СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ДАТЧИКА С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01B9/02 G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа с перестраиваемым по длине волны источником оптического излучения для контроля и регулировки параметров интерференционных сигналов.

Основными параметрами интерференционного сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика являются глубина фазовой модуляции и размах интерференционного сигнала.

Интерференционный сигнал на выходе оптической схемы волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика описывается выражением:

где A и B коэффициенты, определяемые интенсивностью светового излучения и размахом интерференционного сигнала на фотоприемном устройстве, C - глубина фазовой модуляции, ω₀ - циклическая частота фазовой модуляции, φ(t) - измеряемый фазовый сигнал. В случае влияния на чувствительное плечо интерферометра гармонического воздействия φ(t) определяется выражением:

где D - амплитуда измеряемого фазового сигнала, ω - циклическая частота измеряемого фазового сигнала, φ₀ - положение рабочей точки интерферометра.

В результате температурных и механических воздействий на модулятор изменяются величина глубины фазовой модуляции C и положение рабочей точки интерферометра φ₀. Величина размаха интерференционной картины меняется из-за воздействия температурных градиентов на чувствительный элемент волоконно-оптического датчика.

Дрейф величины глубины фазовой модуляции C приводит к искажению амплитудной характеристики и, как следствие, понижению точности волоконно-оптического датчика. Уменьшение размаха интерференционного сигнала выражается в уменьшении соотношения сигнал/шум выходного сигнала датчика.

Известен способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика путем поддержания оптимальной величины глубины фазовой модуляции сигнала на основании опорного коэффициента K, включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которой вычисляют текущее значение опорного коэффициента K по формуле:

где J₁(C) и J₃(C) - функции Бесселя первого и третьего порядка, по которому осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения путем изменения амплитуды модулирующего сигнала [статья J.H. Zhu, М. Zhang, Y.B. Liao, W. Kuang, L.W. Wang "A scheme for maintaining phase modulation amplitude at best value of fiber optic sensors using phase generated carrier", Proc. SPIE, vol. 5998, 2005].

Недостатками известного способа являются невозможность вычисления величины глубины фазовой модуляции C, отсутствие возможности контролировать размах интерференционного сигнала, зависимость точности способа от размаха интерференционного сигнала.

Известен способ контроля параметров волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, выбранный в качестве прототипа [патент США №6028668, кл. 356/350 (G01C 19/72), дата публ. 22.02.2000], включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которой вычисляют текущее значение опорного коэффициента K по формуле,

где J₂(С) и J₄(С) - функции Бесселя второго и четвертого порядка, K₂ и K₄ - коэффициенты, учитывающие зависимость от размаха интерференционной картины и осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения на основании опорного коэффициента K, путем изменения амплитуды модулирующего сигнала.

Недостатками известного способа являются невозможность вычисления величины глубины фазовой модуляции C, отсутствие возможности контролировать размах интерференционного сигнала.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в обеспечении контроля величины глубины фазовой модуляции по ее текущему значению и размаху интерференционного сигнала на основании опорного коэффициента В.

Технический результат достигается тем, что поддерживается оптимальная величина глубины фазовой модуляции и максимальная величина размаха интерференционного сигнала.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым по длине волны источником оптического излучения, включающем измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которому судят о текущем значении глубины фазовой модуляции, осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения путем изменения амплитуды модулирующего сигнала, а изменяя центральную длину волны излучения источника оптического излучения, измеряют соответствующие текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, преобразуют измеренные значения амплитуды к виду I₀=S₁cos(ω₀t)+S₂cos(2ω₀t)+S₃cos(3ω₀t)+S₄cos(4ω₀t), где S₁, S₂, S₃, S₄ - первая, вторая, третья и четвертая гармоники контролируемого интерферометрического сигнала, и рассчитывают текущие значения глубины фазовой модуляции C и опорного коэффициента B, характеризующего размах интерферометрического сигнала, по следующим формулам:

