Оптимизация метода демодуляции сигналов гидроакустической антенны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Мехреньгин Михаил Викторович

• Мехреньгин Михаил Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Мехреньгин Михаил Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Схемы построения массивов волоконно-оптических датчиков

1.2. Методы демодуляции интерференционных сигналов

1.3. Параметры интерференционного сигнала, влияющие на точность и динамический диапазон гидроакустической антенны

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Методы контроля параметров интерференционного сигнала в схемах гомодинной демодуляции

2.1. Принципиальная схема волоконно-оптического датчика

2.2. Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора

2.3 Метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции

2.4 Метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Перекрестные помехи в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов

3.1. Исследуемый массив волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов

3.2. Математическая модель перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов

3.3. Результаты математического моделирования влияния перекрестных помех на выходной сигнал гидроакустической антенны

3.4. Экспериментальное исследование перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов84

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Реализация и экспериментальное исследование методов контроля параметров интерференционного сигнала на основе макета гидроакустической антенны

4.1. Схема макета гидроакустической антенны

4.2. Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора

4.3. Глубина вспомогательной фазовой модуляции

4.4. Размах интерференционного сигнала

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация метода демодуляции сигналов гидроакустической антенны»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Распределенные гидроакустические сенсорные сети широко используются при решении задач геологической разведки, сбора океанографических данных, сейсмологического мониторинга, а также для охраны морских и речных портов [1 - 8].

При создании распределенных гидроакустических систем все шире применяются волоконно-оптические технологии. Это связано с тем, что использование оптического волокна в качестве чувствительного элемента позволяет создавать датчики со сложной геометрией и значительное упрощает процесс их мультиплексирования в единую сеть [1 - 3].

Сегодня большое распространение получают измерительные системы на основе волоконно-оптических интерферометрических датчиков [1, 2, А1 - А16]. Такие системы обладают высокой акустической чувствительностью и широким динамическим диапазоном [1, 2].

Для восстановления измеряемого фазового сигнала в массивах волоконно-оптических датчиков используются методы гомодинной демодуляции. Наиболее часто упоминаются в литературе схема гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения и схема гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса. В качестве алгоритма демодуляции сигналов для волоконно-оптической гидроакустической антенны выбран алгоритм гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса. Это связано с тем, что амплитуда выходного сигнала в методе гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса не зависит от мощности оптического излучения и данный алгоритм обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум выходного сигнала, чем алгоритм гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения, во всей рабочей полосе частот гидроакустической антенны.

Вопрос применения алгоритма гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса при создании современных гидроакустических систем рассматривается в ряде работ. Однако множество проблем, связанных с

понижением уровня шумов выходного сигнала, до сих пор не получили решения. В связи с этим, актуальными проблемами являются исследование влияния параметров интерференционного сигнала в схеме гомодинной демодуляции на уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны, определение оптимальных значений параметров сигнала в схеме демодуляции, обеспечивающих минимальный уровень шумов выходного сигнала, измерение и контроль текущих значений параметров интерференционного сигнала в реальном времени. Особую важность данные вопросы приобретают при создании распределенных массивов волоконно-оптических датчиков, так как параметры интерференционного сигнала необходимо контролировать для каждого датчика независимо.

При создании гидроакустических систем на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов возникает проблема перекрестных помех между датчиками. Известно, что перекрестные помехи оказывают влияние на точность и уровень собственных шумов распределенных гидроакустических систем. Поэтому оценка влияния перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса является актуальной проблемой.

Целью настоящей работы является оптимизация метода демодуляции сигналов для обеспечения минимального уровня собственных шумов гидроакустической антенны на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

- создать математическую модель схемы демодуляции сигнала для исследования влияния параметров интерференционного сигнала на выходной сигнал гидроакустической антенны;

- разработать методы измерения и контроля текущих значений параметров интерференционного сигнала в схеме демодуляции сигналов массива мультиплексированных волоконно-оптических датчиков;

- создать математическую модель, которая описывает перекрестные помехи в массиве мультиплексированных датчиков и позволяет проанализировать влияние перекрестных помех на выходной сигнал рассматриваемой схемы гомодинной демодуляции;

- исследовать влияние перекрестных помех на выходной сигнал макета гидроакустической антенны на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов;

- реализовать методы измерения и контроля параметров интерференционного сигнала в схеме демодуляции и оценить влияние предложенных методов на уровень шумов выходного сигнала макета гидроакустической антенны.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Построена математическая модель схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса, позволяющая оценить влияние сдвига фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора (сдвиг фаз вспомогательной модуляции) на выходной сигнал схемы демодуляции.

2. Впервые предложена и реализована методика измерения и подстройки сдвига фаз вспомогательной модуляции в схеме демодуляции сигналов гидроакустической антенны.

3. Предложен, реализован и экспериментально исследован оригинальный метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме демодуляции сигналов гидроакустической антенны.

4. Предложен, реализован и экспериментально исследован оригинальный метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения, позволяющий сохранить настройку на резонансную длину волны решеток Брэгга (ВБР) в массиве мультиплексированных по времени чувствительных элементов гидроакустической антенны.

