Введение к работе
Актуальность использования в качестве чувствительных элементов
волоконных акустооптических кабельных преобразователей заключается в том,
что они позволяют сделать диаметр измерительного гидроакустического кабеля
менее 20 мм, а также создать полностью электрически пассивный
измерительный гидроакустический кабель. Малое затухание сигнала в
оптическом волокне 0.15 дБ/км позволяет соединить чувствительные элементы
и опрашивающее оборудование без дополнительных преобразователей и
усилителей на расстояниях более 12 км. Вследствие малого диаметра
оптического волокна в покрытии (250 мкм) в измерительном гидроакустическом
кабеле можно разместить большое число оптических волокон, таким образом,
все опрашивающее оборудование может быть расположено на борту
буксирующего сейсмическую косу судна. В то время как пьезоэлектрические
преобразователи требуют наличия опрашивающей электроники в
измерительном кабеле в непосредственной близости (50 – 100 м) от места
установки пьезоэлектрического преобразователя. Расположение
опрашивающего оборудования на борту судна повышает надежность системы и помехозащищенность от электромагнитных воздействий.
Цель работы: разработка новых научно-технических решений, применимых для создания массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей для измерения амплитудных, частотных и фазовых
характеристик гидроакустических сигналов интерферометрическим методом, и исследование их динамических и передаточных характеристик.
Задачи:
-
Провести анализ существующих научно-технических решений в части волоконных акустооптических преобразователей и методов построения акустооптических измерительных кабелей на их основе.
-
Выбрать схему волоконного акустооптического интерферометрического преобразователя и провести расчет ее параметров.
-
Создать и исследовать компьютерную модель чувствительного элемента волоконного акустооптического кабельного преобразователя для определения его акустической чувствительности.
-
Создать метод построения измерительного акустооптического кабеля для размещения в нем массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей диаметром менее 20 мм и максимальной разрывной нагрузкой не менее 20 кН.
-
Создать макет массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей и провести его апробацию в области измерения амплитудных, частотных и фазовых характеристик гидроакустических сигналов интерферометрическим методом.
Научная новизна работы:
-
Впервые разработана компьютерная модель чувствительного элемента волоконного акустооптического интерферометрического преобразователя, позволяющая рассчитать его акустическую чувствительность в зависимости от шага намотки оптического волокна на эластичный сердечник, диаметра, модуля упругости и коэффициента Пуассона эластичного сердечника.
-
Впервые получена зависимость акустической чувствительности оптического волокна акустооптического интерферометрического преобразователя от шага намотки оптического волокна, демонстрирующая изменение удельной чувствительности более чем в 2 раза при увеличении шага намотки от 1 до 8 мм.
-
Предложена и реализована новая концепция волоконного акустооптического кабельного преобразователя, обеспечивающего удельную чувствительность не менее 0.02 (рад/Па)/м, и способ его изготовления, позволяющий создавать буксируемые волоконные акустооптические кабели диаметром менее 20 мм и разрывной нагрузкой более 20 кН.
-
Впервые экспериментально измерены амплитудные, частотные и фазовые характеристики массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей, созданного в соответствии с предложенным способом изготовления, имеющего внешний диаметр 19 мм и разрывную нагрузку более 20 кН и обеспечивающего в полосе частот от 63 до 495 Гц чувствительность
более 1 рад/Па, минимальное обнаружимое давление менее 39 мкПад/Гц и динамический диапазон на верхней частоте 495 Гц более 120 дБ.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Построенная компьютерная модель чувствительного элемента волоконного акустооптического интерферометрического преобразователя позволяет подбирать параметры материалов и геометрические параметры чувствительного элемента, и на основе этого рассчитать значение чувствительности акустооптического интерферометрического преобразователя.
-
Показано, что изменение шага намотки чувствительного оптического волокна акустооптического интерферометрического преобразователя позволяет или увеличить его акустическую чувствительность до 2-х раз без изменения длины оптического волокна, или уменьшить длину оптического волокна до 2-х раз при сохранении акустической чувствительности.
