Физические основы работы распределённых волоконно-оптических сенсорных систем для измерения физических величин

Целью проекта является применение комплексного подхода к улучшению работы сенсорных систем на основе оптоволоконных компонентов, используемых для измерения различных физических величин. Проект направлен как на анализ физических принципов работы самих сенсорных элементов, так и на разработку устройств опроса сенсорных элементов с использованием источников когерентного излучения, а также поиск эффективных алгоритмов обработки сигналов. В 2022 году были получены следующие основные результаты: 1. Продемонстрирована возможность измерения распределения температуры вдоль одномо-дового волокна методом когерентной оптической частотной рефлектометрии с использова-нием самосканирующего волоконного лазера и рэлеевского рассеяния света на вморожен-ных в волокно неоднородностях. Для достижения этой цели была решена задача увеличения чувствительности схемы рефлектометра до уровня ~-120 дБ/мм. Показана линейная связь между изменением температуры волокна и смещением спектра отражения нагреваемого участка волокна длиной 4 см с чувствительностью ~2 ГГц/oC. 2. Продемонстрирована одночастотная непрерывная генерация в волоконном гольмиевом лазере со спектральной селекцией на основе насыщающегося поглотителя и проведено её экспериментальное исследование. Обнаружено, что динамика интенсивности генерации ла-зера сильно зависит от температуры насыщающегося поглотителя: импульсный режим с не-сколькими продольными модами при комнатной температуре и одночастотный режим с од-ной продольной модой при температуре жидкого азота. Относительный уровень шума со-ставил около -65 дБ/Гц, а мгновенная ширина линии не превышала 2 МГц. 3. Проведено сравнение характеристик двух схем устройств опроса оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР). В результате сравнения создано компактное устройство опроса ВБР на основе фильтра в виде широкополосной ВБР. Точность измерения температуры устройства опроса составила не хуже 0.25˚C. 4. Исследованы спектральные характеристики фотонной интегральной схемы на основе упорядоченной волноводной решетки и интерферометра Маха-Цандра, используемой в ка-честве спектрального элемента в устройстве опроса датчиков на основе ВБР. Предложены аналитическое описание регистрируемых сигналов и подходы к нахождению аналитических калибровочных коэффициентов. Полученные выражения были использованы как для калиб-ровки, так и для дальнейшей демодуляции сигнала на выходе ФИС. Точность демодуляции тестового сигнала составляет 100 пм. В 2023 году были получены следующие основные результаты: 1. Продемонстрирована возможность генерации ТГц-излучения и измерения спектров пропускания газов с использованием эрбиевого ССЛ. Увеличен диапазон перестройки эрбиевого ССЛ до ~300 ГГц. 2. Предложена и реализована методика для измерения спектра пропускания газа на основе когерентной оптической частотной рефлектометрии. Методика была применена для измерений пропускания паров воды в атмосферном воздухе. Полученные данные демонстрируют хорошее качественное согласие с расчетными данными базы HITRAN для линий поглощения воды в воздухе. Максимальная дальность измерения была ограничена шагом перестройки пробного лазера 12.5 м. Предложен метод достижения измерения продольного распределения поглощения с пространственным разрешением ~10 см. 3. Показано, что в когерентном оптическом частотном рефлектометре отношение сигнал-шум может быть увеличено на 15 дБ за счет применения выходного оптического усилителя. Показано, что использование самосканирующего лазера с непрерывной динамикой интенсивности позволяет улучшить отношение сигнал-шум на 25 дБ за счет увеличения времени усреднения на каждой оптической частоте. Продемонстрирована возможность проведения распределенных измерений с пространственным разрешением 2 см в волоконной линии длиной 5.35 м за время около 1 с, что ограничивает применимость метода для регистрации быстрых динамических процессов. 4. Разработан макет устройства опроса ВБР датчиков для фотонно-интегральной схемы на основе упорядоченной волноводной решетки с перекрестными каналами. Погрешность измерения длины волны составила 65 пм. Предложены подходы для уменьшения погрешности измерения до 25 пм. В 2024 году были получены следующие основные результаты: 1. Предложен метод высокочастотного опроса волоконно-оптических датчиков на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП) с использованием многоканальной упорядоченной волноводной решетки (УВР). Экспериментально продемонстрирован опрос ИФП-датчика на частоте 100 Гц с точностью 2.5% от диапазона измерения с использованием 4-канальной УВР 2. Предложен метод увеличения сигнал/шум при измерении спектров отражения волоконных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток, основанный на применении самосканирующего лазера с непрерывной динамикой интенсивности. Экспериментально показано увеличение отношения сигнал/шум в 16 раз. 3. Предложен метод разделения температурных и деформационных откликов в волоконно-оптических сенсорных системах, основанный на измерениях спектров рассеяния Рэлея и усиления Мандельштама-Бриллюэна с помощью высококогерентного самосканирующего лазера. Экспериментально продемонстрирован бриллюэновский анализатор с пространственным разрешением 10 м и чувствительностью измерения деформации и температуры 40 με и 2°С, соответственно при длине линии 24.9 км. По результатам работ. опубликовано 18 научных работ в изданиях, индексируемых в базе Scopus, и опубликовано 8 статей в материалах конференций (РИНЦ). Кроме того, часть исследований представлена в кандидатской диссертации: Поддубровский Никита Романович «Разработка и применение эрбиевых непрерывных одночастотных самосканирующих лазеров» (защита прошла в ИАиЭ СО РАН 24 декабря 2024 г.) Отчет состоит из 3-х частей и содержит 67 с., 36 рис., 32 источников литературы, 2 приложения.