Способ измерения фазового сигнала двулучевого волоконно-оптического интерферометра
METHOD OF MEASURING PHASE SIGNAL OF DOUBLE-BEAM FIBRE-OPTIC INTERFEROMETER

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для повышения точности измерения фазового сигнала в двухлучевых интерферометрах Майкельсона или Маха-Цендера и массивах волоконно-оптических датчиков на их основе.
Известен способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра [статья Waagaard О.Н. et al. Suppression of cable induced noise in an interferometric sensor system // 20th International Conference on Optical Fiber Sensors. - International Society for Optics and Photonics, 2009. - T. 7503. - C. 75034Q]. Способ заключается в следующем. Лазерный диод генерирует оптическое излучение, которое поступает в двухлучевой волоконно-оптический интерферометр (далее - интерферометр), интерференционный сигнал I которого пропорционален разности фаз оптических лучей в плечах интерферометра в соответствии с известным выражением:
где разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра под воздействием внешнего акустического, гидроакустического либо вибрационного давления определяется как:
где в выражениях (1) и (2):
I - интерференционный сигнал,
1
2
I и I - интенсивности оптических лучей в плечах интерферометра,
Δϕ - разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра,
λ - длина волны оптического излучения,
эфф
n - эффективный показатель преломления оптического волокна,
ΔL - изменение длины оптического пути в оптическом волокне (ОВ) под воздействием акустического давления,
Р - уровень акустического давления (Па).
При работе волоконно-оптического интерферометра в реальных условиях он подвергается действию акустических и вибрационных шумов окружающей среды и интенсивность оптического импульса на фотоприемном устройстве (ФПУ) измерительной системы описывается выражением:
signal
где Δϕ - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в чувствительном плече интерферометра (рад),
noise
Δϕ - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в опорном плече интерферометра (рад).
Описываемый способ заключается в применении дополнительно к измерительным датчикам (чувствительным элементам) опорного (дополнительного) датчика с пониженной чувствительностью к давлению и ускорению (в составе единого измерительного массива), интерференционный импульс от которого, таким образом, содержит исключительно информацию о внешних воздействиях на интерферометр и измерительную систему. В итоге, путем вычитания демодулированого фазового сигнала дополнительного датчика из демодулированного фазового сигнала основного датчика (чувствительного элемента) происходит компенсация нежелательных внешних воздействий на составные части измерительной системы и измеренное значение фазового сигнала, обусловленное воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент, приближается к истинному, повышая точность измерений.
Недостатками известного способа являются сложность достижения нечувствительности опорного датчика к нежелательным внешним воздействиям (акустический шум окружающей среды, вибрации и др.), необходимость внесения значительных изменений в конструкцию измерительных систем, сложность обеспечения идентичности конструкции опорного и измерительного датчиков, а также внесение дополнительных оптических потерь в измерительную систему за счет добавления дополнительного датчика.
Известен способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра, выбранный в качестве прототипа [патент США №6825934 Vibration noise mitigation in an interferometric system].
Описываемый способ заключается в облучении интерферометра излучением дополнительного источника и регистрации полученного интерференционного сигнала дополнительным приемником излучения. Центральные длины волн основного (применяемого для опроса чувствительного плеча интерферометра) и дополнительного источников оптического излучения выбираются таким образом, чтобы оптические сигналы от них лежали в неперекрывающихся диапазонах. Перед фотоприемными устройствами устанавливаются оптические фильтры, позволяющие каждому из фотоприемников осуществлять прием только одного из оптических сигналов - либо порожденного основным источником оптического излучения, либо дополнительным. Таким образом, осуществляется принцип мультиплексирования оптических сигналов основного и дополнительного источников оптического излучения по длине волны, что позволяет осуществлять независимое детектирование, регистрацию и демодуляцию порожденных данными источниками интерференционных сигналов:
ФПУ1
ФПУ2
2
где I и I - интенсивность интерференционных сигналов (Вт/м) на основном и дополнительном ФПУ, соответственно,
signal
Δϕ - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в чувствительном плече интерферометра (рад),
noise
Δϕ - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в опорном плече интерферометра (рад).
Известный способ решает задачу повышения точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе двухлучевых волоконно-оптических интерферометров следующим образом.
Оптические сигналы от основного, работающего в режиме сканирования по длине волны, и от дополнительного, работающего в одночастотном режиме, источников оптического излучения поступают на вход первого Х-разветвителя. Длина волны дополнительного источника выбирается за пределами диапазона перестройки основного источника. С выхода первого Х-разветвителя данные оптические сигналы попадают на вход двухлучевого интерферометра Майкельсона, в чувствительном плече которого находится испытываемый образец, оптические характеристики которого изучаются при помощи излучения основного источника. При этом каждый из оптических сигналов на входе в интерферометр разделяется на два сигнала, которые распространяются вдоль его опорного и чувствительного плеча. В результате оптический сигнал основного источника формирует интерференционный сигнал, обусловленный разностью фаз, вносимой оптическими свойствами исследуемого образца. При этом оптический сигнал дополнительного источника формирует интерференционный сигнал, обусловленный разностью фаз, вносимой виброакустическим воздействием окружающей среды на плечи интерферометра. Данные интерференционные сигналы поступают на вход второго X-разветвителя, с выхода которого поступают на первое и второе фотоприемные устройства ФПУ1 и ФПУ2, оснащенные соответствующими оптическими фильтрами, осуществляющими разделение интерференционных сигналов по длине волны. После детектирования сигналов соответствующими фотоприемными устройствами происходит их демодуляция. Таким образом, становится возможным исключение влияния виброакустического сигнала на выходной сигнал интерферометра путем его вычитания из полезного сигнала.
Недостатками известного способа являются:
- Распространение излучения дополнительного источника вдоль обоих плеч интерферометра - опорного и чувствительного. Это приводит к тому, что интерференционный сигнал от дополнительного источника может быть обусловлен разностью фаз, вносимой виброакустическим воздействием как на опорное, либо чувствительное плечо интерферометра, так и совокупным воздействием на оба плеча. В свою очередь, это приводит к тому, что данный известный способ невозможно применить в измерительных системах, при эксплуатации которых измеряемое и помеховое воздействие являются сигналами единой природы, например, в акустических и гидроакустических измерительных комплексах, что существенно сужает область применения данного способа. Кроме того, при размещении опорного и чувствительных плеч интерферометра в разных точках пространства виброакустическое воздействие на них не коррелированно, и применение известного способа может дать непредсказуемый результат, вплоть до снижения точности интерференционных измерений.
Применение мультиплексирования оптических сигналов основного и дополнительного источников оптического излучения по длине волны сужает полосу пропускания оптического волокна, доступную для прохождения оптического сигнала основного источника. Это накладывает ограничение на количество опрашиваемых чувствительных элементов (плеч) при построении квазираспределенных и распределенных интерферометрических измерительных систем на основе массивов чувствительных элементов (измерительных датчиков), что существенно сужает область применения способа.
Решаемая техническая проблема - совершенствование способов измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе волоконно-оптических интерферометров.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе двухлучевых волоконно-оптических интерферометров за счет компенсации виброакустического воздействия (влияния) окружающей среды на опорное плечо интерферометра.
Поставленная задача решается следующим образом.
В способе измерения фазового сигнала двулучевого волоконно-оптического интерферометра, включающем облучение его чувствительного плеча и опорного плеча основным источником оптического излучения с одновременным облучением его опорного плеча дополнительным источником оптического излучения, регистрацию на фотоприемных устройствах двух полученных интерференционных сигналов, их синхронное детектирование и фазовую демодуляцию, искомый фазовый сигнал получают путем вычитания фазового сигнала, полученного в результате облучения опорного плеча дополнительным источником оптического излучения, из фазового сигнала, полученного в результате облучения его основным источником оптического излучения, опорное плечо интерферометра дополнительно облучают излучением дополнительного источника излучения, плоскость поляризации которого ортогональна к плоскости поляризации излучения основного источника, а длина когерентности излучения превышает длину оптического пути в прямом и обратном направлении вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра, при этом с помощью поляризационного мультиплексирования исключают распространение излучения дополнительного источника в чувствительном плече.
Для этого в способе измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра в состав оптико-электронной схемы устройства вводятся дополнительные источник (далее - ИИ2) и приемник (фотоприемное устройство) ФПУ2 оптического излучения, которое физически распространяется только внутри опорного плеча интерферометра, не проходя через чувствительное его плечо. Интерференционный сигнал, образованный отраженным от оптического зеркала (далее - зеркало) в опорном плече интерферометра оптическим излучением от ИИ2, содержит в себе только информацию о виброакустическом воздействии на интерферометр, и интенсивность оптического импульса на ФПУ2 описывается выражением (4).
Таким образом, влияние шумов окружающей среды и вибрации на точность измерений волоконно-оптической измерительной системы на основе фазовых датчиков может быть скомпенсировано путем вычитания демодулированного фазового сигнала с ФПУ2 из демодулированного фазового сигнала с ФПУ1 в соответствии с выражением (6).
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.
Оптическое излучение от основного источника оптического излучения (далее - ИИ1) подается на вход волоконно-оптического интерферометра, где разделяется на два сигнала, распространяющихся вдоль его опорного и чувствительного плеч, отражаясь от зеркал на их концах, после чего, проходя через волоконно-оптический поляризатор (далее - поляризатор), настроенный на пропускание излучения с плоскостью поляризации излучения ИИ1, попадает на фото приемное устройство ФПУ1, где формирует интерференционный сигнал в соответствии с выражением (4), обусловленный как разностью фаз, внесенной воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо интерферометра, так и виброакустическим воздействием на его опорное плечо.
Оптическое излучение от ИИ2 поступает на вход вращателя плоскости поляризации, после чего плоскость его поляризации становится ортогональной к плоскости поляризации оптического излучения основного источника ИИ1 и поступает на вход волоконно-оптического интерферометра, где распространяется только по его опорному плечу и отражается от зеркала в его конце, а в чувствительном плече задерживается поляризатором, настроенным на пропускание излучения источника ИИ1; после чего, проходя через поляризатор, настроенный на пропускание излучения с плоскостью поляризации, ортогональной плоскости поляризации излучения ИИ1, попадает на фотоприемное ФПУ2, где формирует интерференционный сигнал в соответствии с выражением (5), обусловленный как разностью фаз, внесенной воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо интерферометра, так и виброакустическим воздействием на его опорное плечо.
Для обеспечения возможности образования интерференционного сигнала длина когерентности излучения источника ИИ2 должна быть больше пройденного им оптического пути в прямом и обратном направлении вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра, то есть, удовлетворять условию:
где  - длина когерентности излучения (м),
L - длина оптического пути вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра (м).
Это же условие может быть выражено через ширину спектральной линии источника оптического излучения:
где Δƒ - ширина спектральной линии источника оптического излучения (Гц),
m
c - скорость света в среде распространения (м/с).
Плоскости поляризации источников оптического излучения ИИ1 и ИИ2 ортогональны за счет применения вращателя плоскости поляризации. Данные оптические сигналы могут быть разделены по виду их поляризации с помощью применения волоконно-оптических поляризаторов, пропускающих оптическое излучение только с нужной плоскостью поляризации. Таким образом, излучения источников ИИ1 и ИИ2 разделяются с применением принципа поляризационного мультиплексирования.
Детектируемые интерференционные сигналы с ФПУ1 и ФПУ2 подвергаются демодуляции для получения соответствующих фазовых сигналов.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает повышение точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе волоконно-оптических интерферометров за счет устранения влияния на них акустических и вибрационных шумов окружающей среды путем вычитания фазового сигнала, обусловленного виброакустическим воздействием на интерферометр, из фазового сигнала, обусловленного воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо в соответствии с выражением (6).
