Диссертация (1143140), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

В действительности φs меняется, пустьи слабо, что может приводить к искажениям выходного сигнала φsr(t) по сравнению сисходным целевым колебанием φs(t). Более того, при рассмотрении ограничений на частоты иамплитуды колебаний φs(t), при которых сохраняется работоспособность конкретного методадемодуляции, ключевым фактором обычно является именно значительное изменение φs наинтервале детектирования, приводящее не просто к искажениям, а к критическому росту ∆φпо сравнению с уровнем колебаний φs(t).Первым этапом активного развития методов демодуляции был этап разработки такихметодов, когда для нахождения значения целевого сигнала φs старались использоватьразличные комбинации аналоговых преобразований. Одними из первых стали развиваться87способы, использующие гармоническую вспомогательную модуляцию ψ(t) = ψm sin(ω0t), прикоторой сигнал u(t) можно записать в видеu(t )  U 0  U m cos  m sin(0t )  s (2.57)Известно, что четные и нечетные гармоники сигнала (2.57) пропорциональнымножителям Jn(ψm)·sin(φs) и Jn(ψm)·cos(φs) соответственно, где Jn(x) – функция Бесселя n-гопорядка, n – номер гармоники [137].

Отсюда следует один из типовых подходов к реализациифазового детектирования [138,139] – формирование квадратурных сигналов sin(φs) и cos(φs)путем синхронного детектирования гармоник (обычно первой и второй гармоники) сигналаu(t). Еще один вариант вспомогательной модуляции достаточно часто применяется дляорганизации демодуляции сигналов в измерительных схемах с фазомодулированнымиоптическими сигналами вида (2.55) – режим с линейным нарастанием ψ(t) = ω0·t на интерваледетектирования. В этом случае сигнал (2.56) в пределах линейного участка принимает видu  t   U 0  U m cos 0t  s (2.58)т.е. имеет вид гармонического сигнала с частотой ω0 и фазой φs.

В некоторых оптическихсистемах возможно непрерывное линейное нарастание вспомогательного смещения ψ(t) надостаточно большом фазовом интервале (до многих тысяч радиан) и сигнал u(t), может иметьвид (2.58) на протяженном интервале времени >> 1/2πω0. При этом часто применяют терминпсевдогетеродинный режим, поскольку оптическая несущая с фазой φs(t) преобразуется вгармонический сигнал на радиочастоте ω0 с той же фазой (фаза переносится с оптическойчастоты на поднесущую ω0) [140].

В случаях, когда амплитуда модуляции ограничена потехническим причинам, можно добиться аналогичного режима, если применять пилообразнуюмодуляцию с амплитудой ψm =2π (либо кратную 2π) [135,141]. Псевдогетеродинный режимимеет ряд привлекательных свойств, однако предъявляет более серьезные требования кмодулятору или предварительной обработке сигнала фотоприменика, по сравнению сгармонической вспомогательной модуляцией.

В общем случае для демодуляции могут бытьиспользованы сигналы с ψ(t), имеющие отдельные линейные участки (например, треугольныйсигнал) и тогда при демодуляции следует обрабатывать отдельные интервалы такого сигнала.Такой вариант также достаточно удобен, хотя некоторые достоинства псевдогетеродинногорежима с непрерывным сигналом вида (2.58) могут быть утрачены.С развитием цифровой электроники появились дополнительные возможности обработкисигналов, однако многие из исходных подходов, в том числе указанные выше, сталиприменять в технологии оцифровки сигнала фотоприемника и далее реализации"традиционных" алгоритмов обработки в цифровом виде [142,143].

Возможности цифровойобработки сигналов дают более серьезные возможности для алгоритмов демодуляции.Дискретизациясигналавовремени,происходящаяприоцифровке,эквивалентна88представлению сигнала в виде последовательности отсчетов u(n)=u(tn) как сигнала сдискретным набором введенных смещений ψ (n), что эквивалентно манипуляции.Современная цифровая электроника и разработанные на ее основе подходы к реализациирадиотехническихППУфазоманипулированныхоптическихсигналовпредполагаютполноценное использование произвольного математического аппарата для извлеченияинформации об искомой фазе φs из сигнала вида (2.56) при известной вспомогательноймодуляции ψ.

С учетом цифрового представления сигнала (с некоторой частотойдискретизации fd) анализ фрагмента сигнала (2.56) можно интерпретировать как обработку Qотсчетов сигнала (интервал детектирования), взятых в моменты времени tnnu  n  u  tn   U 0  U m cos   n  s  ,   n    tn  , tn  t0 +fd(2.59)где n = 0, 1, …(Q–1); t0 – время начала записи отсчётов. С учетом техническойцелесообразности, как правило, частота модуляции и частота дискретизации выбираютсякратными (т.е. fd / fM = N – целое число, равное числу отсчётов на периоде модуляции).В сигнале (2.56) имеется три неизвестных параметра: постоянная составляющая U0,амплитуда Um и искомая разность фаз φs, поэтому для их однозначного определениянеобходимо зафиксировать не менее трёх различных значений интерференционного сигнала{u(n)} внутри окна детектирования.

По техническим причинам использовать на практикесоотношение N = 3 неудобно, наиболее удобным вариантом является соотношение N = 4 прииспользовании "переставляемого" окна детектирования, при котором один отсчет φsвычисляется по Q отсчетам сигнала u(t) и следующий отсчет фазы вычисляется по следующимQ отсчетам сигнала u(t). Метод "переставляемого" окна детектирования удобен тем, что длякаждого вычисления отсчета φs можно использовать одно и тоже выражение, что упрощаеталгоритм обработки и его реализацию. Задача создания расчётного алгоритма состоит в том,чтобы получить выражение, с помощью которого по набору Q отсчётов {u(n)} можнонаилучшим образом рассчитать значение целевого сигнала φs.При разработке практических измерительных систем важным аспектом являетсявозможность мультиплексирования нескольких или многих датчиков в одной линии передачисигнала.

В системах с "оптическим" съемом информации (когда измеряемое воздействиеменяет параметры оптической волны, что потом подвергается регистрации) такиевозможности часто рассматривают в контексте волоконно-оптических (ВО) трактов передачиинформации, поскольку оптические волокна обеспечивают распространение света назначительные расстояния с чрезвычайно низкими потерями и с сохранением фазовоймодуляции (для сохранения информации об изменении состояния поляризации необходимыспециальные оптические волокна). ВО тракт позволяет разнести в пространстве89непосредственно сам датчик и вычислительную систему, производящую обработку сигнала наоснове тех или иных методов демодуляции, а волоконный тракт может быть уложен подостаточно произвольной гибкой траектории.

При этом на практике часто актуально, чтобыединая достаточно мощная вычислительная система, расположенная в удобном месте, моглаобрабатывать сигналы от системы датчиков, расположенных в требуемых точках.При последовательном включении в волоконно-оптическую линию несколькихчувствительных элементов, формирующих сигнал вида (2.56), будет происходитьнедопустимое мультипликативное влияние сигналов друг на друга, что не позволяет провестидемодуляцию и корректно выделить целевые возмущения отдельных датчиков. Поэтому дляреализации мультиплексирования применяют дополнительные меры, позволяющие разделитьсигналы вида (2.56) от отдельных чувствительных элементов и, затем, проводитьдемодуляцию для таких сигналов независимо.

Такие меры могут использовать несколькоподходов, основным из которых является т.н. "временное мультиплексирование" (схемы свременным разделением каналов и т.п.), при котором от источника света в тракт счувствительными элементами вводятся достаточно короткие импульсы света (длительность∆T), а после прохождения через специально организованную схему с чувствительнымиэлементами (ЧЭ), на фотоприемное устройство поступает набор импульсов, каждый изкоторых несет информацию только от одного из ЧЭ.

Выделяя импульсы, поступившие от i-гоЧЭ можно сформировать отсчеты сигнала вида (2.56) от каждого датчика, т.е. разделитьсигналы датчиков. Кроме того, желательно, чтобы вспомогательная модуляция также моглаосуществляться одним модулятором для всех сигналов.

Есть и другие подходы, такие каксхемы с частотным разделением, схемы с использованием слабокогерентных оптическихисточников и др., но они обычно менее эффективны, чем временное разделение иприменяются очень редко, либо применяются как дополнение к системе с временнымразделением каналов.В качестве характерного примера схемы с мультиплексированными ЧЭ можно привестисхему, на основе направленных ответвителей, приведенную на рис.

2-22, которая имеетсистему параллельных отводов, возвращающих свет обратно к началу ВО тракта (режимработы "на отражение"). В зависимости от того как установлены ЧЭ (в отрезках прямогопрохождения – рис. 2-22 а), либо в отрезках, связывающих прямое и обратное волокна – рис.2-22 б) можно реализовать схему с последовательным или параллельным прохождениемволоконных ЧЭ.90а)оптоэлектронный блокTЛоптическая линия с мультиплексированными ЧЭ(параллельное включение)MЧЭ1ФПУ1ЧЭ3ЧЭ4...ФM2 43 ...tЧЭ212...2 3 4 ...3 4 5...1DMUX2 34оптическая линия с мультиплексированнымиЧЭ (последовательное включение)б)...1 23 4ЧЭ1ЧЭ2ЧЭ3......12 34Рис. 2-22. Схема с мультиплексированием чувствительных элементов (режим "наотражение"), а) схема с параллельным включением ЧЭ, б) схема с последовательнымвключением ЧЭ.Л – лазер; М – модулятор; ФПУ – фотоприемное устройство; ЧЭ – чувствительный элемент;СВ – сигнальное волокно; ОВ – опорное волокно; ФМ – фазовый модулятор; DMUX –демультиплексирование сигналов каналов.В этих схемах временная задержка между импульсами связана с длиной отрезковволоконно-оптического тракта между ответвителями ∆ (задержка между импульсами,поступающими к началу тракта составляет 2∆/c).

Характеристики

Список файлов диссертации