Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование возможности создания оптико-электроных измерительных систем на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 10
1.1. Анализ волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна 10
1.1.1. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна 12
1.1.2. Анализ метода бриллюэновской рефлектометрии 15
1.1.3. Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта бриллюэновского усиления/ослабления во временной области 21
1.1.4. Взаимосвязь метрологических характеристик распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна 25
1.2. Исследование возможности создания квази-распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе брэгговских решеток 30
1.2.1. Влияние деформаций и температуры волоконного световода на спектр отражения брэгговской решетки 30
1.2.2. Параметрический анализ зависимости коэффициентов отражения и пропускания брэгговских решеток 32
1.2.3. Методы изготовления волоконно-оптических брэгговских решеток.. 39
1.2.4. Анализ срока службы и надежности брэгговских решеток 46
1.2.5. Квази-распределенные волоконно-оптические оптико- электронные измерительные системы деформации на базе волоконно- оптических брэгговских решеток 49
1.3. Сравнительный анализ распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем на эффекте рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и резонансного отражения от волоконно- оптических брэгговских решеток 51
Глава 2. Анализ процесса преобразования сигналов, формируемыхволоконно-оптическими брэгговскими датчиками 53
2.1. Характеристики информационного сигнала, формируемого волоконно-оптическим брэгговским датчиком 55
2.2. Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования
2.2.1. Методика регистрации информационных сигналов с использованием перестраиваемых по частоте источников излучения 62
2.2.2. Разработка методик регистрации информационных сигналов с применением широкополосных источников излучения 81
2.2.2.1. Разработка методики регистрации сигналов с применением широкополосного источника излучения и монохроматора 82
2.2.2.1.1. Разработка методики регистрации информационных сигналов с помощью полихроматора 84
2.2.2.1.2. Методика регистрации информационных сигналов с помощью монохроматора с одноплощадочным фотоприемным устройством 91
2.2.2.3. Методика регистрации информационных сигналов с применением интерферометра Фабри-Перо 94
2.3. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе временного мультиплексирования 99
2.4. Методика регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками на основе пространственно-временного мультиплексирования 116
2.5. Обоснование технического пути построения макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 122
2.6. Разработка алгоритмической модели квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы 124
2.6.1. Орграфовая модель модели квази-распределенной волоконно- оптической оптико-электронной измерительной системы 124
2.6.2. Алгоритмическая модель поведения квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы 126
Глава 3. Исследование макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 131
3.1. Стенды для исследования характеристик информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками 132
3.1.1. Стенд для исследования спектральных характеристик сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками 133
3.1.2. Стенд для исследования групповой задержки 136
3.2. Разработка макетного образца квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системы 140
3.2.1 Разработка и исследование блока с реперными точками по шкале длин волн 140
3.2.2 Разработка алгоритма для обработки сигналов, формируемых квази-распределенной волоконно-оптической оптико-электронной измерительной системой 144
3.3. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 146
3.3.1. Разработка алгоритма для определения оптимальных характеристик макетного образца оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 150
3.3.2. Анализ конструктивных параметров, оказывающих влияние на метрологические характеристики макетного образца квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей 155
3.4. Экспериментальные измерения деформации объектов с помощью макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 162
3.5. Разработка метрологического обеспечения для макетного образца квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков 165
Общие выводы 168
Список источников
- Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна
- Квази-распределенные волоконно-оптические оптико- электронные измерительные системы деформации на базе волоконно- оптических брэгговских решеток
- Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования
- Стенд для исследования спектральных характеристик сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками
Введение к работе
Малые массы и размеры, стоимость, высокие прочность и гибкость
волоконных световодов открывают широкие перспективы их использования в
качестве чувствительных элементов в информационно-измерительных сетях
для реконструкции распределения физических величин в пространстве.
