Введение к работе
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 про
водят с использованием большого числа точечных датчиков и
блока сбора и обработки 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 чувствитель
ным элементом,и линией связи представляет уникальную возмож
ность 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 обстоя
тельство послужило стимулом для начала настоящих исследова
ний, по изучению эффективности использования ВС для создания
распределенных датчиков. Такого рода исследования и разработ
ки 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 распреде
ленных датчиков физических величин при использовании, различ
ных световодов. -.'",
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 ис
точником излучения и с использованием связи поляризационных
мод в двулучепреломлякщем ВС возможно однозначное измерение
силы в случае , если известно ее распределение по длине и при
условии слабой межмодовой связи, причем наибольшая чувстви
тельность достигается при периодическом распределении силы ,
когда каждый отдельный возмущенный участок имеет длину менее
половины длины межмодовых биений Ъъ, а период кратен Ife.
Если сила произвольным образом распределена по
длине, большей Ъь, 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 Ife , сигнал определяется удельной силой на единицу длины ВС.
2. Разрешение по длине определяется отношением
времени когерентности источника излучения к межмодовой дис
персии ВС и ухудшается с ростом расстояния вдоль ВС до точки
4 ///
измерения, если не выбран специальным образом ВС или мате- . риал оптической линии задержки, чтобы свести к нулю расплыва-' ние корреляционной функции излучения.
-
Динамический диапазон , быстродействие и число точек измерения ограничены в основном когерентным шумом, возникающим за счет связи мод на случайных неоднородностях или в точках измерения и суммарными потерями полезной оптической мощности в точках измерения.
-
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 Международных конференциях по волоконной оптике в России ISF0C (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.
