Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0224

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0224
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Исследование и разработка распределённой волоконно-оптической виброакустической сенсорной системы на основе фазочувствительной рефлектометрии с повышенной дальностью действия.
Докладчик
Жирнов Андрей Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного проекта является разработка технических и технологических решений в области создания распределённой волоконно-оптической виброакустической сенсорной системы на основе фазочувствительной рефлектометрии (РВВСС) с лазерным источником на микрочипе, обеспечивающей улучшенное детектирование и классификацию сигналов на фоне сильных помех, определяемых окружающей средой, и предназначенной для мониторинга нефте- и газопроводов, периметров охраняемых территорий и других протяжённых объектов. Основными решаемыми задачами являются:
1) создание алгоритмов детектирования, распознавания и визуализации объектов;
2) создание узкополосного лазерного источника на основе легированного эрбием и иттербием фосфатного стекла.
Актуальность и новизна исследования
Создание и развитие технологий, лежащих в основе работы сенсорных устройств, является важной научно-технической проблемой, затрагивающий различные области знаний такие как оптика, электроника, обработка сигналов, науки о материалах и многие другие. Устройство на основе фазочувствительной рефлектометрии является одним из наиболее перспективных представителей волоконно-оптических систем, поскольку оно фиксирует вибрационные (в том числе акустические) воздействия, которые являются основными признаком большинства аварийных событий.
Есть несколько актуальных задач в области фазочувствительной когерентной рефлектометрии. Во-первых, разработка лазерного источника, являющегося самым дорогостоящим компонентом системы. Во-вторых, решение сопутствующих задач: исследование схем построения сенсорных сетей, изучение путей получения равномерной характеристики чувствительности без существенного увеличения стоимости когерентного рефлектометра, исследование новых методов модуляции оптического излучения вводимого в волокно и демодуляции оптического излучения приходящего из оптического волокна. В-третьих, развитие методов обработки сигналов: выделение полезного сигнала на фоне случайных флуктуаций сопряжено с рядом трудностей, таких как перекрытие частотных диапазонов шумов и сигнала, аномально большая амплитуда шумов, нестабильность лазерного источника и другие. Именно разработка алгоритмов, повышающих вероятность верного обнаружения внешних воздействий, т.е. детектирования сигналов в присутствие технических шумов прибора и внешних (например, сейсмических шумов), и будет являться центральной задачей данной работы.
Описание исследования

Для лучшего понимания строения сигнала, получаемого от системы, будет создана её модель, учитывающая все существенные шумовые источники: оптические, оптико-электронные, электрические, шумы окружающей среды, температурные и другие. Будут определены источники погрешности, принимающие критическое значение на дальнем конце сенсора (около 50 км), определены причины уменьшения чувствительности и выбраны методы их компенсации. Планируется исследование вклада нестабильности всех компонентов (лазер, сенсорное волокно, модулятор и так далее) на величину шума сигнала, определение оптимальной с точки зрения цены конфигурации прибора, обеспечивающей достаточный уровень распознавания при минимизации стоимости. Такие же поиски оптимальной конфигурации планируется провести для устранения методом цифровой обработки последствий возникновения нелинейных эффектов в волокне. Будет создана модель «объект – окружающая среда – сенсорное волокно», с помощью которой будет описываться процесс передачи воздействия от детектируемого события в систему, что, в силу нелинейной чувствительности сенсора, поможет в разработке более совершенных алгоритмов распознавания, учитывающих эту непропорциональную зависимость.

Для создания алгоритма детектирования предполагается разработать методы статистической обработки сигналов с системы мониторинга, позволяющих обнаруживать события при превышении сигналом определенного порога. Будут создать средства, позволяющие оптимизировать методы статистической обработки сигналов с помощью создания алгоритмов прореживания данных. Таким образом, будет разработан алгоритм, позволяющий идентифицировать наличие события в сигналах сенсорной системы, основанной на фазочувствительной временной рефлектометрии, а его реализация выполнена на ПЛИС.

Решения задачи распознавания задетектированного события будет решаться с помощью методов машинного обучения. В свою очередь создание средств машинного обучения для решения задачи классификации сигналов предполагает, во-первых, создание алгоритмов, формирующих признаковое пространство, и, во-вторых, создание средств кластеризации. Для решения задачи кластеризации предполагается использовать EM-алгоритмы. В рамках настоящих работ предполагается использование смеси гауссовых распределений.

В части улучшения технических характеристик будет проведено, во-первых, исследование путей получения равномерной характеристики чувствительности без существенного увеличения стоимости когерентного рефлектометра, во-вторых, исследование новых технических способов и методов модуляции оптического излучения вводимого в волокно и демодуляции оптического излучения приходящего из оптического волокна.