Одной из наиболее востребованной задачей является исследования полей
деформации (механических напряжений), так как своевременное
обнаружение критических деформаций, во многом позволит предотвратить возникновение аварийных ситуаций или катастроф. Поля деформации особенно важно измерять на так называемых инфраструктурных объектах (объектах, от которых зависит жизнедеятельность значительного количества людей, а также эффективное функционирование различных областей промышленности).
Наблюдение за состоянием таких больших объектов, особенно с применением методов инструментального контроля, представляет собой непростую задачу, так как контроль должен быть непрерывным и максимально достоверным.
Создание информационно-измерительных систем (ИИС) для этих задач до недавнего времени было чрезмерно дорогостоящим решением в том числе и в смысле затрат на обслуживание и эксплуатацию таких систем. Дело в том, что традиционные измерительные преобразователи (датчики), применяемые в таких ИИС, как правило, требуют подачи электропитания и собственной линии передачи сигнала измерительной информации, а также линии для подачи управляющих сигналов. Кроме того, условия эксплуатации датчиков достаточно жестко ограничены по параметрам окружающей среды, по воздействию агрессивных сред, высоковольтного напряжения и электромагнитных помех.
Появление распределенных и квази-распределенных волоконно-оптических измерительных преобразователей коренным образом изменило эту ситуацию и сделало возможным создание ИИС для мониторинга
8 инфраструктурных объектов с приемлемыми для практики характеристиками. Этот вид датчиков не требует электропитания, чувствительная зона преобразователя по существу совмещена с волоконно-оптическими линиями передачи измерительной информации. Степень воздействия условий внешней среды, электромагнитных помех, высоковольтного напряжения, агрессивных сред на волоконно-оптические датчики значительно ниже, чем на датчики, использующие электрическое преобразование измерительной информации.
Кроме того, волоконно-оптические датчики, значительно меньшую
погрешность измерения деформации, а также более высокую
чувствительность.
Именно по этим причинам, разработка оптико-электронных измерительных систем (ОЭИзмС) на основе распределенных и квази-распределенных волоконно-оптических датчиков, является важной и актуальной задачей
Целью данной диссертационной работы является исследование и
разработка оптико-электронной измерительной системы на основе квази-
распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков,
предназначенной для мониторинга деформации элементов конструкций инфраструктурных объектов.
Достижение поставленной цели потребует решения в диссертации следующих основных научно-исследовательских задач:
детального анализа возможных методов регистрации сигнала с квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических датчиков;
обоснование принципов и технических путей построения ОЭИзмС на основе волоконно-оптических брэгговских датчиках;
-разработка методик регистрации сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговским преобразователями; -разработки функциональной схемы квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы, и анализа источников погрешности;
- разработки макетного образца квази-распределенной оптико-электронной
измерительной-системы и анализа ее метрологических характеристик;
- разработки системы метрологического обеспечения для квази-
распределенной оптико-электронной измерительной системы;
Bf соответствии с вышеизложенными задачами диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Первая глава посвящена анализу возможности создания- оптико-электронных измерительных систем на основе квазираспределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков. В' этой1 главе проводится сопоставительный- анализ двух различных типов, систем- квазираспределенных и распределенных, основой- которых являются так называемые частотные волоконно-оптические датчики.
Во второй главе приводятся- методики расчета потенциальных характеристик для. различных методов построения измерительных систем. В > данной главе проводится анализ двух основных методов построения* квазираспределенных оптико-электронных измерительных систем- на основе і спектрального мультиплексирования датчиков и на основе, временного' уплотнения сигналов с преобразователей. В" данной главе проводится как-теоретический анализ, так и проводится численное моделирование данных систем.
Третья, глава посвящена разработке и исследованию квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе выбранного метода-измерения. В данной главе производится анализ основных элементов. Разрабатывается методика анализа погрешности измерения1 резонансных длин волн волоконно-оптических брэгговских датчиков. Проводятся исследования, разрабатываемого макета оптико-электронной измерительной системы. Также в данной главе осуществляется разработка системы, метрологического обеспечения квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских датчиков.
