух-частотное. Разработаны и созданы электрооптические преобразователи, обеспечивающие возможность работы в широком диапазоне рабочих длин волн, а также плавную перестройку разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью.

Уточнен ряд положений теории амплитудных электрооптических модуляторов. Впервые теоретически и экспериментально показано, что спектр выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора при работе в «нулевой» точке

И уяроутТ'"'т""'" """"Г"''' симметричным

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПтрОург 09 КЭ ш

и двухчастотным. При этом реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования частоты на второй гармонике модулирующего колебания.

Разработаны рекомендации по построению преобразователей указанных выше типов для открытых систем контроля природной среды, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

3. Определены принципы двухчастотного сканирующего зондирования контуров линий поглощения атмосферных газов и разработаны структурные схемы симметричных двухчастотных лидарных систем, позволяющих учитывать и компенсировать нестабильность частоты зондирующего источника, использовать перестройку разностной частоты двухчастотного излучения для сканирования контура, осуществлять точную настройку длины волны зондирующего источника на центр контура.

Даны практические рекомендации по построению лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

4. Предложены различные способы построения волоконных амплитудно-фазовых электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Разработаны рекомендации по построению преобразователей данного типа для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчас-тотной рефлектометрии.

Предложен волоконно-оптический датчик из двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки, характеризующийся простой оптической схемой и возможностью получения многопараметрической распределенной информации. Разработаны рекомендации по построению на его базе измерительных преобразователей амплитудного, поляризационного и рефлектометрического типа для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной реф-лектометрии.

5. Определены принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и разработаны структурные схемы встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов, спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

6. Результаты диссертационной работы, полученные на основе развития теории и техники симметричных двухчастотных рефлектометрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, внедрены на ряде предприятий в виде отдельных систем, приборов, радио- и оптоэлек-тронных устройств, волоконно-оптических датчиков, программных средств, методик проектирования и учебно-методических материалов.

Новизна и полезность технических решений подтверждены 15 авторскими свидетельствами СССР, патентами и свидетельствами РФ на изобретения, промышленные образцы и полезные модели.

IV. СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А 1338647 SU 4 G02F 1/03. Способ преобразования одночастогного когерентного излучения в двухчастотное / Ильин Г.И., Морозов О.Г. (Качан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3578456/31-25; Заявл. 13.04.83.

2. А 1 1463010 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е., Терновсков В.Т. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3890464/31-25; Заявл. 29.04.85.

3. Л 1 1466494 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3891454/31-25; Заявл. 29.04.85.

4. А 1 1477130 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. Л.Н. Туполева). №4033402/31-25; Заявл. 03.03.86.

5. А 1 1325996 SU 4 G01N 15/02. Лазерный измеритель размеров аэрозольных частиц / Польский Ю.Е., Ильин Г.И., Морозов О.Г. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3928077/24-25; Заявл. 12.07.85.

6. А 1 1200368 SU 4 Н05К 3/53. Устройство для заряда накопительного конденсатора / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е., Терновсков В.Т. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3370285/24-21; Заявл. 23.12.81 // Бюллетень изобретений. 1985. № 47.

7. Ильин ГЛ., Морозов О.Г., Польский Ю.Е., Терновсков В. Т., Хайруллин НТ Блок импульсной накачки лидарных комплексов // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 5. С. 762-765.

8. Ильин ГЛ., Морозов ОТ, Польский Ю.Е. ЛЧМ-лидар с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 12. С. 1871-1874.

9. Ильин ГЛ., Морозов ОТ, Польский Ю£. Исследования ЛЧМ-лидара с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 2. С. 435-440.

10. Морозов ОТ. О применении телевизионных датчиков в качестве фотоприемников лидарных систем // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. Ill межреспуб. симп. 2-5 июля 1996 г. Томск, ИОА ТФ РАН, 1996. С. 181.

11. Win GJ., Morozov O.G, Pol'skii Yu.E. Two frequency oscillator for interferometers with polarisation dived channels // Optical inspection and micro-measurements. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2782. P. 814-818.

12. Саидов ФА., Дорогое Н.В., Морозов ОТ, Шахов НА. Автоматизированная система измерения и контроля параметров электродвигателей постоянного тока стрелочных электроприводов // Автоматика, телемеханика и связь. 1996.№11.С. 28-30.

13. Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Perspectives of fiber sensors based on optical reflectometry for nondestructive evaluation // Nondestructive evaluation of materials and composites. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2944. P. 178-183.

14. Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Built-in fiber sensors for safe use of aircraft // Nondestructive evaluation of aging aircrafts, airports and aerospace hardware. Proceedings ofSPIE, 1996. V. 2945. P. 212-216.

15. Petuchov V.M., Morozov 0.(7., Akhtiamov RA. Evaluation of oil and gas pipelines bedded in rivers // Nondestructive evaluation of utilities and pipelines. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2947. P. 100-104.

16. U 1 3083 RU 6 G01R 31/34. Устройство для диагностики электродвигателей постоянного тока / Морозов О.Г., Дорогое Н.В., Плахов НА и др. № 95109608/20; Заявл. 07.06.95 // Бюллетень ИПМ. 1996. № 4.

17. Petuchov V.M., Win G.I., Morozov O.G., Pol'skii Yu. E, Akhtiamov RA. Two frequency IR-CW-LFM-lidar for monitoring of hydrocarbons and gas vapors // Infrared remote sensing. Proceedings ofSPIE, 1997. V. 3122. P. 58-64.

18. Морозов ОТ, Николаев Ю.М., Николаев П.М., Николаев A.M., Нуреев И.И. Влияние флуктуации интенсивности лазерного излучения на аэрозолях на метрологические характеристики локационных систем // Метод дискретных особенностей в задачах математической физики: Тез. докл. VII междунар. конф. 26-29 июня 1997 г. Херсон: ХГУ, 1997. С.251-252.

19. Кучемезов А.О., Морозов ОТ, Нуреев И.И. Влияние оптических характеристик турбулентной атмосферы на точность измерений лазерных локационных систем // Метод дискретных особенностей в задачах математической физики: Тез. докл. VII междунар. конф. 26-29 июня 1997 г. Херсон: ХГУ, 1997. С.253-256.

20. 45271 МКПО 15-07. Холодильник / Застела М.Ю., Морозов О.Г., Морозов ГА и др. (Науч.-иссл. центр прикладной электродинамики Казан, гос. технич. ун-т им. АЛЛуполева, ПО «Завод имени Серго»). №97500488/49; Заявл. 10.06.97// Бюллетень ПО. 1999. №3.

21. Морозов ГА., Морозов ОТ, Ахтямов РА., Петухов BJA., Седельников Ю£. Мониторинг условий залегания магистральных нефтепродуктопрово-дов, расположенных на дне водоемов //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997. № I.C. 28-31.

22. Польский Ю.Е., Морозов О.Г. Единое поле комплексированных волоконно-оптических датчиков в системах контроля безопасности скоростных транспортных средств // Вестник КГТУ им. АН. Туполева. 1997. № 1. С. 39-41.

23. Ильин Г.И., Морозов О.Г, Польский IO.E. Особенности построения электрооптических амплитудно-фазовых формирователей двухчастотного лазерного излучения для дифференциальных ЛЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 5. С. 513-516.

. 24. Morozov GA.y Morozov O.G. Online NDE monitoring for microwave reticulation of thermosetting resins // Nondestructive Evaluation of Materials and Composites II. Proceedings ofSPIE, 1998. V.3396. P. 264-270.

25. Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Joint field of integrated fiber optic sensors for aircraft and spacecraft safety parameters monitoring // Nondestructive evaluation ofAging Aircrafls, Airports, and Aerospace hardware II. Proceedings of SPIE, 1998. V. 3197. P. 217-225.

26. Petuchov V.M., PetuchovaZ.K., AchtyamovR.A., MorozovO.G. Fiber optic sensors for NDE online inspection of buried under the mains and offshore pipings // Nondestructive evaluation of utilities and pipelines II. Proceedings of SPIE,

1998. V. 3398. P. 209-216.

27. Ильин Г.И., Морозов ОТ, Польский IO.E. Применение амплитудно-фазового преобразования частоты лазерного излучения для создания специальных схем ЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 4. С. 360-363.

28. Ильин Г.И., Морозов ОТ, Польский Ю.Е. Исследование методов точной настройки на контур линии поглощения // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. VI Междунар. симп. 23-26 июня 1999 г. Томск, ИОА СО РАН, 1999. С. 109.

