ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОН
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................ 4
ГЛАВА 1. Обзор литературы.................................................................................................. 10
Раздел 1.1. Современные схемы построения волоконно-оптических гидроакустических
датчиков................................................................................................................................. 10
Раздел 1.2. Методы демодуляции интерференционных сигналов .................................. 35
Раздел 1.3. Конструкции чувствительных элементов волоконно-оптических
гидрофонов............................................................................................................................ 42
Раздел 1.4. Единицы измерения чувствительности гидрофонов..................................... 49
Выводы по главе 1 ................................................................................................................ 50
ГЛАВА 2. Моделирование чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона ................................................................................................................................. 52
Раздел 2.1. Построение математической модели чувствительного элемента ................ 52
Раздел 2.2. Временной анализ деформации чувствительного элемента......................... 59
Раздел 2.3. Частотный анализ деформации чувствительного элемента ......................... 62
Раздел 2.4. Модель нового чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона.............................................................................................................................. 68
Выводы по главе 2 ................................................................................................................ 73
ГЛАВА 3. Математический анализ и моделирование схем гомодинной демодуляции
сигналов .................................................................................................................................... 75
Раздел 3.1. Схема гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения75
Раздел 3.2. Схема гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса............................................................................................................................ 92
Раздел 3.3. Сравнение рассмотренных схем гомодинной демодуляции ...................... 100
Выводы по главе 3 .............................................................................................................. 105
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование алгоритмов гомодинной демодуляции .. 107
Раздел 4.1. Схема макета волоконно-оптического датчика гидроакустического
давления............................................................................................................................... 107
Раздел 4.2. Реализация на ПЛИС алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов ... 110
3
Раздел 4.3. Методика проведения экспериментального исследования алгоритмов
демодуляции........................................................................................................................ 113
Раздел 4.4. Результаты экспериментального сравнения алгоритмов гомодинной
демодуляции........................................................................................................................ 116
Выводы по главе 4 .............................................................................................................. 121
ГЛАВА 5. Создание и экспериментальное исследование волоконно-оптического
гидрофона ............................................................................................................................... 123
Раздел 5.1. Схема действующего макета волоконно-оптического гидрофона ............ 123
Раздел 5.2. Реализация на ПЛИС выбранного алгоритма демодуляции сигналов ...... 125
Раздел 5.3. Создание нового чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона............................................................................................................................ 126
Раздел 5.4. Методика проведения испытаний макета волоконно-оптического
гидрофона............................................................................................................................ 129
Раздел 5.5. Экспериментальные результаты оценки параметров волоконнооптического гидрофона...................................................................................................... 131
Выводы по главе 5 .............................................................................................................. 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................... 138
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................................... 142
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 143
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................ 4
ГЛАВА 1. Обзор литературы.................................................................................................. 10
Раздел 1.1. Современные схемы построения волоконно-оптических гидроакустических
датчиков................................................................................................................................. 10
Раздел 1.2. Методы демодуляции интерференционных сигналов .................................. 35
Раздел 1.3. Конструкции чувствительных элементов волоконно-оптических
гидрофонов............................................................................................................................ 42
Раздел 1.4. Единицы измерения чувствительности гидрофонов..................................... 49
Выводы по главе 1 ................................................................................................................ 50
