|
|
|
|
|
|
Главная / Новости / Отрасли ТЭК / Учёные ИМСС УрО РАН и Пермского Политеха научились точнее находить повреждения в фотонных структурах
10:01, 21 Апреля 26
Электроэнергетическая Россия Учёные ИМСС УрО РАН и Пермского Политеха научились точнее находить повреждения в фотонных структурах  Фотонные структуры — это оптоволоконные линии и миниатюрные оптические чипы, по которым идёт свет. Качество фотонных структур критически важно для России: они контролируют нефте- и газопроводы, обеспечивают работу гироскопов на кораблях и самолётах, а также скоростную связь.
Любой дефект (трещина, грязь, плохая стыковка) ведёт к искажению сигнала и сбоям, поэтому их важно проверять. Эффективный метод диагностики — исследование волокна лазером с перестройкой частоты (OFDR), но ему мешают помехи оборудования.
Учёные ИМСС УрО РАН – филиала ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха вместе с коллегами из КНИТУ-КАИ разработали новый способ обработки сигналов, который убирает помехи, но не теряет данные о дефектах. Если обычные методы искажали информацию о дефектах на 14–53%, а уровень сигнала смещали на 67%, то новый метод не даёт искажений (0%) и не смещает сигнал (0%). Это значит, что повреждения теперь обнаруживаются точнее, быстрее и дешевле.
Оптоволокно — это тончайшие нити из стекла или пластика, по которым свет передаёт информацию. Принцип похож на азбуку Морзе: лазер превращает электрические сигналы в световые вспышки — есть импульс (1), нет импульса (0). Одно такое волокно тоньше человеческого волоса — всего 125 микрон в диаметре, но по нему можно передавать терабайты данных в секунду. Именно так обеспечивается высокоскоростной интернет, связь между континентами и работа дата-центров. В России на 2025 год протяженность таких сетей — около 1,4 миллиона километров, а ежегодный прирост — десятки тысяч километров (только за последний год — более 20 тысяч).
Но оптоволокно нужно не только для интернета. Волоконно-оптические кабели и оптические микросхемы критически важны для нефтегазовой отрасли — распределённые датчики в реальном времени контролируют состояние скважин и трубопроводов на десятках километров. Они лежат в основе высокоточных навигационных систем, применяются в строительстве, авиастроении и судостроении для мониторинга деформаций, а также в системах безопасности и медицинской технике. В условиях импортозамещения перед Россией стоит двойная задача: не только научиться производить такие компоненты, но и качественно их диагностировать, то есть точно находить дефекты соединений и внутренние повреждения.
Но даже самые совершенные фотонные структуры имеют слабые места. При изготовлении крошечного оптического чипа могут появиться незаметные дефекты: неровная стенка, соринка в месте соединения или внутреннее напряжение. В оптоволоконной детали (например, в разветвителе) со временем от вибраций или перепадов температуры может возникнуть микротрещина. Снаружи всё выглядит целым, но внутри начинаются лишние отражения света и неконтролируемые потери сигнала. В результате датчик давления на нефтепроводе начинает выдавать ошибочные показания, а гироскоп в системе навигации — накапливать недопустимую погрешность.
Чтобы найти повреждения в оптоволокне и оптических чипах, специалисты используют специальный прибор. Его принцип можно объяснить на примере полицейской машины с сиреной. Представьте, что она едет по городу, при этом частота звука сирены постоянно меняется. Звук отражается от зданий и других машин и возвращается обратно. Сравнивая частоту отражённого сигнала с текущей частотой сирены, можно очень точно определить расстояние до каждого объекта. Прибор работает так же, только вместо звука — свет. Лазер посылает в оптоволокно непрерывный луч с плавно меняющейся частотой. Он отражается от микротрещин, мест соединений и других дефектов. А прибор с точностью до микрометров определяет, где находится каждое повреждение.
Но есть проблема. Обратно возвращается очень мало света — настолько мало, что он сравним с собственными помехами прибора. Эти помехи называют шумом, но это не звук. Это хаотичные колебания светового сигнала, что-то вроде ряби или треска на экране. Если продолжать аналогию с полицейской сиреной, то шум — это как посторонние звуки на шумной улице, которые мешают услышать слабое эхо. Без специальной обработки различить реальные дефекты от этого светового шума практически невозможно.
Существующие методы убирают шум грубо: они сглаживают сигнал, но вместе с помехами теряют отклики от реальных повреждений. Ошибка достигает 53% — серьёзный дефект выглядит в два раза менее опасным. Это как убрать с фото лишний фон, но случайно вырезать часть того, что нужно было сохранить. Кроме того, эти методы смещают правильный уровень сигнала. Для обычных линий связи это неприятно, но для диагностики оптических чипов такие ошибки недопустимы. Если при оценке качества соединения оптического волокна с чипом метод занизил пик на четверть, инженер решит, что всё в порядке, а соединение на самом деле бракованное. В итоге готовое устройство будет работать с ошибками или вообще выйдет из строя.
Учёные Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и КНИТУ-КАИ предложили новый подход к очистке сигналов, который решает эту проблему без искажения полезных данных. Этот подход был успешно протестирован на оптическом рефлектометре частотной области, разработанном ранее совместно ИМСС УрО РАН и компанией "ОРМС Лаб" (малым инновационным предприятием при Пермском федеральном исследовательском центре УрО РАН). Вместо грубого усреднения, которое «размазывает» сигнал, исследователи предложили умный алгоритм. Он работает как фильтр: для каждого участка сигнала он определяет, что перед ним — хаотичный шум или резкий скачок от дефекта. Если вокруг много хаотичных колебаний — это шум, алгоритм сглаживает его, но не трогает общий уровень сигнала. Если виден редкий резкий скачок — это реальное повреждение, такой участок алгоритм оставляет нетронутым.
— В традиционных методах шумоподавления мы неизбежно сталкиваемся с компромиссом: чем сильнее мы приглушаем шум, тем больше искажаем то, что ищем. Мы предложили простой геометрический критерий, который позволяет отличить хаотическое облако точек от изолированного выброса. Если вокруг точки много «соседей» — мы, как будто «накрывая её зонтиком» — заменяем на плавную дугу эллипса. Если «соседей» мало — точку оставляем как есть. Это позволяет избежать искажений полезных событий, что до сих пор было недостижимо, — рассказывает Антон Кривошеев, кандидат технических наук, м.н.с. Института механики сплошных сред УрО РАН и сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ.
Учёные проверили новый метод на реальном оборудовании. Результаты говорят сами за себя. Существующие методы искажают высоту пика от повреждения на 14–53% — серьёзный дефект может показаться в два раза менее опасным. Они также смещают уровень сигнала — в некоторых случаях ошибка достигает 67%. Новый метод не делает ни того, ни другого: искажение пиков — 0%, смещение уровня — 0%. Это значит, что специалист видит чистую картинку и точно знает, где реальный дефект, а где просто помехи. И, самое главное, параметры исследуемого объекта можно паспортизовать – то есть проверить на соответствие требуемым характеристикам и перевести в статус готового продукта или допустить до следующей производственной стадии.
— При сборке фотонных интегральных схем критически важно точно знать интенсивность обратных отражений. Если метод обработки уменьшил пик на четверть, вы можете принять ошибочное решение о качестве соединения и вместо выполнения «полезной работы» в схеме, свет будет отражаться назад и возвращаться к источнику. Наш метод исключает такую ошибку, — объясняет Артём Туров, м.н.с. Института механики сплошных сред УрО РАН и ассистент кафедры общей физики ПНИПУ.
Учёные уже создали экспериментальную установку «ARFA» — прототип прибора для диагностики оптических чипов. Его себестоимость на треть ниже мировых аналогов. Установка официально зарегистрирована компанией «ОРМС Лаб».
Сам алгоритм уже может быть внедрён в программное обеспечение коммерческих рефлектометров. Не нужно покупать новое оборудование — достаточно обновить программу. Это делает разработку доступным инструментом для российских предприятий, работающих в области оптоэлектроники, фотоники и волоконной оптики.
В планах учёных — дальнейшее повышение точности метода, адаптация для разных типов оборудования и снижение вычислительной нагрузки.
Источник: пресс-служба ПНИПУ
Все новости за сегодня (50)
|
 54 года в строю: история и современность Красноярской ГЭС
Ровно 54 года назад государственная комиссия подписала акт о приемке Красноярской гидроэлектростанции в промышленную эксплуатацию. Грандиозная стройка, продолжавшаяся более 15 лет, навсегда изменила энергетику Сибири. |
|
О проекте
Размещение рекламы на портале
Баннеры и логотипы "Energyland.info" |
|
