Копия Выпускная работа Звержховского (Волоконный интерферометр для регистрации акустических воздействий на волокно)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

ВОЛОКОННый ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЙЦИИ акустических воздействий на волокно

Выпускная квалификационная работа

по программе переподготовки

ГК «Роснано»

Выполнил:

_____________ Звержховский В.Д.

«___»_________2012 г.

Руководитель работы:

_____________ к.т.н. Панков В.Л.

Консультант от НТО «ИРЭ-ПОЛЮС»:

____________ Алексеев А.Э.

«___»_________2012 г.

Москва 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………...………..3

Глава 1. Технологии, используемые для построения волоконно – оптических охранных линий………………………………...………………...…4

1.1. Методы, применяемые для анализа оптического сигнала в периметральных системах безопасности………………………………………..4

1.2. Волоконно – оптические охранные системы, представленные на рынке………………………………………………………………………………5

1.3. Интерферометрические методы регистрации микроколебаний……..11

Глава 2. Разработка схемы лабораторного стенда для регистрации акустических воздействий на оптическое волокно……………………………17

2.1. Выбор метода получения квадратурных сигналов…………………...17

2.2. Воздействие разветвителя 3 х 3 на интерференционный сигнал……19

2.3. Алгоритм выделения временного изменения фазовой задержки из интерференционного сигнала…………………………………………………...21

2.4. Лабораторный стенд…………………………………………………….24

2.5. Алгоритм обработки сигналов на ПК………………………………….25

Глава 3. Регистрация различных акустических воздействий на оптическое волокно…………………………………………………………………………...29

3.1 Проведенные эксперименты…………………………………………….29

3.2. Факторы, ухудшающие качество регистрации воздействия и методы борьбы с ними……………………………………………………………………35

Заключение…………………………………………………………………..38

Список использованной литературы……………………………………….39

Приложения………………………………………………………………….40

Введение

Волоконно-оптические кабели широко применяются в качестве чувствительных элементов систем удаленного мониторинга механических воздействий. В частности, для создания протяженных охранных линий, используются оптические волокна в качестве сенсоров, с помощью которых определяются амплитуды колебания, деформации и ряд других механических изменений материала или среды. Шире всего такие сенсоры используются в составе периметральных систем безопасности. Преимущества использования волоконно-оптических кабелей в виде сенсоров заключаются, в первую очередь, в их электробезопасности и устойчивости к электромагнитным помехам.

Глава 1. Технологии, используемые для построения волоконно – оптических охранных линий.

1.1. Методы, применяемые для анализа оптического сигнала в периметральных системах безопасности

Под воздействием различного рода факторов, проявляющихся при нарушении охраняемого периметра (вибрация, колебания, деформация, шум создаваемый нарушителем), волокно кабеля изменяет свои параметры (длина, показатель преломления, потери мощности света). Это отражается на конфигурации излучения, проходящего через это волокно. Выход кабеля оснащается фотоприемником, который регистрирует изменения в параметрах выходного излучения и посылает сигнал на математическую обработку. Вторжение регистрируется в волоконно-оптической охранной технике с помощью анализа сигналов различными методами [4] :

• Регистрация межмодовой интерференции

При использовании в качестве источника света лазера формируются близкие по частоте моды, энергия которых распределена по спектру излучения, в количестве нескольких десятков. При деформации кабеля спектр излучения изменяется настолько, что это можно засечь и обнаружить с помощью фотоанализатора.

• Регистрация спекл-структуры

Спекл - структура многомодового волокна представляет собой особую схему из светлых и темных пятен, видимую на выходе волоконно-оптического кабеля. Естественно, что при вибрации или деформации тела кабеля спекл-структура также изменится. Чтобы уловить это, нужно пространственно-чувствительное фотоприемное оборудование.

• Двулучевая интерферометрия

Лазерный луч, расщепленный надвое, по двум одномодовым волокнам отправляется к фотоприемнику. Фиксируемый на конце кабеля интерференционный сигнал анализируется, после чего определяются параметры воздействия.

1.2. Волоконно – оптические охранные системы, представленные на рынке

Австралийская компания Future Fibre Technologies (FFT) использует две основных технологии детектирования с использованием волоконно-оптических датчиков.

Первая технология (M/V - Movement & Vibration), основанная на методе межмодовой интерференции, позволяет обнаруживать движения и вибрации кабеля. Сенсорный кабель (рис.1) подключается к начальному и оконечному модулям. Излучение от полупроводникового лазера подается в оптический сенсорный кабель и система регистрирует отраженный от оконечного модуля сигнал.

Рис. 1. Структурная схема технологии M/V фирмы FFT для обнаружения движения и вибраций волоконно-оптического кабеля

В этой схеме в качестве сенсора используется многомодовое оптическое волокно. При вибрациях волокна изменяется распределение энергии между модами лазерного излучения, отраженного от оконечного модуля. Эти изменения регистрируются оптическим фотоприемником и обрабатываются анализатором. Технология M/V позволяет регистрировать вибрации в диапазоне частот от нескольких герц до 400 Гц. Система на базе многомодового волокна позволяет организовывать зоны охраны протяженностью до 6 км и используется главным образом на эластичных (деформируемых) оградах. Эта система не предполагает локализации места вторжения.

Вторая технология фирмы FFT основана на методе двухлучевой интерферометрии. Эта технология получила сокращенное название MSL (от MicroStrain Locator – Локатор Микродеформаций). На рис. 2 показана структурная схема системы. В состав протяженного датчика входят три отдельных волокна. Два верхних волокна выполняют функцию чувствительных элементов: в них подается излучение от полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме. Излучение через оба чувствительных волокна передается на оконечный модуль, в котором происходит интерференция обоих лучей. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картина на выходе интерферометра, т.е. на оконечном модуле, остается неизменной.