ГЛАВА 2. Моделирование чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона ................................................................................................................................. 52
Раздел 2.1. Построение математической модели чувствительного элемента ................ 52
Раздел 2.2. Временной анализ деформации чувствительного элемента......................... 59
Раздел 2.3. Частотный анализ деформации чувствительного элемента ......................... 62
Раздел 2.4. Модель нового чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона.............................................................................................................................. 68
Выводы по главе 2 ................................................................................................................ 73
ГЛАВА 3. Математический анализ и моделирование схем гомодинной демодуляции
сигналов .................................................................................................................................... 75
Раздел 3.1. Схема гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения75
Раздел 3.2. Схема гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса............................................................................................................................ 92
Раздел 3.3. Сравнение рассмотренных схем гомодинной демодуляции ...................... 100
Выводы по главе 3 .............................................................................................................. 105
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование алгоритмов гомодинной демодуляции .. 107
Раздел 4.1. Схема макета волоконно-оптического датчика гидроакустического
давления............................................................................................................................... 107
Раздел 4.2. Реализация на ПЛИС алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов ... 110
3
Раздел 4.3. Методика проведения экспериментального исследования алгоритмов
демодуляции........................................................................................................................ 113
Раздел 4.4. Результаты экспериментального сравнения алгоритмов гомодинной
демодуляции........................................................................................................................ 116
Выводы по главе 4 .............................................................................................................. 121
ГЛАВА 5. Создание и экспериментальное исследование волоконно-оптического
гидрофона ............................................................................................................................... 123
Раздел 5.1. Схема действующего макета волоконно-оптического гидрофона ............ 123
Раздел 5.2. Реализация на ПЛИС выбранного алгоритма демодуляции сигналов ...... 125
Раздел 5.3. Создание нового чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона............................................................................................................................ 126
Раздел 5.4. Методика проведения испытаний макета волоконно-оптического
гидрофона............................................................................................................................ 129
Раздел 5.5. Экспериментальные результаты оценки параметров волоконнооптического гидрофона...................................................................................................... 131
Выводы по главе 5 .............................................................................................................. 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................... 138
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................................... 142
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 143
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Акустические волны, в отличие от электромагнитных,
способны распространяться в водной среде на значительные расстояния. Поэтому
в водной среде большинство дистанционных измерений осуществляется с
помощью средств гидроакустики. Так, например, гидролокация позволяет решать
задачи судоходства военных и гражданских судов, а компактные и протяженные
гидроакустические системы активно используются для геофизической разведки
углеводородов на арктическом морском шельфе, в системах мониторинга и
охраны акваторий морских портов, а также для осуществления гидроакустической
связи.
Долгое время гидроакустические измерения проводились с использованием
приборов, построенных на пьезокерамических чувствительных элементах. Однако
такие чувствительные элементы обладают некоторыми существенными
недостатками – они имеют большой вес и объем, и их достаточно сложно
мультиплексировать.
Поэтому в последнее время все более широкое распространение получают
гидроакустические системы, построенные на основе волоконно-оптических
интерферометрических датчиков. Эта тенденция обусловлена рядом преимуществ
волоконно-оптических интерферометрических датчиков над традиционными –
они обладают высокой чувствительностью, устойчивы к электромагнитным
помехам, электрически пассивны, имеют малые вес и объем и легко
мультиплексируются.
Однако, несмотря на значительные успехи в области построения
современных волоконно-оптических измерительных гидроакустических систем,
все еще существует ряд проблем, связанных с созданием волоконно-оптических
гидрофонов, обладающих высокой чувствительностью и большим динамическим
диапазоном в широкой полосе частот. Поэтому детального исследования требуют
вопросы обеспечения высокой чувствительности волоконно-оптических
гидроакустических датчиков, определения оптимальных алгоритмов демодуляции
сигналов и их параметров, обеспечивающих достижение заданных значений
5
динамического диапазона в рабочей полосе частот.
Целью работы является создание волоконно-оптического гидрофона,
обладающего высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном
в широком диапазоне частот, и исследование его характеристик.
