Принципы создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат физико-математических наук Дышлюк, Антон Владимирович

• Дышлюк, Антон Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дышлюк, Антон Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МОДУЛЯЦИИ АМПЛИТУДЫ ИЗЛУЧЕНИЯ, НАПРАВЛЯЕМОГО ВОЛОКОННЫМИ СВЕТОВОДАМИ, НА ПОДВИЖНОЙ ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА АБСОЛЮТНОГО УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ.

1.1 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения на границе раздела сред жидкость-воздух.

1.2 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения в условиях полного внутреннего отражения света на границе раздела между несмешивающимися жидкостями.

1.3 Особенности амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения свободноподвешенными оптическими элементами.

2 ПРИНЦИПЫ ДЕМОДУЛЯЦИИ И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ БРЭГГОВСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ОПТИЧЕСКОЙ ВРЕМЕННОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ.

2.1 Амплитудная модуляция лазерного излучения при отражении от брэгговской дифракционной решетки.

2.2 Спектральные характеристики зондирующих лазерных импульсов, генерируемых волоконно-оптическим временным рефлектометром, и особенности их амплитудной модуляции брэгговскими дифракционными решетками.

2.3 Экспериментальное исследование рефлектометрического метода детектирования и мультиплексирования сигналов чувствительных элементов на основе брэгговских дифракционных решеток.

3 АМПЛИТУДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ БОЛЫПЕРАЗМЕРНЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ И МОНИТОРИНГА ИХ ПОЛОС ОТЧУЖДЕНИЯ.

3.1 Особенности амплитудной модуляции лазерных импульсов в деформируемом волоконном световоде.

3.2 Принципы создания волоконно-оптических измерительных преобразователей пороговых перемещений для мониторинга целостности протяженных трубопроводов.

3.3 Принципы создания волоконно-оптических измерительных преобразователей усилий для мониторинга полосы отчуждения техногенных объектов ответственного назначения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принципы создания оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов»

Современная цивилизация характеризуется бурным развитием техногенных объектов: в больших количествах создаются все более и более сложные строительные сооружения, среди которых немало уникальных, широкопролетных, высотных конструкций. Для транспортировки нефте- и газопродуктов прокладываются тысячекилометровые высокопропускные трубопроводные линии. Сдаются в эксплуатацию технически сложные морские суда, летательные, в том числе, космические аппараты, структурные элементы которых постоянно подвержены агрессивному воздействию внешней среды. При этом широко используются новые материалы, физические свойства которых, в частности, прочностные характеристики недостаточно изучены с точки зрения долговременной стабильности под воздействием деформационных нагрузок [1].

Большое количество создаваемых в настоящее время конструкций и сооружений являются объектами ответственного назначения, представляющими повышенную потенциальную опасность для человеческого сообщества или экологии [2-7]. Среди таких объектов мосты, по которым одновременно перемещаются тысячи автомобилей, и конструктивные элементы которых с каждым годом все более изнашиваются и теряют несущую способность. Среди таких объектов плотины, которые на протяжении многих лет должны надежно удерживать десятки тысяч тон воды, иногда и в условиях нестабильной сейсмической обстановки. К потенциально опасным сооружениям следует также отнести высотные здания и башни различного назначения, морские нефтяные вышки, транспортные туннели, горнорудные шахты, нефте- и газопроводы, морские пирсы, причалы, самолеты, космические аппараты, корабли и др [5, 6]. Авария объекта ответственного назначения может повлечь человеческие жертвы, не говоря об экологическом ущербе и колоссальных экономических убытках. Вместе с тем развитие экономики, промышленности, науки и социальной сферы приводит к увеличению нагрузки на техногенные объекты и сооружения, что способствует ускорению износа и снижению их общей эксплуатационной надежности и безопасности.

Поэтому одной из главных проблем современной измерительной техники является мониторинг технического состояния и безопасности эксплуатации техногенных объектов, обеспечивающий минимизацию вероятности или своевременное обнаружение аварийных ситуаций за счет сбора, анализа и обработки информации о распределениях механических напряжений, относительных перемещениях структурных элементов конструкций, угловом положении элементов, целостности внешней оболочки объекта, наличии и параметрах трещин, распределениях температур, влагосодержании, степени коррозии и др. [6]. Безопасность эксплуатации техногенных объектов определяется также и человеческим фактором, например, несанкционированные строительно-монтажные работы в зоне прокладки трубопровода могут стать причиной серьезной аварии [8, 9]. Поэтому не менее важным аспектом контроля эксплуатационной безопасности широкого круга объектов является мониторинг полос отчуждения, зон ограниченного доступа, и прочих охраняемых периметров.

Традиционно для мониторинга технического состояния и эксплуатационной безопасности техногенных объектов применяется визуальное обследование [10, 11]. Этот метод в настоящее время существует в различных модификациях, например, состояние крупномасштабных инженерных объектов может контролироваться с воздуха или с околоземной орбиты в случае осуществления спутникового мониторинга [9,12]. При этом для повышения эффективности визуального контроля часто принимаются дополнительные меры. Например, при осуществлении мониторинга целостности подземного трубопровода в структуру внешней оболочки трубы может помещаться химический реагент, который при соприкосновении с транспортируемым по трубе продуктом в случае аварии приобретает яркую окраску и проступает на поверхность грунта, тем самым, обнаруживая место произошедшей аварии [8].

Визуальный контроль или видео наблюдение в сочетании с ограждениями, предупреждающими знаками и т.п. также применяются при мониторинге полос отчуждения и иных охраняемых периметров инженерных объектов [13,14].

Развитием визуального подхода к мониторингу техногенных объектов являются оптические методы, например, метод контроля целостности газопроводных сетей, основанный на обнаружении утечек природного газа, метана или этана с помощью оптической системы зондирования атмосферы в инфракрасном диапазоне длин волн [15].

В целом для визуальных методов мониторинга техногенных объектов характерна недостаточная надежность, невозможность или сложность организации продолжительного контроля в режиме реального времени, высокая стоимость и трудоемкость особенно в случае мониторинга эксплуатационной безопасности крупномасштабных объектов, а, зачастую, и зависимость результатов исследования от субъективных факторов.

Традиционными инструментальными средствами контроля параметров технического состояния строительных объектов являются механические измерительные устройства, к которым относятся барабанно-шестеренчатый прогибомер, ре-ечно-шестеренчатый индикатор, рычажный тензометр, отвесы, уровневые клинометры, линейки, различные щупы, измерительные иглы и т.п. [16, 18]. Механические измерительные устройства применяются главным образом для контроля линейных относительных, а также угловых абсолютных и относительных перемещений, для контроля целостности внешних оболочек и процессов трещинообра-зования. Они просты и дешевы, однако обладают низкой чувствительностью, не позволяют проводить дистанционные измерения, а также измерения в реальном масштабе времени.

В настоящее время распространенными высокотехнологичными подходами к дефектоскопии техногенных объектов являются радиографический метод и акустический метод в различных вариантах (ультразвуковой, акустической эмиссии, волновая акустическая диагностика и пр.) [16-20].

Радиографический метод дефектоскопии техногенных объектов основан на регистрации распределения интенсивности излучения (как правило рентгеновского диапазона длин волн), прошедшего сквозь исследуемый объект [20]. В результате такого исследования могут быть выявлены дефектные места материала, трещины, раковины, коррозионные поражения, механические напряжения элементов и др. При радиографической диагностике, например, строительных сооружений, следует учитывать, что в случае дефектоскопии неоднородных материалов (например, бетона и других композитных материалов) внутренние дефекты приходиться выявлять на фоне естественной неоднородной структуры материала [16]. В связи с этим в бетонных конструкциях удается выявить такие дефекты, которые в два - три раза превосходят размер крупного заполнителя. Дефекты бетона в виде трещин выявляются в том случае, если направление просвечивания не отклоняется от направления распространения трещин на угол более 5° [16].

При ультразвуковой диагностике объекта, например, трубопроводной линии, строительного сооружения, корпуса корабля или самолета в различных местах объекта размещают излучатель и приемник ультразвука и измеряют скорость распространения механического импульса в материале испытываемой конструкции. Скорость распространения механической волны, зависит от микроструктуры материала [18], что позволяет на основе результатов измерений сделать выводы о наличии в материале образовавшихся в силу деформационных процессов трещин и пустот, а также газовых линз, посторонних включений и т.п.

Ультразвуковые измерительные преобразователи, используются также для измерения относительных перемещений структурных элементов техногенных объектов. Например, контроль целостности трубопроводов может осуществляться на основе регистрации поперечных смещений трубы с применением дистанцио-метрических ультразвуковых чувствительных элементов и отражательных мишеней, устанавливающихся в тех точках трубопровода, в которых амплитуда перемещений в случае аварийной ситуации максимальна [21]. Выходные сигналы датчиков через контроллер обмена информацией направляются на персональный компьютер, с помощью которого производится дальнейшая обработка и анализ результатов измерений.

Метод акустической эмиссии является пассивным подходом к обнаружению развивающихся дефектов посредством регистрации и анализа акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и роста трещин в контролируемых объектах [22-23]. Например, при диагностике трубопроводных линий дефекты, приводящие к утечкам, обнаруживаются на ранней стадии развития по акустической эмиссии дефектных участков нагруженных трубопроводов в виде распространяющихся по трубе ультразвуковых вибраций. Акустическая эмиссия, обусловленная такими дефектами, регистрируется высокочастотными датчиками вибрации даже на значительном расстоянии от источника эмиссии [23]. С помощью соответствующих регистрирующих приборов эти сигналы детектируются и визуализируются, на основе чего делается оценка технического состояния исследуемого объекта.

Волновая акустическая диагностика применяется, главным образом, для выявления нарушений целостности эксплуатируемых трубопроводных систем [24]. В рамках данного подхода контролируемый трубопровод рассматривается как цилиндрический волновод, заполненный жидкостью. Внутри трубопровода, на одном конце контролируемого участка, устанавливается изучающая фазированная антенна бегущей волны, на другом конце приемники, расположенные на внутренней поверхности трубы. В процессе эксплуатации трубопровода акустические приемники регистрируют время распространения звуковой волны и уровень приходящего сигнала, которые определяются параметрами контролируемого трубопровода. На основе этих данных делается вывод о техническом состоянии трубопровода. Антенна может работать и в эхо-режиме для обнаружения посторонних включений внутри трубопровода [24].

Общими недостатками радиографического и акустических методов мониторинга техногенных объектов являются, как правило, сложность и, зачастую, неоднозначность интерпретации результатов и высокая трудоемкость обследования, необходимость применения дорогостоящей аппаратуры для излучения, приема и обработки акустического или электромагнитного сигнала, а также сложность организации мониторинга крупномасштабных и протяженных объектов в реальном масштабе времени [18-20].

