АВТОРЕФЕРАТ ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

в научни списания: „IEEE Journal of Lightwave Technology”, „IEEE Transactions onInstrumentation and Measuremetns”, “Journal of Fundamental Sciences and Applications“ -Vol.16, No.1, TU-Sofia, Branch Plovdiv.Обем и структура на дисертационния труд - Дисертационният труд е в обем на 153страници, съдържа увод, три основни глави с 142 фигури и 16 таблици, заключение,научни и научно-приложни приноси в дисертационния труд, научни публикации наавтора по темата на дисертационния труд, приложения към дисертационния труд иизползвана литература със 116 заглавия, от които 102 броя на латиница, 2 броя набългарски и 12 интернет сайта.СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУДУВОДПредмет на настоящия дисертационен труд е разработване и изследване на методи иалгоритми за измерване, обработка и анализ на данните от влакнесто-оптични сензорипосредством линийна CCD фотодиодна матрица.ГЛАВА 1. Обзор на методите за измерване на характеристикитена влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки1.1. Методи за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптичнисензорни решеткиМетодите за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптичнисензорни решетки основно могат да се класифицират по два основни признака - споредметода на разлагане на спектралните съставки и според използвания фотодетектор.Според начина на разлагане на спектралните съставки, методите за измерване наспектралната характеристика биват:• с оптични филтри;• чрез интерферометричен спектрален метод;• спектрален анализ с дисперсна призма;• спектрален анализ с дифракционна решетка.Според използвания фотодетектор те биват:• с един фотодетектор;• с линейна CCD фотодиодна матрица.Схемното решение от комбинацията от използването на дифракционна решетка заспектрално разложение на оптичния сигнал и линейна CCD фотодиодна матрица сехарактеризира със значително опростена структурна схема. При него липсванеобходимостта от реализация на механично преместване и сканиране на отделнитеспектрални характеристики. Това се извършва паралелно с едно измерване налинейната CCD фотодиодна матрица.Влакнесто-оптичните Браг решетки имат тясна честотна лента на задържане(Δλ≈1-10nm), за измерването на която се изисква голяма разделителна способност.Затова при анализа предимно се използват схеми на интереферометричен спектраленанализатор:• с използване на Фабри-Перо (Fabri-Perot) интерферометър;• с използване на Мах-Зендер (Mach-Zehnder) интерферометър.Изследването на дългопериодични сензорни решетки се реализира сширокоспектърен метод за спектрален анализ. Използваните интерферометричниметоди за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптичните Брагрешетки не могат да покрият целия изследван спектър на дългопериодичните решетки,поради широката им честотна лента на задържане. Затова се използват методи сдиректно разлагане на оптичния сигнал.4

ГЛАВА 2. Измервателна система за спектрален анализ и изследване навлакнесто-оптични сензори и сензорни решетки в близкия инфрачервен обхват,посредством InGaAs CCD-фотодиодна матрица2.1. Описание на системата и технически параметриОсновното предназначение на проектираната оптоелектронна система заспектрален анализ е за измерване и изследване на влакнесто-оптични сензори исензорни решетки (ВОБР), дълго-периодични решетки – ДПР, и други спектралномодулирани сензори).ASEАвтокалибровкаВлакнестооптичен1 23АтенюаторSW1SW2SW3КолимирашалещаLPG 1LPG 3LPG 4LPG 2LPG 5 LPG 6Дифракционна решетка Прецизенстъпков двигателОгледало 1Огледало 2Огледало 3Огледало 4LD1λ ref.1P ref 1LD2λ ref.2P ref.2CCDОптоелектронноУстройство зауправление иконтролФиг. 2.3. Структурна схема на многоканален спектрален анализаторЗа да се реализира автоматизиран многоканален спектроанализатор за изследванена спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки е необходимоконструирането на оптична комутираща система. На Фиг.2.3 е предложена структурнасхема на автоматизираната многоканална система с разширен спектрален обхват наизмерване, реализирана посредством 4-канална комутираща система с 3 оптични ключаи прецизен стъпков двигател за прецизна настройка на дифракционната решетка. Тясъдържа допълнителна схема за автоматична калибровка, посредством два референтниизточника на оптично лъчение с известни дължини на вълните (λ ref.1 , λ ref.2 ) и изходнамощност (P ref.1 , P ref.2 ).Сложността на подобна автоматизирана система се изявява в необходимостта отпостоянна синхронизация между отделните блокове в системата, както и от сложниалгоритми за измерване, обработка и филтрация на получените данни. За целта еразработен специализиран протокол за комуникация между персоналния компютър,оптоелекронното измервателно устройство и допълнителния модул за управление.2.2. Оптоелектронен измервателен модул с CCD фотодиодна матрицаПроектирането на предложената структурна схема на оптоелектроннияизмервателен модул и неговата реализация са предназначени специално за изследванена спектралните характеристики на оптични сигнали, посредством линейна InGaAsCCD фотодиодна матрица – G9204-512D на производителя Hamamatsu Photonics.Основните достойнства на този модул са ниските нива на шумовете и висока иравномерна чувствителност в широк честотен обхват от 900-1700nm.6

Фиг. 2.5. Блокова схема на оптоелектронно устройствосъс CCD фотодиодна матрицаАвтоматизираната многоканална измервателна система (Фиг. 2.3) изисквазначително по-сложни структура и управление, затова е реализирана подобрена схемана оптоелектронно измервателно устройство (Фиг. 2.5).Основните технически параметри на опто-електронната система за измерване иизследване на спектрално-мултиплексирани влакнесто-оптични сензори и сензорнирешетки са дадени в Таблица 2.3.ПараметриТаблица 2.3СтойностCCD Сензор (бр. елементи) 512Тактова честотаВреме за натрупванеВреме за пълно прочитанеАЦП раздел. способностАЦП скорост на преобр.АЦП нелинейностUSB скорост на предаванеBluetooth скорост1,25 MHz (до 1,66MHz)0,1ms – 500ms6,2 ms16 bit1 МSps< ±3 LSB2 Mbps921.6 kbpsЗа правилното функциониране и управление на оптоелектронната система енеобходимо реализирането на специализирано приложение, което да конфигурирасистемата, управлява отделните модули, приема и обработва получените данни. Припроектирането и създаването на приложението е използвана развойната среда запрограмиране LabVIEW.Предният панел на разработеното приложение е показан на Фиг. 2.12. Той сесъстои от графичен дисплей за визуализация на измерваните сигнали и секция занастройка на серийния интерфейс за комуникация с оптоелектронното устройство итестване на модулите7

