автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Восстановление распределений физических полей с использованием волоконно-оптической измерительной сети



на правах рукописи

Кириченко Олег Викторович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Специальность 05.08.06 - физические поля корабля, океана и атмосферы и их взаимодействие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации' на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

Владивосток - 1997

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.Н.Кульчин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.Н.Евтихиев

доктор физико-математических наук, профессор Б.М.Шевцов

Ведущая организация: Московский государственный инженерно-

физический институт (технический университет)

Защита диссертации состоится '^"СвмТ^рЛк997 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 064.01.01 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690600, Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГГУ.

Автореферат разослан

"¿23 " <Л1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

.М.Чибиряк

ОБЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время весьма актуальными являются задачи исследования физических полей Мирового океана атмосферы, а также процессов влияния на них антропогенных факторов, вызванных жизнедеятельностью человека. Для исследователей большой интерес представляет изучение физических полей надводных судов и подводных лодок и их взаимодействие с такими полями Мирового океана, как электромагнитные, тепловые, акустические, радиационные, деформационные, вибрационные, поля давления, плотности, скорости потока частиц и т.д. Прогресс в данных областях науки и техники неразрывно связан с широкомасштабным применением автоматизированных измерительных комплексов, с созданием разнообразных средств дистанционного контроля и управления сложными многопараметрическими системами, что выдвигает на первый план проблему оперативного сбора и обработки информации о многомерных пространственно-временных функциях распределения параметров различных физических полей. В связи с этим возникает необходимость создания быстродействующих распределенных измерительных сетей датчиков физических величин и организации множества информационных каналов передачи информации. Значительные объемы информационных массивов, подлежащих при этом запоминанию и обработке, предъявляют повышенные требования к обрабатывающим вычислительным системам. В связи с этим особую актуальность приобретает развитие оптических методов сбора и обработки информации, а также оптической связи, основанных на широком применении волноводной оптики, которая позволяет преодолеть трудности организации большого числа независимых и помехозащищенных каналов связи.

Для исследования пространственно-временных распределений параметров физических полей на больших площадях необходимы датчики нового, распределенного типа. Большой интерес у исследователей вызывают волоконно-оптические датчики. Они могут быть нечувствительны к влиянию электромагнитных помех, работать в условиях высокой взрыво- и пожарооласности, иметь малые размеры и массу, использоваться для дистанционных измерений, а также, благодаря использованию световой несущей, достаточно просто могут согласовываться с оптическими и оп-тоэлектронными вычислительными системами, обеспечивая максимальную скорость ввода данных в систему обработки и хранения информации. Использование в распределенных датчиках оптического волокна, обладающего практически неограниченной протяженностью и большой гибкостью, делает возможным создание чувствительных элементов любой требуемой конфигурации. Это позволяют создавать протяженные со сложной топологией измерительные линии на областях, размеры которых значительно превышают характерные расстояния, на которых происходят изменения параметров исследуемого физического поля, что особенно важно при изучении Мирового океана. С другой стороны, современное состояние элементной базы волоконно-оптической техники позволяет создавать не только датчики физических величин, но и открывает возможности для создания многоканальных и широкополосных линий оптической связи. Значительное увеличение скорости передачи данных до 10 Гбит/с, расширение полосы пропускания передаваемых сигналов до 10 ГГц, уменьшение потерь для каналируемого излучения до уровня менее 0,2 дБ/км позволяют решить проблемы, возникающие при организации каналов передачи информации между датчиками и обрабатывающей системой. Предоставляемые возможности требуют качественно нового подхода к принципам формирования измеритель-

ных систем, когда линия передачи сигнала становится одновременно и чувствительным элементом датчика, а также к принципам восстановления пространственно-временных функций распределения параметров физических полей.

Однако, не смотря на очевидное преимущество волоконно-оптических датчиков и линий связи, распределенные волоконно-оптические измерительные сети не получили широкого распространения. Главным образом, это обусловлено тем, что на данный момент практически не разработаны физические принципы организации и функционирования распределенных измерительных сетей волоконно-оптических датчиков, не предложены методы расчета параметров сетей, способных функционировать в условиях сильной дискретизации чувствительных элементов сети по пространству. Помимо этого, многие известные конструкции волоконно-оптических датчиков имеют дискретный по пространству характер измерения исследуемой физической величины, что приводит к необходимости организации очень большого числа информационных каналов передачи данных. Разработанные же распределенные волоконно-оптические датчики представляют собой отдельные измерительные устройства со сложной, и, порой, громоздкой аппаратурой формирования, регистрации и обработки выходного сигнала, что значительно затрудняет интеграцию их в единую распределенную измерительную сеть.

Наиболее радикальный способ решения проблемы исследования таких функций распределения на больших площадях, органично сочетающийся с физическими принципами организации распределенных волоконно-оптических датчиков и измерительных сетей на их основе, дает томографический метод сбора и обработки информации. В настоящее время хорошо разработаны методы применения томографии к исследованию объектов при помощи проии-

кающего ультразвукового, оптического или мягкого рентгеновского излучения для восстановления двухмерных образов. Однако эти методы имеют существенное ограничение, когда применение проникающего излучения затруднено или просто невозможно, либо при исследовании двухмерных, но не плоских функций распределения параметров. Такая ситуация возникает, например, при неразрушакацем контроле и изучении параметров судовых конструкций и береговых сооружений в процессе эксплуатации. Волоконная оптика позволяет решить множество перечисленных проблем. Волоконно-оптическая измерительная сеть распределенных датчиков может быть проложена внутри непрозрачной среды, формируя сколь угодно сложную поверхность, либо вообще представлять собой объемную конструкцию. Вместе с тем, дискретный пространственный характер интегрального образа, получаемого при использовании волоконно-оптической распределенной измерительной сети, приводит к невысокому качеству восстановления исследуемой функции. Это снижает эффективность применения волоконно-оптических распределенных измерительных сетей.

Таким образом, для успешного решения перечисленных выше проблем актуальной является разработка физических принципов создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей, основанных на применении томографических принципов сбора и обработки информации. Эта задача включает в себя разработку методов и исследование качества восстановления многомерных пространственно-временных функций распределения в условиях сильной дискретизации интегральных проекций, создание методов обработки информационных массивов, формируемых распределенной волоконно-оптической измерительной сетью, а также разработку физических принципов построения и создание

конструкций распределенных волоконно-оптических датчиков, способных интегрироваться в единую распределенную измерительную сеть.

Целью работы явилось изучение физических принципов функционирования и организации распределенных волоконно-оптических измерительных сетей томографического типа, создание алгоритмов обработки формируемых информационных массивов данных для восстановления многомерных функций распределения параметров физических полей, а также разработка и исследование элементной базы измерительных сетей на основе распределенных волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа.

Научная новизна и положения, выдвигаемые на защиту:

1.Впервые разработаны и изучены физические принципы организации распределенных измерительных сетей на базе распределенных волоконно-оптических датчиков, основанные на томографических принципах сбора и обработки информации. Установлены основные закономерности, определяющие соотношение пространственных частот исследуемого многомерного сигнала и структуры измерительной сети, при котором обеспечивается достоверное восстановление функции распределения параметров физических полей.

2 .Применительно к информационным массивам, формируемым распределенной волоконно-оптической измерительной сетью в условиях сильной дискретизации интегральных проекций, разработан новый быстродействующий итерационный алгоритм восстановления многомерной функции распределения параметров физических полей, основанный на критерии минимума дисперсии восстанавливаемой функции.

3.Разработаны и исследованы конструкции распределенных и квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на основе интерферометров Фабри-Перо, Маха-Цендера и одноволоконного двухмодового интерферометра, предназначенные для создания распределенных измерительных сетей. Показано, что для квазираспределенных волоконно-оптических датчиков, состоящих из набора элементарных чувствительных элементов (ЭЧЭ) интерфе-рометрического типа, выполненных на неразрывном волоконном световоде, выходной сигнал прямо пропорционален количеству задействованных ЭЧЭ.

4.Предложен и экспериментально исследован метод активной стабилизации рабочих параметров распределенных интерферомет-рических волоконно-оптических датчиков, основанный на линейном сканировании рабочей точки на характеристике интерферометра .

Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что представленные в работе исследования закладывают фундамент для интеллектуальных контрольно-измерительных систем, предназначенных для исследования различных физических полей Мирового океана, атмосферы и технических конструкций судовых и береговых сооружений. Описаны физические принципы формирования выходных информационных массивов распределенных волоконно-оптических измерительных сетей томографического типа, принципы обработки их выходных сигналов и восстановления многомерных пространственно-временных функций распределения параметров физических полей. Изучены физические явления модуляции параметров волоконных световодов, используемые при создании распределенных волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа для томографических измерительных сетей. Полученные результаты позволяют определять оптималь-

ные параметры распределенных волоконно-оптических измерительных сетей в зависимости от характера спектра пространственных частот функций распределения исследуемых физических полей.

В целом проведенные исследования физических явлений формирования информационных массивов томографической распределенной волоконно-оптической измерительной сетью позволяют предложить принципы создания информационно-измерительных комплексов, предназначенных для создания систем управления сложными многопараметрическими процессами (технологические линии, экологические задачи и др.), охраны различных объектов и территорий, а также для исследования параметров технических конструкций в процессе эксплуатации. Полученные результаты могут быть использованы для создания новых эффективных методов регистрации и обработки сигналов в сейсморазведке, геофизике, гидроакустике, процедурах неразрушакхдего контроля. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при проведении исследовательских работ и испытаний новой техники на сейсмоакустическом полигоне отраслевого НИИ.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях:

1.3-th International Soviet Fiber-Optic and Télécommunication Conference, St. Petersburg, 1993.

2.International Conference "Optical Information Processing", St. Petersburg, 1993.

3.XXIII Юбилейная научно-техническая конференция ДВГТУ, Владивосток, 1993.

4.OWLS III: International Conference on Optical Methods in Bio-Medical and Environmental Sciences, Tokyo, 1994.

5.International Symposium on Surface Waves in Solid Structures and National Conference on Acoustoelectron-ics, St. Petersburg, 1994.

6.International Conference "Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors IV", San Diego, USA, 1994.

7.Межцународная конференция "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении", Хабаровск, 1994 г.

8.XXXIV Юбилейная научно-техническая конференция ДВГТУ, Владивосток, 1994 г.

9.XXXVIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, Владивосток, 1995.

10.International Conference OCEANS'95, San Diego, USA, 1995.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 180 страниц и включает 36 рисунков и список литературы из 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В вводной части работы обсуждается современное состояние развития волоконно-оптических измерительных систем, ставится задача исследований, определяется цель работы, сформулированы выдвигаемые на защиту положения, приведено краткое содержание работы.

В первой главе рассматриваются методики изготовления дискретных и распределенных волоконно-оптических датчиков и измерительных сетей на их основе. Показано, что такие параметры торцов волоконных световодов (ВС), как размер неоднород-ностей на поверхности и ортогональность плоскости торца к оптической оси световода, являются одними из определяющих факторов для обеспечения малых потерь при стыковке ВС распределенных датчиков, а также для достижения высокой добротности волоконно-оптических интерферометров. Установлено, что метод скола ВС, обеспечивает наилучшие параметры торцов при хорошей воспроизводимости результатов.

В данной работе были исследованы три типа волоконно-оптических интерферометров, предназначенных для создания распределенных волоконно-оптических датчиков измерительных сетей. Волоконно-оптические интерферометры Фабри-Перо (ИФП) создавались методом термического напыления зеркального отражающего покрытия из алюминия на торцы анизотропных (с сохранением поляризации) одномодовых ВС. Разработанная методика создания отражающего покрытия позволила получать волоконно-оптические ИФП для чувствительных элементов датчиков с хорошо воспроизводимыми характеристиками зеркал: коэффициентами отражения от 0,3 до 0,9 при погрешности не более 5% и хорошей адгезией алюминия к кварцевому стеклу ВС.

Волоконно-оптические интерферометры Маха-Цендера (ИМЦ) изготавливались на основе одномодовых волоконно-оптических разветвителей. Рассмотрены требования, предъявляемые к источникам когерентного излучения, необходимые для обеспечения работоспособности датчика. Разработана и экспериментально исследована конструкция волоконно-оптического датчика на основе ИМЦ со стабильными и хорошо воспроизводимыми метрологическими параметрами.

В работе особо отмечены достоинства одноволоконного двухмо-дового интерферометра (ОДИ), позволявшие создавать распределенные датчики физических полей, в которых чувствительный элемент конструктивно может быть объединен с оптическим каналом передачи информации. Разработанная конструкция волоконно-оптического датчика на основе ОДИ обеспечивает высокие метрологические параметры и эффективную защиту информационных каналов от нежелательных внешних воздействий, благодаря чему повышается стабильность параметров датчика.

В работе отмечено, что при разработке и создании распределенных волоконно-оптических датчиков жесткие требования предъявляются к узлам стыковки ВС. Разработана конструкция волоконно-оптического узла стыковки ВС, позволяющая жестко фиксировать световода различных типов, обеспечивая потери световой энергии на уровне 3 дБ.

Во второй главе рассмотрены физические основы создания базовых конструкций волоконно-оптических чувствительных элементов распределенных датчиков. Как уже было отмечено выше, волоконно-оптические интерферометры представляют наибольший интерес для создания распределенных датчиков физических полей. Исследовано влияние деформационных воздействий на воло-