29. Petuchov V.M., PetuchovaZ.K., AkhtiamovRA., Win G.I., Pol'skii Yu.E., Morozov O.G. Lidar technologies application to leakage detection in oil product pipelines // Nondestructive Evaluation of Utilities and Pipelines HI. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3588. P. 81-89.

30. Morozov GA., Akhtiamov RA., Nikolaev PM., Nikolaev AM., Nikolaev Y.M., Kouprianov SS. Mobil leak detection systems for oil product pipelines // Nondestructive Evaluation of Utilities and Pipelines HI. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3588. P. 90-98.

31. Кучемезов А.О., Морозов ОТ, Нуреев HJf., Николаев ЮМ. Моделирование зоны формирования максимума интенсивности энергетического поля лазерного излучения при исследовании аэрозолей // Вестник Херсонского ГТУ.

1999. Спец. выпуск «Прикладные проблемы математического моделирования». С. 98-100.

32. Морозов ОТ, Николаев AM., Николаев ПМ., Николаев ЮМ. Моделирование процессов светорассеяния внутри резонатора лазерного спектрометра аэрозолей // Вестник Херсонского ГТУ. 1999. Спец. выпуск «Прикладные проблемы математического моделирования». С. 115-118.

33. Морозов ОТ. Аналоговые технологии переходного периода для ин-фотелекоммуникационных систем // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Матер. IX Междунар. Крымской конф. 13-16 сентября 1999 г. Севастополь, Крым, Украина, 1999. С. 148-149.

34. II'in G.I., Morozov O.G., Pol'skii Y.E. Metrological features of laser interferometers with frequency conversion in supporting channel // Optical Measurement Systems and Industrial Inspection. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3824. P. 162-168.

35. Zalyalov R.G., Akhtiamov RA., Morozov GA., Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Optical frequency domain reflectometer for fiber structural testing // Optical Measurement Systems and Industrial Inspection. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3824. P. 274-279.

36. Морозов ОТ. Волоконно-оптический датчик для бортовой системы контроля параметров безопасности летательных аппаратов // Проектирование и эксплуатация электронных средств: Сб. матер. Российской науч.-техн. конф. 58 июня 2000 г. Таганрог-Казань, Изд-во Казан, гос. тех. ун-та, 2000. С. 34.

37. Ильин Г.И., Морозов ОТ, Царева МЛ. Особенности поведения фазы сигнала биений в дифференциальных лидарных системах // Оптика атмосферы и океана: Те», докл. VII Междунар. симп. 16-19 июля 2000 г. Томск: ИОА СО РАН, 2000. С. 112.

ЗХ. Морозов ОТ. Автоматизированная система мониторинга параметров июктричееких машин постоянного тока, используемых в транспортных средствах // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Сб. матер. Всерос. науч.-техн. конф. 1 1-12 апреля. Пенза, ПДЗ, ПГУ, 2001. С. 211-212.

39. Богатое М.В., Морозов ОТ, Польский Ю.Е. Оптический динамометр на основе волоконно-оптического преобразователя «сигнал-код» // Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева». Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2000. Вып. 3(15). С. 60-64.

.40. Морозов ОТ. Двухчастотные сканирующие ЛЧМ-лидары: принципы построения и модели // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Сб. матер. Всерос. науч.-техн. конф. 11-12 апреля. Пенза, ПДЗ, ПГУ, 2001. С. 217-218.

41. Морозов ОТ. Системы метрологического обеспечения стендовых и летных испытаний аэроупругих систем // Вопросы совершенствования боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники: Сб. тез. докл. и сообщ. XVII науч.-техн. конф. 15-17 мая 2001 г. Казань, КВАКНУ, 2001. С. 47.

42. Морозов ОТ. Встроенные волоконно-оптические датчики для мониторинга инфраструктуры // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сб. матер III Всерос. науч. конф. Пенза, ПДЗ, 2001. С. 16-17.

43. Морозов ОТ. Совместимая система цветного телевидения с двойным перемежением спектра // LVI науч. сессия, посвящен. Дню радио: Труды. Москва, РНТО РЭС им. А. С. Попова, 2001. С. 114-116.

44. Морозов ОТ. Оптическая рефлектометрия в системах экологического мониторинга // Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных катастроф: Сб. матер, межрегион, пост, действ, семин. 26-27 апреля. Пенза, ПДЗ, 2001. С. 113-114.

45. Морозов ТА., Морозов ОТ. Телевизионные методы и средства измерений в системах с микроволновой визуализацией объектов контроля // СВЧ-тсхника и телекоммуникационные технологии: Матер. XI Междунар. Крымской конф. 10-14 сентября 2001 г. Севастополь, Крым, Украина, 2001. С.623-625.

46. Морозов ОТ. Волоконно-оптические датчики для мониторинга распределения тепловых полей в рабочих камерах микроволновых технологических комплексов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Матер. XII Междунар. Крымской конф. 9-13 сентября 2002 г. Севастополь, Крым, Украина, 2001. С. 569-570.

47. Ovchinnikov D.L., Akhtiamov RJ., Yusupov A.Yu., Nureev /./., Dorngov N.V. Automatic sorting installation based on two CCD-camcras for measuring a gauge diameter and ellipticity of pulp extractors // Videomctrics and optical methods for 3D shape measurements VII. Proceedings of SPIE, 2001. V. 4309. P. 60-66.

48. Morozov O.G. Ovchinnikov D.L, Akhtiamov RA., Zalyalov R.G., // In 6'./., Pol'skii Yu.E., Petoukhov VM.t Petoukhova Z.K. Two-frequency scanning LFM lidars: theory and applications // Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere VI. Proceedings of SPIE, 2001. V.4539. P. 158-168.

49. С 2 2185714 RU 7 A01C 1/00. Способ обработки семян и устройство для его осуществления / Воробьев Н.Г, Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др. (На-уч.-иссл. центр прикладной электродинамики Казан, гос. технич. ун-т им. А.Н.Туполева). №2000121807/13; Заявл. 08.08.2000 // Бюллетень ИПМ. 2002. №21.

50. С 2 2187920 RU 7 А01С 1/00, F26B 11/04. Устройство для обработки семян / Воробьев Н.Г., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др. (Науч.-иссл. цен гр прикладной электродинамики Казан, гос. технич. ун-т им. А.Н.Туполева). №2000129888/13; Заявл. 29.11.2000 // Бюллетень ИПМ. 2002. № 24.

51. С 1 2196227 RU 7 Е21В 43/34. Устройство разделения водогазо-нефтяной смеси / Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов ГА и др. (Науч.-иссл. центр прикладной электродинамики Казан, гос. технич. ун-т им. А.Н.Туполева, НГДУ «Лениногорскнефть» ОАО «Татнефть»). №2001115471/03; Заявл. 05.06.2001 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 1.

52. U 1 23333 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов ГА. и др. (Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов ГА. и др.). №2002101820/20; Заявл. 25.01.2002 // Бюллетень ИПМ. 2002. №16.

53. U 1 30001 RU 7 G01L 3/08. Датчик крутящего момента (варианты) / Богатое М.В., Морозов О.Г., Глактеев С. А., Польский Ю. Е. (Науч.-иссл. центр прикладной электродинамики Казан, гос. технич. ун-т им. А.Н.Туполева). №2003100310/20; Заявл. 04.01.2003 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 16.

54. С 1 2212664 RU 7 G01N 32/26, 21/59. Способ анализа состава сырой нефти и устройство для его осуществления / Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др. (Галимов Р.Х. , Морозов О.Г., Морозов ГЛ. и др.). №2002102176/28; Заявл. 25.01.2002 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 26.

55. U 1 34253 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Галимов Р.Х., Морозов О.Г, Морозов ГА. и др. (ОАО «Шешмаойл»). №2003114691/20; Заявл. 21.05.2003 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 33.

56. Morozov GA., Morozov O.G., Galimov M.R. Development of microwave technologies for the oil and gas extraction complex // Antenna Theory and Techniques: Proceedings of IV Intern. Conf. 9-12 September, 2003. Sevastopol, Ukraine, 2003. P. 101-106.

57. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации) / ГА. Морозов, О.Г. Морозов, Ю.Е. Седельников и др.; Под ред. ГА. Морозова и Ю.Е.Седельникова. М.: Радиотехника, 2003. 112 с.

58. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации) / Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, Ю.Е. Седельников и др.; Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е.Седельникова. // Антенны. Вып. 7-8(74-75). 2003. 112 с.

59. Морозов ГЛ., Морозов ОТ, Анфиногентов В.И. Развитие микроволновых технологий в авиационной промышленности // Авиакосмические технологии и оборудование: Сб. докл. науч.-прак. конф. 14-17 августа 2002 г. Казань: Изд-во Казан, гос. тех. ун-та, 2003. С.80-86.

60. Морозов ОТ. Волоконно-оптические системы рефлектометрического типа для мониторинга состояния аэрокосмических средств // Авиакосмические технологии и оборудование: Сб. докл. науч.-прак. конф. 14-17 августа 2002 г. Казань: Изд-во Казан, гос. тех. ун-та, 2003. С.173-178.

61. Морозов ОТ, Польсти ЮЖ., Сарварова Л.М., Сарварова AJ., Николаев AM., Николаев П.М., Николаев ЮМ. Волоконно-оптические распределенные датчики для испытаний новых образцов аэроупругих систем // Юбилейные научно-технические конференции НИИ АУС: Сб. стат. науч.-прак.

' конф. 11-13 сентября 2001,2003 гг. Феодосия, Крым, Украина, 2003. С. 26.

62. Морозов ОТ. Салихов AM., Корпачев ЮА, Николаев AM., Николаев ПМ., Николаев ЮМ. Фазовый лазерный дальномер для испытаний новых образцов на испытательных стендах // Юбилейные научно-технические конференции НИИ АУС: Сб. стат. науч.-прак. конф. 11-13 сентября 2001, 2003 гг. Феодосия, Крым, Украина, 2003. С. 28.

63. Морозов ОТ, Польский Ю£., Николаев A.M., Николаев П.М., Николаев ЮМ. Волоконно-оптические распределенные датчики контроля 'динамики раскрытия аэроупругих систем // Юбилейные научно-технические

конференции НИИ АУС: Сб. стат. науч.-прак. конф. 11-13 сентября 2001, 2003 гг. Феодосия, Крым, Украина, 2003. С. 145-146.

64. Морозов ОТ. Амплитудно-фазовое преобразование частоты в системах временной и частотной рефлектометрии волоконно-оптических информационных и измерительных сетей // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Т.7. №1. С. 63-70.

65. Воробьев НТ, Морозов ГА., Морозов ОТ, Самигуллин Р.Р. Оценка метрологических характеристик автоматизированных микроволновых модулей для анализа состава сырой нефти // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Т.7. №1. С. 76-79.

66. Морозов ОТ. Повышение коэффициента использования CWDM каналов с мультиплексированием на поднесущих и двойным перемежением спектров информационных сигналов // Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества: Сб. трудов науч.-прак. конф. 16-18 сентября 2003 г. Москва, Новые технологии, 2004. С. 338-347.

67. Морозов ОТ. Амплитудно-фазовое преобразование частоты в системах временной и частотной рефлектометрии волоконно-оптических информационных и измерительных сетей // Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества: Сб. трудов науч.-прак. конф. 16-18 сентября 2003 г. Москва, Новые технологии, 2004. С. 348-357.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печл. 2,5. Усллечл. 2,32. Усл.кр.-отт.232. Уч.-издл. 2.0. _Тираж 100. Заказ ДШ._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

$ < 954 8

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Открытые и встроенные ДРСК параметров природной и искусственных сред.

1.1.1. Открытые ДРСК параметров природной и искусственных сред.

1.1.2. Встроенные ДРСК параметров природной и искусственных сред.

1.1.3. Применение симметричного двухчастотного излучения в открытых и встроенных ДРСК параметров природной и искусственных сред.

1.2. Оценка возможности получения симметричного двухчастотного излучения в УФ ДЛИ.

1.3. Анализ уровня развития ВОД для встроенных ДРСК.

1.4. Симметричные открытые и встроенные ДРСК параметров природной и искусственных сред.

1.5. Цель исследования и основные задачи, решаемые в диссертации.

ГЛАВА 2. АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ МЕТОД

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОДНОЧАСТОТНОГО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В СИММЕТРИЧНОЕ ДВУХЧАСТОТНОЕ.

2.1. Теоретическое обоснование амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного колебания в симметричное двухчастотное.

2.2. Исследование характеристик спектра двухчастотного колебания при отклонении параметров преобразования частоты от оптимальных.

2.2.1. Теоретические исследования спектрального состава выходного излучения при изменении коэффициента амплитудной модуляции т{Ь) и величины дискретного изменения фазы несущего излучения 6.

2.2.2. Экспериментальные исследования спектрального состава выходного излучения при изменении коэффициента амплитудной модуляции т(Ь) и величины дискретного изменения фазы несущего излучения 0.

2.2.3. Выводы по разделу.

2.3. Краткое обсуждение полученных результатов.

2.4. Информационная структура двухчастотного симметричного колебания.

2.4.1. Анализ амплитудных соотношений мгновенных компонент симметричного двухчастотного колебания.

2.4.2. Анализ фазовых соотношений мгновенных компонент симметричного двухчастотного колебания.

2.4.3. Анализ градиентных соотношений мгновенных компонент симметричного двухчастотного колебания.

2.4.4. Выводы по разделу.

2.5. Анализ возможности применения симметричных двухчастотных сигналов в ДРСК природной и искусственных сред.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ СИММЕТРИЧНОГО ДВУХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ.

3.1. Краткие сведения из теории модуляции оптического излучения.

3.2. Теоретические исследования спектрального состава выходного излучения с учетом модуляционных характеристик электрооптических устройств.

3.2.1. Вывод спектра выходного симметричного двухчастотного излучения.

3.2.2. Теоретические исследования влияния параметров преобразования на спектральный состав выходного излучения.

3.2.3. Выводы по разделу.

3.3. Электрооптические устройства формирования симметричного двухчастотного излучения.

3.3.1. Двухмодуляторное устройство формирования симметричного двухчастотного излучения.

3.3.2- Однокристальное устройство формирования симметричного двухчастотного излучения.

3.3.3. Анализ работы устройств формирования симметричного двухчастотного излучения.

3.3.4. Выводы по разделу.

3.4. Использование АЭМ в качестве устройства формирования симметричного двухчастотного излучения

3.4.1. Вывод спектра излучения на выходе АЭМ по напряженности поля.

3.4.2. Экспериментальные исследования спектра излучения на выходе АЭМ.

3.4.3. Исследование влияния отклонения параметров преобразования на спектральный состав излучения на выходе АЭМ.

3.4.4. Выводы по разделу.

3.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. СИММЕТРИЧНЫЕ ДРСК ПАРАМЕТРОВ

ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ОТКРЫТОГО ТИПА.

4.1. Общие соображения.

4.2. Лидарная система с симметричным двухчастотным гетеродином.

4.3. Лидарная система со сканированием контура линии поглощения газа.

4.4. Лидарная система с настройкой на центр контура линии поглощения.

4.4.1. Дифференциальный анализ взаимодействия симметричного двухчастотного колебания с абстрактным контуром линии поглощения.

4.4.2. Интегральный анализ взаимодействия симметричного двухчастотного колебания с абстрактным контуром поглощения.

4.4.3. Выводы по разделу.

4.5. Симметричные лазерные фотоэлектрические спектрометры аэрозолей.

4.5.1. Гетеродинный ЛФЭС на базе симметричного УФ ДЛИ.

4.5.2. Внутрирезонаторный ЛФЭС со сканированием длины резонатора.

4.5.3. Выводы по разделу.

4.6. Симметричные лазерные интерферометры.

4.7. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИММЕТРИЧНЫХ ДРСК

ВСТРОЕННОГО ТИПА.

5.1. Волоконно-оптические устройства формирования симметричного двухчастотного излучения.

5.1.1. Спектр излучения на выходе анизотропного ВС.

5.1.2. Возможности практической реализации симметричных УФДЛИ для встроенных ДРСК.

5.1.3. Выводы по разделу.

5.2. ВОД на базе двух скрученных ВС с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки.

5.2.1. Общие соображения.

5.2.2. Измерительные преобразователи на базе ВОД из двух скрученных ВС с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки.

5.2.3. Одномодовый ВОД на двух скрученных ВС с замкнутыми концами.

5.2.4. Частотная некогерентная рефлектометрия для опроса ВОД на двух скрученных волокнах.

Актуальность. В решении ряда важнейших социальных и научно-технических проблем, таких как охрана окружающей среды, снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, повышение безопасности движения и развитие перспективных транспортных средств, повышение безопасности эксплуатации транспортных энергетических коммуникаций, развитие телекоммуникационных магистралей фотоника занимает одно из важнейших мест. Эффективность фотометрических методов определяется, прежде всего, высокой информативностью эффектов взаимодействия оптического излучения с веществом, как при непосредственном зондировании, так и опосредованно через волоконно-оптические датчики.

