Специалисты Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук и Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали методику, которая значительно улучшает достоверность диагностики дефектов в фотонных устройствах. Такие компоненты, к которым относятся протяженные волоконно-оптические магистрали и компактные оптические чипы, составляют основу современных систем цифровой связи, а также управляющих комплексов в энергетике, авиационной и судостроительной отраслях и медицинской технике, информирует пресс-служба Пермского Политеха.
Фото: Оптический рефлектометр частотной области ARFA на выставке Фотоника и мир лазеров. Пресс-служба ПНИПУ
Стратегическая важность фотонных компонентов для России
Надёжность этих элементов для России носит стратегический характер, так как они задействованы в контроле магистральных трубопроводов, функционировании навигационного оборудования и организации высокоскоростных каналов передачи данных. Любое нарушение целостности будь то микротрещина, загрязнение или неидеальный контакт вызывает искажение оптического сигнала и приводит к сбоям, что обусловливает необходимость регулярного контроля. Одним из наиболее эффективных методов такой диагностики считается частотная оптическая рефлектометрия (OFDR), однако её точность снижается из-за внутренних шумов измерительной аппаратуры. Группа учёных из ИМСС УрО РАН, Пермского Политеха и Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева предложила новый алгоритм обработки сигналов, эффективно устраняющий помехи без влияния на информацию о реальных дефектах. В то время как типовые подходы могут искажать амплитуду пиков, соответствующих повреждениям, на 14–53% и вызывать смещение базовой линии сигнала до 67%, новый метод полностью исключает эти погрешности (0% искажений и 0% смещения). Это даёт возможность выявлять неисправности с предельной точностью, сокращая продолжительность и стоимость диагностических процедур.
Итоги исследования размещены в международном журнале «Optics». Работа выполнена по государственному заданию Министерства науки и высшего образования РФ при поддержке гранта Российского научного фонда.
Фото: Авторский коллектив в процессе обсуждения проекта. Пресс-служба ПНИПУ
Волоконно-оптические системы представляют собой тончайшие нити из кварцевого стекла, осуществляющие передачу информации посредством световых импульсов. Принцип их работы аналогичен двоичному коду: наличие световой вспышки соответствует единице, её отсутствие нулю. Диаметр одного волокна составляет около 125 микрометров, что тоньше человеческого волоса, при этом его пропускная способность может достигать терабайтов данных в секунду. Данное технологическое решение является фундаментом межконтинентальной связи, высокоскоростного интернета и функционирования дата-центров. Совокупная протяжённость подобных сетей в России к 2025 году составила приблизительно 1,4 миллиона километров с ежегодным приростом в десятки тысяч километров.
Область использования фотонных структур не исчерпывается телекоммуникациями. Распределённые волоконно-оптические датчики постоянно отслеживают состояние скважин и трубопроводов в нефтегазовой промышленности. Они также встроены в высокоточные гироскопы для авиации и судостроения, системы мониторинга конструкций и медицинскую диагностическую аппаратуру. В условиях импортозамещения перед отечественной промышленностью стоит двойная задача: наладить собственное производство таких компонентов и обеспечить их высокоточный контроль, то есть уверенно определять внутренние дефекты и недостатки соединений.
Ключевая проблема и ограничения текущих методов
Даже высокотехнологичные фотонные изделия имеют уязвимости. При изготовлении микроскопического оптического чипа могут возникать незаметные неровности, посторонние включения или зоны механического напряжения. В оптоволоконных компонентах, таких как разветвители, со временем от вибраций или температурных перепадов образуются микротрещины. Внешне устройство остается целым, но внутри появляются паразитные отражения света и непредусмотренные потери сигнала. Как результат, датчик на трубопроводе начинает передавать ошибочные данные, а навигационная система накапливать критическую погрешность.
Ранее журнал «Химагрегаты» рассказывал о создании микрофлюидного чипа, разработкой которого занимались специалисты компании «Роснефть».