Фиг. 2.12. Преден панел на приложението за управление, обработкаи визуализация на измерваните сигнали2.3. Цифрова обработка и анализ на измерените спектрални съставкиАнализирани са различни алгоритми за премахване на постоянното (нулево)отместване (Фиг. 2.21) - нивото на измервания сигнал при отсъствие на входен оптиченсигнал. Избраният метод извършва оценка на нивата на шумовете непосредственопреди всяко измерване (2.10).6050x1.E+3Light Source SpectrumDark Noise MeasurementI (A/D Units)4030201000 100 200 300 400 500PixelsФиг. 2.21. Спектър на източника на оптичен сигнал иизмерване на постоянното отместванеN1Sˆ(n) S k( n)N(2.10)k0S ( n) S ( n) Sˆ( n)(2.11)rSr( n ) S ( n ) Soff( n )(2.13)Филтрацията на шумовете в измервания оптичен сигнал е реализирана чрезкомбиниран осредняващ нискочестотен (2.15) и медианен филтър (2.14). N N S MED( n) MedianSn ,..,S(n),..,Sn 2 2 (2.14)N avg8

M1SLPF( n) SMED(n)М(2.15)m0Алгоритмите за филтрация на високочестотните шумове в провежданитеизмервания на спектралните характеристики са реализирани, както в разработенатапрограма за управление и обработка, така и в оптоелектронното измервателноустройствоКалибрирането на спектроанализатора се извършва от разработеното приложениеза управление, визуализация и събиране на данните от измерването. Посредствомнормиран източник на оптичен сигнал се измерва спектъра му и се вземат двереферентни дължини на вълните (Маркер 1 и Маркер 2). Използват се формулите (2.16-18), с които се изчисляват дължините на вълните за първия и последния елемент истъпката (inc). По този начин се нормира целия измерван спектър (Фиг.2.26).М2 М11 М1 М1М2 М(2.16)1(512 M1)(М2 М1)512 М1M2 M(2.17)1512 inc 1512(2.18)За калибрирането по мощност на измерваните спектрални характеристики наоптичните сигнали е необходимо използването на референтен източник на оптиченсигнал.P S(n)(2.19)n Pin S(n) PS dBm( n)10lg 1mW(2.21) Задължително е целият спектър на калибрирания източник да бъде обхванат отCCD матрицата. В противен случай извършваната калибровка няма да е коректна.Използвайки изрази (2.19, 2.21), се изчислява оптичната мощност за всеки елемент n (завсяка спектрална съставка – λ n ).Оптична мощност, P(dBm)-25-30-35-40-45-50-550 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на елементФиг. 2.26. Калибриран по мощност спектър на източникана оптичен сигнал (ASE)Използваната линейна CCD фотодиодна матрица има ограничена честотна лента,в която спектралната чувствителност е еднаква, затова след като се калибрирасистемата по дължина на вълната и по мощност, е необходимо прилагането наспектрална компенсация. Обратната компенсираща функция е представена на Фиг.2.28.9

12.010.08.06.04.02.00.0700 900 1100 1300 1500 1700Дължина на вълнатаФиг. 2.28. Компенсираща функция на неравномернатаспектрална чувствителностЗа всяка точка от графиката (дължина на вълната, съответстваща на един елемент отCCD матрицата), се намира най-близката стойност от изравняващата крива. Заизчислението на спектралната компенсация се използват изразите:S( k ) S'( k) A(n), W(2.22)S ( ) S'( ) 10lgA( ) dBm(2.23), където S’(λ k ) е некомпенсираният сигнал, K(λ n ) - изравняващият коефициент, а λ n - найблизкатадължина на вълната до λ k , с максимална грешка от Δ = λ k - λ n = Δλ/2 = 0,5 nm.dBm k dBm kn,Power, (a.u.)50000450004000035000300002500020000150001000050000InGaAs CCD фотодиодна матрицаСпектър на източникаСпектрър на източник през ДПРReferenceSignal0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500Pixel NoФиг. 2.31. Спектри на източника на оптичен сигнал иизследвана сензорна решетка50S-to-RLoss, (dB)-5-10-15-200 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Pixel NoФиг. 2.32. Относително измерване и изчисление спрямо източника10

За изследването на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензори исензорни решетки е необходимо използването на относително измерване спрямо източникана оптичния сигнал. На Фиг. 2.31-32 са представени измерените спектри на източника и наизследвана дълго-периодична сензорна решетка (ДПР).Реализирането на многоканалнасистема за измерване и анализ на влакнесто-оптични сензорни решетки изисква сложнаструктурна схема, синхронизация и оптимизация на алгоритмите за измерване иуправление. Предложен е адаптивен алгоритъм за комутация и измерване (Фиг. 2.40), прикойто времето за измерване за всеки канал варира според това, дали има изменения вспектралните характеристики на изследваните решетки.Инициализацияна систематаНастройка наизмерванетоN-брой Измерванияна текущия каналКомутация наследващ каналАнализ насензор.решеткиНедостигнатомакс.времеза каналДаДаДетектиранапромяна?НеФиг. 2.40. Адаптивен алгоритъм за автоматизирано многоканално измерванеАнализът на спектралните характеристики включва детектиране на настъпилипромени в лентата на задържане на сензорните решетки като отместване, промяна надълбочината, разширение или свиване. За целта от всяка измерена характеристика сеопределят две точки, в които се следи за изменения.Детекритането на промени в спектралните характеристики се извършва посредством:Sn( t) S ( t) S ( t )p npnp(2.26)1S S n( t)pp ,p(2.27)- където ΔS(t) – е разликата между τ-брой измервания в избраните точки np.Критерият за наличието на промяна се извършва като се въведе праг – ξ :S (2.28)Загуби, (dB)50-5-10-15-204 3 214 3S12 1S14 32176117-25-30ПробаОбход 1Обход 20 100 200 300 400 500 600Време, t (ms)Фиг. 2.41. Изследване на изменението на нивото в избрани точкиот спектралните характеристики за Канал 1, ДПР – S111

Изменението на сигнала S np (t) за избраните точки n 1 =76 и n 2 =117 от измеренатаспектрална характеристика на Канал 1 (Фиг. 2.32) е представена на Фиг. 2.41. Графикатапредставлява изменението на затихването за дадена дължина на вълната за всичкиизследвани канали.За повишаването на точността от измерването и намаляването на внесените шумове всистемата се използва корелационен анализ и разнесено измерване. Посредствомпрецизния стъпков двигател, дифракционната решетка се завърта на минимален ъгъл, катоизмерваният спектър на оптичния сигнал се отмества на определена стъпка.R ( ) f1(n)f2(n )(2.30)pR( max) max(2.31)На Фиг. 2.47 е показана графика с две измервания на един и същ сигнал, но отместенна дадено отстояние τ. При изчисление на корелационната функция (R(τ)) се намирамаксимума и точната стойност на отместването. Изчислението на комбиниранатаобработка - изглаждащия нискочестотен филтър и корелационнен анализ, е реализирано,чрез формула (2.32)NSˆ1( n) S i( n max i)N(2.32)Интенсивност50000400003000020000100000Rmax=0.9780tau=16τi1Сигнал 2Сигнал 1Взаимна корелация0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на ЕлементФиг. 2.47. Пространствено отместване на измерваният спектърУправлението на прецизния стъпков двигател и обработката изискват добрасинхронизация между отделните модули, затова са реализирани два алтернативниалгоритъма за управление. Първият вариант е чрез ръчно управление на стъпковиядвигател и обработка на резултатите (Фиг. 2.49а). Вторият алгоритъм за управление иобработка е чрез автоматично позициониране на дифракционната решетка, провеждане наизмервания за всяка позиция и анализ на получените резултати (Фиг. 2.49б).1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.012

НеИнициализацияна систематаНастройка наизмерванетоИзмерване затекуща позицияКоманда заротация?ДаАнализ наизмерваниятаРотация на ДРсъс стъпка ρИнициализацияна систематаНастройка наизмерванетоN-брой измерванияна текуща позицияРотация на ДРсъс стъпка ρВръщане визходна позицияДостигнатакрайнапозиция?ДаНеАнализ наа) измерванията б)Фиг. 2.49. Алгоритми за филтрация и повишаване точността на измерване:а – ръчно управление на ротацията, б – автоматизирано отместване и измерване2.3. Резултати от измервания, анализ и тестове на систематаЗа правилното функциониране на разработената автоматизирана многоканалнаоптоелектронна система за изследване на спектралните характеристики на влакнестооптичнисензор и сензорни решетки е необходимо да се извършат серия отекспериментални измервания и функционални тестове на системата.Шумовете като параметър в оптоелетронната измервателна система, базирана налинейна CCD фотодиодна матрица имат ключова роля при определяне на основнитехарактеристики на системата. При изследването на нивата на шумовете, резултатите сапредставени в две основни групи – при нормална чувствителност (Low sensitivity) и високачувствителност (High sensitivity).17.7х1Е+3Ниво нашумовете - Канал 1 Ниво нашумовете - Канал 2Средна стойност на Канал-1Средна стойност на Канал-2х1Е+316.5Ниво нашумовете - Канал 1 Ниво нашумовете - Канал 2Средна стойност на Канал-1Средна стойност на Канал-2Интензивност, I17.517.317.116.916.7Интензивност, I16.4516.416.3516.316.50 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на елемент, n16.25а) б)0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на елемент, nФиг. 2.51. Изследване на шумовете при нормална чувствителност ивреме за натрупване: а) τ = 50 ms и б) τ = 40 msОт представените графика (Фиг.2.51) в оптоелектронното измервателно устройствосе забелязва, че нивата на шумовете значително намаляват при по-ниски стойности навремето за натрупване (τ).Изследвани са линейността на измерената интензивност от входната оптичнамощност и от времето за натрупване τ. На Фиг. 2.59 е представена комбинирана графика напълния спектър на използвания оптичен източник при различни нива на мощността.Графиката с изследване на линейността на системата при промяна на входната оптичнамощност е показана на Фиг. 2.61.13

Измерена интензивност, Ix1E+3454035302520151050Pin=972nWPin=583nWPin=360nWPin=262nWPin=43nWPin=1nW0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550Номер на елемент, nФиг. 2.59. Измерен спектър на източника на оптичен сигналпри различна входна мощност4540x1E+3Нормална чувствителностy = 48912x - 359.72Висока чувствителностy = 11888x - 1000Измерена интензивност, I353025201510500 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Оптична мощност, Pi (µW)Фиг. 2.61. Линейност на системата в зависимост от входната оптична мощностпри нормална и висока чувствителностОсновен параметър на автоматизирана оптоелектронна система е динамичниятобхват. Тъй като основно значение за нивата на шумовете имат времето за натрупване ичувствителността на матрицата, е изследвано именно влиянието на тези параметри върхудинамичния обхват на системата (Фиг. 2.64)Нива на шумовете, r350300250200150100500Висока чувствителностНормална чувствителност1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51Време за натрупване, τ (ms)Динамичен обхват, d (dB)38363432302826242220Висока чувствителностНормална чувствителност1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51Време за натрупване, τ (ms)Фиг.2.64. Комбинирана графика на нивата на шума и динамичен обхват в зависимост отвремето за натрупване – τ, при нормална и висока чувствителност на CCD матрицатаС разработената автоматизирана многоканална система за спектрален анализ санаправени серия от измервания на различни влакнесто-оптични сензорни решетки.Изследвани са измененията на спектралните им характеристики при прилагане намногократно физическо въздействие върху сензорите – огъване на влакното. На Фиг. 2.72 епредставена комбинирана графика на референтния и измерения сигнал, както испектралните загуби на дълго-периодичната решетка (ДПР) – S21, измерена в Канал 4 отсистемата.14

Интензивност, I454035302520151050x1E+3ДПР - S21Референтен сигналЗагуби на ДПРСпектър на ДПР1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620Дължина на вълната, l (nm)Фиг. 2.72. Комбинирана графика на измерените спектрални характеристикина Канал 4 с ДПР - S21Спектралните характеристики на измерените дългопериодични сензорни решетки –DCF5, S62, DCF6, S26 и S21, са представени на обща графика (Фиг.2. 73). Допълнителноза всяка една от решетките е изчислена централната дължина на вълната на лентата назадържане. Това измерване е извършено при отсъствие на външно физическо въздействиевърху влакното.За по-точен анализ на спектралните характеристики на дългопериодичните сензорнирешетки е извършено допълнително измерване и изследване на друга конфигурация отсензорни решетки, свързани към Канали 1-3. Към Канал 1 са свързани последователно двесензорни решетки – LPG1 и LPG2. Mаксималната промяна на спектралната характеристикапри огъването на решетката е показано на Фиг. 2.75.Загуби, а (dB)50-5-10-15-20-251528 nm1532 nm1557 nm1552 nm1547 nm1505 1515 1525 1535 1545 1555 1565 1575 1585 1595 1605 1615Дължина на вълната, (nm)0-5-10-15-20-25Канал 1: DCF5-S62Канал 2: DCF-6Канал 3: S26Канал 4: S21Фиг. 2.81. Комбинирана графика на сензорните решеткиот всички четири измервани оптични каналиЗагуби, а (dB)Loss, a (dB)0-5-10-15-20LPG1Signal w/o ForceSignal with ForceLPG2Δ=2.6nm-25a=7.8dBL= 100mm-301520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610Wavelength, (nm)Фиг. 2.75. Спектрални характеристики на Канал 1 – LPG1 и LPG2при приложено външно въздействие – огъване на влакното15

