ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК Российский патент 2019 года по МПК G01D5/353 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к интерферометрическому датчику, в котором изменение измеряемого параметра связано с относительным фазовым сдвигом между двумя волнами, такому как электрооптический датчик напряжения, особенно для электрических напряжений постоянного тока, или волоконно-оптический датчик тока (ВОДТ).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Датчики, которые основаны на интерференции между двумя волнами, обычно двумя ортогональными поляризационными модами волны, известны и используются в разнообразных областях техники. Сигналы детекторов этих датчиков связаны с косинусом относительного фазового сдвига φ между двумя волнами. Поэтому при фазовых сдвигах φ и ±φ+2nπ (n является целым числом, также называемым в этой заявке цикловой переменной) получаются одинаковые выходные сигналы интерференции и следовательно, неотличимые друг от друга. В результате диапазон однозначных измерений относительного фазового сдвига ограничен диапазоном [0, π].

Например, электрооптический датчик напряжения постоянного тока, состоящий из кристалла германата висмута (Bi₄Ge₃O₁₂ или оксида германия и висмута), имеющего ось [001] кристалла, ориентированную вдоль оптического пути волны (см. также ссылочный материал [1] для получения дополнительной подробной информации), имеет соответствующее π-напряжение или диапазон однозначных измерений около 75 кВ для световых волн при 1310 нм.

Хотя неопределенность знака (между φ и -φ) может быть исключена, например, как описано в ссылочном материале [2], путем объединения двух поляриметрических сигналов со (статическим) смещением относительной фазы (предпочтительно на π/2, называемых квадратурными сигналами), периодическая неоднозначность (между φ и φ+2nπ) является характерной проблемой для всех интерферометрических измерений.

При относительных измерениях фазовых сдвигов диапазон измерений может быть расширен с помощью подсчета интерференционных полос, подсчета нулей или подобных способов отслеживания изменений во времени. Поэтому при измерениях напряжения переменного тока диапазон измерений можно расширить до превышающего во много раз π-напряжение путем объединения квадратурных поляриметрических сигналов и использования подсчета нулей (см. ссылочные материалы [2-4], чему способствует то, что напряжение переменного тока непрерывно осциллирует относительно нуля. Однако при абсолютных измерениях, при которых информация об изменениях во времени отсутствует или является ненадежной, периодическая неоднозначность является серьезной проблемой и накладывает фундаментальное ограничение на достижимый диапазон измерений. Это особенно относится к случаям измерений постоянного напряжения или постоянного тока вследствие отсутствия осциллирующего колебательного сигнала и тем самым отсутствия нулевого отсчета. Кроме того, последнее затрудняет отделение дрейфов напряжения или тока от других эффектов, таких как изменение оптических потерь, индуцированное напряжением двулучепреломление и т.д. Делались попытки, см. ссылочный материал [5], решить проблему дрейфов путем амплитудного ограничения прикладываемого напряжения, но такое решение не легко адаптировать к прикладным областям, связанным с высоким напряжением.

Кроме того, как описано, например, в ссылочном материале [6], электрооптические датчики напряжения можно выполнять, используя способ обнаружения фазы модуляции (ОФМ). Его обычно реализуют в схеме невзаимной фазовой модуляции и широко используют в волоконно-оптических гироскопах и волоконно-оптических датчиках тока, см. ссылочные материалы [7, 8]. Датчики на основе обнаружения взаимной фазовой модуляции имеют высокую точность фазы и стабильность по постоянному току. В патенте США №7911196 совместного использования (приведенном в этой заявке в качестве ссылочного материала [9]) описан датчик напряжения, включающий в себя чувствительный к напряжению элемент (или несколько таких элементов), фарадеевский вращатель на 45° и электронику для обнаружения фазы модуляции и детектирования. Периодическая неоднозначность остается ограничением этого способа и поэтому описанный датчик также способен измерять электрооптический фазовый сдвиг φ при постоянном токе только между -π и +π. Подобную систему с ячейкой напряжения поперечной конфигурации можно найти в ссылочном материале [10].

Делались попытки расширить диапазон однозначных измерений в интерферометрии за пределы 2π. Например, в обеих патентных заявках WO9805975A1 [11] и ЕР1179735А1 [12] предложено использовать две различные оптические длины волны, особенно при измерении электрического напряжения или тока. Поскольку оптический фазовый сдвиг, индуцируемый измеряемой величиной, зависит от длины волны, интерферометрические сигналы, измеряемые при двух длинах волн, обычно имеют различные периодичности в зависимости от измеряемой величины. Следовательно, пара измеряемых значений, состоящая из отсчетов детекторов при двух длинах волн, не имеет простой периодической зависимости от измеряемой величины и поэтому может использоваться для однозначного выделения значения измеряемой величины в широком диапазоне. Кроме того, можно использовать три или большее количество длин волн (см. ссылочный материал [12]), что обеспечит дальнейшие преимущества за счет исключения всех остающихся точек неопределенности. Однако для способа с двумя длинами волн (или многочисленными длинами волн) необходимы по меньшей мере два набора источников света и детекторов, работающих при различных длинах волн, что значительно повышает сложность и может приводить к снижению надежности системы датчиков.

В другом способе при интерферометрии используют низкокогерентный свет. Такое излучение охватывает относительно широкую полосу частот (иногда оно известно как белый свет) в противоположность монохроматическому излучению, испускаемому когерентными лазерными источниками, которые используют в обычных интерферометрах. В результате время когерентности низкокогерентного света, обратно пропорциональное ширине полосы частот, является относительно малым, равным только небольшому числу оптических периодов. Низкокогерентные источники света широко используют во многих волоконных датчиках, особенно в датчиках, состоящих из многочисленных различных частей, компонентов и границ раздела, в основном для локализации во времени интерферирующих волн и исключения паразитной интерференции в результате обратного рассеяния и перекрестной связи. Кроме того, такая же идея используется в системах датчиков с когерентным мультиплексированием, описанных в ссылочном материале [13], в которых многочисленные сигналы объединяются и разделяются на основании их неперекрывающихся времен когерентности.

Узким пиком когерентности обеспечивается естественный абсолютный отсчет при интерферометрических измерениях. Одна из самых ранних попыток использовать этот принцип для датчиков представлена в ссылочном материале [14], а первый полностью разработанный датчик положения был показан в [15] и патенте США №4596466 [16]. Ряд датчиков на основе интерференции низкокогерентных волн был разработан с использованием такого же принципа для измерения физических величин, таких как давление [17], температура [18, 19] и т.д. Обычно в этих системах удаленный измерительный интерферометр последовательно оптически соединен с локальным опорным интерферометром. Низкокогерентный свет создает пакет интерференционных полос белого света при сканировании в локальном интерферометре (механическим или электронным способом, описанным, например, в ссылочном материале [20]), а центральная интерференционная полоса в пакете обеспечивает абсолютный отсчет при точном воспроизведении и захвате фазового сдвига между двумя интерферометрами, так что отбрасывание нуля не будет происходить после прерывания. Одновременно локальный интерферометр опрашивается для определения фазового сдвига, передаваемого, например, другим монохроматическим светом, путем подсчета интерференционных полос. Следует отметить, что во всех способах с использованием низкокогерентных источников света, описанных выше, низкокогерентный свет используют для однозначной передачи сигнала интерференции от одного интерферометра к другому, а измерение фазы выполняют в отсчетном интерферометре путем обычного подсчета интерференционных полос.

Кроме того, известен родственный способ оптической локации, называемый оптической рефлектометрией в области когерентности, см. ссылочные материалы [21, 22]. В способе сканируют линию задержки и обнаруживают интерференционные полосы белого света, чтобы определять времена прихода отраженных волн от различных границ раздела. Он был введен в коммерческое обращение в ранние 1990 годы и находит широкое применение в данной области техники. Эту же концепцию можно распространить на определение профиля поверхности [23] и также на построение изображения поперечного сечения биологических образцов, и в этом случае возникает целая область техники, называемая оптической когерентной томографией (ОКТ) [24], которая становится очень эффективным способом при биологической диагностике. В этих способах для получения характеристик образцов используют отраженные или рассеянные интерференционные полосы белого света. В этих способах фазовый сдвиг используемых волн обычно не является представляющим интерес параметром.

Для получения интерференционных полос белого света вместо сканирования задержки, которое известно как способ во временной области, альтернативно можно изменять длину волны обнаружения и измерять спектр при фиксированной ненулевой задержке в так называемом способе в частотной области. В этом случае измеряют модулированный спектр, содержащий многочисленные спектральные интерференционные полосы. Интерферометрия в белом свете и частотной области содержит в основном такую же информацию, как аналог во временной области, а регистрация данных может осуществляться одноразово спектрографом. Ее широко используют при оптическом когерентном томографическом исследовании [25], но она также находит некоторое применение для датчиков.

Согласно патенту США №5301010 [26] зависимость контраста интерференционных полос белого света от физической величины явным образом используют для определения этой величины. Согласно этому патенту используют установку из двух интерферометров, при этом отражатель в одном плече отсчетного интерферометра перемещается вперед и назад для регистрации числа интерференционных полос белого света около заданного положения. Значение интерференционного контраста на заданной длине пути вычисляют, используя относительные интенсивности максимумов и минимумов этих интерференционных полос, и в таком случае измеряемую величину получают из значения контраста. Кроме того, в этот патент включен предпочтительный вариант осуществления со ступенчатым зеркалом, в соответствии с которым создаются два сдвинутых пакета интерференционных полос белого света с точкой измерений, расположенной в промежутке. Согласно этому патенту интерференционный контраст вычисляют и намеренно используют при измерении физической величины. Однако в этом способе измерение фазы не выполняют и для измерения контраста необходимо сканирование на протяжении многочисленных интерференционных полос.

В заявках WO94/18523, WO03/093759 и US2006/0158659 описаны интерферометрические установки, в основу которых также положено сканирование всех интерференционных полос широкополосного света.

В свете изложенного выше в качестве объекта изобретения можно видеть интерферометрический датчик с измеряемым параметром, представленным относительным фазовым сдвигом между двумя волнами, в котором периодическая неоднозначность не проявляется. В качестве конкретного объекта изобретения можно видеть удаление периодической неоднозначности применительно к датчикам, измеряющим параметры постоянного тока, которые не осциллируют быстро в продолжение длительности измерений.

В DE1970121 раскрыты интерферометрические установки, в которых параметр контраста измеряется и используется для определения температуры датчика, чтобы можно было корректировать измеряемый сигнал. В заявке WO2011/069558 раскрыты интерферометрические датчики, измеряющие ток в диапазоне однозначных измерений, и в добавление к этому параметр контраста измеряется и используется для калибровки сигнала датчика.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому в соответствии с первым аспектом изобретения предложен интерферометрический датчик с чувствительным элементом, при помощи которого измеряемая величина индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, по меньшей мере одним детектором, измеряющим сигнал интерференции между двумя волнами, и также включающий в себя блок обнаружения фазового сдвига, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ) относительного фазового сдвига, и блок обнаружения контраста, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий вторую меру, представляющую собой взаимную корреляцию (А) между двумя волнами, и также блок обработки для преобразования первой и второй меры в значение измеряемой величины.

В общем физическом смысле термин «волна» в этой заявке означает слово, охватывающее колебательные перемещения всех видов по пространству и во времени. Волна может иметь узкий или широкий спектральный состав, может быть продолжительной или ограниченной по продолжительности и может генерироваться одним источником или может быть объединенной от многочисленных источников. По своей природе волна может быть механической (акустической), электромагнитной (оптической) или любого другого вида. В нижеследующем описании изобретение описывается с использованием в качестве примера световых волн. В таком случае две интерферирующие волны могут быть, например, двумя ортогональными модами (световой волны) с линейной или круговой поляризацией.

В принципе, две интерферирующие волны могут излучаться от двух различных, но взаимно (по меньшей мере частично) когерентных источников. Если две волны являются копиями одной и той же волны, то функция взаимной корреляции (также известная как степень взаимной когерентности) является автокорреляционной функцией (также известной как степень автокогерентности) рассматриваемой волны.

При измерениях напряжения или электрического поля согласно этому изобретению чувствительный элемент может содержать электрооптический кристалл, кристаллическое электрооптическое волокно, поляризованное волокно, или волокно или объемный оптический материал, прикрепленный к пьезоэлектрическому элементу. В случае выполнения измерений силы или деформации в соответствии с этим изобретением чувствительный элемент может содержать оптическое волокно или объемный оптический материал. В оптических датчиках магнитного поля или датчиках тока согласно этому изобретению чувствительный элемент может содержать оптические волокна или волноводы, в том числе специализированные волокна со слабым двулучепреломлением, волокна из флинта или крученые волокна с сильным двулучепреломлением; объемные магнитооптические материалы, такие как кристаллы железоиттриевого граната или блоки плавленого кварцевого стекла; или оптические волокна, волноводы или объемные оптические материалы, прикрепленные к магнитострикционному элементу; или сочетания из них.

Поскольку значение взаимной корреляции изменяется в зависимости от относительной групповой задержки между двумя волнами (которая в свою очередь пропорциональна их относительному фазовому сдвигу), на различных периодах сдвига фазы будут наблюдаться отличающиеся значения взаимной корреляции. Поэтому при использовании обнаруженной второй меры, представляющей собой взаимную корреляцию, в датчике можно удалять периодическую неоднозначность из измеряемого относительного фазового сдвига. Предпочтительно преобразовывать значение обнаруживаемой второй меры в цикловую переменную n при использовании функции или карты параметров, представляющей собой функцию взаимной корреляции волн в пределах диапазона измерений датчика, и объединяя с обнаруживаемой первой мерой, представляющей собой главное значение относительного фазового сдвига, определять соответствующее однозначное значение измеряемой величины.

Амплитуда функции взаимной корреляции (или автокорреляции) волны (волн) сама показывает интерференционный контраст или видность интерференционных полос. Различные способы можно использовать для получения описанных первой и второй мер, такие как поляриметрический способ или способ обнаружения фазы модуляции.

Вследствие соотношения для преобразования Фурье между взаимной корреляцией (или автокорреляцией) и спектром волны при интерференции должны иметь достаточно широкий спектр, чтобы получалась быстро изменяющаяся функция взаимной корреляции (или автокорреляции) в диапазоне такой же ширины, как ширина заданного диапазона измерений. Спектр может охватывать непрерывную полосу частот или может состоять из многочисленных разъединенных полос или разъединенных спектральных линий.

Статический компонент смещения групповой задержки можно использовать для регулирования смещения относительной групповой задержки, чтобы сдвигать заданный диапазон измерений на участок функции взаимной корреляции, на котором имеется сильная и монотонная зависимость от относительной групповой задержки. Компонент смещения групповой задержки вводят последовательно с чувствительной средой до места интерференции между двумя волнами.

В этой заявке слова «быстрый», «сильный» и подобные, относящиеся к вариации взаимной корреляции, означают, в частности, что разность значений взаимной корреляции между соседними периодами фазовых сдвигов является достаточно большой, разрешаемой при обнаружении второй меры блоком обработки сигналов, то есть |А(φ)-А(φ±2π)|»δА, где δА является неопределенностью измерения А(φ). Неопределенность δА зависит, среди прочего, от мощности источника света и времени усреднения сигналов.

Вариацию взаимной корреляции в зависимости от групповой задержки или фазового сдвига φ предпочтительно считать сильно изменяющейся, если относительная амплитуда сигнала интерференции изменяется на протяжении групповой задержки 2π на по меньшей мере 0,1%, то есть |А(φ)-А(φ±2π)|/А(φ)≥0,001, где А является «второй мерой», в частности амплитудой сигнала интерференции.

В частности, датчик является предпочтительным в качестве датчика сигналов постоянного тока и более предпочтительным для измерения напряжения постоянного тока или электрического поля, особенно для применений, связанных со средним или высоким напряжением.

Дальнейший аспект изобретения относится к способу определения первой меры, представляющей собой главное значение относительного сдвига, и определения второй меры, представляющей собой взаимную корреляцию между двумя волнами, при этом обе меры получают по сигналу интерференции двух волн, проходящих через чувствительный элемент, вносящий относительный фазовый сдвиг между двумя волнами при взаимодействии с измеряемой величиной, и преобразования первой и второй мер в значение измеряемой величины. Объединенные измерения меры взаимной корреляции и главного значения относительного фазового сдвига можно успешно использовать для удаления периодической неоднозначности из измерения фазового сдвига и поэтому можно значительно расширять диапазон однозначных измерений интерферометрического датчика.

Изложенные выше и другие аспекты настоящего изобретения вместе с дальнейшими предпочтительными вариантами осуществления и применениями изобретения характеризуются более детально в нижеследующем описании и на чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

фиг. 1А и 1В - иллюстрации функций или характеристик, предназначенных для использования в примере изобретения;

фиг. 2 - схема обнаружения поляриметрического квадратурного сигнала, предназначенная для использования в примере изобретения;

фиг. 3 - схема обнаружения фазы модуляции, предназначенная для использования в примере изобретения;

фиг. 4 - иллюстрация введения элемента смещения групповой задержки в датчик согласно примеру изобретения;

фиг. 5 - датчик напряжения постоянного тока на основе схемы обнаружения поляриметрического квадратурного сигнала согласно примеру изобретения;

фиг. 6 - датчик напряжения постоянного тока на основе схемы обнаружения поляриметрического квадратурного сигнала согласно другому примеру изобретения;

фиг. 7А и 7В - датчики напряжения постоянного тока на основе схемы обнаружения поляриметрического квадратурного сигнала с использованием отражательной конфигурации согласно примерам изобретения; и

фиг. 8 и 9 - датчики напряжения постоянного тока на основе схемы обнаружения сигнала фазовой модуляции согласно примерам изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже взятый для примера интерферометр с ортогональной поляризацией используется при описании этапов обработки или преобразования сигналов, используемых в настоящем изобретении. Следует отметить, что основные принципы описываемого примера применимы к интерферометрическим датчикам многочисленных различных видов, недостатком которых является неоднозначность от периода к периоду. Поэтому фактически их можно применять к интерферометрам любых видов (Майкельсона, Маха-Цендера, Фабри-Перо, Саньяка и т.д.) при только небольших различиях в реализации или интерпретации.

Обычно для интерферометра сигнал оптического детектора после интерференции можно записать как сумму основного члена, который пропорционален выходной мощности источника света, и синусоидального члена, который изменяется в зависимости от фазового сдвига φ между интерферирующими волнами, находящимися под влиянием измеряемой величины. Кроме того, интерференция немонохроматических волн вносит дополнительную модификацию А(τ) в сигнал детектора, которая связана с временной когерентностью волн. Ее можно математически выразить как степень взаимной когерентности или функции взаимной корреляции поля с относительной групповой задержкой τ в качестве аргумента. Исходя из этого сигнал детектора при типичном измерении интерференции можно представить в общих членах выражения как

I(x)=I₀/2[1+A(τ(x)) cos(φ(x))],(1)

где I₀ представляет собой полную мощность, излучаемую источником света, φ является фазовым сдвигом при центральной длине волны интерферирующих волн и А(τ) является интерференционным контрастом или видностью интерференционных полос, которую также обычно определяют и измеряют как разность соседних максимума и минимума интерференционной полосы, деленную на сумму их. Можно математически доказать, что в случае немонохроматического излучения интерференционный контраст А представляет собой амплитуду степени взаимной когерентности или функцию взаимной корреляции двух интерферирующих волн. В случае, когда волны являются копиями одной и той же волны, А является степенью автокогерентности или автокорреляционной функцией рассматриваемой волны. Поэтому сигнал I(x) датчика зависит от фазового сдвига φ и функции А(τ) взаимной корреляции, которые являются функциями измеряемой величины x.

Типичная характеристика сигнала детектора показана на фиг. 1А и 1В на примере интерференции двух копий световой волны с гауссовым спектром при полной ширине полосы 120 нм на полувысоте, центрированной около 1310 нм. Ради простоты чувствительная среда предполагается недиспергирующей.

Нормированный сигнал детектора показан как осциллирующая кривая 11 в зависимости от относительного фазового сдвига φ с наложенным интерференционным контрастом А (автокорреляционной функцией) в виде кривой 12 как функции относительной групповой задержки τ в фемтосекундах (фс). Последняя образует огибающую кривую поверх пиков сигнала 11 детектора. На фиг. 1В осциллирующая кривая 13 является главным значением фазового сдвига (фазового сдвига по модулю 2π в пределах диапазона (-π, +π)), а кривая 12 и в этом случае является интерференционным контрастом А. Участок 14 между вертикальными пунктирными линиями представляет собой 7-полосный диапазон, пригодный для однозначного определения относительного фазового сдвига φ, с сильной монотонной зависимостью интерференционного контраста А от относительной групповой задержки τ.

Теорема Винера-Хинчина гласит, что автокорреляционная функция является обратным преобразованием Фурье спектра мощности. Поэтому широкополосное излучение представляет собой также излучение с низкой когерентностью, автокорреляционная функция которого представляет собой узкую функцию со значением, значительно изменяющимся от одного периода фазы к другому в пределах времени когерентности. Сечение автокорреляционной функции там, где она имеет сильную монотонную зависимость от относительной групповой задержки (например, на участке 14 между вертикальными пунктирными линиями на фиг. 1В), представляет собой подходящий диапазон однозначных измерений с шириной, определяемой спектром и смещением, регулируемым с помощью статического компонента смещения групповой задержки. Этим статическим компонентом может быть двулучепреломляющий кристалл или двулучепреломляющий волоконно-оптический компонент (такой как сохраняющее поляризацию волокно), если волны при интерференции являются ортогональными волнами с линейной поляризацией, или фарадеевский вращатель, если волны при интерференции являются ортогональными волнами с круговой поляризацией. Компонент смещения групповой задержки вводят последовательно с чувствительной средой до места интерференции двух волн.

Следовательно, при условии, что главное значение ϕ фазового сдвига (φ по модулю 2π в пределах (-π, +π)) и интерференционного контраста измеряются одновременно, в диапазоне, где функция взаимной корреляции имеет сильную монотонную зависимость от относительной групповой задержки (например, на участке 14 между вертикальными пунктирными линиями на фиг. 1В), интерференционный контраст можно использовать для отнесения измеряемого главного значения фазового сдвига к корректному периоду и тем самым для однозначного определения полного значения относительного фазового сдвига. Иначе говоря, в этом диапазоне интерференционный контраст можно использовать для однозначного приписывания цикловой переменной n к главному значению фазового сдвига, когда каждый период обнаруживаемого главного значения 13 фазового сдвига имеет отличающееся значение интерференционного контраста в пределах монотонной части кривой 12.

Стоит отметить, что измерение интерференционного контраста A(τ(x)) по себе уже дает однозначное измерение x (что используется в патенте США №5301010, упомянутом выше, см. ссылочный материал [26]). Однако точного измерения контраста обычно недостаточно для получения достаточно точного измерения измеряемой величины x. Применяя способы, описанные в настоящем изобретении, интерференционный контраст A(τ(x)) можно использовать для удаления неоднозначности от периода к периоду из одновременно измеряемого главного значения ϕ фазового сдвига, которое имеет намного более высокую чувствительность к x и поэтому является более точным.

Одна возможная процедура заключается в следующем: по измеренному главному значению ϕ фазового сдвига вычисляют перечень всех возможных полных значений относительного фазового сдвига φ_n=ϕ+2nπ в пределах диапазона измерений и затем преобразуют в соответствующие значения x_n измеряемой величины. После этого, используя заданную функцию или карту параметров, представляющую собой автокорреляционную функцию A(x), соответствующие значения A_n=A(x_n) контраста определяют и сравнивают с измеряемым значением А. Затем n, имеющее наименьшее отклонение |A_n-A|, можно выбрать для определения полного относительного фазового сдвига φ_n и тем самым значения x_n измеряемой величины.

