Библиографическое описание:

Денисенко Е. П., Денисенко П. Е. Четырехчастотный метод мониторинга волоконных решеток Брэгга // Молодой ученый. — 2013. — №12. — С. 122-125.

В работе исследовались особенности применения многочастотной рефлектометрии для создания усовершенствованного метода измерения параметров физических полей. Методами виртуального моделирования проведен анализ четырехчастотного метода рефлектометрии и предложены рекомендации по внедрению методов в различные области применения волоконно-оптических датчиков.

Ключевые слова: волоконная решетка Брэгга, четырехчастотный метод рефлектометрии, температура, механическое напряжение.

В настоящее время существует множество электронных и оптических систем измерения физических параметров. Проблематика электронных систем с технической точки зрения заключается в повышении их помехоустойчивости и обеспечения возможности работы в различных погодных условиях, а с экономической точки зрения — в минимизации используемых аппаратных средств, снижении стоимости оборудования и его программного обеспечения. Существуют также оптоволоконные приборы в которых стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения — локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну. Проблематика данных систем заключается в слишком большом количестве факторов по всей длине волоконного кабеля, которые изменяют исходный сигнал.

Для решения возникающих задач предложена система измерения физический параметров на основе волоконных решеток Брэгга и четырехчастотного метода рефлектометрии.

Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения, во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств). Подавляющее большинство непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительных каналов совпадают. Такие системы обладают простой конструкцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрического преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для структурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем [1].

Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании многочастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования многочастотного лазерного излучения. Гетеродинные системы можно разделить на два типа несимметричные и симметричные. Для несимметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие сдвинутой относительно нее измерительной, либо наличие двух измерительных частот, одна из которых совпадает с опорной, в измерительном канале. Для симметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие двух измерительных частот, симметрично сдвинутых относительно опорной.

Простая решетка Брэгга имеет оптический спектр отражения в форме узкой резонансной линии, длина волны которой зависит от внешнего воздействия температуры и механического напряжения на волокно. Зависимость направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от температуры и механического напряжения определяется формулой (1).

,                       (1)

где ΔT — изменение температуры, ε — приложенное механическое напряжение (в данном случае равно нулю), Pij — коэффициенты Поккельса для упруго-оптического тензора, ν — коэффициент Пуассона, α — коэффициент теплового расширения кварцевого стекла, n — эффективный показатель преломления основной моды [2]. Измеряя сдвиг резонансной линии отражения, можно определить и вариации внешнего воздействия, например, изменение температуры или механического напряжения.

Для измерения параметров физических полей с помощью источника лазерного излучения одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой (рис.1) [3], соответствующей центральной частоте полосы пропускания волоконной решетки Брэгга, используемой в качестве оптического датчика, при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая — из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 не одинаковы.

Рис. 1. Схема четырехчастотного источника измерительного сигнала на основе модуляторов Маха-Цендера

Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель. В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.

Принцип работы модели волоконно-оптического датчика (ВОД) заключается в обработке сигнала от источника после прохождения через решетку Брэгга и анализе амплитуды выходного сигнала. Данная система может применяться без учета фазовой составляющей источника зондирующего сигнала, т. к. определение величины и направления смещения полосы пропускания решетки Брэгга относительно центральной длины волны происходит по характеристике разности пар Ω1 и Ω2 (рис.2) [4].

Рис. 2. Измерительные характеристики четырехчастотного методы рефлектометрии

Для оценки влияния нестабильности амплитуды источника сигнала были проведены 5 циклов моделирования в различных режимах зондирующего сигнала. В режиме 1 нестабильность амплитуды источника сигнала равна нулю, в режиме 2–1 %, в режиме 3–2 %, в режиме 4–5 %, в режиме 5–10 % (рис.3).

Рис. 3. Характеристика зависимости смещения центральной длины волны ВРБ от величины амплитуды отраженного сигнала

Проведенное исследование показало, что отклонение результатов измерений от режима 1 менее 1 % (0,5 %) наблюдается только при режиме 2. Таким образом рекомендуемый источник лазерного излучения должен иметь нестабильность амплитуды излучения не более 1 %.

Описан четырехчастотный метод измерения параметров физических полей. Представлена зависимость амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пары, прошедших через оптический датчик. Рассмотрена работа устройства для измерения параметров физических полей на основе четырехчастотного метода рефлектометрии. А также представлена структурная схема устройства.

Произведено исследование датчика на основе ВРБ с помощью моделирования в среде Optisystem 7.0. Эксперимент заключался в виртуальном моделировании смещения центральной длины волны решетки Брэгга, тем самым имитируя воздействие параметров физических полей. Сдвиг ВРБ центральной длины волны решетки осуществлялся в диапазоне 1547–1553 нм. Полученная нелинейная характеристика зависимости наиболее точно и с наименьшей погрешностью отражает результат измерения.

Произведено исследование четырехчастотного метода на устойчивость. Произведено моделирование системы на основе четырехчастотного метода с различной погрешностью зондирующего сигнала. Показаны измерительные характеристики четырехчастотного метода в различных режимах зондирующего сигнала.

Главным результатом работы является нахождение способов повышения точности методов мониторинга волоконно-оптических сетей связи и их элементов, в частности разработка четырехчастотного метода мониторинга волоконных решеток Брэгга.

Литература:

1.                  Д. Л. Айбатов, О. Г. Морозов, Ю. Е. Польский. Основы рефлектометрии // Новое знание. 2008. С. 56.

2.                  С. А. Васильев, О. И. Медведков, И. Г. Королев, Е. М. Дианов, Фотоиндуцированные волоконные решетки показателя преломления и их применения, Фотон-Экспресс-Наука, 6, стр. 163–183, 2004.

3.                  Денисенко П. Е. Выбор метода зондирования волоконных решеток Брэгга со специальными формами спектров/ П. Е. Денисенко, Т. С. Садеев // Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «XX Туполевские чтения». — Т.IV. — 2012. — Казань. — С. 274–275.

4.                  МПК G01K 11/32 (2006/01). Устройство для измерения параметров физических полей / Денисенко П.Е, Куприянов В. Г., Морозов О. Г., Морозов Г. А., Садеев Т. С., Салихов А. М. (КНИТУ им. А. Н. Туполева). № 2012124693/28(037831); Заявл. 14.06.2012.

Основные термины (генерируются автоматически): параметров физических полей, измерения параметров физических, центральной длины волны, лазерного излучения, четырехчастотного метода, волоконных решеток Брэгга, амплитуды источника сигнала, полосы пропускания, смещения полосы пропускания, решетки Брэгга, смещения центральной длины, основе четырехчастотного метода, длины волны решетки, сигнала одинаковой амплитуды, и величины частотного смещения, амплитуды выходного сигнала, опорной частоты в опорном, частоты опорных и измерительных, нестабильность амплитуды, сохранение опорной частоты.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle