Мультиплексирование волоконно-оптических интерферометрических датчиков с дифференциальной чувствительностью плеч при модуляции тока лазерного источника.

В течение последних десятков лет происходило развитие волоконно-оптических технологий, волоконно-оптические датчики находят применение в различных отраслях промышленности. Хорошо известными и востребованными при реализации оптоволоконных измерительных систем являются датчики на основе волоконно-оптических интерферометров. Волоконно-оптические интерферометрические датчики (ВОИД) имеют очень высокую чувствительность и разрешение, большой динамический диапазон. Разработано большое число концепций мультиплексирования датчиков в оптоволоконных интерферометрических измерительных системах с учетом конкретных практических применений, например, для создания гидроакустических приемных антенн, сейсмических станций. Основные применяемые схемы мультиплексирования оптоволоконных чувствительных элементов обычно предполагают сочетание принципов импульсного опроса специфических оптических схем с дополнительным т.н. компенсационным интерферометром (КИ), в которых имеет место нетривиальность схем для попарного выравнивания путей интерферирующих лучей, с временным разделением импульсов интерференционных сигналов от отдельных оптоволоконных датчиков. Такой тип построения схем мультиплексирования интерферометров в литературе называются PMDI (Path-Matched Differential Interferometry). ВОИД имеют очень высокую чувствительность к внешним воздействиям, что имеет как свои преимущества, так и недостатки. К основным недостаткам оптоволоконного датчика звукового давления следует отнести: повышенную виброчувствительность, необходимость акустической и вибрационной изоляции компенсационного интерферометра (КИ). В этом плане определенной привлекательностью обладают системы, не требующие использования КИ. Но такие схемы с непосредственным мультиплексированием двухплечевых интерферометров (без КИ) фактически не используют, поскольку в таком случае необходимы специальные решения для создания вспомогательной модуляции аргумента интерференционного сигнала, а также для сохранения высокой чувствительности мультиплексируемых ВОИД к требуемому воздействию при отсутствии значительной разбалансированности интерферометров. Тем не менее, ключевые принципы, позволяющие реализовать схемы с непосредственным мультиплексированием двухплечевых интерферометров, известны. Вопервых, хорошо известен класс ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч, в англоязычной литературе для обозначения таких ВОИД используется терминология «pushpull». Датчики такого типа используют специальные механические конструкции преобразователей, в которых целевое воздействие на конструкцию приводит к инвертированному воздействию на оптоволоконные плечи интерферометра (если одно плечо растягивается, то другое сжимается, и наоборот). Датчики такого типа имеют преимущества в повышении и регулировании чувствительности к акустике и вибрации, снижении температурного дрейфа и другие достоинства. Во-вторых, если ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч формировать с созданием слабо разбалансированного интерферометра (разность оптоволоконных плеч много меньше длины плеч), то необходимую модуляцию аргумента интерференционного сигнала можно создать за счет создания модуляции частоты лазерного источника. В большинстве применяемых в оптоволоконных измерениях лазерных источников, модуляцию частоты лазерного источника можно получить при прямой модуляции тока инжекции.
Степень разработанности темы исследования. Применение модуляции частоты ЛИ за счет модуляции тока для слаборазбалансированного оптоволоконного интерферометра с дифференциальной чувствительностью плеч известно давно и могло бы стать основой для систем мультиплексирования ВОИД без КИ. Однако этот вариант измерительной системы мало развивался как в одиночном, так и в мультиплексированном варианте, т.е. основное внимание уделялось востребованному подходу с применением КИ. Если принципы построения конструкций для ВОИД с дифференциальной чувствительностью рассматриваются в литературе, пусть и ограниченно, то мультиплексированные системы с такими ВОИД фактически не рассматриваются.
Актуальность темы исследования. Успехи в разработках оптоволоконных интерферометрических измерителей с мультиплексированными датчиками, развитие возможностей систем обработки сигналов, элементной базы в оптоволоконной сфере позволяют создавать измерители без КИ с непосредственным мультиплексированием слаборазбалансированных оптоволоконных интерферометров, что является актуальным для практической реализации данных измерительных систем. При этом необходима доработка целого ряда вопросов, которые мало исследовались, но на современном этапе могут иметь эффективные и результативные решения.