конно-оптические интерферометры Фабри-Перо, Маха-Цендера и одноволоконный двухмодовый интерферометр. В данной работе рассматривался вопрос создания ЭЧЭ для регистрации параметров колебательных процессов (амплитуда смещения, ускорение). Принцип работы ЭЧЭ основан на деформации ВС, что, в общем случае, приводит к изгибу и удлинению световода. Это вызывает изменение светопропускания ИФП, смещение интерференционных полос ИМЦ и перераспределение интенсивности двух световых пятен в выходной интерференционной картине ОДИ. Проведен теоретический анализ зависимости выходного сигнала интерферометров от эффективного удлинения ВС. Показано, что реально достижимое минимальное детектируемое эффективное удлинение ВС чувствительного элемента датчика на основе ИФП составляет 0,08 нм в случае применения зеркального покрытия с коэффициентом отражения 11=0,75 и 0,007 нм при Е=0,9. Для чувствительного элемента датчика на основе ИМЦ соответствующая характеристика составляет 0,1 нм, а для ОДИ -0,1 мкм. Отмечено, что с понижением порога чувствительности датчика уменьшается динамический диапазон измерений. Разработана конструкция и определены оптимальные параметры чувствительного элемента волоконно-оптического датчика ускорения. Данный ЭЧЭ может бьггь применен как в составе дискретных, так и распределенных датчиков. Основой чувствительного элемента может быть любой волоконно-оптический интерферометр. Определены оптимальные значения коэффициентов отражения зеркального покрытия ИФП, вязкости демпфирующей среды, веса и геометрических размеров инертной массы датчика, натяжения ВС. Определены параметры рабочего частотного диапазона разработанного чувствительного элемента. Рассмотрены принципы объединения ЭЧЭ в единый распределенный волоконно-оптический датчик.

В третьей главе изучены процессы интегрирования сигнала внешнего воздействия на последовательно расположенные ЭЧЭ. Показано, что выходной сигнал квазираспределенного датчика, состоящего из упорядоченного набора ЭЧЭ, может быть представлен в виде суммы сигналов от каждого из чувствительных элементов. Отдельно исследован вопрос зависимости выходного сигнала для распределенного волоконно-оптического датчика интерферометрического типа, в случае, когда ВС датчика совмещает в себе функции чувствительного элемента и канала передачи информации. Разработан метод активной стабилизации распределенных и квазираспределенных волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа, основанный на активном сканировании положения рабочей точки на характеристике интерферометра с последующей цифровой частотно-временной обработкой выходного сигнала. Теоретически и экспериментально показано, что для сигнальных воздействий низкочастотного диапазона динамический диапазон измерений расширяется и может достигать 60 дБ. Экспериментально достигнутый уровень нестабильности коэффициента преобразования датчика на основе ШЦ с предложенной системой стабилизации составил на более 0,5% в час на временной базе измерений до 12 часов.

В четвертой главе изложены принципы организации волоконно-оптической измерительной сети (ВОИС) на основе распределенных волоконно-оптических датчиков. Рассмотрены предельные характеристики процесса восстановления исследуемой функции распределения параметров физических полей в зависимости от соотношения характеристических пространственных частот исследуемой функции и структуры измерительной сети. Разработан, теоретически и экспериментально исследован новый быстродействующий алгоритм восстановления функции распределения

параметров физических полей по интегральным проекциям, формируемым волоконно-оптической измерительной сетью в условиях сильной дискретизации измерительных линий в пространстве.

Основные результаты работы:

1.Впервые проведено исследование применения томографических принципов сбора и обработки информации при ограниченном числе интегральных проекций в условиях сильной дискретизации по углу направления сбора данных. Теоретически разработаны и экспериментально изучены физические принципы организации измерительных сетей томографического типа на базе распределенных волоконно-оптических датчиков физических величин. Установлены основные закономерности в соотношении характеристических пространственных частот исследуемого сигнала и структуры измерительной сети. Показано, что при отношении частоты сигнала к частоте сети, равном 0,8, теоретический коэффициент корреляции исследуемой и восстановленной функции не может превышать 0,9. Данный результат подтвержден при проведении численных и натурных экспериментов.

2.Разработан новый быстродействующий итерационный алгоритм восстановления исследуемой функции распределения параметров физических полей по интегральным данным распределенной волоконно-оптической измерительной сети. Впервые показано, что использование в качестве параметра восстановления критерия минимума дисперсии восстанавливаемой функции обеспечивает физически правильные решения некорректной томографической задачи. Экспериментально показано, что при отношении характеристических пространственных частот сигнала и измерительной сети, равном 0,8, за 10-12 итераций процесса обработки

сигналов сети достигается коэффициент корреляции между исследуемой и восстановленной функциями, равный 0,9.

3.Разработаны физические принципы создания распределенных и квазираспредаленных волоконно-оптических датчиков на основе интерферометров Фабри-Перо (ИФП), Маха-Цендера (ИМЦ), и од-новолоконного двухмодового интерферометра (ОДИ). Экспериментально достигнутая чувствительность к ускорению составила 10~7д для датчика на основе ШП, 2*10~^д для датчика на основе ИМЦ, 1,6*10"4д для датчика на основе ОДИ. Исследованы процессы интегрирования сигнала внешнего воздействия на чувствительный элемент распределенных и квазираспределенных волоконно-оптических датчиков. Экспериментально показано, что для квазираспределенного датчика, состоящего из набора элементарных чувствительных элементов (ЭЧЭ), выходной сигнал прямо пропорционален количеству задействованных ЭЧЭ. Создан квазираспределенный сейсмометр с базой измерения сигналов 200 м и линейной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне 2-800 Гц.