5. Построена математическая модель, которая описывает перекрестные помехи в массиве из четырех мультиплексированных чувствительных элементов

на основе ВБР, позволяет оценить влияние перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и проанализировать зависимость уровня перекрестной помехи от положения рабочей точки интерферометра.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Построенная математическая модель схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса позволяет оценить влияние сдвига фаз вспомогательной модуляции на выходной сигнал схемы демодуляции и оценить допустимую величину сдвига фаз вспомогательной модуляции, при которой схема обеспечивает корректную демодуляцию измеряемого фазового сигнала.

2. Предложенная методика позволяет измерять текущую величину сдвига фаз вспомогательной модуляции и производить подстройку сдвига фаз вспомогательной модуляции в гидроакустической антенне.

3. Реализован и экспериментально исследован оригинальный метод регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса в массиве мультиплексированных волоконно-оптических датчиков, обеспечивающий минимальный уровень собственных шумов гидроакустической антенны и корректную демодуляцию измеряемого фазового сигнала.

4. Реализован и экспериментально исследован метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения в массиве мультиплексированных чувствительных элементов на основе ВБР, обеспечивающий минимальный уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны.

5. Построенная математическая модель, которая описывает перекрестные помехи в массиве из четырех мультиплексированных чувствительных элементов на основе ВБР, позволяет оценить влияние перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и проанализировать зависимость уровня перекрестной помехи от положения рабочей точки интерферометра.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса, позволяющая оценить влияние сдвига фаз вспомогательной модуляции на выходной сигнал схемы демодуляции.

2. Методика измерения и подстройки сдвига фаз вспомогательной модуляции в схемах гомодинной демодуляции.

3. Метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схемах гомодинной демодуляции интерференционных сигналов массива мультиплексированных чувствительных элементов.

4. Метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения, позволяющий сохранить настройку на резонансную длину ВБР в массиве мультиплексированных чувствительных элементов гидроакустической антенны.

5. Математическая модель перекрестных помех, учитывающая переотражения первого порядка, в массиве из четырех мультиплексированных чувствительных элементов на основе ВБР, позволяющая оценить влияние перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и проанализировать зависимость величины перекрестных помех от положения рабочей точки интерферометра.

6. Результаты экспериментального исследования метода автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и метода автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения, показывающие, что предложенные методы обеспечивают оптимальную величину глубины вспомогательной фазовой модуляции, максимальный размах интерференционного сигнала и минимальный уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II, III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-

Петербург, Россия, 2013-2015); доклад на II сессии научной школы «Информационно-измерительные технологии» III Всероссийского конгресса молодых ученых был признан лучшим докладом на научной школе; на XLIII, XLIV научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2014); на международных научно-практических конференциях «Sensorica - 2013» и «Sensorica - 2014» (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2014).

Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики при создании рабочих макетов гидроакустических антенн на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов при выполнении совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ «Технопарк-Мордовия» и ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них один журнал, индексируемый базой Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 1 6 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, список цитируемой литературы представлен 77 наименованиями.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

Технологии создания гидроакустических систем на основе волоконно-оптических датчиков активно развиваются в течение последних десятилетий [1, 2, А8 - А11]. В первую очередь это связано с тем, что волоконно-оптические интерферометрические датчики обеспечивают высокую чувствительность и широкий динамический диапазон [1, 2]. Кроме того, использование оптического волокна позволяет создавать чувствительные элементы со сложной геометрией и значительно упрощает процесс мультиплексирования датчиков в распределенных измерительных системах [1, 3].

Современные распределенные гидроакустические системы на основе волоконно-оптических интерферометрических датчиков используются для геофизической разведки месторождений полезных ископаемых морского шельфа, сейсмического мониторинга существующих месторождений, а также для морских инженерно-геологических изысканий [4, 5, А13]. Массивы волоконно-оптических датчиков применяются в качестве систем охраны морских и речных портов, и в качестве средств специального назначения [6, 7, 8].

1.1. Схемы построения массивов волоконно-оптических датчиков

Использование оптической схемы интерферометрического типа позволяет создавать волоконно-оптические гидрофоны с высоким уровнем чувствительности [1]. К настоящему времени исследован целый ряд различных интерференционных схем. Среди них выделяют пять основных групп [1, 2]:

- схемы на основе интерферометра Маха-Цендера;

- схемы на основе интерферометра Майкельсона;

- схемы на основе интерферометра Фабри-Перо;

- схемы на основе интерферометра Саньяка;

- схемы на основе волоконных решетках Брэгга (ВБР).

При решении ряда практических задач возникает необходимость измерять текущее значение исследуемой величины в большом количестве точек по всей длине волокна. Для этого используют распределенные гидроакустические

системы, которые создаются в результате объединения большого количества дискретных датчиков в единый массив.

В общем случае массив из нескольких датчиков может быть построен с применением различных методов мультиплексирования, среди которых выделяют [1, 2, 10-13]:

- Временное уплотнение (TDM - Time-Division Multiplexing). Информация от каждого датчика размещается в выделенном интервале времени внутри повторяющегося периода опроса всего массива;

- Частотное уплотнение (FDM - Frequency-Division Multiplexing). Информация каждого из датчиков размещается в определенном интервале частот, то есть информация различных датчиков кодируется на несущих различных частот;

- Уплотнение по длине волны оптического излучения (WDM - Wavelength-Division Multiplexing). Информация датчика размещается на определенной длине волны;

- Пространственное уплотнение (SDM - Spatial Division Multiplexing). Чувствительные элементы мультиплексированных датчиков разнесены в пространстве.

