Интерферометрические процессы формирования и обработки сигналов деформационных воздействий на многомодовые волоконные световоды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

< 9«. .

1 московский ордена трудового красного змшт

инженерно - физический институт

На правах рукопиои

Витрик Олег Борисович шггерсешлзтричвскнз процессу ф0шр03а1ш и обработки СИГНАЛОВ двюшщошшх воздействий на шогошдовж В0Л0К0ШШ световоду.

01.01.03 - радиофизика, включая квантовую радиофизику

Автореферат диосэрташи на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

:.'осква - 1990

"V

Работа выполнена в Дальневосточном ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. В.В. Куйбышева '

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

доценг Ю.Н. Кульчин

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

МОРОЗОВ в.н.

кандидат фагико-ыатвматическах наук ЕВТИХИЕВ H.H.

Ведущая организация - Университет Дружбы Дародов

им. П. Лумумбы .

Защита состоится 6 *дека.$р&. х990 г. в /7 часов на заседании специализированного совета K-053.03.0I в Московском инженерно-физическом институте по адресу: II5409, Москва, ■ Каширское шоссе, д. 31, тал. 324-84-9&

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ' Автореферат разослан " 3 " Hs&A^Ju.^ 1990

•Просим принять участие в работа совета или прислать отзыв в одном экземпляре,заверенный печатью организации

Ученый секретарь

специализированного совета Д.Н. Воскресенский

мм

" !

I

ни

овдл хлрлктлрмстаи рлгоп

л

Развитие оптоэлектроняки , в частности совершенствование (арактеристик волоконт/х световодов (ВС), лазорев и световодов, юявление интегрально-оптических схем и компонентов, а также ус-таки в разработке систем обработки оптических сигналов открыли юзможность элективного использования световодов на только в ¡истемах связи, но и в Тмзичоокнх; исследованиях. Во многом,поденный интерес к использованию оптических волохон в качестве [увствительно^о элемента (ЧЭ) для регистрации внешних физичес-;их воздействий связан с тем, что ВС, выполненные из кварца ила ¡варцевого стекла, способны работать в экстремальных условиях :имически агрессивных сред, сильных электромагнитных помах, вышкой радиации и температура. Сейчас уже трудно указать физи-:ескоэ поле, параметры которого нельзя было бы зарегистрировать, спользуя волоконный световод в качество чувствительной среда, хотя не все еще принципы детектирования физических полей с при-енением ВС нагапи законченное теоретическое обоснование иля удо-летворительноо техническое решение, это новое направление в раз-нтии первичных преобразователей уже завоевало достаточный авто-итет.

Среди разрабатываемых в настоящее время приемников физичес-их воздействий, используших волоконный световод в качестве ЧЭ, аибольией чувствительностью обладают приемники, принцип действия оторых основан на регистрации индуцируемого внешним воздействи-VI изменения фазы электромагнитной золнн в световоде. Техника этической интерферометрии позволяет фиксировать изменение »фазы элебанай 10-2 радиан. Поскольку используются оптические сигна-1 с длина?,ш волн порядка микрометра, то мошо регистрировать {чтоянэ малые изменения оптической длины пути излучения в ВС.

Одним из наиболее перспективннх типов интерферометрических эиемняков физических воздействий являются одноволоконные интер-зромэтрн, использующие явление интерференции иод одного и того ! мнэгомонового волоконного световода. Преимущества одноволо-шных межмодовых интерферометров - в простоте опгячеркой схеш, ^обстве согласования с источниками излучения, доступности эле-штной базы. Высокая чувствительность одноволоконных интерферо->тров к изменение геометрических размеров и формн оптического

волокна позволяет эффективно использовать такого рода устройства для регистрации широкого круга физических величии, оказывающих деформационные воздействия на чувствительный ВС. Вместе с тем,' несмотря на очевидные достоинства, одаоволоконные мажмодовыа интерферометры не нашли широкого применения и находятся на стадии лабораторных исследований. Во многом это связано с тем, что отсутствие систематического экспериментального изучения изменений параметров мод в зависимости от вида и степени деформации многоходового световода, равно как и неполнота соответствующих математических моделей затрудняют дальнейшее совершенствование одноволоконных интерферометрических приемников деформационных воздействий. Поэтому особую актуальность приобретает задача исследования особенностей модуляции параметров мод деформируемого многомодового световода, определяющих формирование интерференционного сигнала о внешних деформационных воздействиях на ВС.

