ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МЕХАНО-ТЕРМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ : ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ КОМПОНЕНТІВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНОГО КАБЕЛЮ ПІД ВПЛИВОМ МЕХАНО-ТЕРМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ, ЩО ВИНИКАЮТЬ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ



  • Назва:
  • ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МЕХАНО-ТЕРМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
  • Альтернативное название:
  • ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВЗАЄМОДІЇ КОМПОНЕНТІВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНОГО КАБЕЛЮ ПІД ВПЛИВОМ МЕХАНО-ТЕРМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ, ЩО ВИНИКАЮТЬ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ
  • Кількість сторінок:
  • 146
  • ВНЗ:
  • ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
  • Рік захисту:
  • 2004
  • Короткий опис:
  • СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ



    ВВЕДЕНИЕ
    1 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
    1.1 ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА НА ЕГО ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
    2 ГЛАВА 2. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ПО ОВ ПРИ НАЛИЧИИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
    2.1 ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
    2.1.1 СЛАБОНАПРАВЛЯЮЩИЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
    2.1.2 ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ ВОЛОВКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
    2.1.3 ПОТЕРИ СВЕТОВОЙ МОЩНОСТИ
    2.1.4 МОДУЛЯЦИЯ ФАЗЫ МОД ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АКСИАЛЬНЫХ И РАДИАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
    2.1.5 ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ С ДВОЙНЫМ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ
    2.2 ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
    2.2.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
    2.2.1.1 НАНЕСЕНИЕ ЗАЩИТНОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ
    2.2.1.2 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГРАНИЧНОГО СЛОЯ
    2.2.1.3 КАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ
    2.2.1.4 ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
    2.2.2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ НАГРУЗКИ
    2.2.2.1 НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОДВЕСНЫЕ КАБЕЛИ
    2.2.2.2 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
    2.2.2.3 НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОДЗЕМНЫЕ КАБЕЛИ
    3 ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
    3.1 РАСЧЁТ МОДЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
    3.1.1 ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ РАДИАЛЬНОЕ СЖАТИЕ
    3.1.2 ИЗГИБ И КРУЧЕНИЕ
    3.1.3 ПЛОСКОЕ ДВУХСТОРОННЕЕ СЖАТИЕ
    3.1.4 РАСТЯЖЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
    3.2 ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ПРИЛОЖЕННЫХ К ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ, НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАВАЕМОГО СИГНАЛА
    4 ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
    4.1 НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
    4.2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
    4.2.1 ИСПЫТАНИЯ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
    4.2.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАМЕРЗАНИЯ ГИДРОФОБНОГО ГЕЛЯ
    4.2.3 ВЛИЯНИЕ МИКРОИЗГИБОВ
    4.2.4 ВОЗНИКНОВЕНИЕ МИКРОИЗГИБОВ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ПРИ ЗАМЕРЗАНИИ ГЕЛЯ ИЗ-ЗА НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ ГЕЛЯ
    5 ГЛАВА 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
    6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ







    Введение
    Актуальность темы. Исследования в области опто-волоконных технологий начались в 70 годы ХХ века [1-4]. На этот период приходится основная часть фундаментальных исследований в этом направлении, в результате которых, на сегодняшний день волоконно-оптические технологии стали неотъемлемой частью практически любой научно-технической отрасли, включая коммуникационную и контрольно-измерительную. Тем не менее, спектр задач, решение которых возможно с помощью оптических волокон (ОВ) всё ещё достаточно широк, а сами ОВ на настоящий момент имеют значительный невостребованный запас возможностей, делающий актуальными дальнейшие исследования, направленные на более эффективное использование ОВ.
    В настоящее время, когда устоялись основные принципы и технологии производства ОВ, выявились лидеры (Corning Glass, Fujikura) и началось массовое внедрение оптоволоконных технологий в кабельную промышленность, появился целый ряд проблем и задач, с которыми, как выяснилось, ранее не сталкивались разработчики оптоволоконной и кабельной продукции, которые можно охарактеризовать как:
    • Распределённые и циклические механические нагрузки;
    • Химическое взаимодействие ОВ с окружающей средой.
    Возникновение механо-оптичесих проблем вызвано, прежде всего, тем, что ОВ, являясь коммуникационным устройством, прокладывается между усилительными пунктами, расстояние между которыми может достигать 150 км и более. При этом, как при прокладке, так и при эксплуатации ОВ может испытывать значительные механические нагрузки.
    На начальной стадии развития оптоволоконной промышленности этой проблеме уделяли внимание настолько, насколько это было необходимо для сохранения целостности самого ОВ. Сейчас, когда качество производимых ОВ сильно возросло, затухание ОВ (стандарт G. 652) составляет при , [5,6]даже незначительные механические нагрузки на ОВ способны ухудшить его параметры.