Существует ряд работ, содержащих описание массивов волоконно-оптических датчиков на основе интерферометра Маха-Цендера [14-16], а также -на основе интерферометра Майкельсона [15, 17]. Но особый интерес в последние годы вызывает технология создания волоконно-оптических интерферометрических датчиков на основе волоконных решеток Брэгга. Данная технология предоставляет широкие возможности для мультиплексирования датчиков и, при этом, сохраняет основные преимущества волоконно-оптических датчиков, такие как высокая чувствительность и широкий динамический диапазон [18-22].

Проанализируем несколько вариантов построения распределенных массивов волоконно-оптических датчиков на основе решеток Брэгга.

Схема массива из четырех волоконно-оптических датчиков на основе ВБР с временным уплотнением сигналов, представленная на рисунке 1.1, является одной из самых распространенных схем мультиплексирования датчиков [2, 9, 23].

Рисунок 1.1. Принципиальная схема массива датчиков на основе ВБР с временным

уплотнением сигналов

На рисунке 1.1: ИИ - источник оптического излучения, ОВ - оптическое волокно, КИ - компенсационный интерферометр, ФМ - фазовый модулятор, ФПУ - фотоприемное устройство.

Массив волоконно-оптических датчиков представляет собой оптическое волокно, в котором записаны пять ВБР, каждая из них имеет одинаковую резонансную длину волны. ВБР используются в качестве частично отражающих зеркал. Чувствительным элементом является отрезок волокна между двумя соседними ВБР.

Принцип работы схемы, на примере чувствительного элемента, сформированного отрезком оптического волокна между ВБР1 и ВБР2, описан в работе [А5]. Источник излучения работает в импульсном режиме. Импульсы от источника излучения распространяются по оптическому волокну до ВБР. Длина волны оптического излучения равна резонансной длине волны ВБР и каждая ВБР частично отражает оптические импульсы от источника излучения. В обратном направлении распространяются два оптических импульса, отраженных от ВБР1 и ВБР2. Задержка во времени между этими импульсами равна удвоенному времени

распространения оптического излучения между ВБР. После прохождения через волоконный циркулятор отраженные от ВБР импульсы попадают в компенсационный интерферометр (КИ), где разделяются на пары импульсов, распространяющихся по короткому и длинному плечам КИ. Разность длин плеч КИ равна расстоянию между ВБР. Таким образом, после прохождения КИ импульс от ВБР2 в коротком плече совпадает по времени с импульсом от ВБР1 в длинном плече. На выходе КИ отраженные от ВБР импульсы образуют группу из трех оптических импульсов, центральный из которых является интерференционным. Деформация оптического волокна между ВБР, вызванная внешним гидроакустическим воздействием, приводит к изменению разности фаз интерферирующих импульсов, что и регистрируется фотоприемным устройством (ФПУ) [9, 23, A5].

Технология создания массивов датчиков с уплотнением по времени сочетает в себе несколько преимуществ. Во-первых, конструкция оптической схемы проста и не содержит сложных перестраиваемых лазеров, что приводит к низкой стоимости массива и позволяет работать в жестких условиях эксплуатации. Во-вторых, частота опроса датчиков ограничена только характеристиками схемы обработки сигналов [20].

Однако, количество датчиков на одном волокне, которое может быть мультиплексировано с помощью временного уплотнения, ограничено потерями на ВБР и уровнем перекрестных помех между датчиками [21, 24, 25].

Другим подходом к созданию массивов волоконно-оптических датчиков является технология частотного мультиплексирования. Принципиальная схема массива датчиков на основе ВБР с частотным уплотнением представлена на рисунке 1.2 [26]. Схема состоит из N волоконно-оптических гидрофонов G1)G2..Gn, широкополосного источника оптического излучения (Broadband source), перестраиваемого оптического фильтра (TOF), полосового фильтра (BPF), фотоприемного устройства (Detector) и схемы контроля модуляторов (Computer/Switch).

Источник оптического излучения работает в режиме непрерывного излучения. Каждый датчик формируется на отдельном оптическом волокне. Датчик состоит из пары ВБР с одинаковыми резонансными длинами волн и модулятора. Модуляторы управляются с помощью внешней схемы управления. Схема в каждый момент времени включает только один из модуляторов, остальные - выключены. В определенный момент времени сигнал только от одного датчика будет модулирован по частоте ш, сигналы остальных датчиков будут содержать только информацию о внешнем гидроакустическом воздействии. Сигналы с выходов всех датчиков объединяются и после прохождения перестраиваемого оптического фильтра регистрируются на фотоприемном устройстве. В схеме демодуляции сигнала содержится полосовой фильтр, который позволяет выделить выходной сигнал с датчика, опрашиваемого в данный момент.

Рисунок 1.2. Принципиальная схема массива датчиков на основе ВБР с частотным

уплотнением

Отсутствие перекрестных помех в данной схеме является основным преимуществом по сравнению с массивом, построенными на основе метода временного уплотнения сигналов [26]. Однако, данная схема более сложна в

реализации и требует больших финансовых затрат по сравнению со схемой, построенной на основе метода временного уплотнения сигналов [9].