Во многих случаях для мониторинга деформаций, перемещений и механических напряжений в элементах техногенных объектов в режиме реального времени используются электрические измерительные устройства и чувствительные элементы (ЧЭ) [25-27]. Так, для измерения параметров напряженно-деформированного состояния конструкционных элементов применяются тензоре-зистивные чувствительные элементы, действие которых основано на эффекте изменения электрического сопротивления под воздействием механического напряжения [25, 26]. Конструктивно тензорезистор представляет решетку, изготовленную из проволоки или фольги (из константана, нихрома, различных сплавов на основе Ni, Mo, Pt), либо пластинку из полупроводника, например, Si. Тензорези-сторы механически жестко соединяют с контролируемым элементом конструкции (например, приклеивают или приваривают), и регистрируют величину деформации элемента на основе измерения электрического сопротивления тензорезистора. Данный метод позволяет с высокой точностью контролировать распределение деформационных полей на поверхностях и в объемах элементов обследуемых объектов. К недостаткам измерительных устройств этого типа относится подверженность влиянию электромагнитных помех и неконтролируемых фактов окружающей среды: температуре, давлению, влажности и, как следствие, недостаточная стабильность [27].

Другой распространенный подход к измерению параметров напряженно-деформированного состояния техногенных объектов состоит в применении пьезометрических датчиков деформации, действие которых основано на прямом пьезоэлектрическом эффекте [27-31]. Главным достоинством чувствительных элементов данного типа являются их высокий динамический диапазон и способность воспринимать механические колебания с частотой от десятков Гц до десятков МГц. Именно по этому пьезометрические преобразователи широко применяются для мониторинга состояния внешних оболочек летательных аппаратов [31]; также они используются для мониторинга эксплуатационной безопасности строительных сооружений [29, 30]. Основным недостатком чувствительных элементов данного типа является относительно высокая погрешность при регистрации квазистатических или медленноменяющихся параметров механических воздействий [28].

Для измерения параметров деформаций используются магнитоупругие (магнитострикционные) чувствительные элементы, действие которых основано на зависимости магнитных характеристик некоторых материалов (например, пермаллоя, инвара) от механических напряжений в них [25]. Рабочий элемент измерительного преобразователя — магнитопровод с измерительными обмотками укрепляют на контролируемой поверхности в направлении действующих усилий или деформаций. Изменение магнитной проницаемости материала магнитопрово-да, регистрируется за счет изменения индуктивности обмоток. Недостатком чувствительного элемента данного типа является относительная сложность конструкции и невысокая точность измерений [25].

Электроизмерительные устройства в настоящее время находят также широкое применение для мониторинга углового положения элементов техногенных объектов. Наиболее распространенными в этой области измерительными преобразователями являются электромеханические и жидкостные электроизмерительные датчики [32-34]. Электромеханические датчики угла наклона основаны на регистрации положения маятникового подвеса внутри корпуса чувствительного элемента на основе одного из известных физических явлений электромагнетизма, например, изменения индуктивности или электрической емкости [32,33].

Жидкостные электроизмерительные преобразователи угла наклона представляют собой емкости, частично заполненные жидкостью. По принципу работы датчики данного типа подразделяются на два подкласса - электролитические измерительные преобразователи и емкостные электроизмерительные преобразователи. Электролитические ИП используют проводящую жидкость, в которой размещаются положительный, отрицательный и общий электроды таким образом, чтобы в исходном угловом положении положительный и отрицательный электроды были в равной степени погружены в жидкость. При наклоне датчика поверхность жидкости изменяет свое положение по отношению к электродам, что приводит к возникновению разностного электрического сигнала, пропорционального углу наклона чувствительного элемента [34, 35].

В емкостных электроизмерительных преобразователях изменение пространственного положения поверхности жидкости по отношению к электродам приводит к изменению электрической емкости конденсатора, образуемого электродами, погруженными в жидкость, регистрация чего позволяет восстановить угол отклонения от вертикали [36].

Для электроизмерительных преобразователей угла наклона характерны высокая точность и динамический диапазон измерений, однако подверженность электромагнитным помехам значительно снижает данные показатели в условиях практического применения [37].

Для контроля процессов трещинообразования в элементах инженерных объектов находит применение метод электрической рефлектометрии. Например, при мониторинге целостности трубопроводных линий на основе данного метода регистрируется изменение сопротивления сигнальных проводов при намокании поли-уретановой изоляции в случае разрыва трубопровода [38, 39]. Электрическая цепь образуется двумя проводами, расположенными в изоляционном слое, и стальной трубой. Для регистрации и локализации аварийного участка применяется электрический импульсный рефлектометр, принцип действия которого основан на излучении коротких электромагнитных импульсов и регистрации импульсов, отраженных от неоднородностей волнового сопротивления сигнального провода. Отражение появляется в тех местах, где волновое сопротивление цепи отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения, сжатия кабеля, в местах утечек, обрывов, короткого замыкания, на ответвлениях, на конце кабеля и т.д. Недостаток данного метода состоит в сложности измерительной методики и высокой стоимости применяемого оборудования.

Общим недостатком электрических датчиков и измерительных методов является подверженность электромагнитным помехам, что существенно затрудняет их практическое применение в задачах мониторинга техногенных объектов, особенно, в случае нахождения контролируемого объекта рядом с источником электромагнитных возмущений (линии электропередачи, мощные электрические машины и пр.) []. Кроме того, электрические измерительные устройства в высокой степени подвержены агрессивному воздействию внешней среды, что препятствует их долговременному использованию в реальных условиях. Другим недостатком измерительных и коммуникационных электрических элементов является их значительные массогабаритные показатели, которые не позволяют эффективно размещать на поверхности или встраивать электрические датчики в материал элемента контролируемого объекта [25].

Значительный прогресс в области волоконной оптики, в частности, совершенствование характеристик волоконных световодов и источников излучения, разработка и освоение массового производства элементной базы пассивных волоконно-оптических компонентов, успехи в области разработки волоконно-оптических датчиков физических величин и информационно-измерительных систем на их основе привели к возникновению нового направления в области контроля безопасности эксплуатации техногенных объектов - оптоэлектронные и волоконно-оптические измерительные методы [37, 40-48]. Сейчас уже трудно указать такие параметры технического состояния инженерных сооружений, которые нельзя было бы эффективно зарегистрировать на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД) и измерительных систем. И хотя в научной и инженерной практике все еще присутствуют ограничивающие факторы (относительно высокая стоимость, необходимость квалифицированного технического обслуживания), сдерживающие повсеместное внедрение оптоэлектронных и волоконно-оптических измерительных методов, данное направление с каждым годом привлекает все большее внимание специалистов в области технической диагностики и мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов [49-51].

Перспективность волоконно-оптических датчиков и измерительных систем для контроля безопасности эксплуатации строительных сооружений, летательных аппаратов, морских судов, трубопроводных линий и прочих техногенных объектов во многом объясняется принципиальными преимуществами элементной базы волоконной оптики перед традиционными электрическими и механическими устройствами: основной конструктивный элемент ВОД - волоконный световод (ВС) выполняется из химически инертного кварцевого стекла и способен продолжительное время работать в экстремальных условиях химически агрессивных сред, высокой радиации и температуры [49, 50]. Это обеспечивает долговечность волоконно-оптических датчиков и информационно-измерительных систем на их основе. Как показали недавно проведенные исследования, волоконно-оптические чувствительные элементы являются единственными из известных типов датчиков, применяемых для мониторинга состояния строительных сооружений, которые обеспечивают преодоление семилетнего порога живучести при эксплуатации в реальных условия [52]. Волоконно-оптические измерительные устройства обладают высокой чувствительностью к широкому классу физических величин, в частности, к различным параметрам электрических, магнитных, температурных, акустических и деформационных полей [42-49]. Волоконные измерительные элементы невосприимчивы к электромагнитным помехам. Они легко сопрягаются с высокоскоростными, помехозащищенными волоконно-оптическими линиями связи, что открывает возможность эффективных дистанционных измерений [53-58]. В силу минимальных массогабаритных показателей измерительные световоды могут быть «органически» встроены, например, в композитные материалы, обеспечивая возможность исследования распределения физических полей внутри структурных элементов техногенных объектов. Волоконные световоды тепло и морозоустойчивы, пожаро- и взрывобезопасны, обладают низким удельным весом (~г/м), малым диаметром (125 /лт - без защитной полимерной оболочки), высокой эластичностью (относительное удлинение до 5%, радиус изгиба до 3 мм) [40]. Их предел прочности на растяжение превышает таковой у стали [1]. Поэтому, размещение измерительных волокон на поверхности элементов технических объектов не сопровождается сколько-нибудь заметным изменением механических параметров объектов и не предполагает быстрого выхода из строя волоконных ЧЭ вследствие воздействия окружающей среды или деформационных нагрузок. На основе волоконно-оптических измерительных элементов могут создаваться мультиплексированные и распределенные измерительные системы [59-97], открывающие перспективы эффективного централизованного мониторинга крупномасштабных техногенных объектов. Поэтому уже сейчас более половины всех систем мониторинга состояния техногенных объектов создаются на основе средств и методов волоконной оптики [52].

Для мониторинга распределений механических напряжений в элементах техногенных объектов в настоящее время широко применяются интерферометри-ческие методы, основанные на регистрации изменения фазы световой волны, распространяющейся по ВС [98-104].

Наиболее распространенными интерферометрическими измерительными преобразователями являются датчики на основе интерферометра Маха-Цендера. Такой интерферометр представляет два световодных плеча, одно из которых опорное, а второе - сигнальное, подвергаемое измеряемому механическому воздействию [100]. Для интерферометрических измерений излучение из сигнального волокна сравнивается со световым пучком, прошедшим через изолированное от внешних воздействий опорное волокно. При этом осуществляется гомодинная или гетеродинная регистрация фазовой модуляции [105].

Оптическая схема интерферометра Майкельсона похожа на описанную выше с тем различием, что на концах обоих плеч интерферометра располагаются зеркала, при этом опорный и измерительный оптические сигналы после прохождения по соответствующим плечам в прямом и обратном направлениях сравниваются с друг другом на одном из входов волоконно-оптического разветвителя, сводящего вместе два световых пучка [37, 106].

Методы регистрации механического напряжения, использующие интерфе-рометрические схемы Маха-Цендера и Майкельсона, имеют высокую чувствительность, но сложны в реализации, так как требуют наличия двух плеч, одно или оба из которых должны быть надежно изолированы от неконтролируемых внешних воздействий, что трудно реализуемо на практике. Поэтому двуплечевые схемы интерферометрической демодуляции фазового сдвига обладают высокой паразитной чувствительностью к вибрациям, изменению температуры при измерении механического напряжения, изменению механического напряжения при измерении температуры и др. [106].

Интерферометрическая схема регистрации механических напряжений в элементах техногенных объектов вовсе не обязательно должна быть основана на применении двух волоконных плеч. Примером одноволоконного интерферомет-рического преобразователя механического напряжения является межмодовый интерферометр [107].

Одноволоконный межмодовый интерферометр, представляет собой единственный волоконный световод, работающий в многомодовом режиме. Изменения фазы каждой из мод по-разному зависят от внешнего механического воздействия, в результате имеет место перераспределение картины межмодовой интерференции, формирующейся на выходе ВС, регистрация чего и позволяет восстановить величину внешнего воздействия [107].

Преимущество схемы межмодового интерферометра при измерении параметров деформационных процессов состоит в том, что взаимодействующие моды распространяются в среде с одной и той же температурой, подвергаются одним и тем же воздействиям. Это обуславливает повышенную температурную стабильность измерительных преобразователей. Особый интерес к одноволоконным межмодовым интерферометрам обусловлен также и тем, что построение измерительного преобразователя на основе единственного многомодового волоконного световода позволяет в целом значительно упростить и удешевить интерферомет-рическую схему.

К недостаткам межмодовых интерферометров относится сложность обработки пространственно-неоднородной интерференционной спекл-картины, формирующейся на выходе из многомодового ВС, что требует применения специальных методов обработки выходного сигнала, например, корреляционного анализа [108]. Кроме того, схема межмодового интерферометра в настоящее время не достаточно отработана для применения в системах мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов.

Анализируя достоинства и недостатки интерферометрических методов измерения механических напряжений с точки зрения их применимости для мониторинга состояния инженерных объектов, отметим, что современная техника оптаческой интерферометрии позволяет фиксировать изменения фазы колебаний о 10* рад [106, 109]. Так как в волоконно-оптических измерительных преобразователях используются оптические сигналы с длиной волны порядка микрометра, открывается возможность регистрации ничтожно малых изменений длины ВС (единицы нанометров). Столь высокая точность является во многих случаях избыточной при мониторинге эксплуатационной безопасности техногенных объектов. Интерферометрическим методам измерений свойственны крайне высокие требования по стабилизации и юстировке элементов оптической схемы, что не всегда легко реализуемо вне лабораторных условий. Кроме того выходной сигнал фазовых измерительных преобразователей, как правило, обладает выраженной нелинейностью, что требует дополнительных мер по его обработке и существенно удорожает и усложняет конечную измерительную систему [40,41, 106].

В настоящее время для регистрации относительных перемещений и механических напряжений в элементах строительных сооружений, оболочках летательных аппаратов, кораблей и прочих техногенных объектов широкое применение находят спектральные ВОД [49-52]. Датчики такого типа основаны на модуляции измеряемым параметром длины световой волны. Наиболее распространенными типами спектральных волоконно-оптических измерительных преобразователей являются ВОД на основе интерферометров Фабри-Перо и брэгговских дифракционных решеток показателя преломления [52,110].

Оптическая схема интерферометра Фабри-Перо, представляющая собой два располагаемых параллельно друг другу и перпендикулярно направлению распространения излучения зеркала, весьма удобна для построения волоконно-оптических измерительных преобразователей, так как конструкция ВС позволяет реализовать резонатор интерферометра непосредственно в виде одного или нескольких отрезков волоконного световода [40, 106]. Характерным примером волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо служит измерительный преобразователь относительных перемещений, рассмотренный в работе [110]. Данный ИП представляет собой резонатор Фабри-Перо, образуемый двумя полупрозрачными зеркалами, нанесенными на торцы многомодовых ВС, которые запаяны в капиллярную трубку (рис. 1, а). В результате многолучевой интерференции на выходе ВС формируется излучение с максимумами на длинах волн, определяемых длиной резонатора. Особенностью рассматриваемого чувствительного элемента является то, что выходной сигнал датчика детектируется с помощью интерферометра Физо, который представляет собой прямоугольный клин с толщиной несколько десятков микрон в средней части (рис. 1, б). При нормальном падении излучения, формируемого резонатором Фабри-Перо, на клин максимальный коэффициент пропускания света наблюдается в том месте, где толщина клина равна расстоянию между зеркалами резонатора. Положение максимума интенсивности прошедшего излучения регистрируется при помощи ПЗС-матрицы [110].

-50 мкм

200 мкм измерительная база места соединения

25 мм капилляр длина резонатора Фабрн-nqjo от 0 до нескольких десягков микрон) а

ПЗС матрица б свет, отраженный интерферометром

Фабри-Перо <интерферометр Физо

Рис.1: а - волоконно-оптический измерительный преобразователь механического напряжения на основе интерферометра Фабри-Перо, б - схема детектирования сигнала измерительного преобразователя.

К достоинствам данного подхода можно отнести высокую точность измерений, возможность регистрации динамических деформаций. Главными недостатками метода являются относительная сложность изготовления, настройки и разделения сигналов, обусловленных механическим напряжением и температурой, что существенно затрудняет применение такого измерительного преобразователя для построения систем мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов.

В настоящее время в области мониторинга состояния техногенных объектов значительно более распространены спектральные измерительные преобразователи на основе волоконно-оптических брэгговских дифракционных решеток (ВОБДР). Брэгговская дифракционная решетка представляет участок волоконного световода с гармонически (как правило) модулированным показателем преломления вдоль оптической оси световода [49-52]. Такая решетка обеспечивает связь вперед и назад распространяющихся направляемых мод ВС на резонансной длине волны, что приводит к отражению узкой спектральной составляющей излучения, распространяющегося по волоконному световоду (рис. 2). При воздействии на световод с ВОБДР температуры, механического напряжения или другого физического эффекта, приводящего к изменению периода решетки или эффективного показателя преломления основной направляемой моды, происходит изменение длины волны отраженной компоненты, величина которого линейно зависит от интенсивности внешнего воздействия. Регистрация этого эффекта позволяет измерить внешнее воздействие с высокой точностью [49-52].

Рис. 2. Принцип действия чувствительного элемента на основе волоконно-оптической брэгговской дифракционной решетки

Для чувствительных элементов на основе брэгговских дифракционных решеток, также как и для датчиков, использующих интерферометр Фабри-Перо, существует проблема разделения вкладов механического напряжения и температуры в выходной сигнал измерительного преобразователя. Однако к настоящему времени предложено уже несколько эффективных подходов к решению данной ВОБДР

ВС проблемы для ЧЭ на основе ВОБДР [50, 51]. Первый из них основан на использовании дополнительной ВОБДР, изолированной от одного из физических эффектов, влияющих на измерительную брэгговскую решетку (как правило, от механического напряжения). Тогда оба измеряемых параметра могут быть однозначно определены на основе сравнения сигналов двух чувствительных элементов [50].

В рамках второго подхода две ВОБДР с различными характеристиками, подвергаются одним и тем же физическим воздействиям, однако, их резонансные длины волн изменяется неодинаково, что позволяет на основе решения системы двух уравнений с двумя неизвестными определить как температуру, так и механическое напряжение, воздействующее на обе ВОБДР [50, 51]. Различные параметры таких решеток могут быть обусловлены различными периодами модуляции показателя преломления или различным диаметром сердцевины световода на участках, где записаны дифракционные решетки [50, 51].

Датчики на основе ВОБДР обладают такими преимуществами, как простота оптической схемы чувствительного элемента, минимальные массогабаритные показатели, высокая точность измерений, помехоустойчивость по отношению к флуктуациям интенсивности оптического излучения, простота организации удаленных измерений, мультиплексирования и объединения большого количества чувствительных элементов в единую измерительную систему [49-52]. Поэтому волоконно-оптические измерительные преобразователи на основе брэгговских решеток показателя преломления в настоящее время занимают лидирующее положение в области волоконно-оптических методов измерений вообще, и в области мониторинга техногенных объектов в частности [50, 52].

Для измерения внешнего физического воздействия на ВОБДР необходимо детектировать сдвиг резонансной длины волны брэгговской решетки. В настоящее время существует значительное количество методов регистрации резонансной длины волны ВОБДР [49-50]. Наиболее простой подход состоит в измерении резонансной длины волны ВОБДР оптическим анализатором спектра в отраженном или пропущенном через брэгговскую дифракционную решетку свете. Для данного метода характерна высокая точность регистрации внешнего воздействия на ВОБДР и простота спектрального разделения сигналов при опросе мультиплексированных брэгговских дифракционных решеток, однако область его применения существенно ограничена в силу относительно высокой стоимости и недостаточного быстродействия используемого оборудования [50].

Значительно больший потенциал с точки зрения практического применения представляют методы детектирования выходных сигналов измерительных преобразователей на ВОБДР, основанные на применение спектрометра с ПЗС матрицей, перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, перестраиваемого акустооптического фильтра, перестраиваемого лазера, а также несимметричного интерферометра Маха-Цендера и интерферометра Майкельсона [50].

Метод регистрации резонансной длины волны ВОБДР на основе спектрометра с ПЗС матрицей использует свойство дифракционной решетки отражать оптическое излучение под разными углами в зависимости от длины волны [50]. В данной схеме детектирования последовательно записываемые брэгговские дифракционные решетки в нескольких волоконных линиях, облучаются с помощью волоконно-оптического разветвителя одним широкополосным источником излучения (рис. 3)

->

Разделение сигналов от разных волоконных линий

Рис. 3 Детектирование сигналов чувствительных элементов на основе ВОБДР с помощью спектрометра с ПЗС матрицей: 1 - широкополосный источник излучения, 2 - разветвитель, 3 - ВОБДР, 4 - изогнутая дифракционная решетка, 5 -ПЗС матрица.

Отражаемое от ВОБДР излучение из всех волоконных линий направляется на изогнутую дифракционную решетку 4, с помощью которой сигналы от каждой из брэгговских решеток 3 направляются на прямоугольную ПЗС-матрицу 5 так, чтобы обеспечить пространственное разделение сигналов ВОБДР с одной волоконной линии по одной оси матрицы, и пространственное разделение излучения из разных волоконных линий по ортогональной оси. Обработка выходного сигнала ПЗС матрицы позволяет извлечь информацию о резонансной длине волны (следовательно, о величине регистрируемого воздействия) каждой из ВОБДР на каждой из волоконных линий.

Демодуляция сигналов чувствительных элементов на ВОБДР на основе применения перестраиваемых фильтров (Фабри-Перо, акустооптический фильтр) или перестраиваемого лазера состоит в сканировании заданного спектрального диапазона полосой пропускания фильтра или спектром генерации перестраиваемого лазера с одновременной регистрацией максимумов отраженной оптической мощности на длинах волн, соответствующих резонансным длинам волн каждой из опрашиваемых ВОБДР [50, 51].

