Применение многоволнового метода для расширения динамического диапазона волоконно-оптического виброакустического датчика интерферометрического типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОВОЛНОВОГО МЕТОДА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА

А.А. Ветров, Р.А. Власов, C.С. Комиссаров,

Т.Д. Коцюбинский, А.Н. Сергушичев

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

Расширение диапазона регистрируемых перемещений чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометрического виброакустического датчика осуществляется с помощью добавления в систему дополнительных лазеров и фотоприёмников с отличающимися друг от друга длинами волн и последующей обработкой полученных сигналов.

Волоконно-оптические датчики (ВОД), в основе которых лежит схема интерферометра Фабри-Перо (Рис. 1) являются устройствами, обладающими большим количеством достоинств по сравнению с аналогами, некоторые из которых могут быть принципиальными при выборе датчика для конкретной задачи. К таким особенностям можно отнести невосприимчивость чувствительного элемента к электромагнитному полю, взрывобезопасность, миниатюрность и высокая чувствительность.

Рис. 1 - а. Общая схема интерферометра Фабри-Перо, б. Волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо.

Рис. 2 - Характеристика преобразования ВОД

Одним из недостатков таких датчиков является синусоидальный вид характеристики преобразования датчика (Рис. 2), что приводит к ограничению динамического диапазона квазилинейным участком характеристики преобразования. Таким образом, диапазон регистрируемых перемещений ограничен четвертью длины волны лазера, что составляет примерно 370 нм для лазера длиной волны 1510 нм. Кроме того, для корректной работы волоконно-оптического датчика необходимо соблюдать положение рабочей точки по квазилинейного участка характеристики преобразования, для чего, например, может использоваться температурная стабилизация положения рабочей точки (ссылка).

Выход перемещений чувствительного элемента за пределы квазилинейного участка, равно как и уход рабочей точки приводят к значительным искажениям исходного сигнала (Рис. 3). Задачей данный работы было усовершенствование схемы волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо для того, чтобы избавиться от указанных выше недостатков.

аб

Рис. 3 - Искажения выходного сигнала, при уходе рабочей точки (а) и выходе перемещений чувствительного элемента за границы квазилинейного участка характеристики преобразования.

оптический интерферометрический виброакустический датчик

Для решения этих проблем было предложено добавить в систему некоторое количество пар лазера и фотоприёмника различных длин волн (Рис. 4).

Рис. 4 - Структурная схема многоволнового интерферометра

Сигнал с одного фотоприёмника описывается следующим уравнением:

Решением такого уравнения относительно l является следующее выражение:

Дополнительные лазеры позволяют составить систему из подобных уравнений для каждой из используемых длин волн. Используя два лазера, мы получим систему с тремя неизвестными: l, n₁ и n₂.

Решение такой системы имеет неоднозначность, от которой следует избавиться. Для этого сперва рассмотрим, как изменяется n с увеличением расстояния от торца оптоволокна до чувствительного элемента. Из графика (Рис. 5, а) видно, что через некоторое расстояние разница между n достигает 1.

Назовем его диапазоном восстанавливаемых перемещений чувствительного элемента (ДВПЧЭ). Таким образом, значения n₁ и n₂ можно связать между собой, если известно количество ДВПЧЭ, укладывающихся от торца оптоволокна до чувствительного элемента. Величина ДВПЧЭ зависит от используемых длин волн и находится по следующей формуле:

Итак, для того, чтобы выразить n₂ через n₁, тем самым сняв неопределенность, достаточно знать, на каком расстоянии от торца оптоволокна находится чувствительный элемент с точностью, определяемой ДВПЧЭ. Также, ДВПЧЭ определяет в каком диапазоне перемещений данный метод позволяет восстановить исходный сигнал.

аб

Рис. 5 - а) Измерение n и разницы n₂-n₁ с увеличением расстояния от торца оптоволокна до чувствительного элемента. б) Сигнал на фотоприемнике каждого канала, и их разница при перемещении чувствительного элемента на величину диапазона восстанавливаемых перемещений.

Упрощение системы уравнений путём выражения n₂ через n₁ и количество ДВПЧЭ позволяет решить систему уравнений, в результате чего мы получаем набор решений для n и l (Рис. 6).

аб

Рис. 6 - а) Набор решений для расстояния от чувствительного элемента до торца оптоволокна при моделировании его синусоидального перемещения. б) Набор решений для количества длин полуволн (n) укладывающемся в том же промежутке.

Как видно из Рис. 6, а для того, чтобы восстановить исходные перемещения чувствительного элемента, необходимо из всего набора решений выбирать определённые решения в каждый момент времени. Отбор решений производится по ряду критериев, таких как наибольшая гладкость результирующего сигнала и постоянство n за период выбора одного решения.

Данный метод позволяет восстановить исходные перемещения чувствительного элемента только в тех случаях, когда он не покидает границы ДВПЧЭ. В противном случае, имеющегося набора решений не хватает для того, чтобы полностью описать восстанавливаемый сигнал и следует добавлять решения из соседней области.

Работоспособность данного метода также зависит от быстродействия используемых аналогово-цифровых преобразователей по причине того, что увеличение диапазона перемещений ЧЭ приводит к повышению верхней границы в спектре исходного сигнала с фотоприемников. Так, при перемещениях с амплитудой порядка половины длины волны, верхняя частота спектра увеличивается примерно в 50 раз по отношению к исходному перемещению.

Рис. 7 - Решения системы уравнений при перемещениях чувствительного элемента, выходящих за пределы ДВПЧЭ

Рис. 8 - Изменение спектра сигнала с фотоприёмника в зависимости от амплитуды перемещений чувствительного элемента.

Данная теоретическая модель была реализована в экспериментальном макете, состоящем из источника акустического сигнала, первичного преобразователя, волоконно-оптического тракта, включающего оптоволокно, разветвитель, а также мультиплексор и демультиплексор для набора длин волн 1510, 1530, 1550 и 1590 нм. Управление системой производится с персонального компьютера, который по Ethernet-кабелю отправляет команды на плату управления и сбора данных, с которой поступают данные с фотоприёмников для последующей обработки.

Рис. 9 - Схема экспериментального макета

С помощью данного макета были записаны сигналы с фотоприёмников при подаче на чувствительный элемент синусоидального сигнала различной частоты. Результаты работы описанного выше алгоритма восстановления представлены на Рис. 10.

Рис. 10 - Результат восстановления реального синусоидального сигнала при разных частотах

На верхних графиках изображены сигналы с фотоприёмников, на нижних -- результат работы алгоритма восстановления сигнала.

Таким образом, с помощью применения многоволновой схемы удалось добиться улучшения параметров волоконно-оптического датчика, основанного на интерферометре Фабри-Перо. Так, диапазон регистрируемых перемещений с 90 нм увеличился до 2800 нм, что привело к увеличению динамического диапазона с 71 дБ до 94 дБ.

Размещено на Allbest.ru