Другим методом объединения волоконно-оптических датчиков в массив является уплотнение с разделением по длине волны. Схема массива из N волоконно-оптических датчиков на основе ВБР, построенная по методу уплотнения с разделением по длине волны представлена на рисунке 1.3 [2]. Чувствительные элементы сформированы отрезками оптического волокна между ВБР с одинаковыми резонансными длинами волн.

Laser Array

А,

WDM MUX

Optical Circulator

Detector

a2 K] AN<b

1 WDM DEMUX

J 1

J 1

J

Sensor Array

Ш Ш Xi Aj I Ш Ш Ш Ш A2 A2 AN AN iber Bragg Grating

Рисунок 1.3. Принципиальная схема массива датчиков на основе ВБР с уплотнением

с разделением по длине волны

Рассмотрим принцип работы схемы, представленной на рисунке 1.3. На входе схемы формируются несколько оптических сигналов с разными длинами волн Я1,Я2 . .An. Волоконно-оптический мультиплексор (WDM MUX) объединяет оптическое излучение с разными длинами волн из нескольких волокон в одно волокно. После оптического циркулятора излучение распространяется по массиву ВБР. Спектральная составляющая сигнала с длиной волны Я 1 частично отражается от первой пары ВБР. Остальные составляющие излучения распространяются далее, последовательно отражаясь от пар ВБР с соответствующими длинами волн. Оптический демультиплексор (WDM DEMUX) разделяет принимаемое излучение для передачи на разные фотоприемные устройства.

Количество датчиков в массивах, построенных по технологии WDM, ограничено шириной спектра перестраиваемого источника оптического

излучения. Максимальное количество датчиков в такой системе не превышает 100 [25].

Технология уплотнения с разделением по длине волны часто используется в дополнение к другой технологии мультиплексирования датчиков [2, 19 - 22].

Для создания массивов, содержащих большое количество датчиков, до нескольких тысяч, используют комбинацию из нескольких методов мультиплексирования. Множество работ содержат описание массивов, основанных на совмещении технологий TDM/WDM [19-22], технологий SDM/TDM/WDM [27, 28], технологий SDM/WDM [29].

Схема массива волоконно-оптических гидрофонов, основанная на методах уплотнения по длине волны и временного уплотнения каналов (TDM/WDM) представлена на рисунке 1.4 [2].

Рисунок 1.4. Принципиальная схема массива датчиков на основе ВБР с временным уплотнением и разделением по длине волны

Массив содержит M групп датчиков, записанных в одном волокне и мультиплексированных по технологии временного уплотнения сигналов. Каждая группа построена по технологии уплотнения с разделением по длине волны и содержит N датчиков. Таким образом, общее число датчиков в одном оптическом волокне составляет М X N.

Использование комбинации двух методов TDM/WDM позволяет опрашивать несколько датчиков, которые разнесены по длине волны, в пределах

одного интервала времени. В результате преимущества метода временного уплотнения, такие как небольшая стоимость и низкое энергопотребление схем демодуляции сигнала, могут быть преумножены в разы [2, 12, 19-20].

В статье [21] описан массив волоконно-оптических датчиков на основе ВБР с очень низкими коэффициентами отражения. Коэффициенты отражения ВБР составляют от -51 дБ до -47 дБ. Массив содержит 2000 датчиков, которые мультиплексированы по технологии TDM/WDM. Принципиальная схема массива датчиков, построенного на основе ВБР с очень низкими коэффициентами отражения, представлена на рисунке 1.5.

it

2~6nm Light source

SO Al

Erbium-doped fiber amplifier

Circultaor

Y

Piuse generator SOA2

.

Computer CCD detector

i -Lini- iiii- lili I I I > ■III

Tiii h™ INI— i Gil Gin г I'll II II 1 1 1 1 Gml Gmn

Рисунок 1.5. Принципиальная схема TDM/WDM массива датчиков на основе ВБР с очень низкими коэффициентами отражения

Рассмотрим принцип работы схемы. Перестраиваемый источник оптического излучения (Light source) работает в режиме непрерывного излучения. Оптический усилитель SOA1 усиливает свет и формирует импульсы длительностью порядка нескольких наносекунд. Оптические импульсы проходят через оптический циркулятор (Circulator) и распространяются по оптическому волокну, в котором записан массив ВБР (G11, ..., G1n, ..., Gm1,..., Gmn). Массив ВБР можно условно разделить на m подмассивов, каждый из которых содержит n решеток Брэгга. Каждый подмассив содержит ВБР с идентичными резонансными длинами волн. Импульсы, отраженные от ВБР, попадают на оптический

усилитель SOA2. Усиленные импульсы попадают на фотоприемное устройство [20].

Примером успешной реализации массива волоконно-оптических интерферометрических датчиков на основе ВБР по технологии TDM/WDM является волоконно-оптическая морская донная сейсмическая коса Optowave, разработанная французской компанией Sercel [30-33]. Морская донная сейсмическая коса предназначена для мониторинга полезных ископаемых в месторождениях на поверхности и в недрах морских шельфов.

Морская донная сейсмическая коса Optowave состоит из 200 донных модулей, расположенных через каждые 50 метров в едином кабеле. Донный модуль представлен на рисунке 1.6 [31].

Рисунок 1.6. Донный модуль морской сейсмической косы Ор1олма\е Донный модуль содержит четыре чувствительных волоконно-оптических интерферометрических датчика на ВБР - три волоконно-оптических акселерометра и один волоконно-оптический гидрофон. Оптическая схема донного модуля представлена на рисунке 1.7 [34].