Для достижения этой цели требуется решение ряда задач:
- анализ существующих методов построения волоконно-оптических датчиков
гидроакустического давления и выбор оптимальной оптической схемы для
волоконно-оптического гидрофона;
- выбор конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона с учетом известных методов увеличения гидроакустической
чувствительности оптического волокна;
- создание математической модели чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющей определять влияние параметров
чувствительного элемента на чувствительность волоконно-оптического
гидрофона;
- анализ существующих методов демодуляции сигналов волоконнооптических датчиков гидроакустического давления и выбор алгоритмов для
схемы обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона;
- построение математических моделей выбранных алгоритмов демодуляции
сигналов для определения влияния их параметров на выходной сигнал волоконнооптического гидрофона;
- экспериментальное исследование рассмотренных алгоритмов демодуляции
сигналов в одинаковых условиях и выбор оптимального алгоритма демодуляции
для схемы обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона;
- создание действующего макета волоконно-оптического гидрофона на
основе выбранной конструкции чувствительного элемента и исследование его
характеристик с использованием выбранного алгоритма демодуляции сигналов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
1. Впервые построена математическая модель чувствительного элемента
волоконно-оптического гидрофона, позволяющая оценивать взаимодействие
6
акустического поля плоской волны с чувствительным элементом в частотной и
временной областях и определять влияние параметров чувствительного элемента
на чувствительность гидрофона.
2. Впервые создан и исследован волоконно-оптический гидрофон на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц.
3. Впервые построены математические модели схем гомодинной
демодуляции сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления
значений функции арктангенса для фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков, описывающие влияние параметров схем
демодуляции на выходной сигнал.
4. Предложена оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов, обеспечивающих
требуемое значение верхней границы динамического диапазона схем гомодинной
демодуляции на заданной частоте измеряемого фазового сигнала.
5. Впервые проведено экспериментальное сравнение двух рассмотренных
алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях,
результаты которого показали, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе
вычисления значений функции арктангенса является оптимальным для
применения в фазовых волоконно-оптических интерферометрических датчиках.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Построенная математическая модель чувствительного элемента
волоконно-оптического гидрофона позволяет определять характер
взаимодействия акустического поля плоской волны с чувствительным элементом
и подбирать оптимальные параметры чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, обеспечивающие его максимальную чувствительность в
заданной полосе частот.
7
2. Создан и исследован волоконно-оптический гидрофон на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силаксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц, который может быть использован как
точечный волоконно-оптический датчик гидроакустического давления.
3. Построенные математические модели схем гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса позволили выявить и исследовать нелинейный характер их
амплитудных характеристик. Результаты моделирования позволили определить
параметры этих схем гомодинной демодуляции, оказывающие влияние на
размеры линейных участков их амплитудных характеристик и значение верхней
границы динамического диапазона на заданной частоте измеряемого фазового
сигнала.
4. Предложенная оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов позволяет производить
расчет параметров этих схем демодуляции, обеспечивающих требуемое значение
верхней границы динамического диапазона на заданной частоте измеряемого
фазового сигнала.
5. Экспериментальное сравнение двух рассмотренных алгоритмов
гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях показало, что
алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса является оптимальным для применения в фазовых волоконнооптических интерферометрических датчиках.
Защищаемые положения:
1. Математическая модель чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющая оценивать взаимодействие акустического
поля плоской волны с чувствительным элементом в частотной и временной
областях и определять влияние параметров чувствительного элемента на
8
чувствительность гидрофона.
2. Конструкция волоконно-оптического гидрофона на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненного на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц.
3. Математические модели схем гомодинной демодуляции сигналов на
основе перекрестного перемножения и вычисления значений функции
арктангенса для фазовых волоконно-оптических интерферометрических датчиков,
описывающие влияние параметров схем демодуляции на выходной сигнал.
4. Методика расчета параметров двух рассмотренных схем гомодинной
демодуляции сигналов, обеспечивающих требуемое значение верхней границы
динамического диапазона схем гомодинной демодуляции на заданной частоте
измеряемого фазового сигнала.
5. Результаты экспериментального сравнения двух рассмотренных
алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях,
показывающие, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления
значений функции арктангенса является оптимальным для применения в фазовых
волоконно-оптических интерферометрических датчиках.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых
(Санкт-Петербург, Россия, 2011); на I, II и III Всероссийских конгрессах молодых
ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2014); доклад на секции «ОптикоЭлектронное Приборостроение» I Всероссийского конгресса молодых ученых
был удостоен благодарности за отлично подготовленное и проведенное научное
выступление; на XLI, XLII, XLIII научных и учебно-методических конференциях
НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2013); на международной научнопрактической конференции «Sensorica – 2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования
9
используются на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики при создании рабочих макетов волоконно-оптических
гидроакустических датчиков на брэгговских решетках при выполнении
совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ
«Технопарк-Мордовия» и ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях,
входящих в список ВАК (из них 1 статья в издании, включенном в систему
цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен
в конце автореферата и составляет 14 наименований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит
73 рисунка и 6 таблиц, список цитированной литературы представлен 132
наименованиями.
