Физические принципы создания распределенных измерительных сетей на основе одноволоконного двухмодового интерферометра

Вестник ДВО РАН. 2004. № 5

Ю.Н.КУЛЬЧИН, О.Т.КАМЕНЕВ, Ю.С.ПЕТРОВ

Физические принципы создания распределенных измерительных сетей на основе одноволоконного двухмодового интерферометра

Представлены общие принципы организации и построения распределенной волоконно-оптической измерительной сети для восстановления распределения поля амплитуды поперечных колебаний исследуемой поверхности. Предложена конструкция волоконно-оптической измерительной линии на основе одноволоконного двухмодового интерферометра, которая обеспечивает регистрацию интегрального воздействия поля поперечных деформаций на область укладки. Представлены результаты восстановления поля амплитуды поперечных колебаний исследуемой поверхности с использованием разработанной распределенной волоконно-оптической сети, демонстрирующие хорошее качество восстановления.

The physical principles of distributed measuring network development based on one-fiber two-mode interferometer. Yu.N.KULCHIN, O.T.KAMENEV (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok), Yu.S.PETROV (Far Eastern State Technical University, Vladivostok).

General organization principles of distributed fiber-optic measuring network used for reconstruction of the lateral deformation amplitude distribution have been considered. The fiber-optic measuring line based on one-fiber two-mode interferometer has been presented. This line provides registration of integral influence of the deformation amplitude field on a surface studied. The experimental results of the lateral deformation amplitude measuring have been given.

Развитие волоконно-оптических телекоммуникационных систем привело к формированию новой области оптоэлектроники - волоконно-оптические датчики (ВОД). Достоинства ВОД, такие как высокая чувствительность, малые размеры, устойчивость к электромагнитным помехам и агрессивным воздействиям окружающей среды, потенциально низкая стоимость, определили их дальнейшее развитие [1]. Однако современные тенденции развития измерительной техники показывают, что в настоящее время для получения в реальном времени достоверной картины о состоянии контролируемых объектов и о протекающих в них процессах необходимо применение информационно-измерительных систем, в состав которых входит большое количество различных датчиков физических величин, объединенных в единые

КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - член-корреспондент РАН, КАМЕНЕВ Олег Тимурович - кандидат физико-математических наук (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), ПЕТРОВ Юрий Сергеевич (Научно-исследовательский институт океанотехники Дальневосточного государственного технического университета, Владивосток).

измерительные сети. Применение отдельных датчиков в такой системе становится бесперспективным, так как при этом количество информационных каналов, равное количеству датчиков, резко возрастает, что приводит к снижению помехозащищенности измерительной системы, а также делает затруднительным получение достоверных результатов измерений в виду необходимости обработки значительных информационных массивов в реальном времени. Поэтому в последние годы во всем мире большое внимание уделяется поиску принципиально новых подходов к построению информационно-измерительных систем, в которых датчики должны объединяться в сложные измерительные сети [8].

Одним из наиболее перспективных путей решения указанной задачи является разработка датчиков с интегральной чувствительностью, которые могут быть легко объединены в распределенную измерительную сеть [4]. Наиболее подходящей элементной базой для создания подобных устройств является волоконная оптика, так как наряду с вышеперечисленными достоинствами волоконно-оптические датчики сочетают в одном и том же измерительном тракте функции как информационного канала, так и измерительного преобразователя. Это делает возможным создание принципиально новых быстродействующих измерительных устройств, способных интегрироваться в сложные информационно-измерительные системы [4], осуществляющие контроль за многомерными функциями распределения физических полей.

В данной работе представлены физические принципы создания распределенных измерительных сетей на основе интегрирующих волоконно-оптических измерительных линий, чувствительным элементом которых является одноволоконный двухмодовый интерферометр.

В общем случае распределенная волоконно-оптическая измерительная сеть (РВОИС) представляет собой набор отдельных измерительных линий, определенным образом уложенных в пространстве. Топология РВОИС определяется характером решаемой задачи, а также методами сбора и обработки информации об исследуемом физическом поле. Для уменьшения количества информационных каналов следует использовать томографические методы [6], реализация которых предполагает формирование каждой измерительной линией интегрального образа функции распределения физического поля. Как показано в работах [2, 3, 9], даже в случае неполного набора интегральных образов, формируемого РВОИС, возможно успешное восстановление распределения скалярного физического поля.

Как показано (рис. 1, а), интегрирующая волоконно-оптическая измерительная линия (ВОИЛ) представляет собой измерительный преобразователь, способный регистрировать внешнее воздействие по всей его длине. На выходе такой линии формируется интегральный фазовый или амплитудный сигнал воздействия внешнего физического поля на ВОИЛ вдоль траектории укладки ВС [5]. Точность восстановления распределения исследуемого физического поля определяется частотой укладки ВОИЛ в области исследования. Если частота укладки выше максимальной пространственной частоты исследуемого поля, то распределение будет корректно восстановлено.