В рамках выполнения работы предполагается предложить алгоритмические решения, позволяющие выделять полезный сигнал воздействий на фоне шумовых флуктуаций с вероятностью > 0,95. Также планируется проведение исследовательской работы по выявлению возможности достижения вероятности 0,98 и определения теоретического предела. Также будет решаться задача по уменьшению числа ложных тревог, вероятность которых на данный момент у систем на основе фазочувствительного рефлектометра составляет 1% против величины 0,01% у систем охраны на основе емкостных датчиков. Намечено протестирование алгоритмов на основе различных способов: метод интегрального вейвлетного спектра, методы морфологической обработки, преобразование Радона и другие. Сравнение вновь найденных алгоритмов с уже имеющимися будет производиться как к модельным, так и к экспериментальным данным. Также будет выполнена их оптимизация с целью возможности выполнения в ПЛИС.

В части создания лазерного источника будет проведён анализ полученных на исследовательском стенде характеристик и определён список необходимых доработок, например: необходимость схемы обратной связи с целью подавления релаксационных колебаний лазера, организация температурной стабилизации источника, методы повышения выходной мощности, создание оптической системы для согласованного ввода получаемого излучения в волокно. для оптимизации лазера на микрочипе будет собран исследовательский стенд для определения параметров источника (мощность накачки, фокусные расстояния фокусирующих объективов, необходимость установки стабилизирующих электрических схем, требования к модовому составу накачки и другие) и выходного излучения (длина волны, её стабильность, ширина спектра, стабильность выходной мощности, фазовые шумы и другие).

Результаты исследования

На данный момент работы были проведены работы по следующим направлениям:

1. Создание математической модели фазочувствительного рефлектометра. В новой модели учтено влияние нестабильности длины волны источника на получаемый сигнал. Отмечено, что наибольшее влияние имеет кратковременная нестабильность длины волны (за время порядка 1 мс). По результатам моделирования было вычислено, что для возможности использования в фазочувствительной рефлектометрии лазерный источник не должен иметь кратковременную нестабильность более 1 МГц. Данный результат был экспериментально подтверждён на трёх образцах источников излучения. На данный момент статья по данным исследованиям находится на рецензировании в журнале.

2. Создание установки для измерения фазовых шумов с компенсацией низкочастотных шумов за счёт применения нескольких спектральных каналов и последующей математической обработки. Фазовый шум является важным параметром источника излучения рассматриваемой сенсорной системы и такая установка была необходима для определения применимости лазера. Результаты опубликованы в статье.

3. Создание стенда для исследования характеристик лазера на микрочипе. Стенд позволяет измерять различные параметры лазера: спектр, мощность, стабильность  и другие. Наибольшее внимание было уделено параметру стабильности мощности, так как амплитуда релаксационных колебаний собранного лазерного источника составила до 50% от средней мощности. Для подавления колебаний была собрана простейшая схема обратной связи, представленная на рисунке 1. На данный момент она позволяет уменьшить генерируемый ими шумовой пик в спектре на 25 дБ, что показано на рисунке 2. Ведутся работы по оптимизации и улучшению работы схемы.

Рисунок 1 – Схема лазера на микрочипе с петлёй обратной связи

Рисунок 2 – Графики уменьшения релаксационных колебаний при увеличении мощности обратной связи.

4. Создание схемы лазера на основе иттербий-эрбиевого стекла с подавлением релаксационных колебаний. Так как релаксационные колебания являются существенной фундаментальной проблемой лазера на микрочипе, а её решение с помощью петли обратной связи приводит к ухудшению кратковременной стабильности (которая является критичным фактором, что указано в пункте 1), то было произведено рассмотрение альтернативных схем создания источника. Наиболее перспективной на текущей момент выбрана схема с одним внешним зеркалом и двухфотонным поглотителем из арсенида галлия. Ведутся работы по определению параметров компонентов схемы.

Практическая значимость исследования
Системы охраны протяжённых объектов, одной из которых является фазочувствительный рефлектометр, являются очень актуальными для нашей страны с её протяжёнными границами и многокилометровой транспортной инфраструктурой. Прибор позволит обезопасить важные объекты, сообщая о подозрительной и несанкционированной активности около них, предотвращая незаконные проникновения на объекты, врезки в трубопроводы, ошибочную раскопку земли около проложенных кабелей и другие события. Разработка улучшенной системы распознавания повысит верность определения данных событий и уменьшит количество ложных срабатываний. Созданный в рамках этой работы лазер будет первым отечественным узкополосным источником, который сможет применяться не только в фазочувствительном рефлектометре, но и в лидарах, телекоммуникационных системах и других областях.