Метод Фурье-анализа сигналов межмодового волоконного интерферометра со спектральным опросом для измерения физических величин

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-72-01101

НазваниеМетод Фурье-анализа сигналов межмодового волоконного интерферометра со спектральным опросом для измерения физических величин

Руководитель Петров Александр Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика

Ключевые слова межмодовый волоконный интерферометр, волоконная оптика, спектральная интерферометрия, измерение растяжения и температуры, оптические измерения, Фурье-анализ сигналов

Код ГРНТИ90.27.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект будет посвящен всестороннему исследованию межмодового волоконного интерферометра (МВИ) для измерения внешних воздействий. Датчики внешних воздействий на основе МВИ активно применяются для измерения различных физических величин, что обусловлено такими их преимуществами, как простота конструкции (схема классического МВИ содержит лазер, многомодовое оптическое волокно, являющееся в данной схеме чувствительным элементом, и фотоприемник) и относительно невысокая стоимость в сочетании с достаточно высокой достижимой точностью проводимых измерений и возможностью в широких пределах варьировать чувствительность и динамический диапазон измерительной схемы на основе МВИ. Несмотря на несомненные преимущества МВИ, ряд проблем остался нерешенным, что ограничивает области применения таких датчиков. Основными проблемами являются высокая нелинейность сигнала МВИ и его подверженность федингу (амплитуда и контраст сигнала существенным образом зависят от условий окружающей среды и от условий возбуждения многомодового волоконного световода). Основная цель данного проекта - разработка метода получения линейного и стабильного отклика МВИ на внешнее воздействие в широком диапазоне величин измеряемого внешнего воздействия. Для этого будет разработан подход, основанный на Фурье-анализе сигналов МВИ при его спектральном опросе. Работа в рамках данного проекта будет вестись в двух основных направлениях. Во-первых, будет разработана комплексная математическая модель, описывающая МВИ со спектральным опросом, сигналы которого обрабатываются при помощи предлагаемого подхода. Данная модель будет учитывать основные параметры МВИ (параметры многомодового волоконного световода, условия его возбуждения источником, диапазон сканирования оптической частоты, степень когерентности оптического излучения) и позволит проводить расчет получаемого отклика и получать численные оценки чувствительности, динамического диапазона, линейности и стабильности к изменяющимся условиям окружающей среды. Таким образом, разработанная математическая модель позволит проводить расчет измерительной схемы на основе МВИ с целью оценки требуемых характеристик используемых оптоэлектронных компонентов (источник света, многомодовый волоконный световод, сканируемый по частоте лазер или оптический спектроанализатор) для обеспечения требуемых измерительных характеристик. Во-вторых, предложенный подход, основанный на Фурье-анализе сигналов МВИ со спектральным опросом, будет реализован экспериментально. В ходе выполнения проекта будут реализованы экспериментальные измерительные схемы, обеспечивающие измерение растяжения многомодового волоконного световода и его температуры в режиме реального времени. Будет проведено всестороннее экспериментальное исследование данных схем с целью определения зависимости их динамического диапазона, чувствительности, линейности и стабильности получаемого отклика от величины, формы и частоты внешнего воздействия, от параметров многомодового волоконного световода, условий его возбуждения, диапазона сканирования оптической частоты и степени когерентности излучения. Все полученные результаты будут сравнены с полученными в результате расчета по разработанной при выполнении проекта математической моделью с целью ее верификации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Петров А.В., Головченко А.И., Бисярин М.А., Ушаков Н.А., Котов О.И. Intermodal fiber interferometer with spectral interrogation and Fourier analysis of output signals for sensor application Photonics, Vol.11, No.5, p.423 (год публикации - 2024)
10.3390/photonics11050423

2. Петров А.В., Котов О.И., Головченко А.И. Measurement of External Impact by an Intermodal Fiber Interferometer with Spectral Interrogation and Fourier Transform of Output Signals 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), pp. 406-409 (год публикации - 2023)
10.1109/EExPolytech58658.2023.10318614

3. Головченко А.И., Петров А.В., Котов О.И. Измерение параметров многомодовых волоконных световодов методами спектральной интерферометрии Неделя науки ИЭиТ : Материалы Всероссийской конференции, Санкт-Петербург, 20–25 ноября 2023 года, с. 72-74 (год публикации - 2023)

4. Цветков В.А., Петров А.В., Головченко А.И., Котов О.И. Применение корреляционного анализа сигналов межмодового волоконного интерферометра со спектральным опросом для измерения внешних воздействий Неделя науки ИЭиТ: материалы Всероссийской конференции, Санкт-Петербург, 18–23 ноября 2024 года., с. 81-84 (год публикации - 2024)

5. Петров А.В., Головченко А.И., Котов О.И. Intermodal Fiber Interferometer Based on an SMSMS structure with Spectral Interrogation for Measuring External Impacts 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), pp. 460-463 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755640

6. Головченко А.И., Петров А.В., Темкина В.С., Арчелков А.Б., Цибиногина М.К., Котов О.И. Когерентный двойной спектральный метод измерения параметров одномодовых волоконных световодов с сильным линейным двулучепреломлением Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки, Т. 18. № 1. С. 182-200. (год публикации - 2025)
10.18721/JPM.18115

7. Петров А.В., Котов О.И. Sensor network based on multiplexed intermodal fiber interferometers for quasi-distributed measurements Applied Optics, Vol. 64, No. 24, pp. 7024-7032 (год публикации - 2025)
10.1364/AO.566882

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
— Экспериментально исследовано влияние профиля показателя преломления МВС на параметры отклика МВИ. Показано, что МВС со ступенчатым профилем показателя преломления обеспечивает большую чувствительность к внешнему воздействию, чем МВС с градиентным профилем показателя преломления. — Экспериментально показано, что в случае ступенчатого профиля показателя преломления МВС период спектральной передаточной функции существенно меньше, чем в случае МВС с градиентным профилем показателя преломления. Выбор МВС со ступенчатым профилем показателя преломления более предпочтителен в случае необходимости реализации МВИ с МВС небольшой длины, а также в случае небольшого доступного диапазона сканирования оптической частоты. Выбор МВС с градиентным профилем показателя преломления более предпочтителен в случае необходимости реализации МВИ с МВС большой длины, а также в случае малой степени когерентности режима работы МВИ (большая величина ширины линии лазера или ширины аппаратной функции оптического спектроанализатора). — Теоретически и экспериментально рассмотрено применение метода Фурье-анализа сигналов МВИ со спектральным опросом для мультиплексирования нескольких МВИ в рамках единой системы опроса. Показано, что в случае использования МВС разных длин такая схема обеспечивает возможность измерения внешнего воздействия, оказываемого на каждый МВИ по отдельности, и может использоваться для реализации квази-распределенных измерений. — Показано, что подход мультиплексирования нескольких МВИ в рамках единой системы опроса, предложенный в ходе выполнения проекта, позволяет существенно снизить влияние паразитных изменений условий окружающей среды на отклик МВИ за счет использования одного из МВИ в качестве опорного. — Разработана физико-математическая модель схемы, основанной на мультиплексировании нескольких МВИ в рамках единой системы опроса. С использованием этой модели проанализированы три варианта мультиплексирования – последовательный, параллельный и комбинированный, являющийся сочетанием последовательного и параллельного варианта. Показано, что комбинированный вариант мультиплексирования обеспечивает наиболее оптимальные измерительные характеристики. — Проведено экспериментальное исследование схемы, основанной на мультиплексировании нескольких МВИ в рамках единой системы опроса. Показано, что применение подхода Фурье-анализа сигналов такой схемы обеспечивает измерение внешнего воздействия, оказываемого на каждый МВИ по отдельности, с уровнем перекрестных помех не более 5%. — Теоретически и экспериментально рассмотрено применение метода Фурье-анализа сигналов МВИ, основанного на одномодовом двулучепреломляющем волокне (ДЛП-волокно), в котором в качестве интерферирующих мод выступают поляризационные моды ДЛП-волокна. Разработана физико-математическая модель такого МВИ, учитывающая его основные параметры (диапазон сканирования оптических длин волн при спектральном опросе, параметры ДЛП-волокна, влияние поляризационной дисперсии и влияние возможного рассогласования между осями двулучепреломления ДЛП волокон). — В результате расчетов на основе разработанной физико-математической модели показано, что наличие поляризационной дисперсии приводит к увеличению периода спектральной передаточной функции и смещению соответствующей компоненты Фурье-образа. — В результате расчетов на основе разработанной физико-математической модели показано, что угловые рассогласования, возникающие при сборке схемы (рассогласование оси входного поляризатора с осями двулучепреломления подводящего волокна) приводят к уменьшению величины спектральной компоненты Фурье-образа спектральной передаточной функции и появлению паразитных спектральных компонент. — Проведено экспериментальное исследование МВИ со спектральным опросом, основанного на ДЛП-волокне. Показано, что использование метода Фурье-анализа сигналов такого МВИ обеспечивает возможность измерения основных параметров ДЛП-волокна (двулучепреломление и длина биений) и возможность измерения внешних воздействий, вызывающих изменение разности фаз поляризационных мод в ДЛП-волокне.

Публикации