Так как томографические методы позволяют восстанавливать значения искомого распределения только в точках пересечения ВОИЛ, то не обязательно обеспечивать чувствительность линии к исследуемому воздействию по всей ее длине. Достаточно сделать чувствительными только области пересечений. В этом случае возможно применение ВОИЛ, которая представляет собой последовательное соединение точечных измерительных преобразователей [5] (рис. 1, б). Такая линия обладает большей помехозащищенностью.

ь

6X1) Г

Внешнее воздействие

Внешнее воздействие 1

а

б

Рис. 1. Волоконно-оптическая измерительная линия для создания распределенных измерительных сетей: а) с чувствительностью по всей длине; б) с чувствительностью в отдельных областях

Создание интегрирующей ВОИЛ возможно в случае использования для ее построения одноволоконного двухмодового интерферометра (ОДИ) [5]. ОДИ является основным компонентом для создания наиболее чувствительных волоконно-оптических датчиков физических величин - фазовых ВОД.

Как и в объемной оптике, принцип действия фазовых волоконно-оптических датчиков основан на регистрации интерферометрическим способом произошедших в результате внешних воздействий изменений фаз распространяющихся в волоконном световоде мод. Базой ОДИ является отрезок двухмодового волоконного световода, в котором распространяются две линейно поляризованные моды ЬР01 и ЬР11 Подобное устройство наиболее полно соответствует принципам построения интегрирующих измерительных линий, а картина интерференции на его выходе достаточно проста и легко обрабатывается [5], что делает перспективным использование ОДИ для создания ВОИЛ.

Рассмотрим применение ОДИ для создания распределенной волоконно-оптической измерительной сети, предназначенной для изучения незначительных поперечных колебаний поверхностей. Соотношение интенсивностей интерференционных пятен на выходе ОДИ определяется разностью фаз распространяющихся в волоконном световоде мод, которая изменяется при внешнем воздействии на измерительную линию. Чувствительность волоконного световода к незначительным (десятки микрометров) поперечным смещениям поверхности, на которой он закреплен, незначительна. Поэтому для исследования распределений амплитуды, интенсивности или связанных с ними скоростей и ускорений вибрационного поля конструкцию измерительной линии следует модифицировать, придав ей чувствительность к указанным параметрам. Поперечные колебания поверхности будут оказывать прямое воздействие на параметры излучения в волоконном световоде, если измерительную линию выполнить в виде набора чувствительных элементов (ЧЭ), содержащих участки ВС с закрепленными концами (рис. 2) [7].

Рис. 2. Чувствительный элемент волоконно-оптической измерительной линии для регистрации амплитуды поперечных колебаний поверхности: 1 - оптоволоконный кабель, 2 - корпус, 3 - инерционная масса, 4 -одноволоконный двухмодовый интерферометр, 5 - крепления, обеспечивающие натяжение ВС

3

4

Колебания отрезков ВС будут возбуждаться в таких ЧЭ под воздействием вибрации внешней среды так, как это происходит в классической задаче о поперечных колебаниях струны под воздействием внешней периодической силы. При этом для повышения чувствительности в области низких частот к центру отрезков ВС в каждом из ЧЭ крепится инерционная масса. Результирующая деформация изгиба и растяжения отрезков обусловливает фазовую чувствительность ВОИЛ к параметрам вибрационного поля.

Простота интерференционной картины ОДИ позволяет использовать различные методы ее обработки. В данной конструкции предпочтение отдано использованию устройства фазовой демодуляции, которое представляет собой волоконно-оптический пространственный фильтр [5]. При этом интенсивность излучения на выходе линии описывается выражением

I = I0(A + Bcos (C + D-AL)),

где I0 - интенсивность излучения на входе устройства фазовой демодуляции, AL -изменение длины волоконного световода ОДИ, A, B, C и D - константы, определяемые параметрами ОДИ и пространственного фильтра. Для одного ЧЭ при малой амплитуде колебаний зависимость между удлинением световода и поперечным смещением поверхностиу = y0cos(mt) линейная. Поэтому можно записать:

I = I0(A + Bcos(C + D1 - y cos(rnt))). где ю - частота колебаний поверхности, D2 - константа.

Константа C определяется положением рабочей точки ОДИ, которая может смещаться при изменении длины интерферометра вследствие изменения условий окружающей среды. Это приводит к необходимости контроля положения рабочей точки интерферометра, который осуществляется с использованием пьезокерамического модулятора, который изменяет длину ОДИ по гармоническому закону с постоянной амплитудой с частотой ю f= 2кГц. Изменение амплитуды соответствующей компоненты выходного сигнала измерительной линии позволяет осуществлять контроль положения рабочей точки ОДИ.

