Способ увеличения динамического диапазона чувствительности многоканального измерителя скорости на базе гетеродин-интерферометров
METHOD FOR INCREASING THE DYNAMIC RANGE OF SENSITIVITY OF A MULTICHANNEL VELOCITY METER BASED ON HETERODYNE INTERFEROMETERS

Изобретение относится к устройствам управления мощностью света в оптических волноводах многоканальных систем измерения скорости объектов на базе гетеродин-интерферометров типа PDV (Photon Doppler Velocimetry) и может быть использовано для устранения значительных перепадов мощности изучаемого лазерного излучения, которые приводят к потере информации в измерительных приборах с ограниченным динамическим диапазоном.
Значительные перепады мощности изучаемого излучения при измерении скорости объектов системами на базе гетеродин-интерферометров типа PDV связаны с изменением положения исследуемого объекта, приводящего к изменению мощности отраженного излучения. Значительные перепады мощности отраженного от исследуемого объекта излучения приводят к тому, что на измерительных приборах либо слабый сигнал отображается на уровне шумов, либо мощный сигнал приводит к засветке. В обоих случаях теряется полезная информация. Особенно этот эффект заметен при многоканальных измерениях, когда на один осциллограф подают свет с различных точек исследуемого объекта с разной мощностью сигнала. Для устранения этого эффекта требуется динамическое изменение мощности отраженного сигнала для устранения значительных перепадов, что приведет к увеличению динамического диапазона и информативности исследований. Однако в случае многоканальных исследований требуется независимая регулировка в каждом измерительном канале. Также необходима настройка регулировки мощности исследуемого сигнала на основе мощности сигнала, отраженного от исследуемого объекта, установившейся перед началом измерений. Такая настройка позволит увеличить информативность измерений за счет нормирования чувствительности системы измерения по мощности изначального сигнала. Для этого был разработан предлагаемый способ.
Известен способ устранения перепадов освещенности изображения, основанный на изменении мощности поляризованного светового излучения лазера подсветки через изменение показателя преломления электрооптического элемента, расположенного на его пути. Изменение мощности излучения на выходе лазера производится на основе измерений отраженного от исследуемого объекта излучения, в зависимости от мощности которого на электрооптический элемент подается различное напряжение. Патент США № US 7424177, МПК G02B 6/00, 09.09.2008.
Недостатками этого способа являются отсутствие возможности использования оптических волокон, не сохраняющих поляризацию излучения, невозможность независимой регулировки сигнала в различных измерительных каналах, использующих общее зондирующее излучение, а также отсутствие настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого отраженного сигнала.
Известен способ регулировки сигнала от исследуемого объекта, подаваемого на фотодетектор, основанный на изменении мощности светового сигнала одним или несколькими аттенюаторами, расположенными на пути отраженного от исследуемого объекта излучения, устраняющими высокие уровни мощности сигнала для защиты фотодетектора, от которого исследуемый сигнал подают на измерительную аппаратуру. Данная регулировка основана на устранении перепадов мощности, которые превосходят допустимый порог, заранее заданный для каждого аттенюатора при его установке. Патент США № US 9201017, МПК G01N 21/00, G01N 21/84, 01.12.2015.
Недостатком этого способа является отсутствие настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала.
Известен способ, основанный на изменении мощностей отраженного сигнала, отраженного от исследуемого объекта, и оригинального излучения от лазера подсветки перед направлением на фотодетектор. На основе данного сравнения двух сигналов относительно друг друга производится изменение их мощности при помощи электрооптических аттенюаторов, в основном корректировке подвергается оригинальное излучение. Свет, отраженный от объекта, смешивают с излучением от лазера, после чего ослабляют его при помощи изначально полностью открытых регулируемых аттенюаторов, расположенных перед приемником света. Патент США № US 8144334, МПК G01B 9/02, G01B 11/02, 27.03.2012. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала, осуществляемой независимо в каждом измерительном канале.
Техническим результатом является возможность настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала, осуществляемой независимо в каждом измерительном канале.