Актуальность темы. Акустические волны, в отличие от электромагнитных,
способны распространяться в водной среде на значительные расстояния. Поэтому
в водной среде большинство дистанционных измерений осуществляется с
помощью средств гидроакустики. Так, например, гидролокация позволяет решать
задачи судоходства военных и гражданских судов, а компактные и протяженные
гидроакустические системы активно используются для геофизической разведки
углеводородов на арктическом морском шельфе, в системах мониторинга и
охраны акваторий морских портов, а также для осуществления гидроакустической
связи.
Долгое время гидроакустические измерения проводились с использованием
приборов, построенных на пьезокерамических чувствительных элементах. Однако
такие чувствительные элементы обладают некоторыми существенными
недостатками – они имеют большой вес и объем, и их достаточно сложно
мультиплексировать.
Поэтому в последнее время все более широкое распространение получают
гидроакустические системы, построенные на основе волоконно-оптических
интерферометрических датчиков. Эта тенденция обусловлена рядом преимуществ
волоконно-оптических интерферометрических датчиков над традиционными –
они обладают высокой чувствительностью, устойчивы к электромагнитным
помехам, электрически пассивны, имеют малые вес и объем и легко
мультиплексируются.
Однако, несмотря на значительные успехи в области построения
современных волоконно-оптических измерительных гидроакустических систем,
все еще существует ряд проблем, связанных с созданием волоконно-оптических
гидрофонов, обладающих высокой чувствительностью и большим динамическим
диапазоном в широкой полосе частот. Поэтому детального исследования требуют
вопросы обеспечения высокой чувствительности волоконно-оптических
гидроакустических датчиков, определения оптимальных алгоритмов демодуляции
сигналов и их параметров, обеспечивающих достижение заданных значений
5
динамического диапазона в рабочей полосе частот.
Целью работы является создание волоконно-оптического гидрофона,
обладающего высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном
в широком диапазоне частот, и исследование его характеристик.
Для достижения этой цели требуется решение ряда задач:
- анализ существующих методов построения волоконно-оптических датчиков
гидроакустического давления и выбор оптимальной оптической схемы для
волоконно-оптического гидрофона;
- выбор конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического
гидрофона с учетом известных методов увеличения гидроакустической
чувствительности оптического волокна;
- создание математической модели чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющей определять влияние параметров
чувствительного элемента на чувствительность волоконно-оптического
гидрофона;
- анализ существующих методов демодуляции сигналов волоконнооптических датчиков гидроакустического давления и выбор алгоритмов для
схемы обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона;
- построение математических моделей выбранных алгоритмов демодуляции
сигналов для определения влияния их параметров на выходной сигнал волоконнооптического гидрофона;
- экспериментальное исследование рассмотренных алгоритмов демодуляции
сигналов в одинаковых условиях и выбор оптимального алгоритма демодуляции
для схемы обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона;
- создание действующего макета волоконно-оптического гидрофона на
основе выбранной конструкции чувствительного элемента и исследование его
характеристик с использованием выбранного алгоритма демодуляции сигналов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
1. Впервые построена математическая модель чувствительного элемента
волоконно-оптического гидрофона, позволяющая оценивать взаимодействие
6
акустического поля плоской волны с чувствительным элементом в частотной и
временной областях и определять влияние параметров чувствительного элемента
на чувствительность гидрофона.
2. Впервые создан и исследован волоконно-оптический гидрофон на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц.