В заключении формулируются основные результаты. исследований.
Анализ распределенных волоконно-оптических измерительных систем на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна
Эффект рассеяния Мандельштама-Бриллюэна- это процесс нелинейного рассеяния, при котором свет рассеивается на акустической колебательной моде, приобретая сдвиг по частоте, соответствующий частоте этой моды [4, c.257]. Рассеяние возникает за счет модуляции показателя преломления среды при распространении в ней звуковой волны. Процесс бриллюэновского рассеяния можно рассматривать как рассеяние на движущейся дифракционной решетке, описываемой законом Брэгга, образованной звуковой волной. Воспользуемся этим допущением для нахождения зависимости сдвига частоты. Условие брэгговского отражения первого порядка определяется соотношением [5, с. 156]: 2Хк-5ш(ф/2)= ,, (1.1) где Л,- длина волны в среде для падающего пучка, а Л/г длина акустической волны или постоянная решетки, р- угол между падающей и отраженной волной. При отражении света от движущейся решетки, за счет эффекта Доплера его частота смещается в соответствии с выражением: Vi/vs=l-2VJ(c/n), (1.2) где ц— частота падающего излучения, vs- частота рассеянного излучения, Va-скорость распространения акустической волны (Кя=5,96 км/с), п- показатель преломления среды, а с- скорость света. Сдвиг частоты определяется из соотношения: vB=vrvs=2-V;-n Va Sin( $l2)IX (1.3) Как видно из выражения (1.3) максимальный частотный сдвиг имеет место при рассеянии назад, т. е. при ф=7Г.
В общем случае акустические волны могут распространяться в среде во всех направлениях. Однако в одномодовом оптическом волокне из-за особенностей распространения излучения (поддерживается только осевая мода) продольными акустическими волнами можно пренебречь. Поэтому в дальнейшем мы- будем считать, что возможны только поперечные волны. В результате, возможны только два направления распространения- прямое, совпадающее с направлением распространения излучения и обратное.
Скорость и направление распространения акустической волны зависят от внутреннего состояния среды и, поэтому в каждом участке волокна они различны. Измеряя величину частотного сдвига, используя (1.3), можно судить о скорости распространения акустической волны, а, следовательно, и о внутреннем состоянии структуры волокна, которое определяется его температурой и внутренним механическим напряжением. Таким образом, используя эффект спонтанного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, можно создать распределенный датчик деформаций и температуры.
При спонтанном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна частоты обеих рассеянных волн (стоксовой и антистоксовой) отличаются от частоты излучения накачки на величину частоты акустической волны va. Частота акустической волны является функцией температуры и механического напряжения в волокне. Любые изменения температуры или механического напряжения будут влиять на изменение частоты акустической волны.
Распределенные на основе эффекта рассеяния Мандельштама-Бриллюэна могут быть основаны на рефлектометрическом принципе или на принципе измерения коэффициента усиления.
Структурная схема бриллюэновского рефлектометра Излучение от одночастотного непрерывного лазера поступает в опорную и измерительную ветви. В измерительной ветви, оно модулируется по интенсивности импульсным методом и поступает в измерительное волокно, где бриллюэновская составляющая приобретает сдвиг частоты примерно 11 ГГц, величина которого пропорциональна механическому напряжению и температуре оптического волокна. Конечно, помимо традиционной рэллеевскои составляющей в сигнале присутствуют еще и составляющие рассеяний Рэлея и Рамана, а также составляющая рассеяния Манделыптама-Бриллюэна. Однако интенсивность спонтанного рамановского рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностями рассеяний
Квази-распределенные волоконно-оптические оптико- электронные измерительные системы деформации на базе волоконно- оптических брэгговских решеток
Из проведенного анализа в параграфе 1.2.3 следует, что волоконно-оптическая брэгговская решетка линейно изменяет центральную длину волны отраженного излучения при воздействии температуры и деформации с коэффициентом преобразования 13,7пм/С и 12 нм/% (для решетки с длиной волны 6=1550 нм) соответственно. Кроме того, как показал анализ проведенный в параграфе 1.2.1, брэгговская решетка обладает узкой резонансной линией поглощения.
