Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 10

ПМД существенно зависит от распределения поля в сердцевине ОВ. Также очевидно, что распределение поля существенно зависит от выбранного метода . и аппаратуры записи брэгговских решеток (фокусирующей оптики, фазовых масок, длины волны излучения). В работе ~36~ были проведены экспериментальные оценки ПМД длинных брэгговских решеток (длина более 2 4О 180 120 -120 -180 3 . 240 ,$ -зоо 1549 1549,2 1549,4 1549,б 1549,8 1550 1550,2 1550,4 1550,б 1550,8 1551 длнна волны Л, нм 1 м), и было выявлено, что величина относительной анизотропии в брэгговских решетках варьируется в диапазоне 0,2%...8% от величины наведенного показателя преломления и зависит от времени экспозиции согласно эмпирическому соотношению: Аг" +В Ьн.

„= 100/о, нав (2.8) где Лл„„- наведенный показатель преломления, А=4,5 10 6 с ', а=0,3, В=-1,7'10 -константы, 1- время(вс). Максимальноезначение ПМДможет -5 быть оценено по верхней границе- 8% при помощи следующего выражения: 0,08 Ж~„„, У т Р (2.9) сигнала, формируемого ВОБП на основе спектрального мультиплексирования является относительно широкий спектральный Для типовых значений Лп„„=1 10', 1=10 мм„соответствующее значение ПМД равно тр=0,00026 пс, что соответствует вращению плоскости поляризации на величину примерно Х/19 для длины волны 1550 нм).

То есть, влиянием поляризационной модовой дисперсии можно пренебречь из-за ее малой величины, Итак, в данном параграфе было проведен анализ основных оптических характеристик сигналов, формируемых ВОБП и показано, что влияния временных и поляризационных свойств ВОБП на временные параметры информационного сигнала минимальны и ими вполне можно пренебречь и на основании этого перейти к построению алгоритмической модели квази- распределенной ВлкнОптчОЭИзмС. Для этого предварительно необходимо провести анализ основных методик регистрации информационных сигналов, формируемых ВОБП 2.2.

Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования Отличительной особенностью методик регистрации информационного диапазон, необходимый для работы каждого датчика в селективном рабочем спектральном диапазоне, причем взаимное перекрытие спектральных диапазонов в ряде практических задач принципиально недопустимо. Рабочий спектральный диапазон измерительного устройства можно определить, зная число датчиков Х, диапазоны измерения деформации и температуры, Необходимый рабочий спектральный диапазон составляет: ~~р о,Я~'ю '~(~ Р )'~в:~(~"~~оп)'~П, (2.10) где ал- тепловой коэффициент расширения (ил=0.55 10б- для плавленого кварца ~371), а„- термо-оптический коэффициент (сг„=8.6 10 б для оптического волокна с легированным германием) р; константа деформации оптического волокна, определяемая из следующего выражения: Р, = ~~ '[.Р~ — '(1' +Р .)1, (2.1 1) Т;„...Т, а (в отсутствие а, ~...а,„, диапазон измерения температуры составит ® минимальная резонансная длина волны датчика- Х~ деформации, при температуре То=20'С), а число датчиков- Х, требуемый рабочий спектральный диапазон может быть найден, исходя из следующих выражений: Х„=Х,(1 — ((Т,-Т „) (и,+и„)+(1-р,) ~а,,„~И (2,12) У-1 (( ~ 0) ( л т~) ( Ре итак (1+(Т Т) ( + )+(1 ) ) '~, ~ ~-НТ, -Т...) (,+~)+(1-р.

М-.,М (2.13) где Х„, Х,- нижняя и верхняя граница рабочего спектрального диапазона соответственно. где рп и р~2 — коэффициенты Поккельса в тензоре упруго-оптических. коэффициентов, н- коэффициент Пуассона. Для типового волокна р~ ~=0,113, рд2=0.252 ~=0,16, и п,фью=1.4682 ~371 В случае, если диапазон измерения деформации составляет бО При этом резонансная длина волны каждого следующего 1-го датчика будет определяться как: 1+((Т -Т0)'(ил+а..,)+()-Р.)'~= ) (2.14) 1-Г(Т0-Т .) (и,+и„)+(1-Р,) ~а. „~] А интервал длин волн ЬЯ, между 1-м и г+1-м датчиком составит: ЬХ, =Х, (2.15) 2 2 и )~н Й83 ~™серд Р~серд ~об ) з (2.16) Разработанная методика расчета рабочего спектрального диапазона не учитывает изменение показателя преломления из-за хроматической дисперсии, Однако, это не вносит заметной погрешности, так как множитель 1-р, из — за хроматической дисперсии, изменяется лишь в 4-м знаке после запятой.

Так, для 10 датчиков, при минимальной резонансной длине волны датчика 1~=1530 нм (при Т0=20'С, в отсутствие деформаций) и диапазоне температур -40...+60'С и диапазоне изменения деформаций -0,1%...+0,1%„ошибка определения диапазона, рассчитанная по формулам (2.3), (2.4), составляет не более 3 пм, при этом рабочий интервал длин волн находится в диапазоне 1528...1562 нм, Как видно из выражений 2.12- 2.15 рабочий спектральный интервал тем шире, чем больше диапазоны измеряемых температур и деформаций, а также чем больше резонансные длины волн брэгговских датчиков. Диапазоны температур и деформаций определяются условиями эксплуатации, поэтому их можно считать заданными и не подлежащими изменению.