Рис. 2. Структурная схема технологии MSL фирмы FFT для обнаружения микродеформаций волоконно-оптического кабеля [4]

При попытке пересечения охраняемой зоны возникают вибрации и деформации, изменяющие оптическую разность хода в чувствительных волокнах. Интенсивность интерференционной картины изменяется и оконечный модуль регистрирует переменную составляющую интерференционного сигнала, передавая ее на анализатор. Система MSL регистрирует вибрации в диапазоне частот примерно от 300 Гц до 2 кГц.

Также существует модифицированная технология MSL, которая позволила реализовать функцию определения места вторжения. Для этого к системе из двух волокон, изображенной на рис. 2 добавляется третье сенсорное волокно. В третье волокно подается зондирующий сигнал, определяющий расстояние от начала кабеля до точки возникновения вибраций.

Рис. 3. Схема волоконно-оптической охранной системы фирмы FFT с функцией обнаружения места вторжения[4]

В этой системе применяется модифицированная технология оптической рефлектометрии во временном диапазоне (OTDR), применяемая для диагностики повреждений коммуникационных волоконно-оптических кабелей.

Американская компания Fiber SenSys выпускает несколько волоконно-оптических периметральных систем серии Fiber Defender (FD). В системах этой серии сенсорные кабели монтируются на ограде в виде замкнутой петли (рис. 4). Максимальная длина одной зоны охраны составляет 2 км. Системы серий FD применяются на различных металлических оградах, а также для защиты крыш и стен зданий.

Рис. 4. Расположение сенсорного кабеля системы Fiber Defender (FD) фирмы Fiber SenSys

В этой системе используются специально разработанные оптические кабели, отличающиеся от стандартных оболочкой оптических волокон. Эти оболочки повышают чувствительность кабеля к внешним механическим воздействиям - давлению, деформациям и вибрациям. В качестве сенсорных волокон используются многомодовые оптические волокна. Процессор системы регистрирует изменения спекл-структуры прошедшего через кабель лазерного излучения.

Израильская фирма Magal выпускает систему INNO-FENCE, предназначенную для размещения на жестких металлических оградах. Волоконный датчик встроен в верхний горизонтальный канал панели ограды (рис. 5), через которую проходят вертикальные стойки ограды. Датчик реагирует на деформации горизонтального канала ограды, возникающие при попытке ее преодоления.

Рис. 5. Сенсорный кабель системы INNO-FENCE фирмы Magal [4]

Система отличается низким уровнем ложных тревог и практически не нуждается в техническом обслуживании. Однако недостатком системы является ее относительно низкая чувствительность. Для срабатывания системы к ограде требуется приложить усилие более 40 кг или деформировать жесткие прутья ограды. Система регистрирует только вторжения, сопровождаемые значительными механическими воздействиями.

С начала 2009 г. ООО «КБСТ СПб ГУ ИТМО» ведет разработку волоконно-оптической системы охраны периметра на брэгговских решетках. Метод регистрации сигнала в такой системе является интерференционным, а чувствительным элементом выступает само оптическое волокно, что ведет к значительному снижению себестоимости.

Отражательные брэгговские решетки в сердцевине одномодового оптического волокна могут быть созданы ультрафиолетовым излучением эксимерного лазера путем облучения через соответствующую маску. Отрезок оптического волокна между двумя решетками представляет собой интерферометр Фабри-Перо, отражение (и пропускание) которого зависят от оптической разности фаз отраженного от первой и второй решетки оптического сигнала. Под воздействием деформации и акустических колебаний меняется разность фаз, а, следовательно, и отражение. Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны приведена на Рис. 6:

Рис. 6. Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны и временным демультиплексированием [4]

В качестве источника излучения используется одночастотный одномодовый полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. Импульсы от каждой системы решеток приходят с различной временной задержкой. Для демодуляции сигнала используется синхронное детектирование, для этого в схему введен фазовый модулятор. Оптическая линия задержки формирует серию импульсов, сдвинутых по времени, каждый их которых интерферирует с импульсом, отраженным от соответствующего участка волокна. Эта система, также как и Fiber Defender (FD) фирмы Fiber SenSys, использует повышающие чувствительность покрытия оптических волокон. Ниже приведена таблица основных характеристик этой системы:

Таблица 1

Таким образом, на рынке представлено большое количество волоконно – оптических охранных линий. Существуют линии, применяющиеся для различных типов заграждений, для наземной и подводной закладок. Большинство производителей предлагают довольно точную локализацию места воздействия на волокно. В некоторых из представленных линий есть возможность определения характера нарушителя: человек или машина.

Планируется разработать охранную систему, способную не только локализовать область воздействия на оптическое волокно, но и максимально точно и подробно определить, что именно вызвало это воздействие с возможностью прослушивания происходящего на выбранном участке периметра. Для реализации используется волоконный интерферометр Маха - Цандера. В этом проекте разрабатывается лабораторный стенд для отработки методики извлечения звуковой информации из интерференционного сигнала, полученного с помощью волоконного интерферометра.

1.3. Интерферометрические методы регистрации микроколебаний

Когда сквозь оптическое волокно, находящееся в некой среде, проходят механические волны (в нашем случае акустического диапазона), происходит периодическое изменение длины и показателя преломления оптического волокна. На прошедшем по этому волокну оптическом излучении это сказывается в виде периодических изменений разности фаз (оптической разности хода) между измерительным (тем, на которое оказывается воздействие) и опорным (не испытывающим исследуемых воздействий) плечами интерферометра. Для регистрации таких изменений в интерферометрии применяют ряд методов.