Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (варианты)
FIBER-OPTICAL SENSOR OF VIBRO-ACOUSTIC SIGNALS ON DOPLER INTRA-LIGHT (VERSIONS)

Изобретения относятся к измерительной технике, преимущественно к приборам, выполняющим измерения с помощью оптических средств, в частности к волоконно-оптическим датчикам (ВОД), основанным на принципе регистрации сдвига частоты оптического излучения, обусловленного эффектом Доплера в волоконном световоде (ВС) при его динамической деформации. Указанные датчики могут быть использованы в качестве датчиков акустического давления, датчиков акустической эмиссии, датчиков для систем вибрационного контроля и др.
Из существующего уровня техники известно, что для регистрации доплеровского сдвига частоты в ВС используются схемы волоконно-оптических интерферометров, в том числе схемы интерферометров с гетеродинной конфигурацией как наиболее устойчивые к внешним воздействиям за счет того, что их выходной сигнал не зависит от начальной разности фаз интерферирующих лучей.
d
Известен ВОД на основе оптической схемы двухплечевого интерферометра с гетеродинным детектированием доплеровских сдвигов оптической частоты (патент ЕР 1400792 А1, МПК G01H 9/00, публ. 24.03.2004 г.), включающий высококогерентный лазер, два оптических разветвителя, приемное плечо интерферометра, состоящее из чувствительного элемент (ЧЭ) в виде изогнутой части волоконного световода, и детекторное плечо, состоящее из акустооптического модулятора (сдвигателя оптической частоты на постоянную величину). Датчик регистрирует доплеровский сдвиг частоты (f) в ЧЭ при его динамической деформации виброакустическим сигналом. Для выделения частоты биений сигналов приемного и гетеродинного плеч интерферометра в ВОД используется фотоприемник и электронный частотный детектор.
К недостаткам известного технического решения относятся:
нестабильность уровня (замирание) выходного сигнала из-за изменений состояния поляризации интерферирующих волн (поляризационный фединг) в световодах при воздействии на последние внешних факторов (температура, изгибы, гидростатическое давление и т.д.);
повышенный уровень фазовых шумов, связанных с нестабильностью частоты излучения лазера, который проявляется при неравенстве длин плеч, образующих интерферометр, выравнивание которых с высокой степенью точности, представляет собой достаточно сложную технологическую задачу;
необходимость использования в конструкции датчика сложного дорогостоящего акустооптического модулятора, в состав которого входят дискретные оптические и электронные элементы;
повышенный уровень перекрестных шумов, возникающих за счет переотражений между элементами датчика, как следствие высокой когерентности источника излучения, например, на дискретных элементах акустооптического модулятора, а также в самих ВС за счет обратного (релеевского) рассеяния или отражений (френелевских) в местах их соединения, например в местах их сварки;
необходимость использования в конструкции датчика дорогостоящих элементов, таких как акустооптический модулятор и высококогерентный источник излучения;
необходимость применения электронного частотного детектора.
9
-1
Известно техническое решение, описанное в статье (А.К. Батанов, Г.Я Буймистрюк, В.И. Кириллов, В.Н. Николаев «Методы и средства обработки широкополосного сигнала волоконно-оптического акустического датчика на внутрисветоводном эффекте Доплера», Труды XII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» 2014 г., с. 456-457, рис. 4), где предложено использовать волоконно-оптическую решетку Брэгга, которая обладает неравномерной частотной характеристикой узкополосного фильтра с коэффициентом отражения близким к единице и шириной спектрального интервала отражения менее 0,1 нм, при этом склоны частотной характеристики имеют очень высокую крутизну - более 10 м. Копия статьи прилагается.
В данном техническом решении использованы оптически соединенные между собой высококогерентный источник света (ЛД), чувствительный элемент (ЧЭ), разветвитель, дифракционная решетка Брэгга и фотоприемник (ФД).
Это техническое решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для первого и второго заявленных вариантов ВОД.
Прототип имеет недостатки, главным из которых является то, что требуется точная привязка частоты источника оптического излучения и резонансной частоты отражения (пропускания) решетки Брэгга и их термостабилизация в условиях эксплуатации, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.
Другим недостатком прототипа является необходимость использования высококогерентного лазера с узкой спектральной линией излучения, что также усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ВОД.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые варианты изобретений, является создание новой конструкции волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (далее - ВОД), которая позволяет обеспечить:
упрощение конструкции ВОД,
повышение устойчивости работы ВОД в различных эксплуатационных условиях,
обеспечение максимального динамического диапазона принимаемых сигналов и, как следствие,
снижение стоимости ВОД.
Для решения поставленной задачи и достижения нового технического результата заявлена группа изобретений (два варианта), связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел.
Заявленные два варианта волоконно-оптического датчика виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера позволяют устранить недостатки прототипа и обеспечить достижение нового технического результата, а именно: упростить конструкцию, повысить температурную стабильность ВОД, увеличить отношение сигнал/шум.
