CC BY
10
УДК 681.586.5
И.Г. Кирин, доктор технических наук, профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: igkirin@rambler.ru
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМОЙ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИАЦИИ
Актуальность: световоды обладают уникальными характеристиками среды для передачи информации, но они чувствительны к воздействию физических полей, что, с одной стороны, позволяет создавать уникальные по характеристикам волоконно-оптические датчики, а, с другой стороны, является причиной снижающей помехоустойчивость систем, передающих по ним информацию. Цель работы: разработка помехоустойчивой волоконно-оптической линии передачи информации, позволяющей работать в условиях воздействия радиации, и других дестабилизирующих факторов, приводящих к росту затухания волоконно-оптического канала линии. Результаты: предложена схема построения волоконно-оптической линии, позволяющей передавать информацию при воздействии на нее дестабилизирующих факторов и радиации. В предложенной схеме полезный сигнал определяется в регистраторе линии от передаваемого по ней светового потока с длиной волны Х1. Затем он корректируется с учетом значения затухания волоконно-оптического канала, которое определяется по сигналу от источника, излучающего на длине волны Х2 диагностической системы линии, специально введенной в ее состав. Защита волоконно-оптического канала от ионизирующего излучения осуществляется путем отжига наведенных этим излучением стабильных и нестабильных полос поглощения. Для этого сигнал от источника оптического излучения диагностической системы на длине волныХ2 еще сравнивается с сигналом источника опорного напряжения, и если возникающий таким образом разностный сигнал ниже определенного уровня, то мощность этого источника увеличивается до тех пор, пока он не сравняется с ним. После восстановления пропускания волоконно-оптического канала до исходного уровня мощность излучения источника диагностической системы линии автоматически уменьшается до исходного уровня. Показано, что практически полностью снизить влияние дестабилизирующих факторов на результирующую погрешность можно, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части линии.
Ключевые слова: волоконо-оптические линии, радиация, диагностика затухания, защита от воздействия радиации лазерным излучением, коррективка выходного сигнала с учетом затухания, автоматический выбор уровня защищающего лазерного излучения.
Волоконно-оптические датчики имеют неоспоримые преимущества перед традиционными датчиками, вырабатывающими электрические сигналы [1, 2, 4, 9, 10, 14, 15, 17]. Это обусловлено их нечувствительностью к электромагнитным воздействиям, высоким быстродействием, исключением искрения, простой интеграцией в сложную систему мониторинга и телекоммуникации и возможностью проводить измерения как в очень ограниченном объеме, так и обеспечить распределенные измерения. В настоящее время разработана и серийно выпускается широкая номенклатура такого рода датчиков и волоконно-оптических систем, предназначенных для измерения широкого спектра физических полей и передачи данных об этих параметрах [1, 9, 10].
Практическое же использование столь уникальных диагностических и телекоммуникационных волоконно-оптических систем в составе атомных энергетических установок и установок, в процессе работы которых возникает радиация, пока еще ограничено. Это обусловлено достаточно высокой чувствительностью световодов к различным видам ионизирующего излучения [5, 6, 7, 8, 16]. В значительной мере технологии,
химический состав, структуры профиля показателя преломления, разработанные на сегодняшний день, позволяют серийно выпускать как устойчивые к воздействию радиации световоды, так и световоды, обладающие селективной чувствительностью к различным видам радиоактивного излучения - дозе или мощности дозы этого излучения. Эти световоды уже достаточно широко применяются в различного рода дозиметрах и ох-ранно-сигнализирующих системах [16]. Но накопленный практический опыт и непрерывно проводимые научные исследования, направленные на решение задачи построения высоконадежных радиационно-устойчивых, волоконно-оптических, диагностических и телекоммуникационных систем показывает, что дальнейшее продвижение в решении этой задачи состоит еще и в том, что наряду со специальными световодами необходимы еще и специальные методики и системы, необходимые для функционирования такого рода систем [9].
В статье предлагается помехоустойчивая волоконно-оптическая линия передачи информации с системой лазерной защиты и диагностики волоконно-оптического канала, позволяющая работать
в условиях воздействия радиации и дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры окружающей среды, переменные механические нагрузки, изменение давления, которые так же как и радиация приводят к росту затухания волоконно-оптических каналов, передающих информацию, и как следствие к искажению передаваемой по линии информации.
В рассматриваемой ниже линии, так же как и в линии, описанной в [11], введена система, позволяющая проводит непрерывную диагностику затухания волоконно-оптического канала, коррек-
тировку величины фиксируемого регистратором сигнала с учетом значения затухания волоконно-оптического канала, защиту волоконно-оптического от воздействия радиации путем непрерывного отжига стабильных и нестабильных полос поглощения, наведенных радиацией с автоматическим обеспечением выбора необходимого уровня защищающего лазерного излучения. За счет выполняемых системой функций и обеспечиваются возможности измерений в условиях ионизирующего излучения и под воздействием внешних дестабилизирующих факторов.
Рисунок 1. Волоконно-оптическая линия передачи информации с лазерной системой защиты от радиации (1 - волоконно-оптический световод; 2 - волоконно-оптического ветвитель; 3 - сферическое зеркало; 4, 5 - сельфоки; 6 - затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания; 7 - непрерывный ИАГ: №+3 лазер; 8 - фотоприемник канала защиты и диагностики затухания; 9 - фотоприемник канала регистрации; 10, 11 - светофильтры; 12 - усилитель с изменяющимся коэффициентом усиления; 13,14 - сумматоры; 15, 16 - источники опорного напряжения; 17 - регистратор; 18 - полупрозрачное зеркало)
В волоконно-оптической линии передачи информации пучок света от непрерывного лазера 7 через сельфоки 5 и затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 6 направляется в первый канал оптического ветвителя 2 и через него по волоконно-оптическому световоду 1 поступает на сферическое зеркало 3, отразившись от него в обратном направлении поступает вновь по волоконно-оптическому световоду 1 на оптический ветвитель 2 и, пройдя его второй канал и сельфок 5, отразившись от полу-прозрачного зеркала 18, поступает через светофильтр 11 на фотоприемник 8, где преобразовывается в электрический сигнал. С выхода фотоприемника 8 сигнал поступает на первый вход первого сумматора 14, на второй вход которого поступает сигнал от источника опорного сигнала 15. Сигнал разбаланса от фотоприемника 8 и источника
опорного сигнала 15 поступает на вход затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 6. Под действием этого сигнала устанавливается коэффициент пропускания лазера пропорциональный величине затухания всего волоконно-оптического канала связи, включающего: световод 1, оп-тический ветвитель 2, сферическое зеркало 3, первый сель-фок 4, второй сельфок 5, полупрозрачное зеркало 18, светофильтры 10, 12, а также оптические разъемы, соединяющие элементы линии. Одновременно с выхода фотоприемника 8 сигнал поступает на первый вход первого сумматора 13, на второй вход которого поступает сигнал от источника опорного сигнала 16. Сигнал разбаланса от фотоприемника 8 и источника опорного сигнала 16 поступает на вход усилителя с изменяющимся коэффициентом усиление 12, задавая его коэффициент усиления,
соответствующий величине затухания волоконно-оптического канала линии.
Оптическое излучения от источника сигнала, если сигнал передается по линии, по волоконно-оптическому световоду 1, и второй канал оптического ветвителя 2 и фокон 5 через полупрозрачное зеркало 18 и фильтр 10 поступает на фотоприемник 9 канала регистрации сигнала, где преобразовывается в электрический сигнал и далее поступает на регистратор 17, пройдя усилитель с изменяемым коэффициентом усиления 12.
При воздействии внешних факторов на волоконно-оптический световод 1 линии (ионизирующее излучение, механические нагрузки, температурный нагрев световода, потери, вносимые оптическими разъемами при повторной сборке устройства так далее) изменяется величина оптического сигнала на входе фотоприемника 9 канала регистрации передаваемого сигнала, причем эти изменения пропорциональны величине внешних воздействий. Но воздействие внешних факторов одновременно приводит к изменению уровню выходного на фотоприемнике 8 и сигнала на выходе сумматора 13 канала диагностики и, как следствие, увеличивается коэффициент усилителя 12 с изменяющимся коэффициентом усиления на величину, пропорциональную изменению потерь оптического канала. В соответствии с этим происходит дополнительное усиление электрического сигнала, поступающего с выхода фотоприемника 9 канала регистрации. Тем самым компенсируется влияние внешних факторов на прохождение информационного сигнала от источника сигнала к регистратору 17.
Таким образом, предлагаемая линия позволяет автоматически компенсировать влияние дестабилизирующих факторов на канал передачи информации. Линия устойчива к воздействию ионизирующего излучения, под действием которого в оптическом канале наводятся стабильные и нестабильные полосы поглощения. Возникновение наведенного поглощения уменьшает коэффициент пропускания волоконно-оптического канала связи, искажая тем самым информацию, передаваемую от измерительного преобразователя к регистрирующему блоку [9, 10]. Это достигается тем, что оптическое излучение от непрерывного лазера кроме диагностики потерь волоконно-оптического канала связи выполняет еще функцию защитного излучения. Причем в зависимости от величины и типа, наведенного ионизирующим излучением, потерь (стабильные или нестабильные полосы поглощения) изменяется мощность лазера рассматриваемой системы [3, 12]. Это достигается путем сравнения сигнала фотоприемника канала диагностики 8 с источником опорного напряжения 15 в сумматоре 14 канала диагностики. Сигнал разбаланса с выхода сумматора канала диагностики 14 подается на затвор с изменяю-щимся коэффициентом пропускания 6, увеличивая или уменьшая интенсивность лазерного излучения, поступающего в волоконно-оптический канал связи.
Использование принципа изменения интенсивности диагностического лазерного излучения от источника, расположенного на приемной стороне, позволяет проводить фотообесцвечивание как нестабильных полос поглощения, так и стабильных полос поглощения. Фотообесцвечивание стабильных полос поглощения происходит за счет его термического разогрева, который приводит к разогреву волоконно-оптического световода 1 и его термоотжигу и восстановлению его пропускания [3, 9, 12].
При сборке устройства проводится калибровка оптического канала. Для этого на волоконно-оптическую линию подается калибровочный сигнал и путем изменения величины опорного напряжения источника опорного сигнала 15 канала диагностики и источника опорного сигнала 16 канала регистрации проводится регулировка мощности лазера, при которой показания регистратора соответствуют величине калибровочного сигнала. Величины этих опорных напряжений - паспортная характеристика устройства. При дальнейшей разборке и сборке устройства воздействие различных воздействий на него, корректировка результатов измерений производится автоматически.
Оценка метрологических свойств предлагаемой линии проводилась по стандартной методике [13]. Применение этой методики к рассматриваемой линии, ее статистические характеристики можно представить в виде:
где 70 - выходной сигнал при отсутствии величины хвх:
кт = ^г- - коэффициент преобразования т-го
преобразователя.
В рассматриваемой линии всегда можно реализовать уВЬ1Х = 0 для Хт = 0. Тогда
Для волоконно-оптических линий, построенных на основе предлагаемой схемы, уравнение (2) будет иметь вид:
Фл - световой поток, поступающий на фотоприемник 9.
Для предлагаемой волоконно-оптической линии погрешности могут быть классифицированы по признаку слабой или сильной корреляции. Это дает возможность определить результирующую погрешность, определяемую данным видом дестабилизирующего воздействия с помощью соотношения
г?=2>: (4).
т=1
а результирующую относительную погреш-
ность ут. определяемую всем набором в внешних факторов, в виде
г;=±(г?У (5).
Правомочность именно такого подхода в данном случае обусловлена тем обстоятельством, что в рассматриваемой схеме построения помехоустойчивых линий предусмотрены меры непрерывной компенсации дрейфа, вызванного воздействием радиации и других дестабилизирующих факторов, а дрейфом за счет изменения параметров компонент можно пренебречь из-за малой скорости.
С учетом схемы предлагаемой волоконно-оптической линии основными факторами, определяющими погрешность предлагаемой линии передачи информации, являются изменения температуры окружающей среды, разъюстировка оптических элементов, а также погрешности, вызванные электронными блоками. Кроме этих факторов, влияние на результирующую погрешность оказывает еще и изменение среднего уровня освещенности фотоприемника датчика, связанного с меняющийся величиной затухания волоконно-оптического канала, в силу того, что источники, передающие информацию и обеспечивающие диагностику затухания волоконно-оптического канала, различные. Это, в свою очередь, приводит к постоянно меняющемуся значению требуемого порогового значения лучистого потока для регистратора. Кроме того, на погрешность величины сигнала, передаваемого по линии, будет оказывать влияние и фоновая засветка фотопремника источника излучения канала диагностики датчика.
Таким образом, в соответствии с (5) результирующая погрешность величины сигнала, фиксируемого предлагаемой волоконно-оптической линией, будет иметь вид:
Гу > Гу"' Уу, - суммарные погрешность блоков
волоконно-оптической системы, обусловленные меняющейся температурой, напряжением питания и разъюстировкой оптических и фотоэлектрических элементов;
у®л = + /9" - суммарная погрешность блоков волоконно-оптической системы, обусловленная меняющейся освещенностью фотоприемника канала регистрации и диагностики.