Заявляемый способ имеет следующие преимущества:
- Распространение дополнительного оптического сигнала только внутри опорного плеча интерферометра позволяет применять его для повышения точности интерференционных измерений, при которых измеряемое и помеховое воздействие являются сигналами одной природы, так как воздействие на чувствительное плечо не оказывает влияния на интерференционный сигнал на ФПУ2.
- Распространение излучения источников ИИ1 и ИИ2 по физически идентичному оптическому пути внутри опорного плеча волоконно-оптического интерферометра предоставляет возможность повышения точности интерференционных измерений за счет полного устранения влияния виброакустического и теплового воздействия на опорное плечо волоконно-оптического интерферометра.
- Применение принципа поляризационного мультиплексирования оптических сигналов от ИИ1 и ИИ2 позволяет полностью использовать полосу пропускания оптического волокна для построения массивов измерительных датчиков с мультиплексированием по длине волны. Кроме того, данный принцип мультиплексирования также не накладывает ограничений при применении временного мультиплексирования для построения массивов измерительных датчиков.
- Заявляемый способ может быть применен не только в составе измерительных систем на основе интерферометра Майкельсона, но также и адаптирован для применения в измерительных системах на основе интерферометров Маха-Цендера, Саньяка, а также при построении систем на основе дифференциальной интерферометрии с согласованными траекториями (path matched differential interferometry - PMDI).
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема измерительной системы на основе двухлучевого интерферометра Майкельсона. На чувствительное плечо оказывается воздействие измеряемой величины А, на опорное - виброакустическое воздействие окружающей среды Б.
На фиг. 2 показан результат работы предлагаемого способа - временные диаграммы демодулированных фазовых сигналов с фотоприемников ФПУ1, ФПУ2 и разностного сигнала.
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1.
Устройство содержит источник оптического излучения (лазерный диод) ИИ1 1, источник оптического излучения ИИ2 2, который с помощью волоконно-оптического вывода оптически соединен с вращателем плоскости поляризации 3, который оптически соединен с портом 2 Y-разветвителя 4, а источник излучения ИИ1 1 с помощью волоконно-оптического вывода оптически соединен с портом 1 волоконно-оптического Y-разветвителя 4. Порт 3 Y-разветвителя 4 соединен с портом 1 Х-разветвителя 5. К порту 2 Х-разветвителя 5 присоединено чувствительное плечо 6 волоконно-оптического интерферометра Майкельсона, имеющее в своем составе волоконно-оптический поляризатор 7, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 1, и размещенное на конце чувствительного плеча 6 зеркало 8. К порту 3 Х-разветвителя 5 присоединено, соответственно, опорное плечо 9 волоконно-оптического интерферометра Майкельсона, имеющее на конце зеркало 10. Порт 4 Х-разветвителя 5 соединен с портом 3 Y-разветвителя 11. К порту 2 Y-разветвителя 11 через поляризатор 12, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 1, присоединено фотоприемное устройство ФПУ1 13. К порту 1 Y-разветвителя 11 через поляризатор 14, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации источника ИИ2 2, ортогональной плоскости поляризации источника излучения ИИ1 1, присоединено фотоприемное устройство ФПУ2 15. Для осуществления оптических соединений применено оптическое волокно с сохранением поляризации.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Источник оптического излучения ИИ1 1 формирует оптический импульс для опроса чувствительного плеча 6 волоконно-оптического интерферометра. Данный оптический импульс через порты 1, 3 Y-разветвителя 4 и порты 1, 2, 3 Х-разветвителя 5 поступает в чувствительное 6 и опорное 9 плечи волоконно-оптического интерферометра, одновременно распространяется вдоль них, отражается от зеркал 8 и 10, через порты 2, 3, 4 Х-разветвителя 5 и порты 3, 2 Y-разветвителя 11, проходя поляризатор 12, попадает на ФПУ1 13, формируя интерференционный сигнал в соответствии с выражением (4). Источник оптического излучения ИИ2 2 формирует оптический импульс для опроса опорного плеча 9 волоконно-оптического интерферометра. Данный оптический импульс попадает на вращатель плоскости поляризации 3, осуществляющий поворот его плоскости поляризации на 90 градусов относительно плоскости поляризации излучения источника ИИ1 1, и далее через порты 2, 3 Y-разветвителя 4 и порты 1, 3 Х-разветвителя 5 поступает в опорное плечо 9 волоконно-оптического интерферометра, распространяется вдоль него, отражается от зеркала 10, через порты 3, 4 Х-разветвителя 5 и порты 3, 1 Y-разветвителя 11, проходя поляризатор 14, попадает на ФПУ2 15, формируя интерференционный сигнал в соответствии с выражением (5). После детектирования интерференционных сигналов и происходит их демодуляция и вычитание фазовых сигналов в соответствии с выражением (6). Таким образом, снижение точностных параметров выходного сигнала волоконно-оптического интерферометра, обусловленное влиянием виброакустического воздействия на его опорное плечо, может быть устранено, чем решается задача повышения точности интерферометрических измерений.
Конкретная оптическая схема устройства для осуществления предлагаемого способа, представленного на фиг. 1, реализована следующим образом.. В качестве ИИ1 использован поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL), работающий в импульсном режиме. В качестве ИИ2 использован волоконный лазер NP Photonics ROCK с шириной спектральной линии Δƒ менее 700 Гц, работающий в режиме постоянного излучения. Длина плеч волоконно-оптического интерферометра L составляла 26 метров. В качестве поляризаторов 7 и 12 применялись волоконно-оптические поляризаторы Thorlabs ILP1550PM-APC, пропускающие оптическое излучение с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 и задерживающие излучение с плоскостью поляризации источника ИИ2, ортогональной к плоскости поляризации источника ИИ1. В качестве поляризатора 14 также применялся волоконно-оптический поляризатор Thorlabs ILP1550PM-APC, настройка которого на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации источника ИИ2, ортогональной к плоскости излучения источника ИИ1, осуществлялась путем применения перед ним дополнительного вращателя плоскости поляризации, осуществлявшего поворот плоскости поляризации излучения источника ИИ2 в область пропускания поляризатора 14, а плоскости излучения источника ИИ1 - в область непроспускания (задержки) поляризатора 14. В качестве вращателей плоскости поляризации применялись комбинации участков двулучепреломляющего оптического волокна, оптическое соединение (сварка) осей которых осуществлена с поворотом 90 градусов, что обеспечивает поворот плоскости поляризации распространяющегося по такому участку оптического волокна излучения до состояния, ортогонального к исходному.
Для экспериментальной проверки заявляемого способа на чувствительное и опорное плечо волоконно-оптического интерферометра оказывалось разнотипное импульсное виброакустическое воздействие. На фиг. 2 представлен экспериментальный результат осуществления предлагаемого способа измерения виброакустического воздействия на двулучевой волоконно-оптический интерферометр: приведены временные диаграммы демодулированных фазовых сигналы с ФПУ1 (верхний график) и ФПУ2 (средний график), а также их разностного сигнала (нижний график), вычисленного в соответствии с выражением (6). Импульсное воздействие на чувствительное плечо отмечено цифрой «16», импульсное воздействие на опорное плечо отмечено цифрой «17». Видно, что импульсное воздействие 17 полностью устранено применением заявляемого способа.
Таким образом, предлагаемый способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра обеспечивает достижение заявляемого технического результата - повышения точности измерения фазового сигнала в одном или нескольких двухлучевых волоконно-оптических интерферометрах за счет устранения фазовых шумов виброакустического воздействия на его опорное плечо.