СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 2015 года по МПК G01B9/02 G01D1/14 G01D5/353 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа.

Известен способ измерения интерферометрического сигнала (см. патент US 20120057170 A1, опубл. 8.03.2012), представляющий собой псевдогетеродинный режим приема сигнала со вспомогательной пилообразной фазовой модуляцией. Недостатком способа является тот факт, что в нем не предусмотрена стабилизация масштабного коэффициента датчика.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является способ измерения интерферометрического сигнала (см. Котов О.И, Лиокумович Л.Б., Марков С.И., Медведев А.В., Николаев В.М. "Дистанционный интерферометрический датчик с поляризационным разделением каналов". - Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 10, 26.05.2000, стр.28-34), реализуемый в волоконно-оптическом фазовом датчике, который в обобщенном виде представляет собой двухплечевую интерференционную схему Маха-Цендера, в которой обеспечивается возможность фазовой модуляции интерферометра с помощью электрооптического кристалла в аппаратной части датчика. Модуляция осуществляется ступенчатым пилообразным модулирующим сигналом. Недостатком известного способа измерения является тот факт, что в нем не предусмотрена стабилизация масштабного коэффициента модулятора, на величину которого влияет изменение температуры, вследствие температурной зависимости полуволнового напряжения модулятора, что уменьшает точность измерений.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности измерения интерферометрического сигнала.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в усовершенствовании процесса модуляции выходного интерферометрического сигнала со стабилизацией масштабного коэффициента модулятора.

Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика со вспомогательным ступенчатым пилообразным модулирующим сигналом, задающим период выходного интерферометрического сигнала, новым является то, что в ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал добавляют один скачок напряжения за его период, амплитуда скачка равна амплитуде модулирующего сигнала, а длительность составляет половину длительности одной его ступени, причем скачок напряжения осуществляют в момент времени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал формируют с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и подают на модулятор. Амплитуду пилообразного модулирующего сигнала выбирают так, чтобы величина модулирующего сигнала за период достигала значения напряжения U₀, равного двум полуволновым напряжениям модулятора:

$$U_0=2U_{\pi }(T)$$ ,

где $$U_{\pi }(T)$$ - полуволновое напряжение модулятора, зависящее от температуры T.

В результате вносимый между интерферирующими волнами за период модулирующего сигнала сдвиг фаз достигает значения 2π, которое соответствует периоду косинусоидального выходного интерферометрического сигнала (фиг.1). Следовательно, при постоянной температуре масштабный коэффициент модулятора М соответствует сдвигу фаз между интерферирующими волнами величиной 2π, и разность фаз φ(n) между интерферирующими волнами изменяется по закону модулирующего пилообразного напряжения:

$$\varphi (n)=2\pi \times \frac{n}{N}$$ ,

где n - номер текущей ступени пилообразного модулирующего сигнала, причем 1≤n≤N, N - общее количество ступеней пилообразного модулирующего сигнала.

Однако при обработке интерферометрического сигнала необходимо учитывать зависимость полуволнового напряжения модулятора от температуры, следствием которой является дрейф величины масштабного коэффициента M. Таким образом, при изменении температуры за один период пилообразного напряжения выписывается не период косинуса, а больше или меньше периода, что при обработке приводит к неправильной трактовке расположения точек выходного сигнала. На фиг.2 изображен случай, когда со временем за один период пилообразного напряжения выписывается больше периода косинуса. Следовательно, разность фаз φ'(n) между интерферирующими волнами с учетом температурного дрейфа изменяется по следующему закону:

$$\varphi \text{'}\left(n\right)=\left(2\pi +\Delta \varphi \right)\times \frac{n}{N}$$ ,

где Δφ - дополнительная фаза, возникающая за период модулирующего сигнала при температурном дрейфе.

Таким образом, с учетом температурного дрейфа масштабный коэффициент модулятора M соответствует сдвигу фаз между интерферирующими волнами величиной $$\left(2\pi +\Delta \varphi \right)$$ .

