Способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для повышения точности измерения фазового сигнала в двухлучевых интерферометрах Майкельсона или Маха-Цендера и массивах волоконно-оптических датчиков на их основе. Способ измерения фазового сигнала двухлучевого интерферометра включает формирование модулированного оптического сигнала с помощью частотной модуляции источника оптического излучения, частотно-модулированный оптический сигнал дополнительно модулируют по амплитуде с помощью амплитудного модулятора путем подачи на него прямоугольных электрических импульсов постоянной скважности и одинаковой амплитуды и направляют его в двухлучевые волоконно-оптические разбалансированные интерферометры - один опорный и один или N-1 измерительных, где N - максимальное число двухлучевых волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени в соответствии с оптическим бюджетом оптической схемы (N=2, 3, 4, …), выходные частотно-модулированные оптические сигналы с волоконно-оптических интерферометров регистрируют с помощью фотоприемных устройств, выполняющих их фотоэлектрическое преобразование, получившиеся электрические сигналы каждого интерферометра преобразуют посредством синхронного детектирования в наборы квадратурных сигналов - синусных и косинусных сигнальных компонент, с их помощью определяют глубину частотной модуляции сигнала каждого интерферометра, осуществляют фазовую демодуляцию квадратурных сигналов каждого интерферометра и получают искомый фазовый сигнал каждого измерительного интерферометра путем вычитания демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра, умноженного на отношение измеренных глубин частотной модуляции в измерительном интерферометре и опорном интерферометре, из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра. Технический результат – повышение точности. 3 ил.

 

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для повышения точности измерения фазового сигнала в двухлучевых интерферометрах Майкельсона или Маха-Цендера и массивах волоконно-оптических датчиков на их основе.

Известен способ измерения фазовых сигналов двухлучевого волоконно-оптического интерферометра [статья Anthony Dandridge «Zero path-length difference in fiber-optic interferometers» Journal of Lightwave Technology, Vol. 1 Iss 3, p 514-516, September 1983]. Способ заключается в следующем. Лазерный диод генерирует оптическое излучение, которое поступает в двухлучевой волоконно-оптический интерферометр, интерференционный сигнал которого пропорционален разности фаз оптических лучей в плечах интерферометра в соответствии с известным выражением:

где разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра определяется как:

В выражениях (1) и (2) I -интерференционный сигнал, I1 и I2 - интенсивности оптических лучей в плечах интерферометра, Δϕ - разность фаз оптического излучения в плечах интерферометра, λ - длина волны оптического излучения, nэфф - эффективный показатель преломления оптического волокна, ΔL - разность длин плеч интерферометра.

Выражение (2) может быть представлено в виде:

где с - скорость света в вакууме, ν - частота источника оптического излучения, ΔL - разность длин плеч интерферометра.

В соответствии с выражением (3) естественное смещение (нестабильность) частоты ν источника оптического излучения dν приводит к флуктуациям разности фаз оптических лучей (фазовому шуму) в волоконно-оптическом интерферометре в соответствии со следующим выражением:

где dϕ - фазовый шум источника оптического излучения, обусловленный нестабильностью оптической частоты dv источника оптического излучения.

Повышение точности измерения фазовых сигналов двухлучевого интерферометра достигается за счет устранения фазовых шумов источника оптического излучения путем уменьшения разности длин плеч интерферометра ΔL. При этом в соответствии с выражением (4) величина фазового шума dϕ, обусловленного нестабильностью источника оптического излучения, стремится к нулю при нулевой разности длин плеч интерферометра ΔL.

Недостатками известного способа являются необходимость точного согласования длин плеч двухлучевого волоконно-оптического интерферометра для подавления фазовых шумов источника оптического излучения и повышения точности измерений фазовых сигналов, а также неполное подавление фазовых шумов источника оптического излучения за счет изменения разницы длин плеч двухлучевого волоконно-оптического интерферометра под действием внешних условий (температуры, давления).

Известен способ измерения фазовых сигналов двухлучевого волоконно-оптического интерферометра, выбранный в качестве прототипа [Патент США №5227857, кл. 356/345 (G01B 9/02), дата публ. 13.07.1993].

Способ заключается в следующем: производится формирование частотно-модулированного оптического сигнала с помощью частотной модуляции источника оптического излучения. Частотно-модулированный оптический сигнал заводится в два двухлучевых волоконно-оптических разбалансированных интерферометра - опорный и измерительный. Опорный интерферометр изолирован от воздействия измеряемой физической величины. Оба интерферометра имеют одинаковую разность длин плеч. Выходные частотно-модулированные оптические сигналы с обоих интерферометров заводятся на фотоприемные устройства, осуществляющие их регистрацию путем фотоэлектрического преобразования. Получившиеся электрические сигналы каждого интерферометра преобразуются посредством синхронного детектирования в наборы квадратурных сигналов - синусных и косинусных сигнальных компонент. Искомый фазовый сигнал измерительного интерферометра формируется из синусных и косинусных сигнальных компонент опорного и измерительного интерферометров, посредством их фазовой демодуляции и вычитания демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра. За счет того, что оба интерферометра имеют одинаковую разность длин плеч, фазовый шум, обусловленный нестабильностью источника оптического излучения, устраняется при вычитании фазовых сигналов опорного и измерительного интерферометров при условии равенства разниц длин плеч опорного и измерительного интерферометров.

Недостатками известного способа является трудность обеспечения одинаковой разницы длин плеч в опорном и измерительном двухлучевых волоконно-оптических интерферометрах, невозможность использования способа для повышения точности измерения фазовых сигналов в массивах двухлучевых интерферометров, а также низкая эффективность известного способа из-за неодинакового изменения разниц длин плеч опорного и измерительного интерферометров под действием внешних условий (температуры, давления).

Способ решает задачу повышения точности измерения фазового сигнала в одном или нескольких двухлучевых волоконно-оптических измерительных интерферометрах, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, независимо от разницы длин плеч в опорном и измерительных волоконно-оптических интерферометрах за счет устранения фазовых шумов источника оптического излучения.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе измерения фазовых сигналов двухлучевого интерферометра, включающем формирование модулированного оптического сигнала с помощью частотной модуляции источника оптического излучения, частотно-модулированный оптический сигнал дополнительно модулируют по амплитуде с помощью амплитудного модулятора путем подачи на него прямоугольных электрических импульсов постоянной скважности и одинаковой амплитуды и направляют его в двухлучевые волоконно-оптические разбалансированные интерферометры - один опорный и один или N-1 измерительных, где N - максимальное число двухлучевых волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени в соответствии с оптическим бюджетом оптической схемы (N=2, 3, 4, …), выходные частотно-модулированные оптические сигналы с волоконно-оптических интерферометров регистрируют с помощью фотоприемных устройств, выполняющих их фотоэлектрическое преобразование, получившиеся электрические сигналы каждого интерферометра преобразуют посредством синхронного детектирования в наборы квадратурных сигналов - синусных и косинусных сигнальных компонент, с их помощью определяют глубину частотной модуляции сигнала каждого интерферометра, осуществляют фазовую демодуляцию квадратурных сигналов каждого интерферометра и получают искомый фазовый сигнал каждого измерительного интерферометра путем вычитания демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра, умноженного на отношение измеренных глубин частотной модуляции в измерительном интерферометре и опорном интерферометре, из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.

Драйвер обеспечивает электрическую накачку постоянным и переменным током лазерного диода, который генерирует постоянное оптическое излучение, модулированное по частоте в диапазоне от сотни герц до нескольких десятков килогерц. На лазерный диод подается электрический гармонический сигнал, что приводит к изменению генерируемой лазером частоты, пропорционально подаваемому электрическому сигналу. Функция изменения частоты лазерного диода может быть выражена как:

где ΔvMAX - максимальное изменение частоты лазерного диода, ƒмод - частота модуляции лазерного диода, t - время.

Оптическое излучение от лазерного диода попадает на амплитудный модулятор, который формирует оптические импульсы. Работой амплитудного модулятора управляет генератор импульсов, который подает на амплитудный модулятор прямоугольные электрические импульсы постоянной скважности и одинаковой амплитуды. Оптические импульсы по своей форме повторяют электрические импульсы. Таким образом, с выхода амплитудного модулятора на вход оптической схемы поступают оптические импульсы с постоянной скважностью и амплитудой, модулированные по частоте.

Оптическая схема представляет собой N двухлучевых разбалансированных волоконно-оптических интерферометров - один опорный и один или N-1 измерительных (N=2, 3, 4…), интерферометры объединены в массив с мультиплексированием по времени. Опорный интерферометр изолирован от воздействия измеряемой физической величины. Количество волоконно-оптических двухлучевых интерферометров N в массиве определяется оптическим бюджетом оптической схемы массива волоконно-оптических интерферометров, который определяется мощностью используемого в оптической схеме лазерного диода и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства, где под пороговой чувствительностью фотоприемного устройства понимается минимальный уровень мощности оптического сигнала, при котором обеспечивается равенство средних мощностей сигнала и шума на выходе фотоприемного устройства. Оптический бюджет оптической схемы массива двухлучевых волоконно-оптических интерферометров не должен превышать разности между мощностью используемого лазерного диода и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства, что является необходимым и достаточным условием для регистрации на фотоприемном устройстве оптических импульсов от каждого волоконно-оптического интерферометра исследуемого массива двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с уровнем сигнала, превышающим пороговую чувствительность фотоприемного устройства.