Брэггов скую длину волны можно варьировать тоже в ограниченном спектральном диапазоне- минимальная резонансная длина волны датчиков должна быть больше длины волны отсечки (длины волны, при которой волокно еще является одномодовым). Бсли брэгговская решетка выполнена в стандартном, телекоммуникационном волокне, то нижняя граница рабочего спектрального диапазона может быть определена из следующего выражения: 61 где Й„р - диаметр сердцевины оптического волокна, п„р„- показатель преломления сердцевины оптического волокна, п,6 — показатель преломления оболочки, Длина волны отсечки для стандартного телекоммуникационного волокна обычно составляет 1255-1260 нм.

Однако при определении нижней границы рабочего спектрального диапазона следует учитывать, что затухание в окрестности длины волны отсечки в 2- 2,5 раза выше, чем затухание в окрестности длины волны 1550 нм. В то же время существуют волокна, сохраняющие свою одномодовость в диапазоне длин волн до 780 нм (и менее до 200 нм ). Однако эти волокна обладают высоким затуханием более 2,5 дБ!км, что накладывает ограничения ® на эксплуатацию данных типов волокон (приводит к уменьшению динамического диапазона измерений). Потери в коротковолновой области спектра принципиально неустранимы, так как, в основном, они обусловлены рэллеевским рассеянием, и определяются следующим выражением~38, с.45~: С2.17) где постоянная С лежит в пределах 0,7...0,9 Дб/(км мкм ).

В то же время, в диапазоне до 1200 им чувствительныкремниевые ПЗС линейки, которые в сотни раз дешевле линеек на основе фотоприемников из. ?пбаАз, чувствительных в диапазоне 900-1750. Из изложенного выше следует, что определение рационального спектрального диапазона, не является однозначной задачей, и во многом зависит от выбора метода измерений и требуемых эксплуатационных параметров системы- диапазонов и погрешностей измерений температур и деформаций, длины измеряемой линии (максимального расстояния до последнего датчика), частоты измерений, динамического диапазона, а также необходимого количества датчиков, Именно поэтому во многих случаях, при улучшении одного из эксплуатационных параметров требуется жертвовать другими — так, например, при увеличении требуемой частоты измерений, необходимой для анализа динамики развития деформации (требуется для исследования 62 деформаций конструкций самолетов, пусковых установок и так далее), неизбежно увеличивается погрешность измерений.

Это происходит из-за того, что сокращается постоянная времени фотоприемного устройства, а значит, возрастают шумы. Также на погрешность измерений негативно влияет ужесточение требований по длине измеряемой линии и/или динамическому диапазону. Требования к обеспечению широких диапазонов измеряемых температур и деформаций и режима работ с большим количеством датчиков приводят к увеличению рабочего спектрального диапазона, что также влечет за собой уменьшение частоты измерений.

Перечисленные взаимные влияния характеристик справедливы как при синтезе системы в рамках одного метода измерений, так и при рассмотрении различных способов. Принципиально, метод спектрального мультиплексирования может быть реализован двумя способами: 1)сканирование спектра узкополосным источником излучения (лазером) и прием широкополосным приемником; 2) подсвет широкополосным источником, а сканирование по спектру осуществляется узкополосным приемником.

Далее разрабатываются методики расчета квази-распределенных оптико-электронных измерительных систем на основе этих двух способов. 2.2.1. Методика регистрации информационных сигналов с использованием перестраиваемых по частоте источников излучения В данном случае, при перестройке частоты лазера, в соответствии с управляющим сигналом ЗВМ, осуществляется генерация дискретных длин волн с шагом ЬХ„. После перестройки длины волны, в течение времени т„, производится измерение интенсивности излучения фотоприемными устройствами 1(ФПУ1) (основное его назначение устранение погрешности, возникаемой из-за нестабильности интенсивности источника излучения) и ФПУ2, а также измерение длины волны излучения измерителем длины волны (ИДВ).

63 1 з Измеритель ллины волны ОВ ОВ Рис. 2.3. Структурная схема, идентифицирующая метод регистрации сигнала с квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей сприменением спектральная зависимость коэффициента отражения набора брэгговских решеток по соотношению: АЩ) = гу(л,) — ' ' Р1, (2.18) где Х; значение длины волны измеренное ИДВ, Р~; значение мощности измеренное ФПУ2, Рл - значение мощности измеренное ФПУ1, т~(Х;)- коэффициент учитывающий неравномерность светоделения в зависимости от длины волны. На первом этапе требуется определить положение рабочего спектрального диапазона. Для этого необходимо определить оптимальную элементную базу (элементы системы, при которых метрологические характеристики будут наилучшими, а себестоимость минимальна) В принципе, в качестве перестраиваемого лазера могут быть использованы: 1) лазер на красителях- возможный диапазон перестройки 360- 950 нм; 2) титан-сапфировый лазер- диапазон перестройки б50- 1100 нм; 3) полупроводниковые лазеры.