Диссертация (Оптическая интерферометрия кварцевого волоконного световода легированного редкоземельными ионами в условиях генерации лазерного излучения), страница 13

Алгоритм обработки экспериментальных данныхЭкспериментально измеренная зависимость интенсивности интерференционного сигналазондирующего излучения от времени представляет собой "синусоиду"с медленно меняющи­62мися амплитудой, периодом и определённым уровнем шума.(︂)︂2() = () sin+ (), ()(2.4) () ()≪ (),≪ 1 — согласно условию медленного изменения, () —случайный процесс.

Пример реализации экспериментальной зависимости приведён на рис.где ()2.6.Для корректного восстановле­ния фазы обработка осуществляет­ся в три этапа. Вначале произво­дится нормировка всего набора дан­ных на максимальное и минималь­ное значение за всё время измере­ния. После этого вводится три чис­ла: ноль, верхний пороговый уро­вень, лежащий между нулём и ми­нимальным значением всех локаль­ных максимумов эксперименталь­Рис. 2.6. К описанию алгоритма обработки данныхной кривой, и, также, нижний по­роговый уровень, лежащий между нулём и максимальным значением всех локальных мини­мумов (для заданной мощности накачки).

Точки пересечения верхнего порога c эксперимен­тальной кривой обозначены на рис. 2.6 как , нижнего порога — , нуля — 2 . Пусть, кпримеру, программа начинает перебор значений от точки 2 . После достижения точки про­изводится поиск максимума на интервале [ ; 2 + 1], который на рис. 2.6, обозначен как .На это значение осуществляется нормировка данных в диапазоне [2 ; 2+1 ]. Перечисленныеоперации позволяют избежать следующих ошибок:1. Учёт в качестве нулей нескольких точек пересечений зашумлённой экспериментальнойкривой с нулём вблизи 2 ;2. Учёт немонотонностей в зависимости фазы от времени, которые также приводят клокальным максимумам в интерферограмме, но со значением, меньшим верхнего поро­гового уровня.Аналогичным образом осуществляется нормировка данных на интервале63[2+1 ; 2+2 ] с использованием локального минимума , и так далее на всей эксперимен­тальной кривой.

На последнем этапе производится восстановление фазы с использованиемфункций:∆() = (−1) arcsin(()) + ,(2.5)где целые числа p и q определяются из условий непрерывности полученной зависимости.Значения p и q в начальный момент времени выбираются путём анализа поведения экспе­риментальной кривой при включении мощности накачки. После применения описанного вэтом разделе алгоритма удаётся получить гладкие зависимости без особенностей, подобныеизображённым на рис. 2.5 (б).2.3.3. Блок схема экспериментальной установки для реализации алгоритмаизмерений в автоматическом режимеВ качестве устройства управления экспериментальным стендом используется внешниймодуль АЦП/ЦАП E14-140-MD производства российской компании L-Card.

Данный модульсодержит 32 канала с общей землёй, либо 16 дифференциальных каналов АЦП с разрядно­стью 14 бит и регулируемым диапазоном по напряжению, а также два 16-разрядных каналаЦАП с выходным напряжением до 5 В. И АЦП и ЦАП модуля обеспечивают частоту дис­кретизации до 200 кГц, время установки сигнала для ЦАП составляет 0.7 мкс, что с точкизрения скорости разогрева волокна можно считать мгновенным процессом. Один из кана­лов ЦАП использовался для установки значения мощности накачки в схеме источника тока.Каналы АЦП использовались для:1. Измерения реально установленного тока накачки2. Измерения мощности сигнала зондирующего излученияУправление модулем L-Card E14-140-MD осуществляется по интерфейсу USB 1.1 с по­мощью библиотеки функций Lusbapi.dll v3.3, предоставляемой производителем.

Согласновнутренней логике работы прибора, сбор данных АЦП производится встроенным микро­контроллером, и оцифрованные значения запоминаются во внутреннем кольцевом буфереFIFO в ОЗУ ёмкостью 32 Кбайт. При максимальной частоте дискретизации это соответству­ет времени заполнения буфера 327 мс, что определяет максимальную длительность опроса.Библиотека Luasbapi.dll при этом выполняет две функции:641.