Каждый двухлучевой волоконно-оптический интерферометр в оптической схеме имеет два плеча, одно из которых является опорным, а второе - чувствительным. Разница длин оптических волокон в плечах интерферометра равна ΔL.

Оптические импульсы, модулированные по частоте, попадают в каждый из массива двухлучевых разбалансированных волоконно-оптических интерферометров, и разделяются в каждом интерферометре с помощью волоконно-оптического разветвителя на два одинаковых по интенсивности оптических импульса, распространяющихся по плечам интерферометра. После прохождения плеч интерферометра оптические импульсы объединяются с помощью волоконно-оптического разветвителя и формируют интерференционный оптический импульс, пропорциональный разности фаз оптических лучей в плечах интерферометра, в соответствии выражением:

где I(t) - интенсивность интерференционного оптического импульса с интерферометра в момент времени t, I1 и I2 - интенсивности оптических лучей в плечах интерферометра, Δϕ(t) - разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра в момент времени t, которая определяется как:

где ϕмод(t) - сигнал частотной модуляции источника оптического излучения, ϕШУМ(t) - фазовый шум источника оптического излучения, ϕСИГ(t) - искомый измеряемый фазовый сигнал, обусловленный воздействием на измерительный интерферометр измеряемой физической величины (отсутствует в опорном интерферометре). При этом в соответствии с выражениями (3), (4) и (5) сигнал частотной модуляции источника оптического излучения и фазовый шум источника оптического излучения определяются выражениями:

В выражениях (8) и (9) nэфф - эффективный показатель преломления оптического волокна, с - скорость света в вакууме, ΔL - разность длин плеч интерферометра, ΔνMAX - максимальное изменение частоты лазерного диода, ƒмод - частота модуляции лазерного диода, dν(t) - естественное смещение (нестабильность) частоты источника оптического излучения (фазовый шум) в момент времени t, а величина является глубиной частотной модуляции источника оптического излучения в двухлучевом волоконно-оптическом интерферометре.

Согласно выражениям (8) и (9) глубина частотной модуляции источника оптического излучения и величина фазовых шумов источника оптического излучения пропорциональны разности длин плеч двухлучевого волоконно-оптического интерферометра ΔL.

Интерференционный импульс с интенсивностью I (6) попадает на фотоприемное устройство, которое осуществляет его регистрацию и преобразование в электрическую форму. Электрический интерференционный сигнал интерферометра с учетом выражений (7) и (8) имеет следующий вид:

где - глубина частотной модуляции источника оптического излучения, η - коэффициент преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Интерференционный электрический сигнал (10) может быть описан следующим выражением с использованием функций Бесселя:

где J1(C), J2(C), J3(C), J4(C) - функции Бесселя первого рода первого, второго, третьего и четвертого порядков от глубины частотной модуляции, соответственно.

Из сигнала (11) посредством синхронного детектирования формируют набор квадратурных сигналов - косинусных и синусных сигнальных компонент для сигнала с каждого интерферометра:

С использованием квадратурных сигналов (12)-(15) и рекуррентных свойств функций Бесселя известным способом определяют глубину частотной модуляции сигнала с каждого интерферометра:

В результате получают значения глубин частотной модуляции для опорного Соп и для каждого измерительного двухлучевых интерферометров CN-1.

Затем известным способом производят фазовую демодуляцию квадратурных сигналов со всех двухлучевых интерферометров. В результате на выходе фазового демодулятора получают демодулированные фазовые сигналы с каждого интерферометра, которые можно представить в виде:

где ϕОП(t) и ϕИЗМ N-1(t) - демодулированные фазовые сигналы с опорного и N-1 измерительного интерферометров, ϕШУМ ОП(t) и ϕШУМ N-1(t) - фазовые шумы источника оптического излучения в опорном и измерительном интерферометрах, а ϕСИГ N-1(t) - искомый фазовый сигнал N-1 измерительного интерферометра. Измеряемый фазовый сигнал ϕСИГ(t) в опорном интерферометре отсутствует, поскольку он изолирован от воздействия измеряемой величины, а величина фазового шума источника оптического излучения ϕШУМN(t) в каждом интерферометре N прямо пропорциональна разнице его длин плеч ΔLN в соответствии с выражением (9).