Следует отметить, что изложенная выше процедура рассмотрена только для примера и что имеются другие возможные способы обработки сигналов, такие как разделение функции A(x) (кривой 12) на сегменты значений на основании 2π периодов или преобразование измерения контраста сначала в соответствующее полное значение фазового сдвига, а не в измеряемую величину x. Однако общее возможных способов заключается в том, что измерение интерференционного контраста (А) используют для получения грубого, но однозначного измерения x, а при объединении с неоднозначным, но высокоточным измерением главного значения (ϕ) фазового сдвига, получают однозначное и высокоточное измерение x.

Любой способ, который позволяет одновременно измерять главное значение ϕ фазового сдвига и интерференционный контраст А, можно использовать для реализации этого изобретения. Далее представлены два примера таких способов.

Первый пример относится к поляриметрическому способу, в соответствии с которым на фиг. 2 схематично показан типичный датчик с использованием поляриметрического квадратурного обнаружения, в котором статическое смещение оптического фазового сдвига внесено между двумя каналами обнаружения. Показаны такие компоненты, как источник 20 света, входной поляризатор 21, чувствительный элемент 22 (который при использовании подвергается воздействию измеряемой величины), первый светоделитель 23-1, второй светоделитель 23-2, четвертьволновая фазовая пластинка (ЧВФП) 24, первый выходной поляризатор 25-1, второй выходной поляризатор 25-2 и три детектора 26-1, 26-2 и 26-3 оптической мощности. Траектория пучка волны показана пунктирной линией (линиями). Три детектора связаны с траекторией выходного пучка: первый детектор 26-1 без присоединенного поляризатора, второй детектор 26-2 с линейным выходным поляризатором 25-1 и третий детектор 26-3 с четвертьволновой фазовой пластинкой 24 и линейным выходным поляризатором 25-2. Оптические сигналы, измеряемые на трех детекторах, с точностью до некоторых коэффициентов пропорциональности имеют вид, соответственно,

I₁=I₀,

I₂=I₀/2[1+A(τ) cos(φ)],

I₃=I₀/2[1+A(τ) sin(φ)],(2)

где I₀ представляет собой полную мощность, излучаемую источником 20 света, и φ является относительным фазовым сдвигом на светоделителе 23-1.

В первой части 31-1 (или блоке обнаружения фазового сдвига) блока 31 обработки сигналов по меньшей мере некоторые из измеряемых сигналов объединяются для получения первой меры, представляющей собой главное значение фазового сдвига. Во второй части 31-2 (или блоке обнаружения контраста) блока 31 обработки сигналов по меньшей мере некоторые из измеряемых сигналов объединяются для получения второй меры, представляющей собой функцию А взаимной корреляции или автокорреляции. Для этого существует некоторое количество способов обработки сигналов. Например, в блоке 31 обработки сигналов может формироваться вектор или комплексная переменная Y в следующем виде

При использовании этой формулировки главное значение ϕ фазового сдвига, определяемое в (-π, π), получают как аргумент или фазу Y, а интерференционный контраст А равен абсолютному значению Y.

Кроме того, можно показать, что схема обнаружения, представленная на фиг. 2, также работает без смещения фазы точно на 90° (хотя это предпочтительно), и только необходимо иметь два поляриметрических канала, которые имеют некоторую известную относительную разность фаз, отличающуюся от 0° или 180°. Фактически, если, например, третий детекторный канал с детектором 26-3 имеет дополнительное смещение δ фазы, комплексную переменную можно вычислять как

при этом аргумент и абсолютное значение Y дают главное значение фазового сдвига и интерференционный контраст. В этом случае четвертьволновая фазовая пластинка 24 может быть заменена любой фазовой пластинкой, отличной от волновой и полуволновой пластинок.

В другом варианте для измерения I₀ можно иметь детекторы, измеряющие противофазные выходные сигналы с поляризующего светоделителя (заменяющего поляризатор 25-1 или 25-2), в по меньшей мере одном из двух поляриметрических детекторных каналов, представленные детекторами 26-2 и 26-3. В таком случае сумма двух противофазных выходных сигналов дает полную световую мощность I₀. Следует также отметить, что измерение I₀ не требуется в случаях, когда полная световая мощность известна и/или сохраняется постоянной, или может легко контролироваться или регулироваться с помощью электронного средства или при использовании других детекторов, расположенных до оптической подсистемы обнаружения.

В качестве второго примера способа, которым одновременно измеряют главное значение фазового сдвига и интерференционный контраст, на фиг. 3 показан пример изобретения с использованием активной схемы фазовой модуляции. В показанном датчике используется принцип обнаружения фазы модуляции (ОФМ), часто реализуемый в схеме невзаимной фазовой модуляции и обычно используемый в волоконно-оптических гироскопах и датчиках тока. В патенте США №7911196 совместного использования, упомянутом выше в качестве ссылочного материала [9], описан для примера датчик напряжения, включающий в себя чувствительный к напряжению элемент (или несколько таких элементов), фарадеевский вращатель на 45° и электронику для обнаружения фазы модуляции и детектирования. Важно отметить, что принцип обнаружения фазы модуляции ранее использовался только измерения главного значения фазового сдвига. Но, как показывается ниже, такую же схему измерения можно распространить на случай одновременного получения интерференционного контраста.

Основными компонентами датчика с использованием схемы обнаружения фазы модуляции, показанными на фиг. 3 (и при использовании таких же позиций, как на фиг. 2, для компонентов с одинаковыми или подобными функциями), являются источник 20 света, входной поляризатор 21, чувствительный элемент 22 (который при использовании подвергается воздействию измеряемой величины), выходной поляризатор 25 и детектор 26. Траектория пучка волны показана пунктирной линией (линиями). Кроме того, в траекторию пучка введен двулучепреломляющий фазовый модулятор 30. Фазовый модулятор 30 и детектор 26 связаны с блоком 31 обработки сигналов, предназначенным для выполнения анализа сигналов, описанного ниже.

Двулучепреломляющий фазовый модулятор 30 находится в последовательном оптическом соединении с чувствительной средой 22, так что дополнительная оптическая модуляция β(t) фазового сдвига может быть добавлена к измеряемому фазовому сдвигу. Детектор 26 измеряет модулированную оптическую мощность после линейного поляризатора 25. Модулированный сигнал детектора может быть записан как

I(t)=I₀/2[1+A(τ) cos(φ+β(t))],(4)

где I₀ представляет собой полную мощность источника, φ является относительным фазовым сдвигом при центральной длине волны без дополнительной модуляции и А(τ) является интерференционным контрастом.

Как и в примере из фиг. 2, приведенном выше, в первой части (или блоке обнаружения фазового сдвига) 31-2 блока 31 обработки сигналов анализируется обнаруживаемый сигнал I(t) для получения первой меры, представляющей собой главное значение ϕ фазового сдвига из относительного фазового сдвига φ; во второй части (или блоке обнаружения контраста) 31-2 блока 31 обработки сигналов анализируется обнаруживаемый сигнал I(t) для получения второй меры, представляющей собой функцию А взаимной корреляции или автокорреляции. И в этом случае имеются схемы различные схемы модуляции и обработки сигналов. В одной версии схемы обнаружения фазы модуляции синусоидальная модуляция β(t)=βsin(Ωt) создается фазовым модулятором 30. Сигнал детектора из уравнения (4) в разложении в ряд Фурье может быть записан в виде ряда гармоник различных порядков k частоты Ω модуляции, то есть,

I(t)=Σ[B_k cos(kΩt+ξ_k)];(4')

при использовании функций Бесселя J_k(β) первого рода первые три амплитуды B_k гармоник и фазы ξ_k имеют вид

B₀=(I₀/2)[1+A(τ)J₀(β) cos(φ)], ξ₀=0,

B₁=I₀*A(τ)J₁(β) sin(φ), ξ₁=π/2,

B₂=I₀*A(τ)J₂(β) cos(φ), ξ₂=0.

Знаки гармонических составляющих могут быть определены путем сравнения фаз гармонических составляющих с фазами волновых сигналов возбуждения.

Вектор или комплексное число может быть образовано на основании изложенного выше представления, что позволит получить главное значение ϕ фазового сдвига и интерференционный контраст А по обнаруживаемым амплитудам B_k гармоник.

