Волоконно-оптический интерферометр

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано, в частности в гидрологии и гидроакустике для измерения параметров гидроакустических и гидрофизических полей. Сущность изобретения: в волоконно-оптическом интерферометре, содержащем сигнальную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные с источником когерентного света и фотоприемником, часть опорной катушки наматывают на поверхность пьезоэлектрического элемента, подключенного к генератору пилообразных импульсов. Измерения интерферометром производят в момент изменения оптического пути в опорной катушке по линейному закону, когда на выходе фотоприемника, даже при отсутствии выходного сигнала, имеет место несущая доплеровская частота 50-60 МГц. При воздействии входного сигнала на специальную катушку частотой, не превышающей 10 кГц, происходит частотная модуляция несущей частоты, которая после дискриминации в частотном дискриминаторе позволяет измерить уровень входного сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано, в частности в гидрологии для измерения параметров гидроакустических и гидрофизических полей.

Известен волоконно-оптический интерферометр [1, 2] аналогичного назначения, содержащий две волоконные катушки, источник когерентного света и фотоприемник. Все оптические элементы связаны в интерферометр Цендера-Маха, работа которого основана на гомодинном преобразовании выходного воздействия в изменение разности фаз, регистрируемой на выходе интерферометра.

Недостатком гемодинного метода является узкий диапазон линейного преобразования выходного сигнала, не превышающий величины λ/30 где λ - длина волны когерентного источника света.

Известен волоконно-оптический интерферометр с гетеродинным преобразованием выходного сигнала [3] Такой интерферометр содержит источник когерентного света и фотоприемник, оптически связанные в интерферометр через сигнальную волоконную катушку. Имеется также опорное плечо интерферометра, содержащее частотный модулятор в виде ячейки Брэгга. На выходе интерферометра при этом имеется частотный дискриминатор.

На входе фотоприемника гетеродинного интерферометра даже при отсутствии входного сигнала формируется бегущая интерференционная картина, а на выходе несущая частота, формируемая ячейкой Брэгга. При появлении на входе интерферометра возмущающего воздействия на выходе фотоприемника дополнительно формируется доплеровская частота, пропорциональная величине воздействия. Доплеровская частота преобразуется частотным дискриминатором и регистрируется регистратором. В гетеродинном интерферометре линейный диапазон преобразования практически неограничен.

В качестве прототипа выбран гетеродинный волоконно-оптический интерферометр [4] содержащий сигнальную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, частотный модулятор, усилитель, частотный дискриминатор и регистратор, при этом выход фотоприемника соединен с выходом усилителя, а выход частотного дискриминатора подключен к регистратору.

Недостатком прототипа является относительная сложность частотного модулятора в виде ячейки Брэгга и трудности ее оптического согласования с опорной волоконной катушкой.

К недостаткам также следует отнести сложности его перехода с гетеродинного режима работы на более простой гомодинный, поскольку известный частотный модулятор в прототипе невозможно использовать одновременно в качестве фазосдвигающего элемента для установления первоначальной разности фаз, равной p/2 Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является создание гетеродинного режима преобразования волоконно-оптического интерферометра (ВОИ) за счет внутренней частотной модуляции оптического сигнала (а не за счет внешней модуляции, как в прототипе).

Данный технический результат достигается тем, что в известном ВОИ, содержащем сигнальную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, частотный модулятор, усилитель, частотный дискриминатор и регистратор, при этом выход фотоприемника соединен с выходом усилителя, а выход частотного дискриминатора подключен к регистратору, частотный модулятор выполнен в виде пьезоэлектрического элемента с намотанной на него частью опорной волоконной катушки и генератора электрических импульсов равномерно настающего или равномерно спадающего напряжения, подключенного к пьезоэлектрическому элементу, при этом дополнительно введены электронный ключ и задатчик управляющих импульсов, подключенный к управляющему выходу электронного ключа, соединенного выходом с выходом усилителя, а выходом с выходом дискриминатора.

