Исследование и разработка высокочувствительных волоконно-оптических сенсорных систем для измерения абсолютных и относительных деформаций, а также сейсмических и акустических полей, с использованием неселективных спектральных отражателей и фемтосекундных лазерных источников излучения

Датчики являются основными компонентами систем мониторинга, которые являются ключевыми элементами непрерывной автоматической и автоматизированной работы промышленных и инфраструктурных объектов. Наиболее перспективным направлением исследований и разработки является применение новейших достижений технологий фотоники и волоконно-оптической сенсорики для замены традиционных измерительных систем. Волоконные датчики применяются для контроля и мониторинга практически всех физических параметров, их использование, во многом, обеспечивает надежность, чувствительность и производительность недостижимую классическими электрическими сенсорами. В настоящее время распределённые волоконно-оптические датчики широко распространены и применяются в различных областях. Они позволяют контролировать вибрации в системах охраны периметров, температуру для регистрации утечек в трубопроводах, деформации пластов земли в системах мониторинга дорог, а также используются для множества схожих задач. Однако при всех достоинствах рассматриваемой технологии на данный момент существует ряд недостатков, ограничивающих применение оптоволоконных систем. Распределенные волоконно-оптические акустические датчики на основе когерентного фазочувствительного рефлектометра нашли применение для контроля периметров и протяженных объектов посредством регистрации и анализа акустических и сейсмических полей. Задача распознавания и классификации источника сейсмоакустического воздействия на данный момент полностью не решена. Проблема заключается в нелинейной, недетерминированной природе акустооптического отклика системы, что в свою очередь делает невозможным восстановление исходного сигнала. Для распределённых интерферометров Саньяка актуальна проблема высокой погрешности в определении координаты воздействия, в условиях сильного воздействия алгоритмы могут давать километровые отклонения. Предлагаемые к исследованию схемы фазочувствительного рефлектометра на основе слабоотражающих волоконных брэгговских решёток и распределённого интерферометра Саньяка на основе двух встречных петель позволяют устранить указанные недостатки и получить системы качественно нового уровня. Актуальной является также задача расширения функционала волоконно-оптических датчиков для мониторинга протяжённых объектов. Это может быть достигнуто путём разработки и включения в их состав волоконных микрофонов для предотвращения и обнаружения утечек на трубопроводах и несанкционированных врезок, проникновений на территорию предприятий. Распределённый волоконный микрофон может применяться также и в качестве самостоятельной системы, позволяющей обнаруживать низколетящие беспилотные летательные аппараты (БПЛА), осуществлять мониторинг состояния границ и обеспечивать транспортную безопасность. Большой интерес представляет создание волоконно-оптических систем мониторинга, обеспечивающих количественное измерение деформаций. На данном этапе развития волоконных систем мониторинга не существует системы, позволяющей измерять деформации в реальном времени (с частотой более 10 Гц) с высоким пространственным разрешением. Существующие системы на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна позволяют измерять деформации с частотой не более 1 Гц, фазочувствительные рефлектометры позволяют качественно отобразить вибрации с частотой порядка 1 кГц, но не сохраняют информацию об их амплитуде, волоконные брэгговские решётки являются квази-распределёнными датчиками и не позволяют осуществлять мониторинг объектов большой протяжённости. Разработанная система будет являться следующим шагом развития распределённых волоконно-оптических сенсорных систем, объединяя в себе способность рефлектометров на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна по количественному измерению деформаций и частоту и пространственное разрешение измерений, производимых фазочувствительным рефлектометром. В результате будет получена возможность создания системы мониторинга, обеспечивающей отслеживание перемещения автомобиля или поезда по дороге, при этом контролирующей через акустические сигнатуры сигналов как качество дороги, так и состояние трассы, определяющей давление на грунт. Для такой системы также важен контроль температуры волоконного сенсора с высоким разрешением, для компенсации температурных флуктуаций. Это планируется реализовать на основе фемтосекундных лазерных источников. В исследовании предполагается использование принципа временной рефлектометрии для локализации точек измерения температуры. Если входной оптический сигнал представляет собой импульсный сигнал, то локация модулированного сигнала по оптическому волокну от температуры или изменения напряжения может быть измерена с помощью временной задержки импульсного сигнала. Понятно, что пространственное разрешение распределённого волоконно-оптического датчика температуры определяется длительностью зондирующего импульса, а именно это свёртка пространственной ширины импульса в оптическом волокне с функцией отклика системы. Именно поэтому для достижения наилучших результатов необходима большая энергия вводимого излучения и небольшая длительность импульса для получения большей мощности рассеянного Рамановского излучения при высоком пространственном разрешении. Именно волоконные лазеры ультракоротких импульсов отвечают обоим вышеприведённым критериям. При длительности импульса ~ 100 пс можно получить пространственное разрешение порядка десятков мм (без учёта остальных ограничивающих факторов). Ранее лазер ультракоротких импульсов для задач рамановской температурной сенсорики проводилось в работе, однако, ввиду ограниченности характеристик волоконных лазеров ультракоротких длительностей импульсов, получена малая длина волоконного сенсора при высоком пространственном разрешении системы. Повышение длины сенсора обеспечивается низкой частотой повторения импульсов и солитонным типом распространения импульса, который обладает более высокой резистентностью к дисперсионному уширению импульсов по сравнению с импульсами, полученными из лазера с модуляцией добротности. Такой тип распространения импульса достигается благодаря сочетанию эффекта фазовой самомодуляции, который обеспечивается высокой интенсивностью импульса ультракороткой длительности, и отрицательной дисперсии групповых скоростей сенсорного оптического волокна. Таким образом, дальнейшее улучшение метрологических характеристик волоконно-оптических датчиков температуры за счёт применения волоконных лазеров ультракоротких импульсов, а также изучение температурной чувствительности более высоких порядков комбинационного рассеяния за счёт более высокой энергии, содержащейся в импульсе в сравнении с традиционными источниками для подобных систем, представляются актуальными задачами.