Максимальной чувствительностью интерферометр будет обладать в случае, когда рабочая точка находится на линейном участке передаточной характеристики. В этом случае сигнал на выходе интерферометра наиболее точно соответствует колебаниям поверхности, на которой закреплен чувствительный элемент. На рис. 3 представлена зависимость переменной составляющей выходного сигнала волоконно-оптической измерительной линии в случае, когда ее чувствительный элемент смещается в поперечном направлении с частотой ю = 43 Гц. На этом же рисунке представлена высокочастотная компонента выходного сигнала измерительной линии, соответствующая колебаниям опорного модулятора. Измерения проведены для оптимального положения рабочей точки ОДИ.

Если чувствительных элементов в линии несколько, а расстояния между ними много меньше характерного пространственного периода измеряемого поля, то изменение интенсивности излучения на выходе линии определяется суммой амплитуд колебаний точек поверхности у в которых закреплены ЧЭ:

I = I0

Если настроить ОДИ таким образом, чтобы рабочая точка находилась в центре линейной области косинусоидальной зависимости, то при малых колебаниях интенсивность излучения на выходе ВОИЛ будет описываться выражением

I = 10

0,7

Время

Рис. 3. Зависимость выходного сигнала измерительной линии от времени (нижняя линия). Верхняя линия - высокочастотная компонента, амплитуда которой характеризует положение рабочей точки интерферометра

Амплитуда переменной составляющей сигнала фотоприемника, установленного на выходе предлагаемой ВОИЛ, будет прямо пропорциональна суммарной амплитуде колебаний исследуемых точек поверхности, на которой уложена измерительная линия, что подтверждается экспериментальными исследованиями макетов описанной измерительной линии (рис. 4). При этом предполагается, что разность фаз колебаний в этих точках пренебрежимо мала либо отсутствует (случай стоячей волны).

На рис. 5 представлена схема укладки описанных ВОИЛ в распределенную измерительную сеть размерности 4 х 4. у ..у - амплитуды колебаний в шестнадцати точках исследуемой поверхности, х1..х15 - амплитуда изменения сигналов на выходах ВОИЛ.

Информационный массив [х ..х ], формируемый данной измерительной сетью, является набором томографических данных, по которым

Количество ЧЭ

Рис. 4. Зависимость амплитуды выходного сигнала ВОИЛ от количества чувствительных элементов

Х5

Х6

Х7

Х8

Чувствительные элементы

Рис. 5. Архитектура распределенной волоконно-оптической измерительной сети

с использованием итерационных алгоритмов осуществляется восстановление искомого распределения амплитуды поперечных колебаний исследуемой поверхности. На рис. 6 представлены результаты восстановления распределения амплитуды поперечных колебаний поверхности, на которой был уложен макет описанной распределенной волоконнооптической измерительной сети.

Итак, в настоящей работе представлены принципы организации и построения распределенной волоконно-оптической измерительной сети на основе одноволоконных двухмодовых интерферометров. Предложена конструкция волоконно-оптической измерительной линии, которая обеспечивает регистрацию интегрального воздействия поля поперечных деформаций на область укладки. Представлены результаты восстановления поля амплитуды поперечных колебаний исследуемой поверхности с использованием разработанной распределенной волоконно-оптической сети, демонстрирующие хорошее качество восстановления.

б

Рис. 6. Распределение амплитуды поперечных колебаний исследуемой поверхности: а) исходное; б) восстановленное

ЛИТЕРАТУРА

1. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: Машиностроение, 1987. 328 с.

2. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В, Петров Ю.С., Каменев О.Т. Восстановление векторных физических полей методом оптической томографии // Квантовая электрон. 1995. Т. 22, № 10. С. 1009-1012.

3. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С., Воробьев Ю.Д. Квазираспределенный волоконнооптический датчик // Измер. техника. 1994. № 1. С. 16-17.

4. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко O.B., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптической измерительной сети // Квантовая электрон. 1993. Т. 20, № 5. С. 711-714.

5. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: Физматлит, 2001. 272 с.

6. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. М.: Мир, 1990. 286 с.

7. Пат. 2066467 Российская Федерация. Сейсмоизмерительное устройство / Ю.Н.Кульчин, О.Б.Витрик, О.В.Кириченко, Ю.С.Петров; заявка 94005196 от 14.02.94. ВНИИГПЭ.

8. Distributed fiber optical sensors and measuring networks // Proc. of SPIE. 2001. Vol. 4357. 148 р.

9. Kulchin Yu.N., Vitrik O.B., Kirichenko O.V., Petrov Yu.S., Kamenev O.T. Fiber-optic measuring network for scalar and vector physical field investigation // Proc. SPIE. 1994. Vol. 2294. P. 165-173.