Серьезным препятствием для использования одноволоконных интерферометрических схем является трудность обработки пространственно-неоднородной интерференционной спекд-картшш .формирующейся на выходе из мюгомодового ВС. Разработанные в настоящее время метода обработки сигналов одноволоконных интерферометров посредством ограничения числа мод, участвующих в формировании интерференционного сигнала, овяаакы со' значительными потерями мощности прошедшего обработку света. Это обуславливает значится ное уменьшение чувствительности и динамического диапазона приемников на основе одноволоконных интерферометрических схем.

Эти ограничения могут быть преодолены путем разработки новых способов оптоэлектрокной обработки картины излучения из многомодового ВС, основанных на использовании развитых в настоя щее время корреляционных методов обработки сложных флуктуацион-ных сигналов. Повышенный интерес, имея в виду разработку одново локоншх приемников динамических воздействий, представляет зада ча обработки,динамически перестраивающейся спекл-картины излуче ния из многомодового волоконного световода. В связи с этим особую актуальность приобретает задача разработки методов корреляционной пространственной фильтрации картины межмодовой интерференции на выходе из многомодового волокна, призванной реализовать эффективную обработку сигналов о внешних воздействиях на многомодовыэ ВС в реальном масштабе времени.

Известно, что результат корреляционных измерений в рачительной ст.епени зависит ог статистических свойств исследуемых сигналов. Поэтому важное место в решении задачи корреляционной обработки приобретает исследование параметров распределения интенсивности света в картине межмодовой интерференции, формирующейся на выходе из многоходового волоконного световода.

Таким образом, исследование: характера модуляции параметров 'лод, вызванных различного рода деформациями многомодового ВС; статистических особенностей формирования сигнала межмодовой интерференции на внтде из световода; методов корреляционной пространственной фильтрации излучения многомэдовых ВС для разработки элементной базы одноволоконшх устройств сбора и обработки информации - представляет большой научный и практический интерес и явля-этся актуальной научной задачей.

Цель работа. Исследование особенностей модуляции параметров когерентного излучения в деформируемых волоконных световодах и изучение интер^ерометрическкх процессов формирования и обработки сигналов внешних воздействий на ВС когерентно-оптическими методами для разработки элементной базы реальных волоконно-оптических датчиков физических величин.

Научная норизиа. На защиту выносятся следующие результаты, полученные япервие в настоящей работе.

1. Теоретически и экспериментально исследована модуляция ?>азн излучения в деформируемом многоходовом волоконном световоде. Остановлена зависимость между возникающие фазовыми изменениями *аправляемых волн волоконного световода и его оптическими параметрами. Показано, что макет,ильное значение дополнительной размети фаз между модами при аксиальной деформации оптического во-покна прямо пропорциональна величине удлинения, а при изгибах световода - углу изгиба.

2. Оксперимэнталыю и теоретически исследованы статистические параметры излучения, прошедиего многоходовые волоконные световоды, такие как плотность и контраст распределения интенсивности :вота, формирующего картину межмодовой интерференции. Установлен характер зависимости плотности распределения и контраста спекл-картины от дисперсионных свойств световода и когерентности используемого источника излучения.

3. Предложен» и исследованы корреляционные методы обработки интерференционного сигнала, формирующегося на выходе из многомодо-вого волоконного световода, с помощью фильтра корреляции интенсив-ностей ( с амплитудам пропусканием) и корреляционного голографи-ческого фильтра (на основе голограммы Френеля). Установлено, что мощность отфильтрованного такого рода устройствами излучения линейно зависит от коэффициента корреляции интерференционных сигналов из деформированного и недеформированного световодов, при этом величина коэффициента корреляции определяется максимальным значением дополнительной разности фаз между модами деформируемого световода. Показано, что использование голографигческого фильтра позволяет повысить динамический диапазон измерений величины деформации световода по сравнению со случаем использования фильтра корреляции интенсивностей.

4. Исследованы запись и считывание голограмм Френеля при использовании оптических волокон в тракте опорной волны. Показано что такие голограммы обладают высокой селективностью к изменениям реконструирующего поля, обусловленным деформацией световода, а также продольнши и поперечными сдвигами.голограмм. Величина предельного сдвига определяется размерами области автокорреляции спекловой картины излучения на выходе из многомодового световода.

5. Предложена к исследована конструкция одноволоконного сзйсмоакустического деформэметра. Показано, что чувствительность устройства составляет 3 мкВ/мкм, динамический .диапазон 25 дБ.

Разработан метод лианеризации ш.щлитудно-частотной-характеристики одноволоконного интерферометрического приемника гидроакус тич'еских сигналов.

Показано, что параметра макета составляют: диапазон линейности АЧХ 9-25 кГц, неравномерность АЧХ на линейном участке -3 дБ, чувствительность - 210 дБ/ДВ/мкПа, пороговая чувствительность - 90 дБ//1мкПа.

Практическая ценность работы заключается в том, что представленные в работе исследования описывают:физические явления модуляции фазы мод при аксиальном растяжении и изгибе многомодового ВС; статистические свойства излучения формирующего картину ыеямодовой интерференции; принципы обработки интерференционной картины излучения из многомодового световода с использованием кор реляционных пространственных фильтров, для выделения информации

деформациях ВС; принцип» построения реальных моделей одиоволокон-ого инторфэромотрического приоиника сеЯсмоакустических колебаний одиоволоконного инторферомотричоского гидрофона с лине^иоЗ АЧХ.

Полученные результат» ?.;эгут бить использованы для разрайот-и и оптимизации волоконно-оптических приемникоп физических лолини различного функционального назначения, применяемых в о истомах бора и обработки информации, и лакьнвйаогэ развития эломонтно.1 азы датчиков на оптическом волокно.

гдбогч. Осношша результат, получешшо в диссер-ании, дошшппапись и обсуждались на следующих конвенциях:

1. Всесоюзная коцГеронинл "Прием и анализ С! И колебаний", оронож, L90? г.

2. Всесоюзная конференция "Оптико-электронные измерительно устройства и системы". Томск, Г989 г.

3. Международная конференция Lnt£7.|/et0n\&t.Tl^,89, îpnasa, I9E9 г.

1. Псесопзное совеадниа-семянар "Диагностические примено-ия лазеров и волоконной оптики". Саратов, 1969 г.

■ Публикации. Публикации по маториалам диссортации включают 9 именований и перечислены в конио автореферата.

Струну/од и "бгем работы. Диссертация состоит из введения, тти глав и заключения, изложена на 167 страницах машинописного зкета, включая Si рисунка к список литература из 91 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящей работе рассмотрены: процессы модуляции параметре мод многомодового волоконного световода, подверженного акси- • иному растяжению н изгибам; статистические свойства излучения, пошедшего многомодовые ВС; вопросы корреляционной обработки штлов деформационного воздействия на многомодовые световоды >тодами пространственной фильтрации, а также принципы построе-ш я реалышо конструкции одноволоконных интерфероматряческих жемкиков сейсмо- и гядро-акустических сигналов.

3 результате анализа проиэссов мояуляпял фазы мод, внзн-шмоЙ аксиальной дефориациоЗ шюгомодового волоконного свото-)да, показано, что такого рода дефюрмашш обуславливает воз-исяовение на деформированном участке ВС дополнительной разноста

фаз ыезду модами, приводящей к пространственному перераспределению сигнала мэжыодовой интерференции на выхода из световода. Мак симальное значение дополнительной разности фаз между модами може быть рассчитано:

ZiTi.=Tli-11г', Üi.tlj- показатели преломления сердцевины и оболочки световода соответственно;Д Н - величина удлинения ВС.