Технический результат достигается тем, что в способе увеличения динамического диапазона чувствительности многоканального измерителя скорости на базе гетеродин-интерферометров, заключающемся в том, что мощность подаваемого на схему регистрации света в разных измерительных каналах регулируют электрооптическими элементами, данное изменение мощности производится на основе сравнения мощности сигнала, отраженного от исследуемого объекта, с заранее данным опорным сигналом, и в зависимости от разности опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов устанавливают напряжение на электрооптическом элементе такое, чтобы данная разность сигналов была минимальна, для чего изменяют мощность лазерного излучения, опорный сигнал для управления электрооптическим элементом в каждом канале устанавливают перед началом эксперимента, настраивая изначальный опорный сигнал на электрооптических элементах так, чтобы отраженный сигнал был максимальный, но приблизительно одинаковый во всех каналах, измеряемых одной схемой регистрации, а также чтобы он не повреждал фотодиоды.
Способ заключается в том, что мощность подаваемого на схему регистрации света в разных измерительных каналах регулируют электрооптическими элементами, данное изменение мощности производится на основе сравнения мощности сигнала отраженного от исследуемого объекта с заранее данным опорным сигналом, и, в зависимости от разности опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов, устанавливают напряжение на электрооптическом элементе такое, чтобы данная разность сигналов была минимальна, для чего увеличивают либо уменьшают мощность лазерного излучения, при этом опорный сигнал для управления электрооптическим элементом в каждом канале устанавливают перед началом эксперимента, настраивая изначальный опорный сигнал на электрооптических элементах так, чтобы отраженный сигнал был максимальный, но приблизительно одинаковый во всех каналах, измеряемых одной схемой регистрации, а также чтобы он не повреждал фотодиоды.
Блок-схема одного из возможных вариантов реализации данного способа динамического управления мощностью лазерного излучения в волокне в многоканальных измерителях скорости на базе гетеродин-интерферометров приведена на чертеже, где: 1 – исследуемое лазерное излучение, отраженное от исследуемого объекта; 2 – электрооптический элемент; 3 – делитель; 4 – фотодетектор; 5 – предусилитель; 6 – усилитель; 7 – микроконтроллер; 8 – формирователь управляющего напряжения; 9 –компьютер; 10 – сигнал обратной связи; 11 – опорный сигнал.
От исследуемого объекта по оптическому волокну подается исследуемое лазерное излучение 1, которое пропускают через электрооптический элемент 2, изменяющий его мощность, после которого стоит делитель 3, отводящий малую часть (обычно до 5 %, чтобы не вносить существенных ослаблений в основную часть лазерного излучения, подаваемую далее на стандартную схему регистрации) излучения на фотодетектор 4. Основная часть лазерного излучения 1 (обычно не менее 95 %) подается далее на схему регистрации, содержащую обычно высокочастотные фотодетекторы и осциллограф. Сигнал с фотодетектора 4 усиливается в предусилителе 5 до уровня необходимого для сигнала обратной связи 10 и подается на формирователь 8 управляющего напряжения, регулирующего мощность исследуемого излучения 1, проходящего через электрооптический элемент 2. Регулировка производится изменением напряжения на электрооптическом элементе 2. Также сигнал с предусилителя 5 подается на усилитель 6 и далее оцифровывается микроконтроллером 7, который управляется компьютером 9. При помощи компьютера 9, подключенного к формирователю 8, оператор устанавливает в каждом измерительном канале необходимый уровень опорного сигнала 11. Соответственно, элементы 1–6 обычно присутствуют в каждом измерительном канале, тогда как формирователь 8 управляющего напряжения, микроконтроллер 7 и компьютер 9 осуществляют общую регулировку всех измерительных каналов, при этом количество каналов, ограничено в данном случае только конструкцией измерительной схемы и способом совмещения нескольких измерительных каналов на одном осциллографе, то есть количество каналов N≥4. Уровень сигнала в измерительных каналах выставляется такой, чтобы во всех измерительных каналах, измеряемых одним устройством, был близкий уровень сигнала, для того, чтобы избежать засвечивания в расположенной далее схеме регистрации в каналах с большей яркостью и информационных шумов в каналах с низкой яркостью относительно других каналов. После начала эксперимента исследуемый объект движется и мощность отраженного от него исследуемого лазерного излучения 1 изменяется в большую или меньшую сторону. В формирователе 8 сигнал с фотодетектора 4 сравнивается с выставленным заранее в каждом измерительном канале опорным сигналом 11. На основе сравнения на электрооптический элемент 2 подается управляющее напряжение такое, чтобы прошедший его сигнал оставался как можно ближе по мощности к первоначальному в случае, если он от него отклонится в ходе эксперимента. Для чего увеличивают либо уменьшают мощность данного лазерного излучения.
Таким образом, появляется возможность настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала, осуществляемой независимо в каждом измерительном канале.