Частотная волоконно-оптическая измерительная система

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Поляков Александр Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Частотная волоконно-оптическая измерительная система, содержащая модулятор тока,инжекционный лазер, волоконный световод, фотоприемник, частотомер, отличающаяся тем, что в нее введены формирователь импульса, блок регенерации, пороговое устройство,ЭВМ-и/или микропроцессор.(56) 1. Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б., Константинов В.Н., Прокофьев В.А. Параметрическая стабильность автомодуляционных колебаний в кольцевой системе лазер-волоконнооптическая линия задержки // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13. -12. - С. 24082413 (прототип). 2. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок / Пер. с англ. - М. Мир, 1985. - 272 с. Фиг. 1 Предлагаемая полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным системам рециркуляционного типа и может быть использована в устройствах для измерения различных физических величин, например температуры, деформации, давления, силы тока, напряжения, дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов. Известна волоконно-оптическая система, где в качестве частотного волоконнооптического датчика используется рециркуляционный оптоэлектронный автогенератор с волоконно-оптической линией задержки в цепи обратной связи, содержащий модулятор тока, инжекционный лазер, волоконный световод, фотоприемник, частотомер 1. В волоконно-оптическом датчике рециркуляционного типа измерения осуществляются по частоте автомодуляционных колебаний, возникающих за счет проявления нелиней 43512008.04.30 ности амплитудных характеристик звена усилитель-модулятор тока либо ватт-амперной характеристики, либо может иметь место вариант одновременного проявления нелинейности обоих типов. В результате в системе устанавливаются автоколебания, в которых относительная долговременная нестабильность частоты рециркуляции составляет величину 710-5 при длине волоконного световода 350 м. Недостатком этой системы является невысокая точность измерений. В числе причин, вызывающих увеличение погрешности измерений, следует отметить затягивающее действие центральной частоты резонансного усилителя на частоту колебаний волоконно-оптического генератора, которое является источником двух видов погрешности. Первая из них вызвана неточным совпадением центральной частоты усилителя и резонатора и обусловлена зависимостью частоты генерации от амплитуды сигнала. Погрешность второго вида возникает вследствие изменения резонансной частотыв процессе измерений. Другая причина, которая может приводить к погрешности измерений, связана с субгармоническими бифуркациями. Для того чтобы не допустить развития субгармонических бифуркаций, необходимо поддерживать коэффициент усиления усилителя с погрешностью не более 5 . Кроме того, отмечено, что при создании волоконно-оптических резонансных устройств в широком динамическом диапазоне наблюдается нелинейность отклика от возмущающего воздействия. Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение точности измерений за счет устранения указанных источников погрешности и повышения стабильности частоты рециркуляции. Поставленная задача достигается тем, что в частотную волоконно-оптическую измерительную систему, содержащую модулятор тока, инжекционный лазер, волоконный световод, фотоприемник, частотомер, по предлагаемому техническому решению введены формирователь импульса, блок регенерации, пороговое устройство, ЭВМ-и/или микропроцессор. На фиг. 1 представлена функциональная схема волоконно-оптической измерительной системы рециркуляционного типа. На фиг. 2 - относительная долговременная нестабильность частоты рециркуляции при различных длинах волнового световода и порогах срабатывания порогового устройства. Частотная волоконно-оптическая измерительная система содержит модулятор тока 1,инжекционный лазер 2, волоконный световод 3, фотоприемник 4, частотомер 5. В нее введены формирователь импульса 6, блок регенерации 7, пороговое устройство 8, ЭВМ-и/или микропроцессор 9. Система работает следующим образом. Формирователь импульса 6 генерирует начальный импульс и запускает процесс циркуляции. Блок регенерации 7 по сигналу с формирователя импульсов 6 или порогового устройства 8 формирует стандартный по амплитуде, длительности и форме импульс. Данный импульс после усиления модулятором тока 1 поступает на инжекционный лазер 2. Для уменьшения задержки между импульсом тока накачки и излучением инжекционного лазера 2 последний смещается в предпороговую область источником постоянного тока. Импульс излучения инжекционного лазера 2 вводится в волоконный световод 3 с помощью соединительных муфт, а затем после некоторой задержки 0, определяемой оптической длиной волоконного световода 3, поступает на фотоприемник 4. Сигнал с фотоприемника 4 поступает на пороговое устройство 8, на выходе которого в момент пересечения сигналом порогового уровня формируется импульс, управляющий блоком регенерации 7. Таким образом, цикл рециркуляции замыкается. Частота рециркуляции регистрируется частотомером 5 и обработка данных производится микропроцессором 9. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика представляет собой отрезки кварцевых многомодовых волоконных световодов. 2 43512008.04.30 Принцип измерения основан на том, что воздействие измеряемой физической величины приводит к изменению оптической длины волокна за счет изменения геометрической длины и показателя преломления волоконного световода. Это служит причиной изменения времени распространения оптического импульса по волоконному световоду, т.