ISSN: 2306-2819
Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы»
Постановка задач проектирования волоконно-оптических комбинированных датчиков и многосенсорных систем для регионального мониторинга концентрации парниковых газов
PDF
Опубликована: 2025-04-27
Выпуск
№ 4(52) (2021): Вестник Поволжского Государственного Технологического Университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы»
Раздел
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
  • Артур Рифгатович ШАГИДУЛЛИН Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, Российская Федерация, 420087, Казань, ул. Даурская, 28
  • Олег Геннадьевич МОРОЗОВ Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Айрат Жавдатович САХАБУТДИНОВ Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Ильнур Ильдарович НУРЕЕВ Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
  • Юлия Алексеевна ТУНАКОВА Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Аннотация

Аннотация. В статье рассмотрены постановки задач проектирования комбинированных волоконно-оптических датчиков (КВОД) и многосенсорных систем на их основе для регионального мониторинга концентрации парниковых газов. Выделен основной тренд развития КВОД, основанный на применении последовательно сформированных на концевом участке оптического волокна волоконной брэгговской решётки (ВБР), а на его срезе резонатора Фабри–Перо (РФП). Поставлена задача применения адресных волоконных брэгговских структур (АВБС) вместо ВБР с целью повышения метрологических характеристик КВОД, компенсации изменений температуры окружающей среды и существенного удешевления их интеррогатора с переходом на радиофотонные принципы измерений. Предложена структурная схема многосенсорной системы и конструкция интеррогатора, позволяющих обнаруживать четыре типа газов СО2, NO2, CH4, OX в зависимости от типа и толщины полимерной тонкой плёнки, являющейся одной из компонент РФП. Для совершенствования программного обеспечения поставлена задача применения в его структуре преобразования Карунена–Лоэва (KLT), позволяющего разделить вклад каждой составляющей КВОД в отражённом им информационном излучении по спектральной эффективности и в перспективе разрешить измерение изменений огибающей РФП, зависящей от концентрации исследуемых газов, на адресных частотах АВБС. Оценки показали, что такая конструкция КВОД и системы в целом позволит измерять температуру окружающей среды в диапазоне -60…+300 ° С с погрешностью в 0,1– 0,01 ° С, а концентрацию газов в диапазоне 10–90 % с погрешностью в 0,1–0,5 %.


Ключевые слова: экологический мониторинг; парниковые газы; многосенсорная система; комбинированные волоконно-оптические датчики; волоконная брэгговская решётка; адресная волоконная брэгговская структура; резонатор Фабри–Перо; преобразования Карунена–Лоэва

Биографии авторов

Артур Рифгатович ШАГИДУЛЛИН, Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, Российская Федерация, 420087, Казань, ул. Даурская, 28

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной экологии, Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан. Область научных интересов – экспериментальные и расчётные методы оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха. Автор 200 научных публикаций и патентов. ORCID: 0000-0003-3837-6110

Олег Геннадьевич МОРОЗОВ, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий; директор НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника. Автор 455 научных публикаций и патентов. ORCID: 0000-0003-4779-4656

Айрат Жавдатович САХАБУТДИНОВ, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Доктор технических наук, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – микроволновая фотоника; волоконно-оптические сенсоры и системы интеррогации. Автор 155 научных публикаций и патентов. ORCID: 0000-0002-0713-7806

Ильнур Ильдарович НУРЕЕВ, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – волоконно-оптические датчики и информационно-измерительные сети. Автор 250 научных публикаций. ORCID: 0000-0003-4895-2695

Юлия Алексеевна ТУНАКОВА, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой общей химии и экологии, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ. Область научных интересов – экспериментальные и расчётные методы для обеспечения экологической безопасности. Автор 350 научных публикаций и патентов. ORCID: 0000-0002-8826-8639

Литература

1. Gas detection with micro- and nano-engineered optical fibers / W. Jin, H.L. Ho, Y.C. Cao et al. // Optical Fiber Technology. 2013. Vol. 19. Pp. 741-759.
2. Choi J.C., Lee J.K., and Kong S.H. A multi-channel gas sensor using Fabry-Perot interferometer-based infrared spectrometer // Journal of Sensor Science and Technology. 2012. Vol. 21(6). Pp. 402-407.
3. Microfiber-based Bragg gratings for sensing applications: a review / J.L .Kou, M. Ding, J. Feng et al. // Sensors. 2012. Vol. 12. Pp. 8861-8876.
4. Wang R. and Qiao X. Gas refractometer based on optical fiber extrinsic Fabry-Perot interferometer with open cavity // IEEE Photonics Technol. Lett. 2015. Vol. 27(3). Pp. 245-248.
5. Feedback stabilized interrogation technique for EFPI/FBG hybrid fiber-optic pressure and temperature sensors / K. Bremer, E. Lewis, B. Moss et al. // IEEE Sens. J. 2012. Vol. 12. Pp. 133–138.
6. CO2 gas sensing using optical fiber Fabry–Perot interferometer based on Polyethyle-neimine/Poly(Vinyl Alcohol) coating / W. Ma, R. Wang, Q. Rong et al. // IEEE Photonics Journal. 2017. Vol. 9(3). P. 6802808.
7. Fiber Optic Sensors for Biomedical Applications / D. Tosi, S. Poeggel, E. Schena et al. // Opto-Mechanical Fiber Optic Sensor: Research, Technology, and Applications in Mechanical Sensing. Elsevier, 2018. Pp. 301-333.
8. Волоконные брэгговские решетки с двумя фазовыми сдвигами как чувствительный элемент и инструмент мультиплексирования сенсорных сетей / Р.Ш. Мисбахов, Р.Ш. Мисбахов, О.Г. Морозов и др. // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4343.
9. Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж. Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределенных радиофотонных сенсорных системах // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 4. С. 535-543.
10. Многоадресные волоконные брэгговские структуры в радиофотонных сенсорных системах / Т.А. Аглиуллин, В.И. Анфиногентов, Р.Ш. Мис¬бахов и др. // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 1. С. 6-13.
11. Tosi D. Advanced Interrogation of Fiber-Optic Bragg Grating and Fabry-Perot Sensors with KLT Analysis // Sensors. 2015. Vol. 15. Pp. 27470-27492.
12. Характеризация резонанса Фано в оптических биосенсорах рефрактометрического типа на основе кольцевых волоконных брэгговских решеток с π-сдвигом. Постановка задач моделирования / А.Ж. Сахабутдинов, О.Г. Морозов, И.И. Нуреев и др. // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/5002.

Финансирование: работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках программы «Приоритет 2030».
Читать полностью