    Строительство волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) в Сибири выявило ряд уникальных проблем, с которыми до сих пор не приходилось сталкиваться как в других странах, так и в западных регионах страны. Сибирская специфика определила целесообразность монтажа ВОЛС в грозотроссе линий электропередач (ЛЭП), что, в свою очередь, обуславливает необходимость эксплуатации волокон при температурах от (-60С) до (+50С). Необходимость преодоления больших незаселенных пространств также принуждает эксплуатировать участки протяженностью до 180 км. Испытание уже готовых участков ВОЛС выявило, например, возрастание затухания среды ВОЛС, проложенной в грозотросе, из-за циклических температурных воздействий на оконечные участки кабеля в муфтах. Другими проблемами являются грозовые, сейсмические и ветровые влияния на надежность работы ВОЛС, электроэрозия оболочек световодов вблизи высоковольтных проводов, дефектообразование в местах соединений волокон под действием вечной мерзлоты. Большое значение приобретает и решение задачи диагностики удаленных волоконно-оптических каналов с центрального диспетчерского пункта.)
    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, посредством изменения таких параметров ОВ как геометрические размеры [7,8], так для малых деформаций

    где – диагональные компоненты тензора напряжения, u – смещение при деформации,
    и его профиля показателя преломления (ППП) согласно изменения тензора напряжений в волокне.
    Подобные ситуации возникают при деформациях ОВ, которые могут иметь самую разнообразную природу возникновения, и приводят к нарушению пространственного распределения диэлектрической проницаемости (и показателя преломления, соответственно) в поперечном сечении световода.
    При традиционном подходе основным объектом анализа является ОВ. Однако, применяемые в настоящее время методы исследования ОВ [9-24]: а) рефлектометрический, основанный на явлении рэлеевского рассеяния и б) основанный на принципе регистрации комбинационного рассеяния Мандельштама – Бриллюена дают интегральную по сечению и по длине волокна оценку изменения коэффициента потерь, а не данные по изменению профиля показателя преломления, и являются лишь инструментом исследования и требуют для объяснения полученных результатов теоретической поддержки.
    В настоящее время существует достаточно большое количество публикаций, описывающих процессы 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 [25-32]. 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. Одновременно с увеличением скорости передачи информации неук¬лонно растет и дальность передачи. Соответственно, основным ограничивающим фактором на данном этапе развития волоконно-оптических систем становится стабильность физических параметров волоконно-оптических линий связи, гарантирующих бесперебойную передачу информации. В связи с этим, 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.
    В связи с тем, что оптические волокна и кабель являются достаточно новым и специфическим промышленным товаром их эксплуатационные характеристики существенно отличаются от параметров обычных электротехнических изделий кабельной промышленности. Целью создания ОК является не только защита волокна от влаги и других, агрессивных по отношению к ОВ компонентам окружающей среды, но и защита от механического воздействия на ОВ как продольного, так и поперечного направления. Всё вышесказанное наряду с всё более широким применением волоконно-оптических кабелей и устройств, созданных на основе оптических волокон в информационных и измерительных системах обуславливает потребность в точных методах исследования и расчетах изменений оптических параметров волокон в условиях механических и климатических нагрузок.
    Таким образом, на данный момент можно выделить актуальные направления в исследовании волоконно-оптических систем:
    • исследование влияния на оптический сигнал самой конструкции, т.е.
    o вклад в ППП от полимерной оболочки ОВ,
    o влияние оптических волокон в оптическом модуле друг на друга (при различных вариантах укладки и повива),
    o влияние неоптических компонентов кабеля на ОВ (силовые и армирующие элементы, защитная оболочка, водоотталкивающий гель и др.).
    • изучение динамики взаимодействия компонентов ОК, позволяющей в дальнейшем оценивать влияние условий эксплуатации (температуры и её изменения, ветровая нагрузка, условия прокладки и пр.) на параметры оптического сигнала,
    • изучение методов расчёта и минимизации механических и климатических деформаций в волоконно-оптических системах,
    • рассмотрение возможности создания на базе существующих волоконно-оптических линий измерительной сети, способной детектировать определённый ряд внешних природных воздействий на ОВ, вызванных как подвижностью элементов ОК, так и при помощи внешних датчиков, установленных в разрыв, например, свободных волокон в ОК.
    Таким образом, целью работы было изучение проблем, возникающих при практическом применении ОВ и исследование оптического кабеля как системы разнородных элементов. Такой системный подход должен дать наиболее полное и наиболее точное представление о характере и динамике изменения оптических параметрах волокна при воздействии на кабель механических и климатических нагрузок.
    Основными методами исследования взаимодействия компонентов оптического кабеля с волокном являются натурные эксперименты, отражающие динамику изменения параметров оптического волокна при изменении условий эксплуатации; лабораторные эксперименты, повторяющие или выявляющие определённый тип дефекта в результате возникновения одного из указанных выше механических воздействий. На основе проведённых экспериментов было проведёно теоретическое моделирование деформации волокон в результате осесимметричного радиального сжатия, изгиба, кручения, спиральной укладки, плоского сдавливания, растяжения, основанное на методах расчёта, принятых в классической теории упругости.
    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,
    2. Показана возможность решения обратной задачи – восстановление ППП ОВ по данным рефлектометрического анализа,
    3. Предложен ряд методик прямого расчёта изменения оптических характеристик ОВ при следующих деформациях:
    • осесимметричное радиальное сжатие;
    • изгиб;
    • кручение;
    • спиральная укладка;
    • плоское сдавливание;
    • растяжение.
    4. Результаты анализа ППП ОВ при малых деформациях являются исходными для моделирования и исследования процессов воздействия нелокальных (распределённых) дефектов в волоконно-оптических измерительных системах и линиях связи.
    5. Проведено комплексное исследование по степени согласования теоретических моделей лабораторно-экспериментальных и полевых данных.
    6. Выполнены лабораторные эксперименты по моделированию механических нагрузок с использованием рефлектометрических методов измерения параметров ОВ.
    7. Представленные в работе исследования закладывают основу для аналитического подхода при решении задач распространения сигнала в деформированных волоконно-оптических системах с учётом их конструкции, что показывает принципиальную возможность использования волоконно-оптических кабельных систем для организации пространственной измерительной сети.
    Практическая значимость. Рост числа потребителей на рынке телекоммуникационных услуг в России ведёт как к увеличению объёмов предоставляемых услуг, так и к расширению номенклатуры услуг на телекоммуникационном рынке, что, в свою очередь, ведёт к ещё большему увеличению числа потребителей и объёмов услуг. В настоящий момент потребителями услуг являются как операторы телефонной проводной и сотовой связи, провайдеры услуг Internet, телевизионные студии, крупные предприятия и т.д., соответственно, увеличение числа потребителей и количества предоставляемых услуг ведёт к резкому возрастанию траффика и нагрузки на оборудование систем передач (СП) и линейно-кабельных трактов. Одной из важнейших проблем, возникающих в подобных ситуациях – недостаток физического ресурса линейно-кабельных систем, в качестве которых в настоящее время выступают, в основном, волоконно-оптические линии связи. Данная проблема подразумевает три выхода из сложившейся ситуации:
    • Наращивание физического ресурса (увеличение количества отдельных ВОЛС);
    • Увеличение скорости передачи информации по существующим линейно-кабельным системам;
    • Увеличение пропускной способности существующих линейно-кабельных систем за счёт уплотнения сигнала (технология DWDM).
    В силу ряда причин главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов [33]. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи км .
    При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать любое внешнее воздействие, изменяющее уровень сигнала, его фазовые и поляризационные характеристики.
    Для России, являющейся своего рода естественным мостом между Востоком и Западом протяженностью свыше 11 000 км, актуальной задачей является интеграция отечественных телекоммуникационных систем в Глобальную информационную структуру (ГИС). К числу важных этапов этой интеграции относится создание транснационального телекоммуникационного кольца, связывающего страны Дальнего Востока (Япония, Корея) и Восточные регионы России с центральными регионами России и со странами Западной и Северной Европы. Одной из характерных особенностей данного района строительства является ярко выраженный резко континентальный климат. По данным многолетних метеорологических наблюдений экстремальные значения температуры воздуха достигают –60 С в зимний период и +40 С в летний период, при этом перепад температур в течение суток может достигать 25-30 С. Максимальные скорости ветра, принимающиеся в расчет при проектировании ВОЛС, составляют 29-31 м/с. Толщина стенки гололеда на проводах и грозозащитных тросах достигает в зимний период на различных участках трассы 10-15 мм. Среднегодовая продолжительность гроз составляет 40-60 часов. Для данного района характерен также достаточно высокий уровень сейсмичности.
    При создании телекоммуникационного кольца нашли применение различные технические решения, включая волоконно-оптические кабели (ВОК) подземной и подводной прокладки [34]. Оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос (ОКГТ) применены на значительном участке, протяженностью 3500 км. На этом участке, проходящем по территории четырех крупных энергетических систем России: ИркутскЭнерго, БурятЭнерго, ЧитаЭнерго и АмурЭнерго, монтаж ОКГТ выполнен на опорах линий электропередач (воздушные линии –ВЛ)с напряжением 110 кВ и 220 кВ.
    Согласно сложившейся практике сооружения ВОЛС регенерационные пункты располагаются на электростанциях и подстанциях (расстояния между регенерационными пунктами не превышают 150 км).
    Наряду со стандартными требованиями к минимизации уровня затухания сигнала в ВОЛС и в местах состыковки волокон, повышению эффективности ввода-вывода излучения, при эксплуатации системы в условиях резко континентального климата необходимо учитывать и сложную реакцию всей системы на изменения внешней среды, и, в особенности, на циклические механо-термические нагрузки. Основной проблемой при эксплуатации ОК в сложных климатических условиях является различие коэффициентов температурного расширения компонентов кабеля. В частности для оптического кабеля, встроенного в грозотрос, широко используемого в иркутской области и за её пределами, чётко можно выделить три основных составляющих ОК, коэффициент линейного температурного расширения которых имеют следующие значения: металлическая часть ~ , оптические волокна ~ , полимерные материалы ~ .
    В таблице 1. приведены дополнительные характеристики материалов, применяемых при изготовлении ОК.
    При этом главной задачей при проектировании кабеля для районов с большой разницей сезонных температур является сведение к минимуму взаимных влияний элементов кабеля.

    Характеристики материалов, применяемых в оптических кабелях. Таблица 1
    Материал Плотность, г/см3 Модуль упругости, ГН/м' Предел текучести, ГН/м2 Относительное удлинение при пределе текучести, % Разрывная прочность, ГН/м' Относительное удлинение при разрыве, %
    Стальная проволока 7,86 200 0,4-1,5 0,2-1,0 0,5-3,0 25-2
    Арнитовое волокно 1,38 6-1,4 0,08-0,2 1,5 0,5-3,0 25-10
    Нейлоновая нить 1,14 6-13 0,8 6 1,0-1,5 15-20
    Кевларовое волокно 49 1,44 130 3,0 2 - 2
    Кевларовое волокно 29 1,44 60 0,7 12 3,0 4
    Кварцевое стеклянное волокно 2,48 90 3,0 3 3,0 3
    Углеродное волокно высокой прочности 1,5 100-200 15-20 1,5-1,0 1,5-2,0 1,5-1,0
    Важным моментом, упускаемым разработчиками оптических кабелей при изготовлении ОК является также недостаточное внимание, уделяемое циклическим воздействиям внешних факторов на кабельную систему в целом. Поэтму получается, что при разовом нагружении ОК выдерживает критические нагрузки и считается, что его параметры соответствуют паспортным, однако в реальной ситуации ОК может испытывать подобные нагрузки сотни раз за один сезон (весна, осень) [35], в результате чего в некоторых кабелях ощутимое влияние стали оказывать дефекты, не имевшие аналогов при эксплуатации в других регионах.
    Из вышесказанного ясно, что на данный момент существует целый ряд задач, которые необходимо решить для более грамотного проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС в регионах со сложными климатическими условиями. Поэтому сейчас актуальной задачей практики эксплуатации волоконно-оптических 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.
    Трудность в решении данной задачи связана с отсутствием систематизированного подхода к расчётам нагружения и деформации ОВ как отдельно, так и в комплексе с элементами кабеля и при учёте влияния каждого из видов нагружения (деформации) на оптические характеристики волокна.
    Важной особенностью волоконно – оптических линий является их предсказуемость. Практика показывает, что за исключением процесса старения кабелей, активная фаза которого проходит довольно быстро, остальные физические процессы являются, как правило, циклическими и оказывают строго определённое воздействие на волокно. Эта особенность ОК позволяет не только систематизировать возникающие в кабеле деформации, но и при незначительной модернизации (например, изменении температурных и механических параметров элементов кабеля) позволят реализовать на базе стандартных кабельных конструкций датчики таких физических величин как: температура, тяжение кабеля и др. При комплексном подходе к анализу изменений характеристик ОВ в таких измерительных сетях появится возможность не только контролировать атмосферные изменения в исследуемом районе, но и оперативно реагировать на эти изменения. В частности, известно, что любая полимерная конструкция имеет некоторую инерционность, поэтому, при возникновении критических ситуаций информация об этом с измерительной сети придёт раньше, и обслуживающий персонал линии будет иметь возможность принять меры по организации обходных каналов, организовать резервную связь раньше, чем параметры линии станут неудовлетворительными. В этой связи актуальность данной работы заключается и в том, что рассматривается как разовое, так и циклическое воздействие внешних факторов на ОК, что поможет сделать вывод о возможности использования ВОЛС так же и в качестве сети распределённых датчиков физических величин.
    Таким образом, 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. Полученные в работе расчётные результаты приведены в трёхмерном виде, что позволяет визуально оценить изменение состояния оптических параметров волокна, и сопоставлены с экспериментально полученными результатами, что позволит в дальнейшем нормировать полученные результаты друг на друга.
    3. 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 предназначенной для защиты ОВ от различных внешних воздействий (растяжение, сдавливание, защита от влаги и т.п.), что подразумевает использование различных материалов при изготовлении кабеля (металл, полиэтилен, кевлар, гелевые заполнители и т.д.). Подобная разнородность материалов приводит к неравномерной подвижности элементов ОК при колебаниях внешних условий эксплуатации, что, в конечном счёте, приводит к возникновению внешнего воздействия на ОВ. Использование моделей расчётов деформаций классической механики позволяет рассчитывать возникающие в результате внешних механических воздействий на ОВ изменение упругих механических и оптических характеристик волокон в пределах малых деформаций.
    2. Полученные в результате расчётов данные об изменении профиля показателя преломления оптического волокна (ППП ОВ) могут быть представлены в тензорном виде, что позволяет с достаточно большой точностью судить о пространственных изменения оптических параметров волокна при возникновении напряжённо-деформированного состояния волокна , и, таким образом, позволяют судить также и о влиянии 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.

    Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
    Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
    • Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ, Иркутск, 1999, 2003).
    • The Asia-Pacific Conference Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics -APCOM (Владивосток (APCOM- 2000, 2002, 2003),
    • Ежегодных конференциях ОАО «Иркутскэнерго», (ЮЭС СДТУ, Иркутск, 1999, 2003),
    • На научных семинарах и рабочих совещаниях Самарского филиала ФИАН, Иркутского Государственного университета, Иркутского Государственного Технического Университета, Иркутского Государственного Педагогического Университета и Иркутском городском семинаре «Физика наукоемких технологий».

    Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично, либо при его определяющем участии. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично. Принадлежность указанных научных результатов лично соискателю признана всеми соавторами и научным руководителем.

    Публикации. Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 8 печатных работах.

    Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 145 страниц печатного текста, включая 42 рисунка, 6 таблиц, списка литературы, содержащего 85 наименований.
    В первой главе приведён анализ научно-технической информации и показано, что исследования параметров оптических волокон в напряжённо-деформированных состояниях становится всё более важным направлением деятельности в области проектирования и создания высокоскоростных систем передачи. Причина возникновения данной задачи заключается в повышении объёмов и дальности передаваемой информации.
    Показано, что ввиду недостаточного внимания к процессам деформации ОВ отсутствует их систематизированное описание.
    Во второй главе приведён теоретический обзор вопросов, касающихся расчёта параметров распространения сигнала в оптических волокнах. Рассмотрены причины возникновения механических нагрузок и приведены примерные расчётные величины этих нагрузок.
    Во третьей главе представлены методики расчёта моделей напряжений в оптических волоконах. Рассмотрены следующие модели деформаций:
    • осесимметричное радиальное сжатие;
    • изгиб;
    • кручение;
    • спиральная укладка;
    • плоское сдавливание;
    • растяжение.
    Представлена методика расчёта влияния механических нагрузок, приложенных к волокну, на характеристики передаваемого сигнала, которое выражается в изменении параметра при возникновении деформаций в волоконном световоде.
    В четвёртой главе описаны экспериментальные методики, использовавшиеся для моделирования деформационных состояний ОВ и для проведения практических исследований по решению ряда задач, связанных с эксплуатацией подвесных ВОЛС в жёстких климатических условиях.
    В заключении представлены основные результаты работы.
  • Список літератури:
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ
    Становление волоконно-оптических телекоммуникационных технологий выдвигает все новые и новые проблемы, которые имеют преимущественно системный характер или связаны с конкретной спецификой условий эксплуатации. Не является исключением и начавшаяся эксплуатация сибирских волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
    Можно предположить, что дальнейшее развитие ВОЛС будет связано с широким применением методов и средств компьютерной оптики и с использованием элементов дифракционной оптики во всех каскадах волоконного канала связи. Разработке указанных новых подходов и методов и посвящена настоящая работа. Ее основные результаты, сводятся в основном к следующему:
    1. Проведено 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 линий связи в различных климатических условиях. Показано, что в настоящее время накоплен достаточно большой материал для расчётов таких параметров оптических волокон как распределение нагрузки и изменение его механо-оптических характеристик. Но, вместе с тем, отсутствие систематизированного подхода в этом направлении, нацеленного на комплексное решение задачи взаимодействия такой сложной системы как волоконно-оптическая линия связи, включающая в себя как само оптическое волокно (ОВ) и оптический кабель (ОК) в целом, так и все элементы внешних конструкций не позволяет производить теоретически обоснованный анализ состояния ВОЛС.
    2. Определены основные подходы к решению задач расчёта изменения оптических параметров ОВ при приложении внешних нагрузок:
    o Все процессы, рассматриваемые в данной работе, лежат в пределах малых деформаций , т.е. не приводят к разрушению материала волокон;
    o Рассматриваются только упругие деформации;
    o Основополагающим законом при нахождении изменения параметров ОВ – является закон Гука

    где – диагональные компоненты тензора напряжения, u – смещение при деформации;
    o В качестве базовых моделей для расчётов берутся модели классической механики.
    3. Проведён теоретический обзор возможных причин возникновения напряжённо-деформированных состояний ОВ в кабеле, на основе которого был проведён расчёт величины воздействия этих нагрузок на волокно. Предложена классификация причин возникновения нагрузки:
    o Технологические,
    o Эксплуатационные.
    К технологическим нагрузкам отнесены и рассмотрены процессы, их (НДС) формирующиеся при :
    o Нанесении защитной полимерной оболочки,
    o Формировании поверхностных граничных структур,
    o Возникновении капиллярного эффекта, при нанесения защитной полимерной оболочки,
    o Возникновении внутренних напряжений,
    К эксплуатационным нагрузкам отнесены и рассмотрены:
    o Нагрузки, действующие на подвесные кабели
    o действующие в вертикальном направлении
     нагрузка от собственного веса;
     нагрузка от гололёда;
    o действующие в горизонтальном направлении
     ветровые нагрузки.
    o влияние температуры
    4. Предложен ряд методик прямого расчёта изменения оптических характеристик ОВ при следующих деформациях:
    o осесимметричное радиальное сжатие;
    o изгиб;
    o кручение;
    o спиральная укладка;
    o плоское сдавливание;
    o растяжение.
    Приведены варианты трёхмерного графического представления изменения профиля показателя преломления ОВ при приложении вышеуказанных нагрузках.
    Предложена методика оценки изменения параметров оптического сигнала при прохождении участка ОВ, находящегося в напряжённо-деформированном состоянии. В частности показана зависимость постоянной распространения от изменения профиля показателя преломления в ОВ при возникновении внешней нагрузки.
    5. Рассмотрены основные принципы регистрации (мониторинга) состояния ВОЛС и принципиальная возможность использования существующих линий для анализа внешних условий эксплуатации, т.е. использования ВОК в качестве датчиков физических величин. Проведены натурные и лабораторные эксперименты по моделированию механических нагрузок с использованием рефлектометрических методов измерения параметров ОВ, представлены результаты рефлектометрических измерений экспериментальной оптической линии и некоторых участков реальной ВОЛС, подтверждающие результаты расчётов изменения оптических характеристик ОВ при возникновении напряжённо-деформированного состояния.
    Вышесказанное позволяет предполагать, что помимо своих основных функций – связи – оптические кабели и линии в целом, хоть и косвенно, но передают информацию об условиях эксплуатации и, особенно, о критических их проявлениях. Таким образом, умышленное повышение чувствительности кабеля к внешним атмосферным воздействиям методом изменения физических параметров заполнителей или полимерных компонентов кабеля, позволит создавать на базе стандартной кабельной продукции пространственно распределённые сети датчиков физических величин большой протяжённости, что, при современных рефлектометрических методах мониторинга ВОЛС позволит оперативно определить область возникновения критических нагрузок и их примерную величину.







    ЛИТЕРАТУРА

    1. Унгер Г.Г. Оптическая связь. - М.:Связь,1979. - 264 с.
    2. Маркузе Д. Оптические волноводы. - М.: Мир, 1974, 576 с.
    3. Унгер Г.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы /Пер. с англ.,- М.: Мир, 1980, 656 с.
    4. Permeability, Permittivity and Conductivity Measurements with Time Domain Reflec¬tometry. Hewlett-Packard, AN 153, 1972.
    5. Стерлинг Д. Дж. Волоконная оптика. Техническое руководство. –М.: «Лори», 1998, 288 с.
    6. Волоконно-оптические линии связи: Справочник/АндрушкоЛ.М., Вознесенский В.А., и др.-Киев:Техника,1998. 240с.
    7. Зубчанников В.Г. Основы теории упругости и пластичности. М: “Высшая школа”, 1990.
    8. Белоус П.А. Осесимметричные задачи теории упругости.  Одесса: ОГПУ, 2000.  183 с.
    9. Андреева Е.И., Сумкин В., Сергеев А.Н. Оптический тестер: точность, стабильность плюс сертификация. Http://foptic.narod.ru/Testers.htm
    10. Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. - М: Эко-Трендз, 1997.
    11. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. - М.: Эко-Трендз, 1999.
    12. Бакланов И.Г. ISDN и FRAME RELAY: технология и практика измерений. - М.: Эко-Трендз, 1998.
    13. Бакланов И.Г. Технология измерений первичной сети, т. 1. Системы El, PDH, SDH. -М.: Эко-Трендз, 2000.
    14. Бакланов И.Г. Технологии измерений первичной сети, т. 2. Системы синхронизации, B-ISDN, ATM. - М.: Эко-Трендз, 2000.
    15. Бакланов И.Г. ВОЛС: измерительное оборудование. //Вестник связи, № 3, 1997.
    16. Бакланов И.Г. Эксплуатационные измерения на ВОЛС. //Вестник связи, № 8, 1997.
    17. Бакланов И.Г. Измерительная техника современных телекоммуникаций. Контрольно-измерительные приборы и системы связи, апрель, 1997.
    18. Бакланов И.Г. Тестирование и диагностика систем связи. - M: Эко-Тренз, 2001г. – 268с.
    19. Иванов А.Б. Сравнительный анализ контрольно-измерительного оборудования ВОЛС.
    20. Контроль надёжности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии. //«Фотон-Экспресс», ТКС, 1998г.
    21. Рефлектометры становятся меньше и умнее. //«Фотон-Экспресс» №2, 1995.
    22. Lee R. Moffitt. Time Domain Reflectometry. Theory and Applications. Hewlett-Packard, AN 75.
    23. Permeability, Permittivity and Conductivity Measurements with Time Domain Reflec¬tometry. Hewlett-Packard, AN 153, 1972.
    24. Бурдин В.А. Бриллюэновские оптические рефлектометры. –АО «Связь - Автоматика – Монтаж», Самара, 1999.
    25. Мурадян А.Г., Гольдфарб И.С., Иноземцев В.П. Оптические кабели много канальных линий связи. М: “Радио и связь”, 1987.
    26. Гольдфарб И.С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических нагрузок. // Электросвязь. – 1980. – №12. – с. 16 – 19
    27. Гроднев И.И. Ларин Ю.Т. Теумин И.И. Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение. М.: Энергоатомиздат. – 1991. – 264 с.
    28. Мидвинтер Дж. Э. Волоконные световоды для передачи информации. М: Радио и связь, 1983, - 336 с.
    29. Солимено С., Крозиньяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения. М., Мир, 1989, 664 с.
    30. Теумин И.И. Дополнительные потери в оптическом кабеле. // Электросвязь. – 1980. – №12. – с. 20-21.
    31. Шитов В.В. Чупраков В.Ф. Нехорошева Р.А. Кононова Н.М. Воздействие отрицательных температур на волоконные световоды в полимерных покрытиях // «Электросвязь». – 1989. – №8. – с. 37-40.
    32. Кульчин Ю.Н. Распределённые волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток, Дальнаука, 1999. – 283 с.
    33. Волоконная оптика. Сборник статей. М. «Оптиктелеком», c.-52-53.
    34. Строительство участка Транс-Сибирской Линии связи с волоконно-оптическим кабелем, проложенным по линиям электропередачи. // www.opten.ru/rus/project , 1998.
    35. *Аграфонов Ю.В., Липов Д.Б., Малов А.Н., Овчинкин А.В. Проблемы эксплуатации волоконно-оптических систем связи. // «Компьютерная оптика», вып.19, 1999, с.159-164
    36. Алексеев Е.Б. и др. Концепция развития высокоскоростных ВОСП на взаимоувязанной сети связи России. //«Электросвязь», № 9, 1996.
    37. Андрушко Л.М., Каток В.Б. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи - К.: Техника, 1988.
    38. Гроднев И.И. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. М., Радио и связь, 1993.
    39. Гроднев И.И. Одномодовая связь по оптическим кабелям. М. МИС, 1990, 41с.
    40. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. Радио и связь.1990. – 224 с.
    41. Гроднев И.И., Ишкин В.Х. Волоконно-оптическая связь вдоль линий электропередачи. //«Электросвязь», № 3, 1996.
    42. Грудинин А.Б., Дианов Е.М.. Световоды для широкополосных линий связи. //«Электросвязь».- 1981, № 1, с. 33-38.
    43. Новые типы оптических волокон для высокоскоростных систем передач. //«Фотон-экспресс» № 14, 1999.
    44. Александровский М.И. и др. Одноволоконные оптические системы передачи. Методы построения и характеристики. //«Электросвязь», № 9, 1996.
    45. Гладышевский М.А., Наний О.Е., Леонтьев К.Г., Туркин А.Н. Искажение световых импульсов в волоконно-оптических линиях связи при комбинированном воздействии поляризационно-модовой дисперсии и поляризационно-зависимых потерь, в материалах конференции «Оптические сети связи в России: наука и практика», М., 2002, с. 39.
    46. Макаров Т.В. Динамика и структура изломов волоконных световодов. Электросвязь, № 9, 1996.
    47. Макаров Т.В. Анализ фотоупругости в изогнутых и скрученных волоконных световодах. //«Электросвязь», №11, 1998.
    48. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970, 856 с.
    49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., «Наука», 1968, 720 с.
    50. А.М. Кутепов, А.А. Макеев, И.В. Чепура Технология производства волоконно-оптических материалов как часть химической технологии.// МГУИЭ, Москва, Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, № 1, 1998, с. 16-28.
    51. Синица П.А. Взаимодействие сложных систем с лазерным излучением. Диплом, ИГУ, 2001 г. 70 с.
    52. Александров В.А., Микилев А.И. Самонесущие оптические кабели. // «Вестник связи» №3 2000.
    53. Щебуняев А.Г.. Полимерные покрытия волоконных световодов. Волоконно – оптические технологии, материалы и устройства. №2, 1999 г. ИОФ РАН, М.
    54. Аграфонов Ю.В. Структура жидкости вблизи твердой цилиндрической поверхности. // Коллоидный журнал, 1994, т. 56, № 4, стр. 473-476
    55. Русанов А.И.. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л., «Химия», 1967 г., с 11-20.
    56. Аграфонов Ю.В., Балахчи А.Г., Бирюлина Т.В., Выговский Ю.Н., Дорогобид Я.С., Кручинин Л.Е., Малов А.Н., Ушаков Ф.Е., Черный В.В. Граничные структуры жидкости и голографические регистрирующие среды. \\ Компьютерная оптика, (1999), вып. 19, с. 118 – 124.
    57. Алексеева Е.И. Кравченко В.Б. Милявский Ю.С. и др. Кремнийорганические полимерные материалы для волоконных световодов // Предпринт ИРЭ АН СССР. – 1985. – №8 (426). – 28с.
    58. Басков П.Б. Кононова Н.М. Корышев С.В. Чупраков В.Ф. Квар¬цевые волоконные световоды в эпоксиакрилатном покрытии // Электронная про-мышленность. – 1987. – Вып. 6 (164) – с. 34-36.