Методы детектирования выходных сигналов ВОД на ВОБДР на основе несимметричного интерферометра Маха-Цендера и интерферометра Майкельсона позволяют получить большую точность регистрации измеряемых параметров, однако отличаются повышенной сложностью оптической схемы и на сегодняшний день не достаточно отработаны для практического применения [50].

В целом для рассмотренных методов детектирования сигналов измерительных преобразователей на основе ВОБДР характерна относительно высокая стоимость конечной измерительной системы, что обусловлено сложностью построения, а также высокими требованиями по стабилизации и юстировке элементов оптических схем.

Значительно более простым и менее дорогостоящим подходом к проблеме детектирования выходных сигналов чувствительных элементов на основе ВОБДР является преобразование сдвига резонансной длины волны брэгговской дифракционной решетки в амплитудно-модулированный сигнал, который может быть зарегистрирован стандартным фотоприемным устройством. Примерами реализации такого преобразования являются методы на основе использования источника излучения с заданными спектральными свойствами, широкополосных источников излучения в сочетании со спектральными фильтрами с линейной передаточной характеристикой по отношению к длине волны, а также двух ВОБДР с идентичными спектральными свойствами [50, 51].

Метод детектирования сигналов ЧЭ на ВОБДР с помощью широкополосного источника с заданной формой спектра проиллюстрирован на рис. 4. ВОБДР облучается широкополосным излучением, при этом отражаемый решеткой оптический сигнал заводится на регистрирующий фотоприемник [51]. При условии, что спектр отражения дифракционной решетки приходится на склон распределения спектральной плотности мощности излучения источника, данный метод позволяет регистрировать резонансную длину волны ВОБДР путем измерения мощности отраженного от нее излучения.

1 -► ^^ -►

- dP/dX dP/dX и——ч \р——t/

ВОБДР

Рис. 4 Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе применения источника излучения с заданными спектральными свойствами: 1 - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконно-оптический разветвитель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки.

Другим примером амплитудного метода опроса ВОД на основе ВОБДР является применение фильтрующего оптического элемента, формирующего в окрестности резонансной длины волны ВОБДР линейную зависимость плотности мощности облучающего решетку излучения от длины волны [50, 51] (рис. 5). В этом случае внешнее физическое воздействие на дифракционную решетку также приводит к изменению мощности отраженного от нее излучения, что регистрируется стандартным фотоприемником.

Рис. 5 Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе фильтрующего оптического элемента, формирующего в районе резонансной длины волны ВОБДР линейное изменение спектральной плотности мощности облучающего решетку излучения: 1 - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконно-оптический разветвитель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки, 6 - оптический фильтр.

Амплитудный метод детектирования выходного сигнала измерительного преобразователя на основе ВОБДР может быть реализован при использовании двух ВОБДР с идентичными спектральными свойствами [50]. В таком случае одна из решеток изолируется от внешних воздействий и служит для формирования узкого провала в спектре излучения широкополосного источника, которое далее направляется на вторую ВОБДР, воспринимающую внешнее физическое воздействие (рис. 6). В отсутствие внешнего воздействия на измерительную брэгговскую решетку отражаемая ею оптическая мощность близка к нулю, однако, при смещении ее резонансной длины волны, происходит перекрытие спектра облучающего излучения и спектра отражения решетки, что приводит к соответствующему увеличению мощности отраженного света. В этом случае волоконно-оптический разветвитель, используемый для отвода излучения, отражаемого измерительной брэгговской дифракционной решеткой, располагается между двумя ВОБДР.

Рис. 6 Демодуляция сдвига резонансной длины волны ВОБДР на основе двух брэгговских дифракционных решеток с идентичными спектральными свойствами: 1 - источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 - волоконно-оптический разветви-тель, 4 - распределение спектральной плотности мощности источника излучения, 5 - спектр отражения решетки.

Рассмотренные методы демодуляции выходного сигнала измерительных преобразователей на основе ВОБДР просты в реализации, обеспечивают измерение резонансной длины волны дифракционной решетки с приемлемой для многих практических применений точностью [49-51]. Однако их существенным недостатком является сложность мультиплексирования оптических сигналов нескольких брэгговских дифракционных решеток, записанных в одной волоконно-оптической линии, что в случае применения ВОБДР для мониторинга крупномасштабных и протяженных объектов является критическим требованием.

Анализируя достоинства и недостатки разработанных к настоящему времени методов демодуляции выходных сигналов волоконно-оптических измерительных преобразователей на основе ВОБДР, следует констатировать, что они либо отличаются сложностью построения и, как следствие, высокой стоимостью либо не позволяют мультиплексировать сигналы брэгговских дифракционных решеток, записанных на одной волоконно-оптической линии. Поэтому на сегодняшний день существует потребность в простых и недорогостоящих методах демодуляции сигналов измерительных преобразователей на основе ВОБДР, обеспечивающих эффективное разделение сигналов мультиплексированных брэгговских решеток. Данная проблема может быть решена путем адаптации имеющихся стандартных и отработанных методов регистрации и разделения оптических сигналов для опроса чувствительных элементов на основе ВОБДР. Примером такого метода является оптическая временная рефлектометрия (ОВР), которая в настоящее время находит широкое применение для диагностики протяженных волоконно-оптических линий связи [111-113]. Метод ОВР основан на зондировании исследуемой волоконно-оптической линии коротким лазерным импульсом, при этом регистрация рассеянного назад и отраженного от неоднородностей световода излучения позволяет извлечь информацию о распределении и характере неоднородностей в ВС [111, 112]. В рамках рефлектометрического подхода резонансная длина волны ВОБДР может быть измерена путем преобразования в амплитудно-модулированный сигнал, при этом мультиплексирование чувствительных элементов в единой волоконной линии естественно реализуется на основе временного разделения откликов чувствительных элементов на зондирующий импульс с применением стандартного волоконно-оптического временного рефлектометра (ВОВР).

Однако, процессы амплитудной модуляции коротких лазерных импульсов на волоконных структурах с периодически изменяющимся показателем преломления не сегодняшний день недостаточно исследован. Поэтому важной научной и практической задачей является исследование особенностей амплитудной модуляции коротких лазерных импульсов волоконно-оптическими брэгговскими дифракционными решетками для разработки рефлектометрического метода опроса и мультиплексирования измерительных преобразователей на основе ВОБДР, что требует решения комплексных задач по разработке физических принципов регистрации резонансной длины волны ВОБДР методом ОВР, исследованию зависимости энергии отражаемого брэгговской дифракционной решеткой короткого лазерного импульса от величины механического напряжения и температуры ВОБДР, выявлению оптимальных условий регистрации сдвига резонансной длины волны брэгговских решеток методом ОВР, а также параметров ВОБДР, оптимизирующих процесс измерения величины внешнего воздействия на брэгговскую решетку рефлектометрическим способом.

Не менее важной проблемой при контроле безопасности эксплуатации широкого круга техногенных объектов является мониторинг угловых перемещений [32-37]. Данная проблема особенно актуальна в строительстве поскольку безопасность эксплуатации таких сооружений, как мосты, высотные башни, тоннели, горнорудные шахты, морские нефтяные платформы, плотины, дамбы, подпорные стенки и пр. в значительной степени зависит от угла наклона их структурных элементов [33]. Для решения этой задачи на основе элементной и методологической базы волоконной оптики могут использоваться измерительные преобразователи на интерферометрах Саньяка и Майкельсона [37, 114, 115].

Благодаря простоте оптической схемы, высокой чувствительности и надежности интерферометр Саньяка (кольцевой интерферометр) уже нашел широкое применение в области измерения угловых перемещений, в системах навигации, гироскопах и пр. [37, 114]. Интерферометр данного типа представляет собой волоконный световод, свернутый в петлю или намотанный на катушку, способную вращаться вокруг своей оси. В световод с двух концов вводится излучение при помощи стандартного источника света и разветвителя. При повороте или вращении катушки с некоторой угловой скоростью оптический путь луча, распространяющего в направлении вращения, увеличивается. Лучу, распространяющемуся во встречном направлении, потребуется меньшее время, чтобы достичь противоположного конца ВС. Измеряя разность фаз лучей в точке приема, можно определить угловую скорость вращения катушки и зарегистрировать ее угловые перемещения [114].

Несмотря на свои преимущества, кольцевой интерферометр требует точной настройки и применения относительно сложных схем выделения выходного сигнала из разности фаз интерферирующих мод [50]. Кроме того, он предназначен, главным образом, для измерения относительных угловых перемещений [37, 114]. Поэтому в случае использования для измерения абсолютного угла наклона структурных элементов строительных объектов погрешность измерений может накапливаться со временем, что заметно искажает результаты оценки состояния контролируемой конструкции.

Для измерения абсолютных угловых перемещений элементов строительных сооружений в работе [115] предлагается волоконно-оптический измерительный преобразователь на основе интерферометра Майкельсона. Данный ВОД представляет маятник с установленными на нем зеркалами, который помещается между двумя волоконными световодами, ориентированными навстречу друг другу. С помощью коллимирующих элементов свет, излучаемый ВС и отражаемый от зеркал, снова вводится в световоды и направляется к блоку обработки результатов измерений. При наклоне чувствительного элемента угловое положение маятника изменяется, и возникает разность оптических путей между световыми пучками, распространяющимися по разным плечам интерферометра, что регистрируется на выходе интерферометра. Достоинством рассматриваемого подхода является высокая точность измерений, что характерно для большинства фазовых волоконно-оптических чувствительных элементов. Однако данный измерительный преобразователь требует надежной изоляции подводящих волоконных световодов от внешних воздействий, что не позволяет проводить удаленные измерения. Оптическая схема чувствительного элемента отличается сложностью построения и требует прецизионной юстировки механических узлов. Кроме того, детектирование разностного фазового сигнала измерительного преобразователя требует использования специализированного оборудования, что значительно усложняет и удорожает конечную измерительную систему.

По-видимому, для более простого решения проблемы измерения абсолютного угла наклона целесообразно использовать принцип амплитудной модуляции оптического излучения. Амплитудные измерительные преобразователи являются наиболее простыми ВОД с точки зрения построения оптической схемы, что обусловлено минимальными требованиями к источнику, к приемнику оптического излучения и методу обработки результатов измерений, так как амплитудно-модулированный сигнал регистрируется с помощью обычного фотоприемника [37].