На Фиг. 2.76. е представена интегрална графика на измененията в изследванитеспектрални характеристики на Канал 1. Ясно се разграничават двете положения – със ибез приложено външно въздействие върху влакната.0Канал 1: ДПР – LPH1 и LPG2-5Загуби, а (dB)-10-15-20-252.4. Изводи-301520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610Дължина на вълната, (nm)Фиг. 2.74. Изменение на спектралните характеристики на Канал 1при приложено външно въздействие – огъване на влакното1. Проектираната автоматизирана многоканална оптоелектронна система заспектрален анализ е подходяща за изследване на спектралните характеристики в близкатаинфрачервена област на различни по структура сензорни решетки – дългопериодичнирешетки, полариметрични сензори, Браг решетки и други.2. Приложените методи за измерване, обработка и анализ на данните са достатъчноефективни и дават необходимата точност.3. С предложеният адаптивен алгоритъм за автоматизирано многоканално измерванесе постигат оптимални времена на измерване за всеки канал, в зависимост от това, дали вдадено влакно се наблюдават изменения на спектралните характеристики.4. Оптоелектронната система се характеризира с ниски нива на шумовете, високаразделителна способност, бързо провеждане на измерванията и автоматична калибрация подължина на вълната и по мощност.5. С измерването на различни дълго-периодични сензорни решетки се потвърждававъзможността да се изследват спектралните характеристики на различни по структура ичувствителност влакнесто-оптични сензорни решетки и разпознаване на конкретноизменение в спектралните характеристики на даден сензор с точност до Δλ мин = 0,1nm.ГЛАВА 3. Методи, алгоритми и система за измерване и анализ напараметрите на влакнесто-оптични сензори, базирани намеждумодова интерференция3.1. Описание на системата и технически параметриИзследването и анализа на междумодовата интерференция във оптични влакна сереализира чрез измерването на разпределението на интензивността по напречнотосечение на влакното. Следствие от външно физическо въздействие – огъване, усукване,натиск; или промяна във входната мощност и дължина на вълната, се наблюдаваизменение в интерферентната картина и разпределението на интензивността понапречното сечение на влакното.Основната структурна схема на многоканалната сензорна система за изследванена сензорни влакна с междумодова интерференция е представена на Фиг.3.2. Зареализацията на системата е използвано едномодово оптично влакно (SM влакно, 9μmдиаметър на сърцевината) при 1310/1550nm. За да се възбудят висши модове воптичното влакно е необходимо захранването им с оптичен сигнал с дължина навълната под граничната за влакното. Използван е мощен хелий-неон (HeNe) лазер с16

дължина на вълната на оптичния сигнал λs = 632nm и изходна мощност Pout = 10mW.Необходимо е използването на мощен източник на оптичен сигнал поради повишенитезагуби във влакното при многомодов режим и захранването едновременно на 16оптични сензорни влакна. Равномерното разпределение на оптичната мощност повсички използвани оптични влакна се извършва посредством комплексен 1:16 насоченотклонител.1:16Насоченотклонител6x6 наблюдавани точки отсензорната решеткаПриложение за обработка,анализ и детектиранеМощен Лазер632nm, >5mWCCD ДетекторноПодравняване на устройствооптичните влакнаФиг. 3.2. Структурна схема на многоканална сензорна системас двукратно увеличение на наблюдаваните сензорни точкиСтруктурата на оптоелетронното устройство е аналогично на вече проектиранатаи реализирана система за спектрален анализ, като единствената разлика е използванетона CCD фотодиодна матрица TSL1401R (на производителя TAOS), чувствителна въввидимия спектър, която има един изходен аналогов канал. Блоковата схема наоптоелектронното измервателно устройство е представена на Фиг. 3.4. отделнитемодули на устройството са маркирани с различни цветни граници.Основен управляващ модулДопълнителен модулза комутацияCCD сензоренмодулФиг. 3.4. Блокова схема на оптоелектронно устройствосъс CCD фотодиодна матрицаВ Таблица 3.1 са представени някои основни характеристики наоптоелектронното измервателно устройство с линейна CCD фотодиодна матрица във17

видимия спектър. Голяма част от тях съвпадат с оптоелектронното измервателноустройство за спектрален анализ, поради общия основен модул за управление.Таблица 3.1ПараметриСтойностCCD Сензор (бр. елементи) 128Тактова честотаВреме за натрупванеВреме за пълно прочитанеАЦП раздел. способностАЦП скорост на преобр.АЦП нелинейностUSB скорост на предаване500 kHz (до 1MHz)1ms – 100ms

Фиг. 3.6. Модул за измерване, обработка и анализ на резултатитеЗа да се оптимизира работата на многоканалната сензорна периметрична системае разработен алгоритъм за автоматичен избор на настройки, в зависимост от мощносттана входните оптични сигнали. Алгоритъмът за автоматична настройка (Фиг. 3.9) сесъстои в конфигуриране на времето за натрупване и избор на методи за първичнаобработка на измерваните сигнали.Инициализация итест на систематаНастройка наизмерванетоПровеждане на1 измерванеИзчисление макс.ниво на сигнал S maxакоS trh

времето за натрупване (IT), при което нивото на най-мощния сигнал е в границитемежду праговото ниво S sat и нивото на насищане на матрицата S sat . Конфигурирането насистемата завършва с анализ и изчисление на нивата на шумовете, на базата на които севзема решение, каква първична обработка ще се приложи върху измерения сигнал –избор на филтрация и премахване на постоянното отместване в сигнала.3.2. Цифрова обработка, детектиране и анализ на оптичните сигнали имеждумодова интерференцияПървичната обработка на измерените сигнали от линейната CCD фотодиоднаматрица включва филтриране на шумовете в измерените сигнали и премахване напостоянното отместване от измервания сигнал. За филтрирането на високочестотнитешумове в измервания сигнал е реализиран нискочестотен филтър (3.2) с различнадължина и теглови коефициенти, които се избират в зависимост от нивата на шумовете,измерени по време на автоматичната настройка на системата.Sˆm( n)Mi1Премахване на постоянното отместване (3.4) при изследването наразпределението на интензивностите на отделните оптични влакна не е задължително,тъй като то се компенсира от задавания в приложението за детекция праг (ThresholdLevel) при отделянето и анализа на отделните оптични канали.k Simi( n)S ( n) S ( n) Sˆ( n)ravg(3.2)(3.4)50x1E+3Интензивност, I4030201000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Номер на елемент, nФиг. 3.12. Направени измервания на всички 12+1 оптични каналии приложено премахване на постоянното отместванеНа Фиг. 3.12 се наблюдават част от възможните вариации на наблюдаванитеразпределения на интерфериралите във влакната оптични сигнали.Детектирането на промени в разпределението на интензивностите на отделнитесензорни сигнали е необходимо да бъде достатъчно точно и надеждно, като се осигуриопределено ниво на достоверност. За целта са изследвани и съпоставени различниметоди за детекция на промените. Сравнението между отделните алгоритми е извършенспрямо един общ измерен сигнал, като е направен анализ на отделните полученирезултати.Алгоритъмът за детекция с избор на две точни на наблюдение се състои в изборна две точки от разпределението на интензивноститите за всеки канал по зададен отоператора критерий. В тези точки се наблюдава изменението на измервания сигнал и20

