Zamansal çoklama yöntemiyle küçük boyutlarda cam elyaf polimer katkılı mandrel tabanlı fiber optik akustik algılayıcılarla dizin oluşturulması
Time division multiplexed array development by using small size glass-fiber reinforced polymer based fiber optic acoustic sensors
Yazar: EMRAH İLBEY
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Akustik algılama = Acoustic perception ; Fiber optik = Fiber optics ; Sensörler = Sensors

Özet:
Akustik basınç algılama için konvansiyonel yöntemlerde piezo elektrik tabanlı seramikler kullanılmaktadır. Fakat, düşük bütçe, küçük ebat, yüksek hassasiyet ve en önemlisi elektromanyetik girişimlerden etkilenmemesi sebebiyle fiber optik sistemler, akustik ölçümlerde kullanılmaya başlanılmıştır. Fiber optik tabanlı akustik sistemler, liman gözetleme, askeri gemilerde çekili dizin sonarı ve yan dizin sonarı gibi pek çok alanda konvansiyonel sonar çözümlerine alternatif oluşturmaktadır. Askeri alanlardaki başarısının yanısıra fiber optik sistemler deniz altında petrol/gaz arama çalışmaları ve sismik araştırmalarda da kullanılmaktadır. Fiber tabanlı akustik algılama için dünyada FBG (Fiber Bragg Grating) teknolojisi ve mandrel tabanlı girişim (interforemetrik) sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yüksek hassasiyeti sebebiyle mandrel tabanlı Mach-Zehnder girişim sistemi bu tez kapsamında tercih edilmiştir. Bu yöndeki bir sistemde lazer ışığı fiber içerisinde iki kısma ayrılmaktadır. Lazer ışığının bir kısmı referans mandrele sarılı fibere giderken diğer kol ise üzerine gelen akustik basınca tepki veren sensör mandrel üzerine sarılı fibere gitmektedir. İki kol arasındaki faz farkı sensör mandrel üzerine gelen akustik dalga hakkında bilgi vermektedir. Tez kapsamında algılayıcı genel tasarımı yapılmış ve sensör kolu olarak kullanılan malzeme yapısı optimize edilmiştir. Farklı malzeme
yapıları göz önünde bulundurularak sensör mandrel yapısı analiz edilmiştir. Akustik basınç algılama hassasiyeti ve dayanıklılık göz önünde bulundurularak cam elyaf katkılı polimer (GFRP) sensör mandrel malzemesi olarak tercih edilmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda ulaşabildiğimiz bilgi dahilinde çam elyaf katkılı bir polimerle bu
yönde bir çalışmaya rastlanılmamıştır. İlk defa detaylandırılan bu çalışmaların sonuçları umut vericidir. Bu yöndeki bir sistemde akustik bilginin çözümlenebilmesi için girişim düzeneğindeki sensör kolu ve referans kolu arasındaki faz farkı bilgisi elde edilmelidir. Akustik bilginin çözümlenmesinde çevresel etkilerden kaynaklı faz sönümlemesinin de önüne
geçebilmek için faz kaynaklı taşıyıcı (PGC, Phase Generated Carrier) yöntemi tez kapsamında kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda yaklaşık -150 dB re rad/µP hassasiyete sahip fiber optik akustik algılayıcılar elde edilmiştir. Algılama için en önemli paremetre olan gürültü seviyesi için hem modelleme yapılmış hem de gerçek veriler toplanmıştır. Çalışmalar sonucunda sistem gürültü seviyesinin 50 dB re µP a/√ Hz altında olduğu görülmüştür. Son olarak bu yöndeki bir sistemin en önemli avantajı algılayıcıların aynı hat üzerinden kolayca çoklanabilmesidir. Bu kapsamda farklı alternatifler üzerine araştırmalar yapılmıştır. En önemli çoklama teknikleri Frekans Bölmeli Çoklama (FDM, Frequency
Division Multiplexing), Dalgaboyu Bölmeli Çoklama (WDM, Wavelength Division Multiplexing) ve Zaman Bölmeli Çoklama (TMD, Time Division Multiplexing)'dır. Diğer çoklama yöntemlerine göre ebatların ve maliyetlerin düşmesi dolayısıyla TDM yöntemi tercih edilmiş bu yöntem üzerine çalışmalar yapılmıştır.

Abstract:
Fiber optic systems are well suited choice for underwater acoustic measurements with respect to conventional piezoelectric ceramic based systems. Main advantages of fiber optic systems are low cost, small size, light weight; high sensitivity and most importantly they are electromagnetic interference (EMI) free. Fiber optic interferometric acoustic
systems have seen extensive development for military applications such as horbour protection sonars, towed array sonars, flank array sonars. and etc. Recently, due to the success in the military area, fiber optic interferometric acoustic sensors are also being used in commercial seabed sensing applications for oil/gas exploration and seismic research.
There are many techniques for sensing acoustic pressure like FBG (Fiber Bragg Grating) based and mandrel based Mach-Zehnder interferometer systems. However, because of its high responsitivity, mandrel based Mach-Zehnder interferometer system has been preffered. In Mach-Zehnder interferometer system, laser light is split into the sensing and the reference arm. Some part of the laser light pass through fiber wounded around reference mandrel, remaining pass through fiber wounded acoustic pressure sensitive sensor arm. Pahse difference between two arms gives information about acoustic wave. In this thesis, A full-detailed design has been done considering sensor mandrel material type. Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) has been chosen because of its strength, durability and sensitivity. To the best of our knowledge there is no detailed work based Glass Fiber Reinforced Polymer based fiber optic acoustic system. The results of these studies, which were carried out for the first time, are promising It is important to demodulate phase difference between reference and sensor arms. To decrease environmental effects and prevent phase fading, PGC (Phase Generated Carrier) method has been applied for the demodulation of the acoustic signal. As a result, we have demonstrated an high sensitive fiber optic underwater acoustic sensors. The pressure sensitivity of sensors are are around -150 dB re rad/µPa. System noise level is both analyzed and measured and it is better than 50 dB re µP a/√ Hz at low frequencies. Finally, main advantage of fiber optic systems is that it is easy to increase number of sensors. For this reason, considerable efforts has been put for the development of various techniques. Some of the most recent techniques are frequency division multiplexing (FDM), wavelength division multiplexing (WDM) and time division
multiplexing (TDM). We demonstrate a time division multiplexed sensor array because of advantages on cost and small dimension.