, ,

где J₂(C) - функция Бесселя первого рода второго порядка, находят максимальное значение опорного коэффициента B, которое определяет максимальное значение размаха контролируемого интерферометрического сигнала и соответствующее ему оптимальное значение центральной длины волны излучения источника, при которой вновь измеряют текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которым рассчитывают по вышеуказанным формулам текущие значения глубины фазовой модуляции C, каждое из которых сравнивают с оптимальным значением глубины фазовой модуляции С₀, и определяют сигнал ошибки ε по формуле: ε=С₀-С, который используют для регулировки текущего значения глубины фазовой модуляции, вычисляя величину изменяемой амплитуды модулирующего сигнала, соответствующую оптимальному значению глубины фазовой модуляции, по формуле: А_с=A₀+Kε, где А₀ - текущее значение амплитуды модулирующего сигнала, А_с - значение амплитуды модулирующего сигнала, соответствующее оптимальному значению глубины фазовой модуляции, K - коэффициент пропорциональности.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 представлена зависимость коэффициента B от длины волны излучения источника, на фиг. 3 представлена зависимость глубины фазовой модуляции от времени.

Устройство содержит блок контроля длины волны излучения 1, соединенный с источником оптического излучения 2 и представляющий собой электрическую схему, которая регулирует температуру перестраиваемого источника оптического излучения 2 при помощи элемента Пельтье, тем самым изменяя центральную длину волны перестраиваемого источника оптического излучения 2 в диапазоне от λ_min до λ_max. Источник оптического излучения 2 является перестраиваемым по длине волны полупроводниковым источником оптического излучения с встроенным элементом Пельтье. Выход источника оптического излучения 2 подключен к входу оптической схемы 3, которая содержит чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика. Выход оптической схемы 3 подключен к входу фотоприемного устройства 4, которое детектирует оптическое излучение на выходе оптической схемы 3 и преобразует оптический сигнал в электрический сигнал. Выход фотоприемного устройства 4 подключен к входу электрической схемы аналогового фильтра высоких частот (ФВЧ) 5. Выход ФВЧ 5 подключен к входу микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Выход АЦП 6 соединен с входом блока цифровой обработки сигналов (ЦОС) 7, который представляет собой программируемую логическую интегральную схему. Блок ЦОС 7 содержит: блок демодуляции сигнала 8, блок вычисления глубины фазовой модуляции 9, блок вычисления коэффициента B 10, блок выбора оптимальной длины волны излучения 11, блок вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12, опорный генератор 13. Блоки 8-13 реализованы программным способом в программируемой логической интегральной схеме. Вход блока демодуляции сигнала 8 подключен к выходу АЦП 6. Выход блока демодуляции сигнала 8 соединен с входом блока вычисления глубины фазовой модуляции 9, другой выход блока демодуляции сигнала 8 подключен к входу блока вычисления коэффициента B 10. Выход блока вычисления коэффициента B 10 подключен к входу блока выбора оптимальной длины волны излучения 11. Выход блока выбора оптимальной длины волны излучения 11 подключен к входу блока контроля длины волны излучения 1. Выход блока вычисления глубины фазовой модуляции 9 соединен с входом блока вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12. Выход блока вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12 подключен к входу опорного генератора 13. Выход опорного генератора 13 соединен с входом микросхемы цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14, другой выход опорного генератора 13 соединен с входом блока демодуляции сигнала 8. Выход блока ЦАП 14 подключен к входу блока 15, который представляет собой электрооптический модулятор. Выход модулятора 15 подключен к входу оптической схемы 3. Блок 15 модулирует оптический сигнал в оптической схеме 3 на основании электрического сигнала на выходе блока 14.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Блок контроля длины волны оптического излучения 1 задает начальное значение длины волны излучения λ_min при помощи изменения параметров источника оптического излучения 2. Импульс от источника оптического излучения 2 попадает в оптическую схему 3, которая содержит чувствительный элемент волоконно-оптического датчика. В оптической схеме 3 происходит преобразование внешнего воздействия S на чувствительный элемент в сдвиг фазы оптического сигнала φ(t). Фотоприемное устройство (ФПУ) 4 преобразует оптический сигнал на выходе оптической схемы 3 в электрический сигнал. Текущее значение амплитуды контролируемого интерференционного сигнала на выходе фотоприемного устройства 4 описывается выражением (1) и может быть разложено в ряд с использованием функций Бесселя при помощи известных математических выражений:

где J_2k(А) - функция Бесселя первого рода порядка 2k.

