Постановка задач проектирования волоконно-оптических комбинированных датчиков и многосенсорных системдля регионального мониторинга концентрации парниковых газов
Authors: Шагидуллин А.Р. , Морозов О.Г. , Сахабутдинов А.Ж. , Нуреев И.И. , Тунакова Ю.А. 
Published: February 2025

В статье рассмотрены постановки задач проектирования комбинированных волоконно-оптических датчиков (КВОД) и многосенсорных систем на их основе для регионального мониторинга концентрации парниковых газов. Выделен основной тренд развития КВОД, основанный на применении последовательно сформированных на концевом участке оптического волокна волоконной брэгговской решётки (ВБР), а на его срезе резонатора Фабри–Перо (РФП). Поставлена задача применения адресных волоконных брэгговских структур (АВБС) вместо ВБР с целью повышения метрологических характеристик КВОД, компенсации изменений температуры окружающей среды и существенного удешевления их интеррогатора с переходом на радиофотонные принципы измерений. Предложена структурная схема многосенсорной системы и конструкция интеррогатора, позволяющих обнаруживать четыре типа газов СО2, NO2, CH4, OX в зависимости от типа и толщины полимерной тонкой плёнки, являющейся одной из компонент РФП. Для совершенствования программного обеспечения поставлена задача применения в его структуре преобразования Карунена–Лоэва (KLT), позволяющего разделить вклад каждой составляющей КВОД в отражённом им информационном излучении по спектральной эффективности и в перспективе разрешить измерение изменений огибающей РФП, зависящей от концентрации исследуемых газов, на адресных частотах АВБС. Оценки показали, что такая конструкция КВОД и системы в целом позволит измерять температуру окружающей среды в диапазоне -60…+300 ° С с погрешностью в 0,1– 0,01 ° С, а концентрацию газов в диапазоне 10–90 % с погрешностью в 0,1–0,5 %.
Introduction. The use of fiber-optic sensors (FOS) for monitoring environment has global relevance. The focus on FOS in comparison with simple electronic sensors is caused by their advantages such as small size, light weight, high response rate to changes in measured concentrations, resistance to external electromagnetic interferences, the possibility of remote sensing, and resistance to severe environmental conditions. Recently, there is a rapid development of combined fiber-optic sensors (CFOS) based on a fiber Bragg grating (FBG) cascaded with a photodetector grating (PDG) structure for simultaneous measurement of gas temperature and pressure. Estimates show that a structure for sensitive environmental monitoring should consist of an external PDG in the form of a hemispherical thin film that reacts to a specific greenhouse gas, recorded at the edge of the FBG. The peak of the spectral interference created by thin film PDG is sensitive to the environment, in particular, to changes in its temperature, pressure, and gas concentration, while the FBG reflection spectrum depends only on temperature and is weakly sensitive to changes in external pressure, thus the temperature and gas concentration can be measured simultaneously. However, the cost of a such multi-sensor system significantly increases due to the need in high-cost optoelectronic interrogator for interrogating FBGs and PDGs and the requirement for separation of their spectral responses. The aim of the research is to pose the problems of designing CFOS for monitoring gas temperature and concentration, with improved metrological characteristics and possibility of their low-cost multiplexing and interrogation to build multi-sensor systems for regional monitoring of greenhouse gas concentrations with the use of addressed fiber Bragg structures (AFBS) instead of FBGs. Findings. There are proposed a block diagram of a multi-sensor system and an interrogator design, which allow to detect four types of CO2, NO2, CH4, and OX gases, depending on the type and thickness of a polymer thin film, which is one of the PDG components. To improve the software, we posed the problem of using the Karhunen-Loeve transform (KLT) in PDG structure, which allows to separate the impact of each component of the CFOS in the reflected radiation according to the spectral efficiency and, going forward, will allow to measure changes in the PDG envelope, depending on the concentration of the studied gases, at the address frequencies AFBS. Estimates showed that such a design of the CFOS and the whole system will allow to measure the temperature in the range of -60 ... +300 °С with an error of 0.1–0.01 °С, and the concentration of gases in the range of 10–90% with an error of 0.1–0.5%. Conclusion. Research findings allow to propose a concept for the development of multi-sensor systems for environmental monitoring of greenhouse gases at various levels. It will allow to deploy a network of measurement points for enterprises, municipalities and regions by 2030.