3. Впервые построены математические модели схем гомодинной
демодуляции сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления
значений функции арктангенса для фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков, описывающие влияние параметров схем
демодуляции на выходной сигнал.
4. Предложена оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов, обеспечивающих
требуемое значение верхней границы динамического диапазона схем гомодинной
демодуляции на заданной частоте измеряемого фазового сигнала.
5. Впервые проведено экспериментальное сравнение двух рассмотренных
алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях,
результаты которого показали, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе
вычисления значений функции арктангенса является оптимальным для
применения в фазовых волоконно-оптических интерферометрических датчиках.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Построенная математическая модель чувствительного элемента
волоконно-оптического гидрофона позволяет определять характер
взаимодействия акустического поля плоской волны с чувствительным элементом
и подбирать оптимальные параметры чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, обеспечивающие его максимальную чувствительность в
заданной полосе частот.
7
2. Создан и исследован волоконно-оптический гидрофон на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силаксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц, который может быть использован как
точечный волоконно-оптический датчик гидроакустического давления.
3. Построенные математические модели схем гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса позволили выявить и исследовать нелинейный характер их
амплитудных характеристик. Результаты моделирования позволили определить
параметры этих схем гомодинной демодуляции, оказывающие влияние на
размеры линейных участков их амплитудных характеристик и значение верхней
границы динамического диапазона на заданной частоте измеряемого фазового
сигнала.
4. Предложенная оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов позволяет производить
расчет параметров этих схем демодуляции, обеспечивающих требуемое значение
верхней границы динамического диапазона на заданной частоте измеряемого
фазового сигнала.
5. Экспериментальное сравнение двух рассмотренных алгоритмов
гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях показало, что
алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса является оптимальным для применения в фазовых волоконнооптических интерферометрических датчиках.
Защищаемые положения:
1. Математическая модель чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющая оценивать взаимодействие акустического
поля плоской волны с чувствительным элементом в частотной и временной
областях и определять влияние параметров чувствительного элемента на
8
чувствительность гидрофона.
2. Конструкция волоконно-оптического гидрофона на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненного на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре, с чувствительностью до 8 рад/Па на частоте 1 кГц и не
менее 0,4 рад/Па на частоте 8 кГц.
3. Математические модели схем гомодинной демодуляции сигналов на
основе перекрестного перемножения и вычисления значений функции
арктангенса для фазовых волоконно-оптических интерферометрических датчиков,
описывающие влияние параметров схем демодуляции на выходной сигнал.
4. Методика расчета параметров двух рассмотренных схем гомодинной
демодуляции сигналов, обеспечивающих требуемое значение верхней границы
динамического диапазона схем гомодинной демодуляции на заданной частоте
измеряемого фазового сигнала.
5. Результаты экспериментального сравнения двух рассмотренных
алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов в одинаковых условиях,
показывающие, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления
значений функции арктангенса является оптимальным для применения в фазовых
волоконно-оптических интерферометрических датчиках.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых
(Санкт-Петербург, Россия, 2011); на I, II и III Всероссийских конгрессах молодых
ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2014); доклад на секции «ОптикоЭлектронное Приборостроение» I Всероссийского конгресса молодых ученых
был удостоен благодарности за отлично подготовленное и проведенное научное
выступление; на XLI, XLII, XLIII научных и учебно-методических конференциях
НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2013); на международной научнопрактической конференции «Sensorica – 2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования
9
используются на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики при создании рабочих макетов волоконно-оптических
гидроакустических датчиков на брэгговских решетках при выполнении
совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ
«Технопарк-Мордовия» и ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях,
входящих в список ВАК (из них 1 статья в издании, включенном в систему
цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен
в конце автореферата и составляет 14 наименований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит
73 рисунка и 6 таблиц, список цитированной литературы представлен 132
наименованиями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе настоящего исследования получены следующие основные
результаты:
• Рассмотрены существующие способы построения волоконно-оптических
интерферометрических датчиков гидроакустического давления.
Определены основные преимущества и недостатки существующих
интерферометрических схем. В качестве оптической схемы для волоконнооптического гидрофона выбрана схема на основе ВБР, обеспечивающая
возможность мультиплексирования большого числа датчиков
гидроакустического давления на едином оптическом волокне.
• Построена математическая модель чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющая производить оценку влияния
параметров материала чувствительного элемента и его геометрии на
чувствительность гидрофона. Показано, что чувствительность волоконнооптического гидрофона с чувствительным элементом, выполненным в виде
эластичного сердечника, уменьшается с ростом акустической частоты,
увеличивается при уменьшении модуля Юнга и коэффициента Пуассона
материала сердечника, и увеличивается при увеличении радиуса и высоты
сердечника в ограниченной полосе частот. Для обеспечения максимальной
чувствительности волоконно-оптического гидрофона в заданном диапазоне
частот необходим баланс между параметрами материала чувствительного
элемента и его геометрией.
• Предложена новая конструкция чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, предусматривающая намотку оптического волокна
на эластичный сердечник, выполненный из двухкомпонентного
силоксанового эластомера, отверждаемого при комнатной температуре.
Согласно результатам проведенного математического моделирования,
предложенная конструкция чувствительного элемента может быть
использована для создания волоконного оптического гидрофона, а его
чувствительность будет убывать с ростом частоты.
139
• Проанализированы существующие методы демодуляции сигналов
волоконно-оптических интерферометрических датчиков
гидроакустического давления. В качестве методов демодуляции для схемы
обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона выбраны методы
гомодинной демодуляции, ввиду простоты их реализации, отсутствия петли
обратной связи и независимости выходного сигнала от положения рабочей
точки интерферометра.
• Проведен математический анализ алгоритмов гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса, в ходе которого исследованы зависимости выходного
сигнала схем демодуляции от мощности оптического излучения, глубины
фазовой модуляции и параметров схем демодуляции.
• Построены математические модели схем гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса для фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков, описывающие влияние параметров схем
демодуляции на выходной сигнал.
• Показано, что амплитудные характеристики рассматриваемых схем
гомодинной демодуляции имеют нелинейный характер, а верхняя граница
динамического диапазона зависит от полосы пропускания ФНЧ. Поэтому
обеспечение заданных требований к верхней границе динамического
диапазона на заданной частоте измеряемого фазового сигнала требует
специального расчета полосы пропускания ФНЧ.
• Предложена оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов, обеспечивающих
требуемое значение верхней границы динамического диапазона на заданной
частоте измеряемого фазового сигнала.
• Реализованы на ПЛИС алгоритмы гомодинной демодуляции на основе
перекрестного перемножения и вычисления значений функции арктангенса.
Проведено их экспериментальное сравнение в одинаковых условиях.
140
Результаты эксперимента показывают, что амплитуда выходного сигнала в
схеме гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса не зависит от мощности оптического излучения, что
согласуется с результатами проведенного математического анализа и
моделирования. Кроме того, алгоритм гомодинной демодуляции на основе
вычисления значений функции арктангенса обеспечивает большее на 7 дБ
отношение сигнал/шум для выходного сигнала, чем алгоритм гомодинной
демодуляции на основе перекрестного перемножения во всей рабочей
полосе частот и при различных уровнях мощности оптического излучения.
• По результатам экспериментального сравнения в качестве оптимального
алгоритма демодуляции сигналов для волоконно-оптического гидрофона
выбран алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений
функции арктангенса, поскольку независимость амплитуды выходного
сигнала схемы демодуляции от уровня оптической мощности снижает
требования к постоянству оптического бюджета волоконно-оптического
гидрофона и обеспечивает большую повторяемость его характеристик.
• Создан действующий макет волоконно-оптического гидрофона на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре. В схеме обработки сигналов волоконнооптического гидрофона использован выбранный ранее и реализованный на
ПЛИС алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений
функции арктангенса.