Традиционно в механических и электроизмерительных преобразователях абсолютного угла наклона применяются хорошо отработанные принципы регистрации пространственного положения подвижной границы раздела сред жидкость-воздух, жидкость-жидкость или регистрации угла наклона маятников [32-36]. Указанные принципы могут быть положены в основу амплитудных волоконно-оптических методов регистрации абсолютного углового положения. Однако, процессы амплитудной модуляции направляемого волоконными световодами излучения на подвижных границах раздела сред недостаточно изучены с точки зрения регистрации абсолютного углового положения. Поэтому важной задачей диссертационной работы является исследование особенностей модуляции амплитуды световых волн, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга абсолютного углового положения. Необходимо разработать и определить оптимальные параметры оптических схем измерительных преобразователей абсолютного угла наклона. Поскольку прием амплитудно-модулированного сигнала может быть затруднен вследствие флуктуаций интенсивности регистрируемых световых пучков, необходимо разработать принципы компенсации влияния внешних неконтролируемых факторов на результаты измерений. Важным аспектом поставленной задачи является также разработка, создание и экспериментальное исследование макетов волоконно-оптических измерительных преобразователей абсолютного углового положения.

Другой критической проблемой при обеспечении безопасности эксплуатации широкого круга техногенных объектов является мониторинг параметров деформационных процессов на поверхностях, обеспечивающих безопасность эксплуатации объектов, в частности, на внешних оболочках, обшивках, сводах, перекрытиях, а также полосах отчуждения и прочих охраняемых периметрах сооружений [8, 12, 37, 116, 117]. При этом одной из главных проблем является обнаружение трещин, разрывов и прочих нарушений целостности поверхностей, образующихся, как правило, в местах стыков, например, на сварных швах, фланцевых, клепанных и других типах соединений [118, 119]. Нарушения целостности внешних оболочек строительных сооружений открывают влаге свободный доступ внутрь конструкции, что может привести к коррозии арматуры и потере несущей способности всего сооружения [17-19]. Трещины в оболочках хранилищ химически и биологически агрессивных веществ могут привести к утечкам и разливам отравляющих субстанций. Особенно актуальна проблема обнаружения разрывов стыков протяженных нефте- и газопроводов, поскольку такой разрыв может стать причиной глобальной экологической катастрофы, колоссальных материальных убытков, а в некоторых случаях и человеческих жертв [120-126].

Для обеспечения безопасности эксплуатации сооружений ответственного назначения большое значение имеет мониторинг полос отчуждения, зон ограниченного доступа и прочих охраняемых периметров [124-126]. Актуальность данной проблемы обусловлена риском повреждения конструкции при осуществлении несанкционированных строительно-монтажных работ или в результате иного вида незаконного проникновения на охраняемую территорию.

Указанные проблемы могут быть решены на основе применения стандартных измерительных преобразователей механических воздействий в случае, если контролируемый объект представляет относительно не большое сооружение. Однако контроль целостности оболочек и мониторинг полос отчуждения конструктивно сложных, протяженных и крупномасштабных сооружений предъявляют особенно жесткие требования к измерительным системам по количеству чувствительных элементов в измерительной линии, помехоустойчивости, простоте оптических схем датчиков и методов разделения их сигналов [122]. Например, для организации мониторинга целостности стыков трубопроводной линии протяженностью 1000 км, при длине трубы 15 м потребуется около 65 тыс. измерительных преобразователей, а также эффективный метод разделения их выходных сигналов, обеспечивающий удаленную регистрацию информации о состоянии всех контролируемых стыков.

Для мониторинга процессов трещинообразования могут использоваться измерительные преобразователи на основе брэгговских дифракционных решеток, как показано на рис. 7 [127]. Волоконный световод с записанной на нем брэггов-ской дифракционной решеткой натягивается и закрепляется на концах внутри полой трубки, которая размещается на контролируемой поверхности. Возникновение трещины приводит к продольной деформации трубки и, соответственно, к сдвигу резонансной длины волны ВОБДР.

Рис. 7 Принцип мониторинга процессов трещинообразования с применением волоконно-оптических брэгговских дифракционных решето: 1 - волоконный световод, 2 - ВОБДР, 3 - трещина на контролируемой поверхности, 4 - полая трубка

Однако применение брэгговских дифракционных решеток для мониторинга целостности оболочек крупномасштабных и протяженных объектов представляется малоэффективным вследствие ограниченных возможностей мультиплексирования чувствительных элементов на основе ВОБДР, а также необходимости надежной изоляции чувствительных элементов от внешних неконтролируемых воздействий.

По-видимому, проблема мониторинга целостности оболочек и процессов трещинообразования может быть эффективно решена на основе применения пороговых амплитудных волоконно-оптических датчиков (ПАВОД), работающих по принципу прерывания направляемой оптической мощности, при превышении предела механической прочности световода. При всей простоте конструкции ПАВОД обеспечивают возможность временного мультиплексирования сигналов на основе стандартных и хорошо отработанных схем оптической временной рефлек-тометрии, что позволяет объединять в составе единой измерительной линии практически неограниченное количество чувствительных элементов, поскольку пороговые измерительные преобразователи в своем исходном состоянии не создают потерь оптической мощности. Однако, принципы построения контрольно-измерительных систем для мониторинга целостности оболочек крупномасштабных техногенных объектов на основе волоконно-оптических измерительных пороговых перемещений с применением методов оптической временной рефлекто-метрии недостаточно изучены. В этой связи важными задачей являются экспериментальное исследование предлагаемого подхода, определение оптимальных параметров чувствительных элементов и оптимальных условий регистрации и мультиплексирования их сигналов методом оптической временной рефлектометрии, а также проведение натурных испытаний датчиков на моделях элементов реальных конструкций.

Для мониторинга полосы отчуждения техногенных объектов и прочих охраняемых периметров указанным выше требованиям отвечают амплитудные измерительные преобразователи давления на микроизгибах волоконного световода [37, 40-42]. Принцип действия таких чувствительных элементов основан на тун-нелировании части направляемого ВС излучения на пространственно периодических локальных деформациях световода. Однако, существенными недостатками данного типа измерительных устройств являются сложность юстировки механических элементов датчика и значительная зависимость результатов измерений от неконтролируемых внешних воздействий, что затрудняет их практическое применение [37].

Поэтому в настоящей работе для удаленного мониторинга полосы отчуждения техногенных сооружений предлагается использовать амплитудные волоконно-оптические датчики на основе макроизгибов волоконных световодов. Такой чувствительный элемент может быть реализован в виде прямолинейного участка волоконного световода, в котором потери направляемого излучения индуцируются вследствие изгибной деформации ВС при внешнем механическом воздействии. Поскольку в отсутствие внешних воздействий датчик данного типа не создает потерь мощности направляемого излучения, использование метода ОВР для регистрации и мультиплексирования сигналов чувствительных элементов, обеспечивает возможность расположения на одной волоконной линии очень большого количества датчиков. Однако, принципы дистанционного мониторинга полос отчуждения и прочих охраняемых периметров крупномасштабных техногенных сооружений на основе измерительных преобразователей на макроизгибах волоконного световода с применением методов оптической временной рефлектометрии для приема и разделения сигналов чувствительных элементов на сегодняшний день не изучены. В этой связи важной научной и практической задачей является исследование особенностей модуляции интенсивности лазерного излучения на локальных пространственно не периодических изгибах направляющего волоконного световода для разработки принципов организации удаленного мониторинга полос отчуждения техногенных объектов ответственного назначения. Требуется исследование зависимости потерь мощности направляемого излучения от параметров изгиба ВС. Необходимо выявить оптимальные характеристики, разработать конструктивные схемы, создать макеты и провести экспериментальное исследование амплитудных измерительных преобразователей давления, создаваемого массивными инородными объектами на контролируемой полосе отчуждения.

Таким образом, для построения эффективных информационно-измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов, на основе волоконно-оптических методов измерения параметров деформационных процессов в средах и оболочках, требуется:

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Дышлюк, Антон Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная цивилизация предъявляет жесткие требования к безопасности эксплуатации техногенных объектов, что определяет необходимость мониторинга широкого круга сооружений, конструкций и объектов на протяжении всего их срока службы. Это в значительной степени стимулирует научные исследования, нацеленные на разработку принципов создания все более прогрессивных и высокотехнологичных средств и методов измерения физических параметров, связанных с общим техническим состоянием и эксплуатационной надежностью строительных сооружений, трубопроводных систем, объектов машиностроения, кораблей, летательных аппаратов и прочих техногенных объектов.

Волоконная оптика, возникшая на стыке лазерной физики, оптоэлектроники и физической оптики, инициировала целую волну нововведений в области мониторинга техногенных объектов. Волоконно-оптические датчики открывают недоступные ранее возможности организации прецизионных, помехоустойчивых, удаленных измерений с применением большого количества чувствительных элементов, объединенных в интегрированные информационно-измерительные системы для мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов на протяжении всего их срока эксплуатации.

Вместе с тем в области волоконно-оптических методов мониторинга техногенных объектов на сегодняшний остаются нерешенными такие важные задачи, как регистрация сигналов измерительных преобразователей на основе брэгговских дифракционных решеток, измерение абсолютных угловых перемещений структурных элементов сооружений, контроль целостности внешних оболочек и мониторинг полосы отчуждения крупномасштабных техногенных объектов ответственного назначения. Актуальность указанных задач определила направление диссертационного исследования, целью которого явилась разработка физических принципов волоконно-оптических методов дистанционного мониторинга деформационных процессов в средах и оболочках и создание элементной базы опто-электронных информационно-измерительных систем мониторинга эксплуатационной безопасности техногенных объектов. Важнейшие результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся в основном к следующему:

1. Исследованы особенности модуляции амплитуды световых пучков, направляемых волоконными световодами, вследствие процессов отражения, преломления и поглощения света на подвижной границе раздела сред для разработки чувствительных элементов волоконно-оптических информационно-измерительных систем дистанционного мониторинга абсолютного углового положения конструкционных узлов техногенных объектов. Определены оптимальные параметры оптических схем, созданы и экспериментально исследованы макеты чувствительных элементов, обеспечивающие линейную зависимость выходных сигналов от регистрируемого угла отклонения от вертикали и азимутального направления наклона. При этом достигнуты следующие параметры измерительных преобразователей: удаление чувствительного элемента от источника излучения и блоков регистрации оптического сигнала: 1 км., пороговая чувствительность: 0.005°, динамически диапазон: 50 дБ, диапазон измеряемых углов: -10° — 10°, точность определения азимутального направления наклона: 5°.

2. Предложены методы компенсации погрешности определения абсолютного углового положения, обусловленной влиянием внешних неконтролируемых факторов на выходные сигналы измерительных преобразователей абсолютного углового положения, за счет использования двух и более пространственно разнесенных измерительных каналов. При этом достигнуты следующие параметры: девиация интенсивности выходного оптического сигнала не превышает 4 %, при изменении мощности источника на 80%; температурная нестабильность не более 0,05% / 1°С внутри температурного диапазона 5-45 °С.