Следовательно, для повышения точности обработки интерферометрического сигнала необходима стабилизация масштабного коэффициента модулятора, для чего предлагается корректировать амплитуду пилообразного напряжения путем создания ступенчатой кусочно-пилообразной формы модулирующего сигнала. При этом следует подавать на определенной k-й ступени модулирующего пилообразного сигнала скачок напряжения с амплитудой U₀. Тогда в случае дрейфа величины масштабного коэффициента M, при подаче на модулятор напряжений U_k и (U_k+U₀), получаются разные соответствующие этим напряжениям значения выходного сигнала, так как нарушается соответствие величины U₀ периоду косинусоидальной функции 2π. Разность этих значений подается в цепь отрицательной обратной связи, и амплитуда пилообразного напряжения корректируется до тех пор, пока разность значений не скомпенсируется.

Таким образом, скачок напряжения обладает следующими параметрами. Амплитуда скачка должна быть равной U₀. Для сохранения количества ступеней модулирующего сигнала N длительность скачка должна составлять половину длительности одной ступени модулирующего сигнала. Причем скачок напряжения осуществляют в момент времени k-й ступени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала, вследствие наибольшей чувствительности линейного участка к изменениям.

Структура такого модулирующего ступенчатого кусочно-пилообразного напряжения показана на фиг.3.

Таким образом, корректировка амплитуды модулирующего ступенчатого пилообразного напряжения осуществляется с запаздыванием на период, но всегда на линейном участке, что обеспечивает большую точность измерений.

Алгоритм процесса измерения интерферометрического сигнала согласно предлагаемому способу можно сформулировать следующим образом:

- Модулирующий ступенчатый кусочно-пилообразный сигнал формируется с помощью ЦАП с добавлением скачка напряжения на величину U₀ на k-й ступени. Амплитуда модулирующего сигнала регулируется согласно управляющему сигналу цепи обратной связи. В результате выходной интерферометрический сигнал приобретает форму приподнятого косинуса.

- Интерферометрический выходной сигнал регистрируется фотоприемником, который преобразует изменение оптического сигнала в изменение величины тока. Данный переменный ток подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует в цифровую форму величину амплитуды сигнала.

- Для анализа выходного сигнала f(φ) предлагается использовать разложение по базисным функциям и метод наименьших квадратов (МНК). В качестве базисных функций предлагается следующий набор $$\{\theta \left(\varphi \right)\}=\{\mathrm{1,}\cos \left(\varphi \right),\sin \left(\varphi \right)\}$$ с весовыми коэффициентами, указывающими на степень корреляции базисных функций с искомой:

$$f\left(\varphi \right)=C_0+C_1\cos \left(\varphi \right)+C_2\sin \left(\varphi \right)$$ ,

где C₀, C₁, C₂ - весовые коэффициенты.

Анализ формы выходного сигнала проводится без учета значения, полученного при подаче на модулятор скачка напряжения.

- Определяется номер ступени k модулирующего сигнала, соответствующей линейному участку выходного сигнала за период модулирующего сигнала. На следующем периоде модулирующего сигнала скачок напряжения будет подаваться на найденной k-й ступени.

- Оценивается разность значений выходного сигнала, соответствующих модулирующим напряжениям U_k и (U_k+U₀). В случае отличия разности от нуля регулятор цепи обратной связи выдает управляющий сигнал, который в зависимости от знака этой разности увеличивает или уменьшает амплитуду модулирующего сигнала, стремясь максимально скомпенсировать эту разность.

В результате компьютерного моделирования процесса измерения интерферометрического сигнала в соответствии с предлагаемым способом было получено, что абсолютная погрешность измерений в условиях дрейфа температуры не превосходит погрешности в условиях постоянной температуры, в отличие от прототипа, в котором не предусмотрена стабилизация масштабного коэффициента, где при изменении температуры абсолютная погрешность измерений возрастает.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа. При измерении сигнала датчика в ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал добавляют один скачок напряжения за его период, амплитуда скачка равна амплитуде модулирующего сигнала, а длительность составляет половину длительности одной его ступени, причем скачок напряжения осуществляют в момент времени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала. Техническим результатом является обеспечение стабилизации масштабного коэффициента модулятора и повышенная точность измерения интерферометрического сигнала. 3 ил.

Способ измерения сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика со вспомогательным ступенчатым пилообразным модулирующим сигналом, задающим период выходного интерферометрического сигнала, отличающийся тем, что в ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал добавляют один скачок напряжения за его период, амплитуда скачка равна амплитуде модулирующего сигнала, а длительность составляет половину длительности одной его ступени, причем скачок напряжения осуществляют в момент времени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала.