ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МЕХАНО-ТЕРМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Краткое содержание

Актуальность темы диссертации

 Важной задачей эксплуатации волоконно-оптических информационных систем и линий связи (ВОЛС) является анализ состояния оптических волокон (ОВ) в оптическом кабеле (ОК) при различных механических, температурных, химических и других воздействиях со стороны окружающей среды. Это связано с тем, что практически ни один из всевозможных факторов воздействия напрямую не оказывает влияния на параметры оптического сигнала, проходящего по ОВ, влияние на сигнал оказывается косвенно. При традиционном подходе основным объектом анализа является ОВ. Однако, применяемый в настоящее время рефлектометрический метод исследования ОВ: дает интегральную по сечению и по длине волокна оценку изменения коэффициента потерь, а не данные по изменению профиля показателя преломления, и требует для объяснения полученных результатов теоретической поддержки.

В настоящее время существует достаточно большое количество публикаций, описывающих законы распространения электромагнитных импульсов в оптических волноводах разных конструкций, расчет распространения которых описан для случая использования линий в лабораторных условиях, или же, приведены расчёты для случая простых симметричных условий деформации волновода. В общем случае, отсутствует систематизированный подход к решению проблем распространения оптического сигнала в волоконно-оптических системах, подверженных различного рода деформациям.

Актуальность постановки вопроса о рассмотрении условий распространения оптического сигнала в деформированном волокне, находящимся в составе ОК всё острее возникает в связи с возрастающей скоростью передачи информации. При этом возрастает роль даже незначительных деформаций ОВ и ОК, ранее не игравших важную роль при передаче информации из-за относительно высоких потерь в волокне. Поэтому, для расчёта высокоскоростных линий передачи необходимо точно знать деформационные процессы, происходящие в волоконно-оптических системах, а главное, вклад каждой деформации в изменение параметров оптического сигнала.

Решение задачи эксплуатации ВОЛС в напряжённо-деформированном состоянии тесно переплетается с задачей исследования природных и искусственных физических объектов и полей, распределённых на некоторой площади, для которых требуется применение информационно-измерительных систем, в которых сбор данных осуществляется с использованием распределённых измерительных сетей. Наиболее перспективным типом измерительных сетей являются волоконно-оптические измерительные сети. Они состоят из набора распределённых волоконно-оптических измерительных линий, чувствительные участки которых детектируют внешние физические воздействия на измерительную сеть. Расчёты изменения параметров оптических сигналов позволят более точно и тонко производить анализ состояния контролируемого объекта.

Таким образом, можно выделить следующие актуальные направления в исследовании волоконно-оптических систем:

·                   исследование влияния на оптический сигнал самой конструкции кабеля (т.е. влияние полимерной оболочки ОВ и оптических волокон в оптическом модуле друг на друга (при различных вариантах укладки и повива)),

·                    влияние неоптических компонентов кабеля на ОВ (силовые и армирующие элементы, защитная оболочка, водоотталкивающий гель и др.).

Целью диссертационной работы являлись анализ и разработка методов расчёта изменения параметров оптических волокон для напряжённо-деформированных состояний волоконно-оптических систем, полученных при натурных и лабораторных исследованиях с использованием рефлектометрических методов измерения, анализ возможности использования данных методов расчёта в распределённых измерительных сетях и нормировка полученных расчётных данных об изменении параметров оптических волокон на показания измерительных приборов.

Основные задачи, которые решались в процессе выполнения работы следующие:

·        Комплексное исследование изменения физических параметров ВОЛС на основании данных мониторинга оптических линий рефлектометрическим методом, данных визуального осмотра и проектной документации Транс – Сибирской линии (ТСЛ) и других волоконно – оптических линий, данных о проблемах эксплуатации традиционных физических линий в различных климатических условиях.

·        Разработка математической модели (алгоритма) расчёта изменения оптических свойств оптических волокон при возникновении таких механических нагрузок на волокно, как: осесимметричное радиальное сжатие, изгиб, кручение, спиральная укладка, плоское сдавливание,  растяжение, с представлением полученных результатов в трёхмерном виде.

Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательских работ, проводимых в Иркутском государственном техническом университете в рамках темы НИР УНЦ «ЛТ» «Разработка методов управления структурно-информационными характеристиками лазерных и голографических систем для технологических и измерительных применений».

Научная новизна работы  состоит в том, что впервые рассмотрен ОК с точки зрения характеристик передачи оптического сигнала с учётом его конструкции и взаимодействия составляющих ОК элементов на базе классической теории упругости.

1.     Показано, что механические нагрузки на ОВ в существенной степени формируются действием со стороны других компонентов ОК, и показана возможность решения обратной задачи – восстановление профиля показателя преломления (ППП) ОВ по данным рефлектометрического анализа,

2.     Предложены методики прямого расчёта изменения оптических характеристик оптического волокна при различных деформациях, таких как осесимметричное радиальное сжатие; изгиб; кручение; спиральная укладка; плоское сдавливание; растяжение.

Практическая значимость работы определяется следующими аспектами:

1.                  методики расчёта, предложенные в работе, могут служить базой для разработки новых подходов для интерпретации данных по мониторингу ВОЛС с помощью рефлектометра, на основе которых возможна разработка новых методов и средств раннего обнаружения локальных и нелокальных дефектов ВОЛС.

2.                  Результаты исследования могут быть использованы при создании высокочувствительных волоконно-оптических систем с аналоговой регистрацией сигнала, а предложенные методики расчётов деформаций - для обработки массивов многомерной аналоговой информации с целью контроля состояния природных и искусственных физических объектов, деформационных, тепловых и других полей, распределённых на некоторой площади. 

Основные защищаемые положения:

1. Волоконно-оптический кабель является сложной многокомпонентной конструкцией из разнородных материалов, предназначенной для защиты ОВ от различных внешних воздействий (растяжение, сдавливание, защита от влаги и т.п.), что приводит к неравномерной подвижности элементов ОК при изменениях внешних условий. Использование моделей расчётов деформаций классической механики позволяет рассчитывать возникающие в результате внешних механических воздействий на ОВ изменения упругих механических и оптических характеристик волокон в пределах малых деформаций.

2. Полученные в результате расчётов данные об изменении ППП ОВ могут быть представлены в тензорном виде, что позволяет с достаточно большой точностью оценивать пространственные изменения оптических параметров волокна при возникновении напряжённо-деформированного состояния волокна , и, таким образом, определять влияние приложенных к волокну механических нагрузок на изменение параметров передаваемого оптического сигнала .

3. Систематизированный подход к решению задач расчёта изменения параметров оптического сигнала при прохождении через участок ОВ, находящегося в напряжённо-деформированном состоянии, в результате приложения таких внешних нагрузок как осесимметричное радиальное сжатие, изгиб, кручение, спиральная укладка, плоское сдавливание, растяжение позволит применять методы решения задач классической механики при создании распределённых сетей с аналоговой регистрацией сигнала для мониторинга физических полей объектов.