Рисунок 1.7. Оптическая схема донного модуля морской сейсмической косы

Ор1о^а\>е

На рисунке 1.7 Ах, Ау, А7 - катушки волоконно-оптических акселерометров по осям х, у и 7, соответственно, Н - катушка волоконно-оптического гидрофона, ^ - опорный участок оптического волокна. Все ВБР в одном донном модуле имеют идентичные резонансные длины волн [34].

В 2010 году морская донная сейсмическая коса Optowave была установлена на Норвежском нефтяном месторождении "Ekofisk oil field" в Северном море. Общая длина кабелей системы составила 200 км, размещенных на площади свыше 60 км2 [35].

1.2. Методы демодуляции интерференционных сигналов

Интерференционный сигнал на выходе двулучевого интерферометра описывается выражением [1]:

/ = /1 + /2 + 2 ТГ^с о s р, (1)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мехреньгин Михаил Викторович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Udd E. Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists / E. Udd, B. William, Jr. Spillman. - 2nd Edition. - John Wiley & Sons, Inc., 2011. - 506 p.

2. Shizhuo Y. Fiber Optic Sensors / Y. Shizhuo, P. B. Ruffin, T. S. Francis. - 2nd Edition. - CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008.-494 p.

3. Кульчин, Ю.Н. Распределённые волоконно-оптические измерительные системы / Ю.Н. Кульчин. М.: Физматлит, 2001. - 272 с.

4. Phillip J. Nash, Geoffrey A. Cranch, David J. Hill Large-scale multiplexed fiber optic arrays for geophysical applications // Proceedings of SPIE Vol. 4202, pp.5565 (2000)

5. Лаверов Н.П., Рослов Ю.В., Лобковский Л.И., Тулупов А.В., Воронов М.А., Ганжа О.Ю. Перспективы донной сейсморазведки в Российской Федерации // Арктика: экология и экономика, - 2011. - № 4. - С.4-13.

6. M. Szustahsh, W.Ciurapiriski, N.Pah, M. Zyczkmski Recent development of fiber optic sensors for perimeter security // Proc. of Conference: Modern Problems of Radio Engineering, - 2002. P. 158-162.

7. Куликов А.В., Игнатьев А.В. Обзор волоконно-оптических систем охраны периметра // Алгоритм безопасности, - 2010, - №4, - C.56-61.

8. Tian Lan, Chunxi Zhang, Lijing Li, Guangming Luo, Chen Li Perimeter security system based on fiber optic disturbance sensor // The International Society for Optical Engineering. Proceedings of SPIE.- 2007.-V.6830. 6 p.

9. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон. Кандидатская диссертация. - СПб НИУ ИТМО, 2014. -155 c.

10. B. J. Vakoc, M. J. F. Digonnet, G. S. Kino, H. J. Shaw Fiber optic acoustic sensor array based on Sagnac interferometer, U.S. Patent No. 6,097,486, Aug. 2000.

11. Mark Houston Developing Large-Scale Multiplexed Fiber Optic Arrays for Geophysical Applications (September 2000) [Электронный ресурс] Режим доступа : http://spie.org/x16208.xml

12. Alan D. Kersey, Anthony Dandridge Comparative Analysis Of Multiplexing Techniques For Interferometric Fiber Sensors // Proceedings of SPIE.- 1989.-V.1120.

doi: 10.1117/12.960993

13. Kirkendall C., Barock T., Tveten A., Dandridge A. Fiber Optic Towed Arrays // NRL Review. -2007.

14. Cole J. H., Kirkendall C., Dandridge A., Cogdell G., Giallorenzi T.G. Twenty-five years ofinterferometric fiber optic acoustic sensors at the Naval Research Laboratory// Washington Academic Science Journal. -2004.-V.90(3).- 18 p.

15. Kirkendall C. K., Dandridge A. Overview of high performance fibre-optic sensing// Journal of Physics D: Applied Physics. 2004. - V37. - P.197-216.

16. Digonnet M. J. F. Acoustic Fiber Sensor Arrays // Second European Workshop on Optical Fibre Sensors. Proceedings of SPIE.- 2004.-V.5502. P. 39-50.

17. Cranch G.A., Nash P.J., Kirkendall, C.K. Large-scale remotely interrogated arrays of fiber-optic interferometric sensors for underwater acoustic applications // IEEE Sensors Journal, IEEE. -2003. - Vol.3 ,Iss.1. P. 19 - 30.

18. Nunes Luiz C. S., Olivieri Bruno S., Kato Carla C., Valente Luiz C. G., Braga Arthur M. B. FBG sensor multiplexing system based on the TDM and fixed filters approach // Sensors and actuators. A, Physical, - 2007. - Vol. 138. P. 341 - 349.

19. C. C. Chan, W. Jin, M.S. Demokan TDM of FBG sensors by use of a tunable laser source // Distributed Fiber Optical Sensors and Measuring Networks. Proceedings of SPIE.- 2001.-V.4357. 10 p.