4.Разработан и экспериментально исследован метод активной стабилизации рабочих характеристик распределенных интерферо-метрических волоконно-оптических датчиков, основанный на применении линейного сканирования положения рабочей точки интерферометра на характеристике преобразования с последующей цифровой частотно-временной обработкой выходного сигнала. Показано, что данный метод позволяет обеспечивать уровень нестабильности коэффициента преобразования датчика на уровне 0,5% в час на временной базе измерений 12 часов. Предложенный метод мсжет быть применен одновременно ко всем распределенным датчикам, образуыцим измерительную сеть.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1.Kulchin Yu.N., Vitrik О.В., Petrov Y.S., Kirichenko O.V. Distribute Fiber-Optic Sensor for Seismoacoustic Investigation. // Proc. 3-th International Soviet Fiber-Optic and Télécommunication Conference, v.2, p.291-294, St. Petersburg, 1993.

2.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптической измерительной сети. // Квантовая электроника, 1993, 20, №5, с.711-714.

3.Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Воробьев Ю.Д., Петров Ю.С. Волоконные интерферометрические датчики для создания измерительных сетей. // Труды ДВГТУ, 1993, вып.З, сер.5, с.5-6, Владивосток.

4.Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Распределенная волоконно-оптическая измерительная сеть. // Тезисы докладов 23-й Юбилейной Научно-технической конференции ДВГГУ, Владивосток, 1993, т.2, с.20-22.

5.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Волоконно-оптическая измерительная линия. // Тезисы докладов 23-й Юбилейной Научно-технической конференции ДВГТУ, Владивосток, 1993, т.2, с.22-23.

6.Kulchin Yu.N., Vitrik О.В., Kirichenko O.V., Petrov Y.S. Measuring networks on the base of fiber-optic interferometers. // Proc. International Conference on Optical Information Processing, 2-7 August, 1993, St. Petersburg, Russia, SPIE vol.2051, p.83-90.

7.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Квазираспределенный волоконно-оптический датчик. // Измерительная техника, 1994, №1, с.16-17.

8.Kulchin Yu.N., Vitrik О.В, Klrichenko O.V., Petrov Y.S. Fiber-optic measuring network for multidimensional signal reconstruction. // Proc. 3-th International Conference on Optical Methods in Bio-Medical and Environmental Sciences (OWLS III), Tokyo, April 10-14, 1994, p.36.

9.Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kirichenko O.V., Petrov Y.S. Interferometry and speckle-interferometry fiber-optic sensors. // Proc. 3-th International Conference on Optical Methods in Bio-Medical and Environmental Sciences (OWLS III), Tokyo, April 10-14, 1994, p.44.

10.Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kamenev O.T., Kirichenko O.V., Petrov Y.S. Tomography fiber-optic network for low-frequency acoustic investigations. // Proc. International Symposium on Surface Wave in solid and layered structures and National conference on Acoustoelectronics, 17-23 May, 1994, St. Petersburg, Russia, p.121.

11.Kulchin Yu.N., Vitrik O.B, Kamenev O.T., Kirichenko O.V., Petrov Y.S. Fiber optic measuring network for scalar and vector physical field investigation. // Proc. of Conference "Distributed and Multiplexed Sensors IV", 27-28 July, 1994, San Diego, USA, v.2294, p.165-173.

12.Kulchin Yu.N., Vitrik O.B, Kirichenko O.V., Petrov Y.S. Distributed fiber-optic acoustic sensor. // Proc. of Conference "Distributed and Multiplexed Sensors IV", 27-28 July, 1994, San Diego, USA, v.2294, p.129-132.

13.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Каменев О.Т., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Модуляция фазы направляемых мод при аксиальных деформациях многомодовых волоконных световодов. // Труды ДВГТУ, выпуск 114, серия 8 "Экология в инфраструктуре Дальнего Востока и безопасности, жизнедеятельности", с.34-38, Владивосток, 1994.

14.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Каменев О.Т., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Система регистрации вибрационных полей на основе волоконно-оптической измерительной сети. / / Тезисы докладов международной конференции "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении", с.24-25, Хабаровск, 1994.

15.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Петров Ю.С, Кириченко О.В. Способ измерения параметров физических полей. Патент Российской Федерации №2066466 от 14 февраля 1994 г.

16.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Петров Ю.С, Кириченко О.В. Сейсмоизмерительное устройство. Патент Российской Федерации №2066467 от 14 февраля 1994 г.

17.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Петров Ю.С, Кириченко О.В. Способ измерения параметров физического поля. Положительное решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение по заявке №94005429/28/004963 от 14.02.94.

18.Кульчин Ю.Н., Витрик О.В., Петров Ю.С, Кириченко О.В. Сейсмодатчик. Положительное решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение по заявке №94005430/25(004964) от 14.02.94.