Y=B₂/J₂(β)+iB₁/J₁(β)=I₀A(τ) exp(iφ).(5)

Как и в примере из фиг. 2, приведенном выше, главное значение ϕ фазового сдвига может быть вычислено как аргумент Y, а интерференционный контраст А равен его абсолютному значению, деленному на I₀. Полная мощность I₀ может быть вычислена как I₀=2B₀-J₀(β) abs(Y) cos(arg(Y)).

Предпочтительная амплитуда модуляции составляет β=1,84 рад, в тех случаях, когда J₁(β) имеет первый максимум; другая предпочтительная амплитуда составляет β=2,63 рад в тех случаях, когда J₁(β) и J₂(β) равны. Однако в принципе, чтобы способ обнаружения фазы модуляции работал, амплитуда β фазовой модуляции может быть сколь угодно малой. Кроме того, известно, что амплитуду β модуляции также вычислять по измеренным амплитудам гармоник, например, для стабилизации амплитуды. Вместо синусоидальной модуляции можно использовать другие формы колебаний, в частности, модуляцию симметричными прямоугольными импульсами. Дальнейшие подробности обработки сигналов фазы модуляции с разомкнутым контуром можно найти в ссылочных материалах [6, 27].

Как пояснялось ранее, подходящий диапазон однозначных измерений находится в пределах области, в которой функция А(τ) взаимной корреляции является монотонной и в которой предпочтительно, чтобы наклон |dA(τ)/dτ| был по возможности больше (то есть, соответствовал наиболее крутому месту). На фиг. 1В эта область показана как участок 14 между двумя вертикальными пунктирными линиями. И для гарантии попадания заданного диапазона измерений датчика в эту область можно добавить заданное смещение групповой задержки путем введения (статического) элемента 40 смещения групповой задержки, показанного на фиг. 4, на оптический путь последовательно с чувствительным элементом 22. Следует отметить, что элемент 40 смещения групповой задержки может быть введен в любое место между входным поляризатором 21 и местом, где волны интерферируют.

Схема обнаружения, представленная на фиг. 4 общим блоком 41 обнаружения, может быть поляриметрической схемой или схемой обнаружения фазы модуляции, описанной выше, или любой другой схемой обнаружения, которая одновременно обнаруживает главное значение фазового сдвига и интерференционный контраст. Как уже описывалось в связи с фиг. 1, смещение групповой задержки статическим элементом 40 и время когерентности источника 20 света следует выбирать так, чтобы заданный диапазон измерений измеряемой величины x соответствовал диапазону τ(x) групповой задержки, то есть содержался в пределах монотонного участка функции А(τ) с большим наклоном |dA(τ)/dτ|. После выбора компонентов или узла датчика функция A(x)=A(τ(x)) интерференционного контраста может быть вычислена или прокалибрована для конкретного датчика или может быть сохранена в табличной или функциональной форме для взаимно однозначного преобразования между А и цикловой переменной n или измеряемой величиной x.

Как упоминалось выше, удаление описанной неоднозначности от периода к периоду может быть применено к интерферометрическим датчикам многих видов. Однако, как описано, например, в ссылочном материале [1], вследствие отсутствия сравнимых альтернатив оно является особенно пригодным для расширения диапазона измерений датчиков электрического поля или напряжения постоянного тока.

В этих датчиках низкокогерентный источник света (например, источник со сверхлюминесцентным светодиодом, центральной длиной волны 1310 нм, полной шириной полосы 40 нм на полувысоте) используется для создания сигналов интерференции, автокорреляция которых значительно изменяется от одного периода фазы к другому. Электрооптический кристалл используется в качестве чувствительной среды для преобразования измеряемого напряжения в относительный фазовый сдвиг между модами ортогональной поляризации в кристалле. Предпочтителен электрооптический кристалл без собственного двулучепреломления (такой как Bi₄Ge₃O₁₂, оксид германия и висмута). Кроме того, в качестве чувствительной к напряжению среды можно использовать электрооптический волновод или волокно. Торцевые поверхности кристалла оксида германия и висмута (срезы, перпендикулярные к направлению [001]) электрически соединяют с электродами, на которых создается падение напряжения.

Следовательно, по сравнению с некоторыми схемами датчиков из предшествующего уровня техники полное напряжение (не часть его) прикладывают к чувствительному кристаллу. Напряжение прикладывают в продольном направлении кристалла, поэтому измеряют интеграл по пути электрического поля в этом направлении (то есть, направлении приложенного напряжения). Следовательно, измерение напряжения не зависит от внутреннего перераспределения зарядов в кристалле.

В примере поляриметрического детектора напряжения, показанного на фиг. 5, элементы из фиг. 2 и фиг. 4 объединены (и поэтому в случае необходимости использованы одинаковые позиции).

На фиг. 5 показана схема датчика постоянного напряжения с расширенным диапазоном, в котором чувствительный элемент использован в режиме пропускания. Три детекторных канала 26-1, 26-2 и 26-3 выдают полную световую мощность и два квадратурных поляриметрических сигнала, соответственно, которые описаны выше (см. уравнение (2)). Двулучепреломляющий кристалл со статической относительной групповой задержкой (такой как кристаллическая кварцевая волновая пластинка) введен между входным поляризатором 21 и вторым светоделителем 23-2 в качестве элемента 40 смещения групповой задержки, рассмотренного выше. Использование элемента 40 смещения групповой задержки предпочтительно, но не всегда необходимо, если полярность измеряемого напряжения известна, и поэтому знак наклона кривой 12 из фиг. 1А и фиг. 1В в диапазоне измерений известен. Если полярность напряжения неизвестна, двулучепреломляющий кристалл 40 служит для расширения диапазона однозначных измерений при обеих полярностях. Кроме того, двулучепреломляющий кристалл можно не включать при использовании электрооптического кристалла с собственным двулучепреломлением в качестве чувствительного элемента 22, который создает заданное смещение групповой задержки. Для уменьшения температурной зависимости смещения групповой задержки элемент 40 смещения групповой задержки может быть составным оптическим устройством, выполненным из двух последовательно расположенных кристаллов, либо с параллельными оптическими осями, если их термооптические коэффициенты двулучепреломления имеют противоположные знаки, либо с переставленными оптическими осями, если их термооптические коэффициенты двулучепреломления имеют одинаковые знаки. В дополнение к этому можно измерять температуру элемента смещения групповой задержки, вследствие чего при обработке сигналов можно компенсировать зависящие от температуры изменения групповой задержки и фазового сдвига.

Оси входного поляризатора 21 и двух выходных поляризаторов 25-1 и 25-2 расположены под углом ±45°, тогда как оси элемента 40 смещения групповой задержки и четвертьволновой фазовой пластинки 24 расположены параллельно электрооптическим осям чувствительного элемента 22. В этом примере измеряемой величиной x является напряжение V, прикладываемое между торцевыми поверхностями кристалла оксида германия и висмута, имеющего ось [001] кристалла, ориентированную в направлении распространения световой волны. Предпочтительно ориентировать оси светоделителей под углом 45° относительно осей электрооптического кристалла, чтобы выравнивать любой возможный фазовый сдвиг двух волн поляризации, который может возникать в светоделителе. Любые остаточные фазовые сдвиги в системе, например в светоделителе или вследствие остаточного собственного двулучепреломления, можно охарактеризовать и учесть при вычислении. Кроме того, остаточное двулучепреломление оксида германия и висмута, если оно имеется, можно уменьшить последовательным сочетанием двух кристаллов оксида германия и висмута с встречно-параллельными осями [001] и осями x/y, повернутыми на 90° друг от друга. В такой схеме электрооптические фазовые сдвиги складываются, тогда как собственное двулучепреломление подавляется, что приводит к лучшей стабильности нулевой точки.

На фиг. 6 изображено устройство, подобное устройству из фиг. 5, которое используется для выполнения измерений полной мощности другим способом, ранее рассмотренным выше в сочетании с уравнением (2). Использован только один свободный от двулучепреломления светоделитель 23-2, а два детекторных канала с детекторами 26-1 и 26-2 связаны с двумя противофазными выходами поляризующего светоделителя 60. Полная оптическая мощность дается суммой мощностей на детекторах 26-1 и 26-2, тогда как детектор 26-1 (или 26-2) и детектор 26-3 образуют пару квадратурных поляриметрических каналов.

