Введение
Глава 1. Радиофотонные сенсорные системы на основе волоконных брэгговских решеток. Состояние проблемы и задачи исследования 40
1.1 Волоконные брэгговские решетки, применение в сенсорных системах, проблемы определения центральной длины волны и мультиплексирования 42
1.1.1 Волоконные брэгговские решетки и их применение 43
1.1.2 Определение центральной длины волны волоконных брэгговских решеток 45
1.1.3 Мультиплексирование и локализация волоконных брэгговских решеток в сенсорной сети 49
1.2 Радиофотонные методы опроса волоконных брэгговских решеток 52
1.2.1 Волоконные брэгговские решетки с дискретным фазовым сдвигом, зондируемые частотно-модулированным по линейному закону излучением 53
1.2.2 Опрос волоконной брэгговской решетки, включенной в цепь оптико-электронного автогенератора 57
1.2.3 Интеррогация волоконной брэгговской решетки на основе двухчастотного оптико-электронного автогенератора и двух волнового лазера 61
1.2.4 Полигармонический метод опроса волоконных брэгговских решеток различного типа 64
1.2.5 Выводы по разделу 68
1.3 Радиофотонные системы интеррогации волоконных брэгговских решеток в многосенсорных приложениях 69
1.3.1 Радиофотонные многосенсорные системы при параллельном включении волоконных брэгговских решеток 70
1.3.2 Радиофотонные многосенсорные системы при последовательном включении волоконных брэгговских решеток 74
1.4 Предпосылки для создания адресных волоконных брэгговских решеток, предназначенных для радиофотонной интеррогации 79
1.4.1 Использование волоконно-оптического переключателя 80
1.4.2 Применение волоконных брэгговских решеток с различными спектральными характеристиками 81
1.4.3 Оценка применимости волоконных брэгговских решеток с двумя фазовыми сдвигами 83
1.5 Концепция радиофотонных сенсорных систем на основе адресных волоконных брэгговских решеток 88
1.6 Цель, основная научная задача и направления исследований, представленные в диссертации 97
Глава 2. Концепция формирования адресных волоконных брэгговских структур 103
2.1 Адресная волоконная брэгговская структура на основе ВБР с двумя симметричными фазовыми 7і-сдвигами (271-ВБР) 106
2.1.1 Методика опроса адресной 271-ВБР структуры 106
2.1.2 Моделирование адресной 2ті-ВБР структуры комплексным методом матриц передач и связи мод 108
2.1.3 Результаты численного моделирования адресной 2л-ВБР структуры 111
2.1.4 Компьютерное моделирование адресной 2л-ВБР структуры в среде OptiGrating 112
2.1.5 Моделирование спектральных характеристик адресных 2тг-ВБР структур 114
2.1.6 Ширина окон прозрачности адресной 2л-ВБР структуры 120
2.2 Адресная волоконная брэгговская структура на основе двух идентичных сверх узкополосных решеток (2Я-ВБР) 121
2.2.1 Методика опроса адресных 2А,-ВБР структур 125
2.2.2 Моделирование адресной 2А,-ВБР структуры 126
2.2.3 Моделирование адресной 2Я-ВБР структуры в OptiGrating 130
2.3 Формирование массива адресных волоконных брэгговских структур с заданными адресными частотами 132
2.4 Методы формирования и записи адресных волоконных брэгговских структур 134
2.4.1 Методы формирования адресных 271-ВБР структур 134
2.4.2 Методы формирования адресных 2А.-ВБР структур 141
2.5 Обобщенная измерительная характеристика адресных волоконных брэгговских структур по температуре 143
2.6 Выводы по главе 148
Глава 3. Принципы построения одно- и малосенсорных радиофотонных систем на адресных волоконных брэгговских структурах 152
3.1 Постановка задачи опроса одиночной адресной волоконной брэгговской структуры 155
3.2 Математическая модель процесса измерительного преобразования для одиночной адресной волоконной брэгговской структуры 159
3.2.1 Коэффициент модуляции огибающей 162
3.2.2 Обеспечение равномерной шкалы точности измерений 164
3.2.3 Нормировка мощности светового потока на фотоприемнике 167
3.3 Математическая модель процесса измерительного преобразования для сдвоенной адресной волоконной брэгговской структуры 170
3.3.1 Определение положения центральной частоты адресной волоконной брэгговской структуры по ее адресной частоте 176
3.3.2 Определение положения центральной длины волны адресной волоконной брэгговской структуры через подгоночную функцию 184
3.4 Малосенсорные радиофотонные системы с количеством адресных датчиков более двух 189
3.5 Практические рекомендации по построению радиофотонных систем опроса адресных структур 192
3.5.1 Требования к фотоприемнику 192
3.5.2 Требования к частотным фильтрам 193
3.5.3 Обеспечение необходимой точности измерений 194
3.5.4 Требования к спектральной ширине частотных линий формирующих адрес 196
3.5.5 Требования к линейному наклонному фильтру 196
3.6 Волоконно-оптический термометр на адресной волоконной брэгговской структуре 197
3.6.1 Описание технического решения 197
3.6.2 Функциональная схема волоконно-оптического термометра на адресной волоконной брэгговской структуре 199
3.6.3 Принцип работы волоконно-оптического термометра 204
3.6.4 Предлагаемая элементная база волоконно-оптического термометра 205
3.6.5 Преимущества волоконно-оптического термометра на адресной волоконной брэгговской структуре 206
3.7 Выводы по главе 207
Глава 4. Принципы построения многосенсорных радиофотонных систем на адресных волокнных бреговских структурах 211
4.1 Постановка задачи и математическая модель опроса массива адресных волоконных брэгговских структур 214
4.2 Методы определения положения адресных датчиков в массиве 223
4.2.1 Прямой метод определения положений адресных датчиков в массиве 223