Структурно-функциональная схема построения квази-распределенных волоконно-оптических оптико-электронных измерительных систем деформации и температуры
То есть на вход оптического волокна подается излучение от источника (или набора источников) с широким спектром, которое последовательно проходит набор брэгговских решеток с различной центральной резонансной длиной волны. Излучение, отраженное от набора волоконно-оптических решеток, регистрируется спектроанализатором и на основании сдвига центральных резонансных длин волн делается вывод о температуре и деформации брэгговских решеток.
Минимальное расстояние между решетками по шкале длин волн определяется, исходя из условия отсутствия переналожения пиков отражения, то есть из предполагаемых эксплуатационных характеристик (диапазон температуры и деформаций). При типовых условиях эксплуатации оно составляет 6 нм. При этом в стандартное телекоммуникационное волокно можно включить до 10 решеток (в спектральном диапазоне 1528...1562 нм) с целью измерения распределения полей деформации и температуры на протяженном объекте.
Кроме того, из-за разной чувствительности решеток с разной Х5 к деформации и температуре следует, что если 2 решетки с разным периодом подвергнуть одинаковому воздействию, как по температуре, так и по деформации, получится линейная система уравнений, из которой можно будет определить и температуру и деформацию- то есть разделить влияние на сдвиг спектра температуры и деформации.
Из анализа, проведенного в параграфе 1.2.3, следует, что волоконные брэгговские решетки могут использоваться в диапазоне относительных удлинений -1..1% в течение 25 лет с вероятностью разрушения 0,1%. Температурный диапазон работы брэгговских решеток (решеток типа Па) -40...+200С.
Как следует из разделов 1.1 и 1.2 ВлкнОптчОЭИзмС на эффекте РМБ резонансного и отражения от брэгговских решеток информационный сигнал закодирован в сдвиге частоты, причем в обеих системах чувствительным элементом является оптическое волокно.
В ВлкнОптчОЭИзмС на эффекте РМБ волокно является чувствительным (к температуре и деформации) по всей его длине, однако с ограниченным пространственным разрешением, то есть состоит из конечного числа чувствительных элементов, определяемого отношением длины ОВ к пространственному разрешению и может составлять 10 000- 15 000.
В ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток, волокно имеет чувствительность (к температуре и деформации) только в тех местах, где нанесены брэгговские решетки (то есть участки длиной 2-10 мм). Число брэгговских датчиков ограничено условием отсутствия переналожения спектра и для датчиков с типовыми эксплуатационными характеристиками (диапазон температур -40...+60С , диапазон деформаций -0,1...+0,1%) составляет 10 штук на один канал (в спектральном диапазоне 1528...1562 нм).
Самым большим недостатком систем на основе РМБ является то, что для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум, необходимого для обеспечения заданных метрологических характеристик, нужно достаточно большое время измерений (около 3-х минут).
В противовес этому, ВлкнОптчОЭИзмС на брэгговских решетках, обладают превосходным быстродействием (время измерения до 0,1мс) И, наконец, главным преимуществом ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток является то, что они могут различить влияние температуры и деформации, чего системы на базе РМБ способны сделать только при двух канальной регистрации и только в том случае, если физически возможно разделить влияние температуры и деформации (первый канал регистрирует температуру волокна 1, а второй деформацию волокна 2).
Кроме того, себестоимость ВлкнОптчОЭИзмС на брэгговских решетках в десятки раз меньше себестоимости систем на основе эффекта РМБ. Исходя из вышесказанного, следует, что для каждой из двух типов систем есть своя область применения: для на основе ВлкнОптчОЭИзмС РМБ- это мониторинг состояния сверх протяженных объектов (длиной более 1км), а системы на брэгговских решетках могут использоваться только в тех случаях когда известны точки пространства, в которых необходимо контролировать параметры температуры и деформации.
