Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 11

Ф перестраиваемого лазера Измерительные сигналы поступают затем на ЭВМ, где вычисляется 64 Первые два типа лазеров из-за больших габаритов, эксплутационных недостатков и сравнительно высокой стоимости фактически не подходят для применения в квази-распределенных оптико-электронных измерительных системах. В то же время, современные полупроводниковые лазеры обладают хорошими эксплуатационными характеристиками (высокой стабильностью, низким энергопотреблением, большим ресурсом работы), широким диапазоном перестройки - до 110 нм и более 139) (в спектральном диапазоне 300... 3000 нм), относительно высокой скоростью перестройки длины волны (до 2000 нм/с). Все вышеперечисленное приводит к тому, что выбор в качестве перестраиваемого лазера полупроводникового, является фактически безальтернативным.

Необходимо отметить, что перестраиваемый полупроводниковый лазер с диапазоном перестройки 110 нм называется лазером весьма условно. Более правильным было бы назвать его модулем перестраиваемого лазерного излучения, поскольку в его состав входят несколько лазеров с внешним резонатором, каждый из которых перестраивается в своем более узком спектрально диапазоне. Диапазон перестройки одного лазерного блока такого лазера приведена на рис.

2.4 ограничен контуром усиления (спектральным диапазоном, в котором усиление превышает потери) и составляет 20-25 нм. Структурная схема 65 Рис. 2.4. Структурная схема перестраиваемого лазера В данной схеме у полупроводниковых лазеров с резонаторами Фабри-Перо на одну из граней (со стороны спектрального селективного отражателя) Ф нанесены просветляющие покрытия, то есть, образован составной резонатор Фабри-Перо. В качестве одного из отражающих зеркал резонатора обычно используется спектрально селективный отражатель в виде дифракционной решетки или интерферометра Фабри-Перо. Данный рефлектор, в зависимости от управляющего сигнала с ЭВМ отражает обратно в лазер только спектральную моду, с необходимой длиной волны.

Таким образом; в данных устройствах достигается одночастотный режим работы и широкий диапазон перестройки длины волны. Как было указано выше, перестраиваемые полупроводниковые лазеры могут иметь центральную длину волны (длина волны, в окрестности ® которой осуществляется перестройка) в широком спектральном диапазоне- 300...2000 нм.

При работе с волокном из плавленого кварца, длинноволновая составляющая ограничена областью пропускания кварца- до 2000 нм. Конечно, если использовать наиболее коротковолновый диапазон, то потенциальное число датчиков будет больше (сдвиг резонансной длины волны при деформации пропорционален брэгговской длине волны), однако, если длина измерительной линии достаточно велика, возникнет ограничение по динамическому диапазону, причем, не только из-за высоких потерь, но и, вследствие сильного рэлеевского рассеяния, Регистрируемую ФПУ мощность бб рассеянного назад излучения, обусловленную рассеянием Рэлея (рассеянием Рамана и Мандельштама-Бриллюэна пренебрегают, из-за малых интенсивностей рассеяния), можно определить из следующего выражения: а.Л Р т1й 10' — 1 обр.

2 аь 10' (2.19) предельную длину измерительной линии исходя из того, что минимальный отраженный сигнала от последнего датчика, должен превышать шумы на требуемое отношение сигнал/шум (р); аЛ Р ~1И10'-1 Р *и аЬ аЬ 10 б 1 10 б С учетом (2.17), можно определить предельную длину ОВ: (2.20) ЛР) = — '~ЯК вЂ” ~1+ — Д~ г ра И'й 2 (2.21) где, Р„-мощность лазера, и- потери на разветвителе, О=0,0018- коэффициент, определяющий часть рассеянного излучения, которая распространяется обратно по волокну, а- коэффициент затухания ОВ (дБ/км), А- длина оптического волокна, Используя это выражение, можно определить 67 и 2,5 ~5 2 1,5 л 5 1 0,5 М Я 0 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1б00 1700 1800 Длина волны Л., нм Рис.

