ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к технической физике, радиотехнике и робототехнике, в частности к системе обнаружения и регистрации сигналов больших плотностей энергии в широком диапазоне длин волн.

Среди волоконно-оптических мультиплексных систем широкое распространение получили системы, построенные на основе интерферометра Мяха-Цандера. Системы такого типа содержат два канала: измерительный и опорный. Измерительный канал, расположенный в зоне измерения, реагирует на взаимодействие с внешней средой, а опорный изолирован от влияния внешнего сигнала. Результирующий сигнал, снимаемый с фотоприемника зависит от разности оптических путей, проходимых излучением в двух плечах интерферометра.

Известен волоконный интерферометрический датчик звуковых колебаний (Journal of Acoust Socicty of America, 1978, N 5, p 1286 1288).

Однако практическая реализация устройств этого класса сдерживается наличием фазовых шумов, возникающих из-за ухода частоты излучения лазерных источников излучения, нестабильностью коэффициента пропускания оптического канала, дрейфом чувствительности фотоприемника.

Ближайшим к изобретению аналогом является волоконно-оптическая система с временным мультиплексированием оптической измерительной информации (Бусурин В.И. Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 233, рис. 11.3б).

Система содержит источник излучения, оптически связанный с ответвителем на N измерительных каналов, N волоконных световодлов, сопряженных с чувствительным элементом, N оптических линий задержки, N чувствительных элементов (волоконно-оптических датчиков), фотоприемник, систему обработки сигналов.

Система работает следующим образом.

Сигнал от источника излучения, например, лазера, модулируется и поступает на волоконный разветвитель. После разветвления входная мощность сигнала E2o

распределяется на N измерительных каналов (E21, E22...E2N) имеющих задержки τ₁, τ₂,...τ_N соответственно. В зависимости от степени воздействия внешней среды на каждый из N волоконно-оптических датчиков амплитуда оптического сигнала E2i модулируется соответствующим образом. Далее оптические импульсы, разнесенные во времени, в силу различия оптической длины пути, направляются через соединитель к фотоприемнику, связанному с демультиплексором, имеющим синхронизацию от импульсного источника излучения.

Так как волоконно-оптическая мультиплексная система работает по схеме волоконно-оптических датчиков с амплитудной модуляцией, то ей присущи все недостатки, характерные для систем этого класса, а именно:
волоконно-оптическая мультиплексная система чувствительна к нестабильности мощности излучения источника, дрейфу чувствительности фотоприемника, а также параметров волоконно-оптического тракта, что снижает точность измерения сигналов с фотоприемника i₁, i₂, i_N следовательно, точность измерения заданного параметра (например, мощности регистрируемых волн);
волоконно-оптическая мультиплексная система имеет избыточную длину волоконно-оптического тракта, обусловленную наличием соединителя, связывающего измерительные каналы с фотоприемником, что усложняет монтаж системы и требует дополнительной калибровки;
в силу жесткой взаимосвязи разделителя, измерительных каналов и соединителя возможность использования одной и той же системы в различных условиях эксплуатации ограничена, например, в тех случаях, когда пространственные координаты одного или нескольких волоконно-оптических датчиков требуют существенной корректировки.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении точности измерений, упрощении конструкции и расширении диапазона измерения плотности регистрируемых волн в реальном масштабе времени за счет того, что каждый измерительный канал дополнительно содержит антенную систему, а чувствительный элемент каждого канала выполнен в виде пространственно разнесенных волоконного измерительного интерферометра Фабри-Перо, расположенного в узлах напряженности поля устройства стоячей волны антенной системы и волоконного эталонного интерферометра Фабри-Перо, оптически связанного с измерительным интерферометром, и полупрозрачного отражателя, расположенного между эталонным и измерительным интерферометрами Фабри-Перо, при этом связанные между собой волоконные световоды, чувствительные элементы, антенные системы, устройства стоячей волны и оптические линии задержки образуют N измерительных каналов, а для элементов системы выполнены соотношениями:

где t_имп1,2i время задержки импульсов в серии из трех импульсов в i-м измерительном канале;
t_чэ1,2i время задержки серии из трех импульсов от каждого из N измерительных каналов;
l_1,2i длина волоконных световодов между полупрозрачным отражателем C и опорным и измерительным интерферометрами Фибри-Перо и i-м чувствительном элементе.

n показатель преломления волоконного световода;
c скорость света.

На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптической мультиплексной системы регистрации плотности энергии волн, на фиг. 2 временная диаграмма для фотооткликов i ( t) системы, содержащей три измерительных канала.

