Применение волоконно-оптического интерферометра со слабокогерентным источником излучения для измерения пространственных распределений физических величин тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

г7 »кг &

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ШИПШГИН Александр Викторович

ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА СО СЛАБОКОГЕРЕНТНЫМ ИСТОЧНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики.

Научный руководитель: доктор физико-матемэтических наук, 'профессор Жилинский А.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Галкин С.Л. .

• кандидат физико-математических ■ науч,доцент Котов О.И.

Ведущая-организация: Институт радиотехники и электроники Российской академии наук

. Защита состоится «25} алрелА . 1 ээ> г. в часов на заседании специализированного совета К 063.38.11 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по -адресу, 195251 ,р.Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, корпус Л^ ,аудитория

С. диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбРГУ. ' ■ -'

Автореферат разослан

Ученый секретарь' ■ ■ .

.специализированного сове та ■ , • ' . - Загрядский С. в,.

ОБЩАЯ-ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Решение многих задач физического эксперимента, контроля технологических процессов в производстве, состояния зданий, сооружений, природных объектов и т.д. требует измерения пространственных распределений различных физических величин. При использовании традиционных методов такие измерения проводят с использованием большого числа точечных датчиков и блока сбора и обработай информации с применением тех или иных методов коммутации. В то же время использование волоконно-оптических распределенных датчиков, в которых волоконный световод (ВС) является одновременно протяженным чувствительным элементом,и линией связи представляет уникальную возможность измерять распределение одной или нескольких 'физических величин с помощью одного ВС.При большом, числе точек измерения это представляется намного более эффективным, чем применение большого количества отдельных датчиков. Последнее обстоятельство послужило стимулом для начала настоящих • исследований, по изучению эффективности использования ВС для создания распределенных датчиков. Такого рода исследования и разработки датчиков на их основе проводятся также целым рядом научных лабораторий. Предложены различные методы разделения сигналов от разных точек ВС, в ' том числе временные, частотные, когерентные. ' ■

Анализ полученных при этих исследованиях данных показывает, что перспективным представляется использование интер-ферометрической схемы, осуществляющей когерентное разделение сигналов в сочетании с измерением межмодовой связи в ВС при внешнем воздействии- на него. .

• Целью настоящей работы является комплексное исследование возможностей такого интерферометра для реализации распределенных датчиков физических величин при использовании, различных светьводов.

Научная новизна работы состоит в том, ' что . впервые; - изучена зависимость- сигнала интерферометра со слабокогерентным источником Излучения и связью поляризационных мод от. поперечной силы в широком диапазоне ее изменения, а также . ' ' 3

при периодическом по длина воздействии и при изгибе ВС, как методами моделирования на с^М, так и экспериментально;

- теоретически и экспериментально исследовано разрешение по длине при измерениях рассматриваемым интерферометром со световодами различных типов с учетом влияния дисперсии групповой скорости и предложены методы оптимизации разрешения;

- исследована возможность применения в схеме интерферометра изотропных двухмодовых световодов;

- определены физические принципы квазираспределенного измерения температуры , электрического напряжения и тока, силы натяжения с помощью рассматриваемого интерферометра и проведены демонстрационные эксперименты;

- получены оценки шумовых характеристик и предельных возможностей интерферометра;

- разработаны методы компьютерной регистрации и обработки сигналов.

Практическая ценность работы состоит в возможности непосредственной применимости ее результатов для разработки многофункциональных распределенных и квазираспределенных датчиков физических величин на основе волоконных световодов. Основные положения,выносимые на защиту:

1. С помощью интерферометра со слабокогерентным источником излучения и с использованием связи поляризационных мод в двулучепреломляющем ВС возможно однозначное измерение силы в случае , если известно ее распределение по длине и при условии слабой межмодовой связи, причем наибольшая чувствительность достигается при периодическом распределении силы , когда каждый отдельный возмущенный участок имеет длину менее половины длины межмодовых биений Ъь, а период кратен 1Ь. Если сила произвольным образом распределена по

длине, большей 1Ь, однозначное измерение невозможно из-за периодичности зависимости интерференционного сигнала от длины возмущения , возможно только использование интерферометра в качестве сигнального устройства с определением места воздействия. При некоторых специальных распределениях силы , когда она спадает на расстояниях, значительно превышающих 1ь , сигнал определяется удельной силой на единицу длины ВС.

2. Разрешение по длине определяется отношением времени когерентности источника излучения к межмодовой дисперсии ВС и ухудшается с ростом расстояния вдоль ВС до точки

///

измерения, если не выбран специальным образом ВС или материал оптической линии задержки, чтобы свести к нулю расплыва-ние корреляционной функции излучения.

