Сотрудники лаборатории фотоники Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (филиал ПФИЦ УрО РАН) совместно с группой из Института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН) разработали новый метод обработки данных с оптоволоконных систем мониторинга, который позволяет точно определять температуру и деформации на протяжённых объектах, таких как газопроводы и высокоскоростные магистрали. Результаты работы опубликованы в журнале «Автометрия».

Работа открывает путь к созданию сверхчувствительных систем безопасности для критической инфраструктуры, об этом сообщил заведующий лабораторией кандидат технических наук Юрий Константинов.

Как пояснил эксперт, классический подход к анализу данных с «умного» волокна основан на изучении отдельных спектров рассеянного светового сигнала. Однако при большой длине трассы и нечастом сканировании световой сигнал в нём затухает, а шумы, напротив, накапливаются. На дистанциях в сотни километров полезный сигнал, свидетельствующий об изменении свойств объекта, может полностью «утонуть» в помехах.

Решением этой проблемы занимаются учёные из лаборатории фотоники ИМСС УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) и команда из Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск).

«Представьте, что вы пытаетесь рассмотреть огонёк свечи с другого конца тёмного туннеля. Именно такую задачу мы решаем при мониторинге стокилометровых участков. Наша цель — разработать методы, которые позволят нам „очистить“ и усилить этот слабый сигнал, чтобы надёжно детектировать любые потенциально опасные воздействия на объект», — пояснил Юрий Константинов.

«Мы показали, что обработка каждого отдельного спектра не позволяет выделить полезный сигнал на фоне шумов, особенно когда линия длинная, а сканирование ведётся с грубым шагом. Наш подход основан не на обработке отдельных спектров, а на одновременном анализе сигналов сразу из множества точек оптоволокна. Это похоже на то, как если бы каждый спектр мог „одолжить“ потерянную при грубом сканировании информацию у своих „соседей“ и даже у удалённых участков, чтобы усилить общий сигнал», — отметил он.

Главной сложностью, по словам учёного, стало то, что волокно в разных точках испытывает разное температурное и механическое воздействие, поэтому спектры не идентичны.

«Перед тем как „пересадить“ данные, мы с помощью специальных алгоритмов преобразуем „спектры-доноры“. Это нужно для того, чтобы в итоге повысить отношение сигнал-шум, а не ухудшить его», — подчеркнул исследователь.

Применённый метод позволяет получать данные с погрешностью не более 1,5 МГц, что эквивалентно точности в 1,7 °С по шкале температур и 0,003 % по шкале деформаций в каждой точке волокна длиной почти 100 км. Стандартные же методы на таких дистанциях не позволяют получить сколь-либо значимые данные, констатировали в лаборатории.

Источник: ИМСС УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН).