Subject of Research. This paper presents the results of an experimental study on the possibility of applying single fiber Bragg gratings as sensitive elements for detecting ultrasonic impacts in gaseous or liquid media and at placing fiber Bragg gratings into various materials and structures for their status monitoring. Method. During the experiment, an ultrasonic impact with a fundamental frequency of 65 kHz was alternately turned on two sensitive elements based on two fiber Bragg gratings with different parameters: the physical grating length, reflection coefficient, and slope of the linear part of spectral characteristics. Comparative analysis of the obtained data with data from the reference piezoelectric ultrasonic sensor was performed. The results were evaluated in the frequency domain, at the range up to 200 kHz. The three first harmonics of the signal were studied: 65, 130 and 195 kHz. The signal-to-noise ratio for each sensor element and the ratio of signal values obtained from various sensor elements were evaluated. Main Results. The measurement setup was created on the basis of a small-sized tunable VCSEL and FPGA. It is shown that single fiber Bragg gratings are suitable for creation of sensitive elements for ultrasonic sensors and have values of sensitivity and dynamic range comparable to piezoelectric sensors. The range of detected frequencies was theoretically estimated and the assessment of the FBG parameters effect on the sensor sensitivity to ultrasonic action was performed. The ratios of the signals measured by the Bragg grating with a slope of the spectral characteristics equal to 142 1/nm and a reflection coefficient equal to 100%, to the signals from the grating with a slope of 44 1/nm and a reflection of 40% are equal to 5.8, 3.8, 7.1 for 65, 130 and 195 kHz, respectively. The ratios of the signals measured by the reference piezoelectric sensor to the signals measured by Bragg grating with a slope of the spectral characteristics equal to 142 1/nm and a reflection coefficient of 100% are 3.8, 6.2, 7.7 for 65, 130 and 195 kHz, respectively. Practical Relevance. The results of this study show the possibility of applying fiber Bragg gratings as the sensitive elements of threshold and measuring ultrasonic sensors for the placement in the volume and on the surface of the materials under study. The features and advantages of fiber-optic measuring systems provide the ease of installation for the arrays of sensors in the material or structure under research during production, insensitivity to external electromagnetic interference and the possibility of multiplexing a large number of sensitive elements on a single optical fiber.

Предмет исследования. Рассмотрена проблема синхронизации сигналов в массивах оптоволоконных гидроакустических датчиков. Показано, что одним из наиболее важных факторов, влияющих на работу датчиков, является уровень собственного шума. Определен допустимый уровень фазового шума, возникающего вследствие работы системы синхронизации. Рассмотрены основные методы синхронизации, проанализирован уровень фазового шума в случае их использования. Метод. Для решения задачи синхронизации сигналов использован метод передискретизации сигналов. Возможность его использования оценивалась средствами математического моделирования в среде MATLAB. Показано, что добавление отсчетов в исследуемый сигнал приводит к значительному росту фазовых искажений. Основные результаты. Выполнена численная оценка воздействия нестабильности частоты тактового генератора на временное расхождение сигналов в случае отсутствия системы синхронизации. При отклонении тактовых частот генераторов на ± 2•10-5 расхождение достигает одной секунды через семь часов работы. Было показано, что при добавлении восьми отсчетов в секунду в синхронизируемый сигнал спектральные искажения достигают порядка 100 мкрад/√Гц. Предложен аппаратный метод синхронизации, позволяющий увеличить точность синхронизации без искажения спектральной и фазовой характеристик сигнала, реализуемый путем подстройки частот локальных генераторов тактовой частоты с использованием обратной связи. Практическая значимость. Предложены два метода синхронизации, позволяющие с использованием интерфейса Ethernet, согласно стандарту IEEE 802.3, синхронизировать систему датчиков. Аналитически и экспериментально оценена величина фазового дрожания между различными каналами измерительной системы. Методы могут быть использованы в других системах, требующих синхронизации узлов с сохранением масштабируемости и гибкости всей системы. Ключевые слова волоконно-оптический датчик, гидроакустические системы, временная синхронизация, джиттер, интерполяция Благодарности Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.G25.31.0245).