19.Kulchin Yu.N., Vitrik O.B, Kirichenko O.V., Petrov Y.S., Kamenev O.T. The laser tomographical method using minimum of

projection for biological object structure study. // Lasei Biology, vol.4, N3, p.679-683, 1995.

20.Kirichenko O.V. Fiber-Optic Distributed Measuring Network for Geophysical information Systems. // Proc. International Conference OCEANS'95 MIS/IEEE "Challenges in Ош Changing Global Environment", October 9-12, San Diego, USA, vol.3, p.2088-2091, 1995.

21.Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С., Каменев О.Т. Метод обработки сигналов одноволоконного двух-модового интерферометра. Автометрия. 1995, N 5, с.32-35

22.Yu.N.Kulchin, O.B.Vitrik., O.V.Kirichenko, Yu.S.Petrov, O.T.Kamenev, O.G.Maksaev. New method of multimode fiber interferometer signal processing. Proceedings of 17th Congres; of International commission for optics for science and ne\ technology, SPIE v.2778, part II, p.1070-1071, 1996.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Кириченко Олег Викторович ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

(05.08.06 - физические поля корабля, океана и атмосферы и их

^ \ взаимодеиствие)

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических

наук, профессор Ю.Н.Кульчин

Владивосток - 1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение..............................................................4

1. Экспериментальные методики........................... 23

1.1. Методы изготовления интерферометров для чувствительных элементов дискретных волоконно-оптических датчиков..................................................... 23

1.1.1. Волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо... . 25

1.1.2. Одноволоконный двухмодовый интерферометр..................30

1.1.3. Волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера.. 31

1.2. Метод изготовления распределенных волоконно-оптических датчиков..................................... 34

1.3. Экспериментальная установка для исследования параметров распределенных волоконно-оптических датчиков..... 39

1.4. Экспериментальные установки для исследования параметров волоконно-оптической измерительной сети....................47

1.5. Экспериментальная установка для исследования активного метода стабилизации распределенных волоконно-оптических интерферометрических датчиков................................53

1.6. Выводы............................................. 56

2. Физические основы создания базовых конструкций волоконно-оптических чувствительных элементов..............................58

2.1. Чувствительный элемент на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо................... 58

2.2. Чувствительный элемент на основе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера................. 70

2.3. Чувствительный элемент на основе одноволоконного двухмодового интерферометра............................. 75

2.4. Элементарные чувствительные элементы для распределенных волоконно-оптических датчиков колебаний....................83

2.5. Выводы............................................. 91

3. Распределенные волоконно-оптические интерферометриче-ские датчики. Методы обработки сигналов и стабилизации параметров РВОД......................................... 93

3.1. Исследование процессов регистрации параметров физических полей распределенными волоконно-оптическими датчиками.................................................. 96

3.2. Метод стабилизации параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков........................... 106

3.3. Выводы. ............................................ 127

4. Принципы организации волоконно-оптической измеритель-

ной сети (ВОИС) на основе РВОД и изучение процессов сбора и обработки информации............................... 128

4.1. Параметры ВОИС и характеристики алгоритма восстановления исследуемой функции распределения многомерных сигналов................................................ 130

4.2. ВОИС для исследования двумерных центрально-симметричных функций распределения параметров физических полей................................................... 156

4.3. ВОИС для исследования двумерных сложных несимметричных функции распределения параметров физических полей 160

4.4. Выводы............................................. 164

Заключение.............................................. 165

Список литературы....................................... 169

Приложения.............................................. 181

Акт внедрения научно-технической продукции.............. 181

OCEANS'95 MTS/IEEE Student Poster Award................. 182

Введение

В настоящее время волоконная оптика находит широкое применение в различных областях науки и техники, таких, как системы дальней связи, приборостроение, кабельное телевидение, информационно-измерительные комплексы и системы передачи данных и т.п. [1] . Прогресс освоения и изучения Мирового океана неразрывно связан с широкомасштабным применением автоматизированных измерительных комплексов, с созданием разнообразных средств дистанционного контроля и управления сложными многопараметрическими системами, что выдвигает на первый план проблему оперативного сбора и обработки информации о многомерных пространственно-временных функциях распределения параметров различных физических полей [2] . Особенно актуальными становятся такие задачи и при исследовании судовых конструкций в реальных условиях эксплуатации, а также при изучении взаимодействия корабля с океаном и атмосферой для оценки влияния антропогенных факторов на окружающую среду. В связи с этим возникает необходимость создания быстродействующих распределенных измерительных сетей датчиков физических величин, организации множества информационных каналов передачи данных между датчиками и системой запоминания и обработки информации.