    59. Мартынов Г.А. Проблема фазовых переходов в статистической механике. УФН, 169, № 6, с. 595 – 624.
    60. Милявский Ю.С. Нанушьян С.Р. Симановская Е.И. и др. Исследование пропускания некоторых типов волоконных световодов с полимерной оболочкой // ЖТФ. – 1982. – Т.51, №3. – с. 652-654.
    61. Зубов П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий. М., «Химия», 1982 г.
    62. Сандитов Д.С., Бартенев Г.М. Физические свойства неупорядоченных структур (Молекулярно-кинетические и термодинамические процессы в неорганических стеклах и полимерах). – Новосибирск: Наука, 1982. - 256 с.
    63. Саркисов Г.Н. Приближенные уравнения теории жидкостей в статистической термодинамике классических жидких систем. УФН, 169, № 6, с. 625 - 642.
    64. Тихонов Д.А., Аграфонов Ю.В. Мартынов Г.А. и др. //Коллоид. Журн. 1991. Т.53.№5.с. 911.
    65. Липатов Ю.С. (отв. редактор). Структура и свойства поверхностных слоёв полимеров. «Наукова думка», Киев, 1972 г, с 14 – 20.
    66. Липатов Ю.С. Термодинамические и структурные свойства граничных слоёв полимеров (сборник статей). С 88 – 101.
    67. Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. Для инженеров и студентов ВУЗов. М., «Наука», 1979 г.
    68. Зубов П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий. М., «Химия», 1982 г.
    69. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1974. - 391 с.
    70. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). Шестое издание. Министерство энергетики Российской Федерации. М., Госэнергонадзор, 2000 с. 183-189.
    71. Сергейчук К.Я. Под ред. Инженерно- технический справочник по электросвязи. Кабельные и воздушные линии связи. М: “Связьиздат”, 1961.
    72. К.П. Крюков, В.Г. Новгородцев. Конструкции и механический расчёт линий электропередачи. Л., «Энергия», 1970, с 28-36.
    73. Реута М.А. Под редакцией. Справочник по проектированию линий электропередачи. М., «Энергия», 1980, с 22-25.
    74. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Тео¬ретическая физика: Т. 7. – Теория упругости. М.: Наука. – 1965. – 248 с.
    75. Векштейн Г.Е. Физика сплошных сред в задачах, Издательство Новосибирского университета, Новосибирск, 1991 г.
    76. Hans Georg Hahn. Elastizitatstheoria. Grundlagen der linearen theorie und anwendungen auf eindimensionale, ebene und raumliche probleme. B.G. Teubner Stuttgart, 1985. (in Russia).
    77. *Ovchinkin A.V., Sinitca P.I., Malov A.N. The stress-deformed state of the optical fiber due to buffer gel freezing. // “Proceedings of the First Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics – APCOM’2000”, SPIE – RFFR: Vladivostok, 2000. pp. 60 – 67.
    78. *Ovchinkin A.V., Malov A.N., Sinitca P.I. The influence of the water blocking buffer gel on the optical fiber in a cable. // Proceedings of SPIE, Volume 4513 (2001), pp. 38 – 45.
    79. Zagaynova Y.S., Levit B.V., Lipov D.B., Malov A.N. The water-blocking buffer gel structure visualization for the real fiber cable and the influence distributed defects to signal loss.
    80. Марьенков, А.А., Гринштейн М.Л., Каменская Е.А., Деков В.Н. Измерение удлинения оптического волокна при испытании оптического кабеля на стойкость к растягивающей нагрузке. // LIGHTWAVE russian edition №2 2003
    81. Изменение длины оптоволоконного кабеля (ОКГТ). Техническая документация Fujikura Ltd 1998 г.
    82. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. Том 4. М., Физматлит, МФТИ, 2002. с547-559.
    83. *Ovchinkin A. V., Malov A.N. The optical cables usage as a physical sensors. // Proceedings of SPIE, Volume 5129 (2003), pp. 37 – 45
    84. *Малов А.Н., Аграфонов Ю.В. , Глушков С.М., Исайкин Ю.Н., Овчинкин А.В. Временная эволюция свойств оптоволоконных линий передачи информации под действием циклических механо-термических нагрузок. // В кн.: «Взаимодействие излучения и полей с веществом. БШФФ-99». /Под ред. академика Ю.Н. Денисюка и проф. А.Н. Малова. –Иркутск- ИГУ, 2000. С. 301-305.
    85. *Ovchinkin A. V., Malov A.N. The optical cables usage as a physical sensors. // Second Asia-Pacific Conference Fundamental problems of opto- and microelectronics Vladivostok, Russia September 30 - October 4, 2002 Far Eastern State Technical University, - Vladivostok:-2002. – pp. 42 – 51.
  • Стоимость доставки:
  • 230.00 руб


ПОШУК ГОТОВОЇ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ АБО СТАТТІ


Доставка любой диссертации из России и Украины