3. Динамический диапазон , быстродействие и число точек измерения ограничены в основном когерентным шумом, возникающим за счет связи мод на случайных неоднородности! или в точках измерения и суммарными потерями полезной оптической мощности в точках измерения.

4. С помощью рассматриваемого интерферометра возможно квазираспределенное измерение ряда физических величин, в том числе температуры , электрических тока и напряжения, продольных деформаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 1 и 2 Всесоюзных и 3 и 4 Международных конференциях "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь , 1990 , 1991, 1992 и 1993 гг.); 1, 2 и 3 Меадународных конференциях по волоконной оптике в России 13Р0С (Ленинград , 1991 г., Санкт-Петербург, 1992 и 1993 гг.);

на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1990-1994 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав , четырех приложений и списка литературы, содержит 142 страницы основного текста, 68 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 82 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, сформулирована цель работы, определены научная новизна и практическая ценность результатов, изложены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и кратко изложено ее содержание.

В первой главе на основе обзора литературных источников проведен анализ современного состояния исследований по созда-

•5

нию распределенных датчиков для измерения различных физических величин.рассмотрены различные методы разделения сигналов. Особо отмечена перспективность применения интерферометра со слабокогерентным источником излучения и использованием меж-модовой связи в ВС для распределенных измерений. Сформулированы актуальные направления исследований физических принципов измерения и разделения сигналов в таком интерферометре.

Во второй главе приводится теоретический анализ принципов применения рассматриваемого интерферометра.

В §2.1 на основе решения системы уравнений связанных мод получены выражения для интерференционного сигнала как функции внешнего воздействия на ВС. Рассматриваемая схема интерферометра построена следующим образом.Излучение слабокогерентного источника излучения делится на два пучка приблизительно равной интенсивности. Один из них задерживается сканирующей оптической линией задержки (ОЛЗ) и вводится в "быструю" моду ВС, другой вводится непосредственно в "медленную" моду. На выходе ВС фотоприемник регистрирует излучение из одной моды. В некоторой точке ВС из-за внешнего воздействия часть излучения переходит из одной моды в другую, то есть имеет место межмодовая связь. Если ОЛЗ компенсирует разность времен распространения излучения в двух модах ВС до этой точки, прошедшие по двум разным путям волны когерентны между собой, и возникает интерференционный сигнал, который можно выделить, например, применяя частотный сдвиг в одном из пучков. Сканируя ОЛЗ, можно тагам образом опрашивать весь ВС.

При равномерном распределении силы по длине ВС и слабой связи мод (п.2.1.1) уравнения решались аналитически, сигнал пропорционален коэффициенту:

А0В0\1(т:)\(соэ(2ж)1/Ъь) - 1), (1)

где I -длина межмодовых биений, й- длина участка возмущения,

о

Н12 ~ перекрестный коэффициент межмодовой связи, определяемый воздействием на ВС, А0 и В0 - амплитуды поля на входе мод 1 и 2 соответственно, ру?т.)|- комплексная степень когерентности, зависящая от разности задержек 1 = бг/и0 - г(1/и2 - 1/и, 01 - задержка ОЛЗ, и0, и,, и2- групповые скорости в материале ОЛЗ, в моде 1 и моде 2, г - координата вдоль ВС. В случае действия поперечной силы на двулучепреломляющий ВС:

4FCL.

S1 * кКГ A0B0aln(2Q)\Ki)\(co3(2%cl/Lb) -1), (2)

F - сила на единицу длины ВС, С - упругооптический коэффициент, R -радиус ВС, 6 - угол между направлением действия силы и осью анизотропии ВС. Сигнал, таким образом , периодически меняется с ростом d, достигая максимума при d = (2п+1)* * Ьь и обращаясь в ноль при d = nLb.

Показано, что если зафиксирована интегральная сила, то максимум сигнала достигается при d. = 0,37Lfc.

Показано, что при d/Lb = const чувстяите .юсть к интегральной силе не зависит от Ъь . При распределенном по длине, значительно превышающей Lb , возмущении максимальная возможная чувствительность тем выше, чем больше Lb.

При сильной связи мод и равномерном распределении силы (п.2.1.2) аналитические выражения для сигнала, полученные на основе решения уравнений связанных мод, анализировались численно на примере выбранного двулучепреломлявдего ВС ( I. = 5,6 мм , Ь =61 мкм). Отмечено, что зависимость

О

Sf(F) линейна на начальном участке, определяемом условием F « ^%lD/2CLb , затем происходит периодическое изменение с ростом F , первый максимум достигается при 2500 Н на 2 мм длины ВС.

При неравномерном распределении силы по длине ВС и слабой связи мод (п.2.1.3)система уравнений'решалась методом последовательных приближений. Рассмотрены линейно возрастающая по длине сила, затем падающая до нуля в некоторой точке; сила, возникающая в некоторой точке ВС и медленно убывающая по линейному и экспоненциальному законам; сила, линейно возрастающая по длине, затем линейно убывающая. Показано, что при симметричных распределениях силы и при таких распределениях, что нарастание происходит медленнее, чем спад, зависимость от длины возмущенного участка периодична, и сигнал при некоторых значениях длины падает до нуля. В случае, если спад силы по длине происходит медленнее, чем нарастание, сигнал может не достигать нуля ни при какой длине возмущения, а в пределе большой длины, например, для линейно и экспоненциально спадающих сил, сигнал не зависит от длины участка возмещения.

Для исследования случая сильной связи мод при неравномерном распределении силы по длине участок возмущения раз-

бивался на ряд малых интервалов, внутри которого сила считалась постоянной. Решения системы уравнений связанных мод, полученные для каждого интервала аналогично п.2.1.2,сшивались на их границах. Таким образом исследованы те же распределения силы, что и для слабой связи мод. В случае симметричных и нарастающих распределений силы зависимость сигнала от силы носит периодический характер. Для спадающей по длине силы сигнал ни при каком значении силы не обращается в ноль. Если спад экспоненциален, при большой силе сигнал практически не зависит от нее. Таким образом, специально создаваемые спадающие распределения силы по длине могут быть использованы для гарантированной регистрации воздействия на ВС, а при слабой связи и для его измерения.

Периодическое по длине воздействие исследовалось в случае слабой связи мод методом последовательных приближений. Период воздействия Тг считался при этом равным длине межмодовых биений. Для произвольного периода Т г система уравнений связанных мод решалась отдельно на N участках длиной <3 < £ь/2 , на каждом из участков сила считалась равномерно распределенной по длине, между ними - равной нулю. Решения сшивались на границах участков. Показано , что при Гг « Ъъ сигнал интерференции монотонно возрастает с ростом общей длины возмущения, причем резонансный пик по Т2тем уже, чем больше число возмущенных участков N . Сигнал при периодическом воздействии возрастает в N раз по сравнению с воздействием той же удельной силы на одиночном участке.

В п.2.1.4 проанализирована зависимость интерференционного сигнала от радиуса изгиба двулучепреломляющего ВС. Показано, что при выполнении условия слабой связи мод сигнал пропорционален величине Ъ^/Д2 , где Ь - внешний радиус ВС, а Я - радиус изгиба. Условие слабой связи

принимает вид й » , где Е - модуль Юнга материала

ВС. Для реальных ВС, например типа ПАНДА, имеем й » 1 мм.

В §2.2 определено разрешение по длине ВС.Корреляционная функция (КФ) излучения расширяется при увеличении расстояния до точки возмущения из-за зависимости разности групповых скоростей , а следовательно , межмодовой дисперсии гр от длины волны. Для вывода выражения, связывающего ширину КФ с координатой г, применен метод медленно меняющихся амплитуд во втором приближении теории дисперсии. В качестве исходной

8

автокорреляционной функции выбрана гауссовская с временем когерентности гк .Решение укороченного уравнения показывает, что КФ на выходе также имеет гауссовскнй вид с временем когерентности:

X А , Г 12Г 31 * _ г ^ 6й к ^к^П^о^ 2 & ) > О)

л

п0 - показатель преломления материала ОЛЗ. Пространственное, разрешение Аг,определяемое из условия 17(2+Д2/2) |/17(г) | =1 /?,, равно:

Дг = 1,66 • (4)

р

Выражение (4) показывает ,что Дг минимально и равно

1.бб^бк/гк при = 0 в случае воздушной оптической линии

задержки. Если это не выполняется, можно подобрать материал линии задержки таким образом,чтобы выражение в скобке в (3) было равно 0. Физически это означает , что участки спектра источника, задержанные в одной из мод ВС, ускоряются в материале ОЛЗ , а ускоренные, наоборот, замедляются. В результате уширение КФ компенсируется.

