Способ контроля изменений длины волоконных световодов Советский патент 1987 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения длины волоконных световодов (ВС) оптическими средствами и может быть использовано при изготов- j лении волоконно-оптических кабелей и контроле относительного изменения их длин, а также при разработке на основе ВС-датчиков и устройств разводки опорных и гетеродинных сигналов. О

Цель изобретения - повышение точности контроля изменений длины ВС и упрощение способа контроля.

На фиг.1 показано двухканальное устройство разводки опорного сигнала 5 на фиг.2 - устройство измерения разности длин измеряемых ВС относительного опорного ВС.

Двухканальное устройство разводки

(ft - разность длин (точность выравнивания) измеряемого и опорного ВС, которая для получения положительного эффекта, обусловленного)выравниванием длин БС, должна в общем случае удовлетворять требованию Irffl I. Сдвиг фаз измеряемого и опорного сигналов равен

t nn - Ф,

2|(МЛ

,

пр

(3)

где V,

пр

гпрг

- ,

пр.

Изменение Ф сдвига фаз при изменении и,

4Ф

на j

выражается в виде

-4N.

(4)

где 4N N(j) - Ы(Д).

В выражении (4) отсутствует член,

сбязанный с фазовым набегом сигнала опорного сигнала состоит из двух ра- 20 в электронных блоках. Это обусловлено бочих фотоприемников 1 и 2, двух кон- тем, что тролируемых фотоприемников 3 и 4,d /lтpd f

Ч рр зависит от f и не завйтрех V -образных разветвителей 5-7,

сит от

(.... .

0.

0). Изa f 0). Изна и соответственно к изменению фазы Ч (4) на

й -AlAN,

О

(3)

оптического передатчика 8 для подачи менение длины t измеряемого ВС на лТ излучения в два волоконных световода приводит к изменению фазы Ф,, (2) ВС и ВС , один из которых служит в

качестве опорного переключения 9, ге- -- нератора 10 опорного сигнала и фазометра 11.

Устройство измерения разности длин измеряемых ВС относительно опорного ВС состоит из двух фотоприемников 12 и 13 для приема сигнала из опорного волоконного световода ВС и измеряемого волоконного световода ВС. , длина которого отличается от длины ВС на it ( f нужно измерить), разветви- теля 14 излучения, оптического передатчика 15, переключателя 16 длины волны оптического передатчика, генератора 17 опорного сигнала и фазометра 18.

Способ заключается в следующем.

Измеряя 4 д и знач dN, с и f, опр деляем из (5) величину df. 35 Устройство разводки опорного сигнала работает следующим образом.

Излучение оптического передатчика 8 модулируется опорным электрическим сигналом частоты f генератора 10. С вькода передатчика 8 модулированное излучение через. Y -разветвители 5-7, световоды ВС и ВС, поступает на вхо

40

ды фотоприемников 1 и 2, с выходов которых электрические сигналы постуВ случае, когда модулированное оптическое излучение пропускается один раз через измеряемый и опорный ВС, фазы опорного и измеряемого сигналов на входе определяются соотношениями

2ift - 2JifN(I::.t) . , j

tlCP

,,.,(1}

2...ep-.np. .

(2)

где Ч-пер I P-i фазовые набеги сигнала в оптическом передатчике, фотоприемнике опорного канала и фотоприемнике измерительного канала;

(ft - разность длин (точность выравнивания) измеряемого и опорного ВС, которая для получения положительного эффекта, обусловленного)выравниванием длин БС, должна в общем случае удовлетворять требованию Irffl I. Сдвиг фаз измеряемого и опорного сигналов равен

nn - Ф,

2|(МЛ

,

пр

(3)

,

пр.

сдвига фаз при изменении и,

4Ф

на j

выражается

-4N.

с фазовым набегом сигнала нных блоках. Это обусловлено d /lтpd f

Ч рр зависит от f и не завйсбязанный с фазовым набегом сигнала в электронных блоках. Это обусловлено тем, что d /lтpd f

сит от

(.... .

0.

0). Изменение длины t измеряемого ВС на лТ приводит к изменению фазы Ф,, (2)

на и соответственно к изме--

нению фазы Ч (4) на

--

й -AlAN,

О

(3)

Измеряя 4 д и знач dN, с и f, опре деляем из (5) величину df. Устройство разводки опорного сигнала работает следующим образом.