взема решение дали има външно въздействие върху влакното. Изследвани са триразлични критерия за избор на наблюдаваните точки:• Най-стръмни области на оптичния сигнал:Използвани формули (3.5) за изчисление на първата производна на измерваниясигнал и изборът на точките за наблюдение p1 и p2 (3.6).dS ( n)S'( n)dn(3.5) dS ( n)p1 max( S ' ( n)) max dn dS ( n)p2 min( S ' ( n)) min dn (3.6)x1E+330Измерен сигнал, S(n)Първа производна, dS(n)/dnx1E+31425P2=1249Интензивност, I2015104-1Интензивност, I50P1=122115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128Номер на елемент, nФиг. 3.13. Графика с измерен сигнал и избор на две точкиза наблюдение с критерий за най-стръмни области от сигналаНа Фиг. 3.13 е представена графика с измерен примерен сигнал, изчислена епървата производна и са избрани точки за наблюдение - p1 = 122 и p2 = 124 елементиот линейната CCD фотодиодна матрица. Графика на измерените сигнали в даденитеточки е представена на Фиг. 3.14.x1E+330p1=122p2=124-6-11Интензивност, I252015100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Номер на измерване, kФиг. 3.14. Графика на измерените нива на сигнала в избраните точкиза наблюдение с критерий за най-стръмни области от сигнала• Най-близки до максимума точки:Този критерий е удачен избор в случай, че се наблюдава значително изменение наинтензивността на сигналите, при които най-голямо отклонение ще се детектира вточките, близки до максимумите. Намирането на тези точки е значително по-лесно,като се използват изразите:21

pp12ppmax( S ( n ))max( S ( n )) 1 1 , (3.8)• Локални максимуми:Критерият с избор на точки с локални максимуми е удачен избор в случай, че сенаблюдават сигнали с два или повече максимума. За намирането на локалнитемаксимуми на изследвания сигнал се използват формулите:x1E+3max dS ( n)sign 0 dn dS ( n 1) sign 0 dn p1 pmaxLOC 1p ploc , (3.9)2max LOC 2. (3.10)35p1=120p2=12330Интензивност, I2520151050 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Номер на измерване, kФиг. 3.18. Графика на измерените нива на сигнала в избраните точкиза наблюдение с критерий за избор на точки в локален максимумПроведени измервания на външни физически въздействия върху сензорнотовлакно и промяната на интензивността в наблюдаваните точки са представени на Фиг.3.18. В конкретния случай изследването на интензивността в локалните максимумидава по-отчетливо разграничение на всяко отделно въздействие.Чрез анализ на изменението на оптичната мощност, измерена посредствомлинейната CCD фотодиодна матрица, е възможно детектирането на дори малкиизменения на формата на сигналите. Изследвани са два метода:• Анализ на пълната оптична мощност:При метода с обобщен анализ се изчислява пълната приемана мощност, която епропорционална на сумата от интензивността на всеки елемент (3.11) – Фиг. 3.20.180x1E+3170Оптична мощност1601501401301200 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Номер на измерване , kФиг. 3.20. Графика с общата изчислена мощност на оптичния сигнал22

kP S( i), (3.11)outimПри определени случаи, при които сумарната мощност се запазва в дадениграници, а само се изменя формата на сигнала, този метод с изчисление на общатамощност на сигнала не е достатъчно ефективен и не осигурява достатъчна надеждностна детекция.• Дискретен комплексен анализ на изменението на мощността:При този модел за изследване на формата на разпределението на интензивноститеза всеки елемент се изчислява промяната на сигнала между две последователниизмервания. Сумата от абсолютната стойност на изчислените изменения даваколичествена оценка на промяната на формата на изследвания сигнал. Изчислението надискретните изменения между две измервания се реализира чрез (3.13), а за общатасума на дисктрени изменения - с (3.14).{ S} Skk { Sk Sk1( p) Sk1( p) , Sk( p 1) Sk1( p 1) ,..., Sk( p t) Sk 1( p t)}(3.13) P k { Sk}(3.14)Графиката на сумарното изменение е представена на Фиг. 3.22. Tя дава най-точнаи прецизна информация за промените в разпределението на интензивността наизследвания сигнал. При подходящ анализ на графиката и изчислените стойности,може да се определи типа на въздействие върху влакното, за колко време е продължилото и други специфични за измерването параметри.Оптична мощност756555453525155-5x1E+3Сумарно изменение на мощността dP(n)/dk0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Номер на измерване , kПрагФиг. 3.22.Графика на сумарното изменение наоптичния сигнал при външно въздействие върху влакнотоПредложеният метод за детектиране на промяната в разпределението наинтензивността на измервания оптичен сигнал ни дава най-точна и достовернаинформация за детектиране на външни физически въздействия. От друга странаметодът изисква значителен изчислителен ресурс за паралелно измерване и изследванена оптичните сигнали.3.2.4. Идентификация на външни въздействия върху оптичните сензорни влакнаПри прилагане на външни въздействия върху влакното се наблюдавазакономерност в изменението на интерфериралия сигнал. При всяко едно от тях серегистрира конкретна промяна, с което е възможно да се реализира алгоритъм заидентификация на конкретно въздействие. За целта са изследвани различнивъздействия върху влакното – огъване, опъване, завъртане на сноп от оптично влакно,усукване и изпъване на усукано влакно. За основна характеризираща всяко въздействие23

