Диссертация: Многопараметрические волоконно-оптические измерения на основе спектральной интерферометрии.

Актуальность работы Волоконно-оптические интерферометрические датчики являются предметом активных научных исследований и прикладных разработок [1]. Мотивацией использования таких датчиков является ряд их положительных качеств, отличающих волоконно-оптические датчики от электрических аналогов. В эти качества входят высокая точность измерений, компактные размеры, электромагнитная нейтральность, устойчивость к высоким перепадам температуры, давления и влажности, устойчивость к химической коррозии, биологическая совместимость, электробезопасность. Благодаря этому такие датчики особенно востребованы при построении сенсорных систем в местах с агрессивными условиями среды и с повышенными требованиями к электро-взрывобезопасности и компактности, например, в нефтегазовой промышленности [2], для контроля природных и техногенных объектов [3], в электроэнергетике [4], ядерной энергетике [5], медицине [6] и в других областях [7]. Важным направлением волоконно-оптических интерферометрических сенсорных систем являются многопараметрические системы, позволяющие одновременно проводить измерения нескольких физических воздействий разной природы. Такие системы необходимы как при комплексном контроле ряда физических величин, так и для компенсации паразитных влияний одной физической величины при измерении целевой. Многопараметрические сенсорные системы могут быть построены по разным схемам [8]. Распространены схемы с мультиплексированными волоконными брэгговскими решетками (ВБР), схемы с мультиплексированными волоконными интерферометрами Фабри-Перо (ВИФП). Менее изученными являются схемы с межмодовым волоконным интерферометром с одномодовым подключением (МВИОП). Такой интерферометр представляет собой последовательно соединенные одномодовый (ОМ) световод, многомодовый (ММ) световод (или многомодовую секцию) и одномодовый световод. В англоязычной литературе такие структуры называют SMSструктурами, от англ. singlemode-multimode-singlemode [9]. Как правило, опрос волоконно-оптических интерферометров (ВОИ) для целей многопараметрических измерений производится методом спектральной интерферометрии путем регистрации зависимости интенсивности прошедшего через интерферометры света от длины волны, которую, после нормировки, называют спектральной передаточной функцией (СПФ) интерферометров [10]. Данный подход позволяет достичь высоких точностей измерений, большого динамического диапазона измерений, а также предоставляет возможность проведения абсолютных измерений. Демодуляция СПФ интерферометров производится стандартными методами цифровой обработки сигнала. Для целей многопараметрических измерений зачастую применяются подходы, основанные на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ) зарегистрированных СПФ. Непосредственно регистрация СПФ интерферометров производится при помощи специальной опросной аппаратуры, которая может включать в себя перестраиваемые лазеры, широкополосные источники света, узкополосные перестраиваемые фильтры, фотоприемники, спектрометры. Как правило, опросная аппаратура имеет достаточно высокую стоимость. Однако прогресс в области электроники и широкая популярность портативных устройств привели к развитию новых волоконно-оптических сенсорных систем, в которых опрос датчиков производится при помощи спектрометров на основе цифровых камер смартфонов [11]. Несмотря на достаточно большое количество исследований, посвященных многопараметрическим волоконно-оптическим сенсорным системам, открытым остается ряд вопросов, касающихся как теоретического описания таких систем и способов обработки сигналов, так и рассмотрения стабильности работы опросных устройств. В частности, недостаточно освещены теоретические аспекты МВИОП для случая одновременного измерения нескольких физических величин различной природы, например, растяжения, температуры и изгиба (РТИ). Не уделено должного внимания анализу методических погрешностей многопараметрических измерений при демодуляции СПФ интерферометров. Не проанализирована стабильность работы новых систем опроса ВОИ, включающих в себя спектрометры на основе цифровой камеры смартфона.
В связи с вышеизложенным, являются актуальными: разработка аналитического аппарата, описывающего спектральные передаточные функции МВИОП при одновременном измерении физических воздействий разной природы; анализ применения дискретного преобразования Фурье для многопараметрических измерений волоконно-оптическими интерферометрами; анализ методических погрешностей многопараметрических измерений и разработка методов их снижения; анализ стабильности работы систем опроса волоконно-оптических интерферометров, включающих в себя спектрометр на основе цифровой камеры смартфона и поиск путей ее повышения.