С учетом выражения (5) сигнал (1) после фотоприемного устройства 4 можно представить в виде:

Раскладывая выражение (9) по функциям Бесселя с использованием выражений (5-8), получаем:

Сигнал I(t) после фильтра верхних частот 5 описывается выражением:

Далее сигнал попадает в блок аналого-цифрового преобразования сигнала 6. Амплитуда контролируемого интерференционного сигнала I₀ на входе блока ЦОС 7 описывается формулой:

где J₁(С), J₂(С), J₃(С), J₄(С) - функции Бесселя первого рода первого, второго, третьего и четвертого порядков, соответственно.

Блок демодуляции сигнала 8 выделяет из сигнала (12) гармоники S₁(t), S₂(t), S₃(t), S₄(t):

Значения гармоник S₁(t), S₂(t), S₃(t), S₄(t) интерференционного сигнала (13-16) передаются в блок вычисления глубины фазовой модуляции 9, где над ними выполняется ряд преобразований. Преобразования выполняются в соответствии с рекуррентным соотношением для функций Бесселя первого рода:

Используя выражение (17) для функций Бесселя первого рода для сигналов (5-8), можно получить следующие выражения:

На основании выражений (18) и (19) формируется формула:

Текущее значение глубины фазовой модуляции C формируется в соответствии с выражением:

Текущее значение глубины фазовой модуляции C подается в блок вычисления коэффициента B 9. Блок вычисления коэффициента B оперирует значениями гармоник интерференционного сигнала (13-16) и текущим значением глубины фазовой модуляции C (21). Блок вычисления коэффициента B работает следующим образом.

На основании выражений (14, 18, 20) выполняются следующие преобразования:

Результаты преобразований (22) и (23) суммируются и преобразуются в соответствии с основным тригонометрическим тождеством:

Итог преобразований описан выражением:

Из выражения (25) производится расчет коэффициента B по итоговой формуле:

Текущее значение коэффициента B поступает в блок контроля длины волны излучения 1. Блок контроля длины волны излучения последовательно изменяет длину волны, начиная с начального значения λ_min и заканчивая максимальным значением для данного источника оптического излучения λ_max. При каждом значении длины волны измеряется текущее значение коэффициента В. Блок выбора оптимальной длины волны излучения 11 находит оптимальную длину волны излучения λ_opt, при которой значение коэффициента B максимально. Блок контроля длины волны излучения 1 устанавливает оптимальную длину волны излучения λ_opt источника оптического излучения 2.

Далее, при оптимальном значении длины волны оптического излучения, блок вычисления глубины фазовой модуляции 9 последовательно рассчитывает текущие значения глубины фазовой модуляции C по формуле (21). Текущие значения глубины фазовой модуляции C сравниваются с оптимальным значением глубины фазовой модуляции C₀ в блоке вычисления амплитуды модулирующего сигнала 10, которое выбирают в зависимости от алгоритма демодуляции информационного сигнала в устройстве, в результате этого формируется сигнал ошибки 8 по формуле:

Блок вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12 находит новое значение амплитуды модулирующего сигнала А_с по формуле:

где A₀ - текущая величина амплитуды фазовой модуляции, k - коэффициент пропорциональности, который определяется в зависимости от характеристик схемы обработки сигналов.