Значительные объемы информационных массивов, подлежащих при этом запоминанию и обработке, предъявляют повышенные требования к обрабатывающим вычислитель ным системам. Анализ путей развития электронных вычислительных средств показывает, что производительность современных компьютеров принципиально ограничена конечной полосой пропускания соединительных линий, искажениями сигналов синхронизации с увеличением частоты обмена данными и ограничением числа возможных связей между элементами [3] . Кроме этого, передача информации по многочисленным каналам с ограниченной полосой пропускания при помощи электрических и электромагнитных сигналов существенно снижает быстродействие и помехозащищенность измерительной сети в целом. Перспективы увеличения производительности вычислительных систем видятся в использовании полностью параллельного вычислительного процесса [ 4 ], а трудности организации большого числа независимых и помехозащищенных информационных каналов приводят к необходимости поиска и разработки принципиально новых методов и средств сбора и передачи информации, обладающих новыми качественными показателями по быстродействию, пропускной способности и помехоустойчивости [5]. В связи с этим особую актуальность приобретает развитие оптических методов сбора и обработки информации, а также оптической связи, основанных на широком

применении волноводной оптики, которая предлагает наиболее радикальное решение перечисленных выше проблем [б].

Совершенствование систем автоматизированного контроля, управления и дистанционного сбора информации о различных объектах и процессах, что необходимо при изучении физических полей океана, атмосферы и корабля, во многом определяется достижениями в области измерительных преобразователей (датчиков). Для исследования пространственно-временных распределений параметров физических полей на больших площадях необходимы датчики нового, распределенного типа. Помимо высоких метрологических характеристик такие датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью параметров, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, способностью интеграции в единую распределенную измерительную сеть, а также, для обеспечения наибольшей скорости ввода и обработки информации, совместимостью с оптоэлектронными и оптическими процессорами [7] . Наиболее радикальное решение перечисленных проблем предлагают волоконно-оптические датчики параметров физических полей. Они могут быть нечувствительны к влиянию электромагнитных помех, работать в условиях высокой взрыво- и пожароопасности, иметь малые размеры и массу, использоваться для дистанционных измерений, а также, благодаря использованию световой несущей,

достаточно просто согласовываться с оптическими процессорами, обеспечивая максимальную скорость ввода данных в системы обработки и хранения информации [8] . Использование в распределенных датчиках оптического волокна, обладающего практически неограниченной протяженностью и большой гибкостью [9], делает возможным создание измерительных элементов любой требуемой конфигурации и чувствительности. Это позволяют создавать протяженные измерительные линии с длиной, значительно превышающей характерные расстояния, на которых происходят изменения параметров исследуемого физического поля, что особенно важно при изучении полей океана и атмосферы.

С другой стороны, современное состояние элементной базы волоконно-оптической техники позволяет создавать не только датчики физических величин, но и открывает возможности для создания многоканальных и широкополосных линий оптической связи [10]. Значительное увеличение скорости передачи данных до 10 Гбит/с [11] , расширение полосы пропускания передаваемых сигналов до 10 ГГц [12], уменьшение потерь для каналируемого излучения до уровня менее 0,2 дБ/км [13] позволяют решить проблемы, возникающие при организации каналов передачи информации между датчиками и обрабатывающей системой.

Однако, не смотря на очевидное преимущество волоконно-оптических датчиков и линий связи, распределенные волоконно-оптические измерительные сети не получили широкого распространения. Главным образом, это обусловлено тем, что на данный момент практически не разработаны физические принципы организации и функционирования распределенных измерительных сетей волоконно-оптических датчиков, не предложены методы расчета параметров сетей, способных функционировать в условиях сильной дискретизации чувствительных элементов сети по пространству. Помимо этого, многие известные конструкции волоконно-оптических датчиков имеют дискретный по пространству характер измерения исследуемой физической величины [14], что приводит к необходимости организации очень большого числа информационных каналов передачи данных. Разработанные же распределенные волоконно-оптические датчики [15] представляют собой отдельные измерительные устройства со сложной, и, порой, громоздкой аппаратурой формирования, регистрации и обработки выходного сигнала, что значительно затрудняет интеграцию их в единую распределенную измерительную сеть. Например, при разработке обычных распределенных волоконно-оптических датчиков необходимо иметь способ, позволяющий выделять из выходного сигнала информацию, соответствующую воздействию измеряемого параметра физического

поля в конкретной точке пространства. Для этого применяют методы радиочастотного мультиплексирования [16] или поляризационного когерентного мультиплексирования [17] сигналов от элементарных чувствительных элементов квазираспределенных датчиков, а также методы анализа частотного спектра вынужденного рассеяния света [18,19]. При этом, не смотря на достигнутые высокие метрологические характеристики, техническая реализация измерительных комплексов на базе таких датчиков очень сложна. Это выдвигает на первый план проблему разработки физических принципов создания и способов интеграции распределенных волоконно-оптических датчиков для работы в единой распределенной измерительной сети, обеспечивающей сбор информации о распределении параметров физических полей на больших площадях.

Наиболее радикальный способ решения проблемы исследования функций распределения параметров физических полей дает томографический метод сбора и обработки информации [20]. Такой подход предполагает использование единой измерительной сети, состоящей из распределенных или квазираспределенных датчиков, которые фиксируют интегральную (суммарную) информацию о величине внешнего воздействия на чувствительные элементы вдоль линии их укладки. В этом случае восстановление исследуемой многомерной функции распределения осуществляется при обработке

сигналов сразу всех датчиков, образующих измерительную сеть. Это значительно упрощает конструктивное исполнение, схему формирования и систему обработки выходного сигнала каждого из распределенных датчиков сети, так как отпадает необходимость в выделении информации о величине измеряемого параметра физического поля в конкретной точке пространства из выходного сигнала каждого датчика. Кроме того, применение томографических методов позволяет значительно уменьшить число каналов передачи данных, что упрощает конструкцию измерительной системы в целом, уменьшает объем передаваемых данных и обеспечивает более высокую помехозащищенность каналов передачи информации. Наряду с уже перечисленных выше достоинствами, измерительный комплекс, основанный на томографических принципах сбора и обработки информации, может обеспечить наибольшую скорость получения и ввода данных в обрабатывающую систему, что особенно важно для систем контроля и управления различными объектами, работающих в реальном масштабе времени.

Как известно, томографические принципы предполагают получение многих интегральных данных (интегральных проекций исследуемой функции распределения) при различных углах ориентации измерительных линий [20]. В настоящее время хорошо разработаны методы применения томографии к исследованию объектов при помо-

щи проникающего ультразвукового, оптического или мягкого рентгеновского излучения [20,21] для восстановления двумерных образов. Однако эти методы имеют существенное ограничение, когда применение проникающего излучения затруднено или просто невозможно (например, исследование параметров технических конструкций в реальных условиях эксплуатации, изучение распределения параметров физических полей на очень больших площадях), либо при исследовании двумерных, но не плоских функций распределения параметров (напряжения в обшивках самолетов, судов и т.п.). Кроме того, в ряде работ [20-22] показано существование и единственность решения томографической задачи (относящейся к некорректным задачам) в том случае, когда известен полный непрерывный набор интегральных образов как по углу, так и по направлению сканирования, что достаточно легко реализуется при использовании проникающего излучения. Вместе с тем, дискретный характер интегрального образа, получаемого при использовании волоконно-оптической распределенной измерительной сети, обладающий сильной дискретизацией отсчетов как по углу, так и по числу интегральных проекций, должен приводить к весьма низкой точности обратных интегральных преобразований и, как следствие, к невысокому качеству восстановления исследуемой функции [23] . Это снижает эффективность применения волоконно-

оптических распределенных измерительных сетей, что выдвигает на первый план необходимость поиска оптимальной конфигурации сети и эффективных алгоритмов восстановления исследуемых функций.

Таким образом, для успешного решения перечисленных выше проблем актуальной является разработка и экспериментальная проверка физических принципов создания распределенных волоконно-оптических измерительных сетей, основанных на применении томографических принципов сбора и обработки информации. Эта задача включает в себя разработку методов и исследование качества восстановления многомерных пространственно-временных функций распределения в условиях сильной дискретизации интегральных проекций.

Широко известные схемы распределенных и квазираспределенных волоконно-оптических датчиков в основном используют амплитудный или спектральный способы формирования и регистрации выходного сигнала. Однако многообразие физических эффектов взаимодействия оптического излучения с веществом, схем формирования выходного сигнала, модуляции и демодуляции световой несущей обуславливает множество возможных вариантов реализации датчиков даже при регистрации одной и той же физической величины [24,25] . Анализируя различные схемы формирования сигнала воло-

конно-оптического датчика, надо отметить, что благодаря высокой чувствительности и большому динамическому диапазону измерений, интерферометрические схемы формирования сигнала представляют наибольший интерес [26] . По сравнению с традиционными оптическими интерферометрами волоконно-оптические двухволокон-ные, а особенно одноволоконные интерферометрические датчики обладают повышенной устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям, слабо зависят от атмосферных условий и, что очень важно, позволяют объединять функции чувствительного элемента и канала передачи информации в едином волоконно-оптическом тракте [27].

На данный момент теоретически хорошо изучены и практически реализованы волоконно-оптические интерферометры следующих типов: Саньяка, Фабри-Перо, кольцевого Фабри-Перо, Маха-Цендера, Майкельсона, межмодовой интерференции [7,8,14,26,28]. Волоконно-оптические интерферометры Саньяка и кольцевой Фабри-Перо имеют замкнутый чувствительный волоконно-оптический тракт, что затрудняет их использование для получения интегральных проекций при реализации томографических принципов сбора и обработки информации. Такие типы интерферометров нашли наибольшее применение в волоконно-оптических угломерах и гироскопах. Ин