Зеркальное отображение буфера FIFO в оперативной памяти компьютера с помощьювнутренних процедур (скрыто от пользователя)2. Предоставление программного интерфейса для сбора данных и управления параметра­ми модуляПроизводителем предоставляется заголовочный файл и объектный модуль для статическойкомпилляции на языке C++ и использования функций dll-библиотеки. Вследствие этого про­грамма по управлению экспериментальным стендом с помощью данного АЦП/ЦАП модулябыла реализована в среде Visual Studio C++.

Внешний вид диалогового окна программыприведён на рис. 2.7.Здесь графическое поле в левой части ("Oscilloscope") служит для отображения измеряемойРис. 2.7. Диалоговое окно программы по управлению измерениямиэкспериментальной кривой в реальном времени, а графическое поле в правой части ("Drivingvoltage") — для отображения зависимости управляющего напряжения от времени. Интервалвыборки значения задаётся текстовым полем "ADC interval".Программа представляет собой многопоточное приложение для ОС Windows XP, состоя­щее из двух потоков — рабочего и основного. Рабочий поток производит циклический опросустройства с помощью функций библиотеки Lusbapi и записывает измеренные значения на­пряжения в массив и в файл, а основной поток отображает значения массива на графике с65настраиваемыми параметрами по таймеру.

Оба потока используют один и тот же разделяе­мый массив данных в ОЗУ, но конфликтов при этом не возникает, поскольку запись в массивпроизводится только в рабочем потоке.При установке следующего управляющего напряжения ЦАП (т.е. при изменении мощ­ности накачки) с помощью нажатия на кнопку "Set!"программа завершает запись текущегофайла, и начинает запись нового, соответствующего другому значению мощности накачки.По завершении всех измерений программа формирует на выходе набор файлов, соответству­ющих каждому значению мощности накачки, содержащих зависимости измеряемых напря­жений фотоприёмника интерференционного сигнала от времени.

При нажатии на кнопку"Process data"программа обрабатывает каждый из файлов по описанному в предыдущем раз­деле алгоритму, сшивает полученные зависимости фазы от времени и выдаёт зависимостьустановившихся значений фазы от управляющего напряжения ЦАП в виде таблицы. Эта таб­лица затем пересчитывается в искомую зависимость средней по длине волокна температурыот мощности накачки.Для полной автоматизации всего измерительного процесса программа по нажатию накнопку "Read the program.."осуществляет загрузку текстового файла следующего формата:Время установкиНапряжение**Это позволяет выполнять полностью автономную программу измерений без участияпользователя.2.4.

Калибровка экспериментальной установкиПроведены калибровочные измерения с интерферометром на пассивном и активном во­локнах с внешним разогревом одного из плеч. Калибровка осуществлялась путём нагрева­ния одного из плеч интерферометра при помощи нихромовой проволоки, обмотанной вокругстеклянной трубки, в которую помещён кварцевый капилляр с исследуемым волокном. Дру­гое плечо, помещённое в такой же кварцевый капилляр, было теплоизолировано от первогопри помощи ткани из стекловолокна. Измерения температуры проводились независимо припомощи схемы на основе мостика Уитстона: две тонкие (∅ = 60 мкм) медные проволоки,пропущенные параллельно световодам, служили одним из плеч моста, по разбалансу которо­го определялась температура внутри кварцевых трубок.

Схематически термостат со схемойнагрева и измерения температуры показан на рис. 2.8 и 2.9:66Рис. 2.8. Схема калибровочных измерений. Цифрами указаныконтакты к электрической схеме мостика УитстонаРис. 2.9. Мостик Уитстона. — сопротивление, меняющееся с температурой.пер — баллансирующий потенциометр.Для напряжения разбалланса в схеме имеем: = 2 − 1 пер ,( + 1 )(2 + пер )Если вначале мост сбаллансирован, то(2.6)пер1==(обозначение). Тогда можно запи­12сать:(︂)︂( +∆ )2 − 1 пер∆∆ / = =1− ,( +∆ +1 )(2 + пер )(1 + )2 1+ +∆ /(2.7)При малых изменениях сопротивления можно пренебречь вторым слагаемым в скобках, итогда мы получаем линейную зависимость напряжения на мостике Уитстона от напряженияисточника питания и температуры измерителя:∆= ,(2.8)где — температурный коэффициент сопротивления, равный для меди 4 · 10−3 −1 [121].Используя данную методику, были получены зависимости разности фаз от температуры дляпассивного и активного иттербиевого волокна при разогреве участка длиной L = 20 см сиспользованием DFB-лазера на 1.55 мкм (рис.