При характерных для полупроводниковых многомодовых лазеров временах когерентности от 0,1 до 2 не и дисперсии поляризационных мод ВС хр =0,2-4 нс/км разрешение составляет от 4 см до 16 м. Ра счет, проведенный при г>/£1\ =0,5 пс/км не и длине ВС до 1000 м,показывает,что Дг существенно (более, чем в два раза на длине 1000 м) увеличивается при тк< 0,4 не.

В §2.3 на основе расчета шумовых характеристик оценены предельные параметры интерферометра. Учтены :

- Дробовой и тепловой шум фотоприемника .

- Когерентный шум, вызванный интерференцией волн , несколько раз перешедших из моды в моду в разных точках измеряемого

возмущения. Его мощность имеет порядок малости н/7Г , где К -коэффициент связи мод по интенсивности. Этот шум может быть уменьшен до нуля соответствующим выбором расстояния между точками измерения.

- Когерентный шум, связанный с межмодовой связью на случайных неоднородностях ВС.

- Некогерентный шум интенсивности, в который преобразуется

фазовый шум источника излучения в сильно неравноплечем ин-

терферометре. Оценены зависимости отношения сигнал/шум от коэффициентов межмодовой связи для применения в качестве фотоприемника фотодиода, лавинного фотодиода и фотоэлектронного умножителя .разного числа точек измерения N. разной оптической мощности в ВС, различных частотных полос фотоприемника. Показано,что наибольшее отношение сигнал/шум достижимо при использовании лавинного фотодиода. Увеличение оптической мощности,сужение полосы пропускания приемника приводят к увеличению отношения сигнал/шум, пока не оказывается доминирующим шум, возникающий за счет межмодовой связи на случайных неоднородностях. Именно им определяется пороговая чувствительность. Оценка минимального регистрируемого /г дает Ю-6, что соответствует , например , для двулучепреломлявдего ВС действию удельной поперечной силы 10 Н\м. Верхняя граница измеряемых И определяется потерями полной мощности из-за 1 интегральной межмодовой связи и,следовательно, уменьшается с ростом общего числа точек измерения N. Оценка динамического диапазона дает около 50 дб при N=100. Максимальная длина чувствительного ВС может достигать 10 км, число точек измерения - более 1000..Оценено быстродействие при различных оптической мощности и количестве точек измерения при условии, что погрешность не'превышает Б %. При 1мВт и 100 точках,например, быстродействие составляет ~ 5 не.

В §2.4 рассматривается возможность квазираспределенного измерения, различных физических величин с помощью рассматриваемого. интерферометра. Для этого могут использоваться преобразователи, содержащие вставку из материала, меняющего свои ■ размеры под действием измеряемой величины (температурное расширение, пьезоэф$ект, магнитострикция, увеличение размеров при впитывании воды). Вставка сдавливает ВС с большей или меньшей силой в зависимости от значения'измеряемой величины. Оценка■ показывает .например, возможность измерения разности' температуры от 0,01'К , электрического напряжения от 0,5.В , электрического тока . -от 3 мкА с помощью'преобразователей.-Применение периодической -структуры может увеличить чувстви-. тельность в 10 100 раз. Для квазираспределенного измерения ряда физических величин (температура, статическое' давление, продольная деформация) предложено использовать . зависимость межмодовой'дисперсии ВС от этих величин. Для этого в двух точках на длине • ВС,разделенных расстоянием 7Г, создается

' • " . " ' 10 /

мекмодовая связь и ip измеряется по разности оптических задержек,соответствующих максимумам сигналов от этих точек. Показано, что , например, температура до 1000 К может измеряться с точностью порядка 1К при 1Т = 10 м.

В главе 3 приводится описание установки и ее отдельных основных элементов, методов экспериментального исследования.

В экспериментальной установке была реализована схема интерферометра, рассмотренная теоретически в главе 2.

В качестве источника излучения использовались полупроводниковые инжекционные многомодовые лазеры (ЮШН-203,205,112) с длиной волны А, = 780 - 880 нм, мощностью 0,5 - 250 мВт , исследования проведены с 11 типами световодов, в том числе 5 изотропными двухмодовыми ,1 изотропным с числом мод более 2 , и 6 одномодовыми двулучепреломляющими (2 с эллиптической сердцевиной , Ъь = 10 мм и 1Ь = 17 мм, 1 с эллиптической напрягающей оболочкой,1Ь=8 мм, 3 типа ПАНДА , Ъь = = 3, 5,6 и 6 мм). Длина исследованных ВС составляла от 2 до 272 м.

Разделение излучения на два пучка со сдвигом оптической частоты в одном из них осуществлялась с помощью акустоопти-ческого модулятора.