Цель работы: улучшение измерительных возможностей многопараметрических волоконно-оптических интерферометрических сенсорных систем со спектральным опросом в плане их аналитического описания, снижения погрешностей и повышения стабильности.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие основные задачи: 1) Разработать физико-математические модели спектральных передаточных функций МВИОП с параболической и ступенчатой многомодовыми секциями при одновременном изменении значений растяжения, температуры и изгиба секций. На основе разработанной модели рассмотреть возможность осуществления одновременных измерений растяжения, температуры и изгиба при помощи МВИОП с параболической и ступенчатой многомодовыми секциями. 2) Рассмотреть обработку спектральных передаточных функций МВИОП при помощи дискретного преобразования Фурье для измерения растяжения, температуры и изгиба с получением стабильных и линейных откликов на воздействия. 3) Проанализировать методическую погрешность многопараметрических измерений при помощи волоконно-оптических интерферометров и обработки их сигналов посредством дискретного преобразования Фурье и разработать способ ее подавления без существенного увеличения случайной погрешности. 4) Рассмотреть особенности опроса волоконно-оптических интерферометров при помощи спектрометра на основе цифровой камеры смартфона и проанализировать стабильность шкалы длин волн такого спектрометра во время проведения измерений. 5) Разработать метод калибровки шкалы длин волн спектрометра на основе цифровой RGB-камеры, позволяющий компенсировать дрейф шкалы длин волн спектрометра при одновременном опросе волоконно-оптических интерферометров без необходимости установки дополнительных калибровочных устройств в оптический канал спектрометра.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые: 1) Получены теоретические выражения для приращений разностей постоянных распространения мод в параболическом и ступенчатом многомодовых световодах при изменении растяжения, температуры и изгиба в приближении слабонаправляющего световода, удобные для анализа многопараметрических измерений. На основе полученных выражений сделаны выводы о возможности проведения одновременных измерений данных воздействий посредством межмодовых волоконных интерферометров с одномодовым подключением. 2) Апробирована обработка спектральных передаточных функций МВИОП со ступенчатой многомодовой секцией при помощи дискретного преобразования Фурье для проведения многопараметрических измерений физических воздействий. Получены теоретические выражения для приращений частот и фаз компонент полигармонической спектральной передаточной функции МВИОП со ступенчатой многомодовой секцией при изменении растяжения, температуры и изгиба. Экспериментально реализован вариант МВИОП со ступенчатой многомодовой секцией и успешно проведено одновременное измерение растяжения и изгиба многомодовой секции. 3) Предложен, а также численно и экспериментально апробирован подход синтеза специальных весовых оконных функций, позволяющий снизить методическую погрешность многопараметрических измерений при демодуляции бигармонической спектральной передаточной функции мультиплексированных волоконно-оптических интерферометров посредством дискретного преобразования Фурье, применение которого, в отличие от использования стандартных весовых оконных функций, не приводит к существенному увеличению случайной погрешности. 4) Экспериментально произведен опрос многомодовых волоконных брэгговских решеток при помощи спектрометра на основе цифровой камеры смартфона. Реализована калибровка шкалы длин волн спектрометра по спектральному отклику одной из двух мультиплексированных решеток с одновременным опросом второй решетки. 5) Предложен метод калибровки шкалы длин волн спектрометра на основе цифровой RGB-камеры по распределению цветового тона фотографий спектров, позволяющий калибровать шкалу длин волн одновременно с проведением измерений, без необходимости введения дополнительных калибровочных элементов в оптический канал спектрометра. Экспериментально реализован опрос волоконного интерферометра ФабриПеро с успешной компенсацией дрейфа шкалы длин волн спектрометра благодаря применению предложенного подхода.
Научная и практическая значимость диссертации. Теоретическая значимость результатов диссертации состоит в получении математических выражений, позволяющих производить аналитический расчет приращений разностей постоянных распространения мод в параболических и ступенчатых многомодовых световодах при изменении растяжения, температуры и изгиба световодов, которые могут быть использованы при теоретических исследованиях волоконно-оптических систем, содержащих параболические и ступенчатые многомодовые световоды, в условиях внешних воздействий.
Практическая значимость работы заключается в следующем. – Полученные математические выражения для приращений разностей постоянных распространения мод в многомодовых световодах при изменении растяжения, температуры и изгиба, а также полученные выражения для приращений частот и фаз гармоник спектральной передаточной функции МВИОП при изменении растяжения, температуры и изгиба световодов могут непосредственно использоваться при разработке практических многопараметрических волоконно-оптических датчиков на основе МВИОП. – Предложенный подход синтеза специальных весовых оконных функций, используемых в дискретном преобразовании Фурье при демодуляции спектральных передаточных функций волоконно-оптических интерферометров, может использоваться в различных задачах полигармонического анализа сигналов различной природы, требующих высокого разрешения измерений. – Предложенный метод калибровки шкалы длин волн спектрометра на основе цифровой RGB-камеры по распределению цветового тона фотографий спектров может быть непосредственно использован при создании бюджетных спектрометров с улучшенными точностными характеристиками на основе смартфонов и других портативных устройств.