CC BY
33ВКВО-2019- Стендовые
ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ОБРАСТАЮЩИХ КОРНЕЙ РАСТЕНИЙ
Ременникова М.В.1, Бочкова С.Д.1'2, Константинов Ю.А.1*
1 Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН, г. Пермь 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
* E-mail: yuri. al. konstantinov@ro. ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16179
Одним из главных вызовов современного человечества является необходимость обеспечения продовольствием растущее население Земли, прибегая ко всем возможным и разумным мерам по повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Обеспечивая всестороннее выполнение условий созревания их плодов, зачастую агрономы забывают о факторе, который присутствует почти везде и всегда - это вибрации (колебания, связанные с деятельностью человека, созданных им устройств и объектов, животных, геофизическими процессами). До недавнего времени было принято считать, что данный фактор либо не оказывает существенного воздействия на флору, либо дает незначительный негативный эффект. Однако существуют исследования, описывающие как отрицательное влияние вибраций на растения, так и дающие положительный эффект (увеличение урожайности на 30-40%) [1]. Отмечено, что возможно сформировать плоскую форму корневой системы у рассады в процессе ее роста с преимущественным развитием обрастающих корней за счет воздействия механической вибрации. При этом наверняка не выяснено, каким образом прикладывать вибрации, в каком спектре и т.д., и как избежать негативного влияния последних, которое наблюдается при воздействии, например, оживленной трассы. Для того, чтобы объяснить с фундаментальной точки зрения те или иные процессы в растениях, подверженных вибрационным воздействиям как в лабораторных, так и полевых условиях, необходима разработка гибкого малоинвазивного инструмента, позволяющего регистрировать полную акустическую картину в зоне высадки растений.
Авторы настоящей работы предлагают использовать метод DAS [2], но с применением повышенной поляризационной чувствительности. Предполагается, что благодаря этому снизится порог амплитуд колебаний акустических частот, регистрируемых системой. В основе метода быстрого распределенного анализа поляризационных свойств оптических волокон лежит автоматизированная схема зондирования волоконных световодов высококогерентными импульсами в разных состояниях поляризации (Рис.1).
Рис.1 Предлагаемая упрощенная конфигурация системы
Совместная обработка откликов рассеяния в анизотропном волоконном световоде от таких импульсов позволит получить функцию, линейно связанную с коэффициентом взаимодействия мод в заданной точке волокна. Принципиальную возможность такого подхода была продемонстрирована членами коллектива в работе [3]. В данный момент интересна схема, в которой высококогерентное излучение источника делится на две равные по мощности части и в каждой из ветвей разветвителя проходит амплитудную модуляцию и линейно поляризуется с высоким коэффициентом поляризационной экстинкции. Далее сигналы снова объединяются сохраняющим поляризацию объединителем, но таким образом, что из одного плеча излучение вводится по медленной оси, а из другого - строго между поляризационными осями. Импульсы заданной формы и скважности
342
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Стендовые
Р.ДБ
формируются в плечах делителя строго попеременно и через сохраняющий состояние поляризации вводимого излучения циркулятор посылаются в исследуемый световод. Экспериментально установлено [3], что импульсы, введенные под 45 градусов к медленной оси, в меньшей степени подвержены изменению общей мощности на дефектах анизотропии, в то время как импульсы, вводимые строго в медленную ось, описывают перекачку более выражено [4]. Очевидно, что искомой величиной в таком случае станет разность рефлектограмм, полученных по двум последовательно идущим импульсам. Предыдущие реализации таких схем, выполненные авторами ранее, требовали длительного накопления данных - по обоим типам импульсов. Возможны также вариации с углами ввода - эти работы были начаты также в [4] и требуют продолжения в связи с появлением новых рефлектометрических методик. В частности, предполагается, что сужением спектра источника удастся повысить скорость работы, перейдя к когерентной рефлектометрии. На данном же этапе проведены исследования на низкокогерентном источнике - чтобы проанализировать отдельно влияние поляризационной чувствительности. Рефлектограммы, полученные при зондировании под углами 0 и 45 градусов к медленной оси, представлены на рис. 2.
Математическая разница рефлектограмм, представленных на рисунке (которая, как видно из полученных зависимостей, достаточно адекватно регистрируется), характеризует перекачку мод и, как
следствие, становится некоторым образом чувствительной к температурам и деформациям. Этот факт частично подтверждает гипотезу о том, что чувствительность DAS к вибрации после применения такой модификации возрастет. Точнее, снизится порог амплитуд колебаний акустических частот,
регистрируемых системой. Известно также, что растения чувствительны не только в частоте, но и форме сигнала. Скажем, сигналы, представляющие собой
искаженные (срезанные) гармонические функции, свойственные экстремальным музыкальным стилям, по некоторым данным оказывают на растение негативные эффекты, что требует всестороннего исследования. Для изучения таких сигналов, таким образом, нужно высокое разрешение как по частоте, так и самой измеряемой величине, что является великолепным вызовом для современной агробиофотоники и достойным продолжением работ по только начинающему развитие направлению «Вибрационная экология» [5-8].
ч-э 1 радусив к 5s. у/ медленной оси
Л
в медленную ось
L, м
Рис.2 Рефлектограммы, полученные при зондировании под углами 0 и 45 градусов к медленной оси на «некогерентной» версии макета
Литература
1. http://www.findpatent.ru/patent/260/2603589.html
2. X. Liu, C. Wang, Y. Shang / Distributed acoustic sensing with Michelson interferometer demodulation / Photonic Sensors 2016 DOI: 101007/s13320-017-0363-y
3. Burdin, V V et al., A technique for detecting and locating polarisation nonuniformities in an anisotropic optical fibre, Quantum Electronics(2013),43(6):531, http://dx.doi.org/10.1070/QE2013v043n06ABEH014995
4. Konstantinov, Yu. A. et al. Quantum Electronics(2009),39(11):1068 http://dx.doi.org/10.1070/QE2009v039n11ABEH014171
5. М. В. Нецветов /Вибрационная экология леса /Екологiя та ноосферологiя. 2008. Т. 19, № 3-4, cc. 40-50
6. Нецветов М. В., Суслова Е. П., Вибрации деревьев, индуцированные движением трамваев (Netsvetov M.V., Suslova O.P. TREES VIBRATIONS INDUCED BY TRAM TRAFFIC / Donetsk botanical garden of the National Academy of Sciences of Ukraine), Вкник Запорiзького нацюнального утверситету № 2, 2008, сс. 152-157
7. Lacusic S. Impact of tram traffic on noise and vibrations // Electronic Journal «Technical Acoustics». <http://www.ejta.org> - 2006, 13
8. Беркович Ю.А., Большакова Л.С., Давыдова Н.В., Делоне Н.Л., Зимина Н.В., Смолянина С.О., Соловьёв А.А./ Стимуляция роста у пшеницы под воздействием вибрации / Доклады Академии наук / 2010 / http://naukarus.com/stimulyatsiya-rosta-u-pshenitsy-pod-vozdeystviem-vibratsii
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
343