Исходя из того, что в большинстве объектов места, где наиболее вероятны возникновение критических деформаций известны заранее , а также из-за того, что ВлкнОптчОЭИзмС на основе брэгговских решеток обладают значительно большим быстродействием этот вид систем выбран для дальнейших исследований с целью реализации макетного образца.
Методики регистрации информационных сигналов, формируемых волоконно-оптическими брэгговскими датчиками, на основе спектрального мультиплексирования
Отличительной особенностью методик регистрации информационного сигнала, формируемого ВОБП на основе спектрального мультиплексирования является относительно широкий спектральный диапазон, необходимый для работы каждого датчика в селективном рабочем спектральном диапазоне, причем взаимное перекрытие спектральных диапазонов в ряде практических задач принципиально недопустимо.
Разработанная методика расчета рабочего спектрального диапазона не учитывает изменение показателя преломления из-за хроматической дисперсии. Однако, это не вносит заметной погрешности, так как множитель 1-ре из-за хроматической дисперсии изменяется лишь в 4-м знаке после запятой. Так, для 10 датчиков, при минимальной резонансной длине волны датчика А,і=1530 нм (при То=20С, в отсутствие деформаций) и диапазоне температур -40...+60С и диапазоне изменения деформаций -0,1%...+0,1%, ошибка определения диапазона, рассчитанная по формулам (2.3), (2.4), составляет не более 3 пм, при этом рабочий интервал длин волн находится в диапазоне 1528... 1562 нм.
Как видно из выражений 2.12- 2.15 рабочий спектральный интервал тем шире, чем больше диапазоны измеряемых температур и деформаций, а также чем больше резонансные длины волн брэгговских датчиков. Диапазоны температур и деформаций определяются условиями эксплуатации, поэтому их можно считать заданными и не подлежащими изменению. Брэгговскую длину волны можно варьировать тоже в ограниченном спектральном диапазоне- минимальная резонансная длина волны датчиков должна быть больше длины волны отсечки (длины волны, при которой волокно еще является одномодовым). Если брэгговская решетка выполнена в стандартном, телекоммуникационном волокне, то нижняя граница рабочего спектрального диапазона может быть определена из следующего выражения:
А-н =0,83 -к -dcepd {псерд -поб ) \ (2.16) где сіСЄрд- диаметр сердцевины оптического волокна, пссрд- показатель преломления сердцевины оптического волокна, noG- показатель преломления оболочки. Длина волны отсечки для стандартного телекоммуникационного волокна обычно составляет 1255-1260 нм. Однако при определении нижней границы рабочего спектрального диапазона следует учитывать, что затухание в окрестности длины волны отсечки в 2- 2,5 раза выше, чем затухание в окрестности длины волны 1550 нм.
В то же время существуют волокна, сохраняющие свою одномодовость в диапазоне длин волн до 780 нм (и менее до 200 нм ). Однако эти волокна обладают высоким затуханием более 2,5 дБ/км, что накладывает ограничения на эксплуатацию данных типов волокон (приводит к уменьшению динамического диапазона измерений). Потери в коротковолновой области спектра принципиально неустранимы, так как, в основном, они обусловлены рэллеевским рассеянием, и определяются следующим выражением[38, с.45]: aR=CA4, (2.17) где постоянная С лежит в пределах 0,7...0,9 Дб/(км-мкм4). В то же время, в диапазоне до 1200 нм чувствительны кремниевые ПЗС линейки, которые в сотни раз дешевле линеек на основе фотоприемников из; InGaAs, чувствительных в диапазоне 900-1750.
Из изложенного выше следует, что определение рационального спектрального диапазона, не является однозначной задачей, и во многом зависит от выбора метода измерений и требуемых эксплуатационных параметров системы- диапазонов и погрешностей измерений температур и деформаций, длины измеряемой линии (максимального расстояния до последнего датчика), частоты измерений, динамического диапазона, а также необходимого количества датчиков.