0JI3 образована двумя призмами полного внутреннего отражения, одна из которых установлена на столик с прецизионным микрометрическим перемещением. Точность отсчета положения столика составляла 1 мкм, число проходов между призмами 2 или 4 . Воздействие могло осуществляться на любую точку ВС, зависимость от силы измерялась с помощью калиброванного пресса. Для демонстрационных экспериментов по измерению температуры, электрического напряжения и тока применялись преобразователи, сжимающие ВС на участках длиной около половины Lb. Зависимость сигнала инте'рференции от задержки ОЛЗ отображалась с помощью осциллографа-,самописца или ЭВМ. ЭВМ, сопряженная с экспериментальной установкой,позволяла осуществить считывание .обработку и отображение данных с использованием специально разработанного программного обеспечения.

Для измерения зависимости тр от температуры участок ВС длиной 5м помещался в воду заданной температуры, для измерения зависимости т от силы натяжения ВС его участок длиной Р II

до 3 м растягивался с помощью микрометрического столика.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований.

Эксперименты показали, что примененные полупроводниковые лазеры имеют при токе накачки, немного превышающем пороговый , многоничковую автокорреляционную функцию с шириной отдельного пичка 0,15 - 0,5 по, шириной огибающей 5-50 пс, расстоянием между пичками 2 - 5 пс ( §4.1). Так как между пичками при этом степень когерентности падает до нуля, разрешение по длине при измерениях внутри огибающей определяется шириной отдельного пичка, которую и будем считать тк . Измеренные составляют для двулучепреломля-пцих ВО от 0,18 до 0,92 нс/км, для изотропных двухмодовых от 1,6 до 4 нс/км. Пространственное разрешение составило вблизи от входа ВС от 0,25 до 1,3 м для двулучепреломлящих ВС и от 5 до 14 см для двухмодовых ( §4.2).

Проведенные в §4.3 экспериментальные исследования зависимости ширины центрального пичка корреляционной функции от расстояния до точки измерения показали, что для выбранных ВС с эллиптической сердцевиной увеличение ее оказывается существенным. Для одного из них при г=272 м Дг увеличивается более, чем в 2 раза ( с 0,5 до 1,1 м ). Это дает оценку для ^р/йА. »0,45 пс/км-нм. Для ВС типа ПАНДА при г = 120 м увеличения Дг в пределах погрешности эксперимента не отмечено, что дает оценку < 0,2 пс/км'нм.

Экспериментальное исследование зависимости сигнала интерференции от силы, создающей межмодовую связь в двулучепреломлящих ВС различных типов при разных углах между направлением действия силы и осью анизотропии ВС ( § 4.4), показало качественное соответствие с теоретическими представлениями. Начальные участки зависимостей линейны, при больших силах зависимости становятся нелинейными, а затем и немонотонными. Минимальная сила, которую удавалось зафиксировать при й = 0,41ь , составляла 0,2 Н. Первый максимум зависимости (Р) достигался при 5 10 Н. Динамический диапазон, таким образом, превышал е большинстве случаев 30 дБ. Эти результаты согласуются с теоретическими оценками для конкретных условий эксперимента.

Экспериментально измеренная зависимость сигнала от угла 6 хорошо описывается теоретической функцией з!п26 .

Экспериментально исследована зависимость сигнала от периода воздействия, периодического .по длине, при числе участков N=6 и N=8 и длине каждого из них 0,071ь и 0,41&. Показана эффективность применения периодической структуры с периодом, примерно равным длине биений, то есть возрастание сигнала в несколько раз (приблизительно в N раз) по сравнению с воздействием той же удельной силы на одиночном участке. Это подтверждает теоретические оценки.

Показано удовлетворительное соответствие экспериментальной зависимости сигнала интерференции от радиуса изгиба двулучепреломляющего ВС теоретическое закону 1/Д2 при слабой связи мод.

Проведены демонстрационные эксперименты по измерению температуры в диапазоне 0 - 70°С, электрического напряжения в диапазоне 100 - 2500 В, электрического тока в диапазоне О - 20 мА с помощью преобразователей, сжимающих ВС (§ 4.6). Полученные результаты качественно соответствуют теоретическим представлениям.

Измерены зависимости дисперсии поляризационных мод от температуры в диапазоне 0 - 100°С и силы натяжения ВС в диапазоне 0 - 0,8 Н. Для температуры отмечено хорошее совпадение с теорией и возможность измерения с погрешностью порядка / нескольких градусов, причем погрешность может быть уменьшена

пропорционально увеличению длины измерительного участка ВС. При относительном удлинении ВС до 8-10"3 относительное изменение для исследованного ВС типа ПАНДА составляет 0,25 , что может быть использовано для квазираспределенного измерения натяжений и деформаций.