• Проведена экспериментальная оценка параметров действующего макета
волоконно-оптического гидрофона. Результаты измерений показали, что
чувствительность исследуемого волоконно-оптического гидрофона
уменьшается с ростом частоты акустического излучения в соответствии с
результатами проведенного математического моделирования и принимает
значения от 8,17 (на 1 кГц) до 0,44 (на 8 кГц) рад/Па. Динамический
141
диапазон исследуемого гидрофона составил 96,47 дБ, 86,17 дБ и 72,3 дБ на
частотах гидроакустического излучения 1 кГц, 3 кГц и 8 кГц
соответственно. Уровень собственных шумов во всей исследуемой полосе
частот не превысил 330 мкрад/Гц. Минимально обнаружимое давление с
учетом чувствительности исследуемого волоконно-оптического гидрофона
составило от 39 мкПа до 674 мкПа в полосе частот от 1 кГц до 8 кГц.
Дальнейшее улучшение характеристик волоконно-оптического гидрофона
предусматривает увеличение его чувствительности и динамического диапазона.
Увеличение чувствительности волоконно-оптического гидрофона
рассматриваемой конструкции может производиться путем выбора нового
материала чувствительного элемента или изменением его геометрии.
Увеличение динамического диапазона волоконно-оптического гидрофона
может осуществляться двумя способами – увеличением верхней границы
динамического диапазона и уменьшением уровня минимально обнаружимого
давления. Для увеличения верхней границы динамического диапазона требуется
изменение параметров используемой схемы гомодинной демодуляции в части
расширения полосы пропускания ФНЧ и увеличения частоты фазовой модуляции.
Для уменьшения уровня минимального обнаружимого давления необходимо
снижение уровня собственных шумов волоконно-оптического гидрофона.
В ходе настоящего исследования получены следующие основные
результаты:
• Рассмотрены существующие способы построения волоконно-оптических
интерферометрических датчиков гидроакустического давления.
Определены основные преимущества и недостатки существующих
интерферометрических схем. В качестве оптической схемы для волоконнооптического гидрофона выбрана схема на основе ВБР, обеспечивающая
возможность мультиплексирования большого числа датчиков
гидроакустического давления на едином оптическом волокне.
• Построена математическая модель чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, позволяющая производить оценку влияния
параметров материала чувствительного элемента и его геометрии на
чувствительность гидрофона. Показано, что чувствительность волоконнооптического гидрофона с чувствительным элементом, выполненным в виде
эластичного сердечника, уменьшается с ростом акустической частоты,
увеличивается при уменьшении модуля Юнга и коэффициента Пуассона
материала сердечника, и увеличивается при увеличении радиуса и высоты
сердечника в ограниченной полосе частот. Для обеспечения максимальной
чувствительности волоконно-оптического гидрофона в заданном диапазоне
частот необходим баланс между параметрами материала чувствительного
элемента и его геометрией.
• Предложена новая конструкция чувствительного элемента волоконнооптического гидрофона, предусматривающая намотку оптического волокна
на эластичный сердечник, выполненный из двухкомпонентного
силоксанового эластомера, отверждаемого при комнатной температуре.
Согласно результатам проведенного математического моделирования,
предложенная конструкция чувствительного элемента может быть
использована для создания волоконного оптического гидрофона, а его
чувствительность будет убывать с ростом частоты.
139
• Проанализированы существующие методы демодуляции сигналов
волоконно-оптических интерферометрических датчиков
гидроакустического давления. В качестве методов демодуляции для схемы
обработки сигналов волоконно-оптического гидрофона выбраны методы
гомодинной демодуляции, ввиду простоты их реализации, отсутствия петли
обратной связи и независимости выходного сигнала от положения рабочей
точки интерферометра.
• Проведен математический анализ алгоритмов гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса, в ходе которого исследованы зависимости выходного
сигнала схем демодуляции от мощности оптического излучения, глубины
фазовой модуляции и параметров схем демодуляции.
• Построены математические модели схем гомодинной демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения и вычисления значений
функции арктангенса для фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков, описывающие влияние параметров схем
демодуляции на выходной сигнал.