Метод обратного рассеяния, как один из самых эффективных фотометрических методов, является мощным инструментом для создания систем экологического мониторинга, мониторинга транспортных магистралей и средств, потенциальных источников загрязнения и субъектов техногенных аварий и катастроф. Рефлектометрические системы, реализующие метод обратного рассеяния, можно разделить на открытые и встроенные. К первым следует отнести л ид ары, спектрометры аэрозолей, дальномеры, интерферометры, а также более простые переносные приборы индикаторного типа, необходимые для дистанционного зондирования атмосферы, определения ее химического состава и динамики распространения, мониторинга перемещений, локализации структурных узлов технических объектов и т.д. Ко вторым - встроенные волоконно-оптические системы контроля состояния технических объектов, содержащих в своем составе протяженные датчики интегрального типа, пространственного разрешения, а также более простые концевые датчики, необходимые для измерения давления, механических напряжений, смещений, температуры и т.д.

Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения, во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств).

Подавляющее большинство открытых и встроенных непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительных каналов совпадают. Такие системы обладают простой конструкцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрического преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для структурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем.

Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании двухчастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования двухчастотного лазерного излучения (УФДЛИ).

Необходимо отметить, что разработкой двухчастотных методов занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем информации по данной проблеме для открытых систем содержится в трудах Ю.Ф. Застрогана, В.Е. Зуева, Г.И. Ильина, Д.П. Лукьянова, В.В. Молебного, И.В. Самохвалова, Ю.Е. Польского, L. Bissonnette, G.W. Ka-merman и др., для встроенных волоконно-оптических систем — Ю.В. Гуляева, Е.М. Дианова, М.Е. Зака, Ю.Е. Польского, D. Inaudi, Е. Udd и др. Ежегодно ведущие научные общества проводят международные симпозиумы и конференции, посвященные данной проблеме. Среди самых значительных — симпозиумы ИОА ТФ РАН, РОНКТД, ШЕЕ, OSA, SPIE.

Однако сравнительный анализ результатов, полученных в ряде работ при эксплуатации в одинаковых условиях и с одинаковыми задачами гомодинных и гетеродинных систем, говорит не в пользу последних. Это объясняется отсутствием решения широкого круга практических и теоретических вопросов, как в открытых, так и во встроенных системах.

Для систем открытого типа нерешенной остается проблема получения стабильного двухчастотного излучения с высоким коэффициентом преобразования, с возможностью управления разностной частотой по заданному закону с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности его составляющих. Остаются неизученными вопросы применимости симметричного двухчастотного излучения для построения гомодинных и гетеродинных систем: систем с учетом нестабильности частоты передатчика, сканирующих систем с исследованием контура линии поглощения и настройки на его центр, систем многочастотного зондирования и т.д.

Для встроенных систем проблема применимости двухчастотной рефлек-тометрии, как симметричной, так и асимметричной, также окончательно не решена. Во-первых, это вызвано особенностями распространения лазерного излучения в волокне, при котором значительно ухудшаются его когерентные свойства, во-вторых, высокими потерями, вызванными стыковкой объемных УФ ДЛИ с волоконно-оптическими магистралями, в-третьих, широким использованием датчиков с резонансным высокодобротным преобразованием информации. Это определяет необходимость решения задачи создания эффективных волоконно-оптических УФ ДЛИ, волоконно-оптических датчиков, зондируемых двухчастотным излучением, и волоконно-оптических распределенных систем на их основе, в частности, временных с когерентным приемом, частотных когерентных и некогерентных со сканированием частоты, частотных с формированием требуемой функции когерентности.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность научно-технической проблемы улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» и Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы», выполняемых кафедрой «Радиоэлектронные и квантовые устройства» и научно-исследовательским центром прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Цель работы состоит в решении важной научно-технической проблемы -улучшении метрологических характеристик и расширении функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, основанных на развитии теории и техники симметричной двухчас-тотной рефлектометрии на базе амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.

Решаемые задачи:

• Анализ существующих и перспективных лазерных рефлектометриче-ских систем контроля параметров природной и искусственных сред; выявление причин, сдерживающих более широкое использование двухчастотных систем непрерывного действия, и резервов для улучшения их метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей; формулирование на этой основе направлений исследований.

• Разработка амплитудно-фазового метода преобразования одночастот-ного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и развитие на его основе теории симметричной двухчастотной рефлектометрии с учетом особенностей дистанционного зондирования в атмосфере и оптическом волокне; постановка и формализация основных задач управления параметрами симметричного двухчастотного зондирующего излучения; постановка и формализация основных задач приема и обработки симметричной рефлектометрической информации.

• Разработка и создание перестраиваемых электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное с возможностью управления разностной частотой по заданному закону и с заданной скоростью при высокой чистоте спектра и стабильности его составляющих, учитывающих особенности открытых систем контроля параметров природной среды.

• Разработка принципов построения лидарных систем контроля параметров природной среды и практических рекомендаций по построению рефлекто-метрических систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальномет-рии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработка эффективных волоконно-оптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное и сопряженных с ними измерительных преобразователей, учитывающих особенности встроенных систем контроля параметров искусственных сред.

• Разработка принципов построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и практических рекомендаций по построению встроенных распределенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Внедрение систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии для улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред.

Научная новизна полученных результатов:

• Развита теория амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработан метод преобразования, обеспечивающий высокую степень чистоты выходного двухчас-тотного спектра и стабильность его характеристик; изучено влияние параметров преобразования на спектр выходного излучения и получены соотношения, определяющие их взаимосвязь с учетом реальных характеристик используемых электрооптических модуляторов.

• Разработаны основные положения теории двухчастотных рефлекто-метрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред при использовании симметричного зондирования и обработке симметричной рефлектометрической информации.

• Предложены технические решения электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, позволяющих обеспечить работу систем в широком диапазоне рабочих длин волн с плавной перестройкой разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью.

• Уточнен ряд положений теории амплитудных электрооптических модуляторов. Впервые теоретически и экспериментально показано, что спектр выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора при работе в «нулевой» точке модуляционной характеристики является симметричным и двухчастотным. При этом реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования частоты на второй гармонике модулирующего колебания.

• Разработаны математическая модель взаимодействия симметричного двухчастотного излучения с контурами линий поглощения атмосферных газов и методы обработки симметричной рефлектометрической информации в открытых системах контроля параметров природной среды.

• Предложены структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей од-ночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработаны рекомендации по построению преобразователей данного вида для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработана математическая модель и предложены технические решения волоконно-оптических датчиков на базе двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; разработаны рекомендации по построению на их базе измерительных преобразователей амплитудного, поляризационного и рефлектометрического типов для встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Разработаны принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и структурные схемы построения встроенных волоконно-оптических систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов, спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность создания симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Подтверждением этому являются разработанные кристаллические и волоконные электрооптические преобразователи одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; разработанные волоконно-опти-ческие измерительные преобразователи, сопряженные с методами симметричного двухчастотного зондирования; практические рекомендации по их использованию в структуре двухчастотных рефлектометрических систем; разработанные симметричные двухчастотные рефлектометрические системы контроля параметров природной и искусственных сред; разработанные системы управления измерительными процессами, используемые при контроле параметров природной и искусственных сред.

Основные положения, выносимые иа защиту;

• Результаты системного поиска путей улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей лазерных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред.

• Основные положения теории и метод амплитудно-фазового преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; результаты исследования влияния параметров преобразования на спектральный состав выходного излучения и соотношения, определяющие их взаимосвязь.

• Основные положения теории двухчастотных рефлектометрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред при использовании симметричного зондирования и обработке симметричной рефлек-тометрической информации.

• Результаты исследований и разработки электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; рекомендации по построению преобразователей данного вида для открытых систем контроля параметров природной среды.

• Уточненные положения теории амплитудных электрооптических модуляторов; результаты исследований спектра выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора; результаты разработки на его базе амплитудно-фазового преобразователя одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное.

• Результаты математического моделирования взаимодействия двухчас-тотного симметричного излучения с контурами линий поглощения атмосферных газов и методы обработки принимаемой симметричной рефлекто-метрической информации.

• Структурные схемы построения лидарных систем и практические рекомендации по построению открытых лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

• Результаты математического моделирования и разработки волоконных электрооптических амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное; рекомендации по построению преобразователей данного вида для встроенных систем контроля параметров искусственных сред.

• Результаты математического моделирования и разработки волоконно-оптических датчиков на базе двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки; рекомендации по построению измерительных преобразователей, созданных на их базе, для встроенных систем контроля параметров искусственных сред.

• Принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и структурные схемы встроенных систем, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов и спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

• Результаты внедрения разработанных методов, систем и отдельных программно-аппаратных средств, реализующих преимущества симметричной двухчастотной рефлектометрии в промышленность, научные исследования и учебный процесс.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 192 наименования, и трех приложений. Работа без приложений изложена на 333 страницах машинописного текста, включая 113 рисунков и 17 таблиц.

7.6. Выводы по главе

1. Разработана элементно-модульная база для создания открытых симметричных лазерных ДРСК параметров природной среды. Она представлена модельным рядом электрооптических УФДЛИ, реализующих амплитудно-фазовый метод преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Элементно-модульная база внедрена на ФГУП НПО ГИПО (Казань).

2. Разработаны открытые симметричные лазерные ДРСК параметров аэрозольных формирований. Их основой служат оптико-механические блоки, построенные на базе электрооптических УФДЛИ, а также сканирования параметров ЭМП внутри резонаторов лазеров. Разработанные системы внедрены на ФГУП НПО ГИПО, ОАО «Виктория» (Казань).

3. Разработаны открытые симметричные лазерные ДРСК параметров движения аэроупругих систем. К ним относится двухчастотный фазовый дальномер для испытаний аэроупругих систем на горизонтальном, вертикальном и наклонном стендах, а также его модернизированный вариант, входящий в состав разработанного комплекса технических средств для проведения внешне-траекторных измерений грузовых парашютных систем. Системы внедрены в НИИ АУС (Феодосия, Украина).

4. Разработана элементно-модульная база для создания встроенных симметричных лазерных ДРСК параметров искусственных сред. Она представлена модельным рядом волоконно-оптических и гибридных электрооптических УФ ДЛИ, реализующих амплитудно-фазовый метод преобразования одночас-тотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное, а также волоконно-оптическими измерительными преобразователями на базе датчиков из двух скрученных волокнах с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки. Элементно-модульная база и методики построения систем внедрены в НИИ АУС (Феодосия, Украина), ФГУП КАПО им. С.П. Горбунова.

5. Разработаны экспериментальные стенды для проведения исследований характеристик двухчастотных симметричных лидарных систем, двухчастотных симметричных интерферометрических систем, некогерентных частотных волоконно-оптических рефлектометров, ВОД различного назначения. Экспериментальные стенды внедрены в практику научных исследований и учебного процесса КТТУ им. А. Н. Туполева (Казань).

6. Разработаны информационно-измерительные системы для контроля параметров природной и искусственных сред. К ним относятся системы контроля состояния двигателей постоянного тока стрелочных электроприводов, температуры в производственных печах предприятия, обводненности нефти. На их базе разработана универсальная структура волоконно-оптической распределенной системы сбора данных для комплексного мониторинга параметров различных технологических объектов. Системы внедрены в разработках ОАО «Татнефть» (Альметьевск), ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова (Казань), ОАО СЗМН (Пермь), ГУП «Таттелеком».

7. Все разработанные системы защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным результатом диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы — улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, основанных на развитии теории и техники симметричной двухчастотной рефлектометрии на базе амплитудно-фазового метода преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Кроме того, получены следующие результаты.

1. Проведен анализ современного состояния лазерных рефлекто-метрических систем контроля параметров природной и искусственных сред, на основе результатов которого предложен новый класс систем — симметричные двухчастотные системы. Показаны возможности улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей контроля параметров природной и искусственных сред при их использовании.

2. Развита теория амплитудно-фазового преобразования частоты с целью получения симметричного двухчастотного когерентного излучения. Разработан амплитудно-фазовый метод преобразования одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Теоретически и экспериментально подтверждены высокая степень чистоты и стабильность спектрального состава выходного излучения, как при оптимальных параметрах преобразования, так и при отклонении от них. На основе метода развиты основные положения теории и техники симметричных двухчастотных рефлектометрических систем контроля параметров природной и искусственных сред.

3. Предложены различные способы построения амплитудно-фазовых преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двух-частотное. Разработаны и созданы электрооптические преобразователи, обеспечивающие возможность работы в широком диапазоне рабочих длин волн, а также плавную перестройку разностной частоты в широких пределах по заданному закону и с заданной скоростью.

Уточнен ряд положений теории амплитудных электрооптических модуляторов. Впервые теоретически и экспериментально показано, что спектр выходного излучения амплитудного электрооптического модулятора при работе в «нулевой» точке модуляционной характеристики является симметричным и двухчастотным. При этом реализуется амплитудно-фазовый метод преобразования частоты на второй гармонике модулирующего колебания.

Разработаны рекомендации по построению преобразователей указанных выше типов для открытых систем контроля природной среды, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

4. Определены принципы двухчастотного сканирующего зондирования контуров линий поглощения атмосферных газов и разработаны структурные схемы симметричных двухчастотных лидарных систем, позволяющих учитывать и компенсировать нестабильность частоты зондирующего источника, использовать перестройку разностной частоты двухчастотного излучения для сканирования контура, осуществлять точную настройку длины волны зондирующего источника на центр контура.

Даны практические рекомендации по построению лазерных систем спектрометрии аэрозолей, интерферометрии и дальнометрии, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

5. Предложены различные способы построения волоконных амплитудно-фазовых электрооптических преобразователей одночастотного когерентного излучения в симметричное двухчастотное. Разработаны рекомендации по построению преобразователей данного типа для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двух частотной рефлектометрии.

Предложен волоконно-оптический датчик из двух скрученных волокон с замкнутыми концами и переменным шагом скрутки, характеризующийся простой оптической схемой и возможностью получения многопараметрической распределенной информации. Разработаны рекомендации по построению на его базе измерительных преобразователей амплитудного, поляризационного и реф-лектометрического типа для встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии.

6. Определены принципы построения единого поля комплексированных волоконно-оптических датчиков и разработаны структурные схемы встроенных систем контроля параметров искусственных сред, использующих методы симметричной двухчастотной рефлектометрии, цифрового формирования измерительных каналов, спектрального уплотнения информационных каналов на базе амплитудно-фазового метода преобразования частоты.

7. Результаты диссертационной работы, полученные на основе развития теории и техники симметричных двух частотных рефлектометрических лазерных систем контроля параметров природной и искусственных сред, внедрены на ряде предприятий в виде отдельных систем, приборов, радио- и оптоэлек-тронных устройств, волоконно-оптических датчиков, программных средств, методик проектирования и учебно-методических материалов.

Новизна и полезность технических решений подтверждены 15 авторскими свидетельствами СССР, патентами и свидетельствами РФ на изобретения, промышленные образцы и полезные модели.

1. Иванов В.И. и др. Многофункциональные лидарные системы / В.И. Иванов, И.А. Малевич, А.П. Чайковский. Мн.: Университетское, 1986. 286 с.

2. Measures R.M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications / Krieger Publishing Company, 1992. 524 p.

3. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей / С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.

4. Nichols A.L. Aerosol Particle Size Analysis: Good Calibration Practices / The Royal Society of Chemistry, 1998. 116 p.

5. Лазерные измерительные системы / A.C. Батраков, M.M. Бутусов, Г.П. Гречка и др.; Под ред. Д.П. Лукьянова. М.: Радио и связь, 1981. 456 с.

6. Wilson J., Hawkes J.F.B. Lasers: Principles and Applications (Prentice Hall International Series in Optoelectronics). Prentice Hall, 1987. 324 p.

7. Коронкевич В.П. и др. Лазерная интерферометрия / В.П. Коронкевич, B.C. Соболев, Ю.Н. Дубнищев. Новосибирск: Наука, 1983. 284 с.

8. Harikharan P. Basics of Interferometry / Academic Press, 1992. 213 p.

9. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси. Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 256 с.

10. Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists / E. Udd, Editor; Wiley, New York, 1991. 496 p.

11. Linnerud L, Kaspersen P., Jaeger T. Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy // Appl. Phys. B. 1997. V. 67. P. 297-305.

12. Measurement of Atmospheric Gases / H.L. Schiff, Editor; Proceedings of SPIE. V. 1433. 1991.

13. Гордое Е.П., Хмельницкий Г.С. Многоцелевой автодинный лидар на С02 лазере // Тез. докл. 1-го Межрес. симп. «Оптика атмосферы и океана». (Томск, 1994). Томск, ТНЦ СО РАН, 1994. Ч. 2. С. 44-45.

14. Агишев P.P. , Айбатов JI.P., Польский Ю.Е. Непрерывный ИК-лидар для дистанционного контроля утечек природного газа // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 11-12. С. 1624-1629.

15. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э. Хинкли. Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 419 С.

16. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. ЛЧМ-лидар с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. №12. С. 1871-1874.

17. Застрогин Ю.Ф. Контроль параметров движения с использованием лазеров. Методы и средства. М.: Машиностроение, 1981. 176 с.

18. Ильин ГЛ., Морозов ОТ., Польский Ю.Е. Исследования ЛЧМ-лидара с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 2. С. 435-440.

19. Жуланов Ю.В., Никитин О.Н., Сапрыкин КГ. и др. Лазерный счетчик частиц // ПТЭ. 1983. № 3. С. 177-180.

20. Lioy P.J., Rimberg P., Haughey J. A laser light scattering particle size spectrometer sensitive in submicron diameter range I I Appl. Opt. 1975. P. 183-189.

21. Cooke C., Herker M. Response calculations for light scattering aerosol particle counters // Appl. Opt. 1974. V. 13. № 9. p. 734-739.

22. Roth G., Gebhart J., Heigver G. Size spectrometry of submicron aerosols by counting single particles illuminated by laser light // J. Coll. and Interf. Sci. 1976. V. 54. № 2. P. 265-277.

23. A 1 692353 SU 4 GO IN 15/02. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц / Коломиец С.М., Щелчков Г.И. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1982. №41.

24. А 1 913172 SU 4 G01N 15/02. Способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц / Коломиец С.М. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1981. № 31.

25. А 1 913173 SU 4 G01N 15/02. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц / Коломиец С.М. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1982. № 10.

26. А I 940013 SU 4 G01N 15/02. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц / Коломиец С.М. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1982. № 24.

27. А 1 940014 SU 4 G01N 15/02. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц / Коломиец С.М. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1982. № 24.

28. А 1 940564 SU 4 G01N 15/02. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц / Коломиец С.М. (Ин-т эксперим. метеорологии) // Бюллетень изобретений. 1983. № 15.

29. А 1 987474 SU 4 G01N 15/02. Лазерный анализатор дисперсного состава аэрозолей / Землянский В.М., Чудесов А.П. (Киев. ин-т. инж. граждан, авиац.)//Бюллетень изобретений. 1983. № 1.

30. А 1 1325996 SU 4 G01N 15/02. Лазерный измеритель размеров аэрозольных частиц / Польский Ю.Е., Ильин Г.И., Морозов О.Г. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3928077/24-25; Заявл. 12.07.85.

31. Горелик С.Г. О применении модуляционного метода в оптической интерферометрии // Докл. АН СССР. 1952. Т. 83. № 4. С. 549-552.

32. A I 301558 SU 4 G01N 25/12. Устройство для измерения малых перемещений / Малинин Ю.Н., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева) // Бюллетень изобретений. 1971. № 14.

33. А 1 301558 SU 4 G01N 25/12. Бесконтактный измеритель параметров движения / Малинин Ю.Н., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева) // Бюллетень изобретений. 1975. № 3.

34. Воронов В.И., Польский Ю.Е. Многослойные диэлектрические зеркала на пьезоподложке для модуляции ОКГ // ПТЭ. 1970. № 6. С. 174-176.

35. Тычинский В.П., Евтихиев Н.Н., Снежко Ю.А. Лазерный интерференционный профилограф // Квантовая электроника. 1977. Т. 4. № 1. С. 69-75.

36. Barnes Н.В., Farmer W.M. Two-color two-spot laser velocimeter // Appl. Opt. 1980. V. 19. № 9. P. 2930-2933.

37. Коронкевич В.П., Ханов B.A. Современные лазерные интереферометры перемещений // Автометрия. 1982. № 1. С. 11-27.

38. Il'in GJ., Morozov O.G, Pol'skii Yu.E. Two frequency oscillator for interferometers with polarisation dived channels // Optical inspection and micro-measurements. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2782. P. 814-818.

39. Лазерные доплеровские измерители скорости / Ю.Г. Василенко, Ю.Н. Дубнищев, В.П. Коронкевич и др.; Отв. ред. Ю.Е. Нестерихин. Новосибирск: Наука, 1975. 164 с.

40. Orloff К. Trailing vortex wind tunnel diagnostics with laser velocimeter // J. Aircraft. 1974. V. 11. № 8. P. 477-483.

41. Мустелъ E.P., Парыгин B.H. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука. 1970. 295 с.

42. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н. Афокальный доплеровский измеритель вектора скорости // Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 41. Вып. 1. С.32-35.

43. Бондаренко B.C. и др. Акусто-оптические модуляторы света / Бонда-ренко B.C., Зоренко В.Р., Чкалова В.В. М.: Радио и связь. 1988. 136 с.

44. Теоретические основы радиолокации / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио. 1978. 608 с.

45. Применение лазеров / Пер. с англ.; Под ред. В.П. Тычинского. М.: Мир. 1974. 448 с.

46. PMFs for scintillation counting // Hamamatsu Euronews. 1999. V. 2.1. P. 10.

47. Udd E., Schulz W.L., Seim J.M. at al. Use of transversely loaded fiber grating strain sensors for aerospace applications I I Proceedings of SPIE. 2000. V. 3994. P. 96.

48. Бутусов M.M., Тарасюк Ю. Ф., Урванцева H.JI. Гидроакустические антенны на световодах // Зарубежная радиоэлектроника. 1983. № 5. С. 38-58.

49. Fields J.N. Coupled waveguide acoustooptic hydrophone // Appl. Opt. 1979. V. 18. №21. P. 3533

50. Гальярди P.M., Карп Ш. Оптическая связь / Пер. с англ.; Под ред. А.Г. Шереметьева. М.: Связь. 1978. 438 с.

51. Tetsuji A., Mitsunaga Y., Hiroaki К. A strain sensor using twisted optical fibers // J. of Light. Tech. 1989. V. 7. № 3. P. 525-529.

52. Weiss J.D. Fiber optic strain gauge // J. of Light. Tech. 1989. V. 7. № 9. P. 1308-1318.

53. Jarzynski J., Hughes R., Hickman T.R., and Bucaro J.A. Frequency response of interferometric fiber-optic coil hydrophones // J ASA. 1981. V. 67. № 6. P. 1799-1808.

54. Shajenko P. On the feasibility of using multimode optical fibers in optical hydrophones // JASA. 1981. V. 67. № 6. P. 1829-1830.

55. Sheem S.K., Taylor H.F., Moeller R.F. at al. Propagation characteristics of single-mode evanescent field couplers // Appl. Opt. 1981. V. 20. № 6. P. 1056.

56. Lagacos H., Litovitz Т., Macedo P. at al. Multimode optical fiber displacement sensor // Appl. Opt. 1981. V. 20. № 2. P. 167.60. 4,162,397 US G02B 05/14. Fiber optic acoustic sensor / Bucaro A.J. at al. (US Navy)//1979.

57. Jackson D.A., Priest R., Dandridge A., Tveten A. Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber // Appl. Opt. 1980. V. 19. № 17. P. 2926.

58. Приборы для измерения вибраций, шума и удара: Справочник: В 2 т. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 1978.

59. Воробьев В.В. Измерители перемещений на основе интерферометров с электрооптическим модулятором // Автометрия. 1977. № 2. С. 127-130.

60. Каминский Н.Н., Матвеев И.Н., Причко Ю.В. Устройство для сдвига частоты в оптическом диапазоне // Квантовая электроника. 1977. Т. 4. № 10. С. 2252-2254.

61. Ильин Г.И., Морозов ОТL, Польский Ю.Е. Особенности построения электрооптических амплитудно-фазовых формирователей двухчастотного лазерного излучения для дифференциальных ЛЧМ-лидаров И Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 5. С. 513-516.

62. Lee С.Е. and Taylor H.F. Sensors for Smart Structures Based on the Fabry-Perot Interferometer // Fiber Optic Smart Structures, edited by E. Udd. New York, Wiley, 1995.

63. Lee C.E. and Taylor H.F. Sensors for Smart Structures Based on the Fabry-Perot Interferometer // Fiber Optic Smart Structures, edited by E. Udd. New York, Wiley, 1995.

64. Froggatt M. and Moore J. Distributed measurement of static strain in an optical fiber with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths // Appl. Opt. 1998. №37, P. 1741-1746.

65. Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Built-in fiber sensors for safe use of aircraft // Proc. of SPIE. V. 2945. 1996. P. 212-216.

66. Mitchell G.L. Intensity Based and Fabiy-Perot Interferometer Sensors // Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, edited by E. Udd. New York, Wiley, 1991.