3. Теоретически и экспериментально исследованы физические принципы регистрации сигналов, формируемых чувствительными элементами на основе волоконно-оптических брэгговских дифракционных решеток, с применением методов оптической временной рефлектометрии. Установлена зависимость энергии короткого лазерного импульса, отражаемого брэгговской дифракционной решеткой, от величины продольной деформации и температуры ВОБДР. Найдены оптимальные условия регистрации внешних физических воздействий на брэгговские дифракционные решетки методом оптической временной рефлектометрии, обеспечивающие линейную зависимость выходного сигнала от величины регистрируемого воздействия. Показано, что полуширина спектра отражения дифракционной решетки должна быть больше разности между динами волн двух соседних продольных мод источника излучения, резонансная длина волны ВОБДР должна определяться из условия максимума крутизны для огибающей спектральной плотности источника, коэффициент отражения ВОБДР на резонансной длине волны не должен превышать 2%. Создан макет измерительной линии, объединяющей своем составе три ЧЭ на брэгговских дифракционных решетках. Пороговая чувствительность составила 100 цстрэйн (/istarin) в режиме регистрации относительного удлинения и 3°С в режиме регистрации температуры.

4. Исследованы особенности модуляции интенсивности лазерного излучения, направляемого волоконными световодами, при их деформации вследствие внешних механических воздействий для разработки принципов удаленного мониторинга параметров деформаций болыперазмерных поверхностей техногенных объектов ответственного назначения с применением метода оптической временной рефлектометрии. Показано, что при реализации измерительного преобразователя усилий в виде участка волоконного световода, подвергаемого изгибной деформации вследствие внешнего механического воздействия для сглаживания зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от величины регистрируемого воздействия необходимо реализовать изгиб с переменным по длине световода радиусом. При этом для стандартного одномодового ВС (SMF-28) оптимальные параметры изгиба составляют: средний радиус изгиба - в пределах от 10 до 4 мм, вариация значений радиуса изгиба - ±30% от среднего радиуса. Показано, что при обеспечении данных параметров зависимость коэффициента ослабления направляемого излучения от величины изгибной деформации приближается к функции вида (где Ro - средний радиус изгиба, qj, q2 - коэффициенты, определ/^о ляемые характеристиками световода) и отличается от нее не более чем на 5%. Определены оптимальные характеристики, разработаны конструктивные схемы и созданы макеты амплитудных измерительных преобразователей усилий и пороговых относительных перемещений, обеспечивающих нулевые потери оптической мощности в отсутствие регистрируемых механических воздействий. Достигнуты следующие параметры макетов: максимальное количество чувствительных элементов на один километр волоконной линии: 200, максимальная протяженность линии - 260 км, максимальное количество одновременно регистрируемых сигналов ЧЭ - 15 (для датчиков на основе изгибной деформации ВС), 1 (для датчиков пороговых перемещений), порог срабатывания при регистрации относительных перемещений: регулируется в пределах от 0,07 до 1 мм., пороговая чувствительность при измерении усилия, создаваемого регистрируемым объектом на контролируемой территории:1Н.

Представленные в работе результаты открывают возможность создания многофункциональных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга эксплуатационной безопасности широкого круга техногенных объектов ответственного назначения.

Результаты исследований методов мониторинга деформаций большеразмер-ных поверхностей демонстрируют возможность объединения в единые контрольно-измерительные линии десятков тысяч чувствительных элементов, при этом прием и мультиплексирование их сигналов могут осуществляться на основе стандартного и широкодоступного рефлектометрического оборудования. Созданы макеты и проведены натурные испытания мультиплексированных волоконно-оптических измерительных преобразователей усилий и пороговых относительных перемещений. Экспериментально продемонстрирована возможность их применения для контроля целостности оболочек протяженных трубопроводных линий, а также для охраны периметров и полос отчуждения крупномасштабных техногенных объектов ответственного назначения.

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили предложить конструкции и создать макеты волоконно-оптических измерительных преобразователей абсолютного углового положения, позволяющих проводить измерения под воздействием температурных перепадов, в условиях флуктуации мощности источника излучения и прочих неконтролируемых факторов.

Представленные в работе исследования принципов формирования и приема амплитудно-модулированных оптических сигналов могут быть использованы не только при разработке информационно-измерительных систем мониторинга безопасности эксплуатации техногенных объектов, но могут также найти применение при создании и оптимизации широкого круга приемников физических величин различного функционального назначения, а также при дальнейшем развитии элементной базы амплитудных волоконно-оптических датчиков.

В заключение считаю своим долгом выразить глубокую благодарность моему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору, зав. кафедрой физики ДВГТУ Олегу Борисовичу Витрику за неоценимую помощь в написании диссертационной работы, подготовке, проведении и интерпретации результатов экспериментов, чл.-корр. РАН, зам. председателя ДВО РАН Юрию Николаевичу Кульчину за общее руководство исследованиями и своевременные рекомендации при написании диссертации, д.ф.-м.н. Олегу Тимуровичу Каменеву и к.ф.-м.н. Роману Владимировичу Ромашко за обсуждение результатов и ценные советы, а также моей семье: супруге Корнелюк Татьяне за помощь в проведении экспериментов и моральную поддержку и маме Дышлюк Маргарите Антоновне за терпение и понимание.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Дышлюк, Антон Владимирович, 2006 год

1. Friebele E.J. Fiber Bragg grating strain sensors: Present and future applications in smart structures // Optics and photonics news. 1998. - vol.9. - No.8. - P .3337.

2. В. В. Гурьев, В. M. Дорофеев Мониторинг технического состояния зданий и сооружений // СтройПРОФИль. 2005. - №4. - С. 42.

3. Thomas Е. Munns, et al. Health Monitoring for Airframe Structural Characterization //NASA/CR-2002-211428. 2002. - 163 p.

4. Catbas, F.N. and Aktan, A.E. Condition and Damage Assessment: Issues and Some Promising Indices // J. of Structural Engineering. Vol. 128. - No. 8. - p. 1026-1036.

5. Farrar, C.R., et al. Damage Prognosis: Current Status and Future Needs // Los Alamos National Laboratory report. LA-14051-MS. - 2003.

6. Spencer, B.F. Opportunities and challenges for smart sensing technology // Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure. Wu & Abe (eds). -Tokyo.-p. 65-71.-2003.

7. Gary L. Burkhardt et al. Real-time monitoring of pipelines for third-party contact // technology status assessment. National energy technology lab. - 2003. - 7 p.

8. Leis, B. N. et al Real-Time Monitoring to Detect Third-Party Damage // Proc. of 8th International Conference on Offshore Pipelines and Polar Engineering. Vol. 2.- 1998.-P. 34-38.

9. Robert G. Lauzon, John T. DeWolf, Michael P. Culmo Monitoring Bridge Performance // Structural Health Monitoring. Vol. 1. - No. 2. - 2002. - P. 129138.

10. S. С. Liu, Alison Flatau, Peter C. Chang Review Paper: Health Monitoring of Civil Infrastructure // Structural Health Monitoring. Vol. 2. - No. 3. - 2003. -P. 257-267.

11. S. Erol, B. Erol, T. Ayan A general review of the deformation monitoring techniques and a case study: Analyzing deformations using gps/levelling // Proc. of Geo-Imagery Bridging Continents XXth ISPRS Congress. Istanbul. -Turkey. - 2004.

12. Michael Fraser, Ahmed Elgamal Video and Motion Structural Monitoring Framework // Proceedings of 4th China-Japan-US Symposium on Structural Control and Monitoring. 2006.

13. J. Myers, L. Spaeth Airborne, Optical Remote Sensing of Methane and Ethane for Natural Gas Pipeline Leak Detection // Ophir Corporation Report. 2003.

14. Лужин O.B., Злочевский А.Б., Горбунов И.А., Волохов В.А. Обследование и испытание сооружений. М.: Стройиздат. - 1987. - 263 с.

15. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. М.: Стройиздат. - 1978. - 766 с.

16. Лещинский М.Ю. Испытания бетона. Справочное пособие М.: Стройиздат. - 1998. - 359 с.

17. Лужин О.В., Волохов В.А., Шмаков Г.Б., Почтовик Г.Я., Поль Э., Вебер 3. Неразрушающие методы испытания бетона М.: Стройиздат. - 1985. - 233 с

18. Н. С. Мустафаева Радиографический метод неразрушающего контроля металла трубопроводных систем // Азербайджанское нефтяное хозяйство. -№ 6. 2006.

19. Система дистанционного контроля перемещений и диагностики трубопроводов электронный ресурс. http://www.atomexp.ru/files/ptlist.pdf // Атоммашэкспорт. -2003.

20. Лагутина Л.В., Лукьяненко В.А., Кусайко В.И., Кувшинников А.А. Диагностирование теплопроводов подземной прокладки методом акустической эмиссии // Энергетик. №10. - 2000.

21. Казаков О.Н., Сайфутдинов М.И., Стрижков С.А, Шемякин В.В. Эффективность применения метода акустической эмиссии при диагностике магистральных нефтепроводов // Безопасность труда в промышленности. -№ 4. 2000.

22. Касаткин Б.А. Стаценко Л.Г. Сенников А.А. О возможности ранней диагностики состояния морских магистральных трубопроводов // Сб. труд, школы-семинара «Акустика океана» // М.: Институт Океанологии им. П.П. Ширшова. 2004.

23. Левшина Е.С., Новицкая П.В. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат. - 1983. - 320 с.

24. Аш. Ж. Датчики измерительных систем: Кн.1. / Пер. с франц. М.: Мир.- 1992.-480 с.

25. Ristic L. Sensor technology and devices. Chapter I. Boston: Artech House. - 1994. -520 p.

26. С.П. Колосов, И.В. Калмыков, В.И. Нефедова Элементы автоматики. -М:Машиностроение. 1970. - 392 с.

27. H.S. Tzou, C.I. Tseng Distributed vibration control and identification of coupled elastic/piezoelectric systems: finite element formulation and applications // Mechanical Systems and Signal Processing. 5(3). - P. 215-231. - 1991.

28. Pascal De Вое, Jean-Claude Golinval Principal Component Analysis of a Piezosensor Array for Damage Localization // Structural Health Monitoring. -Vol. 2. No. 2. - P. 137-144. - 2003.

29. J. B. Kosmatka, J. Oliver Development of an In-Flight Structural Health Monitoring System for Composite Unmanned Aircraft // Proc. of 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Confere. 2006.