Указанный технический результат достигается за счет того, что:
по 1 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником. При этом первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга;
по 2 варианту заявленный волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера включает оптически связанные источник оптического излучения, чувствительный элемент, оптический разветвитель, оптическую дифракционную решетку Брэгга и фотоприемник. Оптическая дифракционная решетка Брэгга соединена с одним из выходов оптического разветвителя. В отличие от прототипа датчик снабжен второй оптической дифракционной решеткой Брэгга. Источник оптического излучения выполнен низкокогерентным, ширина спектра которого превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, и последовательно соединен с оптическим разветвителем, чувствительным элементом, второй оптической дифракционной решеткой Брэгга и фотоприемником.
В отличие от первого варианта во втором варианте волоконно-оптического датчика первая и вторая оптические дифракционные решетки Брэгга выполнены с идентичными параметрами по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения, при этом одна из решеток выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения.
В процессе проведенных патентных исследований не выявлены другие технические решения построения волоконно-оптических датчиков виброакустических сигналов, в которых для регистрации сдвига оптического спектра, индуцированного эффектом Доплера, были бы использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга и низкокогерентный источник излучения.
Существенность отличий предлагаемой конструкции ВОД (по первому и второму вариантам) от прототипа определяется следующим.
1. Выполнение источника оптического излучения низкокогерентным (широкополосным), в котором ширина спектра превышает величину ширины спектра отражения первой решетки Брэгга, позволяет исключить влияние температурной нестабильности частоты источника излучения на параметры ВОД, что обеспечивает его работоспособность в различных эксплуатационных условиях, повышает устойчивость работы датчика к внешним факторам (температура, изгибы, гидростатическое давление и др.), в том числе и в экстремальных условиях.
2. В заявленных конструкциях ВОД использованы две оптические дифракционные решетки Брэгга. При этом в первом варианте использованы решетки Брэгга, которые по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения отличаются между собой. Во втором варианте используются решетки с идентичными параметрами, которые изготовлены по единому технологическому процессу, что обеспечивает изготовление ВОД в процессе производства с минимальными разбросами по чувствительности.
При этом в конструкции по первому варианту сдвиг по резонансной частоте отражения между решетками Брэгга может быть осуществлен в процессе изготовления или настройки ВОД.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - блок-схема ВОД по первому и второму вариантам;
на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 - графики, поясняющие работу ВОД по первому и второму вариантам, где для простоты изложения в данном примере использованы оптические дифракционные решетки Брэгга со спектральными характеристиками в виде прямоугольников.
В том числе:
1
1
01
на фиг. 2 приведена спектральная характеристика оптического сигнала, отраженного первой оптической дифракционной решеткой Брэгга и поступающего на вторую решетку Брэгга, где R(ν) - коэффициент отражения первой решетки Брэгга, ν - частота оптической несущей; δν - ширина спектра отражения; ν - центральная частота (резонансная частота) отраженного спектра;
2
2
2
2
02
0
d
0
d
на фиг. 3 приведена спектральная характеристика пропускания второй решетки Брэгга T(ν), где T(ν)=1-R(ν), a R(ν) - коэффициент отражения второй решетки Брэгга; ν - ее центральная (резонансная) частота отражения; Δν - смещение резонансной частоты второй решетки Брэгга относительно первой решетки, где Δν=Δν±f(t), Δν - величина постоянного сдвига между резонансными частотами отражения решеток, которые задаются конструктивно, a f(t) - сдвиг частоты, определяемый доплеровским эффектом;
1
2
02
01
1
2
d
на фиг. 4 приведена функциональная зависимость произведения R(ν)*T(ν) от величины частотного промежутка Δν=ν-ν. Из фиг. 4 следует, что каждому значению Δν соответствует свое произведение R(ν)*T(ν) и своя площадь под графиком; изменения Δν за счет f(t) приводят к изменениям площади;
на фиг. 5 приведен вид корреляционной функции ψ(Δν), характеризующей степень связи между спектром пропускания второй решетки Брэгга и спектром поступившего на нее сигнала и которая определяется выражением:
ψ(Δν)=∫R1(ν)T2(ν)dν.
Приведенные позиции на чертежах (фиг. 1-5) справедливы для первого и второго вариантов ВОД. На чертежах обозначены: 1 - низкокогерентный источник оптического излучения; 2 - оптический разветвитель; 3 - первая оптическая дифракционная решетка Брэгга; 4 - вторая оптическая дифракционная решетка Брэгга со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга; 5 - отрезок ВС, подводящий излучение к чувствительному элементу; 6 - чувствительный элемент; 7 - фотоприемник, 8 - спектр излучения низкокогерентного источника; 9 - спектр сигнала, поступающего на вторую решетку Брэгга; 10 - спектр пропускания второй оптической дифракционной решетки Брэгга.