Волоконно-оптическая мультиплексная система регистрации плотности энергии волн (фиг. 1) содержит источник 1 когерентного излучения, модулятор 2, разветвитель 3, измерительные плечи, состоящие из световодов 4, чувствительных элементом 5, антенных систем 6, устройство стоячей волны 7, линий задержек 8, фотоприемник 9, систему обработки сигналов 10. Волоконный световод чувствительного элемента содержит эталонный интерферометр АВ, на который регистрируемое поле не оказывает воздействия, измерительный интерферометр ДЕ и полупрозрачный отражатель С, расположенный между интерферометрами.

Так как в системе отсутствует соединитель и волна от источника излучения 1 до фотоприемника 9 проходит длину пути волоконного светововда в измерительном канале дважды, то длина линий задержек в системе по сравнению с прототипом уменьшается в 2 раза и определяется из соотношений:
,
где l_rэi оптическая длина линии задержки 8 в i-м измерительном канале;
t_rэi время задержки серии из трех импульсов i-го измерительного канала;
l_1,2i длина волоконных световодов между полупрозрачным отражателем С и эталонным и измерительным интерферометрами в i-ом измерительном канале;
τ_имп длительность опорного импульса от источника излучения;
n показатель преломления волоконного световода;
c скорость света.

Волоконно-оптическая мультиплексная система работает следующим образом.

Сигнал от когерентного источника излучения 1, например, лазера, модулируется с помощью модулятора 2, например, меандром или другим импульсным кодом, и поступает на волоконный разветвитель 3. Далее излучение распределяется по N измерительным каналам по световодам 4 с линией задержки 8 так, что выполняется соотношение
E21

≈ E22 ≈ ... E2N ≈ LE2o,,
где E21, E22...E2N мощности волн в 1, 2, N измерительных каналах,
E2o - мощность источника излучения,
L коэффициент пропорциональности.

В каждом измерительном канале входное излучение разделяется на три части: одна часть отражается от резонатора АВ и в обратном направлении через разветвитель 3 направляется на фотоприемник 9; вторая часть отражается от пластинки С и третья от резонатора ДЕ и через разделитель аналогично направляется на тот же фотоприемник 9.

Принимаемая в каждом канале плотность энергии поступает в устройство стоячей волны 7, которое может являться самой антенной, либо конструктивным элементом, расположенном в антенном устройстве. Пропорционально мощности, падающей на i-й измерительный интерферометр Фабри-Перо, изменяются температура световода на участке ДЕ интерферометра и его линейные размеры, что, в свою очередь, приводит к изменению фазы волны, которую можно представить как Φ_ДЕ(θ_o+Δθ) где θ_o температура интерферометра, которая зависит от температуры окружающей среды, Δθ приращение температуры, обусловленное измеряемой мощностью.

Интенсивность импульса, отраженного от резонатора ДЕ, фиксируемая фотоприемником 9, равна
J_ДЕ LJ₀(1 R_АВ)²(1 -r)²R_ДЕ (1)
Соответственно интенсивность импульсов, отраженных от резонатора АВ и полупрозрачного отражателя С, описываются выражениями
J_АВ LJ₀R_АВ, (2)
J_С LJ₀(1 R_АВ)² (3)
Здесь
J₀ интенсивность опорного сигнала;
r коэффициент отражения от полупрозрачной пластинки C,
-
коэффициент отражения от резонатора АВ (интерферометра АВ);
-
коэффициент отражения от резонатора ДЕ (интерферометра ДЕ).

Таким образом, с i-ого измерительного канала на фотоприемник поступают три импульса J_АВ, J_С и J_ДЕ. Измеряя фотоотклики i_АВ, i_С, i_ДЕ на выходе фотоприемника и решая совместно уравнения (1 3), можно вычислить набор фазы, пропорциональный мощности принимаемой волны, и соответствующую величине Δθ.

При этом исключаются такие отрицательные факторы, как чувствительность системы к нестабильности мощности излучения источника, к колебаниям температуры подложки, дрейфу чувствительности фотоприемника, к нестабильности параметров волоконно-оптического тракта.

Аналогично измеряются мощности волн, принимаемых пространственно размеченными антенными системами в других измерительных каналах.

Рассмотрим временную диаграмму для фотооткликов i (t) для волоконно-оптической мультиплексной системы регистрации плотности энергии волн на основе системы, содержащей три измерительных канала (см. фиг. 2).

Время задержек t_имп1, t_имп2 в первом измерительном канале выбирается таким образом, чтобы надежно различить фотоотклики от трех импульсов системы, а именно

Аналогичной для других измерительных каналов, для i-го измерительного канала

С другой стороны, время задержки t_имп1,2 определяется оптической длиной l₁ участка световода, расположенного между интерферометром АВ и полупрозрачным отражателем С, и длиной l₂ участка световода, расположенного между отражателем С и интерферометром ДЕ, т. е.

l_1,2 > τ_имп6,
где c скорость света,
n показатель преломления волоконного световода.

Определенные требования должны быть выполнены применительно ко времени задержки между сериями из трех импульсов, следующими от каждого чувствительного элемента в последовательности N измерительных каналов мультиплексной системы.

Если t_rэ1 время задержки первой триады импульсов, t_rэ2 - время задержки второй триады импульсов и так далее, то должны выполняться условия:
t_rэ1 < t_rэ2 < < t_rэN,
t_rэi > t_rэ(i-1)+ t_имп2(i-1)+τ_{имп =}
Так как в предлагаемой мультиплексной системе световой луч от источника излучения проходит линию задержки 8 в каждом плече 2 раза, то длина этой линии по сравнению с прототипом в 2 раза короче.

Применительно к периоду Т следования N серий из трех импульсов (период модуляции) должны выполняться следующие условия

где Т_возд длительность воздействия принимаемой плотности энергии в i-й антенной системе,
τ_тепл тепловая постоянная времени i го чувствительного элемента.

Таким образом, волоконно-оптическая мультиплексная система регистрации плотности энергии волн, построенная на основе интерферометра Фабри-Перо, позволяет регистрировать плотность энергии электромагнитных волн. При этом по сравнению с прототипом предлагаемая мультиплексная система отличается высокой точностью, простотой конструкции и возможностью ее унификации.

Использование: техническая физика, радиотехника и робототехника, в системах обнаружения и регистрации сигналов больших плотностей энергии в широком диапазоне длин волн. Сущность изобретения: волоконно-оптическая мультиплексная система регистрации плотности волн содержит источник 1 когерентного излучения, модулятор 2, разветвитель 3, измерительные плечи состоящие из световодов 4, чувствительных элементов 5, антенных систем 6, устройств стоячей волны 7 и линий задержки 8, фотоприемник 9, систему обработки сигналов 10. Волоконный световод чувствительного элемента содержит эталонный интерферометр АВ, на который регистрируемое поле не оказывает воздействие, измерительный интерферометр ДЕ и полупрозрачный отражатель С, расположенный между интерферометрами. 2 ил.

Волоконно-оптическая мультиплексная система регистрации плотности энергии волн, содержащая когерентный источник излучения, оптически связанный с разветвителем на N измерительных каналов, каждый из которых содержит чувствительный элемент, волоконный световод, связывающий чувствительный элемент с разветвителем, линию задержки импульсов, приходящих к фотоприемнику от чувствительного элемента, систему обработки сигналов, электрически связанную с фотоприемником, импульсный модулятор с периодом колебаний Т, соединенный с источником излучения, отличающаяся тем, что каждый измерительный канал дополнительно содержит антенную систему, а чувствительный элемент каждого канала выполнен в виде пространственно разнесенных волоконного измерительного интерферометра Фабри Перо, расположенного в узлах напряженности поля устройства стоячей волны антенной системы и волоконного эталонного интерферометра Фабри Перо, оптически связанного с измерительным интерферометром, и полупрозрачный отражатель, расположенный между эталонным и измерительным интерферометрами Фабри Перо, при этом связанные между собой волоконные световоды, чувствительные элементы, антенные системы, устройства стоячей волны и оптические линии задержки образуют N измерительных каналов, а для элементов системы выполнены соотношения
t_имп2i > t_имп1i + τ_имп;
t_имп1i > τ_имп;
t_rэ1 < t_rэ2 < ... < t_rэN;
t_rэi > t_rэ(i-1) + t_имп2(i-1) + τ_имп;


где t_имп1,2i время задержки импульсов в серии из трех импульсов в i-м измерительном канале;
t_rэ1,2i время задержки серии из трех импульсов от каждого из N измерительных каналов;
l_1,2i длины волоконных световодов между полупрозрачными отражателем и опорным и измерительным интерферометрами Фабри Перо в i-м чувствительном элементе;
n показатель преломления волоконного световода;
с скорость света;
τ_имп длительность опорного импульса.