функция е избрана кривата на относителното изменение на измерваното разпределение– ε f (n).If( n)f( n) 1 Iˆ0( n)(3.15)Изследвано е въздействието „огъване” – сензорното влакно е изпънато между дветочки на закрепване и чрез натиск се отмества на 10mm от първоначалното сисъстояние. Изменението на разпределението на интензивността при огъване насензорното влакно и изчислената крива на относителното изменение е представена наФиг. 3.24.x1E+3Intensity, I (A/D Units)4035302520151050Signal without External FieldSignal with External FieldDeviation Function5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel number, nФиг. 3.24. Усреднени стойности на разпределениетос, и без въздействие огъване и изчислена крива на изменениДруг тип изследвано въздействие е огъване на една навивка от сензорното влакно:оформен е кръг с оптичното влакно и при приложен натиск то заема елипсовиднаформа.x1E+3Intensity, I (A/D Units)4035302520151050Signa with external FieldSignal without External FieldRelative Deviation5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel number, nФиг. 3.26. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействие и изчисленакрива на изменение при огъване на навивка от сензорно влакноПри този тип взаимодействие с влакното се наблюдава изменение вразпределението на интензивността, представена на Фиг. 3.25. Отново двете състоянияса ясно изразени.Следващото изследвано въздействие е завъртане на навивка от оптично сензорновлакно. При това измерване формираният кръг от влакното е захванат в две точки, еднаот която се усуква (завърта) на 90° от първоначалното си състояние. При този типвъздействие се наблюдава интерференция с по-висши модове, при което се появявавтори максимум в измерваното разпределение. Усреднени стойности на състоянията с,и без въздействие и изчислена крива на изменение е представена на Фиг. 3.270.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-2Relative Deviation, DI/Io0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8Relative deviation, DI/Io24

x1E+3Intensity, I (A/D Units)605550454035302520151050Signal with Externa FieldSignal without External FieldRelative Deiviation5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel Number, nФиг. 3.27. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействиеи изчислена крива на изменение при усукване на навивка от сензорно влакноПоследното изследвано въздействие е усукване на сензорното влакно. Приреализация на постановката на измерване, влакното е фиксирано от едната страна,изпънато е, и посредством завъртане се усуква около оста си. Изменението нанаблюдавания сигнал е представено на Фиг. 3.28.10-1-2-3-4-5-6-7Relative Deviation DI/Iox1E+34035Intensity, I (A/D Units30252015105Signal without External FieldSignal with External FieldRelative Deviation-1-2-3-4-5-6Relativive deviation, DI/Io05 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel number, nФиг. 3.28. Усреднени стойности на разпределениетос, и без въздействие и изчислена крива на изменение при усукванеСравнение между изследваните външни въздействия върху едно сензорно влакноса представени на Фиг. 3.29. Кривите на относително изменение имат различна форма иамплитуди и могат да бъдат използвани при реализацията на метода за идентификацияна краен брой въздействия върху влакното.0.5-7-0.5Relative Deviation, DI/Io-1.5-2.5-3.5-4.5-5.5-6.5Fiber BendingFiber Ring PushFiber Ring RotationFiber Torsion5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel Number, nФиг. 3.29. Сравнение на изчислената функция на относителното изменение приразличните въздействия върху сензорното влакно25

За разпознаването на конкретно физическо въздействие се използва изчисленатакрива на относително изменение на разпределението. Посредством корелационенанализ и изчислението на взаимно-корелационната функция (конволюцията) се даваколичествена оценка за максимално припокриване между текущата измерена стойности кривата на изменение за всяко въздействие.Целият процес на анализ и идентификация на конкретно физическо въздействиеза изследвания канал се разделя на няколко етапа. Първоначално се извършва оценкана началното разпределение на интензивността без приложено въздействи - I 0 (n).Следващата основна стъпка е процедурата на обучение на алгоритъма заидентификация. Той включва анализ на всички физически въздействия върхусензорното влакно за даден канал и изчислението на кривата на относително изменениеε k (n) за всяко въздействие - (3.17). Ik(1) 1(1) Iˆ(1) k0 (2) Ik(2)k 1 Ik( n)k( n) ˆ (2) 1...I 0Iˆ0(n)... k( n) Ik( n)1Iˆ0(n)(3.17)След като бъдат измерени и изчислени всички криви на изменение, се пресмятакорелационната функция за всяко въздействие. За да се оптимизира алгоритъмът наработа и времето за обработка, е необходимо изчислението на коефициента накорелация при τ = 0 (3.18) 1(n)( n)01R 1(n) ( n)11 n 0 R ( n)( n) 2(n)2(n)R 2 2 2 n(3.18)0 ... 0Rk ... k( n) ...k( n)n... k( n)k( n)За идентификациято на конкретно въздействие е използван корелационен анализ.Тъй като не е нужно пресмятането на цялата взаимно-корелационна функция за целияобхват τ = {0:n}, е реализирана само конволюцията (3.20) между тренировъчнитекриви и текущото измерване.R 0( n)( n). (3.20)nФормираната матрица R с изчислените корелационни коефициенти (3.21) сеизчислява за всяко детектирано въздействие в съответния наблюдаван канал. Численитестойности на коефициентите на матрицата съответстват на максималнотоприпокриване между текущата изчислена крива на изменение и тези, записани притренировъчния алгоритъм.Колкото коефициентът на матрицата R e по-близо до единица, толковаизследваното въздействие се припокрива със съответната тренировъчна крива.Анализът и вземането на решение значително ще се опрости, ако се използва матрицана разпознаването (3.22).i 1R(3.22)Като критерий на идентификация се използва коефициент на достоверност τ [%],при който ако τ i < τ/100, то се взема решение за правилно разпознаване на текущотоизследвано въздействие с подобие от τ, [%].Предложеният метод за идентификация е приложен за изследването на физическивъздействия върху сензорно влакно. Изчислените стойности на матрицата τk междуотделните тренировъчни криви на изменение са представени в Таблица 3.3.26

Таблица 3.3Огъване на навивка Завъртане наτ iОгъванеот влакно навивка от влакноУсукванеОгъване 0,000 3,162 2,963 13,999Огъване на навивка отвлакно1,079 0,000 0,257 2,145Завъртане на навивкаот влакно1,011 0,870 0,000 0,458Усукване 1,039 0,742 0,710 0,000Проведено е тестово измерване и идентификация на конкретно въздействие.Изчислени са кривата на изменение ε k (n), корелационната матрица R i и грешката приразпознаване δ (Таблица 3.4). Графики на тренировъчните криви на изменение и натекущото тестово въздействие са представени на Фиг. 3.31, където се наблюдава почтипълно припокриване на двете криви.Таблица 3.4Въздействие R i τ i Грешка, δ %Огъване 1,053 0,053 5,3Огъване на навивкаот влакно-0,069 1,069 107Завъртане нанавивка от влакно0,000 1,000 100Усукване -0,038 1,038 104Relative Deviation, DI/Io0.5-0.5-1.5-2.5-3.5-4.5-5.5-6.5Fiber BendingFiber Ring PushFiber Ring RotationFiber TorsionCurrent Measure5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel Number, nФиг. 3.31. Сравнение между тестово измерване накривата на изменение и обучителните кривиПредложеният метод за идентификация на отделни физически въздействия върхуоптично сензорно влакно с междумодова интерференция предлага достатъчно точно идостоверно разпознаване, като също така броят на изчислителните операции еоптимизиран и съобразен с многоканалното паралелно измерване и анализ наоптичните сигнали. Този метод за идентификация може да се приложи за разпознаванена въздействия, разпределени по дължината на влакното.3.3. Измервания, изследвания и функционални тестове на сензорната системаВ процеса на изграждане, разработка и настройка на представените методи заавтоматизирано измерване и анализ на влакнесто-оптични сензори, базирани намеждумодова интерференция са извършени множество тестове, измервания наразработената многоканална периметрична система и изследвания на различнивъздействия.Изменението на разпределението на интензивността едновременно на всичкиканали е представено на Фиг. 3.32. Цялостно измерване на измененията на сигнала задълъг период от време на всички 128 елемента е представена на Фиг. 3.39. Без да бъдеприлагано въздействие върху влакното, графиката представя измененията на сигнали,27