Искомый фазовый сигнал ϕСИГ N-1(t) каждого измерительного интерферометра N-1 получают в соответствии с выражением:

где CN-1 - глубина частотной модуляции в N-1 измерительном интерферометре, СОП - глубина частотной модуляции в опорном интерферометре, ϕИЗМ N-1(t) - демодулированный фазовый сигнал N-1 измерительного интерферометра в соответствии с выражением (18), ϕОП(t) - демодулированный фазовый сигнал опорного интерферометра в соответствии с выражением (17).

Поскольку в соответствии с выражением (8) глубина частотной модуляции в каждом интерферометре пропорциональна разнице длин его плеч, отношение глубин частотной модуляции измерительного и опорного интерферометров СN-1ОП равно отношению их разниц длин плеч ΔLN-1/ΔLОП. Таким образом, умножение демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра (17), содержащего только фазовый шум источника оптического излучения, на отношение разниц длин плеч измерительного и опорного интерферометров позволяет определить величину фазового шума в демодулированном фазовом сигнале измерительного интерферометра (18) в соответствии с выражением:

В результате, вычитание сигнала (20) из демодулированного сигнала измерительного интерферометра (18) позволяет получить искомый фазовый сигнал ϕСИГ N-1(t), содержащий фазовых шумов источника оптического излучения.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает повышение точности измерения фазового сигнала в одном или нескольких двухлучевых волоконно-оптических измерительных интерферометрах, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, независимо от разницы длин плеч в опорном и измерительных волоконно-оптических интерферометрах за счет устранения фазовых шумов источника оптического излучения.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема системы, состоящей из лазерного диода, N разбалансированных волоконно-оптических двухлучевых интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, и системы приема и обработки сигналов с интерферометров.

На фиг. 2 показаны оптические импульсы в оптической схеме массива двухлучевых волоконно-оптических интерферометров.

На фиг. 3 показаны искомый фазовый сигнал, демодулированный фазовый сигнал с двухлучевого измерительного интерферометра и демодулированный фазовый сигнал с двухлучевого опорного интерферометра, указано соотношение глубин частотной модуляции в опорном и измерительном интерферометрах.

Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит драйвер 1, представляющий собой электрическую схему источника переменного и постоянного тока, выход которого электрически соединен с входом лазерного диода 2, представляющего собой полупроводниковый лазерный источник оптического излучения, снабженный волоконно-оптическим выводом. Лазерный диод 2 с помощью волоконно-оптического вывода оптически соединен с амплитудным модулятором 3, который представляет собой электрооптическое устройство, управляемое внешним электрическим сигналом. Генератор импульсов 4 электрически соединен с амплитудным модулятором 3. Амплитудный модулятор оптически соединен с портом 5а волоконно-оптического циркулятора 5. Волоконно-оптический циркулятор 5 через порт 5b оптически соединен с массивом разбалансированных двухлучевых волоконно-оптических интерферометров 6. Массив интерферометров 6 состоит из N волоконно-оптических интерферометров от 71 до 7N (двухлучевые разбалансированные волоконно-оптические интерферометры Майкельсона). Все интерферометры оптически соединены между собой волоконно-оптическими Y-разветвителями 81-8N. Каждый волоконно-оптический интерферометр 71-7N состоит из волоконно-оптического Y-разветвителя 91-9N, каждый из которых имеет 2 плеча: опорное 101-10N и чувствительное 111-11N. На торце оптического волокна, формирующего опорное плечо 101-10N, сформировано светоотражающее зеркало 121-12N. На торце оптического волокна, формирующего чувствительное плечо 111-11N, сформировано светоотражающее зеркало 131-13N. Выходной порт 5с волоконно-оптического циркулятора 5 соединен оптически с фотоприемным устройством 16 (ФПУ). ФПУ 16 электрически соединено с синхронным детектором 17 (СД). СД 17 электрически соединен с блоком вычисления глубины модуляции 18 (ВГМ). ВГМ 18 электрически соединен с фазовым демодулятором 19 (ФД). ФД 19 электрически соединен с блоком обработки сигналов 20 (ОС).