Как видно из (I), максимальное значато дополнительной разности фаз мезду модами определяется шириной модового спэктра используемого ВС и пропорциональна величине удлинения световода.

В результате рассмотрения процессов модуляции фазы мод мне гомодового ВС, вызываемой деформацией изгиба, показано, что нэп приводит к возникновению дополнительной разности фаз между coöci венными волнами световода. При этом величина дополнительной разности фаз изжду модами может быть оценена по максимуму в виде:

7 д^и.б^п^д-з^А), (2)

где Л - угол изгиба световода; ZKfl = 2w.Tä.i tc /?) - критическая дайна световода при изгибах;' 1С - диаметр сердоевинн ВС; Z -длина изогнутого участка оптического волокна; функция S(CC)onpe деляется следугтп'«' пЛг>

Из выражения (2) видно, что максимальное значение дополнительно разности фаз медду модами возрастает при увеличении радиуса сер цевины ВС и, соответственно, при расширении модоього спектра С1 товода и оказывается пропорциональным углу изгиба оптического I локна. При етом, если длина изгибаемого участка ВС много больше критической, фазовые изменения мод в результате изгибов малы. I случае когда изгиб распределен на длине меньшей, чем критическая, фазовые изменения оказываются значительными даже при мало! кривизне световода.

Результаты исследований особенностей модуляции фазы мод деформируемого ВС могут быть использованы при разработке однов* локоншх интерферомртркческтс приемников внешних деформационнн: воздействий и позволяют подбирать световода для чувствительных элементов с параметрами, обеспечивающими максимальную чувствч-

(I)

длина волны излучения в световоде;

гельноеть приемников.

В работе также исследован характер преобразований картшш леямодовой интерференции, вызываемых модуляшюН фазы мод. Показ а-ю, что в случае возбуждения в световоде двух мод низшего порядка, интерференционное поле на выходе из ВС представляет два световых пятна, интенсивность которых изменяется в зависимости от величины дополнительной разности фаз между модами, что позволяет проводить обработку интерференционного сигнала при простом диафрагмировании одного из сватовых пятен, В случае возбуадения в ВС широкого спек.-ра собственных волн, вследствие того, что на выходе нз ВС происходит наложение световых потоков, возбуждаемых всеми модами, а их перекрестная интерференция, результирующая картина интерференции оказывается слоеной. Это но допускает использование методов получения количественных данных янторфоромотрическлх измерений, развитых для неодноволоконных систем. В результате возникает необходимость разработки специальных катодов обработки картины мегмодовой интерференции, позволяющей прообразовать модуляцию картины в удобную для измерений величину.

Случайно-неоднородный характер картины можмодовой интерференции обуславливает статистический подход к вопросу о свойствах интерференционной структуры, формирующейся на выходе из мно-гомодового 1С. В настоящей работе рассмотрено статистическое распределение ансамбля волновых фронтов с макроскопическими сзойс-твани, определяемыми характеристика?™ световода, но различающиеся в микроскопических деталях, вследствие произвольных деформаций последнего. Изучение этого распределения оказывается необходимым для выяснения оптимальных условий приема спгналоз о внешних воздействиях. Кроме того, как выбор, так я параметры систем обработки сложного сигнала мегмодовой интерференция во многом опроделялтся характером распределения интенсивности света в этом сигнале. Поскольку параметры статистического распределения интенсивности света в картине меямодовой интерференции, формирующейся на выходе из многомодового волоконного световода, недостаточно изучены, их исследование является актуальной задачей.