Новое значение амплитуды фазовой модуляции А_с поступает в опорный генератор 13. Опорный генератор 13 подает на ЦАП 14 текущее значение модулирующего напряжения A_ccosωt. На основании сигнала с выхода ЦАП 14 модулятор 15 изменяет фазу оптического излучения в оптической схеме 3.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения, в котором в качестве оптической схемы используется массив волоконных решеток Брэгга, записанных в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. В качестве источника оптического излучения используется полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). В качестве блока контроля длины волны источника оптического излучения используется контроллер элемента Пельтье, который регулирует температуру источника оптического излучения. В качестве фотоприемника используется фотодиодный модуль PDI-40-RM.

Обработка сигнала производилась при помощи 16-битного АЦП, 12-битного ЦАП и программируемой логической интегральной схемы. В качестве алгоритма демодуляции сигнала может быть использован алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции арктангенса, который реализуется в программируемой логической интегральной схеме. Математический алгоритм предложенного способа контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения реализован в программируемой логической интегральной схеме.

На фиг. 2 приведен график зависимости коэффициента B от центральной длины волны источника оптического излучения. Зависимость получена экспериментально в результате последовательного изменения длины волны оптического излучения. Зависимость позволяет определить оптимальное значение длины волны излучения для данной схемы.

На фиг. 3 приведен график зависимости значения глубины фазовой модуляции, которая рассчитана по предложенному способу, от времени. Зависимость получена экспериментально. Текущее значение глубины фазовой модуляции подстраивалось автоматически к оптимальному значению C₀ в соответствии с предложенным способом. Величина коэффициента k составляла 500. Оптимальное значение глубины фазовой модуляции C₀ для выбранного алгоритма демодуляции равно 2.63 радиана.

Таким образом, заявляемый способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика обеспечивает работу датчика при максимальном размахе интерференционной картины и позволяет поддерживать величину глубины фазовой модуляции в оптимальном значении.

Способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометра фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения включает в себя измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которому судят о текущем значении глубины фазовой модуляции, ее регулировку до оптимального значения путем изменения амплитуды модулирующего сигнала, изменение центральной длины волны излучения источника оптического излучения и измерение соответствующих текущих значений амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала. Дополнительно при регулировке производят учёт ошибки сигнала. Технический результат заключается в обеспечении оптимальной величины глубины фазовой модуляции и максимальной величины размаха интерференционного сигнала. 3 ил.

Способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения, включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которому судят о текущем значении глубины фазовой модуляции, а регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения осуществляют путем изменения амплитуды модулирующего сигнала, отличающийся тем, что, изменяя центральную длину волны излучения источника оптического излучения, измеряют соответствующие текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, преобразуют измеренные значения амплитуды к виду I₀=S₁cos(ω₀t)+S₂cos(2ω₀t)+S₃cos(3ω₀t)+S₄cos(4ω₀t), где S₁, S₂, S₃, S₄ - первая, вторая, третья и четвертая гармоники контролируемого интерферометрического сигнала, и рассчитывают текущие значения глубины фазовой модуляции С и опорного коэффициента В, характеризующего размах интерферометрического сигнала, по следующим формулам: где I₂(С) - функция Бесселя первого рода второго порядка, находят максимальное значение опорного коэффициента В, которое определяет максимальное значение размаха контролируемого интерферометрического сигнала и соответствующее ему оптимальное значение центральной длины волны излучения источника, при которой вновь измеряют текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которым рассчитывают по вышеуказанным формулам текущие значения глубины фазовой модуляции С, каждое из которых сравнивают с оптимальным значением глубины фазовой модуляции С₀, определяют сигнал ошибки ε по формуле: ε=С₀-С, который используют для регулировки текущего значения глубины фазовой модуляции, вычисляя величину изменяемой амплитуды модулирующего сигнала, соответствующую оптимальному значению глубины фазовой модуляции, по формуле А_c=A₀+Kε, где A₀ - текущее значение амплитуды модулирующего сигнала, А_c - значение амплитуды модулирующего сигнала, соответствующее оптимальному значению глубины фазовой модуляции, K - коэффициент пропорциональности.