Анализ компонент, входящих в выражения (6), показывает, что основными факторами, определяющими погрешность волоконно-оптической линии, являются погрешности, возникающие при сравнении сигналов в сравнивающих устройствах, при нестабильности источников опорного напряжения, нестабильности излучения лазеров и температурной зависимость параметров электронных компонент датчиков. Практически полностью снизить значение этих факторов на результирующую погрешность можно, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части. Вместе с тем, исключить влияние на результирующую погрешность такого фактора, как колебание интенсивности лазерного излучения, обусловленного физическими процессами в активной области, нельзя. Но вклад в общую погрешность этого фактора незначителен, и им можно пренебречь.
Выводы. Таким образом, использование предлагаемой волоконно-оптической линии передачи информации позволяет практически полностью компенсировать воздействие на нее радиации и таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры окружающей среды, переменные механических нагрузок, изменение давления, меняющиеся потерь из-за изменения разъюстировки оптических и фотоэлектрических ее элементов, если использовать цифровые методы выполнения всех операций в электронной части, а также использовать в составе предлагаемой системы устойчивые к воздействию радиации (например, кварцевые) световоды.
Литература
1. Бусурин, В.И., Носов, Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - Москва, Энергоатомиздат, 1990. - 156 с.
2. Гавричев, В.Д., Дмитриев, А.Л. Волоконно-оптические датчики магнитного поля / учебное пособие. -Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2013. - 83 с.
3. Горелик, О.А., Кирин, И.Г. Численное моделирование термиче-ского разогрева световода лазерным излучением (статья). Современные технологии в энергетике, электронике и информатике. Материалы региональной научно-практической конференции. Выпуск 2. - Оренбург: Изд-во ОГУ, 1999. - 144 с.
4. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики. - Москва: Техносфера, 2007. - 384 с.
5. Дианов, Е.М., Корышенко, Л.С., Никитин, Е.Л. Обратимое обесцвечивание наведенного поглощения в волоконных световдах / Е.М. Дианов, Л.С. Корышенко, Е.Л. Никитин, А.О. Рыбалтовский, П.В. Чернов // Квантовая электроника. - 1979. - Т. 6. - № 5. - С. 1082-1083.
6. Дианов, Е.М., Корышенко, Л.С., Никитин, Е.Л. Обратимое обесцвечивание наведенного поглощения в волоконных световдах / Е.М. Дианов, Л.С. Корышенко, Е.Л. Никитин, А.О. Рыбалтовский, Б.Г. Скуйбан, В.В. Сулимов, П.В. Чернов // Квантовая электроника. - 1989. - Т. 9. - № 4. - С. 801-810.
7. Дианов, Е.М., Корышенко, Л.С., Никитин, Е.Л. Влияние температуры и уровня оптической мощности на наведенное поглощение в волоконных световдах из чистого кварцевого стекла // Квантовая электроника. -1981. - Т. 8. - № 9. - С. 1935-1944.
8. Дианов, Е.М. , Рыбалтовский, А.О., Никитин, Е.Л. Радиационно-оптические свойства волоконно-оптических световод на основе чистого кварцевого стекла (обзор) / Е.М. Дианов, А.О. Рыбалтовский, Е.Л. Никитин, Л.С. Корышенко, В.Б. Сулимов, П.В. Чернов // Квантовая электроника. - 1983. - Т. 10. -№ 3. - С. 458-464.
9. Кирин, И.Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические и оптоэлектронные датчики и системы / И.Г. Кирин. - Москва: Университетская 79, 2008.
10. Кирин, И.Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические каналы (часть 1) / И.Г. Кирин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2014. - № 1. - С. 144-150.
11. Кирин, И.Г. Помехоустойчивая волоконно-оптическая линия передачи информации с системой лазерной диагностики и защиты // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2016. - № 1. - С. 81-83.
12. Кирин, И.Г. Необратимое фотообесцвечивание волоннных световодов лазерным излучением // Анализ структур электронной и вычислительной техники. - Оренбург: Изд-во ОГУ, 1995. - С. 111-123.
13. Новицкий, П.В. Динамика погрешностей средств измерения. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. -191 с.
14. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
15. Сляров, О.К. Волоконно-оптические сети и системы / О.К. Скляров. - Москва: СОЛОН-Пресс, 2004. - 272 с.
16. Томашук, А.Л., Голанд, К.М., Забежайлов, М.О. Разработка волоконных световодов дли применения при повышенном уровне радиации // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. - 2001. -№ 4. - С. 52-56.
17. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. - Москва: Техносфера, 2008. - 520 с.