Для обнаружения подобных повреждений используется специальный прибор оптический рефлектометр. Его принцип действия можно сравнить с эхолокацией. Лазер посылает в волокно луч с непрерывно изменяющейся частотой. Свет отражается от всех неоднородностей трещин, стыков, дефектов материала. Аппаратура фиксирует эти отражения и с микрометровой точностью вычисляет местоположение каждой неоднородности.
Основная сложность заключается в крайне низком уровне обратного сигнала, сопоставимом с собственными шумами электроники прибора. Эти шумы представляют собой хаотичные флуктуации в оптическом тракте, своеобразную «рябь», накладывающуюся на полезные данные. Без специальной математической обработки отделить реальные дефекты от этого фонового шума практически невозможно.
Существующие алгоритмы шумоподавления действуют грубо: они усредняют сигнал, но вместе с помехами «срезают» и слабые отклики от настоящих повреждений. Погрешность в оценке амплитуды дефекта может достигать 53%, из-за чего серьёзная проблема выглядит незначительной. Более того, такие методы смещают нулевой уровень сигнала. Для магистральных линий связи это допустимо, но для контроля качества микрочипов нет. Если алгоритм занизит пик от плохого соединения волокна с чипом, инженер может принять бракованное изделие за годное.
Новый интеллектуальный алгоритм шумоподавления
Учёные Пермского Политеха, ИМСС УрО РАН и КНИТУ-КАИ создали новый подход к фильтрации, который решает указанные проблемы без потери полезной информации. Метод был апробирован на рефлектометре, разработанном ранее совместно ИМСС УрО РАН и инновационным предприятием «ОРМС Лаб». Вместо грубого усреднения, «размазывающего» сигнал, исследователи применили интеллектуальный алгоритм. Он функционирует как адаптивный фильтр, анализирующий для каждой точки сигнала её окружение: хаотичное скопление точек классифицируется как шум и сглаживается, а изолированный резкий выброс признаётся реальным дефектом и сохраняется без изменений. При этом общий уровень сигнала не смещается.
«Традиционные методы заставляют идти на компромисс: чем агрессивнее мы подавляем шум, тем сильнее искажаем целевой сигнал. Мы использовали простой геометрический критерий, позволяющий отличить хаотическое облако точек от единичного выброса. Если у точки много «соседей», мы, условно говоря, накрываем этот участок гладкой кривой. Если точка изолирована она остаётся нетронутой. Это позволило впервые избежать искажения полезных событий», поясняет кандидат технических наук Антон Кривошеев, научный сотрудник ИМСС УрО РАН и кафедры общей физики ПНИПУ.
Тестирование методики на реальном оборудовании подтвердило её эффективность. Стандартные алгоритмы искажают высоту пиков на 14–53% и смещают уровень сигнала с ошибкой до 67%. Новая разработка демонстрирует нулевые значения по обоим параметрам. Это позволяет специалисту видеть объективную картину, точно локализовать дефекты и проводить достоверную паспортизацию параметров изделия то есть принимать решение о его соответствии стандартам.
«При изготовлении фотонных интегральных схем необходимо предельно точно измерять интенсивность обратных отражений. Если метод обработки искусственно занизит пик, можно ошибочно признать некачественное соединение годным. В такой схеме свет будет отражаться назад, а не выполнять полезную работу. Наш алгоритм полностью исключает подобные ошибки», добавляет Артём Туров, младший научный сотрудник ИМСС УрО РАН и ассистент кафедры общей физики ПНИПУ.
Реализация и перспективы разработки
На основе разработки уже создан экспериментальный прототип диагностической установки «ARFA» для проверки оптических чипов, себестоимость которого на 30% ниже зарубежных аналогов. Установка официально зарегистрирована компанией «ОРМС Лаб».
Сам алгоритм может быть интегрирован в программное обеспечение существующих коммерческих рефлектометров. Это не требует замены дорогостоящего оборудования достаточно обновить программный модуль. Таким образом, разработка становится доступным инструментом для российских компаний в сфере оптоэлектроники, фотоники и волоконной оптики. В перспективе учёные планируют дальнейшее повышение точности метода и его адаптацию для различных типов оптических компонентов и условий эксплуатации.