Устройство увеличения динамического диапазона чувствительности многоканального измерителя скорости на базе гетеродин-интерферометров

Полезная модель 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 использована 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 было разработано предлагаемое устройство для каждого измерительного канала.
Известно устройство для устранения перепадов освещенности изображения, содержащее лазер подсветки, электрооптический элемент, изменяющий мощность излучения на выходе лазера подсветки, фотодетектор измеряющий мощность отраженного от исследуемого объекта излучение. Патент США № US 7424177, МПК G02B 6/00, 09.09.2008.
Недостатками этого устройства 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 сигнала.
Известно устройство для регулировки сигнала от исследуемого объекта, подаваемого на фотодетектор, содержащее оптическое волокно, один или несколько аттенюаторов, расположенных на пути отраженного от исследуемого объекта излучения, устраняющих высокие уровни мощности сигнала. Данные аттенюаторы устраняют перепады 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.
Недостатками этого устройства является отсутствие настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала.
Известно устройство, содержащее волокно для передачи отраженного от исследуемого объекта излучения и аттенюаторы, измеряющие и регулирующие мощность либо опорного сигнала от лазера подсветки, либо отраженного от объекта. Патент США № US 8144334, МПК G01B9/02, G01B11/02, 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 устройство увеличения динамического диапазона чувствительности многоканального измерителя скорости на базе гетеродин-интерферометров, содержащее четыре набора элементов, причем каждый набор содержит последовательно соединенные оптическое волокно с отраженным от исследуемого объекта лазерным излучением, электрооптический элемент с возможностью изменения мощности исследуемого лазерного излучения, делитель лазерного излучения, фотодетектор, к каждому фотодетектору подключены последовательно соединенные предусилитель и усилитель, все четыре усилителя подключены к микроконтроллеру, микроконтроллер подключен к компьютеру, при этом предусилители через сигнал обратной связи подключены к формирователю управляющего напряжения, и микроконтроллер через опорный сигнал также подключен к формирователю управляющего напряжения, подключенному в свою очередь к электрооптическим элементам.
Блок-схема одного из измерительных каналов данного устройства динамического управления мощностью лазерного излучения в волокне в многоканальных измерителях скорости на базе гетеродин-интерферометров приведена на чертеже, где: 1 – оптическое волокно с исследуемым лазерным излучением, отраженным от объекта; 2 – электрооптический элемент; 3 – делитель лазерного излучения, например волоконный разветвитель; 4 – фотодетектор; 5 – предусилитель; 6 – усилитель; 7 – микроконтроллер, подключенный к нескольким фотодетекторам в разных измерительных каналах; 8 – формирователь управляющего напряжения; 9 – компьютер; 10 – сигнал обратной связи; 11 – опорный сигнал, 12 – подсистема, включающая в себя набор элементов 1–6. Всего в устройстве содержатся четыре набора таких элементов. На чертеже для удобства изображен только один набор.
Устройство содержит оптическое волокно 1 для передачи лазерного излучения, отражённого от исследуемого объекта, четыре подсистемы 12, микроконтроллер 7, формирователь управляющего напряжения 8, компьютер 9. Подсистема 12 состоит из электрооптического элемента 2 – аттенюатора для изменения мощности исследуемого лазерного излучения и последовательно соединённых с ним делителя 3 излучения, фотодетектора 4 для измерения мощности исследуемого излучения, предусилителя 5 и усилителя 6. Предусилитель 5 через сигнал обратной связи 10 подключён к формирователю 8 управляющего напряжения, подключенному к элементу 2 для изменения мощности исследуемого лазерного излучения. Усилители 6 каждой из четырех подсистем 12 подключены к микроконтроллеру 7, через опорный сигнал 11 подключённому к формирователю 8. Также микроконтроллер 7 подключён к компьютеру 9.
Устройство работает следующим образом.
От исследуемого объекта по оптическим волокнам 1 исследуемое лазерное излучение подаётся в четыре подсистемы 12, в каждой из которых его пропускают через аттенюатор – электрооптический элемент 2, изменяющий его мощность, после которого стоит делитель 3, выполненный в виде волоконного разветвителя, отводящий малую часть (обычно до 5 %, чтобы не ослаблять значительно лазерное излучение, подаваемое далее на измерительную схемы) излучения на фотодетектор 4. Основная часть лазерного излучения (обычно не менее 95%) подается для регистрации на стандартную схему регистрации из высокочастотных фотодетекторов и четырехканального осциллографа. Сигнал с фотодетектора 4 усиливается в предусилителе 5 до уровня необходимого для сигнала обратной связи 10 и через данный сигнал обратной связи 10 подается на формирователь 8, который регулирует работу электрооптического элемента 2. Также сигнал с предусилителя 5 подаётся на усилитель 6. Сигналы с усилителей 6 всех четырёх подсистем 12 подаются на микроконтроллер 7, управляемый компьютером 9, и оцифровывается.
Уровень сигнала в измерительных каналах, подключенных к подсистемам 12, выставляется такой, чтобы во всех измерительных каналах, через которые сигнал подается на регистрацию, была близкая мощность исследуемого излучения, проходящего дальше на схему регистрации, чтобы избежать засвечивания на четырехканальном осциллографе сигналов в каналах с большей яркостью и сливания сигнала с шумом в каналах с низкой яркостью относительно других каналов.
После начала эксперимента исследуемый объект движется, и мощность отраженного от него лазерного излучения изменяется в большую или меньшую сторону. В формирователе 8 после начала эксперимента сигналы с фотодетекторов 4, поступающие через предусилитель 5, сравниваются с выставленными заранее в каждом измерительном канале опорными сигналами 11. До этого по сигналу с компьютера 9 микроконтроллер 7 с помощью входящего в его состав цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в каждом измерительном канале устанавливает для формирователя 8 необходимые уровни опорных сигналов 11, с которыми сравниваются сигналы с фотодетекторов 4, и на основе сравнения на аттенюаторы – электрооптические элементы 2 с формирователя 8 подаются управляющие напряжения такие, чтобы сигналы оставались как можно ближе по мощности к первоначальным, в случае если они от него отклонятся в ходе эксперимента.
Таким образом, появляется возможность настройки чувствительности измерительной системы относительно первоначальной мощности исследуемого сигнала, осуществляемой независимо в каждом измерительном канале.