CC BY
19DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-383-384
ОПТОВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ВИБРАЦИЙ ПОЧВЫ
И СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
*
Туров А.Т. , Константинов Ю.А., Белокрылов М.Е., Максимов А.Ю.
Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН E-mail: artemtur442@gmail.com
Акустические колебания могут оказывать на растения как отрицательное влияние [1], так и положительное [2], например, увеличивая урожайность на 30-40%. Hassanien и соавторами представлен обзор большого количества исследований влияния вибраций в частотном диапазоне от 50 до 5000 Гц на растительные культуры, их каллус и семена [3]. Сообщается о положительном влиянии вибраций на развитие пшеницы [4]. Авторы [2-4] предлагают использовать оптоволоконные датчики вибраций, зарекомендовавшие себя во многих отраслях [5-8], в качестве малоинвазивного распределённого инструмента контроля виброобстановки культурных растений и среды их произрастания, отмечая, что сейчас исследования в данной области, такие, как, например, определение диапазонов частот и амплитуд, оказывающих положительное и отрицательное влияния, ограничивается его отсутствием. Также предполагается, что подобный датчик сможет служить и для охраны культурных посевов.
Целью данной работы являлось создание распределённого оптоволоконного датчика акустических вибраций для нужд исследователей в области агрономии и вибрационной экологии.
Предлагаемый датчик (рис. 1) содержит в качестве источника излучения импульсный когерентный лазер с длиной когерентности порядка 13 км, позволяющий использовать такие преимущества когерентной рефлектометрии, как большой динамический диапазон и быстродействие при общей простоте и относительной дешевизне конструкции, поскольку избавляет от необходимости использования модуляторов с системой управления ими и опорного плеча или линии задержки,
поскольку рассеянное излучение интерферирует само с собой. Таким образом, регистрируемый сигнал (последовательность рефлектограмм) представляет собой набор устойчивых во времени и пространстве интерференционных пиков. Кроме того, простота и стабильность параметров работы достигаются и за счет отсутствия фильтров сигнала после оптического усилителя (EDFA) поскольку было выяснено, что доля излучения, вызванного усиленной спонтанной эмиссией и являющегося основным источником шума в EDFA, в общем спектре усиления значительно уменьшается при подаче на вход усилителя сигнала с мощностью выше некоторой пороговой. В качестве блока сбора и обработки данных используется ПК с АЦП «ЛА-н1шЬ», позволяющий записывать сигнал с частотой дискретизации до 2 ГГц при использовании одного канала.
Для определения характеристик и ограничений созданного датчика, а также оптимизации системы обработки данных, была проведена серия исследований. В результате было выяснено, что при данной конфигурации оборудования наименьшая достижимая длина импульса (которая в данном случае также определяет и его мощность) составляет 40 нс (соответствует пространственному разрешению в 4 м), а наиболее оптимальная частота дискретизации АЦП - 250 МГц. Поскольку по причинам, которые ещё предстоит объяснить, при меньших частотах дискретизации в записанном сигнале пропадает стабильность положения и амплитуды интерференционных пиков.
Наименьший период импульсов, достигнутый на данный момент, составляет 10 мкс. В случае регистрации акустических колебаний (что и является основной функцией датчика) это обеспечивает частоту дискретизации (самого датчика, которую можно также рассматривать как количество рефлектограмм, получаемых за секунду) порядка 100 КГц и, соответственно, теоретическую максимальную регистрируемую частоту колебаний в 50 КГц.
Рис. 1. Схематическое устройство предлагаемого датчика
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
383
С целью оценки пригодности датчика для мониторинга виброобстановки в агрономии и виброэкологии был проведен ряд экспериментов. Чувствительный элемент датчика состоял из 2 сваренных катушек оптического волокна SMF-28, длинами приблизительно 800 и 1200 м, соответственно. Первая катушка подвергалась вибрационному воздействию, в то время как вторая была от него изолирована, находясь в соседнем помещении. В первом случае на чувствительный элемент воздействовали вибрациями с частотой 30 Гц, от 100 до 1000 Гц с шагом в 100 Гц, и от 1500 до 8000 Гц с шагом 500 Гц. Во втором случае воздействие осуществлялось частотой в 1200 Гц, но начиналось и прекращалось во время записи сигнала. На каждой частоте воздействия записывалось порядка 50 тыс. рефлектограмм. Затем над каждым набором значений уровня сигнала, соответствующих одному и тому же расстоянию вдоль чувствительного элемента, осуществлялось быстрое преобразование Фурье (БПФ), и полученный спектр очищался от шума. В первом случае длительность оконной функции в БПФ равнялась длительности сигнала, а во втором - 0,15 с. Полученные результаты представлены на рис. 2.
Рис. 2. Результаты испытаний пригодности датчика. (а)-(г): сводные графики, демонстрирующие регистрацию датчиком воздействий с частотами из исследованного диапазона; (д) - полный частотный спектр, полученный в отсутствие воздействий. (е-к) - спектры, демонстрирующие локализацию во времени воздействия с частотой 1200 Гц; время от начала записи сигнала 0-0,15; 0,15-0,30; 0,30-0,45; 0,45-0,60; 0,60-0,75 с, соответственно
Они наглядно демонстрируют то, что созданный датчик и система обработки данных удовлетворяют требованиям, необходимым для контроля вибрационной обстановки в исследованиях, относящихся к агрономии и вибрационной экологии, поскольку позволяют регистрировать воздействия в интересующем частотном диапазоне [3] и локализовывать это воздействие во времени. Созданный датчик обладает одной из наиболее простых и малозатратных конструкций из возможных. Дальнейшая исследовательская работа будет сосредоточена на более точном определении оптимальной частоты дискретизации АЦП, практических пределов регистрируемых частот, улучшении пространственного разрешения, а также в тестировании их для исследования влияния и генерации вибрационных колебаний в процессе роста растений в светокультуры.
Работа выполенена в рамках государственного задания с номером государственной регистрации темы АААА-А19-119051390040-5.
Авторы выражают благодарность инженеру лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН Клоду Д.
Литература
Horoshenkov K. et al, Proceedings of the Institute of Acoustics 34, 68-75 (2012)
Шапин В.И., Огурцов Ф.Б., пат. 2603589 РФ (2016)
Hassanien R.H.E. et al, J. of Integrative Agriculture 13, 335-348 (2014)
Беркович Ю.А. и др., Доклады Академии наук (2010)
Shang Y. et al, Measurement 79, 222-227 (2016)
Taylor H.F., Lee C. E, пат. 5194847 США (1993)
Ren L. et al, Measurement 122, 57-65 (2018)
Peng F. et al, IEEE Photonics Technology Letters 26, 2055-2057 ( 2014)
384............№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpress.rufotonexpress@mail.ru