4.2.2 Определение положений через подгоночную функцию 224
4.2.3 Ограничения методов прямого определения положения в массиве и определения положения через подгоночную функцию 227
4.3 Определение положения адресных датчиков методом опроса на адресной частоте 228
4.3.1 Узкополосная фильтрация сигнала на адресных частотах 229
4.3.2 Система уравнений для поиска положений адресных датчиков в массиве 230
4.3.3 Решение системы уравнений 231
4.3.4 Начальные условия 234
4.3.5 Наблюдение за динамической системой во времени 235
4.4 Практические рекомендации по построению радиофотонной системы опроса массива адресных датчиков 236
4.4.1 Фильтр на диапазон адресных частот 236
4.4.2 Максимальное количество адресных датчиков на одной длине волны в радиофотонной измерительной системе 238
4.5 Волоконно-оптический термометр 239
4.5.1 Описание технического решения 239
4.5.2 Функциональная схема волоконно-оптического термометра на адресной волоконной брэгговской структуре 242
4.5.3 Принцип работы волоконно-оптического термометра 246
4.5.4 Предлагаемая элементная база волоконно-оптического термометра 247
4.5.5 Преимущества волоконно-оптического термометра на адресной волоконной брэгговской структуре 248
4.6 Выводы по главе 249
Глава 5. Компьютерное и численное исследование модели радиофотоной системы опроса адресных волоконных брегговских структур. Физический эксперимент 252
5.1 Компьютерное моделирование схем радиофотонного опроса адресных волоконных брэгговских структур для малосенсорных и многосенсорных измерительных систем 255
5.1.1 Малосенсорные измерительные системы на основе адресных структур 255
5.1.2 Многосенсорные измерительные системы на основе адресных структур 274
5.2 Численное исследование системы уравнений метода радиофотонного опроса адресных волоконных брэгговских структур для малосенсорных и многосенсорных измерительных систем 285
5.2.1 Малосенсорные измерительные системы 285
5.2.2 Многосенсорные измерительные системы 296
5.3 Физический эксперимент 308
5.4 Выводы по главе 313
Глава 6. Методика характеризации и калибровки адресных волоконных брегговских структур в радиофотонной сенсорной системе 315
6.1 Математическая модель асимметричного трехчастотного зондирования 320
6.1.1 Модель произвольного резонансного контура 320
6.1.2 Асимметричное трехчастотное излучение 322
6.1.3 Фазовая задержка резонансного контура 324
6.1.4 Оптико-электронная схема зондирования 326
6.1.5 Оптический сигнал перед фотоприемником 327
6.1.6 Основная система уравнений 328
6.1.7 Критерий выбора разностной частоты излучения зондирования 331
6.2 Компьютерное моделирование оптико-электронной схемы 338
6.3 Результаты численного исследования математической модели 342
6.3.1 Зондирование резонансного контура в форме кривой Гаусса 342
6.3.2 Двухчастотное зондирование резонансного контура в форме кривой Гаусса 345
6.3.3 Зондирование адресной волоконной брэгговской структуры 347
6.4 Алгоритм зондирования резонансных структур на основе адресных волоконных брэгговских структур 350
6.5 Калибровка датчиков на основе адресных волоконных брэгговских структур 355
6.5.1 Постановка задачи калибровки совмещенных датчиков 355
6.5.2 Калибровка датчика давления 357
6.5.3 Калибровка датчика температуры 362
6.5.4 Экспериментальная проверка калибровки датчиков давления и температуры 364
6.6 Выводы по главе 366
Глава 7. Внедрение радиофотонных сенсорных систем, их отдельных узлов и программно-аппаратных средств, реализующих концепцию адресных волоконных брэгговских структур 369
7.1 Волоконно-оптические датчики температуры на адресных волоконных брэгговских структурах 371
7.2 Радиофотонные системы на адресных датчиках для решения задач топливно энергетического комплекса 376
7.2.1 Радиофотонные системы на адресных датчиках в системах мониторинга нефтяных скважин 377
7.2.2 Сопутствующее применение радиофотонных систем на адресных датчиках для контроля выходной скорости снаряда и износа ствола артиллерийских орудий для производства салютов 380
7.2.3 Радиофотонные системы на адресных датчиках для контроля температуры объектов энергетики 383
7.3 Радиофотонные системы на адресных датчиках для решения задач транспортного комплекса 389
7.4 Радиофотонные системы на адресных датчиках в медицине: манометрия высокого разрешения 394
7.4.1 Малосенсорный катетер для контроля сфинктеров пищевода 394
7.4.2 Многосенсорный катетер контроля перистальтики кишечника 395
7.5 Характеризация спектральных откликов волоконно-оптических биосенсоров рефрактометрического типа на основе кольцевых резонаторов с контуром Фано 397
7.6 Основные векторы развития радиофотонных сенсорных сетей на адресных волоконных брэгговских структур и полигармонических ассиметричных методов зондирования 400
7.6.1 Волоконно-оптические датчики вибрации на основе адресных волоконных брэгговских структур 400
7.6.2 Адресные волоконные брэгговские решетки и их массивы в системах мониторинга состояния одиночных и объединенных в модули бесперебойного и резервного питания аккумуляторных батарей 404
7.6.3 Оптико-электронный блок регистрации данных с волоконно-оптических датчиков ближнего ИК диапазона 407
7.6.4 Применение ассиметричного трехчастотного зондирования для мониторинга тонких пленок 408
7.7 Основные положения, определяющие преимущества радиофотонных систем на адресных датчиках 413
7.8 Выводы по главе 416
Заключение 419
Список сокращений, обозначений и нормативных ссылок 428
Список использованных источников 432
