Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков (1025511), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Структурная схема стенда для исследования спектра пропускания калибратора на основе цианида водорода. В данном стенде перестраиваемый лазер Т1.В-6500 настраивался на режим работы, при котором длина волны дискретно перестраивалась на 1 пм через интервал времени равный 0,1с. Измеритель длины волны осуществлял измерение длины волны и по интерфейсу К8-232 передавал информацию на ЭВМ. Также на ЭВМ записывались результаты измерения интенсивности излучения на ФПУ1 и ФПУ2 (которые измеряли мощность излучения до калибратора и после). Соответственно искомый спектр пропускания калибратора зто отношение сигнала с ФПУ2 к сигналу с ФПУ1. Результаты измерения резонансных длин волн приведены в таблице б.
144 Таблица 6. Результаты измерения значений длин волн калибратора 1527,633 1553,756 К.15 1533,867 1543,809 1528,055 К14 1534,415 Р2 1544,515 1554,591 1528,486 1528,926 1534,972 1535,540 К13 РЗ 1545,230 1545,955 1555,437 1556,292 Р4 1529,377 К11 1536,117 Р5 1546,690 1557,157 1529,837 1530,306 К10 Рб 1547,435 1548,191 1536,704 1537,300 1558,033 1558,919 К20 Р7 1530,786 1537,907 1548,956 1559,814 Р8 1560,720 1531,275 1539,786 1549,731 Р9 1531,774 1532,283 1550,516 1551,311 1561,636 1562,562 1540,431 1541,087 Р10 К15 1563,498 К14 1532,801 1541,753 Р12 1552,116 К17 1533,329 1543,114 1564,445 К1 Р13 1552,931 3.2.2 Разработка алгоритма для обработки сигналов, формируемых квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системой В разделе 2.62 показано, что на выходе ВОБП формируется два массива чисел 81 и 82, в которых элементам с разными индексами соответствует значения интенсивности регистрируемых сигналов в зависимости от времени.
Также в зависимости от времени изменяется центральная длина волны интерферометра Фабри-Перо, который в соответствии с функциональной схемой модулируется генератором пилообразного импульса. Поскольку генератор пилообразного напряжения формирует периодический сигнал, то периодичность также будет наблюдаться и в массивах 31 и 82, Для определения резонансной длины волны брэгговского датчика необходимо определить значения длин волн, которые соответствуют 145 индексам 1 сигнала 31.
Поскольку сигналы 31 и 32 детектируются одновременно, а 33 является отношением указанных сигналов: ЯЗ = 52/51; (3.4) 2) В массиве 33, начиная с индекса, соответствующего началу измерения, ищутся локальные минимумы и запоминаются значения индексов соответствующих данным минимумам — формируется массив Мш. 3) Значениям длин волны 1м;„присваивают значения длин волн соответствующие реперным точкам 4) Формируется скорректированный массив длин воли Хкор„. при помощи следующего выражения м~п„) ~р + каР> Мтц (3,5) где 1-индекс, принимающий значение ~ =1...(ЛЛп„, -Мт,) 5) На основе скорректированного массива длин волн Хкор„. находятся значения резонансных длин волн брзгговских датчиков. Для этого в массиве 31 находятся локальные максимумы и в массив Мах вносятся значения индексов 31 соответствующим этим максимумам.
то соответствие индексов длинам волн 81 можно определять и из сигналов 32 и 83. Для нахождения соответствия индексов длинам волн используется следующий алгоритм, разработанный автором. 1)В массиве 32 находятся индексы, соответствующие началу и концу одного цикла сканирования интерферометра Фабри-Перо. Данные индексы находятся в тех местах, где у сигнала 82 имеется «ступенька» (рис.
2.34в), причем положению начала 2-го цикла сканирования соответствует «ступенька», положение которой отмечено пунктирной линией). Данный разрыв в сигнале 32 возникает из-за того, что спектральная плотность источника излучения неодинакова в спектральном диапазоне начала и окончания сканирования. 146 б) Вычисляются значения брэгговских длин волн при помощи следующего выражения Мак~+а ~ я„„я, у'=Мака -а 61 Мах~+В > (З.б) где Е- индекс, принимающий значение 1с=1...длина массива Мах, бколичество точек в окрестности которых уровень сигнала превышает уровень фона.
7) На основе значений резонансных длин волн через коэффициенты преобразования сдвиг длины волны /деформация определяется деформация каждого датчика. Итак, в данном разделе приведены результаты решения двух наиболее сложных задач при проектировании — разработка узла калибратора, и алгоритма обработки. Однако осталась не решенной задача рационального выбора конструктивных параметров покупных комплектующих. Решению этой задачи посвящен следующий раздел. 3.3. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков Для исследования оптимальных параметров макетного образца используются методы численного моделирования, То есть, поочередно выбирается один из параметров, который как предполагается, оказывает влияние на погрешность измерений.
Затем этот параметр варьируется и исследуется зависимость метрологических характеристик от данного параметра. 147 Для начала анализа выберем параметры, которые, предположительно, будут оказывать влияние на метрологические характеристики макетного образца. Для выбора параметров в соответствии с орграфовой схемой определим исследуемые величины, следуя от источника излучения к фотоприемным устройствам. Спектральная плотность источника излучения будет оказывать влияние на отношение сигнал/шум, а значит потенциально это необходимый параметр для исследования. Однако производители СЛД (выбранный тип источника излучения), как правило, не указывают спектральную плотность, а указывают мощность и ширину спектра по уровню 0,5, а также глубину спектральной модуляционной составляющей (рис. 56), обусловленную остаточными модами резонатора Фабри-Перо (СЛД- это модифицированный полупроводниковый лазер с резонатором Фабри-Перо, у которого одна из граней просветлена и имеет близкий к нулю коэффициент отражения).