20. C. Doyle Fibre Bragg Grating Sensors An Introduction to Bragg gratings and interrogation techniques (May 2005) [Электронный ресурс] Режим доступа : http://smartfibres.com/Attachments/Smart%20Fibres%20Technology%20Introduct ion.pdf

21. Zhihui Luo, Hongqiao Wen, Huiyong Guo, Minghong Yang A time- and wavelength-division multiplexing sensor network with ultra-weak fiber Bragg gratings // Optics Express, - 2013. - V. 21, Issue 19. P. 22799 - 22807.

22. A. D. Kersey, Array topologies for implementing serial fiber Bragg grating interferometer arrays, U.S. Patent No. 5, 987,197, Nov. 1999.

23. Куликов А.В. Волоконно-оптические акустические сенсоры на брэгговских решетках. Кандидатская диссертация. - СПбГУ ИТМО, 2012. -131 c.

24. C. C. Chan, W.Jin, D. J. Wang, M. S. Demokan, Intrinsic crosstalk analysis of a serial TDM FBG sensor array by using a tunable laser // Proc. LEOS, - 2000. -V.36, p. 2 - 4.

25. Chenyuan Hu A Novel Interrogation System for Large Scale Sensing Network With Identical Ultra-Weak Fiber Bragg Gratings // Journal of Lightwave Technology, - 2014. - V. 32, Issue 7. - P. 1406 - 1411.

26. C. C. Chan, W. Jin, M.S. Demokan Switched FDM operation of fiber Bragg grating sensors using subcarrier intensity modulation // Proceedings of SPIE.-1998. - V. 3330. 10 p.

27. Y.J. Rao In-fiber Bragg Grating sensors // Measurement Science and Technology, -1997. - V. 8. P. 355-375.

28. Y. J. Rao, A. B. L. Ribeiro, D. A. Jackson, L. Zhang, I. Bennion Simultaneous spatial, and time and wavelength division multiplexed in-fiber grating sensing network // Opt. Commun., 1996. - V. 125. P. 53-58.

29. Lunwei Zhang On SDM/WDM FBG Sensor Net for Shape Detection of Endoscope // Mechatronics and Automation, 2005. -V. 4. P. 1986 - 1991.

30. Nakstad H., Langhammer J., Eriksrud M. Fibre optic permanent reservoir monitoring breakthrough // Twelfth International Congress of the Brazilian Geophysical Society. - 2011. - 4 p.

31. Kriglebotn J. Fibre optic ocean bottom seismic cable system - from innovation to commercial success// OFS 20 SPIE. -2009. -V. 7703. - 4 p.

32. Nakstad H., Kringlebotn J. T. Realisation of a full-scale fibre optic ocean bottom seismic system // Proceedings of the SPIE. -2008. - V. 7004, 700436. - 4 p.

33. Langhammer J., Eriksrud M., Nakstad H., KringlebotnJ. T. Fibre Optic Permanent Seismic System for Increased Hydrocarbon Recovery // Optoplan AS Review. -2010.

34. OPTOWAVE Oil reservoir modeling system [Электронный ресурс] Режим доступа : http://www.nauticexpo.com/prod/sercel-40158.html#product-item_326618

35. Langhammer J. A Step Towards the Optical Oil Field // Optoplan Review. - 2011.

36. Cocco L. Digital Modern Metrology Concerns / L. Cocco. - InTech, 2012. - 458 p.

37. D.A.Jekson, R.Priest, A.Dandridge, A.B.Tveten. Elimination of drift in a singlemode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber // Applied Optics. 1980. V.19. N.17. P.2926-2929

38. Sheem S.K., Giallorenzi T.G., Koo K.P. Optical techniques to solve the signal fading problem in fiber interferometers // Applied Optics, 1982. V.21. N4. P.689-693

39. Cranch G. A., Nash P. J. Large-Scale Multiplexing of Interferometric Fiber-Optic Sensors Using TDM and DWDM//J. Lightwave Technol. -2001. V. 19(5). P. 687699.

40. Lim T. K., Zhou Y., Lin Y., Yip Y. M., Lam Y. L. Fiber optic acoustic hydrophone with double Mach-Zehnder interferometers for optical path length compensation// Optics Communications. -1999. - V. 159, Iss. 4. P. 301-308.

41. Dandridge A., Tveten A. B., Gialloronzi T. G. Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1982. -V.18, Iss.10. - P. 1647-1653.

42. Плотников М.Ю., Куликов А.В., Стригалев В.Е. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала в схеме гомодинной демодуляции для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2013. - № 6(88). - С. 18-22.

43. Plotnikov M. J., Kulikov A. V., Strigalev V. E., Meshkovsky I. K. Dynamic Range Analysis of the Phase Generated Carrier Demodulation Technique // Advances in Optical Technologies. 2014. V. 2014, Article ID 815108, 5 pages, doi:10.1155/2014/815108

44. Lin Wang, Jun He, Fang Li, Yu-Liang Liu Realization of 16-channel digital PGC demodulator for fiber laser sensor array // Journal of Physics: Conference Series. -2011, - Vol. 276, - 6 p.

45. Jianhui Zhu, Min Zhang, Yanbiao Liao A scheme for maintaining phase modulation amplitude at best value of fiber optic sensors using phase generated carrier // Proceedings of SPIE. - 2005. - Vol. 5998. - 10 p.

46. Wang L., Zhang M., Mao X., Liao Y. The arctangent approach of digital PGC demodulation for optic interferometric sensors // Proc. SPIE. -2006. -V. 6292. - 10 p.