Целью настоящей работы является создание измерительных систем на основе мультиплексированных датчиков в виде слаборазбалансированных оптоволоконных интерферометров с дифференциальной чувствительностью плеч при модуляции тока инжекции лазерного источника.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Выполнить комплексные исследования лазерных источников (ЛИ) в части измерения модуляционных характеристик и шумов частоты ЛИ для уточнения физикоматематической модели интерференционного сигнала при применении модуляции тока ЛИ в системе мультиплексированных датчиков на основе слаборазбалансированных оптоволоконных интерферометров, что обеспечивает возможность рассмотрения корректной компенсации амплитудных искажений интерференционного сигнала, а также обоснованного выбора параметров датчиков и оценки ключевых характеристик измерительной системы. 2) Разработать алгоритм демодуляции интерференционного сигнала для случая гармонической вспомогательной модуляции разности фаз интерферирующих лучей при дискретном представлении сигнала и малом числе регистрируемых отсчетов на периоде вспомогательной модуляции и при произвольной амплитуде этой модуляции, а также провести анализ вклада аддитивного шума интерференционного сигнала в шум результирующего выходного сигнала для данного алгоритма. 3) Рассмотреть возможности компенсации амплитудных искажений интерференционного сигнала с учетом предложенного используемого алгоритма демодуляции с целью определения влияния этих искажений на результат демодуляции интерференционного сигнала. 4) Сформировать принципы обоснованного выбора оптимальной разности хода интерферометрических датчиков с учетом данных об уровне аддитивных шумов интерференционного сигнала и частотных шумов лазерного источника для минимизации шумов результирующих выходных сигналов измерительной системы. 5) Развить теоретические и экспериментальные данные по использованию конструкций преобразователей для ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч на основе дисковых систем со спиральными оптоволоконными элементами. Выполнить численное моделирование таких конструкций для определения знака деформации плеч интерферометра при воздействии звукового давления и вибрации. Развить экспериментальные методы определения разности фаз реакции оптоволоконных элементов в преобразователе для ключевых оптических схем исследуемых ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч. 6) Рассмотреть схемы мультиплексирования ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч, выполнить расчет энергетического баланса оптической схемы мультиплексирования ВОИД и определить основные характеристики измерительной системы: минимальный и максимальный регистрируемый сигнал, динамический диапазон. Выполнить экспериментальную реализацию системы мультиплексированных ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч и модуляцией тока ЛИ для демонстрации потенциальных возможностей таких измерительных систем.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые: 1) показано наличие линейных искажений колебаний амплитуды и аргумента интерференционного сигнала, формируемого в схеме с ВОИД с ненулевой разностью хода лучей при модуляции тока инжекции лазерного источника, которые в общем случае необходимо учитывать при демодуляции интерференционного сигнала; 2) предложена компенсация паразитных колебаний амплитуды интерференционного сигнала, формируемого в системе на основе слаборазбалансированных оптоволоконных интерферометров и модуляции частоты лазерного источника для обеспечения корректности демодуляции интерференционного сигнала стандартными алгоритмами; 3) предложен алгоритм демодуляции интерференционного сигнала с гармонической вспомогательной модуляцией аргумента интерференционного сигнала с соотношением частот вспомогательной модуляции и дискретизации интерференционного сигнала, равным 4, полученным на основе МНК-подхода, который обладает преимуществами перед существующими алгоритмами. Для предложенного метода получена аналитическая оценка дисперсии результирующих фазовых шумов, обусловленных аддитивным шумом интерференционного сигнала, а также искажения результирующего сигнала из-за неточной калибровки параметров вспомогательной модуляции (адекватность аналитических результатов подтверждена результатами экспериментальных измерений); 4) с учетом полученных аналитических выражений для предложенного метода демодуляции интерференционного сигнала предложен обоснованный подход оптимального выбора разности хода ВОИД с учетом уровня аддитивных шумов интерференционного сигнала и уровня частотных шумов лазерного источника; 5) организована экспериментальная проверка противофазного режима работы плеч ВОИД в конструкциях преобразователей на основе схем с мультиплексированием оптоволоконных отрезков, устанавливаемых в конструкции; 6) реализована экспериментальная измерительная схема с мультиплексированием 8 слаборазбалансированных ВОИД с дифференциальной чувствительностью плеч и вспомогательной модуляцией интерференционного сигнала за счет модуляции тока лазерного источника. Для мультиплексированных ВОИД схемы продемонстрирован средний уровень собственных фазовых шумов, не превышающий 11 мкрад/√Гц на частотах выше 1 кГц, что соответствует лучшим примерам оптоволоконных интерферометрических измерительных систем с мультиплексированием чувствительных элементов; 7) Экспериментально продемонстрирован метод адаптивной компенсации вибропомехи в оптоволоконной системе измерения звукового давления за счет включения в систему мультиплексированных ВОИД дополнительных интерферометрических датчиков вибрации на основе дискового преобразователя.
Теоретическая значимость диссертации 1) Уточненная физико-математическая модель интерференционного сигнала, при модуляции тока лазерного источника может использоваться в исследованиях осцилляций амплитуды и частоты лазеров, наведенных осцилляциями тока инжекции; теоретическим изучением систем, использующих такую модуляцию. 2) Принципы получения выражений для оценки искажений, возникающих при демодуляции из-за раскалибровки используемых в расчете параметров, а также для оценки влияния аддитивного шума в интерференционном сигнале могут использоваться для анализа любых подобных линейных алгоритмов демодуляции, описанных в дискретном представлении.