3 работе проведено исследование плотности распределения интенсивности света в картине мегмодовой интерференции, формирующейся на выходе из многомодового волоконного световода. Показано, что плотность распределения в любой точке интерференционной картины описывается выражением:

. *ФЦ (¿у? ), ' (3)

где J- /I ,1- янтенсивность_света в произвольной точке картины излучения на виходепиз ВС; Г - средняя интенсивность свата в этой точке; У II XI iXij-l - средняя степень когерентности мод световода; ' ' у^:- степень когерентности I и ^ мод, 11 - число мод ВС; Фи(х)- функция распределения нормированной случайной,, величины, определяемая выражением: cPu(x) = J&~U dll. Из соотношения (3) видно, что плотность распределения интенсивности света определяется средней степенью когерентности мод на-выходе из ВС. Показано, что в случае, когда

, интенсивность света в спекловой картине подчиняется экспоненциальному распределению. При атом, вызываемые деформацией изменения флуктуации интенсивности света в интерференционном сигнале на выходе из ВС максимальны, а условия приема сигналов о деформационных воздействиях на световод - наиболее оптимальны. В случае f= 0 » интенсивность, света в любой точке картшш вв-лучэшя из многоходового световода принимает свое среднее значение и не изменяется в результата деформации световода, что исключает прием сигналов о внешних деформационных воздействиях.

В качестве количественного параметра, характеризующего- величину флуктуации интенсивности света в-каждой точка картины ез-лучеяия световода при его дэ^ормащшх рассмотрен контраст, оира-деляешй как отношение средаокиадратического откдононпя ннтононв-но ста в каждой точке картины к среднему значении. Показано, что контраст одинаков для любой точки картины мегмодовой интерференции, ке зависит от интенсивности интерферирующих пучков, определяется средней степенью когерентности собственных волн на выходе из ВС и ыояэт быть рассчитан в виде:

■ . (4)

В работе получено выражение, ошгсшавщее величину сродней сто-пекн когерентное¿л мод и, соответственно, величину контраста в зависимости от параметров используемого световода и лазера, при работе последнего в режиме генерации Н продольных мод:

^ = i If I ЭД Icbdifrr (б.

где а= -ЗО^-Мк; Ь- длина ВС; Ь - длина резонатора лазера.

На основании выражений (4) и (5) показано, что при построении одноволокогашх межмодовых интерферометров, с целью обеспечения макет,ильного контраста распределения интенсивности излучения, могут бить рекомендованы высококогерентные маломодовые лазеры. При этом использование световодов с низкой дисперсией обеспечивает более высокий контраст распределения интенсивности света в межмодовой интерференционной картине по сравнению со случаем использования ВС, направляющего широкий спектр мод. Вместе с том, ограничение модового состава световода уменьшав? чувствительность одноволоконного интерферометра. Поэтов, исходя из конкретных требований к результатам измерений, для построения одноволокон-1шх приемников внесших воздействий следует выбирать оптимальные ВС, дисперсионные свойства и модовый спектр которых обеспечивают максимальный контраст распределения интенсивности света в карти-ио межмодовой интерференции при заданной чувствительности интерферометра.

В работе продставлены методика п результаты экспериментальных исследований статистически?: свойств излучения, прошедшего мнегомодовыо волоконные светозоды. Показано, что полученные теоретические выводы находятся з хорошем соответствии с результатами экспериментальных исследований.

Использование многомодовнх ВС в приемниках параметров физических полей сопряжено с рядом трудностей обработки сложной интерференционной картины на выходе из волокна. В настоящее время развиты корреляционные способы обработки слоаных флуктуацион-ннх сигналов, которым, в частности, является сигнал можмодовой интерференции. Разработка приемников динамических воздействий требует работа устройств обработки в реальном масштабе времени. В связи с этим валяое значение имеет исследование различных способов корреляционной пространственной фильтрации излучения из шгогомодовнх ВС.