Вместо измерения полной оптической мощности на выходном конце кристалла оксида германия и висмута можно также выполнять мониторинг полной световой мощности до прихода света на чувствительный кристалл. Можно даже полагаться на внутреннее контрольного устройства источника 20 света, чтобы отслеживать изменения мощности или поддержания стабильной оптической выходной мощности. Однако такие схемы не могут быть нацелены на учет изменений оптических потерь на пути от источника света до поляриметрических детекторов, что может быть важным для практического датчика, особенно в случае, если волоконная оптика используется для передачи света от источника света до чувствительного кристалла.

Кроме того, поляриметрические датчики напряжения можно проектировать в отражательной конфигурации, в которой электрооптический фазовый сдвиг, индуцируемый измеряемой величиной, удваивается. Примеры, иллюстрирующие такую конфигурацию, показаны на фиг. 7А и 7В, где отражательная оптика 70 помещена на одном конце кристалла, а все другие оптические элементы расположены на другом конце. Другие элементы идентичны или подобны элементам, уже описанным выше при обращении к фиг. 5.

Отражательная оптика 70 может быть плоским/криволинейным зеркалом, крышеобразным зеркалом, уголковым ретроотражателем или просто отражающим тонкопленочным покрытием, осажденным на торцевую поверхность кристалла. При отражении на отражательной оптике должно идеально сохраняться состояние поляризации света без поворота зависящего от поляризации фазового сдвига. Кроме того, любой остаточный фазовый сдвиг в результате отражения можно охарактеризовать и учесть при калибровке. Предпочтительно, чтобы источник света и детекторный конец кристалла были связаны с нулевым потенциалом, а конец отражателя - с высоким напряжением, для поддержания источника света и детекторов при нулевом потенциале.

На фиг. 8 и 9 показаны примеры датчика постоянного напряжения с расширенным диапазоном в сочетании со схемой обнаружения фазы модуляции. Как указывалось выше (см. уравнение (4')), схема обнаружения фазы модуляции относится к другому способу одновременного измерения фазового сдвига и интерференционного контраста. Однако датчик напряжения на основе обнаружения фазы модуляции в просветной конфигурации, подобной конфигурации, показанной на фиг. 3, не пригоден для большей части практических применений, поскольку собственные фазовые сдвиги в фазовом модуляторе 30 и соединительные сохраняющие поляризацию волокна обычно являются очень чувствительными к изменениям температуры и/или механического напряжения. Поэтому на выходной сигнал просветного датчика напряжения на основе обнаружения фазы модуляции легко влияют возмущения окружающей среды.

С другой стороны, робастные датчики обнаружения фазы модуляции можно проектировать на основе взаимно-обратной оптической схемы, в соответствии с которой две интерферирующие волны распространяются встречно в петле (например, в случае волоконно-оптического гироскопа) или при отражении возвращаются по первоначальному оптическому пути с измененной ортогональной поляризацией (например, в случае отражательного волоконно-оптического датчика тока). В таких схемах собственные фазовые сдвиги фазового модулятора и соединительных сохраняющих поляризацию волокон автоматически нейтрализуются на обратном пути (и следовательно, их температурные зависимости), тогда как фазовая модуляция и индуцируемый измеряемой величиной фазовый сдвиг удваиваются. Как уже пояснялось во введении, этот процесс обычно называют невзаимной фазовой модуляцией.

В патенте США №7911196 совместного использования (ссылочный материал [9]) описан датчик напряжения с невзаимной фазовой модуляцией, включающий в себя чувствительный к напряжению элемент (или несколько таких элементов), фарадеевский вращатель на 45°, электронику для обнаружения фазы модуляции и детектирования. Датчик из этого патента способен однозначно измерять электрооптический фазовый сдвиг при постоянном напряжении только в диапазоне от -π до +π, так как существует проблема неоднозначности фазового сдвига от периода к периоду. Однако, как показано выше, схема обработки сигнала фазы модуляции также может быть распространена на получение интерференционного контраста A(τ(x)) в дополнение к фазовому сдвигу. Поэтому в случае низкокогерентного источника света датчики, описанные, например, в патенте США №7911196, можно использовать для однозначного измерения напряжения постоянного тока в расширенном диапазоне, если применять основанные на контрасте, устраняющие неоднозначность способы и устройства, описанные в этой заявке.

Для всех вариантов осуществления из патента США №7911196 можно получать положительный результат на основании этого изобретения. Для демонстрации, каким образом изобретение из этого патента может быть распространено за пределы диапазона измерений 2π, соответствующая адаптация примера, описанного в патенте США №7911196 показана на фиг. 8, при этом использованы элементы, уже описанные выше при обращении к фиг. 3. В данном случае низкокогерентный источник 20 света и фотодетектор 26 соединены через волоконно-оптический соединитель 1×2 с чувствительным элементом 22. Сначала свет проходит через линейный поляризатор 21, входит в сохраняющую поляризацию (СП) волокно 80 и вводится по обеим осям в волоконно-оптический двулучепреломляющий фазовый модулятор 30 через 45-градусный сросток 81. Далее свет выводится из коллиматора 82, проходит через 45-градусный фарадеевский вращатель 83, элемент 40 смещения групповой задержки и входит в чувствительный элемент 22 (по оси [001] в кристалл оксида германия и висмута), торцы которого электрически соединены с источником напряжения V. Торцевые поверхности кристалла могут быть покрыты прозрачным электропроводным электродным слоем. Свет отражается обратно последовательно в чувствительную среду, элемент смещения групповой задержки, фарадеевский вращатель и сохраняющее поляризацию волокно отражательной оптикой 70 на дальнем конце чувствительного элемента 22. Отражательная оптика может быть плоским/криволинейным зеркалом, крышеобразным зеркалом, уголковым ретроотражателем или просто отражающим тонкопленочным покрытием, осажденным на торцевую поверхность кристалла. В этом примере при отражении на отражательной оптике должно сохраняться состояние поляризации света без поворота или сдвига зависящей от поляризации фазы.

Двулучепреломляющий кристалл, действующий как статический элемент 40 смещения групповой задержки (такой как волновая пластинка из кристаллического кварца), введен между фарадеевским вращателем 83 и отражательной оптикой 70 для регулирования смещения групповой задержки, рассмотренного выше при обращении к фиг. 1В. Оптические оси кристалла оксида германия и висмута и двулучепреломляющего кристалла расположены под углом 45° относительно осей сохраняющего поляризацию волокна, ведущего к коллиматору 82.

Вследствие двойного фарадеевского поворота на 45° поляризации интерферирующих ортогонально поляризованных волн на обратном пути изменяются, когда волны повторно входят в сохраняющее поляризацию волокно и двулучепреломляющий фазовый модулятор 30, при этом нейтрализуются соответствующие собственные фазовые сдвиги и исключается температурная зависимость их. 45-градусный сросток 81 и поляризатор 21 на обратном пути делают возможным когерентное смешение волн поляризации, при этом на фотодетекторе 26 измеряется результирующая световая мощность.

Блок 31 обработки сигналов и управления регулирует сигнал фазовой модуляции и измеряет световую мощность на фотодетекторе. Он вычисляет главное значение фазового сдвига и интерференционный контраст, например, в соответствии с процедурой, определенной в уравнении (4'). В заключение выполняется объединение главного значения фазового сдвига и интерференционного контраста для получения однозначного измерения напряжения.

Любые остаточные фазовые сдвиги системы, например, со стороны светоделителя или отражательной оптики или вследствие остаточного собственного двулучепреломления кристалла оксида германия и висмута можно охарактеризовать и учесть при калибровке.

На фиг. 9 показана петлевая конфигурация, в которой отражательная оптика 70 из фиг. 8 заменена фазовым модулятором 30 Y-типа и другим набором из коллиматора 82' и фарадеевского вращателя 83'. Благодаря фарадеевским вращателям 83 и 83' волны поляризуются вдоль ортогональных электрооптических осей чувствительной среды 22 в двух противоположных направлениях распространения, тогда как они поляризуются вдоль одной и той же оси в сохраняющем поляризацию волокне 80. Преимущество по сравнению с отражательной конфигурацией из фиг. 8 заключается в том, что имеется большая степень свободы при юстировке оптических компонентов, при этом можно упростить ввод света из электрооптического кристалла обратно в сохраняющее поляризацию волокно 80. Возможный недостаток схемы из фиг. 9 заключается в большем количестве компонентов.