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Драйвер формирует электрический гармонический сигнал с постоянным положительным смещением и подает его на лазерный диод 2. Лазерный диод 2 генерирует постоянное оптическое излучение, модулированное по частоте, которое поступает на вход амплитудного модулятора 3. Генератор импульсов 4 управляет амплитудным модулятором 3 путем подачи на него следующих периодически прямоугольных электрических импульсов с постоянной амплитудой и скважностью. В результате, в каждый момент времени, когда на амплитудный модулятор 3 приходит прямоугольный электрический импульс, амплитудный модулятор 3 пропускает оптическое излучение от лазерного диода 2. В каждый момент времени, когда на амплитудный модулятор 3 не приходит прямоугольный электрический импульс, амплитудный модулятор 3 не пропускает оптическое излучение от лазерного диода 2. Таким образом, амплитудный модулятор 3 формирует периодически следующие оптические импульсы, которые совпадают по форме и скважности с теми, что формирует генератор импульсов 4. Оптические импульсы попадают на порт 5а волоконно-оптического циркулятора 5. Волоконно-оптический циркулятор 5 работает следующим образом: порт 5а пропускает оптический сигнал только в порт 5b (только по направлению от 5а к 5b), порт 5b пропускает оптический сигнал только в порт 5с (только по направлению от 5b к 5с).

Оптический импульс следует из порта 5b волоконно-оптического циркулятора 5, попадает в массив волоконно-оптических интерферометров 6, затем попадет в волоконно-оптический Y-разветвитель 81, в котором разделяется на два импульса: один импульс попадает в волоконно-оптический интерферометр 71, другой оптический импульс попадает в волоконно-оптический Y-разветвитель 82, где также делится на два оптических импульса. В итоге, каждый оптический импульс, попадающий в массив волоконно-оптических датчиков 6, поэтапно делится на N импульсов с помощью N волоконно-оптических Y-разветвителей 81-8N и попадает в N волоконно-оптических интерферометров 71-7N. Один из выходов последнего Y-разветвителя 8N, не соединенного оптически с интерферометром 7N, терминирован - т.е. не дает обратных оптических отражений.

Каждый из двухлучевых волоконно-оптических интерферометров 71-7N работает одинаково оптически, но один из интерферометров 71-7N не подвергается воздействиям измеряемой величины и является опорным, а остальные интерферометры являются измерительными и подвергаются воздействию измеряемой величины. Выбор опорного интерферометра обусловлен удобством его изоляции от воздействий измеряемой величины, а сама изоляция опорного интерферометра от воздействия измеряемой величины осуществляется с помощью пространственного разнесения опорного и измерительных интерферометров. Наиболее удобным выбором в качестве опорного интерферометра является интерферометр 71, поскольку он является первым в массиве 6, и его удобней всего расположить в непосредственной близости от источника оптического излучения 2 и амплитудного модулятора 3, которые располагаются в отдельном изолированном корпусе.

Описание принципа работы интерферометров проводится на основе первого волоконно-оптического интерферометра 71 из массива волоконно-оптических интерферометров 6. Остальные интерферометры в массиве 6 работают аналогично. В волоконно-оптическом интерферометре 71 оптический импульс, проходя через волоконно-оптический Y-разветвитель 91, делится на два одинаковых оптических импульса. Один оптический импульс попадает в опорное плечо 101, проходит по нему, отражается от светоотражающего зеркала 121, попадет обратно в волоконно-оптический Y-разветвитель 91. Второй оптический импульс попадает в чувствительное плечо 111, проходит по нему, отражается от светоотражающего зеркала 131 и попадает обратно в волоконно-оптический Y-разветвитель 91. В волоконно-оптическом Y-разветвителе 91 оптические импульсы из разных плеч интерферометра интерферируют, результате чего получается один интерференционный импульс. Интерференционный импульс проходит через волоконно-оптический Y-разветвитель 81, попадает в порт 5b волоконно-оптического циркулятора 5, проходит по нему и попадает на ФПУ 16. В результате на ФПУ 16 попадают N интерференционных оптических импульсов, по одному от каждого волоконно-оптического интерферометра 71-7N. ФПУ 16 производит преобразование оптических интерференционных импульсов в электрическую форму. Затем электрические интерференционные импульсы попадают в синхронный детектор (СД) 17, который осуществляет их обработку, формируя набор электрических квадратурных сигналов - косинусных и синусных сигнальных компонент для электрического сигнала с каждого интерферометра. Далее наборы косинусных и синусных сигнальных компонент попадают в вычислитель глубины модуляции (ВГМ) 18, который определяет глубину частотной модуляции в каждом интерферометре и отношение глубины частотной модуляции в каждом измерительном интерферометре к глубине частотной модуляции в опорном интерферометре, и в фазовый демодулятор (ФД) 19, который осуществляют фазовую демодуляцию квадратурных сигналов с каждого интерферометра. Далее сигналы с ВГМ 18 и ФД 19 попадают в блок обработки сигналов (ОС) 20, который производит вычитание демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра из демодулированных фазовых сигналов измерительных интерферометров, предварительно умножив демодулированный фазовый сигнал опорного интерферометра на отношение измеренных глубин частотной модуляции в соответствующем измерительном интерферометре и опорном интерферометре, преобразуя их в искомые фазовые сигналы, пропорциональные измеряемому воздействию на измерительные интерферометры.