На фиг. 1 представлена оптико-электронная схема ВОИ; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

ВОИ содержит сигнальную и опорную волоконные катушки 1 и 2, оптически согласованные в интерферометр, например, Цендера-Маха с источником 3 когерентного света и фотоприемником 4 через вводные и выводные оптические устройства 5 и 6. Имеется также частотный модулятор, выполненный в виде пьезоэлектрического элемента 7 с намотанной на него частью 8 опорной волоконной катушки 2 и генератора 9 электрических импульсов равномерно нарастающего и равномерно спадающего напряжения, подключенного к пьезоэлектрическому элементу.

Сигнальная волоконная катушка 1 располагается в исследуемой среде, отделенной от остальной части ВОИ стенкой 10.

Электронная часть интерферометра включает в себя усилитель 11, подключенный выходом к выходу фотоприемника 4, а выходом через электронный ключ 12 к частотному дискриминатору 13, выход которого соединен с регистратором 14. Имеется также задатчик 15 управляющих импульсов, подключенный к управляющему входу электронного ключа 12.

ВОМ работает следующим образом.

Предположим, что интерферометр используется в качестве гидрофона, т.е. на сигнальную катушку 1 воздействует акустическая волна 16.

При подаче на пьезоэлектрический элемент 7 электрического импульса 17 (фиг. 2) равномерно нарастающего или равномерно спадающего напряжения (например, пилообразной формы) на выходе фотоприемника 4 и усилителя 11 будет присутствовать несущая доплеровская частота 18 даже при отсутствии входного сигнала 16.

Задатчик 15 управляющих импульсов направляет на управляющий вход электронного ключа 12 импульсы 19, которые открывают электронный ключ 12 на время нарастания напряжения в импульсе 17.

При воздействии на сигнальную волоконную катушку акустической волны 16 происходит частотная модуляция несущей частоты и на выходе фотоприемника 4 и усилителя 11 появятся сигналы типа 20 (фиг.2).

В частном дискриминаторе 13 осуществляется дискриминация доплеровской частоты и на его выходе появляются сигналы 21, отображающие входное акустическое воздействие 13. Эти сигналы регистрируются регистратором 14.

Амплитуда импульсов 17 пилообразного напряжения выбирается из условия несущей частоты 18 как минимум на порядок прерывающей максимальную частоту внутри входного сигнала 16. На практике с помощью предлагаемого частотного модулятора без труда получают частоту, равную 50-60 МГц (при частоте входного сигнала не превышающей, как правило, 10-20 кГц).

Длительность пилообразных импульсов выбирается из условий обеспечения необходимой временной реализации исследуемых сигналов 16 и необходимой скорости нарастания напряжения для получения требуемой частоты несущей.

Длительность командных импульсов 19 выбирается из условия исключения из сигнала, подаваемого на частотный дискриминатор 13 переходных нелинейных процессов (фиг.2).

Таким образом, предлагаемый ВОИ позволяет обеспечить гетеродинный режим преобразования входного сигнала за счет внутренней частотной модуляции оптической волны непосредственно в самой опорной волоконной катушке 2. Причем для перехода на гомодинный режим работы интерферометра на опорную катушку 2 можно воздействовать тем же пьезоэлектрическим элементом 7, но другим электрическим сигналом, устанавливающим первоначальную разность фаз интерферирующих лучей, равной λ/2 Такого перехода в режиме работы невозможно сделать в прототипе.

Формула изобретения

Волоконно-оптический интерферометр, содержащий сигнальную и опорную волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, частотный модулятор, усилитель, частотный дискриминатор и регистратор, при этом выход фотоприемника соединен с входом усилителя, а выход частотного дискриминатора подключен к регистратору, отличающийся тем, что частотный модулятор выполнен в виде пьезоэлектрического элемента с намотанной на него частью опорной волоконной катушки, и генератора электрических импульсов равномерно нарастающего или равномерно спадающего напряжения, подключенного к пьезоэлектрическому элементу, при этом дополнительно введены электронный ключ и задатчик управляющих импульсов, подключенный к управляющему входу электронного ключа, соединенного входом с выходом усилителя, а выходом с входом дискриминатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2