67. Lee C.E., Atkins R.A. And Taylor H.F. Performance of a Fiber Optic Temperature Sensor from -200 to 1050 degrees С // Opt. Lett. V. 13. 1988. P.1038.

68. Lee C.K, Taylor H.F., Markus A.M. and Udd E. Optical Fiber Fabry-Perot Embedded Sensor // Opt. Let. V. 14. 1989. P. 1225.

69. Alcoz J.J., Lee C.E. and Taylor H.F. Embedded Fiber-Optic Fabry-Perot Ultrasound Sensor // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr., Freq. Control. V. 37. 1990. P. 302.

70. Lee C.E., Gibler W.N., Atkins R.A., Alcoz J.J., and Taylor H.F. Metal Embedded Fiber Optic Fabiy Perot Sensors // Opt. Lett. V. 16. 1991. P. 1990

71. Claus R.O., Sudarshanam V.S. and Murphy K.A. Interferometric Optical Fiber Sensors for Ultrasonic Wave Measurement // Fiber Optic Smart Structures, edited by E. Udd. New York, Wiley, 1995.

72. Claus R.O., Murphy K.A., Wang A. and May R.G. High Temperature Optical Fiber Sensors // Fiber Optic Smart Structures; edited by E. Udd. New York, Wiley, 1995.

73. Murphy K.A., Gunther M., Vengsarkar A. and Claus R. Quadrature Phase Shifted Extrinsic Fabiy-Perot Optical Fiber Sensors// Opt. Lett. V. 16. 1991. P. 173.

74. Murphy K., Gunther M., Vengsarker A. and Claus R. Fabry-Perot Fiber Optic Sensors in Full Scale Fatigue Testing on an F-15 Aircraft // Proceedings of SPIE. V. 1588. 1992. P. 134.

75. Wang A., Gollapudi S., Mays R.G., Murphy K.A., and Claus R.O. Advances in Sapphire Fiber Based Intrinsic Interferometric Sensors // Opt. Lett. V. 17. 1992. P. 1544.

76. Sirkis J., Brerman D., Putman M., BerkoffT., Kersey A., and Frieble E. In Line Fiber Etalon (ILFE) for Optic Strain Measurements // Opt. Lett. V. 18. 1993. P. 1973.

77. Singh H. and Sirkis J. Dual Parameter Optical Fiber Sensor // Proceedings of SPIE. V. 2443. 1995. P. 258.

78. Jin X.D., Sirkis J.S., and Chung J.K. Optical Fiber Sensor for Simultaneous Measurement of Strain and Temperature // Proceedings of SPIE. V. 3042. 1997. P. 120.

79. Morey W. W. Fiber Optic Grating Technology // Proceedings of SPIE. V. 2574. 1995. P. 22.

80. Jin X.D. and Sirkis J.S. Optical Fiber for Simultaneous Measurement of Strain and Temperature //Proceedings of SPIE. V. 3042. 1997. p. 120.

81. Lo Y.L. and Sirkis J.S. Simple Method to Measure Temperature and Strain Using One In-Fiber Bragg Grating Sensor // Proceedings of SPIE. V. 3042, 1997. P. 237.

82. Lawrence C.M., Nelson D. V. and Udd E. Measurement of Transverse Strains with Fiber Bragg Gratings // Proceedings of SPIE. V. 3042.1997. P. 218.

83. Udd E., Lawrence C.M. and Nelson D. V. Development of a Three Axis Strain and Temperature Fiber Grating Sensor // Proceedings of SPIE. V. 3042. 1997. P. 229.

84. Месарович M. и др. Теория иерархических многоуровневых систем / Месарович М., Мако Д., Такахара Я. Пер. с англ. М.: Мир. 1973. 344 с.

85. Шеннон Р.Е. Имитационное моделирование систем искусство и наука. / Пер с англ. М.: Мир, 1978.

86. Лесдон JI.C. Оптимизация больших систем / Пер. с англ.; Под ред. А.А. Первозванского. М.: Наука, 1975.

87. Александров П.С. Введение в теорию множеств и общую топологию. М.: Наука, 1977.

88. Тетельбаум С.И., Гриневич Ю.Г. Экспериментальные исследования метода оптимальной амплитудно-фазовой модуляции // Радиотехника. 1957. Т. 12. №5. С. 57-64.

89. Тетельбаум С.И. Об одном методе повышения эффективности радиосвязи // ЖТФ. 1939. Т. IX. Вып. 17. С. 32-38.

90. Царева М. А. Дифференциальный двухчастотный преобразователь измерительной информации: Дис. канд. техн. наук. Казань, 2000. 135 с.

91. Харкевич A.A. Спектры и сигналы / М.: ГИРМЛ. 1962. 256 с.

92. Винницкий A.C. Модулированные фильтры и следящий прием 4M / М.: Сов. радио. 1969. 548 с.

93. А 1338647 SU 4 G02F 1/03. Способ преобразования одночастотного когерентного излучения в двухчастотное / Ильин Г.И., Морозов О.Г. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3578456/31-25; Заявл. 13.04.83.

94. Гринев А.Ю. Устройства управления излучением оптических квантовых генераторов / М.: МАИ. 1979. 64 с.

95. Модуляция и отклонение оптического излучения / Катыс Г.П., Кравцов Н.В., Чирков Л.Е., Коновалов С.И. М.: Наука. 1967. 176 с.

96. Пахомов ИИ. и др. Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы / Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. М.: Радио и связь. 1982. 456 с.

97. Телешевский В.И. Оптоэлектронные методы модуляции в фотоэлектрических системах измерения линейных и угловых величин // Измерительная техника. 1973. № 3. С. 30-34.

98. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Применение амплитудно-фазового преобразования частоты лазерного излучения для создания специальных схем ЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 4. С. 360363.

99. А 1 1463010 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е., Терновсков В.Т. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3890464/31-25; Заявл. 29.04.85.

100. Модулятор МЛ-5 / Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

101. Kelly J.F., Cannon B.D., Sharpe S. W. et al. Applications of wideband FM spectroscopy to environmental and industrial process monitoring // Proceedings of SPIE. 1997. V. 3127. P. 64-102.

102. A I 1466494 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3891454/31-25; Заявл. 29.04.85.

103. Ярив А. Введение в оптическую электронику / М.: высшая школа. 1983.398 с.

104. А 1 1477130 SU 4 G02F 1/03. Двухчастотный лазерный излучатель / Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №4033402/31-25; Заявл. 03.03.86.

105. Морозов ОТ. Двухчастотные сканирующие ЛЧМ-лидары: принципы построения и модели // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Сб. матер. Всерос. науч.-техн. конф. 11-12 апреля. Пенза, ПДЗ, ПТУ, 2001. С. 217-218.

106. Агишев P.P., Сагдиев P.K. Моделирование частотно-модулированного лидара с лазерным диодным излучателем // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. 2000. № 1. С. 5-10.

107. Ильин Г.И., Морозов ОТ., Польский ЮЖ. Исследование методов точной настройки на контур линии поглощения // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. VI Междунар. симп. 23-26 июня 1999 г. Томск, ИОА СО РАН, 1999. С. 109.

108. Ильин ГЛ., Морозов ОТ., Царева MA. Особенности поведения фазы сигнала биений в дифференциальных лидарных системах // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. VII Междунар. симп. 16-19 июля 2000 г. Томск: ИОА СО РАН, 2000. С. 112.

109. Морозов ОТ. Оценка предельных возможностей лазерных спектрометров аэрозолей, построенных на основе модуляционных методов измерений / Казан, авиац. ин-т. Казань. 1986. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 26.03.86, 2004-В86.

110. Морозов ОТ. Оптическая рефлектометрия в системах экологического мониторинга // Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных катастроф: Сб. матер, межрегион, пост, действ, семин. 26-27 апреля. Пенза, ПДЗ, 2001. С. 113-114.

111. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп / М.: Радио и связь. 1987. 152 с.

112. Гуляев Ю.В. и др. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение / Ю.В. Гуляев, М.Я. Меш, В.В. Проклов. М.: Радио и связь. 1991. 152 с.

113. Крейерман Г.Е., Меш М.Я., Проклов В.В. Особенности электрооптического эффекта в одномодовом волоконном световоде И Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 6. С. 1257-1260.

114. Свечников Г. С. Элементы интегральной оптики / М.: Радио и связь. 1987. 104 с.

115. Weiss J.D. Fiber Optic Strain Gauge // J. of Lightwave Tech. 1989. V. 7. №9. P. 1308-1318.

116. Taylor H.F. Bending effects in optical fibers I I J. of Lightwave Tech. 1984. V. LT-2. № 5. P. 617-628.

117. Carome E.F., Koo K.P. Multimode coupled waveguide acoustic sensors // Optics Lett. 1980. V. 5. № 8. P. 359-361.

118. Ulrich R., Rashleigh S.C., EickhoffW. Bending induced birefringence in single-mode fibers // Optics Lett., 1980. V. 5., № 6. P. 273-275.

119. Marcuse D. Curvature loss formula for optical fibers // J. Opt. Soc Amer. 1976. V. 66. P. 260-220.

120. Кучикян Л.М. Физическая оптика волоконных световодов / М.: Энергия. 1979. 192 с.

121. Григорьянц В.В., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических кабелей методом обратного рассеяния //В сб.: Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. Т.29. М.:ВИНИТИ. 1982. С. 47-79.

122. Григоряну В.В., Исаев В.А., Чаморовский Ю.К Особенности обратного рассеяния света в волоконных световодах в двухмодовом режиме // Квантовая электроника. 1987. Т. 14. № 8. С. 1237-1239.

123. Mickelson A.R., Klevhus О., Eriksud M. Backscatter readout from serial microbending sensors // J. of Lightwave Tech. 1984. V. LT-2. № 5. P. 700-709.

124. Petuchov V.M., Morozov O.G., Akhtiamov RA. Evaluation of oil and gas pipelines bedded in rivers // Nondestructive evaluation of utilities and pipelines. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2947. P. 100-104.

125. Морозов ГА., Морозов ОТ., Ахтямов PAПетухов В.М., Седельников Ю.Е. Мониторинг условий залегания магистральных нефтепродуктопрово-дов, расположенных на дне водоемов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997. № 1.С. 28-31.

126. Petuchov V.M., Il'in G J., Morozov О.G., Pol'skii Yu. E., Akhtiamov RA. Two frequency IR-C W-LFM-lidar for monitoring of hydrocarbons and gas vapors // Infrared remote sensing. Proceedings of SPIE, 1997. V. 3122. P. 58-64.

127. Morozov GA., Akhtiamov RA., Nikolaev P.M., Nikolaev A.M., Nikolaev Y.M., Kouprianov S.S. Mobil leak detection systems for oil product pipelines // Nondestructive Evaluation of Utilities and Pipelines III. Proc. of SPIE. 1999. V. 3588. P. 90-98.

128. BocouetJ. С., Noel J. Strain gauge //Proceedings of SPIE. 1988. V.l 101.

129. Fields J. N., Asawa С. K„ Ramer O. G., Barnoski M. К. II J. Acoust. Soc. Am. 1980, V. 67.

130. Davis M. S„ Bellemore D. G, Kersey A. D. U Proceedings of SPIE. 1996. V. 2718.

131. Дайкун Дж., Кулшав Б. Волоконно-оптические датчики / М.: Мир. 1992. 456 с.

132. Barton I.S., Saoudi М.К. II J. Phys. Е. Sci. Instrum. 1986. V. 19. № 1.

133. Ulrich R. // Techn. Mess. 1986. V. 53. № 2.

134. Wakura Hisazumi, Yoshikava Hiroshi, Ohno Yutaka and others 11 Trans. Inst. Electron., Inf. and Commun. 1991. V. 74. № 8.

135. Польский Ю.Е., Морозов ОТ. Единое поле комплексированных волоконно-оптических датчиков в системах контроля безопасности скоростных транспортных средств // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997. № 1. С. 39-41.

136. Г.И.Ильин, Ю.Е.Польский. Динамический диапазон и точность радиотехнических и оптоэлектронных измерительных систем // Итоги науки и техники, сер. Радиотехника / М.: ВИНИТИ. 1989. т.39. с. 67-113.

137. U 1 7501 RU 6G01 L 9/00. Устройство измерения давления в трубопроводах / Морозов Г.А., Ахтямов Р.А., Пьянков Б.Л., Якутенков А.А., Петухов В.М. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №97100460/20; Заявл. 10.01.97 // Бюллетень изобретений. 1998. №8.

138. Fiber optic sensors. An introduction for engineer and scientists. / Ed. by E. Udd. New York, John Wiley and Sons Inc. 2001.

139. Hotate K., Song X., He Z. Stress-location measurements along an optical fiber by synthesis of triangle-shaped optical coherence function. // IEEE Photonics Technology Letters. 2001. V. 13. № 3.

140. Технология и тестирование систем WDM. Руководство по современным волоконно-оптическим сетям / EXFO Electrooptical Engineering Inc. при участии ТЕЛЕКОМ ТРАНСПОРТ. 2001. (CD-ROM).

141. Морозов ОТ. Аналоговые технологии переходного периода для инфотелекоммуникационных систем // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Матер. IX Междунар. Крымской конф. 13-16 сентября 1999 г. Севастополь, Крым, Украина, 1999. С. 148-149.

142. Морозов ОТ. Совместимая система цветного телевидения с двойным перемежением спектра // LVI науч. сессия, посвящен. Дню радио: Труды. Москва, РНТО РЭС им. А. С. Попова, 2001. С. 114-116.

143. Морозов ОТ. Амплитудно-фазовое преобразование частоты в системах временной и частотной рефлектометрии волоконно-оптических информационных и измерительных сетей // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Т.7. №1. С. 63-70.

144. II'in G.I., Morozov O.G.y Pol'skii Yu.E. Metrological features of laser interferometers with frequency conversion in supporting channel // Optical Measurement Systems and Industrial Inspection. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3824. P. 162-168.

145. Морозов ОТ. О применении телевизионных датчиков в качестве фотоприемников лидарных систем // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. III межреспуб. симп. 2-5 июля 1996 г. Томск, ИОА ТФ РАН, 1996. С. 181.

146. Морозов ОТ Встроенные волоконно-оптические датчики для мониторинга инфраструктуры // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сб. матер III Всерос. науч. конф. Пенза, ПДЗ, 2001. С. 16-17.

147. А 1 1200368 SU 4 Н05К 3/53. Устройство для заряда накопительного конденсатора / Ильин Г.И. , Морозов О.Г., Польский Ю.Е., Терновсков В.Т. (Казан, авиац. ин-т им. А.Н. Туполева). №3370285/24-21; Заявл. 23.12.81 // Бюллетень изобретений. 1985. № 47.

148. Ильин Г.И., Морозов ОТ., Польский Ю.Е., Терновсков В.Т., Хайруллин НТ. Блок импульсной накачки лидарных комплексов // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 5. С. 762-765.

149. Zalyalov R.G., Akhtiamov RA., Morozov GA., Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Optical frequency domain reflectometer for fiber structural testing // Optical Measurement Systems and Industrial Inspection. Proceedings of SPIE, 1999. V. 3824. P. 274-279.

150. Morozov GA., Morozov O.G. Online NDE monitoring for microwave reticulation of thermosetting resins // Nondestructive Evaluation of Materials and Composites II. Proceedings of SPIE, 1998. V.3396. P. 264-270.

151. Саидов ФА., Дорогое Н.В., Морозов ОТ, Плохое НА. Автоматизированная система измерения и контроля параметров электродвигателей постоянного тока стрелочных электроприводов // Автоматика, телемеханика и связь. 1996. № И. С. 28-30.

152. U 1 3083 RU 6 G01R 31/34. Устройство для диагностики электродвигателей постоянного тока / Морозов О.Г., Дорогов Н.В., Плахов H.A., Саидов Ф.А., Гадельшин P.M. № 95109608/20; Заявл. 07.06.95 // Бюлл. ИПМ. 1996. № 4.

153. U 1 23333 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др. (Галимов Р.Х., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др.). №2002101820/20; Заявл. 25.01.2002 // Бюллетень ИПМ. 2002. № 16.

154. U 1 34253 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Гадимое Р.Х. , Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др. (ОАО «Шешмаойл»). №2003114691/20; Заявл. 21.05.2003 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 33.

155. Воробьев HT., Морозов ГА., Морозов ОТ., Самигуллин Р.Р. Оценка метрологических характеристик автоматизированных микроволновых модулей для анализа состава сырой нефти // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Т.7. №1. С. 76-79.

156. Morozov O.G., Pol'skii Yu.E. Perspectives of fiber sensors based on optical reflectometry for nondestructive evaluation I I Nondestructive evaluation of materials and composites. Proceedings of SPIE, 1996. V. 2944. P. 178-183.

157. УДК 535.3+535.4+621.373.826+681.586

158. СИММЕТРИЧНАЯ ДВУХЧАСТОТНАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ В ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИРОДНОЙ И ИСКУССТВЕННЫХ СРЕД

159. Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды,веществ, материалов и изделий»