2,5. Зависимость показателя ослабления от длины волны Для определения предельной длины измеряемой линии с учетом поглощения, необходимо численно решит следующее уравнение: сь Р 71 й 10'"' -1 Р т1 сь аР)ь 10" р 10 (2.22) Полученное выражение не учитывает потери на поглощение, что в ряде случаев приводит к существенным ошибкам, например в спектральном диапазоне 1340...1470 нм. Типичная спектральная зависимость показателя ослабления от длины с учетом поглощения волны приведена на рис.

2.5 Нарис. 2,6 приведенарассчитаннаязависимость предельнойдлины ОВ, в зависимости от длины волны при отношении сигнал/шум и=20 , С=0,8 дБ/(км мкм'), Й=0,0018 100 10 1~~~), к 0,1 800 1000 1200 1400 1600 1800 ; 2000 Длина волны 3., нм Рис. 2.6. Зависимость предельной длины измеряемой линии от длины волны излучения ~р Как видно из рисунка, при длине измеряемой линии до 3 км может быть использован и коротковолновый спектральный диапазон 800... 900 нм, однако, при длине измерительной линии более 20 км, наиболее подходящий спектральный 1450-1650 нм. Кроме этого, при выборе компонентов, следует учитывать, что стоимость стандартного телекоммуникационного одномодового волокна в несколько сотен раз дешевле нестандартного.

Из вышеизложенного следует, что задача выбора рационального спектрального диапазона неоднозначна: если длина измеряемой линии коротка, и требуется работа системы с большим количеством датчиков, то возможна работа в коротковолновой области. Бели же требуется работа с длинной измерительной линией, то рекомендуется использовать 69 длинноволновую область 1450...1650 нм, что более рационально с техникоэкономической точки зрения, так как для этой области может быть использовано стандартное телекоммуникационное волокно. На втором этапе требуется определить необходимое время измерений т на каждой длине волны или время перестройки длины волны, а также минимальную дискретность шага перестройки 5Х„.

Минимальное время измерения будет ограничиваться следующими факторами: 1) временем измерения длины волны в ИДВ; 2) временем перестройки длины волны в лазере; 3) необходимым временем измерения мощности отраженного излучения, для получения требуемого отношения сигнал/шум на ФПУ2 (рис. 2,3). Анализ спецификаций ведущих международных производителей показывает, что типичное время дискретной перестройки длины волны у перестраиваемых полупроводниковых лазеров составляет 0,1 с и фактически не зависит от шага перестройки длины волны. Необходимо отметить, что время перестройки длины волны ограничено не физическими эффектами, а современной схемотехникой, то есть требуемым временем для настройки внешнего резонатора лазера при использовании современных технических средств.

Минимальное время перестройки длины волны, обусловленное временем развития генерации при изменении параметров резонатора, составляет единицы наносекунд. Если даже сделать допущение, что остальные измерения занимают значительно меньше времени, для осуществления одного цикла измерения- сканирования спектра в диапазоне 110 нм (диапазон перестройки одной из лучших моделей перестраиваемых лазеров — Т1.Вбб00) с шагом перестройки длины волны 25 пм (выбор шага осуществлен в соответствии с выражением 2.33 приведенного далее), потребуется 440 с, что является достаточно большим промежутком времени.

Такое время измерений, подойдет для статического измерения деформаций, но совершенно не подходит для тех задач, где требуется измерять динамику развития деформации. С другой стороны, производители перестраиваемых лазеров достигли определенных успехов в обеспечении высокой скорости непрерывной перестройки длины волны. Так у модели ТЬВ-б600 (ХеюГосиз) скорость перестройки длины волны достигает величин У~=0,1...2000 нм/с.

То есть потенциально достижимо время измерения 0,055с (частота измерений 18 Гц). Для достижения высокой частоты измерений, во ФГУП ВНИИОФИ при участии автора была предложена структурная схема измерения, приведенная на рис. 2.7 Рис. 2.7. Структурная схема модифицированного метода регистрации сигнала с квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей с применением перестраиваемого лазера В данной схеме осуществляется непрерывная перестройка длины волны лазера, а управляющие сигналы с ЭВМ поступают на генератор импульсов, который, затем «открывает» электро-оптический модулятор в те моменты времени, когда длина волны перестроится на требуемый шаг перестройки бХ„. Максимальное время, на которое может быть «открыт» электро-оптический модулятор, определяется требованием к погрешности определения значения длины волны.