30. F. Singer, Y. Singer A Novel Auto-Zero Servo-Inclinometer // Sensors Magazine. V. 20. - No. 9. - 2006.

31. Shuchao Wu, Shuhua Fan, and Jun Luo Folded pendulum tiltmeter // Review of Scientific Instruments. Vol.73. - Is. 5. - 2002- P. 2150-2156.

32. Kibrick R., Robinson L., Cowley D. An evaluation of precision tilt-sensors for measuring telescope position // Proc. SPIE. 1995. - V. 2479. - P. 341.

33. Puccio M. R. Electrolytic Tilt Sensors and Inclinometers: A Primer // Sensors Magazine. 2004. - V. 21. - P. 64.

34. R. Peters Capacitive angle sensor with infinite range // Rev. Sci. Instrum. Vol. 64(3).- 1993. -P. 810-813.

35. E. Udd, W. Schulz, J. Seim, J. Corones, H. M. Laylor Fiber optic sensors for infrastructure applications // Oregon Department of Transportation: Final report.- Oregon. 1998.

36. H.A. Тарасов Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий электронный ресурс. http://reis205.narod.ru/metod.htm. 2006.

37. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: Изд-во Эко-Трендз.- 1999.- 195 с.

38. Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. -М.:Энергоатомиздат. 1990.

39. Dakin J., Culshaw В. Optical Fiber sensors: Principles and components. -Boston: Artech House. Vol.1. - 1988.

40. Udd E. Fiber Optic sensors: An introduction for Engineers and Scientists. New York: Willey. - 1991. -567 p.

41. Hjelme D.R., Bakke В., Rembech J.S., and Neegard S. Multiplexed fiber optic Bragg-grating strain sensor system for use in marine vehicle testing // Proc. SPIE.- 1996. V.2838. -P.40-51.

42. Kersey A. An overview of fiber grating sensors. // J.of Lightwave techn. . -1997. Vol.15. -No.12. -p.1442-1463.

43. Culshaw В., Dakin J. Optical Fiber sensors: Systems and application. -Norwood: Artech House. 1989. - Vol.2. -349 p.

44. Оптоволоконные сенсоры. / Под ред. Дж.Дейкина и Б.Калшо.- М.: Мир. -1992. -289 с.

45. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г., Шестериков В.А. Световодные датчики. М.: Машиностроение. - 1990. - 256 с.

46. YJ. Rao Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors // Optics and Lasers in Engineering. v.31. - 1999. - P.297-324.

47. Lee B. Review of the present status of optical fiber sensors // Optical Fiber Technology. 9. - P.57-79. - 2003.

48. Alan D. Kersey et al. Fiber Grating Sensors // Journal of lightwave technology. -vol. 15.-No. 8.-P. 1442-1463.- 1997.

49. Jinping Ou Some recent advances of intelligent health monitoring systems for civil infrastructures in HIT // Proc. SPIE. 2004. - V. 5851. - P. 147.

50. Маркузе Д. Оптические волноводы. /Пер. с англ. М.: Мир. - 1974. - 576 с.

51. Унгер Г. Оптическая связь /Пер. с англ. М.: Связь. - 1979. - 264 с.

52. Снайдер А., Лав Дж., Теория оптических волноводов. /Пер. с англ. М.: Радио и связь. - 1987. - 656 с.

53. Гауэр Дж., Оптические системы связи. /Пер. с англ. М.: Радио и связь. -1989.-500 с.

54. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи. /Под ред. Свечникова С.В., Андрющенко Л.М. К.:Техника. - 1988. - 239 с.

55. Грудинин А.Б., Дианов Е.М. Световоды для широкополосных линий связи//Электросвязь. 1981. - №1. - С.33-38.

56. Kersey A. Transient load monitoring on composite hull ship using distributed fiber optic Bragg sensors. // In composite volume: Smart sensing. / by editing of R. Clauss. Bellingam: SPIE Press. - 1997. - p.421-430.

57. Hjelme D. R., Вакке В., Rambech J. S., Neegurd S. Multiplexed fiber optic Bragg grating strain sensor system for use in marine vehicle testing. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors VI Conference. 1996. - SPIE Vol.2838, -p.40-51.

58. Ransford M. J., Whitesel H. K. Redundant multiplexing topologies of Fabry-Perot sensors for shipboard applications. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference. 1994. - SPIE Vol.2294, -p. 143-152.

59. Desforges F. X., and Blocksidge R. Industrial applications of fiber optic sensing. //Proc. SPIE 1996. Vol. 2872. -p.l 19-130.

60. Merzbacher C., A. Kersey and E. Friebele. Fiber optic sensors in concrete structures: a review. // Smart Mater. Struct. 1996. - Vol.5. - No.2. - p. 196208.

61. Moore E. L., S. D. Kinma, M. B. Muller, and N. E. Lewis. Integration accomplishment of the Fiber Optic Control System Integration (FOCSI) program. //Proc. SPIE. -1994. Vol.2292, -p.113-122.

62. Graindorge P., D. Mangeot, V. Morin, A. Gonos, B. Laloux, and F. X. Desforges. Optonet system: a 64 on/off fiber optic sensor network designed for industrial an military applications // Proc. SPIE. 1996. - Vol. 2838. - p.244-255.

63. Crossley S. D. Commercial prospects for distributed fiber optic sensors. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference. 1994. SPIE Vol.2294.-p. 14-21.

64. Measures M., A. T. Alavie, R. Maaskant, M. M. Ohn, S. E. Karr, S. H. Huang. Bragg grating structural sensing system for bridge monitoring. // Proc. of

65. Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference. 1994. - SPIE Vol.2294, -p. 14-21.

66. Claus, W. J. Pulliam, J. A. Schetz. Multiplexing optical fiber-based pressure sensors for smart wings. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors VI Conference. 1996. - SPIE Vol.2838, -p.230-236.

67. Мировицкий Д.И. Мультиплексированные системы волоконно-оптических датчиков. // Изм. техника. 1992. -N1. - с.40-42

68. Senior J., S.Moss. S.Cusworth Multiplexing techniques for noninterferometric optical point - sensor network. // Fiber and integrating optics. - 1998. - Vol.17. -No.l. -p.3-20.

69. Dakin J. P. Multiplexed and distributed optical fibre sensor systems. // J. Physics Engineering Science Instrumentation. 1987. - Vol.2. -No.8. -p.954-967.

70. Udd E. Application of fiber optic smart structures. // Optics and photonics news. 1996. Vol.7.-No.5.-p. 17-20.

71. Nelson A. R., D. H. McMahon, and R. L. Gravel. Passive multiplexing system for fiber-optic sensors. // Appl. Opt. 1980. Vol. 19. - No. 17. - p.2917 -2920.

72. Spillman W. В., and J. R. Lord. Self-referencing multiplexing technique for fiber-optic intensity sensors. // IEEE J. Lightwave Technol. 1987. Vol. LT-5. -No.7. - p.865-869.

73. Fernandez de Caldeya R„ M. Lopez-Amo, and J. A. Martin-Pereda. Low quasi time division multiplexing of identical optical fibre ring sensors. // Int. J. Optoelectron. 1994. Vol. 9. - No.l. - p.81-88.

74. Wanser, K. F. Voss Crack detection using multimode fiber optical time domain reflectometry. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors IV Conference. 1994. SPIE Vol.2294. - p. 43-52.

75. Mallalieu К. 1., R. Youngquist, and D. E. N. Davies. FMCW of optical source envelope modulation for passive multiplexing of frequency-based fibre-optic sensors. // Electron. Lett. 1986. Vol. 22. - No.15. - p.809-810.

76. Senior J. M., S. E. Moss, and S. D, Cusworth. Wavelength division multiplexed multiple sensor networks. //Proc. SPIE. -1991. Vol. 1586. - p.203-213.

77. Senior J. M., and S. D. Cusworth. Wavelength division multiplexing in optical fibre sensor systems and networks. // Opt. Laser Technol. 1990. Vol. 22. -No.2. - p.l 13-125.

78. Carter A. C. Wavelength multiplexing for enhanced fiber-optic performance. // Telecommunications. 1986. No. 10. - p. 30-36.

79. Gardiner P. T„ and R. A. Edwards. Fibre optic sensors (FOS) for aircraft flight controls. // Proc. Applications of Light in Guided Flight. Royal Aeronautical Society. - 1987.-p. 42-63.

80. Figueroa L., C. S. Hong, R. W. Huggins, G. E. Miller, A. A. Popoff, C. R. Porter, D. K. Smith, and B. Van Deventer. Fiber optics for military aircraft flight systems. // IEEE Lightwave Commun. Syst. 1991. Vol. 2. - No.l. - p.52-64.

81. Jarret B. and E. Brun. Network for optical fiber sensors using the wavelength division multiplexing technique. Distributed and multiplexed fiber optic sensors. //Proc. SPIE. 1992. - Vol. 1586 p.164-173.

82. Senior J. M., S. E. Moss, and S. D. Cusworth. Spectrally sliced WDM sensor networks: improved topologies to increase sensor numbers. // Int. J. Optoelectron. 1992. Vol. 9. - No.5. - p.425-431.

83. Senior J. M„ S. E. Moss, and S. D. Cusworth. LED spectral slicing: modeling of interchannel crosstalk and slice optical power content. // Int. J. Optoelectron. 1994. Vol.9. - No.3. - p.227-234.

84. Ishio H., J. Minowa, and K. Nosu. Review and status of wavelength-division-multiplexing technology and its application. // IEEE J. Lightwave Technot. 1984. Vol. LT-2. - No.4. - p.448-463.

85. Wagoner R. E„ and Т. E. Clark. Overview of multiplexing techniques for all-fiber interferometric sensor arrays. // Proc. SPIE. 1986. Vol. 718. - p.80-91.

86. Kersey A. D. Multiplexed fiber optic sensors. // Proc. SPIE. 1992. Vol.1797. -p.161-185.

87. Meltz G. Overview of fiber grating-based sensors. // Proc. of Distributed and Multiplexed fiber optic sensors VI Conference. 1996. SPIE Vol.2838. - p.2-22.

88. Mizrahi V., and J. E. Sipe. Optical properties of photosensitive fiber phase gratings. // IEEE. Lightwave Technol. 1993. Vol.LT-11. - No.9. - p. 1513-1517.

89. Meltz G., W. W. Morey, and W. H. Glen. Formation of Bragg gratings in optical fiber by a transverse holographic method. // Opt. Lett. 1989. Vol.14. - No.7. -p.823-825.

90. Anderson D. Z„ V. Mizrahi, T. Erdogan, and A. E. White. Production of in-fibre gratings using a diffractive optical element. // Electron. Lett. 1993. Vol. 29. -No.6. - p.566-568.

91. Meltz G., W. W. Morey, and W. H. Glenn. In fiber Bragg grating. // Proc. of Conference Digest OFC'91. -1991. P. 44-46.

92. Blair L. T. and S. A. Cassidy. Wavelength division multiplexed sensor network using Bragg fibre reflection gratings. // Electron. Lett. 1992. Vol. 28. - No. 18. -p.1734-1735.

93. Lopez-Amo M., L. T. Blair, and P. Urquhart. Wavelength division multiplexed distributed optical fiber amplifier bus network for data and sensors. // Opt. Lett. 1993. Vol.18. - No.14. - p.l 159-1161.

94. Morey W. W., J. R. Dunphy, and G. Meltz. Multiplexing fiber Bragg grating sensors. // Proc. SPIE. 1991. - Vol. 1586. - p.216-224.

95. Kersey A. D. High resolution fiber grating based strain sensor with interferometric wavelength shift detection. // Electron. Lett. Vol. 28. No.3. - p. 236-238.- 1992.

96. Kim M.H., Lee K.Sh., Lim S.H. Magnetostriction measurements of metallic glass ribbon by fiber-optic Mach-Zehnder interferometry // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999. - Vol.191. - P. 107-112.

97. Kersey A.D., and Berkoff T.A. Dual wavelength fiber interferometer with wavelength selection via fiber grating elements // Electronics Letters. 1992. -Vol.28(13) .-P.1215-1216.

98. Lee C.E., and Taylor H.F. Interferometric optical fiber sensors using internal mirrors // Electronics Letters. 1988. - Vol.24. - P. 193.

99. Kulchin Yu., Vitrik 0., Kirichenko 0., Kamenev 0., Petrov Yu., Maksaev 0. Method of single fiber multimode interferometer speckle signal processing // Optical Engineering. 1997. - Vol.36. -No.5. - P. 1494-1499.

100. Kamshilin A.A., Jaaskelainen Т., and Kulchin Yu.N. Adaptive correlation filter for stabilization of interference-fiber-optic sensors // Applied Physics Letters. -1998. Vol.73. - No.6. - P.705-707.

101. Григорьян B.B., Ильин Ю.Б., Константинов B.H. Лазерный волоконно-оптический гетеродинный интерферометр с частотной индикацией фазового набега светового сигнала в волоконном световоде // Квантовая электроника. -15.-№9.- 1988.-с. 1918-1920.

102. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики / Пер. с яп.- Л.: Энергоатомиздат. 1991. - 256 с.

103. Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. Амплитудная пространственная фильтрация в обработке сигналов одноволоконного многомодового интерферометра // Квантовая электроника. 1990. - т. 17. -№Ю.- С.1377-1378.

104. Kulchin Yu., Vitrik О., Kirichenko О., Kamenev О., Petrov Yu., Maksaev О. Method of single fiber multimode interferometer speckle signal processing // Optical Engineering. 1997. - Vol.36. - No.5. - P.1494-1499.

105. Ю9.Бусурин В.И., Семенов A.C., Удалов Н.П. Оптические и волоконно-оптические датчики // Квантовая электроника. 1985. - Т. 12. - №5. - С.901-943.

106. P. Choquet, F. Juneau, J. Bessette New generation of Fabry-Perot fiber optic sensors for monitoring of structures // Proc. SPIE. Vol. 3986. - 2000. - p. 418426.

107. J. K. Barnoski, S. M. Jensen Fiber waveguides: A novel technique for investigation attenuation characteristics. Appl. Opt. - vol. 15. - p. 2112 - 2115. - 1976.

108. M. Nakazawa Rayleigh backscattering theory for single-mode optical fibers. -Opt. Soc. Am.-vol. 73.-No. 9.-p. 1175- 1179.- 1983.

109. ПЗ.Сегшак, J. Jasenek. On Increasing the Performance Parameters of an Optical Time-Domain Reflectometer. - J. Electrical Eng. (EC). - No. 7. - pp. 220 - 224. - 1992.

110. R. B. Smith Fiber optic gyroscopes 1991: a bibliography of published literature // Proc. SPIE Vol. 1585. 1991. - p. 464-503.

111. D. Inaudi, B. Glisic Development of a fiber-optic interferometric inclinometer // Proc. SPIE. Vol. 4694. - 2002. - p. 36-42.

112. R. H. Doctor, N. A. Dunker Field Evaluation of a Fiber-Optic Intrusion Detection System-FOIDS // GRI Final Report GRI-95/0077. 1995.

113. Griffiths R. W. Structural integrity monitoring of bridges using fiber optics // Proc. SPIE. Vol. 2446. - 1995. - p. 127-138.

114. Farrar C. R., Doebling S. W., Nix D. A. Vibration-based structural damage identification // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A. 359.-2001.-P. 131-149.

115. Anon., Pipelines and Public Safety // Special Report 219. Transportation Research Board. - United States National Research Council. - 1988.

116. Speikhout J. A New Design Philosophy for Gas Transmission Pipelines -Designing for Gouge Resistance and Puncture Resistance //Proc. of 2nd Pipeline Technology Conference. Volume II. - 1995. - pp 479-489.

117. Leis B. N., Hyatt R. W., Stulen F. B. Monitoring Pipelines To Reduce The Risk And Incidence Of Third-Party Damage. GRI-96/0077. - 1996.

118. Leis B. N., Francini R. L., Stulen F. В., Hyatt R W., Norman R. Real-Time Monitoring to Detect Third-Party Damage // Proc. of 8th International Conference on Offshore Pipelines and Polar Engineering. Vol. 2. - 1998. - pp 34-38.

119. Francini R. L., Leis B. N., Narendran V. K., Stulen F. B. Real-Time Monitoring to Detect Third-Party Damage: Phase II // GRI-97/0141. 1997.

120. Norman R. Experimental Results from the Real-Time Monitoring Project // Proc. of International Gas Research Conference. 1998. -pp 503-507.

121. Leis B. N., Haines H. H. GRI's Project on Real-Time Monitoring to Detect Third-Party Contact // INGAA Safety Summit. Washington DC. - 1999.

122. Zhou Zhi, Lan Chunguang, Ou Jinping New kind of FBG-based crack (large strain) sensor // Proc. of the SPIE. Volume 6167. - 2006. - pp. 296-300.

123. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк A.B. Адаптивный волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного углового положения // Измерительная техника. 2006. №4. - С. 41-45.

124. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В. Стабилизированный волоконно-оптический датчик для дистанционного измерения абсолютного угла наклона // Автометрия. 2006. №6. - С. 113-118.

125. Yu. N. Kulchin, О. В. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, Fiber Optic Builder's Level // Pacific Science Review. 2002. - Vol.4. - p. 85-88.

126. Yu. N. Kulchin, О. B. Vitrik, V. F. Obukh, A.V. Dyshlyuk Fiber Optic Inclinome-ter // Proceedings of Fifth International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries. Vladivostok: FESTU. - 2003. - Part II. - p. 4549.

127. Yu. N. Kulchin, О. В. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, V. F. Obukh Fiber Optic Inclinome-ter // Pacific Science Review. 2003. - Vol.5. - C. 27-31.

128. Yu. N. Kulchin, O.B. Vitrik, A. V. Dyshlyuk, P.V. Anochin, A.L Ilin Health Moni-toring of Engineering Structures on the Basis of Fiber Optic Tilt Sensor // SPIE Pro-ceedings APCOM'2004. SPIE. - vol. 5851. - 2004. - p. 288-294.

129. Yuri N. Kulchin, Oleg B. Vitrik, Anton V. Dyshlyuk Fiber Optic Method of Pipe Coupling Remote Condition Monitoring // Proceedings of 7th International Sympo-sium on Marine Engineering. Tokyo. - 2005.

130. Yu. N. Kulchin, О. B. Vitrik, A.V. Dyshlyuk, P.V. Anokhin, V.F. Obukh Slope Measuring Technique for Health Monitoring of Marine Structures // Pacific Science Review. Vol.7. - 2005.

131. Yu. N. Kulchin, О. B. Vitrik, A. V. Dyshlyuk Multichannel fiber optical inclination measuring transducer // Proceedings of OPTO 2007 Integrated Optoelectronic Devices. San Jose:SPIE. - 2007. (прин. в печ.).

132. Унгер Г. Планарные и волоконные оптические волноводы /Пер. с англ.- М.: Мир. 1980.-656 с.

133. Корн Т., Корн К. Справочник по математике/пер. с англ. под ред. Арамановича И.Г. М.: Мир. - 1974. - с34-67.

134. Борн М., Э.Вольф Основы оптики / пер. с английского. М.: Наука. - 1973. -720 с.

135. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / пер. с английского Воронова Е.В., Ларина А.Л. М.: Постмаркет. - 2000. - 352с.

136. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа. - 1976.- 288 с.

137. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. изд. 11. - М.: Наука.- 1976.-872 с.

138. Витрик О.Б. Физические основы волоконно-оптических измерительных сетей для восстановления многомерных распределений параметров физических полей: Дисс. . д-ра ф.-м. наук. Владивосток: ДВГТУ. - 1998. -205 с.

139. Т. Erdogan Fiber grating spectra // J. Lightwave Techn. Vol.15. - No.8. - 1997. -p. 1277-1294.

140. C.A. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квантовая Электроника. 35. - 12. - 2005. - С. 1085-1103

141. A. Othonos Fiber Bragg gratings // Rev. Sci. Instrum. Vol.68. - No. 12. - 1997. -P. 4309-4341.161.3велто О. Принципы лазеров: пер. с англ. 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир.- 1984.-400с.

142. С. VASSALLO Curvature-induced oscillations of the loss of leaky modes in optical fibers: a ray analysis // Applied Scientific Research. 41. - 1984. - P. 315324.

143. Q. Wang, G. Farrell, Th. Freir Theoretical and experimental investigations of macro-bend Losses for standard single mode fibers // Optics Express. Vol.13. -No. 12. - 2005. - P.4480-4484.

144. D. Marcuse Curvature loss formula for optical fibers // J. Opt. Soc. Am. v.66. -1976. -P.216-220.

145. H. Renner Bending losses of coated single-mode fibers: A simple approach // Journal of Lightwave Technology. v. 10(5). - 1992. - P.544-551.

146. J. Jasenek The theory and application of fiber optic sensors with spread parameters // Electronic Resource. THEIERE project. 10063-CP-1-2000-1-PT-ERASMUS-ETNE. - http://www.eaeeie.org/theiere bratislava/index.html. -2000.

147. J. Kanka, J. Hora The Diagnostics of Optical Fibers by the Back-Scattering Method // Slaboproudy obzor. vol. 44. - No. 3. - 1983. - P. 105-111.