Диссертация (1143140), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Если в каждом ЧЭ происходит модуляцияфазы света целевым возмущением, то для получения регистрируемого сигнала вида (2.56) всхеме используется опорный интерферометр (или "компенсирующий" интерферометр),который должен иметь разность хода 2∆. После прохождения опорного интерферометракаждый импульс будет преобразован в два таким образом, что каждый импульс совмещен соследующим импульсом, и таким образом будут сформированы интерферирующие парыимпульсов {1, 2}, {2, 3}, {3, 4}, и т.д. Важным достоинством такого метода организациимультиплексирования является возможность вспомогательной модуляции разности фаз ψ(t) засчет установки фазового модулятора (ФМ) в опорный интерферометр, находящийся в блокеаппаратуры. Подобный принцип мультиплексирования ЧЭ может быть реализован сиспользованием вариантов схемы, работающей в режиме "на проход.
В таком случаеформируется система импульсов от разных ЧЭ поступающих на выход, а не на входоптическоготракта.Ещеодинраспространенныйспособорганизациисхеммультиплексирования ЧЭ (в режиме "на отражение") – использование не только волоконныхразветвителей, но и оптических отражателей (например, зеркала на торцах волокон иливолоконно-оптические решетки Брегга).Мощность оптического источника, потери в элементах схемы и коэффициенты деления91разветвителей определяют уровень мощности поступающих на фотоприемник импульсов ипри этом, определяют требования к границам динамического диапазона фотоприемника.Кроме того, мощность света, поступающего на фотоприемник, является важным параметромдля оценки уровня шумов на выходе демодулятора, а в системах с мультиплексированием оназадается не только источником и потерями в элементах схемы, но и потерями прираспределении мощности между мультиплексированными ЧЭ.
С учетом сказанного, расчетоптической мощности в схемах с мультиплексированными ЧЭ становится важной частью дляопределения параметров демодулятора. В частности, важной задачей является расчёткоэффициентов деления разветвителей таким образом, чтобы получить равные уровнисигналов от всех ЧЭ, что значительно оптимизирует требования к фотоприемнику и улучшаетуровень сигналов и параметры демодулятора.В указанных схемах важным условием является выполнение соотношения ∆T < 2∆/c(обычно ∆T = ∆/c), т.е. длительность сканирующего оптического импульса должна выбиратьсяс учетом геометрических параметров ВО тракта. Кроме того, частота следования импульсовтак же должна соответствовать параметрам тракта (а именно длине звена ∆ и числу ЧЭ втракте) чтобы поступающие на фотоприемник серии импульсов не пересекались между собой.Поскольку в рассматриваемых схемах при M ЧЭ в тракте формируется M+2 выходныхимпульсов (M интерференционных и 2 "холостых"), то при целесообразной скважности серииимпульсов равной двум, частота следования сканирующих импульсов от источника должнабыть ограничена следующим отношениемfИ 12 M 2 T(2.60)В результате прохождения каждого импульса источника в тракт на выходе формируетсяM+2 импульса (m=0, 1, …M+1) из которых импульсы с m=1, 2, … M несут информацию от ЧЭс соответствующим номером.
Фотоприемник должен иметь полосу частот, достаточную длярегистрации величины импульсов, т.е. ~ 1/(2∆T) и АЦП регистрирующий сигналфотоприемника должен иметь соответствующую частоту дискретизации fd0, так чтобы впериод длительности одного импульса каждого канала можно было зарегистрировать хотя быодин отсчет (отражающий величину импульса). Частота следования итоговых независимыхотсчетов φs фазы для каждого канала будет равна fИ / Q.КрутизнапофазепередаточнойхарактеристикиППУфазомодулированногооптического сигнала определяется какSf I s ФПУ[1/рад]опт PL S f(2.61)где Is ФПУ – сигнальный фототок ФПУ, PL – мощность оптического источника (лазера), S –92токовая чувствительность (крутизна преобразования) фотодиода, ηопт = Pin ФПУ / PL – потериоптической мощности источника на разветвителях, ∆ f – девиация фазы выходного сигналаППУ.