В работе исследованы фильтрующие свойства фильтра корреляции Ш1геисивносгей^КИ).Фильтр записывается в отсутствие воздействий на фотопластинке дальним полем излучения световода. Деформационные возмущения световода приводят к изменению интерференционной картины на выходе из ВС и к рассогласованию с записанный на плаотшшГ негативным изображением. В результата мощность проведшего фильтрацию излучения возрастает. В "работе показано, что мощность отфильтрованного излучения мояег быть рассчитана в вида:

Р^йт-уЭдРсг.о, (6)

где АР(Т,С.) = Сг(^-Рг.)- амплитт.изменашш мощности светового сигнала на выходе ФКИ; = /Т(х)Р, (-|-)с1х(

Ре- мощность "излучения, проецируемого на ФКИ; коэффициент корреляции интенсивностей интерференцион-

ных сигналов на выходе из деформированного и неде-формированного световодов; Т(х) - зависимость "пропускание - экспозиция" используемой фотопластинки; сс = /е4 - относительная экспозиция ; Е -величина экспозиции; Е^ - уровень экспозиции, при котором пропускание фотопластинки уменьшается в в раз; Ъ0~Ео5>/Р0; Б - площадь апертуры фильтра; ~—Ь/Ь0 \ "6- время экспозиции.

Из выражения (6) видно, что мощность излучения ВО, прошедшего обработку с помощью ФКИ, содержит постоянную компоненту и порайонную, несущую информации о деформационных воздействиях. Величина переменной компоненты пропорциональна коэффициенту корреляции интерференционных сигналов на выходе из недеформирован-ного к деформированного световода. Установлено, что коэффициент корреляции определяется максимальным значением дополнительной разности фаз мезду модами, возникающей вследствие деформации световода, и может быть рассчитан в виде:

Теоретически и экспериментально показано, что чувствительность ФКИ к изменениям фазы мод дает возможность количественных измерений степени деформации световода, в частности - угла изгиба я величины аксиального растяжения ВС. При этом выводы об относительно количественной связи фазовых изменений мод с величиной деформации световода находят экспериментальное подтверждение. Теоретически и экспериментально исследована зависимость мощности излучения, прошедшего обработку ФКИ,от вида характеристической кривой фотоматериала и времена экспозиции фотопластинки на стадии записи ФХП к от контраста распределения интенсивности света в картине межмодовой интерференции на выходе из ВС. Показано, что при максимальном контрасте, равном единице, и при подборе оптимального времени экспозиции фотопластинки могло добиться наибольшей амплитуды изменения мощности оптического сигнала на выходе фильтра при деформации ВС. Установлено, что динамический диапазон изменения мощности, который удается достигнуть при оптимальном времена записи ФКИ, при использовании фотопластинок типа ВР - Л составляет 7 дБ. Экспериментально исследовано влияние сдвигов ФШ па процессы обработки интерференционного поля на

выходе из ВС. Показано, что смещение фильтра относительно торца световода приводит к дополнительному не связанному с деформацией ВС рассогласовании записанного на фильтре изображения и оптического сигнала иа выходе световода. При этом размер области корре-.ляцпи оказывается равным среднему размеру спекла в дальней зоне излучения из ВС.

В работа проведено теоретическое и экспериментальное исследование записи и восстановления голограмм'Френеля излучением, прошедшим многомодовые волоконные световоды. Показано, что качество голограмм зависит ог модового состава ВС, используемого в качестве источника опорной волны. При этом информационная структура восстанавливаемого изображения оказывается тем ближе к исходной, а уровень шумового фона изображения тем меньше, чем более широким будет подовый спектр выбранного световода. Установлено, что продольные и поперечные сдвиги голограммы относительно торца ВС приводят к ухудшению качества реконструируемого на голограмме изображения - уменьшение разрешения деталей изображения и снижении контраста. Показано, что ухудшение качества изображения вызвано некогерентным сложением изображений, восстанавливаемых с микроголограмм, сформированных в пределах апертуры голограмм Френеля, вследствие спенловой природы опорного пучка. Установлено, что предельный сдвиг, при котором структура восстанавливаемого изображения разрушается полностью, определяется размерами спекла в дальней зоне излучения из ВС, так что предельный сдвиг будет тем меньше, чем меньше размер спекла и, соответственно, чем большим оказывается диаметр используемого ВС. Чувствительность реконструируемого изображения к продольным сдвигам голограмм оказывается меньшей, чем к поперечному, так что предельный продольный сдвиг, обуславливающий разрушение структуры изображения, оказывается в I / НА раз меньшим, чем предельное поперечное смещение. Установлено, что голограммы Френеля обладают высокой селективностью не только к изменениям восстанавливающего излучения, обусловленными сдвигом голограммы относительно торца ВС, но и к изменениям реконструирующего поля, обусловленным деформацией световода.

