Волоконно-оптические технологии в распределенных системах экологического мониторинга

В 2008 г. была завершена разработка автоматизированного рабочего места (АРМ) обеспечения экологической безопасности «АРМ-ОЭБ» при хранении, переработке и утилизации экологически опасных веществ (ЭОВ) в интересах Главного ракетно-артиллерийского управления МО РФ. АРМ-ОЭБ как программный комплекс был поставлен на снабжение Вооруженных Сил РФ в 2009 г. и позволял решать экологические задачи информационной, документальной, картографической и расчетной поддержки указанных выше технологических процессов в районах и на объектах дислокации ЭОВ. В настоящей работе представлены результаты разработки и внедрения волоконно-оптических технологий для расширения функциональной наполненности АРМ-ОЭБ и решения в его рамках задач инструментального мониторинга, которые явились развитием исследований, результаты которых были описаны в [1].

Постанова общих и частных задач. Основной задачей инструментального мониторинга районов и объектов дислокации ЭОВ

Куприянов Владимир Геннадьевич, заместитель командира

Степущенко Олег Александрович, заместитель министра

является обнаружение и регистрация источников экологических нагрузок, находящихся в пределах указанных районов и непосредственной близости от них [2]. Всегда следует рассматривать структурированную экологическую систему, в которой важны как возможное влияние объекта мониторинга на экологическую обстановку региона, так и влияние внешних угроз (террористических, техногенных, природных и т.д.) на экологическую обстановку объекта, который является составным элементом окружающей природной среды (ОПС). В связи с этим физический уровень сетей мониторинга (СМ) должен содержать датчики параметров состояния ОПС, условий хранения ЭПОВ (температура, влажность, давление и т.д.), сигнализации (возгорание, запыленность и т.п.), охраны периметра и т.д.

Последнее десятилетие основные претензии на лидерство в области построения СМ принадлежат беспроводным и волоконнооптическим технологиям, при этом преимущества последних объясняются возможностями обеспечения высокой помехоустойчивости, низкого уровня перекрестных искажений, работы в условиях предъявления очень высоких требований по электро-, пожаро- и взрывобе-зопасности, с другой – наличием широкого спектра волоконно-оптических датчиков, среди которых следует выделить волоконные решетки Брэгга (ВРБ), позволяющие измерять все указанные выше физические поля и процессы, а также высокой плотностью мультиплексирования ВРБ с использованием технологии спектрального разделения (WDM). Однако, если беспроводные «mesh»-технологии завоевывают сегодня все новые рынки, волоконнооптические сенсорные технологии практически не вышли из лабораторий: их применение представлено либо СМ с малым количеством датчиков, либо эксклюзивными многоточечными проектами нефтегазового комплекса. По нашему мнению, это объясняется рядом факторов, среди которых следует выделить следующие:

• -    применение спектральных методов измерительного преобразования, сложной и дорогостоящей аппаратуры (оптических анализаторов спектра и т.п.) для их реализации;

• -    ограниченное количество измерительных каналов, которое может быть построено в одном волокне, без предъявления особых требований на стабильность источников зондирующего излучения;

• -    опасность возникновения существенных перекрестных искажений при использовании в измерительном канале одинаковых или однотипных ВРБ, объединенных в последовательные группы;

• -    мультипликативность отклика ВРБ на физические поля различной природы.

Предлагается решать указанные выше задачи на основе разработки:

• -    эффективных методов и средств измерения параметров различных физических полей, исключающих использование дорогостоящих средств оптического спектрального анализа;

  - методических рекомендаций по выбору решений для одновременной регистрации полей различной физической природы с помощью одной или нескольких ВРБ, в том числе объединенных в группу, сокращающих используемое число измерительных каналов и датчиков.

Волоконно-оптические датчики на основе ВРБ. В данной работе для зондирования датчиков на основе ВРБ будем использовать двухчастотное излучение с амплитудами R 1 =R 2 и противоположными фазами ф R₁ = -ф R₂ , полученное по способу Ильина-Морозова в модуляторе Маха-Цандера [3], отличающееся как высокой спектральной чистотой и стабильностью при допустимом изменении параметров формирования, так и возможностью простой перестройки разностной частоты для использования с различными по характеристикам ВРБ. Указанные обобщенные характеристики удовлетворяют требованиям к построению источников зондирующих излучений для волоконно-оптических сенсорных сетей. В качестве

методики измерительного преобразования выберем интегральную методику анализа характеристик огибающей прошедшего через или отраженного от ВРБ двухчастотного излучения.

Волоконно-оптический датчик температуры. Резонансная длина волны ВРБ λ ВРБ зависит от температуры волокна и от приложенных к нему механических растягивающих или сжимающих напряжений. Эта зависимость описывается следующим уравнением:

^А^ ВРБ = ²ⁿ эфф ^{Л Х}

Г!