В соответствии с фиг. 1 волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера (по первому и второму вариантам) состоит из низкокогерентного источника оптического излучения 1, оптического разветвителя 2, первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 со смещенным резонансом относительно первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3 длиной волны отражения, отрезка ВС 5, подводящего излучение к чувствительному элементу 6. К выходу второй оптической дифракционной решетки Брэгга 4 подключен фотоприемник 7.
В качестве низкокогерентного источника оптического излучения 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, либо суперлюминесцентный волоконный излучатель, либо другой излучатель, ширина спектра излучения которого превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3.
В качестве оптического разветвителя 2 может использоваться циркулятор как устройство, позволяющее, с одной стороны, осуществить оптическую развязку между излучателем и другими оптическими элементами схемы датчика, а с другой, - осуществлять деление оптического излучения в заданном соотношении.
Оптические дифракционные решетки Брэгга 3 и 4 могут быть волоконно-оптическими, интегрально-оптическими или акустооптическими как с одинаковыми, так и отличающимися между собой спектральными параметрами.
0
Для обеспечения работы ВОД по первому варианту в области максимальной чувствительности и обеспечения максимального динамического диапазона принимаемых сигналов резонансные частоты отражения решеток Брэгга 3 и 4 должны быть смещены относительно друг друга на некоторую величину Δν, которая зависит от ширины спектров используемых решеток.
При использовании в датчике по второму варианту решеток Брэгга с идентичными параметрами статическое смещение резонансных частот решеток относительно друг друга может быть достигнуто путем изменения шага между отражающими слоями за счет их продольной деформации. Например, в случае использования волоконно-оптических решеток эту деформацию можно осуществить с помощью пьезокерамического актюатора или путем изгиба балки, на которую наклеена решетка. В случае использования оптических решеток Брэгга в интегрально-оптическом исполнении длиной волны отражения можно управлять с помощью электрического напряжения, подаваемого на внешние электроды.
Работает устройство по первому и второму вариантам следующим образом.
01
1
Оптическое излучение от широкополосного источника оптического излучения 1, ширина спектра излучения которого, как показано на фиг. 2-5, превышает ширину спектра отражения первой оптической дифракционной решетки Брэгга 3, поступает по волоконному световоду в оптический разветвитель 2, после прохождения которого оно поступает на первую решетку Брэгга 3. Оптическая дифракционная решетка Брэгга 3 отражает поступившее на нее излучение на своей резонансной частоте - ν и соответствующей ей ширине спектра отражения δν в обратном направлении к оптическому разветвителю 2. После прохождения разветвителя 2 излучение поступает по отрезку ВС 5 к чувствительному элементу 6.
01
д
02
02
01
0
д
При прохождении излучения по волоконному световоду, образующего чувствительный элемент 6, за счет его динамической деформации происходит смещение центральной частоты излучения ν на величину, пропорциональную доплеровскому сдвигу частоты излучения f в чувствительном элементе 6. Это излучение далее поступает на вторую оптическую дифракционную решетку Брэгга 4, имеющую отличную от первой решетки Брэгга 3 резонансную частоту ν. Разница между значениями резонансных частот решеток Брэгга 3 и 4, которая определяется как Δν=ν-ν, определяет мощность оптического сигнала, прошедшего через вторую решетку Брэгга 4 и поступающего на фотоприемник 7, как показано на фиг. 4. Доля прошедшего излучения определяется как статическим сдвигом между резонансными частотами решеток Δν, так и динамическим сдвигом частоты f, определяемой доплеровским эффектом. Фотоприемник 7 преобразует изменения мощности оптического сигнала в электрический сигнал. Вид амплитудно-частотных характеристик определяется видом спектральных кривых решеток Брэгга. При этом наиболее оптимальным видом является прямоугольник, как показано на фиг. 5, так как в этом случае линейный участок достигает своего максимального значения.
Полная световая мощность излучения (Рфп), достигающая фотоприемника 7, определяется выражением:
Рфп=∫P(ν)R1(ν)T2(ν)dν.
0
В частном случае в волоконно-оптической реализации ВОД в качестве источника излучения может быть, например, использован суперлюминесцентный светодиод на длину волны излучения 1500 нм с шириной спектра, примерно равной 2 нм, и с выходной мощностью Р=100 мВт. Все остальные элементы могут быть волоконно-оптическими. Выходная мощность суперлюминесцентного светодиода должна выбираться из расчета того, что первой оптической дифракционной решеткой Брэгга 3 в направлении чувствительного элемента 6 отражается только небольшая часть поступившего на нее излучения. Например, при использовании решетки Брэгга с шириной полосы отражения, равной ≤0,1 нм, мощность излучения, поступающего в чувствительный элемент 6, составит ~1 мВт.