които са резултат от флуктуации в изходната мощност и дължината на вълната наизточника.Фиг. 3.32. Графика на изменението на интензивността във времетона всички измервани сензорни влакнаФиг. 3.39. Изследване на стабилността на два различни HeNe лазерни източникаРеализираната многоканална система едновременно измерва 12 оптични сигнала.Необходимо е да се изследва системата за смущения на измерваните сигнали посъседен канал и дали избраното отстояние между влакната и разстоянието до CCDматрицата е достатъчно. Разгледан е най-неблагоприятният случай, а именноминимални стойности на измервания канал и максимални стойности на съседните.Графика на нивата на отделните разпределения на интензивността и изчисление наотношението сигнал-шум (сигнал-смущение) са представени на Фиг. 3.43.All Channels with Minimum and Maximum valuesMax Even Ch Max Odd Ch Min Even ChMin Odd Ch Dark NL SNR6000050000151240000930000620000100003001 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111Фиг. 3.43. Измерване на нивата на шумоветепри два различни източника на сигнал-328

3.4. Хибридна сензорно-комуникационна измервателна системаРазработената многоканална сензорна система за измерване и анализ навлакнесто-оптични сензори, базирани на междумодова интерференция е разширенафункционално. В една комплексна хибридна система са комбинирани измерването ианализа на два различни типа влакнесто-оптични сензори – спектралномултиплексиранитесензорни решетки (в C+L обхвата 1510-1640nm) и сензорнитевлакна (във видимата област 632nm). Едновременно с това е изграденакомуникационна линия по общо сензорно влакно, работеща на 1320nm. Структурнатасхема на системата е представена на Фиг.3.44.Оптичен спектраленанализаторPC1МедиаКонвертор 1TRЦиркулатор1 2123ASEDWM3650/1310/155031 2λ= 1330nmОптична сензорнокомуникационналинияDWM650/1310/15502λ= 1520-1610nmLPGМедиаКонвертор 2R13TОгледалоLPG ОгледалоPC2λ= 632nm632mn ЛазерCCD ОптоелектронноустройствоФиг. 3.44. Структурна схема на хибридна сензорно-комуникационна системаПосредством оптичен спектрален анализатор (OSA) е измерен целият спектър600-1700 nm, за да се визуализират спектралното разделение и използваните честотниобхвати за всеки един модул от хибридната сензорна система. На Фиг. 3.47 епредставена графика на измерения спектър. Ясно се отличават трите използваниобхвата – видимият спектър 632nm на HeNe лазера, комуникационният канал -1328nmи широкоспектърният сигнал на измерена дългопериодична решетка 1520-1620nm.-306х6 Сензорна Решетка1:16 НасоченотклонителМощен Лазер632nm, >5mW-40-50-60632 nm1328 nmЗагуби, а (dB)-70-80-90-100-110CCD матрицавидим спектър(1264 nm)CCD матрицаинфрачервен спектърC+L1525 - 1620 nm-120600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700Дължина на вълната, (nm)Фиг. 3.47. Измерен спектър на целият използванчестотен обхват на хибридната системаПриложението на представената хибридна система е основно в системи засигурност и детекция на интрузии, както и при реализиране на сензорна мрежа заизмерване и анализ на деформации, температурни изменения, промени в наляганетоили за детектиране на даден химичен състав.29

3.5. Изводи1. Разработената многоканална сензорна система на базата на линейна CCDфотодиодна матрица едновременно измерва и анализира разпределението наинтензивността на 12 оптични сензорни влакна с междумодова интерференция.2. Изследвани са различни алгоритми и методи за детектиране на промените въвформата на разпределението на интензивността за всеки канал.3. Избран е подходящ алгоритъм за детектиране на измененията наинтерферентната картина, който осигурява максимално точно и надеждно вземане нарешение.4. Изследвани са конкретни физически въздействия върху сензорните влакна. Възоснова на получените резултати за изменение на формата на интерферентната картина епредложен алгоритъм за идентификация на конкретни въздействия.5. Разработена и изследвана е хибридна сензорно-комуникационна система, коятопаралелно провежда анализ на влакнесто-оптични сензорни решетки, детектира иразпознава физически въздействия (интрузии) в общото сензорно комуникационновлакно. Същият оптичен канал освен за предаване на информация, се използва и задистанционно наблюдение на сензорната система.ЗаключениеНастоящият дисертационен труд обобщава научните и научно-приложнитеразработки на автора на многоканални измервателни системи с линейни CCDфотодиодни матрици за изследване характеристиките на влакнесто-оптични сензори исензорни решетки. Основен критерий при реализацията на системите е автоматизиранена измервателния процес чрез анализ и приложение на различни методи за управление,измерване и обработка на получените резултати.5. Научни и научно-приложни приноси в дисертационния трудНаучни приноси:1. Предложен е метод за идентификация на конкретни събития (физическивъздействия) върху влакнесто-оптични сензори с междумодова интерференция, базиранна корелационен анализ на изменението на измерваната интерферентна картина[(Фиг.3.23-3.31),(3.16 - 3.22)], [A3.3].Научно-приложни приноси:1. Проектирана е автоматизирана многоканална оптоелектронна система заспектрален анализ със линейна CCD фотодиодна матрица, подходяща за изследванетона спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки[(Фиг.2.3, 2.5, 2.15),(2.15-2.21)], [A2.1-A2.4].2. Синтезиран е адаптивен метод за многоканално измерване на спектралнитехарактеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки с допълнителна детекция напромяна в спектъра и оптимизиране на времето на измерване за всеки канал [Фиг. 2.46,(2.25 ÷ 2.28)], [A2.5].3. Разработена е многоканална сензорна периметрична система с линейна CCDфотодиодна матрица за детектиране и идентификация на външни физическивъздействия върху оптични сензорни влакна посредством междумодова интерференция[(Фиг.3.1-3.9, 3.44-3.48], [A3.1,A3.2].4. Изследвани са различни алгоритми за детектиране на измененията винтерферентната картина на изхода на оптичните сензорни влакна, като е избраналгоритъм за детектиране, използващ обобщен мощностен анализ [(Фиг. 3.13 – 3.22),(3.5-3.14)], [A3.2, 3.3].30