Излучение оптического передатчика 8 модулируется опорным электрическим сигналом частоты f генератора 10. С вькода передатчика 8 модулированное излучение через. Y -разветвители 5-7, световоды ВС и ВС, поступает на вхо

ды фотоприемников 1 и 2, с выходов которых электрические сигналы поступают к потребителю. Отражённое на вы- ходах ВС, и ВС (входах фотоприемников 1 и 2) модулированное излучение через ВС , разветвитель 5 и через ВС., разветвитель 6 поступает на входы фотоприемников 3 и 4, с выходов которых электрические сигналы один в качестве опорного, другой - измеряемого поступают на фазометр 11. Переключатель 9 изменяет длину волны оптического передатчика Л на Л , изменяя этим СДВИГ фаз опорного и измеряемого сигналов, который регистрируется фазометром. После определения разности сдвигов фаз на i и Л пере 31322093

ключатель 9 изменяет Д на Д, ( /| в

Возможность выбора Л

предлагаемом устройстве является рабочей длиной волны). Изменение во время работы устройства длины измеряемого ВС относительного опорного ВС г. на А Г (L) контролируется по изменению разности сдвигов фаз, определяемой во время работы следующим переключением на А .

Устройство измерения разности длинЮ работает следующим образом.

Излучение передатчика 15 модулируется опорным электрическим сигналом частоты f генератора 17. С выхода передатчика 15 модулированное излучение|5 через раэветвитель 14 и световоды ВС, и BCj поступает на входы фотоприемников 12 и 13. Опорный (с выхода фотоприемника 12) и измеряемый ( с выхода фотоприем ника 13) электрические сиг- 20 налы поступают на фазометр 18, регистрирующий сдвиг фаз этих сигналов. Перекшзчателъ 16 изменяет /1, на Д , изменяя сдвиг фаз опорного и измеряемого сигналов, который регистрируется25 фазометром 18. По разности сдвигов фаз на AJ и ,1, определяют it. После определения разности сдвигов фаз переключатель 1 6 изменяет Д 1

, и

летворяющих (7), определяется зависимости температурных про

dN dn ,

-;- И - (п - показатель прело

dl dl

материала сердцевины) от Д . С не требует при реализации раз широкополосной аппаратуры, та оптическое излучение модулиру сигналом с фиксированной част Это дает возможность уменьшит пропускания по модулирующим ч оптического передатчика и фот ников и соответственно увелич ность измерения df. Так, при нии пqлocы пропускания фотопр в пять раз отношение сигнал/ш также точность измерения фазы йТ) увеличатся приблизительно раза. Кроме того, исключается ние на точноть измерения нест ностей частоты f задающего ге и оптической длины Д оптическ редатчика, обусловленное бол ностью временных задержек (бо разностью электрических длин го и измерительного каналов.

Из (1)-(5) следует, что не ности (/АИ будут приводи

вместо ВС, ставится следующий ВС, от-30

-Т.Г. ошибкам измерения 34, равным

личие длины которого от длины ВС

измеряется аналогично. Длины световодов ВС2 должны быть предварительно грубо вы авнены с длиной опорного световода ВС с точностью не хуже 35 макс удовлетворяющей требованию

f.i,

2 )MN. ,,. .,

---cfi /f. Относител

L/

ошибки измерения sif соответс равны

tl N 4l 4N

1 дТ лМ

21,

(6)

40

поскольку фазометр измеряет сдвиги фаз и разность этих сдвигов в пределах 2.

Используя формулы (1)-(5), можно показать, что описанный способ исключает влияние на точность измерения df температурно й нестабильности группового показателя преломления N.

Из (2)-(5) следует, что изменение температуры измеряемого ВС на if Т по отношению к температуре опорного ВС сп приводит к ошибке :f измерения л (5 равной

Z/ffl d . ... ,„ 2i(frrdN,, . dN.,. Л

--- 5-(лЮ.сГт c-laf л,) - 5-(д, )J X

X cAT о, так как

dN, . dN , , т() - нт 1

dT

Возможность выбора Л

, и Л , удовлетворяющих (7), определяется видом зависимости температурных производных

dN dn ,

-;- И - (п - показатель преломления

dl dl

материала сердцевины) от Д . Способ не требует при реализации разработки широкополосной аппаратуры, так как оптическое излучение модулируется сигналом с фиксированной частотой f. Это дает возможность уменьшить полосу пропускания по модулирующим частотам оптического передатчика и фотоприемников и соответственно увеличить точность измерения df. Так, при уменьшении пqлocы пропускания фотоприемника в пять раз отношение сигнал/шум, а также точность измерения фазы (V и йТ) увеличатся приблизительно в два раза. Кроме того, исключается влияние на точноть измерения нестабиль- ностей частоты f задающего генератора и оптической длины Д оптического передатчика, обусловленное большой разностью временных задержек (большой разностью электрических длин) опорного и измерительного каналов.

Из (1)-(5) следует, что нестабильности (/АИ будут приводить к

f.i,

2 )MN. ,,. .,

---cfi /f. Относительные

L/

измерения sif соответственно

(8)

tl N 4l 4N

1 дТ лМ

0

г(9)

1 и ut f

В случае температурной нестабильности длины волны лазера выражение (8) переписьшается в виде

C/I dN dA

рт -.

JidN d

dT

,

(10)а в случае нестабильности с/ Л, обусловленной с/Т,- в виде

dN dA d, dl

.

(11)

Очевидно, что при точном равенстве длин измеряемого и опорного ВС (cff 0) ошибки , , j , и t равны нулю.

