Способ определения разницы длин плеч в двухлучевом волоконно-оптическом интерферометре
ARMS LENGTH DIFFERENCE DETERMINING METHOD IN THE DOUBLE-BEAM FIBER-OPTICAL INTERFEROMETER

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для создания волоконно-оптических датчиков на основе двухлучевых интерферометров Майкельсона или Маха-Цендера.
Известен способ измерения разницы длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров [статья Anthony Dandridge «Zero path-length difference in fiber-optic interferometers» Journal of Lightwave Technology, Vol. 1 Iss 3, p 514-516, September 1983] Способ заключается в следующем: лазерный диод генерирует оптическое излучение, модулированное по частоте, которое поступает в двухлучевой волоконно-оптический интерферометр, интерференционный сигнал которого пропорционален глубине частотной модуляции и разнице длин плеч волоконно-оптического интерферометра. Разница длин плеч определяется выражением:
эфф
где с - скорость света, n - эффективный показатель преломления оптического волокна, dV - изменение амплитуды интерференционного сигнала, dv - изменение частоты лазерного диода. Способ позволяет проводить измерения разницы длин плеч с точностью 1 мм. Для более точного определения разницы длин плеч лазерный диод переводится в некогерентный режим работы, после чего разница длин плеч волоконно-оптического интерферометра определяется по оценке видности интерференционной картины.
Недостатками известного способа являются: необходимость стабилизации рабочей точки интерферометра, необходимость перестройки режима работы лазерного диода, способ не позволяет проводить измерение разницы длин плеч нескольких волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени.
Известен способ измерения разницы оптически путей интерферирующих волн в двухлучевых волоконно-оптических интерферометрах, выбранный в качестве прототипа [Патент США №20100171960, кл. 356/477 (G01B 9/02), дата публ. 08.07.2010]. Способ заключается в следующем: формирование частотно-модулированного оптического сигнала в волоконно-оптическом двухлучевом интерферометре с некоторой разницей длин плеч осуществляется с помощью частотной модуляции лазерного диода. Выходной интерференционный сигнал регистрируется фотоприемным устройством, раскладывается на отдельные гармоники с использованием функций Бесселя. Определение разницы длин плеч двухлучевого волоконно-оптического интерферометра определятся по соотношению между второй и четвертой гармониками интерференционного сигнала, и может быть выполнено только при разности фаз интерферирующих волн равной нулю.
Недостатками известного способа являются работа только при определенных положениях рабочей точки волоконно-оптического интерферометра, отсутствие возможности одновременного измерения разницы длин плеч нескольких волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени.
Способ решает задачу одновременного определения разницы длин плеч одного или нескольких волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени независимо от положения рабочих точек интерферометров.
сиг
сиг
сиг
эфф
Поставленная задача решается следующим образом. В способе определения разницы длин плеч в двухлучевом волоконно-оптическом интерферометре, включающем формирование направляемого в двухлучевой волоконно-оптический интерферометр частотно-модулированного оптического сигнала путем частотной модуляции лазерного диода и регистрацию интерференционного сигнала на фотоприемном устройстве, частотно-модулированный оптический сигнал дополнительно модулируют по амплитуде с помощью амплитудного модулятора путем подачи на него прямоугольных электрических импульсов постоянной скважности и одинаковой амплитуды и направляют его в один или N интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, где N - максимальное число интерферометров объединенных в массив в соответствии с оптическим бюджетом оптической схемы, в опорном плече каждого интерферометра производят вспомогательную модуляцию по фазе оптического импульса, проходящего по данному плечу, осуществляют демодуляцию полученного интерференционного сигнала и регистрируют выходной полезный фазовый сигнал ϕ(t), а искомую разницу длин опорного и чувствительного плеч двухлучевого волоконно-оптического интерферометра определяют из соотношения: , где ϕ - амплитуда полезного фазового сигнала ϕ(t), с - скорость света, n - эффективный показатель преломления оптического волокна, Δv - максимальное изменение частоты лазерного диода.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.
Драйвер обеспечивает электрическую накачку постоянным и переменным током лазерного диода, который генерирует постоянное оптическое излучение, модулированное по частоте в диапазоне от сотни герц до нескольких килогерц. На лазерный диод подается электрический гармонический сигнал, что приводит к изменению генерируемой лазером частоты, пропорционально подаваемому электрическому сигналу. Функция изменения частоты лазерного диода может быть выражена:
мод
где Δv - максимальное изменение частоты лазерного диода, ƒ - частота модуляции лазерного диода, t - время.
Оптическое излучение от лазерного диода попадает на амплитудный модулятор, который формирует оптические импульсы. Работой амплитудного модулятора управляет генератор импульсов, который подает на амплитудный модулятор прямоугольные электрические импульсы постоянной скважности и одинаковой амплитуды. Оптические импульсы по своей форме повторяют электрические импульсы. Таким образом, с выхода оптического генератора на вход оптической схемы поступают оптические импульсы, модулированные по частоте.
Оптическая схема представляет собой один или N волоконно-оптических двухлучевых интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени. Количество волоконно-оптических двухлучевых интерферометров (N) в массиве определяется оптическим бюджетом оптической схемы исследуемого массива волоконно-оптических интерферометров, который определяется мощностью используемого в оптической схеме лазерного диода и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства, где под пороговой чувствительностью фотоприемного устройства понимается минимальный уровень мощности оптического сигнала, при котором обеспечивается равенство средних мощностей сигнала и шума на выходе фотоприемного устройства. Оптический бюджет оптической схемы исследуемого массива волоконно-оптических интерферометров не должен превышать разности между мощностью используемого лазерного диода и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства, что является необходимым и достаточным условием для регистрации на фотоприемном устройстве оптических импульсов от каждого волоконно-оптического интерферометра исследуемого массива волоконно-оптических интерферометров с уровнем сигнала, превышающим пороговую чувствительность фотоприемного устройства.
фм
Двухлучевой интерферометр имеет два плеча, одно из которых является опорным, а другое чувствительным. На входе в интерферометр оптический импульс делится на два равных по интенсивности оптических импульса с помощью волоконно-оптического разветвителя. В опорном плече интерферометра расположен фазовый модулятор, который производит вспомогательную модуляцию по фазе оптического импульса, проходящего по данному плечу. Сигнал вспомогательной фазовой модуляции ϕ можно выразить:
фм
где С - глубина фазовой модуляции, ƒ - частота фазовой модуляции, t - время.
оп
чп
Если длина оптического волокна опорного плеча интерферометра L не равна длине оптического волокна чувствительного плеча интерферометра L, то оптические пути импульсов, проходящих по данным плечам, будут отличаться на величину:
эфф
где n - эффективный показатель преломления оптического волокна, ΔL - разница длин оптических волокон опорного плеча и чувствительного плеча. Разницу длин оптических волокон опорного плеча и чувствительного плеча можно выразить:
Каждый из оптических импульсов в своем плече набирает набег фаз. Набег фаз в опорном плече составляет:
где v - частота оптического импульса, с - скорость света в вакууме. Набег фаз в чувствительном плече составляет:
Затем оптические импульсы поступают в волоконно-оптический разветвитель, где сводятся и интерферируют, образуя один интерференционный импульс. Интенсивность интерференционного импульса - интерференционный сигнал - можно представить следующим выражением:
оп
чп
0
где I - интенсивность импульса, прошедшего по опорному плечу, I - интенсивность импульса, прошедшего по чувствительному плечу, Δϕ(t) - разность фаз интерферирующих импульсов, ϕ - рабочая точка интерферометра. Разность фаз интерферирующих импульсов можно представить в виде:
Интерференционный импульс попадает на фотоприемное устройство, которое осуществляет его преобразование в электрическую форму. Электрический интерференционный сигнал имеет следующий вид:
где η - коэффициент преобразования оптического сигнала в электрический сигнал.
Затем с помощью фазового детектора производится обработка интерференционного электрического сигнала. Интерференционный электрический сигнал (10) может быть описан следующим выражением с использованием функций Бесселя:
Фазовый детектор выделяет из интерференционного сигнала (11) гармоники:
1
2
0
где J(C) и J(C) - функции Бесселя первого рода первого и второго порядков, соответственно. Затем производит деление первой гармоники (12) на вторую гармонику (13), вычисление значения функции арктангенса от результата деления и фильтрацию высоких частот для удаления рабочей точки интерферометра ϕ. В результате проведения данных операций на выходе фазового детектора выходной полезный фазовый сигнал можно представить в виде:
Амплитуда данного полезного фазового сигнала прямо пропорциональна разнице длин оптических волокон опорного плеча и чувствительного плеча и равна:
Из полученного выражения можно найти искомую разницу длин оптических волокон опорного плеча и чувствительного плеча:
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает определение разницы длин плеч одного или нескольких волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени независимо от положения рабочих точек интерферометров.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема системы состоящей из лазерного диода, N двухлучевых интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, и система приема сигнала с интерферометров.
На фиг. 2 показаны оптические импульсы в оптической схеме массива волоконно-оптических интерферометров.
На фиг. 3. показан спектр сигнала после обработки с одного волоконно-оптического интерферометра из массива, указан полезный фазовый сигнал - спектральная составляющая частотной модуляции лазерного диода с частотой 500 Гц.
1
N
1
N-1
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит драйвер 1, представляющий собой электрическую схему источника переменного и постоянного тока, выход которого электрически соединен с входом лазерного диода 2, представляющего собой полупроводниковый лазерный источник оптического излучения, снабженный волоконно-оптическим выводом. Лазерный диод 2 с помощью волоконно-оптического вывода соединен оптически с амплитудным модулятором 3, который представляет собой электрооптическое устройство, управляемое подачей внешнего электрического сигнала. Генератор импульсов 4 соединен электрически с амплитудным модулятором 3. Амплитудный модулятор оптически соединен с портом 5а волоконно-оптического циркулятора 5. Волоконно-оптический циркулятор 5 через порт 5b соединен с массивом волоконно-оптических интерферометров 6. Массив волоконно-оптических интерферометров 6 состоит из N волоконно-оптических интерферометров от 7 до 7 (двухлучевые волоконно-оптические интерферометры Майкельсона). Все интерферометры соединены оптически между собой волоконно-оптическими Y-разветвителями 8-8. Каждый волоконно-оптический интерферометр 7-7 состоит из волоконно-оптического Y-разветвителя 9-9, каждый из которых имеет 2 плеча: опорное 10-10 и чувствительное 11-11. На торце оптического волокна, формирующего опорное плечо 10-10, сформировано светоотражающее зеркало 12-12. На торце оптического волокна, формирующего чувствительное плечо 11-11, сформировано светоотражающее зеркало 13-13. В опорном плече 10-10 каждого волоконно-оптического интерферометра расположен фазовый модулятор 14-14, каждый из которых соединен с генератором 15. Выходной порт 5с волоконно-оптического циркулятора 5 соединен оптически с фотоприемным устройством 16 (ФПУ). ФПУ 16 электрически соединено с фазовым детектором 17.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Драйвер формирует электрический гармонический сигнал с постоянным положительным смещением и подает его на лазерный диод 2. Лазерный диод 2 генерирует постоянное оптическое излучение, модулированное по частоте, которое поступает на вход амплитудного модулятора 3. Генератор импульсов 4 управляет амплитудным модулятором 3 путем подачи на него периодически следующих прямоугольных электрических импульсов, постоянной амплитуды и скважности. В результате, в каждый момент времени, когда на амплитудный модулятор 3 приходит прямоугольный электрический импульс, амплитудный модулятор 3 пропускает оптическое излучение от лазерного диода 2. В каждый момент времени, когда на амплитудный модулятор 3 не приходит прямоугольный электрический импульс, амплитудный модулятор 3 не пропускает оптическое излучение от лазерного диода 2. Таким образом, амплитудный модулятор 3 формирует периодически следующие оптические импульсы, которые совпадают по форме и скважности с теми, что формирует генератор импульсов 4. Оптические импульсы попадают на порт 5а волоконно-оптического циркулятора 5. Волоконно-оптический циркулятор 5 работает следующим образом: порт 5а пропускает оптический сигнал только в порт 5b (только по направлению от 5а к 5b), порт 5b пропускает оптический сигнал только в порт 5с (только по направлению от 5b к 5с).
1
1
2
1
N-1
1
N
Оптический импульс следует из порта 5b волоконно-оптического циркулятора 5, попадает в массив волоконно-оптических интерферометров 6, затем попадет на волоконно-оптический Y-разветвитель 8, делится на два импульса: один импульс попадает в волоконно-оптический интерферометр 7, другой оптический импульс попадает на волоконно-оптический Y-разветвитель 8, где также делится на два оптических импульса. В итоге, каждый оптический импульс, попадающий в массив волоконно-оптических датчиков 6, поэтапно делится на N импульсов с помощью N-1 волоконно-оптических Y-разветвителей 8-8 и попадает в N волоконно-оптических интерферометров 7-7.
1
N
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
N
Каждый из волоконно-оптических интерферометров 7-7 работает одинаково, дальнейшее описание сформировано на основе описания принципа работы первого волоконно-оптического интерферометра 7 из массива волоконно-оптических интерферометров 6. В волоконно-оптическом интерферометре 7 оптический импульс, проходя через волоконно-оптический Y-разветвитель 9, делится на два одинаковых оптических импульса. Один оптический импульс попадает в опорное плечо 10, проходит по нему, отражается от светоотражающего зеркала 12, попадет обратно в волоконно-оптический Y-разветвитель 9. Оптический импульс в опорном плече 10 подвергается фазовой модуляции с помощью фазового модулятора 14. Гармонический электрический сигнал фазовой модуляции подается на фазовый модулятор 14 от генератора 15. Другой оптический импульс попадает - в чувствительное плечо 11, проходит по нему, отражается от светоотражающего зеркала 13, попадет обратно в волоконно-оптический Y-разветвитель 9. В волоконно-оптическом Y-разветвителе 9 оптические импульсы интерферируют, получается один интерференционный импульс. Интерференционный импульс проходит через волоконно-оптический Y-разветвитель 8, попадает в порт 5b волоконно-оптического циркулятора 5, проходит по нему и попадает на ФПУ 16. В общем на ФПУ 16 попадают N интерференционных оптических импульсов, по одному от каждого волоконно-оптического интерферометра 7-7. ФПУ 16 производит преобразование оптических интерференционных импульсов в электрическую форму. Затем электрические интерференционные импульсы попадают в фазовый детектор 17, который осуществляет их обработку и выделение полезного фазового сигнала.
В качестве конкретного примера предлагается способ определения разницы длин плеч в двухлучевых волоконно-оптических интерферометрах, в котором в качестве массива волоконно-оптических интерферометров выступает массив из 8 двухлучевых волоконно-оптических интерферометров Майкельсона, мультиплексированных по времени.
В качестве лазерного диода выступает поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). Драйвер - источник постоянного и переменного тока подает на VCSEL синусоидальный электрический сигнал частотой 500 Гц с постоянным положительным смещением, в результате чего VCSEL генерирует частотно-модулированный оптический сигнал. В качестве амплитудного модуляторы выступает электрооптический амплитудный модулятор, на который генератор импульсов подает прямоугольные электрические импульсы длительностью 10 не с периодом следования 1 мкс. С выхода модулятора в волоконно-оптический циркулятор попадают модулированные по частоте оптические импульсы длительностью 10 не, следующие с периодом 1 мкс. С выхода волоконно-оптического циркулятора оптические импульсы попадают в массив из 8 волоконно-оптических интерферометров Майкельсона. Интерференционные оптические импульсы с массива волоконно-оптических интерферометров поступают на ФПУ, которое состоит из фотодиода с волоконным выводом PDI-40 и трансимпедансного усилителя ADA4817. Оптический бюджет исследуемого массива волоконно-оптических интерферометров составляет 36 дБ и не превышает разности в 40 дБ между мощностью лазерного диода VCSEL и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства на основе фотодиода PDI-40 и трансимпедансного усилителя ADA4817. Фазовый детектор представляет собой совокупность аналого-цифрового преобразователя АЦП, который преобразует аналоговый электрический сигнал с ФПУ в цифровую форму, и программируемой логической интегральной схемы ПЛИС, в которой программно реализована обработка интерференционного сигнала.
На фиг. 3. показан спектр сигнала с одного интерферометра после обработки с помощью фазового детектора, полученный экспериментальным путем. На фиг. 3. отчетливо видна спектральная составляющая полезного фазового сигнала вызванного частотной модуляцией VCSEL и разницей длин плеч интерферометров, амплитуда полезного фазового сигнала составляет 2,289 рад, что соответствует разнице длин плеч интерферометров 28,27 мм.
Таким образом, заявляемый способ определения разницы длин плеч в двухлучевом волоконно-оптическом интерферометре обеспечивает одновременное проведение измерений разницы длин плеч одного или нескольких двухлучевых волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, за счет формирования оптических импульсов, одновременной фазовой и частотной модуляции оптических импульсов и применения демодуляции интерференционного сигнала, не чувствительной к положению рабочих точек интерферометров.