-
Предложенная концепция волоконного акустооптического кабельного преобразователя и способ его изготовления, могут быть использованы при создании буксируемых волоконных акустооптических кабелей с удельной чувствительностью оптического волокна не менее 0.02(рад/Па)/м, диаметром менее 20 мм, разрывной нагрузкой более 20 кН.
-
Экспериментально полученные амплитудные, частотные и фазовые параметры характеристики массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей, созданных в соответствии с предложенным способом изготовления, демонстрирующих в полосе частот от 63 до 495 Гц чувствительность более 1 рад/Па, минимальное обнаружимое давление менее
39 мкПа/д/Гц и динамический диапазон на верхней частоте более 120 дБ, могут быть использованы при создании буксируемых волоконных акустооптических кабелей.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Компьютерная модель чувствительного элемента волоконного акустооптического интерферометрического преобразователя, состоящего из оптического волокна, навитого на эластичный сердечник, на который оказывается гидростатическое давление, позволяет рассчитать акустическую чувствительность чувствительного элемента волоконного акустооптического интерферометрического преобразователя для шагов намотки оптического волокна от 0.5 до 20 мм и диаметров сердечника от 10 до 25 мм.
-
Полученная экспериментальная зависимость акустической чувствительности оптического волокна акустооптического интерферометрического преобразователя от шага намотки оптического волокна, демонстрирует изменение чувствительности более чем в 2 раза при увеличении шага намотки от 1 до 8 мм.
-
Предложенная концепция создания волоконного акустооптического кабельного преобразователя, состоящего из центрального силового элемента внутри фигурного каркаса с продольными пазами, в которых размещаются волоконно-оптические компоненты оптической схемы, чувствительного оптического волокна намотанного между двумя слоями эластичного материала, нанесенными на фигурный каркас, снаружи нанесена защитная оболочка, и способ его изготовления позволяют создавать буксируемые волоконные
акустооптические кабели диаметром менее 20 мм, разрывной нагрузкой более 20 кН и удельной чувствительностью оптического волокна более 0.02 (рад/Па)/м. 4) Экспериментально полученные параметры массива волоконных акустооптических кабельных преобразователей, созданного в соответствии с предложенным способом изготовления, обеспечивают в полосе частот от 63 до 495 Гц акустическую чувствительность более 1 рад/Па и минимальное
обнаружимое давление менее 39 мкПа/д/Гц, а также динамический диапазон на верхней частоте более 120 дБ.
Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением их с ранее опубликованными экспериментальными данными, использованием традиционных методов измерений и поверенного измерительного оборудования. Моделирование чувствительного элемента путем вычисления удлинения оптического волокна в модели проводилось в программном пакете Cortisol Multiphysics 5.3, расчеты изменения эффективного показателя преломления оптического волокна проводились в математическом пакете Matlab.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на II и III международных научно-практических конференциях «Sensorica» 2014 и 2015 года (Санкт-Петербург), на IV всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2015), на IX международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2015» (Санкт-Петербург), на XI международной конференции «Прикладная оптика-2014» (Санкт-Петербург).
В ходе конкурсного отбора для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в 2016 и 2017 годах были получены гранты по темам «Волоконно-оптическая геодезическая буксируемая антенна» и «Система регистрации растягивающей нагрузки в буксируемой сейсмической косе» соответственно.
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре Световодной фотоники Университета ИТМО при выполнении совместных работы с АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» в области создания сейсмического оборудования для разведки полезных ископаемых в морских акваториях.
Публикации. Основное теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, 5 из которых в изданиях, входящих в список ВАК (из них 2 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus). По результатам диссертационного исследования оформлен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и результатов, списка литературы. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержащего 91 иллюстрацию и 21 таблицу. Библиография включает 105 наименований.