Прис/Г 3 м, Г 500 м, df 0,1м, 1 50°С, N 1,47; dN/dA 0,03 1/мкм, 0,5 мкм; Aj 0,9 мкм N(A,) 1,49; N( А,) 1,465. 0,14 (14%). При 5.10 5мГц,

df я f, c/r

f 500 M и idl

0,1 M в -: 167 раз меньше ошибки о Т

известного устройства-, упрощает способ измерения, не требуя дополнитель- ных измерений, исключающих фазовые нестабильности электронш.пс блоков. Это связано с тем, что в способе контроль изменения длины ВС производят по изменению фазы Ч не содержащей фазового набега сигналов в электронных блокахi

Поскольку температурное изменение

fO

температурных режимов дая разных парциальных каналов. Формула изобретения

1. Способ контроля изменений длины волоконных световодов, заключающийся в том, что последовательно модулируют интенсивность оптического сигнала длины волны Л опорным электрическим сигналом, пропускают модулированный оптический сигнал через световод, выделяют электрический сигнал, пропорциональный от ибающей оптического сигнала, прошедшего световод, измеря- -- nCLJid. tH VJlXtt- Ult; 1 V OV- i WDVy/J, j I l-J CT, С I- Л

4N группового показателя преломления „ сдвиг фазы между огибающей сигнала,

однозначно связано с изменением Л,прошедшего световод, и опорным сигна- то предложенный способ может также использоваться как способ контроля температурньт изменений электрической

лом, а также разность сдвигов фаз, по изменению которой определяют изменение длины световода, о т л и ч адлины волоконных световодов. В случае Q ю щ и и с я тем, что, с целью повыобычных ВС связь между температурным

изменением L электрической длины

шения точности контроля, упрощения способа, измерение производят также для оптического сигнала второй длины волны 2 модулированного тем же 25 опорньм сигналом, длины волн А и Aj выбирают из требования равенства температурной производной группового показателя преломления N материала сердцевины световода для ,/ и

ВС L и 1 имеет вид.

ЛЧ и + ().

(12)

где /з1 обусловлено изменением IT температуры ВС, о( 8-10 . ИзмеопределяN, J- и , Следует отметить, что

берутся на рабочей

2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что вводят временную задержку опорного сигнала, пропуская

длине Л , не обязательно равной / или

Д. Измерение важно при построе-35 его через волоконно-оптический канал, НИИ на основе ВС устройства разводки имеющий общий оптттеский передатчик опорных и гетеродинных сигналов, когда основным дестабилизирующим фактором, приводящим к отключен1-1ю фаз выходных сигналов, является различие 40

с- измерительным каналом и длину световода, соответствзтощую задержке сигнала в измеряемом волоконном световоде.

температурных режимов дая разных парциальных каналов. Формула изобретения

1. Способ контроля изменений длины волоконных световодов, заключающийся в том, что последовательно модулируют интенсивность оптического сигнала длины волны Л опорным электрическим сигналом, пропускают модулированный оптический сигнал через световод, выделяют электрический сигнал, пропорциональный от ибающей оптического сигнала, прошедшего световод, измеряk ni nCLJid. tH VJlXtt- Ult; 1 V OV- i WDVy/J, j I l-J CT, С I- Л

„ сдвиг фазы между огибающей сигнала,

шения точности контроля, упрощения способа, измерение производят также для оптического сигнала второй длины волны 2 модулированного тем же опорньм сигналом, длины волн А и Aj выбирают из требования равенства температурной производной группового показателя преломления N материала сердцевины световода для ,/ и

Ё«/д л - dN. .

,UT ; - -iTUj;

dT

2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что вводят временную задержку опорного сигнала, пропуская

его через волоконно-оптический канал, имеющий общий оптттеский передатчик

его через волоконно-оптический канал, имеющий общий оптттеский передатчик

с- измерительным каналом и длину световода, соответствзтощую задержке сигнала в измеряемом волоконном световоде.

BCf

BCz

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности контроля изменений длины волоконных световодов и упрощение способа контроля за счет исключения влияйия флуктуации. Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля изменений длины волоконного световода (ВС), включающем поочередную модуляцию интенсивности оптического излучения длины волн и д. опорным электрическим сигналом, пропускание модулированного оптического излучения через ВС, выделение огибающей излучения, прошедшего ВС, измерение сдвига фазы между огибающей излуче- ния и опорным сигналом и измерение разности сдвигов фаз для излучения первой и второй длинах волн, по изменению которой и определяется изменение длины ВС, А и л выбирают из требования равенства температурной производной группового показателя преломления N материала сердцевины ВС при Д и.. Кроме того, вводят временную задержку опорного сигнала, пропуская его через волоконно-оптический канал. 1 з.п.ф-лы, 2 ип. с (Л

Фаъ.2

Редактор А.Сабо

Составитель Е.Глазкова Техред А.Кравчук

Заказ 2853/36 Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор Г. Решетник