47. Xiufeng Yang, Zhihao Chen, Jun Hong Ng, Venugopalan Pallayil A PGC Demodulation Based on Differential Cross-Multiplying (DCM) and Arctangent (ATAN) Algorithm with Low Harmonic Distortion and High Stability // Proc. SPIE. -2006. -V. 8421. - 4 p.

48. Jun He, Lin Wang, Fang Li, Yuliang Liu An Ameliorated Phase Generated Carrier Demodulation Algorithm With Low Harmonic Distortion and High Stability // Journal Of Lightwave Technology - 2010. - V. 28. - P. 3258-3265.

49. Huang S., Lin H. Modified phase-generated carrier demodulation compensated for the propagation delay of the fiber // Appl. Opt. - 2007. - V. 46. - P. 7594-7603.

50. T. Lan, C. -X. Zhang, L.-J. Li, G.-M. Luo , C. Li Carrier Phase Advance Technique for Digital PGC Demodulation // Opto-Electronic Engineering, - 2008. - V. 7. - P.49-52.

51. Martin J. O'Dwyer, Chen-Chun Ye, Stephen W. James, Ralph P. Tatam Thermal dependence of the strain response of optical fibre Bragg gratings // Measurement Science and Technology, - 2004. - V. 15, No. 8. P. 1607 - 1613.

52. L.T. Chen, Atomic, Molecular and Optical Physics: New Research / Chen L.T. -Nova Science Publishers, - 2009. - 538 p.

53. Limin Hu, Xinyong Dong, Shugin Zhang, Shangzhong Jin, Yunpeng Wang, Chi Chiu Chan, Ping Shum Fiber bragg grating-based load sensor without temperature dependence // Microwave and Optical Technology Letters, - 2011. - V. 54, No. 4. P. 930 - 933.

54. Y. Lu, Z. Meng Methods of reducing TDM crosstalk in an inline FBG based Fabry-Perot sensor // Proc. of SPIE, - 2011.Vol. 8194. doi:10.1117/12.900919

55. Исламова Э.Ф., Куликов А.В., Плотников М.Ю. Компьютерное моделирование перекрестных помех в информационно-измерительном волоконно-оптическом приборе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. 5(87). - С. 59-62.

56. A. Wilson, S.W. James, R.P. Tatam Time-division-multiplexed interrogation of fibre Bragg grating sensors using laser diodes // Measurement Science and Technology, - 2001. - V. 12. P. 181 - 187.

57. C. C. Chan, W. Jin, M.S. Demokan Performance Analysis of a Time-Division Multiplexed Fiber Bragg Grating Sensor Array by Use of a Tunable Laser Source // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, - 2000. - Vol. 6, Issue 5. - P. 741-749

58. Варжель С. В., Куликов А. В., Асеев В. А., Брунов В. С., Калько В. Г., Артеев В. А. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -Санкт-Петербург, 2011. - Вып. 5(75). - С. 27-30.

59. Варжель С.В., Куликов А.В., Мешковский И.К., Стригалев В.Е. Запись брэгговских решеток в двулучепреломляющем оптическом волокне одиночным 20-нс импульсом эксимерного лазера // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 4. С. 85-88.

60. M. Becker, S. Bruckner, E. Lindner, M. Rothhardt, S. Unger, J. Kobelke, K. Schuster, H. Bartelt Fiber Bragg grating inscription with UV femtosecond exposure and two beam interference for fiber laser applications // Proc. of SPIE, -2010. - Vol. 7750. - 7 p.

61. Ingle V. K. Digital Signal Processing using MATLAB. Third Edition. / V. K. Ingle J. G. Proakis - Cengage Learning, 2011. - 671 p.

62. Getreuer P. Writing Fast Matlab Code. [Электронный ресурс] Режим доступа : http: //www. ee. columbia. edu/~marios/matlab/Writing_Fast_MATLAB_Code.pdf

63. Matlab Filter Design Toolbox 4 User Guide [Электронный ресурс] / Режим доступа:http://anibal.gyte.edu.tr/dosya/102/dersler/elm567/resource/MATLAB/Fil terDesign.pdf

64. Ватсон Г.Н. Теория Бесселевых функций. Часть первая / Г.Н. Ватсон. - М.: Издательство иностранной литературы, 1949. - 800 с.

65. Варжель, С.В. Брэгговские дифракционные структуры для волоконно-оптических измерительных систем // дис. канд. ф.-м. наук. - 01.04.05. СПб. -2012.

66. А.С. Мунько, С.В. Варжель, С.В. Архипов, А.Н. Забиякин, Защитные покрытия волоконной решетки брэгга для уменьшения влияния механического воздействия на ее спектральные характеристики // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. №2. С. 241-245.

67. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике / М. Я. Выгодский. -М.: ACT: Астрель, 2006. - 991 с.

68. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos Rev. Sci. Instrum.- 1997.-12(68).- С. 4309-4341.

69. T. Erdogan Fiber Grating Spectra // Journal of Lightwave Technology, - 1997. -Vol. 8, Issue 15. P. 1277 - 1294.

70. A. D. Kersey, K. L. Dorsey, A. Dandridge Cross talk in a fiber-optic Fabry-Perot sensor array with ring reflectors // Opt Lett., - 1989. - Vol. 1, Issue 14. 5 p.

71. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э. Удд. - М.:Техносфера, - 2008. - 520 с.

72. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание пер с англ. / Р. Лайонс. - М.: ООО «Бином-Пресс», - 2006. - 656 с.

73. Altera Cyclone V Device Handbook (2015) [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.altera.com/en US/pdfs/literature/hb/cyclone-v/cv 5v2.pdf

74. Altéra Quartus II Handbook Volume 3: Vérification (2015) [Электронный ресурс] / Режим доступа: https: //www.altera. com/content/dam/altera-www/global/en US/pdfs/literature/hb/qts/qts qii5v3.pdf?GSA pos=5&WT.oss r= 1&WT.oss=system%2520console

75. IEEE 802.3™-2012 - IEEE Standard for Ethernet (2012) [Электронный ресурс] / Режим доступа: https : //standards .ieee.org/about/get/802/802.3. html

76. SignalTap II with VHDL Designs [Электронный ресурс] / Режим доступа: ftp://ftp.altera.com/up/pub/Tutorials/DE2/Digital Logic/tut signaltaplI vhdlDE2. pdf

77.Шарков И.А. Исследование и пути компенсации тепловых воздействий на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Кандидатская диссертация. -СПбГУ ИТМО, 2013. - 112 c.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

Публикации в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для публикации основных результатов диссертации:

А1. Алейник А.С., Дейнека И.Г., Макаренко А.А., Мехреньгин М.В., Стригалев В.Е. Стабилизация фазовой характеристики сигнала фазового волоконно-оптического датчика в условиях изменения температуры // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2013. -Вып. 6(88). - С. 26-31.

А2. Дейнека И.Г., Егоров Д.А., Макаренко А.А., Мехреньгин М.В. Использование цифровых фильтров для обработки выходных данных волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, 2014. -Вып. 3(86). - С. 84-91.

А3. Мехреньгин М.В., Киреенков А.Ю., Погорелая Д.А., Плотников М.Ю., Шуклин Ф.А. Компенсация температурной зависимости выходного сигнала в схеме гомодинного приема сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. № 2. С. 227-233.

А4. Волков А.В., Осколкова Е.С., Плотников М.Ю., Мехреньгин М.В., Шуклин Ф.А. Исследование влияния фазового сдвига сигнала опорного генератора на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции сигналов // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 4. С. 608-614.

А5. Алейник А.С., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А., Беликин М.Н. Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брэгговских решеток // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 809-816.

А6. Deineka I. G., Egorov D. A., Makarenko A. A., Mekhren'gin M. V. Digital Filtering in FOG Data Processing // Gyroscopy and Navigation, 2015, Vol. 6, No. 1, pp. 61-65. doi:10.1134/S2075108715010022

Изобретения:

А7. Способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источников оптического излучения. Мешковский И.К., Мирошниченко Г.П., Мехреньгин М.В., Плотников М.Ю. Справка о приоритете заявки на изобретение № 2015129323 от 16.07.2015, приоритет от 16.07.2015.

Прочие публикации:

А8. Шарков И.А., Шаркова О.А., Мехреньгин М.В., Волковский С.А. Компенсация температурного дрейфа показаний волоконно-оптического гироскопа. Сборник тезисов докладов II Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 1, СПб НИУ ИТМО, 2013, С.131-132.

А9. Дейнека И.Г., Мехреньгин М.В., Смоловик Н.А., Погорелая Д.А., Никитенко А.Н., Волковский С.А. Цифровые методы стабилизации фазового отклика волоконно-оптического гироскопа в условиях изменяющейся температуры // Сборник трудов I Международной научно-практической конференции «Sensorica - 2013». - СПб НИУ ИТМО, 2013.- С. 82-83.

А10. Шарков И.А., Мехреньгин М.В., Рупасов А.В., Виноградов А.В. Компенсация температурного дрейфа показаний волоконно-оптического гироскопа // Сборник тезисов докладов III Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 2, СПб НИУ ИТМО, 2014, С. 107-108.

А11. Макаренко А.А., Мехреньгин М.В., Дейнека И.Г., Волковский С.А. Оптимизация способа понижения частоты выдачи данных о скорости вращения волоконно-оптического гироскопа // Сборник тезисов докладов III Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 4, СПб НИУ ИТМО, 2014, С.166-167.

А12. Алейник А.С., Плотников М.Ю., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Никитенко А.Н. Подстройка рабочей длины волны источника оптического излучения в фазовых волоконных датчиках на брэгговских решетках // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции «Sensorica - 2014». - СПб НИУ ИТМО, 2014.- С. 88-89.

А13. Никитенко А.Н., Мехреньгин М. В., Волковский С. А., Михеев М. В. Система сбора и предварительной обработки информации для сейсмического акселерометрического трехосного датчика // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции «Sensorica - 2014». - СПб НИУ ИТМО, 2014.-С. 76.

А14. Погорелая Д.А., Мехреньгин М.В., Плотников М.Ю., Автоматическая подстройка глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме гомодинного приема сигнала интерфермотерических волоконно-оптических датчиков // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. -СПб: Университет ИТМО, 2015.

А15. Алейник А.С., Беликин М.Н., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А. Автоматическая подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, 2015.

А16. Алейник А.С., Ефимов М.Е., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В. Снижение уровня шумов в измерительном тракте интерферометрического волоконно-оптического гидрофона // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, 2015.