Теоретически и экспериментально исследованы особенности обработки сигнала мегмодовой интерференции с использованием корреляционного голографического фильтра (КГфГна основа- голограмш ФренеляЛокйг заяо, что мощность отфильтрованного такого рода устройством излучения, так же как и в случае с ФКИ, содержит постоянную компоненту и переменную, несущую информацию о величине деформация ЕС. Велгчняа

переменной компоненты оказывается пропорциональной коэффициенту корреляции сигнала из кедефорадированного

и деформированного световода. Адшлитуда переменной составляющей мощности дифрагировавшего излучения зависит от контраста распределения интенсивности света в картине межмодовой интерференции н& выходе из ВС и максимальна , когда контраст равен единице. Динамический диапазон изменения мощности дифрагировавшего излучения ограничивается величиной постоянной составляющей и не превышает 6 дБ. Показано, что использование КГ& в отличие от 1>КИ, позволяет резко уменьшить уровень постоянной составляющей в результате ограничения пространственного спектра восстанавливаемого на голограмме пучка при дополнительной фильтрации осевых Фурье-компонент восстанавливаемого излучения. Это позволяет существенно повысить динамический диапазон измерения корреляционного сигнала.

Для того, чтобы продемонстрировать возможность практического применения подученных результатов, в настоящей работе решается задача разработки принципов построения и реальных конструкций различных одноволоконных приемников параметров физических полей»

В работе описана конструкция макета одноволоконного интьр-ферометричеокого приемника сейсмоакустических сигналов. Показано, что параметры макета составляют: чувствительность к измерению величины деформации - 3 ыкВ/мкм, пороговая чувствительность - 0,01 мкм, динамический диапазон измерений - 25 дБ.

Проведено изучение возможности построения одноволоконного интерферометрического приемника годроакустического давления с линейной амплитудно-частотной характеристикой. Показано, что линейная АЧХ может быть обеспечена подбором конструктивных особенностей несущего каркаса чувствительного элемента датчика. Разработан метод расчета конструктивных параметров каркаса ЧЭ гидрофона. В соответствии с результатами расчета разработан и изготовлен макет одноволоконного гидрофона. Экспериментально установлено, что разработанный шкет гидрофона имеет линейный участок амплитудно-частотной характеристики в диапазона частот от 9 до 25 кГц. Достигнуты следующие параметры устройства: неравномерность частотной характеристики на линейном участке -3 дБ, завал на границах диапазона - 20 дБ на октаву, чувствительность - 210 дБ/т ыкП&, пороговая -чувствктольность -90 д£/1

1-Х

Основные результата работы.

1. Впервые проведено исследование модуляции фазы мод, вызываемой изгибами и аксиальными деформациями многоходового волоконного овотовода. Получены выражения, позволяющие рассчитать максимальное значение дополнительной разности фаз между модами на деформируемом участке волоконного световода. Показано, что максимальное значение дополнительной разности фаз возрастает при расширении кодового состава световода. Установлено, что возникающий при поперечных деформациях изгиб оказывает большее влияние на фазовые изменения мод, чем аксиальная деформация, если длина изгибаемого участка меньше критической.

2. Впервые теоретически и экспериментально исследованы такие статистические свойства излучения, прошедшего миогомодовне волоконные световоды, как плотность и контраст распределения интенсивности. Установлено, что плотность распределения так ко, как и контраст, определяются дисперсионными свойствами световода и когерентными - источника излучения.

3. Впервые предложен и экспериментально и теоретически ис-. следован метод оптоэлектронной обработки сигналов деформационных

воздействий на многоходовые Болоконные световоды с еспользованием фильтра корреляции интенсивкостей. Показано, что мощность прошедшего фильтрацию излучения линейно зависит от коэффициента корреляции интерференционных сигналов на выходе из недеформирован-ного и деформированного световодов. Получено и экспериментально проверено соотношение, описывающее зависимость коэффициента корреляции от максимального значения дополнительной разности фаз между модами. Показано, что при оптимальном времени записи фильтра динамический диапазон измерений величины деформации в статистическом режиме модет достигать 7 дБ.

4. Впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование свойств голограмм Френеля, записываемых излучением из многомодового волоконного световода. Установлено, что такие голограммы обладают высокой селективностью к изменениям реконструируемого поля, обусловленным продольными и поперечными сдвигами голограммы, а такло деформацией световода. Это обусловлено нарушением результата конструктивной интерференции при формировании изображений.

.5. Впервые предложен и экспериментально и теоретически исследован метод корреляционной обработки сигналов деформационных воздействий на шгогомодовые волоконные световоды с использованием голограмм Френеля» Установлено, что мощность прошедшего фильтрацию излучения линейно зависит от коэффициента корреляции сигналов 'из деформированного и недеформированного световодов. Показано, что при проведении дополнительной фильтрации осевых Фурье -компонент восстанавливаемого сигнала можно повысить динамический диапазон измерений от 6 до 30

б. На основании проведенных исследований разработан и изготовлен макет сейсмоакустического деформометра. Показано, что чувствительность устройства составляет 3 мкВ/икы, пороговая чувствительность - 0,01 мкм, динамический диапазон измерений - 25 дБ.

Предложен метод расчета и реальная конструкция приемника гидроакустических сигналов с линейной амплитудно-частотной характеристикой. Показалочто параметры устройства составляют: диапазон линейности частотной характеристики - 9 * 25 кГц; неравномерность частотной характеристики - 3 дБ; чувствительность -210 дБ//1В/мкПа; пороговая чувствительность 90 дБ//1 мкПа.

Основные пезудътатн диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Датчик СНЧ колебаний на волоконном световоде. - Тезисы И Всесоюзной конференции "Приеи и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения". Воронеж, 1987, с. 99.

2. Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. , Обух В.Ф. Деформометр с протяженной базой на основе маломодового волоконного световода.-Дэа. в ВИНИТИ, 1989, № 974 - В 89.

3. Витрик О.Б., Кульчин D.H., Обух В.Ф., Петров Ю.С. Исследование возможности создания одноволоконного оптического датчика гидроакустического давления с линейной амплитудно-частотной характеристикой. - Тезисы Всесоюзной конференции "Оптико-электрон-ныэ измерительные устройства и. системы". Томск, 1989, с. 89-90.

4. Ватрик О.Б., Кульчин Ю.Н., . Обух В.Ф. Исследование статистическая свойств излучения на выходе из многоходового волоконного световода. - Тезисы Всесоюзной конференции "Оптико-электронные измерительные устройства к системы". Томск, 1989. с. 91-92.

5. Беловолов М.И., Витрик О.Б., Дианов Е.М., Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф. Модуляция фазы и поляризации мод з маломодовом волоконном световоде.// Квантовая электроника, 1989, 16, II,

с. 2301-2304.

6. Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н., Ларкин А.И. Голографическая согласованная фильтрация сигналов в интерференционных датчиках на многомодовых волоконных световодах.//Кванто-вая электроника, 1990, 17, й I, с„ 95-98„

7. Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. Обработка сигналов волоконно-оптических датчиков.корреляционным способом. -Диагностические применения лазеров и волоконной оптики. - Межвузовский сборник. Саратов, 1989, с. 95-97.

8. Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н., Обух ВоФ. Исследование фильтра корреляций янтенсивностей в схема обработки сигналов одноволо-конного интерферометра. Деп. в ВИНИТИ, 1990, № 1566 - В90„

9. Быковский Ю.А,, Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. Запись голограмм Френеля излучением прошедший многомодовыэ волоконные световода // Оптика и спектроскопия, 1990, 68, $ 5,с»1160-1164.