В §4.5 показано, что изотропные двухмодовые ВС могут быть использованы в качестве чувствительного элемента только в случае применения гребенки, создающей при воздействии изгибы ВС с периодом, близким к длине межмодовых биений, то есть 0,3 - 0,6 мм. Сложность их применения связана со случайным характером изменения состояний поляризации интерферирующих волн из-за взаимодействия квазивырозденкых поляризационных мод. Сигнал удавалось получить только при подборе поляризации на входе ВС, а измерить по нему воздействие представлялось затруднительным.

В приложениях 1 и 2 приводятся списки наиболее часто употребляемых сокращений и обозначений , в приложении 3 -

текст программы считывания и обработки сигналов.

В приложении 4., разрабатываются принципы построения дискретной ОЛЗ на основе электрооптических переключателей. Задержка может быть представлена в виде б1=а10+а^211+а^1+ +... +0-^1 , где I - некоторая минимальная задержка, а{=0;1. Следовательно, комбинируя переключения N линий задержки длиной Zll каждая, можно получить 2я значений задержки от О

до (2я - 1 )1. Элементы дискретной ОЛЗ предложено реализовать на основе переключателей поляризации.

Для сглаживания экспериментальных данных, полученных с помощью дискретной ОЛЗ, и интерполяции значений сигнала между точками измерения предложено использовать метод сглаживающих кубических сплайнов. Он был реализован в программе для ЭВМ и проверялся на моделях и на выборочных экспериментальных значениях с различным шагом по 61.Показана возможность восстановления сигнала в промежуточных точках без заметного возрастания погрешности в определении положения и амплитуды максимумов при шаге по 61 , меньшем, чем половина ширины пика автокорреляционной функции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведенные расчеты и экспериментальное исследование зависимости сигнала интерферометра со слабокогерентным источником излучения и связью мод в двулучепреломляющем ВС от поперечной силы- в широких диапазонах ее изменения ( в эксперименте диапазон 0,05 - 15 Н/мм) позволили определить пределы применимости линейного -приближения и общие закономерности в нелинейной области, которые могут использоваться для измерений внешнего воздействия и параметров ВС. Показано теоретически, что для равномерного и большого числа неравномерных распределений силы по длине ВС зависимость сигнала от длины возмущенного участка й носит периодический характер. Характерным масштабом периодичности при этом является длина межмодовых биений. Следовательно, для однозначного измерения силы необходимо знание распределения ее вдоль ВС, что может быть обеспечено применением специ-

14

альных преобразователей. Для распределений силы с постепенным уменьшением ее по длине ВС сигнал не обращается в О ни при какой й, а с ростом <1 стремится к конечному стационарному значению, определяемому удельной силой в начале возмущенного участка и характером спада. Это может использоваться для гарантированной регистрации воздействия. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что в случае равномерного распределения силы отношение длины участка возмущения к длине межмодовых биений <3/Ъъ = 0,37 обеспечивает получение максимального интерференционного сигнала при фиксированной интегральной силе. Экспериментально и с помощью численного моделирования на ЭВМ показана эффективность применения периодического по длине ВС воздействия с периодом, кратным длине межмодовых биений, для преобразования измеряемой силы в межмодовую связь. Чувствительность к силе может быть увеличена при этом в 10 - 100 раз по сравнению в действием той же удельной силы на одиночный участок ВС. Экспериментальное исследование зависимости сиг-' нала от радиуса изгиба двулучепреломляпцего ВС показало удовлетворительное совпадение с теоретическим законом 1/Я2 при слабой связи мод.

2. Выведено выражение для зависимости пространственного разрешения датчика на основе рассматриваемого интерферометра от расстояния вдоль ВС до точки измерения с учетом дисперсии групповой скорости в ВС и материале оптической линии задержки, приводящей к ухудшению разрешения. Показано, что для современных одномодовых двулучепреломляющих световодов при использовании многомодовых полупроводниковых лазеров достижимо разрешение по длине менее 5 см , а при использовании сверхлшинисцентннх диодов менее 5 мм. На основе анализа выражения для пространственного разрешения предложены методы оптимизации разрешения. Для воздушной оптической линии задержки требуется выбор или разработка ВС, у которого при данной длине волны производная межмодовой дисперсии по длине волны близка к нулю. Если это условие не выполняется, возможно подобрать такой материал линии задержки , что за счет дисперсии групповой скорости в нем компенсируется расплывание корреляционной функции излучения.