Хотя некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения были показаны и описаны выше, должно быть понятно, что изобретение не ограничено ими, а может быть иным различным образом реализовано и применено на практике без отступления от объема нижеследующей формулы изобретения.

Хотя в примерах, приведенных выше, описаны датчики, основанные на оптической интерферометрии, следует понимать, что это изобретение может быть применено в интерферометрах всех видов. Например, для интерферометра, работающего в радиочастотном диапазоне или других диапазонах электромагнитного излучения, также можно получать положительный результат от аналогичного однозначного расширения диапазона измерений. Кроме того, изобретение не ограничено электромагнитными волнами. Для любого интерферометра с использованием волн, будь то акустические, плотности или волны других видов, также можно получать положительный результат аналогичным образом.

Низкокогерентный источник может быть источником света с широкой полосой частот или синтезированным источником, выполненным из многочисленных источников с различными длинами волн. Форма его спектра не является существенной. Обратная величина общей ширины полосы частот должна быть одного порядка с интервалом групповой задержки, соответствующим ширине заданного диапазона однозначных измерений датчика.

Хотя схемы датчика напряжения постоянного тока описаны в качестве примеров, это изобретение также можно легко применить к волоконно-оптическому датчику тока, волоконному гироскопу или интерферометрическим датчикам другого вида. Однако оно является особенно предпочтительным для любых интерферометрических датчиков постоянного тока, охватывающих большой диапазон, когда абсолютный нулевой отсчет отсутствует.

ЦИТИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

[1] G. A. Massey, D. C. Erickson, and R. A. Kadlec, ʺElectromagnetic field components: their measurement using linear electro-optic and magneto-optic effectsʺ, Appl. Opt., vol. 14, pp. 2712-2719, 1975.

[2] K. Bohnert and J. Nehring, ʺMethod and device for the optical determination of a physical quantityʺ, патент США №5715058, 1998.

[3] R. C. Miller, ʺElectro-optical voltage measuring system incorporating a method and apparatus to derive the measured voltage waveform from two phase shifted electrical signalsʺ, патент США №4904931, 1990.

[4] R. C. Miller, ʺMethod of deriving an AC waveform from two phase shifted electrical signalsʺ, патент США №5001419, 1991.

[5] K. Kurosawa, S. Yoshida, E. Mori, G. Takahashi, and S. Saito, ʺDevelopment of an optical instrument transformer for DC voltage measurementʺ, Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 8, pp. 1721-1726, 1993.

[6] H. Lefèvrе, The Fiber-Optic Gyroscope: Artech House, 1993.

[7] K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, and H. Brändle, ʺTemperature and vibration insensitive fiber-optic current sensorʺ, Journal of Light-wave Technology, vol. 20, pp. 267-276, 2002.

[8] K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, H. Brändle, and M. G. Brunzel, ʺFiber-Optic Current Sensor for Electrowinning of Metalsʺ, J. Lightwave Technol., vol. 25, pp. 3602-3609, 2007.

[9] K. Bohnert, ʺOptical voltage sensorʺ, патент США №7911196B2, 2011.

[10] C. Zhang, X. Feng, S. Liang, and C. Li, ʺQuasi-reciprocal reflective optical voltage sensor based on Pockels effect with digital closed-loop detection techniqueʺ, Optics Communications, vol. 283, pp. 3878-3883, 2010.

[11] O. Beierl, T. Bosselmann, and M. Willsch, ʺMethod and arrangement for optically detecting an electrical variableʺ, заявка WO9805975A1, 1998.

[12] M. Stanimirov, U. Meier, K. Bohnert, and J. Glock, ʺMethod of measuring a voltage and voltage sensorʺ, EP1179735A1, 2002.

[13] J. Brooks, R. Wentworth, R. Youngquist, M. Tur, K. Byoung-Yoon, and H. J. Shaw, ʺCoherence multiplexing of fiber-optic interferometric sensorsʺ, Lightwave Technology, Journal of, vol. 3, pp. 1062-1072, 1985.

[14] S. A. Al-Chalabi, B. Culshaw, and D. E. N. Davies, ʺPartially Coherent Sources in Interferometric Sensorsʺ, in 1st International Conference on Optical Fibre Sensors, London, England, 1983, pp. 132-135.

[15] T. Bosselmann and R. Ulrich, ʺHigh-Accuracy Position-Sensing With Fiber-Coupled White-Light Interferometersʺ, in 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Stuttgart, Germany, 1984, pp. 361-364.

[16] R. Ulrich, ʺMethod for the measurement of lengths and displacementsʺ, патент США №4596466, 1986.

[17] G. Beheim, K. Fritsch, and R. N. Poorman, ʺFiber-linked interferometric pressure sensorʺ, Review of Scientific Instruments, vol. 58, pp. 1655-1659, 1987.

[18] G. Beheim, ʺFibre-Optic Thermometer Using Semiconductor-Etalon Sensorʺ, Electronics Letters, vol. 22, pp. 238-239, 1986.

[19] F. Farahi, T. P. Newson, J. D. C. Jones, and D. A. Jackson, ʺCoherence multiplexing of remote fibre optic Fabry-Perot sensing systemʺ, Optics Communications, vol. 65, pp. 319-321, 1988.

[20] A. Koch and R. Ulrich, ʺDisplacement sensor with electronically scanned white-light interferometerʺ, in Fiber Optic Sensors IV, 1990, pp. 126-133.

[21] R. C. Youngquist, S. Carr, and D. E. N. Davies, ʺOptical coherence-domain reflectometry: a new optical evaluation techniqueʺ, Opt. Lett., vol. 12, pp. 158-160, 1987.

[22] K. Takada, I. Yokohama, K. Chida, and J. Noda, ʺNew measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric techniqueʺ, Appl. Opt., vol. 26, pp. 1603-1606, 1987.

[23] P. J. Caber, ʺInterferometric profiler for rough surfacesʺ, Appl. Opt., vol. 32, pp. 3438-3441, 1993.

[24] D. Huang, E. Swanson, C. Lin, J. Schuman, W. Stinson, W. Chang, M. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. Puliafito, and a. et, ʺOptical coherence tomographyʺ, Science, vol. 254, pp. 1178-1181, November 22, 1991.

[25] A. F. Fercher, C. K. Hitzenberger, G. Kamp, and S. Y. El-Zaiat, ʺMeasurement of intraocular distances by backscattering spectral interferometryʺ, Optics Communications, vol. 117, pp. 43-48, 1995.

[26] R. Jones, R. J. Welford, and M. S. Hazell, ʺInterferometer having a short coherence length light source and means for identifying interference fringesʺ, патент США №5301010, 1994.

[27] S. M. Bennett and R. B. Dyott, ʺDSP Signal Processing for Open Loop Fiber Optic Sensorsʺ, патент США №6429939B1, 2002.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

11 - нормированный сигнал детектора;

12 - интерференционный контраст;

13 - главное значение фазового сдвига;

14 - участок сильно изменяющегося интерференционного контраста;

20 - волна или источник света;

21 - входной поляризатор;

22 - чувствительный элемент;

23-1, 23-2 - светоделитель;

24 - четвертьволновая фазовая пластинка (ЧВФП);

25, 25-1, 25-2 - выходной поляризатор;

41, 26, 26-1, 26-2, 26-3 - волновой или оптический детектор;

30 - фазовый модулятор;

31 - блок обработки сигналов;

31-1 - детектор фазового сдвига;

31-2 - детектор контраста;

40 - элемент сдвига групповой задержки;

65 - поляризующий светоделитель;

70 - отражательная оптика;

80 - сохраняющее поляризацию (СП) волокно;

81-45-градусный сросток;

82, 82' - коллиматор;

83, 83' - фарадеевский вращатель.

