ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФАЗОВЫХ СИГНАЛОВ
FIBER-OPTIC INTERFEROMETRIC DEVICE FOR DETECTING PHASE SIGNALS

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть применено при создании волоконно-оптических интерферометрических датчиков для регистрации фазовых сигналов (вибраций, акустических воздействий).
Известен массив интерферометрических датчиков для регистрации фазовых сигналов, включающий в себя несколько под-массивов, каждый из которых состоит из нескольких интерферометров. Каждый интерферометр в под-массиве реализован с соответствующей парой волоконно-оптических Брэгговских решеток (ВБР) с одной резонансной длиной волны отражения, отличной от остальных пар ВБР в под-массиве. Под-массивы соединены таким образом, чтобы минимизировать переотражения между чувствительными элементами в общем массиве интерферометра. В первом варианте реализации под-массивы соединены последовательно по всей длине оптического волокна, так что количество переотражений ограничено количеством последовательно соединенных под-массивов. Во втором варианте реализации ответвления соединены с общим входным/выходным оптическим волокном через оптические разветвители, а каждое ответвление содержит в себе один или более соединенных последовательно под-массивов. Количество переотражений ограничено количеством последовательно соединенных под-массивов. В третьем варианте реализации ответвления соединены между входным и выходным оптическим волокном через волоконно-оптические разветвители, а каждое ответвление содержит в себе один или более последовательно соединенных под-массивов. Элементы для задержки оптического сигнала расположены во входном оптическом волокне для существенного увеличения задержки входного оптического сигнала до того момента, как он достигнет каждого ответвления, соединенного с входным оптическим волокном. Далее, отраженные оптические сигналы от каждого под-массива в ответвлениях разделяются во времени с отраженными оптическими сигналами от под-массивов в других ответвлениях [Патент США №5987197, кл. G02B 6/28; G01B 9/02, дата публ. 16.11.1999].
Недостатком известного массива интерферометрических датчиков является наличие компенсационного интерферометра, который вносит существенные оптические потери и может вносить искажения полезного сигнала при его взаимодействии с внешними источниками помех - вибрациями, акустическими сигналами и т.д.
Известно волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов для мониторинга характеристик оборудования, выбранное в качестве прототипа [Патент США №5680489, кл. G02B 6/26, дата публ. 21.10.1997]. Оптическая схема состоит из массива чувствительных элементов, каждый из которых представляет собой отрезок чувствительного оптического волокна, расположенного между двумя волоконными Брэгговскими решетками (ВБР) на предварительно заданном расстоянии, интерферометр и источник излучения. Каждая из ВБР отражает часть оптического излучения на определенной длине волны, ВБР расположены последовательно вдоль объекта исследования. Источник широкополосного оптического излучения формирует импульсы, таким образом, часть оптического излучения отражается от каждой из Брэгговских решеток. В интерферометр приходят импульсы от всех ВБР, разделяются в нем с помощью волоконно-оптического разветвителя и следуют по двум плечам компенсационного интерферометра, в одном из этих плеч модулируются фазовым модулятором и сводятся в один оптический канал посредством еще одного разветвителя, выходной порт которого оптически соединен с фотоприемным устройством и схемой демодуляции.
Недостатком известного волоконно-оптического интерферометрического устройства для регистрации фазовых сигналов является наличие компенсационного интерферометра, который вносит существенные оптические потери и искажения полезного сигнала при его взаимодействии с внешними источниками помех - вибрациями, акустическими сигналами, кроме того, наличие компенсационного интерферометра усложняет конструкцию.
Изобретение решает задачу создания волоконно-оптического интерферометрического устройства для регистрации различных фазовых сигналов (вибраций, акустических воздействий), которое позволяет избавиться от искажений полезного сигнала и уменьшить оптические потери при одновременном упрощении конструкции.
Данный технический результат достигается за счет того, что в известном волоконно-оптическом интерферометрическом устройстве для регистрации различных фазовых сигналов, состоящем из чувствительного и опорного плеч, опорное плечо было исключено из оптической схемы. Для регистрации фазовых сигналов используются когерентные оптические импульсы, длительность которых превышает время, необходимое лазерному импульсу для прохождения двух длин чувствительного элемента (расстояние от первой ВБР до второй ВБР и обратно). Исключение опорного плеча интерферометра из оптической схемы позволяет избавиться от искажений полезного сигнала, возникающих в интерференционной схеме при взаимодействии опорного плеча с внешними источниками помех при демодуляции сигналов, уменьшить оптические потери и упростить конструкцию.
