Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ с им. Н. Э. Баумана На правах рукописи 01.2.0О 814358 ПНЕВ Алексей Борисович ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ КВАЗИ-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ Специальность: 05.11.07- Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы ДИССЕРТАЦИОННАЯ РАБОТА на соискание ученой степени кандидата технических наук НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор Карасик Валерий Ефимович Москва 2008 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ. Введение ГЛАВА 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ ... 1.1. Анализ волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна . 1.1.1. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна..... 1.1.2. Анализ метода бриллюэновской рефлектометрии ........,...,........, 1.1,3. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта бриллюэновского усиления/ослабления во временной области.

1.1,4. Взаимосвязь метрологических характеристик распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.... 1.2, Исследование возможности создания квази-распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе брэгговских решеток...,...........,.........,.....,.................................................„...., 1,2,1. Влияние деформаций и температуры волоконного световода на спектр отражения брэгговской решетки. 1.2.2.

Параметрический анализ зависимости коэффициентов отражения и пропускания брэгговских решеток стр. 6 10 10 21 30 30 32 1.2.3. Методы изготовления волоконно-оптических брэгговских решеток.. 39 1.2.4. Анализ срока службы и надежности брэгговских решеток,....„,........... 46 1.2.5. Квази-распределенные волоконно-оптические оптико- электронные измерительные системы деформации на базе волоконно- оптических брэгговских решеток 1.3. Сравнительный анализ распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и резонансного отражения от волоконно- оптических брэгговских решеток...

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ, ФОРМИРУЕМЫХВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ БРЭГГОВСКИМИ ДАТЧИКАМИ.. 2.1. Характеристики информационного сигнала, формируемого волоконно-оптическим брэгговским датчиком. 2.2. Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования . 2,2.1. Методика регистрации информационных сигналов с использованием перестраиваемых по частоте источников излучения........, 2.2.2. Разработка методик регистрации информационных сигналов с применением широкополосных источников излучения .................................

® 2.2,2.1. Разработка методики регистрации сигналов с применением широкополосного источника излучения и монохроматора...,. 2.2.2,1.1. Разработка методики регистрации информационных сигналов с помощью полихроматора............ 2.2.2.1.2. Методика регистрации информационных сигналов с помощью монохроматора с одноплощадочным фотоприемным устройством.... 2.2.2.3. Методика регистрации информационных сигналов с применением интерферометра Фабри-Перо.

51 53 58 84 94 2.3. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе временного мультиплексирования ..... 2.4. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе 116 пространственно-временного мультиплексирования.... 2.5. Обоснование технического пути построения макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.........................,......... 2.6.

Разработка алгоритмической модели квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы ....... 2.6.1. Орграфовая модель модели квази-распределенной волоконно- 122 124 оптической оптико-электронной измерительной системы .... 124 2.6.2. Алгоритмическая модель поведения квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы ....... 126 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА КВАЗИ- РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ 3.1. Стенды для исследования характеристик информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими 132 датчиками. 3.1.1. Стенд для исследования спектральных характеристик сигналов, 133 формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками...

136 3.1.2. Стенд для исследования групповой задержки 3,2. Разработка макетного образца квази-распределенной волоконнооптической оптико-электронной измерительной системы...............„,......... 140 ° СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДАТЧИКОВ.... 131 3.2.1 Разработка и исследование блока с реперными точками по шкале длин волн. 3.2.2 Разработка алгоритма для обработки сигналов, формируемых квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системой 3,3.

Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков . 3.3.1. Разработка алгоритма для определения оптимальных характеристик макетного образца оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков ....

3.3.2. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей ... 3.4. Экспериментальные измерения деформации объектов с помощью макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских ® датчиков.....................................................,......................................,..... 3.5.

Разработка метрологического обеспечения для макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.... ОБ?ЦИЕ ВЬ?ВОДЬ?...... СПИСОК ИСТОЧНИКОВ .. стр. 140 144 146 150 162 165 168 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ АО- акустооптический АЦП вЂ” аналогово-цифровой преобразователь БР- брэгговская решетка ВлкнОптчОЭИзмС- волоконно-оптические оптико-электронные измерительные системы ВОБД- волоконно-оптический брэгговский датчик ВОБП- волоконно-оптический брэгговский преобразователь ВОБР- волоконно-оптическая брэгговская решетка ВОСПИ- волоконно-оптические системы передачи информации ° ВРМБ- вынужденное рассеяния Мандельштама-Бриллюэна ИДВ- измеритель длины волны ИИС- информационно-измерительные системы ИК- инфракрасное ИФП- интерферометр Фабри-Перо ОВ- оптическое волокно ОРХ- оптическая разность хода ОЭИзмС- оптико-электронные измерительные системы ПЗС- прибор с зарядовой связью ПИ -приемник излучения ® ПП- показатель преломления РМБ -рассеяние Мандельштам-Бриллюэная УФ- ультрафиолетовое СЛД- суперлюминесцентный диод ЭО- электрооптический ФПУ- фотоприемное устройство Введение Малые массы и размеры, стоимость, высокие прочность и гибкость волоконных световодов открывают широкие перспективы их использования в качестве чувствительных элементов в информационно-измерительных сетях для реконструкции распределения физических величин в пространстве.

Одной из наиболее востребованной задачей является исследования полей деформации (механических напряжений), так как своевременное обнаружение критических деформаций, во многом позволит предотвратить возникновение аварийных ситуаций или катастроф. Поля деформации особенно важно измерять на так называемых инфраструктурных объектах Э (объектах, от которых зависит жизнедеятельность значительного количества людей, а также эффективное функционирование различных областей промышленности). Наблюдение за состоянием таких больших объектов, особенно с применением методов инструментального контроля, представляет собой непростую задачу, так как контроль должен быть непрерывным и максимально достоверным. Создание информационно-измерительных систем (ИИС) для этих задач до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем.

Дело в том, ® что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены по параметрам окружающей среды, по воздействию агрессивных сред, высоковольтного напряжения и электромагнитных помех. Появление распределенных и квази-распределенных волоконнооптических измерительных преобразователей коренным образом изменило эту ситуацию и сделало возможным создание ИИС для мониторинга инфраструктурных объектов с приемлемыми для практики характеристиками.