• Показано, что амплитудные характеристики рассматриваемых схем
гомодинной демодуляции имеют нелинейный характер, а верхняя граница
динамического диапазона зависит от полосы пропускания ФНЧ. Поэтому
обеспечение заданных требований к верхней границе динамического
диапазона на заданной частоте измеряемого фазового сигнала требует
специального расчета полосы пропускания ФНЧ.
• Предложена оригинальная методика расчета параметров двух
рассмотренных схем гомодинной демодуляции сигналов, обеспечивающих
требуемое значение верхней границы динамического диапазона на заданной
частоте измеряемого фазового сигнала.
• Реализованы на ПЛИС алгоритмы гомодинной демодуляции на основе
перекрестного перемножения и вычисления значений функции арктангенса.
Проведено их экспериментальное сравнение в одинаковых условиях.
140
Результаты эксперимента показывают, что амплитуда выходного сигнала в
схеме гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции
арктангенса не зависит от мощности оптического излучения, что
согласуется с результатами проведенного математического анализа и
моделирования. Кроме того, алгоритм гомодинной демодуляции на основе
вычисления значений функции арктангенса обеспечивает большее на 7 дБ
отношение сигнал/шум для выходного сигнала, чем алгоритм гомодинной
демодуляции на основе перекрестного перемножения во всей рабочей
полосе частот и при различных уровнях мощности оптического излучения.
• По результатам экспериментального сравнения в качестве оптимального
алгоритма демодуляции сигналов для волоконно-оптического гидрофона
выбран алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений
функции арктангенса, поскольку независимость амплитуды выходного
сигнала схемы демодуляции от уровня оптической мощности снижает
требования к постоянству оптического бюджета волоконно-оптического
гидрофона и обеспечивает большую повторяемость его характеристик.
• Создан действующий макет волоконно-оптического гидрофона на
двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей
оболочкой и записанными в него брэгговскими решетками, выполненный на
основе двухкомпонентного силоксанового эластомера, отверждаемого при
комнатной температуре. В схеме обработки сигналов волоконнооптического гидрофона использован выбранный ранее и реализованный на
ПЛИС алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений
функции арктангенса.
• Проведена экспериментальная оценка параметров действующего макета
волоконно-оптического гидрофона. Результаты измерений показали, что
чувствительность исследуемого волоконно-оптического гидрофона
уменьшается с ростом частоты акустического излучения в соответствии с
результатами проведенного математического моделирования и принимает
значения от 8,17 (на 1 кГц) до 0,44 (на 8 кГц) рад/Па. Динамический
141
диапазон исследуемого гидрофона составил 96,47 дБ, 86,17 дБ и 72,3 дБ на
частотах гидроакустического излучения 1 кГц, 3 кГц и 8 кГц
соответственно. Уровень собственных шумов во всей исследуемой полосе
частот не превысил 330 мкрад/Гц. Минимально обнаружимое давление с
учетом чувствительности исследуемого волоконно-оптического гидрофона
составило от 39 мкПа до 674 мкПа в полосе частот от 1 кГц до 8 кГц.
Дальнейшее улучшение характеристик волоконно-оптического гидрофона
предусматривает увеличение его чувствительности и динамического диапазона.
Увеличение чувствительности волоконно-оптического гидрофона
рассматриваемой конструкции может производиться путем выбора нового
материала чувствительного элемента или изменением его геометрии.
Увеличение динамического диапазона волоконно-оптического гидрофона
может осуществляться двумя способами – увеличением верхней границы
динамического диапазона и уменьшением уровня минимально обнаружимого
давления. Для увеличения верхней границы динамического диапазона требуется
изменение параметров используемой схемы гомодинной демодуляции в части
расширения полосы пропускания ФНЧ и увеличения частоты фазовой модуляции.
Для уменьшения уровня минимального обнаружимого давления необходимо
снижение уровня собственных шумов волоконно-оптического гидрофона.