Как правило, производители разделяют два вида: 1)средней мощности (до 2 мВт) и 2) высокой мощности до 10 мВт. В обоих видах СЛД ширина спектра может варьироваться в диапазоне 30-60 нм, а вот глубина спектральной модуляционной составляющей составляет 3% и 8% соответственно(66). Вследствие этого, однозначно нельзя сказать, какой из видов СЛД предпочтительно использовать.
Поэтому для моделирования будут ® использоваться оба источника излучения. 149 Таблица 7. Параметры источников излучения Другим важным параметром является коэффициент отражения отражателя, от величины которого будет зависеть уровень' несущей (фоновой) составляющей, которая и будет модулирована спектром пропускания цианида водорода и спектром отражения набора брэгговских решеток, Итак, будем варьировать коэффициент отражения отражателя В =0,01...0,6. Следующим фактором, который необходимо учитывать является разрешение интерферометра Фабри-Перо. От разрешения интерферометра Фабри-Перо будет зависеть регистрируемая глубина пиков поглощения цианида водорода. Будем варьировать разрешение интерферометра ФабриПеро в диапазоне от 10...100 пм.
Другим параметром, который может существенно оказывать на метрологические характеристики измерительной системы, является шаг дискретизации по шкале длин волн. Шаг дискретизации по шкале длин волн будем варьировать в диапазоне от 1...10 пм. Не менее важным фактором, оказывающим влияние на отношение сигнал/шум, является среднеквадратическое значение амплитуды шума 151 резонансной длины волны 10 пм (данная погрешность измерения длины волны характерна для лучших образцов анализаторов оптического спектра и ее достижение можно считать хорошим научно-техническим результатом, который позволит получить погрешность измерения деформации до 0,001',4).
Затем, используя данные значения параметров системы, будем варьировать каждый из параметров для изучения влияние данного параметра на метрологические характеристики системы. Очевидно, что максимальный динамический диапазон будет достигаться при минимальных шумах ФПУ и минимальном шаге дискретизации, а вот по другим параметрам сделать сразу однозначные выводы не представляется возможным. То есть требуется, варьируя три параметра- вид источника излучения„ коэффициент отражения от отражателя и разрешение интерферометра Фабри-Перо, подобрать такое их соотношение при котором будет достигнут максимальный динамический диапазон. Поскольку один из параметров (источник излучения) имеет только два дискретных значения, задача сводится к решению двух двумерных задач оптимизации и сравнению их результатов.
Решение двумерной задачи оптимизации будем проводить помощи метода циклического покоординатного спуска, суть которого сводится к перебору Ф всех возможных сочетаний параметров, и выбора такого их соотношения, при котором исследуемая функция имеет глобальный экстремум. Для реализации данного метода составим алгоритм для моделирования данной системы в соответствии с функциональной схемой ( рис.3.11 и таблицей 9). 152 8. Формировние спектраль ной плотности источника излучения 2.Цикл по изменению разрешения ИФП 4.Цикл по Х (кол-ву усреднений) 14. Формировние сигнала ФПУ1 Рис. 3.11. Структурная схема алгоритма моделирования и оптимизации проектируемой системы 21 .Цикл по изменени козф-та отражения отражателя К З.Цикл по изменению 20 коэф-та отражения БР 5.Цикл по кол-ву точек (дискретных зн ач. длин волн) 6.
Формировние предпол агаемыых значений длин волн ИФП 7. Формировние реальны х значений длин волн ИФП 9. Формировние спектра отраженного сигнала от ОВ с набором датчиков 10. Формировние спектрал ьной плотности излучения на входе ИФП 11.Формировние спектра пропускания калибратора 12.Цикл по кол-ву точек (дискретных зн ач, длин волн) З.Цикл по кол-в точек в окрестности соотв-й ширине спект ра ИФП 154 Коммента ии Коэффициент отражения отражателя изменяется в диапазоне К = 0,01..0,2 с шагом 0,01 Разрешение интерферометра Фабри- Перо изменяется в диапазоне Ы,рп=10...100 пм, с шагом 10 пм Коэффициент отражения брэгговских решеток изменяется в диапазоне Вд = 0,009..0,9 с шагом 0,09 Осуществляется цикл по И=100 реализациям с целью нахождения максимальной ошибки для данных параметров.
Цикл, осуществляется из-за того, полученная погрешность измерения является случайной величиной и по одной еализации о по ешности судить нельзя. Количество точек это отношение ширины рабочего спектрального диапазона к дискретности перестройки (1 пм ) Формирование предполагаемых ( вычисленных на основе отсчета времени, и характеристик управляющего генератора) значений центральной длины волны интерферометра Фабри-Перо. В данной операции специально водится ошибка для каждого значения длины волны значение ошибки запоминается Формирование реальных (отличающихся от предполагаемых из-за нелинейности пъезопривода) значений центральной длины волны инте е ом аФаб и-Пе о, Формирование спектральной плотности источника излучения— формируется значение спектральной плотности для реальных значений длин волн. При формировании также моделируются шумы спектральной модуляции.
Фо ми ется спек о аженного сигнала Формируется спектральной плотности сигнала на входе инте е оме аФаб и-Пе о 10 Формируется спектральная зависимость коэффициента пропускания калиб ато а блока с епе ными точками по шкале длин волн Циклы необходимые для осуществления интегральной операции све тки 12,13 Формирование сигнала регистрируемого ФПУ1 и ФПУ2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