6. Научни публикации на автора по темата на дисертационния трудA2.1. Balzhiev P., Arnaudov R., Eftimov T., „A Study of The Performance of an InGaAsCCD Linear Photodiode Array for Fiber-optic Grating Sensors”, ICEST-2010Conference Proceedings, p.405-408, Ohrid, Macedonia;A2.2. Balzhiev P., Arnaudov R., „A Linear CCD Photodiode Array-Based InterrogationSystem for Control and Data Analysis of Spectrally Multiplexed Fiber Gratings”, XIIInternational PhD Workshop OWD-2010 Conference Proc., p.304-307, Wisla, Poland;A2.3. Balzhiev, P.E., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Mikulic, P., Arnaudov, R., „A SpectrallyAnd Spatially Multiplexed LPG Sensor System Using An InGaAs CCD Linear Array”,21st International Conference on Optical Fiber Sensors 2011, Proc. of SPIE,Vol.7753,p.77539L-77539L-5, 2011, Ottawa, Canada;A2.4. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Bao, X., Mikulic, P., Arnaudov, R.,“Multiplexed LPG Sensor System Using An InGaAs CCD Linear Array And OpticalSwitches”, IEEE Journal of Lighwave Technology’2012;(Потвърдени са положителни рецензии на статията, очаква се публикация).A2.5. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Arnaudov, R., „Automated multi-channelbroadband spectrum analysis of fiber-optic grating sensors“, ICEST-2012 ConferencePreceedings, p.309-313, Veliko Tarnovo, Bulgaria.A3.1. Balzhiev, P., Arnaudov R., Eftimov T., „Design of An Intelligent Fiber-optic SensorInterrogation System“, Journal of Fundamental Sciences and Applications, TechnicalUniversity – Sofia, Branch Plovdiv, 2011, Vol.16, Book 1, p.313-316, ISSN 1310-271Plovdiv, Bulgaria;A3.2. Balzhiev, P., „Investigation Of Noises In Few-Mode Fiber-Optic Sensor InterrogationSystem”, XIII International PhD Workshop OWD-2011 Conference proceedings,p.209-213, Wisla, Poland;A3.3. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Bao, X., Stanchev, G., “Methods for SignalProcessing and Event Recognition in Few-mode Fiber Sensing System”, IEEEInstrumentation and Measurement Magazine, ISSN: 0018-9456, 2012.(Статията е на етап кореспонденция).Сътрудничество и участие в договори по темата на дисертациятаЧаст от разработените методи и алгоритми са резултат от работата на автора поуспешно завършения договор в помощ на докторанта на тема “Методи и средства заизмерване и обработка на информацията при интелигентни сензори и сензорни мрежи”към НИС при ТУ – София Nо.:102ПД057-07/2010-2011г.Реализираните оптоелектронни измервателни системи са резултат от съвместнотосътрудничество с Изследователски център по фотоника към Квебекски Университет,Канада (Photonics Research Center, Université du Québec en Outaouais – UQO) сръководител Prof. Dr. Wojtek Bock и Лаборатория по Фотоника към ПловдивскиУниверситет с ръководител проф. дфн. инж. Тинко Ефтимов и Факултета поТелекомуникации с ръководител проф. д-р инж. Румен Арнаудов.Посетих изследователския център на канадския университет (UQO), от 10.07.2011до 09.09.2011, където проведох следните научноизследователски експерименти иизследвания с разработените от нашия екип устройства:• Тестване и измервания с автоматизираната система за спектрален анализна влакнесто-оптични сензорни решетки;• Реализация на многоканална сензорна система за измерване и анализ навлакнесто-оптични сензори с междумодова интерференция.31

ResumeThe aims of this work are to analyze various methods for measurement and dataprocessing of single- and multi-channel fiber-optic sensor systems. As a result of thisinvestigation, methods, algorithms and devices utilizing a linear CCD photodiode array aredeveloped for automated measurement, control and data processing of fiber-optic sensors forboth visible and near-infrared spectrum range.A multichannel automated measurement system is developed for spectrum analysis innear-infrared band (800-1700nm) of fiber-optic grating sensors such as long period gratings(LPGs), fiber Bragg gratings (FBGs), polarimetric sensors and other spectrally multiplexedfiber-optic sensors.An adaptive algorithm for multichannel measurement is proposed, which analysesspectral changes in monitored fiber-optic sensors and applies different measurement timewindows for every single channel. This method allows a thorough measurement and analysisof the channels with increased spectral changes.Various filtering scheme, data processing algorithms are proposed and investigated fornoise cancellation and improvement in measured spectral resolution utilizing a precise steppermotor and correlation analysis of shifted the spectrum. Methods and system modifications forauto-callibration and extended spectrum range are proposed.The results from measurements and tests of the designed automated multichannelsystem for spectrum analysis are presented. Various long period gratings (LPGs) weremeasured and their sensitivity to external physical fields was investigated.A multichannel parametric system is designed to measure and monitor fiber-opticsensors based on inter-modal interference, particularly sensitive to external physical fieldssuch as bending, twisting, elongation and etc. It utilized linear CCD photodiode array invisible spectrum range. The proposed optoelectronic system measures light intensitydistribution along the fiber core. Up to 16 fibers are precisely aligned in front of the linearCCD array with exact step of 0.5mm. The designed multichannel system measuressimultaneously all 16 fibers and detects any changes in light intensity distribution scheme ofevery fiber.Variouse methods for detection of changes in light distribution are proposed andinvestigated. It includes single point monitoring, multi-point or overall optical power changedetection. By investigating certain physical field on fiber-optic sensors and the respectivechanges in light intensity destibution, a recognition method of those fields is proposed. Itefficiently recognized certain fields on fiber – bending, twisting, elongation and etc.A complex hybrid communication-sensor system is presented. Single optical fiber isused for multiple applications at different spectral bands. A communication link is establishedat 1330nm, at 1550nm a broadband measurement of fiber grating sensors (LPGs or FBGs) isperformed and at 632nm the same fiber is utilized as a sensor for detection of intrusions andexternal fields. The designed complex system is tested and investigated.32