е. изменяется частота рециркуляции. Данное изменение регистрируется достаточно просто и с высокой точностью. На каждом цикле рециркуляции осуществляется так называемая 2-регенерация (--), т.е. проводится восстановление информационного импульса по форме, амплитуде и длительности, что позволяет поддерживать процесс рециркуляции неограниченно долго. Информационным параметром является временное положение циркулирующего импульса. Измерения частоты рециркуляции во всех экспериментах проводятся с помощью частотомера электронно-счетного Ч 3-63. Перед началом измерений система калибруется. В процессе измерений значения частоты рециркуляции заносятся в ЭВМ, где их отклонения от начального значения по соответствующему алгоритму преобразовываются в значение той или иной измеряемой величины, а также наглядно отображается динамика процесса. В качестве фотоприемника используется лавинный фотодиод (ЛФД) или -фотодиод в зависимости от длины волоконного световода. Предлагаемая структура частотной измерительной системы позволяет устранить указанные выше источники погрешности измерений. Поскольку для предлагаемой измерительной системы не требуется информация о фазе и поляризации оптической волны, в предлагаемой схеме используются многомодовые инжекционный лазер и волоконный световод, что значительно упрощает стыковку между оптическими элементами и повышает надежность при эксплуатации. Применение многомодового инжекционного лазера позволяет уменьшить уровень шумов, связанный с источником излучения, поскольку в силу малой когерентности многомодовый лазер обладает пониженной чувствительностью к шумам, возникающим из-за попадания отраженного излучения в активную область лазера. Повышение точности измерений волоконно-оптических систем рециркуляционного типа в значительной степени связано с уменьшением величины относительной долговременной нестабильности (ОДН) частоты рециркуляции , которая обусловлена влиянием не связанных с измеряемой физической величиной внешних и внутренних дестабилизирующих факторов. Динамика изменения ОДН частоты рециркуляции при одинаковых режимах работы элементов контура и условий измерения для различных длин волоконного световода представлена на фиг. 2. Во всех измерениях величина постоянного смещения тока накачки ИЛ составляет 0,9 от порогового значения. Для каждого отрезка волокна время измерения частотомера составляет 1 с. Оценку относительной долговременной нестабильности частоты рециркуляциипроводили согласно следующей формуле 2 ср , где ср - средняя частота рециркуляции за время наблюдения н 30 мин,- результаты отдельных измерений,- число измерений в течение времени наблюдения. Кроме длины волокна изменялась величина порога п срабатывания порогового устройства (кривая 1 соответствует п, равное 0,4 от амплитуды импульса а на входе порогового устройства, кривая 2 - п 0,6 , кривая 3 - п 0,8 а соответственно). Из анализа данных на фиг. 2 следует, что при увеличении длины волоконного световода относительная долговременная нестабильность нелинейно уменьшается и достигает значения 210-6 при длине волоконного световода в несколько сотен метров. Очевидно, это связано с тем, что при увеличении частоты рециркуляции за одно и то же время измере 3 43512008.04.30 ний происходит большее количество срабатываний элементов системы и разброс во времени их увеличивается, т.е. сильнее проявляется свойство оптоэлектронной рециркуляционной системы накапливать флуктуации в процессе рециркуляции. Кроме того, при большой частоте рециркуляции в основном проявляются имеющие значительный уровень быстрые динамические эффекты в инжекционном лазере, в то время как при увеличении периода рециркуляции взаимное влияние на временное положение циркулирующих оптических импульсов оказывают значительно более медленные температурные флуктуации,связанные с процессом периодического нагревания лазерного кристалла в течение импульса тока накачки и затем последующего остывания, действие которых на процесс рециркуляции более слабый. Из анализа графиков на фиг. 2 следует, что уменьшение нестабильности частоты рециркуляции за счет наращивания длины волоконного световода целесообразно до длин в несколько сотен метров, а затем следует использовать другие методы. Уменьшение ОДН связано также с выбором величины порога срабатывания порогового устройства п. Минимальная ОДН наблюдалась в том случае, если п соответствовала линейному участку фронта импульса амплитудыв диапазоне (0,4 - 0,7)а, когда влияние флуктуационных эффектов минимально. Следует отметить, что с целью упрощения и удешевления схемы активной термостабилизации приемопередающего блока не предусматривается. К пассивным методам термостабилизации относятся установка инжекционного лазера на медный теплоотвод и помещение приемопередающего блока в защитный кожух, чтобы исключить влияние окружающих воздушных потоков. Из исследований частотной волоконно-оптической системы рециркуляционного типа следует, что такие устройства, обладая всеми преимуществами амплитудных датчиков(простота, надежность, дешевизна и т.д.), имеют существенно лучшую чувствительность и по своим метрологическим характеристикам могут занять нишу между амплитудными и фазовыми датчиками. Данная система позволяет измерять температуру, электрические величины, осуществлять контроль качества соединений волоконного световода и других оптических элементов, проводить анализ дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов и т.п. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4