Указанная задача решается следующим образом.
чэ
имп
В волоконно-оптическом интерферометрическом устройстве для регистрации фазовых сигналов, включающем оптически соединенные источник когерентного оптического излучения, фазовый модулятор, устройство для распределения оптической мощности, чувствительную часть, включающую, по крайней мере, один чувствительный элемент, представляющий собой отрезок чувствительного оптического волокна, находящийся между двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР) одной резонансной длины волны, расположенными на заданном расстоянии, и фотоприемное устройство со схемой демодуляции, при этом вход фазового модулятора соединен с источником когерентного оптического излучения, а его выход соединен с первым портом устройства для распределения оптической мощности, второй порт которого соединен с чувствительной частью, а третий порт устройства для распределения оптической мощности соединен с входом фотоприемного устройства, а длина чувствительного элемента (L) и длительность лазерного импульса источника когерентного оптического излучения (t) связаны соотношением:
,
имп
чэ
где с - скорость света, n - показатель преломления оптического волокна чувствительного элемента, t - длительность лазерного импульса, L - длина чувствительного элемента.
Сущность изобретения поясняется следующим.
При исключении опорного плеча интерферометра появляется необходимость увеличения длительности лазерного импульса, которая должна превышать время, необходимое импульсу для прохождения двух длин чувствительного элемента (отрезок оптического волокна, расположенного между двумя волоконными Брэгговскими решетками с одной резонансной длиной волны) для возникновения интерференции оптического импульса, отраженного от первой волоконной Брэгговской решетки (ВБР1) и второй волоконной Брэгговской решетки (ВБР2). Длина чувствительного элемента (расстояние между ВБР) определяется требованиями к устройству для регистрации фазовых сигналов. Лазерный импульс от источника излучения модулируется по фазе для создания вспомогательной фазовой модуляции.
чэ
имп
При длительности лазерного импульса, превышающей время для прохождения двух длин чувствительного элемента, оптический импульс, отраженный от первой волоконной Брэгговской решетки (ВБР1), начинает интерферировать с импульсом, отраженным от второй волоконной Брэгговской решетки (ВБР2). Чтобы обеспечить это условие, необходимо, чтобы длина чувствительного элемента (L) и длительность лазерного импульса источника когерентного оптического излучения (t) были связаны соотношением:
,
имп
чэ
где с - скорость света, n - показатель преломления оптического волокна чувствительного элемента, t - длительность лазерного импульса, L - длина чувствительного элемента.
Для возникновения интерференции Брегговские решетки, ограничивающие чувствительный элемент, должны иметь одну резонансную длину волны, при наличии нескольких чувствительных элементов длина этих элементов должна быть одинакова, в противном случае интерференция не возникнет.
Исключение из оптической схемы опорного плеча интерферометра приводит к значительному упрощению его конструкции, поскольку в процессе производства волоконно-оптического интерферометрического устройства для регистрации фазовых сигналов не требуется использовать дополнительное устройство распределения оптической мощности и опорное оптическое волокно, что приводит к уменьшению оптических потерь в оптической схеме, а также к исключению искажений полезного сигнала при взаимодействии опорного волокна с внешними источниками помех - вибрациями, акустическими сигналами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема волоконно-оптического интерферометрического устройства для регистрации фазовых сигналов с чувствительной частью, содержащей один чувствительный элемент, на фиг. 2 - порядок следования импульсов на фотоприемное устройство волоконно-оптического интерферометрического устройства с чувствительной частью, содержащей один чувствительный элемент, на фиг. 3 - оптическая схема устройства, чувствительная часть которого содержит несколько, расположенных последовательно на одинаковом расстоянии чувствительных элементов, на фиг. 4 - порядок следования импульсов от нескольких, расположенных последовательно чувствительных элементов.
Волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов (фиг. 1) включает оптически соединенные источник когерентного оптического излучения 1, фазовый модулятор 2, устройство для распределения оптической мощности 3, чувствительную часть 4, содержащую чувствительный элемент, представляющий собой отрезок чувствительного оптического волокна 5, находящийся между двумя волоконными брэгговскими решетками (ВБР) 6 и 7 одной резонансной длины волны и расположенными на заданном расстоянии, и фотоприемное устройство 8 со схемой демодуляции 9, вход фазового модулятора 2 соединен с источником когерентного оптического излучения 1, а его выход соединен с первым портом устройства для распределения оптической мощности 3, второй порт которого соединен с чувствительной частью 4, третий порт устройства для распределения оптической мощности 3 соединен с входом фотоприемного устройства 8 со схемой демодуляции 9.
Чувствительная часть 4 может включать мультиплексированную систему чувствительных элементов, содержащую более одного чувствительного элемента, например, на фиг. 3. чувствительная часть 4, содержит три мультиплексированных по времени чувствительных элемента, представляющих собой отрезки чувствительного оптического волокна 5, находящиеся между волоконными брэгговскими решетками (ВБР) 6, 7, 10, 11.
Волоконно-оптическое интерференционное устройство для регистрации фазовых сигналов с чувствительной частью, состоящей из нескольких мультиплексированных на одном оптическом волокне чувствительных элементов, позволяет принимать фазовые сигналы синхронно с нескольких чувствительных элементов, распределенных (разнесенных) в пространстве.
Волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов работает следующим образом.
Источник когерентного оптического излучения 1 направляет лазерный импульс, длительность которого превышает время, необходимое импульсу для прохождения двух длин чувствительного элемента в фазовый модулятор 2, далее фазомодулированный лазерный импульс проходит через устройство распределения оптической мощности 3, частично отражается от первой ВБР 6 чувствительной части 4 (фиг. 1), проходит по чувствительному оптическому волокну 5 и отражается от второй ВБР 7. Отраженные от двух ВБР (6 и 7) импульсы интерферируют между собой (фиг. 2) и снова проходят через устройство распределения оптической мощности 3 и приходят на фотоприемное устройство 8 со схемой демодуляции 9.
Принцип работы волоконно-оптического интерференционного устройства для регистрации фазовых сигналов в случае, когда чувствительная часть содержит более одного чувствительного элемента (фиг. 3), не отличается от принципа работы устройства с одним чувствительным элементом. Длительность оптического импульса также должна превышать время, необходимое импульсу для прохождения двух длин чувствительного элемента (расстояние между ВБР ограничивающих каждый из чувствительных элементов) (фиг. 4).
В качестве конкретного примера выполнения предлагается волоконно-оптическое интерферометрическое устройство для регистрации фазовых сигналов, в котором в качестве чувствительного оптического волокна используется двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой длиной 5 сантиметров, расположенное между двумя волоконно-оптическими Брэгговскими решетками одной резонансной длины волны 1550 нм, на расстоянии 5 см. В качестве источника когерентного оптического излучения предлагается использовать полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (VCSEL), длительность импульса 10 нc (за это время лазерный импульс успеет пройти 2 м). Устройство для распределения оптической мощности было выполнено в виде волоконно-оптического циркулятора, а также может быть выполнено в виде разветвителя X или У типа. В качестве фотоприемного устройства может быть использован фотодиодный модуль PDI-40-RM. В качестве фазового модулятора предлагается использовать электрооптический фазовый модулятор THORLABS MPX-LN-0.1. В качестве схемы демодуляции предлагается использовать гомодинную схему демодуляции [М.Ю. Плотников, А.В. Куликов, В.Е. Стригалев. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала в схеме гомодинной демодуляции для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №6 (88). - С. 18-22].
Преимуществом данного волоконно-оптического интерферометрического устройства для регистрации фазовых сигналов является отсутствие опорного плеча интерферометра, которое вносит дополнительные оптические потери в оптическую схему, а также упрощает конструкцию. Кроме того, предложенная конструкция позволяет избавиться от возможных искажений полезного сигнала, возникающих в опорном плече интерферометра при его взаимодействии с внешними источниками помех - вибраций, акустических сигналов и т.д.