Именно поэтому во многих случаях, при улучшении одного из эксплуатационных параметров требуется жертвовать другими - так, например, при увеличении требуемой частоты измерений, необходимой для анализа динамики развития деформации (требуется для исследования деформаций конструкций самолетов, пусковых установок и так далее), неизбежно увеличивается погрешность измерений. Это происходит из-за того, что сокращается постоянная времени фотоприемного устройства, а значит, возрастают шумы. Также на погрешность измерений негативно влияет ужесточение требований по длине измеряемой линии и/или динамическому диапазону.
Требования к обеспечению широких диапазонов измеряемых температур и деформаций и режима работ с большим количеством датчиков приводят к увеличению рабочего спектрального диапазона, что также влечет за собой уменьшение частоты измерений. Перечисленные взаимные влияния характеристик справедливы как при синтезе системы в рамках одного метода измерений, так и при рассмотрении различных способов. Принципиально, метод спектрального мультиплексирования может быть реализован двумя способами: 1 Сканирование спектра узкополосным источником излучения (лазером) и прием широкополосным приемником; 2) подсвет широкополосным источником, а сканирование по спектру осуществляется узкополосным приемником. Далее разрабатываются методики расчета квази-распределенных оптико-электронных измерительных систем на основе этих двух способов.
Стенд для исследования спектральных характеристик сигналов, формируемых волоконно-оптическим брэгговскими датчиками
В данном стенде перестраиваемый лазер в зависимости от
управляющего сигнала с ЭВМ, осуществляет генерацию дискретных значений длин волн. Излучение от лазера поступает на разветвитель 1, где излучение делится на три части- одна часть поступает на ИДВ, который осуществляет измерение длины волны (с абсолютной погрешностью менее 1,5 пм), другая часть поступает на ФПУ 1, которое осуществляет измерения мощности лазера (ФПУ 1 необходимо для измерения колебаний мощности лазера в процессе измерения и устранения этого негативного эффекта), а третья часть поступает на перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо, осуществляющего фильтрацию спектральных шумов спонтанной эмиссии лазерного излучения. Далее излучение, после отражения от исследуемого ВОБП, поступает через разветвитель 2 на ФПУ2, которое осуществляет измерение мощности отраженного излучения. Сигналы от ФПУ1 и ФПУ2 оцифровываются и передаются на ЭВМ при помощи двухканального АЦП, а сигнал с ИДВ передается на ЭВМ в цифровом виде. На ЭВМ записываются три массива чисел одинаковой размерности- один с результатами измерений длин волн, генерируемых перестраиваемым лазером Л , другой с результатами измерений относительной мощности Р1; лазера, а третий- с результатами измерений отраженной мощности (регистрируемой ФПУ2 ) -P2j Искомый спектр отражения определяется при помощи следующего выражения: где к-коэффициент равный отношению Р2/Р1 для случая 100% отражения.
Используемый в составе стенда измеритель длины волны (ИДВ) был разработан при участии автора [37], и входит в состав аттестованного государственного специального эталона для волоконно-оптических систем передачи информации (в части единицы длины волны) ГЭТ-170 2006. Данный ИДВ осуществляет измерение длины волны путем сравнения периодов интерферограм эталонного (HeNe лазера со стабилизацией частоты) и измеряемого лазеров.
Из анализа измеренных спектральных зависимостей следует, что данные решетки выполнены с неравномерным распределением наведенного показателя преломления, так как боковые спектральные лепестки фактически отсутствуют (подавление более 50 дБ). Следовательно, данные решетки максимально подходят для применения в квази-распределенных измерительных системах на основе ВОБП, вследствие того, что при измерении длины волны отраженного излучения составляющая погрешности, вызванная лепестками будет фактически отсутствовать.
На выходе из интерферометра, излучение отраженное от ВОБП и He-Ne лазера регистрируется ФПУ1 и ФПУ2 соответственно. Электрические сигналы от которых поступают на двухканальный АЦП, и, после оцифровки, передаются на ЭВМ.
Регистрируемые интерферограммы представляют собой два одномерных массива, Р1 и Р2, в которых элементы это значения регистрируемой мощности в моменты дискретизации (оцифровки сигнала) на ФПУ1 и ФПУ2 соответственно. При этом, каждому элементу массива соответствует своя ОРХ (для одинаковых индексов, например для Р1{ . и Р2Х, ОРХ будет одинаковой).
Так как все элементы, кроме блока калибратора являются стандартными покупными изделиями, которые соединяются с друг другом при помощи простых соединений - сваркой ОВ, подключением разъемов (согласно инструкциям по подключениям, поставляемым поставщиком), то при разработке данного устройства научно техническими задачами являются: 1) разработка и исследование блока с реперными точками по шкале длин волн; 2) разработка алгоритма для обработки сигналов, квази распределенной.
Блок с реперными точками обеспечивает уменьшение погрешности измерения значений резонансных длин волн ВОБП. От него зависят такие важные характеристики макетного образца как рабочий спектральный диапазон, погрешность измерения по шкале длин волн, динамический диапазон. По этим причинам рациональный выбор и исследование данного блока является актуальной задачей.
Блок с реперными точками теоретически можно реализовать несколькими способами, на основе активных устройств (используются источники излучения с известным спектром), так и на основе пассивных (используются объекты с фиксированным спектром пропускания). Однако на практике калибраторы на основе источников излучения использовать нерационально, так как они более габаритны, тяжелее реализуемы технически и вследствие этого значительно дорогостоящи. Пассивные калибраторы можно реализовать при помощи: 1) неравноплечного интерферометра Маха-Цендера; 2)эталона Фабри-Перо (интерферометра с фиксированным расстоянием между зеркалами); 3)веществ, имеющих узкие резонансные линии поглощения. Методы, основанные на применении неравноплечного интерферометра Маха-Цендера и эталона Фабри-Перо теоретически более перспективны по следующим причинам: 1) можно регулировать глубину модуляционной составляющей спектра пропускания, что удобно для оптимизации уровня сигнала; 2) такие калибраторы могут работать в достаточно широком спектральном диапазоне.
Однако недостатком данных калибраторов является температурная нестабильность спектра данных интерферометров, которая в зависимости от конструктивного исполнения может составлять 7,5 пм...0,3 пм/С [51]. Причем величина нестабильности 0,3 пм/С характерна для интерферометров, в конструкции которых используются элементы, компенсирующие тепловые расширения друг друга, и, как правило, такие интерферометры по себестоимости значительно дороже. То есть для обеспечения стабильности спектров калибратора с точностью 1 пм нужно или термостабилизировать типовые интерферометры, или использовать более дорогостоящие устройства, в которых используются компенсаторы тепловых расширений.
В противоположность этому, калибраторы на основе веществ, имеющих узкие резонансные линии поглощения имеют крайне малую температурную нестабильность спектра поглощения 0,03 пм/С [52], но рабочий спектральный диапазон у них как правило уже (обычно 30...40 нм ). Темне менее, техническая реализация таких калибраторов значительно проще, а рабочий спектральный диапазон достаточен для реализации макета квази-распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе брэгговских датчиков с требуемыми характеристиками
По этим причинам для реализации калибратора был выбрана кювета с HCN, у которой в спектре пропускания имеется 52 резонансных линии поглощения в диапазоне 1528... 1563 нм. Конструктивно калибратор состоит из двух коллиматоров (один для коллимации выходящего из оптического волокна излучения в параллельный пучок, а другой для фокусировки излучения на сердцевину оптического волокна), а также двух юстировочных узлов предназначенных для установки требуемой степени параллельности оптических осей объективов. Именно от параллельности существенно будут зависеть потери в таком калибраторе. Зависимость коэффициент пропускания от угла потерь будет определяться следующим выражением (в приближении геометрической оптики):