Предложенная группа изобретений относится к интерференционным датчикам, а также к способам проведения измерений с использованием указанных датчиков. Указанный датчик содержит чувствительный элемент, при помощи которого измеряемая величина индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, по меньшей мере один детектор, измеряющий сигнал интерференции между двумя волнами, и дополнительно включает в себя блок обнаружения фазового сдвига, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ, 13) относительного фазового сдвига, и блок обнаружения контраста, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции, для определения второй меры (А, 12), представляющей собой взаимную корреляцию между двумя волнами, а также блок обработки для преобразования первой и второй мер в значение (x) измеряемой величины. При помощи описанного датчика реализуется соответствующий способ измерения. Данная группа изобретений направлена на устранение периодической неоднозначности измерений. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Интерферометрический датчик, содержащий чувствительный элемент (22), при помощи которого измеряемая величина индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, проходящими через чувствительный элемент, причем чувствительный элемент является датчиком напряжения, и измеряемая величина является электрическим напряжением или напряженностью электрического поля, а относительный фазовый сдвиг внутри чувствительного элемента (22) является восприимчивым к напряжению, прикладываемому между двумя его поверхностями; по меньшей мере один детектор (41, 26), измеряющий сигнал интерференции между двумя волнами; и дополнительно содержащий блок (31-1) обнаружения фазового сдвига, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ, 13) относительного фазового сдвига; и блок (31-2) обнаружения контраста, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции, для определения второй меры (А, 12), представляющей собой взаимную корреляцию между двумя волнами; а также блок (31) обработки для преобразования первой и второй мер в значение измеряемой величины, при этом вторая мера представляет собой параметр, относящийся к интерференционному контрасту или видности интерференционных полос, волны при интерференции имеют достаточно широкий спектр для получения быстро изменяющейся и монотонной функции взаимной корреляции в диапазоне такой же ширины, как ширина целевого диапазона измерений, и при использовании обнаруженной второй меры, представляющей собой взаимную корреляцию, датчик удаляет периодическую неоднозначность из измеряемого относительного фазового сдвига.

2. Датчик по п. 1, в котором блок (31) обработки сигналов согласует вторую меру с заданной функцией или картой значений параметров, представляющей собой функцию (А) взаимной корреляции между двумя волнами, по диапазону измерений датчика.

3. Датчик по любому из предшествующих пунктов, в котором блок (31) обработки сигналов использует вторую меру для определения цикловой переменной n.

4. Датчик по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя один или более источников (20), генерирующих две волны, взаимная корреляция (А) которых изменяется сильно и монотонно в зависимости от относительной групповой задержки (τ) между двумя волнами в пределах диапазона измерений датчика.

5. Датчик по любому из предшествующих пунктов, в котором

|A(φ)-A(φ±2π)|/A(φ)≥0,001,

где А является упомянутой второй мерой, и φ является упомянутым фазовым сдвигом.

6. Датчик по любому из пп. 4, 5, в котором две волны генерируются одним и тем же источником (20), в результате чего функция (А) взаимной корреляции является автокорреляционной функцией волны, генерируемой источником (20).

7. Датчик по любому из пп. 4-6, в котором источник (источники) 20 имеет спектр, охватывающий непрерывную полосу частот, или спектр, состоящий из многочисленных разъединенных полос частот или разъединенных спектральных линий.

8. Датчик по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя элемент (40) смещения групповой задержки для сдвига диапазона измерений датчика в область (14) монотонной вариации функции (А) взаимной корреляции в зависимости от относительной групповой задержки (τ) между двумя волнами.

9. Датчик по п. 8, в котором элемент (40) смещения групповой задержки представляет собой двулучепреломляющий материал, двулучепреломляющий волновод, сохраняющее поляризацию оптическое волокно или их сочетание.

10. Датчик по любому из предшествующих пунктов, в котором диапазон измерений датчика включает в себя область, где градиент (|dA/dτ|) функции (А) взаимной корреляции в отношении групповой задержки (τ) имеет максимальное значение.

11. Датчик по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий по меньшей мере два интерференционных канала с по меньшей мере двумя детекторами (26-2, 26-3) и по меньшей мере один статический оптический элемент (24) смещения фазы в по меньшей мере одном из интерференционных каналов и в котором блок (31) обработки сигналов объединяет сигналы интерференции по меньшей мере двух интерференционных каналов для образования первой меры (аргумента Y) и второй меры (абсолютной величины Y).

12. Датчик по п. 11, в котором разность фазовых смещений между интерференционными каналами находится в пределах (90°±40°)+180°×i, где i - целое число, включая нуль.

13. Датчик по п. 11 или 12, дополнительно содержащий дополнительный сигнальный канал с детектором (26-1), измеряющим величину, представляющую собой полную мощность волн до интерференции, или, в качестве альтернативы, по меньшей мере один дополнительный канал в противофазе с любым из интерференционных каналов и в котором блок (31) обработки сигналов объединяет сигналы интерференционных каналов и сигнал (сигналы) дополнительного канала (каналов) для вычисления первой и второй мер независимо от полной мощности или вариации потерь.

14. Датчик по любому из предшествующих пп. 1-11, дополнительно содержащий оптический элемент (30) фазовой модуляции, добавляющий фазовую модуляцию к относительному фазовому сдвигу между двумя волнами, и по меньшей мере один детекторный канал (26) для измерения сигнала интерференции и в котором блок (31) обработки сигналов анализирует модулированный сигнал интерференции для образования первой меры (аргумента Y) и второй меры (абсолютной величины Y).

15. Датчик по п. 14, в котором блок (31) обработки сигналов работает в режиме управления по замкнутой петле с сигналом обратной связи, представляющим собой главное значение относительного фазового сдвига.

16. Датчик по любому из предшествующих пунктов, в котором две волны представляют собой световые волны, в частности ортогональные линейно поляризованные световые волны или световые волны с левой и правой круговой поляризацией.

17. Датчик по п. 16, в котором чувствительный элемент (22) содержит объемный электрооптический кристалл или электрооптическое волокно, в частности кристаллическое электрооптическое волокно или поляризованное электрооптическое волокно, или оптическое волокно и пьезоэлектрический материал.

18. Датчик по п. 17, содержащий по меньшей мере один источник (20) света, по меньшей мере один линейный поляризатор (21), оптический фазовый модулятор (30), фарадеевский вращатель (83, 83') с углом поворота в пределах (45°±25°)+90°×k, где k является целым числом, электрооптический чувствительный элемент (22) и отражательную оптику (70).

19. Датчик по п. 16, в котором чувствительный элемент (22) содержит магнитооптический материал или оптическое волокно.

20. Способ выполнения интерференционных измерений, содержащий этапы, на которых:

- генерируют по меньшей мере две волны;

- определяют функцию или карту значений параметров, представляющую собой функцию взаимной корреляции между упомянутыми двумя волнами;

- подвергают чувствительный элемент (22) воздействию измеряемой величины, которая является электрическим напряжением или напряженностью электрического поля, при этом относительный фазовый сдвиг внутри чувствительного элемента (22) является восприимчивым к напряжению, прикладываемому между двумя его поверхностями, и которая индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, проходящими через чувствительный элемент, причем чувствительный элемент является датчиком напряжения;

- предоставляют двум волнам возможность интерферировать, при этом волны при интерференции имеют достаточно широкий спектр для получения быстро изменяющейся и монотонной функции взаимной корреляции в диапазоне такой же ширины, как ширина целевого диапазона измерений;

- для значения измеряемой величины (x) одновременно определяют первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ, 13) относительного фазового сдвига, и вторую меру (А, 12), представляющую собой взаимную корреляцию между двумя волнами; и

- объединяют первую и вторую меры с заданной функцией или картой значений параметров, представляющей собой функцию взаимной корреляции, и определяют соответствующее значение измеряемой величины, при этом вторая мера, представляющая собой функцию (А) взаимной корреляции между двумя волнами, является параметром, относящимся к интерференционному контрасту или видности интерференционных полос,

при этом при использовании обнаруженной второй меры, представляющей собой взаимную корреляцию, датчик удаляет периодическую неоднозначность из измеряемого относительного фазового сдвига.

21. Способ по п. 20, в котором функцию или карту значений параметров, представляющую собой функцию взаимной корреляции, используют для преобразования второй меры в цикловую переменную n.