к

Г Я 2 А

1 -       [ P ,

к

+

-

V ( P 11 + P 12 ) ]к

к

" 1 ал 1 d n

—™ +

Л d T n d T

A T

к

где АТ - изменение температуры, е - приложенное напряжение, второе слагаемое в фигурной скобке отражает коэффициент фотоупругости. Это соотношение дает типичные значения смещения λ ВРБ в зависимости от температуры ~0,01 нм/К и от относительного удлинения волокна ~ 10³(ΔL/L) (нм).

При смещении контура ВРБ, вызванного приложением физических полей, появляется неравенство R 1 ≠R 2 и изменение фазовых соотношений между составляющими двухчастотного излучения. Вид неравенства и знак фазы определяется направлением сдвига контура ВРБ, т.е. увеличением или уменьшением параметра приложенного поля. Амплитуда огибающей U R определяется как:

U R ~ R 2 + r 2 + 2R 1 R 2 cos ( kA5t ) ,

а мгновенная фаза:

Ф R « arctg <

sin[(фR2 -Tr! )+ kA§t]      >

R17R 2^ cosK ф R^A -ф R1) +kA5t]

Для обработки полученных значений по амплитуде введем коэффициент модуляции m :

m ^ V 1 + ( 8 о +A5/ 2 ) ² /71 + ( б о - ( A8/ 2 ) ² ) , (4)

а по фазе – найдем разность фаз огибающих Δφ входного и выходного излучений. Пример полученных измерительных характеристик датчика температуры на базе ВРБ по амплитуде и фазе представлен соответственно на рис. 1, а и рис. 1, б . Если амплитудная характеристика измерений (рис. 1, а ) имеет симметричный

характер, то фазовая (рис. 1, б ) позволяет разрешить знак и величину смещения [4]. Преимущества амплитудной характеристики проявляются при работе в области «нулевого»

параметра, где для фазовой характеристики находится область малых сигналов, поэтому дополнительно используется «анализ знака фазы» (рис. 1, б ) [5].

а

Рис. 1. Измерительная характеристика датчика по температуре: а – амплитудный анализ; б – фазовый анализ

б

Испытания опытного устройства были проведены на ВРБ, изготовленных в НЦВО ИОФ РАН (г. Москва), откалиброваны в лаборатории ПГУТИ (г. Самара) и показали, что использование способа двухчастотного зондирования ВРБ позволило достичь погрешности измерения температуры 0,01 ° С в диапазоне ± 50 ° С. При этом погрешность измерения определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения температуры.

Волоконно-оптический биосенсор на ВРБ. Оптический биосенсор рефрактометрического типа (ОБРТ) на ВРБ параллельной структуры представляет собой две ВРБ, у одной из которых вытравлена оболочка [6]. Центральные длины волн решеток ВРБ1 и ВРБ2 при одинаковой температуре отличаются в силу вытравливания в ВРБ2 оболочки волокна на определенную глубину. На уровне зондирования это выражается в необходимости использования двух источников двухчастотного излучения, настроенных соответственно на длины волн λ1 и λ2, и решения уравнения раздельно для температуры и коэффициента преломления. В этом случае расстройкам, полученным при двухчастотном зондировании на каждой из длин волн, не ставится в соответствие какой-либо из физических параметров, а проводится дополнительная процедура вычислений по следующим алгоритмам. Выходные сигналы UR1 и UR2 для огибающих на про- межуточных частотах описываются следую- щими выражениями

U R 1 =5 t1 ( ^ 1 ) T + 5 n eff i ( X i bf

^UR 2 = § T2 ( X 2 ^{) t} + 5 n_eff2 ^{( X} 2 ^{) n}eff ,

где 5 T 1 ^{( x} i ) , ⁶ n_ef 1 ( ^X 1 ) , 6 T 2 ^{( x} 2 ) , 6 neff 2 ^{( x} 2 ) - известные коэффициенты на измерительных характеристиках, соответствующие зависимостям расстройки решеток, предварительно настроенных на длины волн λ 1 и λ 2 по температуре и эффективному коэффициенту преломления. Отсюда

T =     ^UR1 § n_eff2 ^(X 2 ^{)- U}R2 § n_eff1 ⁽ X 1 )

§ T1 ^(x 1 ⁾⁶ n_eff 2 ( ^x 2 ^)- § T2 ^(x 2 ⁾⁶ n_eff 1 ^(x 1 )

n =       ^UR2 § T1 ^(X 1 ) - ^UR1 § T2 ^(X 2 )

§ T1 ( ^X 1 ) § n_eff 2 ( ^X 2 ) ^- § T2 ( ^X 2 ⁾⁶ n_eff 1 ( ^X 1 )

Эти математические вычисления выполняются в программном блоке ОБРТ и позволяют одновременно получить значения параметров температуры и эффективного коэффициента преломления в зоне расположения ВРБ1 и ВРБ2. Коэффициент преломления исследуемого материала (окружающей ОБРТ среды) n amb может быть определен по полученному n eff и известных коэффициенте преломления сердцевины и радиусе оболочки вытравленного волокна. Пример измерительной характеристики биосенсора для определения октанового числа топлива приведен на рис. 2.

По сравнению с результатами, полученными другими авторами, динамический диапазон сдвига центральной волны решетки меньше, но достаточен для получения требуемого разрешения измерений. С другой стороны, зондирование такого типа ОБРТ может быть реализовано узкополосными лазерами (кГц или МГц) с разностной частотой двухчастотного излучения, формируемого модулятором Маха-Цандера в мега- или гигагерцовом диапазоне.

Рис. 2. Зависимость сдвига центральной длины волны ВРБ от показателя преломления вещества, окружающего ОБРТ (вода, бензин с разными октановыми числами)

Таким образом при обработке на промежуточной частоте может быть достигнуто увеличение отношения сигнал/шум измерений в 10-50 раз. Данное утверждение было подтверждено первыми практическими результатами, полученными на ОБРТ, изготовленными на основе волокон фирмы Corning SMF-28 и модуляторов Маха-Цандера, изготовленных в НППК (г. Пермь).

ВРБ в структуре распределенных датчиков охраны периметра. Двухчастотное зондирующее излучение не использовалось ранее для построения систем получения информации с группы однотипных датчиков, однако использование непрерывного лазерного излучения позволяет предположить возможность использования частотного мультиплексирования для реализации системы, даже если все решетки в волокне канала будут одинаковы. В качестве технологии мультиплексирования была предложена частотная рефлектометрия, как наиболее согласованная с предложенной и используемой нами методикой двухчастотного анализа ВРБ. Двухчастотное лазерное излучение через волоконные ответвители поступает в интерферометры опорного и измерительного плеч системы. Опорный интерферометр содержит одну из ветвей, образованную волокном длины L , равной длине ветви измерительного интерферометра, на которой расположена последовательность перекрывающихся ВРБ. Опорный интерферометр имеет разность длин оптических путей 2 nL , где n эффективный коэффициент преломления волокна. Выходной сигнал опорного интерферометра может быть записан в виде:

D on = cos ( 4nnL i/Х1 ) +cos ( 4nnL 2 /X 2 ) , (9)

где X 1 = X 0 - AX, X₂= X 0 + AX - компоненты двухчастотного излучения при соответствии центральной длины волны лазера λ 0 разности длин 2 nL , L 1 и L 2 соответствуют λ 1 и λ 2 . Таким образом, частоты сигналов (16) пропорциональны компонентам L , а шаг интерферометра - Ak=n/nL.

Сигнал измерительного интерферометра будем определять по центральной i -ой частоте i -ой ВРБ:

R 1i cos ( 4 n nL_1i /X 1 ) +

D = У изм

i

. + R 2i cos ⁽ 4 n nL 2i /X 2 )

Таким образом, после фильтрации и процедуры БПФ отраженный от каждой решетки двухчастотный сигнал с учетом i -ой амплитуды зондирования и спектрального коэффициента отражения может быть обработан с помощью предложенной методики анализа огибающей. Пожертвовав крутизной измерительного преобразования, которая максимальна при равенстве Δλ полуширине ВРБ, мы смогли повысить отношение сигнал/шум системы, уменьшив требуемую для обработки полосу пропускания, и увеличить число анализируемых ВРБ, используемых в данном случае как датчики растяжения/сжатия изолированные от влияния температурных изменений (слабоот-ражающие ВРБ с коэффициентом 1-25%, полуширина ВРБ – 0,2-1 нм, с относительным удлинением волокна ~ 10³(ΔL/L).

Выводы: были предложены методы и средства для расширения АРМ обеспечения экологической безопасности в районах дислокации ЭОВ при их хранении, переработке и утилизации. В качестве базовых выбраны волоконно-оптические технологии создания сенсорных сетей с использованием в них датчиков на основе ВРБ и модуляционных методов измерений их спектральных характеристик при зондировании двухчастотным излучением. Представлены результаты теоретического анализа и экспериментов для датчиков температуры складирования ЭОВ, биосенсоров контроля их концентраций и рефрактометрического анализа различных химических веществ, распределенных датчиков охраны периметра складов. Полученные отклики датчиков и биосенсоров по аппроксимированным измерительным характеристикам практически линейны в широком динамическом диапазоне при высоком отношении сигнал/шум измерений.