Через крутизну по фазе S f определяются чувствительности волоконно-оптическихдатчиков (ВОД) (в смысле крутизны преобразования) к целевой физической величинеSцел = 1 / (S f · F), где F – измеряемая физическая величина (температура, давление, ускорение,напряженности магнитного и электрического поля и т.д.). Соответственно размерностикрутизны преобразования ППУ датчика – рад/град, рад/Па, рад/(В/м) и т.д.Минимальная детектируемая девиация фазовой модуляции определяется оптическоймощностью на входе ФПУ, при которой среднеквадратичное значение выходного напряженияполезного сигнала равно среднеквадратичному значению напряжения шума во всей полосечастот на выходе ФПУ в соответствии с полученным в диссертации выражением (2-51).Минимальная(SNR = 1)детектируемаядевиацияфазовоймодуляцииопределяетсявыражениемf minkTS опт PL SfCD 3m(2.62)где C – частотно-независимая и D – частотно-зависимая компонента среднеквадратичногозначения источника шумового тока, приведенного ко входу усилителя, τ – постоянная времениФПУ, m – коэффициент автокоррекции АЧХ ФПУ.
В случае ровной АЧХ ФПУ спектральная(по частоте) девиация фазовой модуляции равнаФПУ f minВФПУ(2.63)где ВФПУ – аналоговая полоса пропускания ФПУ. Размерность δφФПУ – рад/√Гц.Значение S f определяется структурой интерферометрического датчика, а такжеколичеством и коэффициентом деления волоконно-оптических разветвителей в блокеформирования сигнала датчиков (БСФД), потерями оптической мощности при прохождениисвета через элементы оптической схемы: изолятора, компенсирующего интерферометра, ициркулятора.
Крутизна по фазе S f принимает значения в диапазоне 10- 3 до 10 [1/рад].Дляэкспериментальнойпроверкиполученныхзависимостейразработанэкспериментальный макет демодулятора фазомодулированных оптических сигналов, в составкоторого входят: фотоприемное устройство (ФПУ) на основе фотодиода Hamamatsu G9801-22и усилителя на основе ОУ OPA 847; усилитель амплитудного модулятора (УАМ), усилительфазового модулятора (УФМ) и блок УРОИ.
В блок УРОИ входит аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) на основе адаптерного модуля NI-5783, содержащий АЦП AD9653;вычислительный модуль (ВУ) на основе контроллера PXIe-7975R FlexRIO FPGA Module иПЛИС Kintex-7 K410T 2Gb RAM; модуль компьютерного управления работой макета на93основе шасси National Instruments NI PXIe-1082 с модулем спецпроцессора обработкисигналов NI 7976R.Для проведения испытаний макета демодулятора фазомодулированных оптическихсигналов разработана лабораторная установка, структурная схема которой представлена нарис. 2-23.ЦЛИААМИКИБФСДмакетдемодулятораРис.
2-23. Структура лабораторной установки для проведения испытаний макетадемодулятора.В состав лабораторной установки кроме макета демодулятора входят: лазер (Л) NPPhotonics RFLM-25-3-1550.12-U-V; волоконно-оптические изоляторы (И) IO-G-1550-APC;аттенюатор (А); амплитудный модулятор (АМ) на основе оптического затвора ThorlabsBOA1004PXS; компенсирующий интерферометр (КИ); волоконно-оптический циркулятор(Ц); блок формирования сигнала датчиков (БФСД).Лазер является источником оптического излучения.
Оптические изоляторы подавляютсвет, возвращаемый к лазерному источнику из-за отражений от элементов. Аттенюаторобеспечивает приведение мощности света на входе амплитудного модулятора к требуемомуограничению, поскольку лазерный источник должен обладать высокой когерентностью, номожет иметь избыточную мощность. Амплитудный модулятор (оптический затвор)обеспечиваетформированиеотносительнокороткогоимпульсасветадляопросамультиплексированных в одной волоконной линии чувствительных элементов посредствомвременного разделения сигналов датчиков.