В качестве конкретного примера предлагается способ измерения фазового сигнала двухлучевого интерферометра, в котором в качестве массива волоконно-оптических интерферометров выступает массив из 8 двухлучевых разбалансированных волоконно-оптических интерферометров Майкельсона, мультиплексированных по времени.

В качестве лазерного диода выступает поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). Драйвер - источник постоянного и переменного тока подает на VCSEL синусоидальный электрический сигнал частотой 50 кГц с постоянным положительным смещением, в результате чего VCSEL генерирует частотно-модулированный оптический сигнал. В качестве амплитудного модулятора выступает электрооптический амплитудный модулятор, на который генератор импульсов подает прямоугольные электрические импульсы длительностью 10 не с периодом следования 1 мкс. С выхода модулятора в волоконно-оптический циркулятор попадают модулированные по частоте оптические импульсы длительностью 10 не, следующие с периодом 1 мкс. С выхода волоконно-оптического циркулятора оптические импульсы попадают в массив из 8 волоконно-оптических интерферометров Майкельсона. Первый волоконно-оптический интерферометр является опорным, располагается в корпусе вместе с лазерным диодом и амплитудным модулятором, и изолирован от воздействия измеряемого гидроакустического воздействия, в то время как остальные 7 волоконно-оптических интерферометров являются измерительными и регистрируют гидроакустические сигналы. Интерференционные оптические импульсы с массива волоконно-оптических интерферометров поступают на ФПУ, которое состоит из фотодиода с волоконным выводом PDI-40 и трансимпедансного усилителя ADA4817. Оптический бюджет исследуемого массива волоконно-оптических интерферометров составляет 36 дБ и не превышает разности в 40 дБ между мощностью лазерного диода VCSEL и пороговой чувствительностью фотоприемного устройства на основе фотодиода PDI-40 и трансимпедансного усилителя ADA4817.

Синхронный детектор (СД), вычислитель глубины модуляции (ВГМ), фазовый демодулятор (ФД) и блок обработки сигналов (ОС) представляет собой совокупность аналого-цифрового преобразователя АЦП, который преобразует аналоговый электрический сигнал с ФПУ в цифровую форму, и программируемой логической интегральной схемы ПЛИС, в которой программно реализована обработка интерференционных сигналов в соответствии с описываемым способом.

На фиг. 3 представлен экспериментальный результат работы предлагаемого способа измерения фазового сигнала двухлучевого интерферометра: приведен демодулированный фазовый сигнал с опорного интерферометра, демодулированный фазовый сигнал с измерительного интерферометра и искомый фазовый сигнал измерительного интерферометра, полученный после подавления фазовых шумов источника оптического излучения предлагаемым способом. Также указано соотношение между глубинами частотной модуляции в опорном и измерительном интерферометрах. На фиг. 3 показано, что при вычитании демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра, предварительно умноженного на отношение измеренных глубин частотной модуляции в измерительном и опорном интерферометрах, из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра достигается повышение точности измерения фазового сигнала в измерительном интерферометре путем подавления фазовых шумов источника оптического излучения.

Таким образом, заявляемый способ измерения фазовых сигналов двухлучевого интерферометра обеспечивает повышения точности измерения фазового сигнала в одном или нескольких двухлучевых волоконно-оптических измерительных интерферометрах, объединенных в массив с мультиплексированием по времени, независимо от разницы длин плеч в опорном и измерительных волоконно-оптических интерферометрах за счет устранения фазовых шумов источника оптического излучения.