3. Оценены предельные быстродействие , динамический диапазон , пороговая чувствительность датчика на основе

рассматриваемого интерферометра , предельные число точек измерения н длина чувствительного ВС . При этом кроме электронных шумов фотоприемника учтены специфические когерентные и некогерентные шумы.присущие системам с когерентным разделением сигналов и сужение динамического диапазона измерения при увеличении точек измерения за счет уменьшения полезной оптической мощности. Показано, что пороговая чувствительность определяется в основном распределенной вдоль всего ВС межмодовой связью на случайных неоднород-ностях. Минимальный коэффициент межмодовой связи по интенсивности, который может быть измерен, составляет для современных двулучепреломлящих ВС 1СГб , это соответствует удельной силе 10 Н/м. Оцененный максимальный динамический диапазон измерения составляет около 50дБ. Показано, что максимальная длина чувствительного ВС , при которой возможно измерение с погрешностью 5% , превышает 10 км, а число точек измерения может быть больше 1000. Быстродействие зависит от оптической мощности в ВС 10 и числа точек измерения Я и, например, при 10 = 1 мВт, И = 100 равно 5 не.

4. Выполненные комплексные экспериментальные исследования широкого ряда изотропных маломодовых (5 типов) и одно-модовых двулучепреломлящих (6 типов) волоконных световодов позволили провести сравнительный анализ применимости световодов различных типов в качестве чувствительного элемента интерферометра. Показано, что наилучшими характеристиками из исследованных обладают световоды типа ПАНДА с длиной биений 3-6 мм и поляризационной дисперсией 0,2 - 0,9 нс/км. Для них получены пространственное разрешение 0,25 - 1,3 м (при использовании в качестве источника излучения многомодовых полупроводниковых лазеров), минимальная регистрируемая сила воздействия составила в эксперименте менее 0,2 Н при <3 " 0,4 Ьь, что соответствует теоретической оценке для конкретных условий эксперимента. Оказалось возможным также успешное применение световодов с эллиптической сердцевиной и с эллиптической напрягающей оболочкой. Изотропные двухмо-довые ВС могут быть применены только при использовании специальных преобразователей , создающих серию изгибов с пространственным периодом , равным длине биений (0,3 - 0,6 мм). Для них необходимы специальные методы управления поляризацией излучения для получения максимального сигнала ин-

16

терференции. Все это делает неэффективным их применение. Использовать ВС с числом мод более 2 оказывается невозможным из-за сложности картины интерференционных максимумов.

5. На основе теоретических оценок и демонстрационных экспериментов показана возможность квазираспределенного измерения температуры, электрического тока и напряжения с помощью рассматриваемого интерферометра и преобразователей, создающих межмодовую связь, пропорциональную измеряемой величине. Показана теоретически возможность измерения разности температуры от тысячных долей градуса , электрического напряжения от десятых долей вольта, электрического тока от микроампер. В условиях выполненных экспериментов измерялись температура в диапазоне 0 - 70°С , электрическое напряжение 60 - 2500 В, электрический ток 1 - 20 мА. Получено качественное соответствие демонстрационных экспериментов теории.

6. Исследована зависимость межмодовой дисперсии нескольких типов двулучепреломляющих ВС от температуры в диапазоне 20 - 70°С и от относительного удлинения ВС в диапазоне 0 - 8-10-3. Предложены и продемонстрированы экспериментально метода использования этих зависимостей для квазираспределенного измерения указанных величин. Температура в диапазоне -50 - + 1000°С может быть измерена с погрешностью в доли градуса , относительное удлинение до 4-10"2 ( до разрыва) с погрешностью 10~4. Такие измерения могут выполняться одновременно по крайней мере в нескольких десятках мест, причем погрешность и динамический диапазон не зависят от числа измерительных участков.

7. Предложены и теоретически рассмотрены принципы построения быстродействующей дискретной оптической линии задержки на основе электрооптических переключателей поляризации и набора постоянных линий задержки. Показана теоретическая возможность создания линии задержки с временем опроса одной точки менее 1 мкс . Число точек измерения Я связано с числом переключающих элементов к соотношением N = и следовательно, для опроса 1000 точек потребуется 10 элементов. Разработаны и экспериментально опробованы методы сглаживания и интерполяции сигналов в случае использования дискретной ОЛЗ. Показана возможность восстановления зависимости сигнала от задержки ОЛЗ при шаге отсчета не более 1/3 длины разрешения.

///

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Жилинский А.П. .Наливайко В.П., Русанов Ю.А. , Шипилин A.B. Измерение пространственного распределения деформационных состояний в волоконном световоде // I Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи", Севастополь, 1990, с.11.

2.Жилинский А.П. , Русанов Ю.А. , Шипилин A.B. Измерение меж-модовой дисперсии в волоконном световоде методом компенсации (КВД-метод) // I Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи",Севастополь, 1990, с.12.

3.Наливайко В.П., Русанов Ю.А., Шипилин A.B. Исследование временной когерентности полупроводникового лазера. Депонированные рукописи ВИНИТИ ,1991, ЖЗ .

4.Jlllnsky А.P., Nalivaiko V.P., Rusanov Ju.A. , Shipllln A.V. Distributed optical-fibre sensor of stress based on mode dispersion compensation (MDC) method // 1-st International Soviet Fiber Conference ISFOC'91, Leningrad, 1991, pp.300304.

5.Жилинский А.П. .Наливайко В.П., Русанов Ю.А. , Шипилин A.B. Исследование интерферометрического распределенного волоконно-оптического датчика с компенсацией межмодовой дисперсии. Сборник научных трудов институтов связи. "Оптические системы локации,связи и обработки информации", 153 .Санкт-Петербург, 1991, с.21-28.

6.Жилинский А. П., Русанов Ю.А., Шипилин A.B. Физические принципы построения распределенных волоконно-оптических датчиков // II Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации", Севастополь, 1991, с.8-9.

7.Жилинский А.П., Русанов Ю.А., Френкель Л.А. , Шипилин A.B. Влияние хроматической дисперсии двулучепреломления волоконных световодов на пространственное разрешение распределенного волоконно-оптического датчика // II Всесоюзная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации", Севастополь, 1991, е..

8.Л11пзку А.P., Rusanov Ju.A., Shipllln A.Y. Quasldlstrlbuted fibre optic sensors of temperature based on Interferometer with a broadband light source // 2-nd International Soviet

18

Fiber Optics Conference ISFOC'92, St.Peterburg, 1992, pp. 346-349.

9.ЖИЛИНСКИЙ А.П..Русанов Ю.А..ШИПИЛКН A.B. Измерение распределения температуры с помощью волоконно-оптического датчика с разделением по когерентности // III Международная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации", Севастополь, 1992, с.38-39.

Ю.Жилинский А.П..Захаров А.А.,Русанов Ю.А.,Шипилин А.В. Расчет шумовых характеристик распределенного волоконно-оптического датчика с компенсацией межмодовой дисперсии// III Международная конференция "Физические проблемы оптической связи и обработки информации", Севастополь, 1992, с.40-41.'

11.Jillnsky A.P.,Zakharov A.A.,Rusanov Ju.A.,Shlpllln A.V. Coherence multiplexing optical communication system // 3-th International Soviet Fiber Optica Conference ISFOC'93, St. Peterburg, 1993, pp.4T-50.

12.Jlllnsky A.P.,Rusanov Ju.A.,Shlpllln A.V. . Data processing methods for distributed fibre optic sensors with discrete optical delay line // 3-th International Soviet Fiber Optics Conference ISFOC'93, St.Peterburg, 1993, pp.292-295.

13.Явлинский А.П..Захаров А.А.,Русанов Ю.А.,Шипилин A.B. , Двух-канальная система оптической связи с когерентным мультиплексированием // IV Международная конференция "Физические проблемы оптических измерений , связи и обработки информации", Севастополь, 1Э93, с.80-81.

14.Жилинский А.П.,Русанов Ю.А..Шипилин А.В.. Компьютерная обра-, ботка данных распределенного волоконно-оптического датчика// IV Международная конференция "Физические проблемы оптических измерений, связи и обработки информации" , Севастополь, 1993, с.25-26.

15.Жилинский А.П., Русанов Ю.А., Шипилин А.В.. Квазираспределен-ные измерения электрических напряжений и токов с помощью волоконно-оптического датчика с когерентным разделением сигналов // IV Международная конференция " Физические проблемы оптических измерений, связи и обработки информации", Севастополь, 1993, с.27.

16.Jlllnsky А.P..Rusanov Ju.A..Shlpllln A.V. Dual-mode optical-fibre distributed sensor for the measurement of physical quantities //Modelling, Measurement & Control,A.,ASME Press, .1994,.. Vol^54, No.1, pp.55-63.