Компенсирующий интерферометр обеспечиваетформирование двух оптических импульсов с регулируемым сдвигом фаз (необходимы дляформирования на выходе системы фазомодулированных оптических сигналов). Циркуляторобеспечивает поступление оптического сигнала с выхода КИ на вход БФСД и поступлениесигнала с возвращаемого от БФСД на вход макета демодулятора (на вход ФПУ). Блокимитации сигналов чувствительных элементов датчиков содержит оптическую схему вкоторой формируется обратный оптический сигнал в виде набора фазомодулированныхоптических импульсов (фазовая модуляция каждого определяется воздействием на отдельнуюволоконную катушку имитирующую чувствительный элемент датчика).
Все элементы имеютволоконные выводы, т.е. соединены между собой волоконно-оптическими шнурами.Вычислительный модуль УРОИ предусматривает формирование сигналов оптическогозатвора и фазового модулятора, регистрации и обработки информации с АЦП, включая94выделение в выборке точек съема данных, усреднения данных (считанных с импульсов),демультиплексирования сигналов элементарных каналов, демодуляции целевых колебанийфазы в элементарных каналах.В соответствии с принципом формирования оптических импульсов, поступающих отБФСД, блок с четырьмя ВК после поступления входного импульса отражает 6 импульсов,четыре из которых являются фазомодулированными целевым сигналом воздействий накатушки, а два (первый и последний) являются "холостыми". Длины волоконных катушек вБФСД и разности длин волоконных плеч в КИ определяют задержку между формируемымиоптическимиимпульсамииограничиваютвозможнуюдлительностьимпульса.Вэкспериментальной установке используется длительность импульсов 200 нс, скважность 2 идлина волокна в ВК 40 м.Коэффициент деления волоконно-оптических разветвителей определяют из условияравенства оптической мощности импульсов, возвращаемых от соседних звеньев оптическойсхемы с ВК, что минимизирует потери оптической мощности в ППУ.
Для схемы блокаформирования сигналов датчиков, приведенной на рис. 2-24, оптимальные значениякоэффициентов ответвления разветвителей имеет вид Kn-1=1/(kВК(1-Kn)+1), где Ki –коэффициенты передачи разветвителей (в прямую ветвь), kВК – коэффициент потерь в ВК.ВК2ВК1YYВК3YВК4YФЗФЗФЗФЗФЗРис. 2-24. Схема блока формирования сигнала датчиков. ВК – волоконные катушки,ФЗ – фарадеевское зеркало, Y – волоконный разветвитель Y-типаПри типовых параметрах схемы: потери в ВК 0.5 дБ и коэффициент отражения зеркалR = 0.95, то в соответствие с выражениями оптимальные коэффициенты передачиразветвителей составляют: К1 = 0.818; К2 = 0.767; К3 = 0.682 и К4 = 0.512.
При таких элементахотносительный уровень мощности обратных импульсов составит η = 0.044, что соответствуетпотерям около 14 дБ.При оценке оптической мощности на входе ФПУ следует учесть уровень оптическоймощности, поступающей на вход АМ и потери оптической мощности при прохождении светачерез остальные элементы оптической схемы: изолятора, модуля КИ, циркулятора (светпроходит дважды) и БФСД. При этом для оценок взяты следующие потери оптическоймощности в элементах (по паспортам): изолятор волоконно-оптический с сохранениемполяризации (IO-G-1550-APC) – 0,6 дБ; ФМ – 12 дБ; ВК – 1,5 дБ; циркулятор волоконнооптический без сохранения поляризации (проход и отражение) – 0,8 дБ. В итоге потери на95распространение света в оптической схеме (после выхода АМ) составляют немного менее 30дБ (ослабление мощности в 1000 раз).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