Способ измерения фазового сигнала двухлучевого интерферометра, включающий формирование частотно-модулированного оптического сигнала путем частотной модуляции лазерного диода, направляемого в разбалансированные двухлучевые волоконно-оптические интерферометры, один из которых является опорным и изолирован от воздействия измеряемой физической величины, а другой - измерительным, регистрацию интерференционных сигналов опорного и измерительного интерферометров, их синхронное детектирование и фазовую демодуляцию, а искомый фазовый сигнал измерительного интерферометра получают путем вычитания демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра, отличающийся тем, что предварительно частотно-модулированный оптический сигнал дополнительно модулируют по амплитуде с помощью амплитудного модулятора путем подачи на него прямоугольных электрических импульсов постоянной скважности и одинаковой амплитуды, а полученный оптический сигнал направляют в один или N-1 измерительных интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени и измеряют глубину частотной модуляции С зарегистрированных интерференционных сигналов каждого интерферометра, а искомый фазовый сигнал каждого измерительного интерферометра ϕснгN-1 получают в соответствии с выражением: ϕснгN-1измN-1опN-1оп), где CN-1 - глубина частотной модуляции в N-1 измерительном интерферометре, Соп - глубина частотной модуляции в опорном интерферометре, ϕизмN-1 - демодулированный фазовый сигнал N-1 измерительного интерферометра, ϕоп - демодулированный фазовый сигнал опорного интерферометра, где N - общее число волоконно-оптических интерферометров в массиве, определяемое оптическим бюджетом оптической схемы массива волоконно-оптических интерферометров.



 

Похожие патенты:

Модуль лазерного датчика для обнаружения плотности частиц, а также соответствующий способ и компьютерный программный продукт. Модуль содержит по меньшей мере один первый лазер, по меньшей мере один первый детектор и по меньшей мере один электрический драйвер.

Изобретение относится к судостроению, в частности к монтажу судовых валопроводов. Заявлен способ центровки судового валопровода, при котором перед началом центровки устанавливают измерители, поворачивают валопровод на угол 180° и дважды (до и после поворота) измеряют наклоны сечений валопровода, после чего перемещают опоры по показаниям измерителей.

Группа изобретений относится к устройству и способу для измерения параметров фазовых элементов. Устройство для измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна, и способ, выполненный посредством указанного устройства, содержит низкокогерентный источник света, подключенный к входному оптоволоконному соединителю, разделяющему свет от низкокогерентного источника света на опорное плечо и измерительное плечо, детектор, сконфигурированный для приема света от опорного плеча и измерительного плеча, при этом по меньшей мере одно из опорного и измерительного плечей содержит оптический элемент, расположенный на линейном трансляторе, причем указанный оптический элемент выбран из группы, включающей первый и второй коллиматоры и зеркало.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано для регистрации фазовых сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения внутренних остаточных напряжений. Способ включает в себя освещение поверхности излучением лазера, рассеянного на опорный и предметный лучи, формирование спекл-интерферограмм путем вычитания записанных на видеокамеру кадров, полученных до и после выполнения зондирующего несквозного отверстия, и определение значения остаточного напряжения по результатам подсчета числа интерференционных полос с точностью в одну полосу интерферограммы в сторону увеличения.

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных поверхности твердых тел, способных направлять поверхностные плазмон-поляритоны (ППП).

Изобретение относится к технологиям получения топографической карты поверхности интерференционным методом и позволяет контролировать форму выпуклой сферической (СП) или асферической (АП) поверхностей.

Изобретение может использоваться при неинвазивной оценке функционального состояния поверхностных сосудов и уровня оксигенации участка биологической ткани. Устройство содержит коллиматор, светоделительный элемент, референтный канал с первым зеркалом, объектный канал, имеющий микрообъектив и плоскость для объекта исследований, приёмный канал с матричным фотоприёмником.

Заявляемое изобретение относится к оптической голографии и предназначено для формирования периодических интерференционных картин. Перестраиваемый вращением двухлучевой интерферометр, предназначенный для формирования периодических интерференционных картин, содержит последовательно расположенные по ходу излучения источник, светоделительный элемент, выполняющий две необходимые и достаточные для двухлучевого интерферометра функции: расщепление исходного пучка на два парциальных и последующее их сведение на заданной плоскости под изменяемым углом схождения, и фотоприемник.

Изобретение относится к области оптики, а именно к способам определения оптической однородности и выявления структурных дефектов оптических кристаллов, и может быть использовано для контроля качества одноосных кристаллов.

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к оптической профилометрии, и может быть использовано для измерения поверхностного микрорельефа, полученного любым способом в произвольной разнородной структуре, обладающей различными оптическими характеристиками.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении оптических приборов на основе оптических кристаллов. Заявленная установка по определению степени дефектности оптических элементов методом лазерной интерферометрии включает в себя гелий-неоновый лазер, коллиматор, интерферометр Маха-Цандера, в одно из плеч которого установлен исследуемый образец.

Модуль лазерного датчика для обнаружения плотности частиц, а также соответствующий способ и компьютерный программный продукт. Модуль содержит по меньшей мере один первый лазер, по меньшей мере один первый детектор и по меньшей мере один электрический драйвер.

Модуль лазерного датчика для обнаружения плотности частиц, а также соответствующий способ и компьютерный программный продукт. Модуль содержит по меньшей мере один первый лазер, по меньшей мере один первый детектор и по меньшей мере один электрический драйвер.

Изобретение относится к области волоконной оптики. Способ определения передаточной функции фазового модулятора в интерферометре Саньяка включает подачу на электрический вход фазового модулятора управляющего сигнала напряжения, содержащего вспомогательный сигнал в форме меандра, амплитуда которого обеспечивает сдвиг рабочей точки интерферометра на линейный участок интерферометрической функции, и измерение полученного сигнала интерферометра, который используют для определения передаточной функции фазового модулятора.

Изобретение относится к технической физике. Интерферометр содержит закрепленные в едином корпусе стабилизированный по мощности и длине волны He:Ne лазер с установленными на его выходе магнитооптическим изолятором и 5-координатным устройством заводки лазерного излучения в оптоволокно, с помощью которого он соединен с оптоволоконным делителем пучка света, разделяющим пучок света на первый и второй когерентные оптические каналы, каждый из которых содержит последовательно установленные оптоволоконный контроллер поляризации, фазосдвигающий элемент и источник эталонной сферической волны, при этом оба фазосдвигающих элемента соединены с двухканальным контроллером.

Группа изобретений относится к устройству и способу для измерения параметров фазовых элементов. Устройство для измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна, и способ, выполненный посредством указанного устройства, содержит низкокогерентный источник света, подключенный к входному оптоволоконному соединителю, разделяющему свет от низкокогерентного источника света на опорное плечо и измерительное плечо, детектор, сконфигурированный для приема света от опорного плеча и измерительного плеча, при этом по меньшей мере одно из опорного и измерительного плечей содержит оптический элемент, расположенный на линейном трансляторе, причем указанный оптический элемент выбран из группы, включающей первый и второй коллиматоры и зеркало.

Группа изобретений относится к устройству и способу для измерения параметров фазовых элементов. Устройство для измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна, и способ, выполненный посредством указанного устройства, содержит низкокогерентный источник света, подключенный к входному оптоволоконному соединителю, разделяющему свет от низкокогерентного источника света на опорное плечо и измерительное плечо, детектор, сконфигурированный для приема света от опорного плеча и измерительного плеча, при этом по меньшей мере одно из опорного и измерительного плечей содержит оптический элемент, расположенный на линейном трансляторе, причем указанный оптический элемент выбран из группы, включающей первый и второй коллиматоры и зеркало.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано для регистрации фазовых сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано для регистрации фазовых сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков.

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для повышения точности измерения фазового сигнала в двухлучевых интерферометрах Майкельсона или Маха-Цендера и массивах волоконно-оптических датчиков на их основе. Способ измерения фазового сигнала двухлучевого интерферометра включает формирование модулированного оптического сигнала с помощью частотной модуляции источника оптического излучения, частотно-модулированный оптический сигнал дополнительно модулируют по амплитуде с помощью амплитудного модулятора путем подачи на него прямоугольных электрических импульсов постоянной скважности и одинаковой амплитуды и направляют его в двухлучевые волоконно-оптические разбалансированные интерферометры - один опорный и один или N-1 измерительных, где N - максимальное число двухлучевых волоконно-оптических интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени в соответствии с оптическим бюджетом оптической схемы, выходные частотно-модулированные оптические сигналы с волоконно-оптических интерферометров регистрируют с помощью фотоприемных устройств, выполняющих их фотоэлектрическое преобразование, получившиеся электрические сигналы каждого интерферометра преобразуют посредством синхронного детектирования в наборы квадратурных сигналов - синусных и косинусных сигнальных компонент, с их помощью определяют глубину частотной модуляции сигнала каждого интерферометра, осуществляют фазовую демодуляцию квадратурных сигналов каждого интерферометра и получают искомый фазовый сигнал каждого измерительного интерферометра путем вычитания демодулированного фазового сигнала опорного интерферометра, умноженного на отношение измеренных глубин частотной модуляции в измерительном интерферометре и опорном интерферометре, из демодулированного фазового сигнала измерительного интерферометра. Технический результат – повышение точности. 3 ил.

Наверх