RU2824305C1 - Device for detecting small changes in the length of interference fiber-optic sensors - Google Patents
Device for detecting small changes in the length of interference fiber-optic sensors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2824305C1 RU2824305C1 RU2023134335A RU2023134335A RU2824305C1 RU 2824305 C1 RU2824305 C1 RU 2824305C1 RU 2023134335 A RU2023134335 A RU 2023134335A RU 2023134335 A RU2023134335 A RU 2023134335A RU 2824305 C1 RU2824305 C1 RU 2824305C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- fiber
- reference interferometer
- interference
- interferometer
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001668 ameliorated effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконно-оптических сенсорных систем, в частности к устройствам регистрации сигналов с интерференционных волоконно-оптических датчиков.The invention relates to the field of fiber-optic sensor systems, in particular to devices for recording signals from interference fiber-optic sensors.
В настоящий момент предложено большое количество вариантов волоконно-оптических датчиков для регистрации различных физических величин. При этом одной из часто встречающихся конструкций являются интерференционные датчики, которые нашли широкое применение для детектирования самых различных физических величин: температуры, давления, ускорения и др. Принцип работы таких датчиков основан на изменении разности оптических путей интерферирующих волн при внешнем воздействии на чувствительный элемент. Например, в датчиках температуры используется температурная зависимость показателя преломления материала, в датчиках давления и ускорения - смещение мембраны относительно торца волокна. При этом одной из важнейших частей при построении волоконно-оптических систем мониторинга является схема регистрации, детектирующая оптический сигнал с чувствительного элемента, которая в значительной степени определяет точностные и временные параметры итоговой системы.At present, a large number of variants of fiber-optic sensors for recording various physical quantities have been proposed. At the same time, one of the most common designs is interference sensors, which have found wide application for detecting a wide variety of physical quantities: temperature, pressure, acceleration, etc. The operating principle of such sensors is based on changing the difference in the optical paths of interfering waves under external influence on the sensitive element. For example, temperature sensors use the temperature dependence of the refractive index of the material, while pressure and acceleration sensors use the displacement of the membrane relative to the end of the fiber. At the same time, one of the most important parts in the construction of fiber-optic monitoring systems is the registration circuit that detects the optical signal from the sensitive element, which largely determines the accuracy and time parameters of the final system.
Существуют различные схемы регистрации сигналов с интерференционных датчиков. Известно устройство, описанное в патенте US 7099015 «Fiber optic sensing device for measuring a physical parameter)) (МПК G01B 9/02, публ. 29.08.2006 г.). В нем используется широкополосный источник и спектрометр. Поскольку коэффициент отражения интерферометра Фабри-Перо зависит от соотношения длины волны света и оптической длины интерферометра, то свет, отраженный от сенсора, оказывается промодулированным в спектральной области. Изменение длины сенсора приводит к сдвигу максимумов и минимумов в спектре коэффициента отражения, что и регистрируется спектрометром. Недостатком данной схемы является ограниченное быстродействие, определяемое спектрометром, и сложность мультиплексирования датчиков.There are various schemes for recording signals from interference sensors. A device described in patent US 7099015 "Fiber optic sensing device for measuring a physical parameter" (IPC G01B 9/02, published on 29.08.2006) is known. It uses a broadband source and a spectrometer. Since the reflection coefficient of a Fabry-Perot interferometer depends on the ratio of the wavelength of light and the optical length of the interferometer, the light reflected from the sensor is modulated in the spectral region. Changing the length of the sensor leads to a shift in the maxima and minima in the spectrum of the reflection coefficient, which is recorded by the spectrometer. The disadvantage of this scheme is the limited speed determined by the spectrometer and the complexity of multiplexing the sensors.
Другим распространенным методом регистрации является использование перестраиваемого лазера в различных модификациях.Another common method of registration is the use of a tunable laser in various modifications.
В патенте US 5276501 «Fabry-Perot readout technique using wavelength tunng» (МПК G01B 9/02, публ. 04.01.1994 г.) описано использование лазера, перестраиваемого в некотором диапазоне длин волн, при этом при изменении длины волны лазера меняется интенсивность отраженного сигнала в результате интерференции в сенсорном зазоре. Аналогично предыдущему устройству изменение длины сенсора приводит к сдвигу минимумов и максимумов. Недостатком данного метода является то, что для детектирования изменения длины малых зазоров необходимо иметь широкую полосу перестройки длины волны, что сложно реализовать с приемлемой скоростью. Кроме того, точность измерения такой системы будет определяться стабильностью и воспроизводимостью длины волны источника при сканировании, чего крайне сложно добиться без дополнительных устройств, особенно при большом диапазоне сканирования.The US patent 5276501 "Fabry-Perot readout technique using wavelength tunng" (IPC G01B 9/02, published 04.01.1994) describes the use of a laser tunable in a certain range of wavelengths, whereby when the laser wavelength changes, the intensity of the reflected signal changes as a result of interference in the sensor gap. Similar to the previous device, changing the length of the sensor leads to a shift in the minima and maxima. The disadvantage of this method is that to detect changes in the length of small gaps, it is necessary to have a wide wavelength tuning band, which is difficult to implement at an acceptable speed. In addition, the measurement accuracy of such a system will be determined by the stability and reproducibility of the source wavelength during scanning, which is extremely difficult to achieve without additional devices, especially with a large scanning range.
В патенте US 7443510 «Tunable laser for dynamic measurement)) (МПК G01B 9/02, публ. 28.10.2008 г.) предложена модификация данного метода для повышения его быстродействия. В данном варианте лазер перестраивается в небольшом диапазоне, но измеряется не положение минимумов и максимумов коэффициента отражения, а проводится сравнение двух последовательных сканов. За счет малого диапазона перестройки такой подход позволяет заметно поднять быстродействие, но при этом исчезает возможность измерения абсолютных величин и медленных процессов.Patent US 7443510 "Tunable laser for dynamic measurement)) (IPC G01B 9/02, published 28.10.2008) proposes a modification of this method to increase its speed. In this version, the laser is tuned in a small range, but not the position of the minima and maxima of the reflection coefficient is measured, but two consecutive scans are compared. Due to the small tuning range, this approach allows for a significant increase in speed, but at the same time the ability to measure absolute values and slow processes disappears.
Чтобы иметь возможность регистрировать одновременно как быстрые, так и медленные процессы, и при этом значительно снизить влияние волоконного тракта, часто используют методы гомодинной демодуляции в различных вариантах. Основная их идея заключается в создании синтетической несущей за счет дополнительной модуляции фазы с последующим Фурье анализом сложного полихроматического сигнала.In order to be able to simultaneously record both fast and slow processes, and at the same time significantly reduce the influence of the fiber tract, homodyne demodulation methods in various variants are often used. Their main idea is to create a synthetic carrier by additional phase modulation with subsequent Fourier analysis of a complex polychromatic signal.
В работе «Passive Homodyne Phase Demodulation Technique Based on LF-TIT-DCM Algorithm for Interferometric Sensors)) (Zhang W., Lu P., Qu Z., Zhang J., Wu Q., Liu D., Sensors 2021, 21, 8257) предложено использовать два сдвинутых по длине волны источника с небольшой модуляцией по длине волны каждого из них. В этом случае изменение длины сенсорного интерферометра приводит к сдвигу фазы между интерференционными сигналами на каждой из длин волн, что позволяет устранить влияние амплитудных шумов. Недостатком такого подхода являются высокие требования к стабильности используемых источников по длине волны и появление дополнительных фазовых шумов в результате рассеяния лазерного излучения на различных элементах схемы.In the paper "Passive Homodyne Phase Demodulation Technique Based on LF-TIT-DCM Algorithm for Interferometric Sensors)) (Zhang W., Lu P., Qu Z., Zhang J., Wu Q., Liu D., Sensors 2021, 21, 8257), it is proposed to use two wavelength-shifted sources with a small wavelength modulation of each of them. In this case, changing the length of the sensor interferometer leads to a phase shift between the interference signals at each of the wavelengths, which eliminates the influence of amplitude noise. The disadvantage of this approach is the high requirements for the stability of the sources used in wavelength and the appearance of additional phase noise as a result of scattering of laser radiation on various circuit elements.
Известна работа «An Ameliorated Phase Generated Carrier Demodulation Algorithm With Low Harmonic Distortion and High Stability)) (Jun He, Lin Wang, Fang Li, Yuliang Liu, Journal of Lightwave Technology, Vol.28, No. 22, November 15, 2010), в которой описано устройство, реализующее метод детектирования и выбранное за прототип. В известном устройстве находящийся в чувствительном элементе интерферометр разбивается на два плеча: сенсорное и опорное. В опорное плечо вводится дополнительный элемент, осуществляющий модуляцию оптической длины плеча на некоторой частоте. При этом контролируемое внешнее воздействие изменяет оптическую длину сенсорного плеча. Далее осуществляется синхронное детектирование интерференционного сигнала на частоте модуляции и удвоенной частоте модуляции с последующим дифференциальным самоперемножением. Поскольку амплитуды первой и второй гармоник пропорциональны функциям Бесселя 1-го рода первого и второго порядка, которые в свою очередь зависят от глубины фазовой модуляции, то их совместная обработка с перекрестным перемножение гармоник и их производных с последующим восстановлением фазы позволяет полностью восстановить профиль изменения длины сенсорного плеча интерферометра. Недостатком данного устройства является то, что опорная модуляция осуществляется непосредственно в чувствительном элементе, что, во-первых, усложняет конструкцию чувствительного элемента и не позволяет использовать эту схему с большинством конструкций волоконно-интерференционных волоконно-оптических датчиков, во-вторых, требует наличия дополнительной линии передачи модулирующего напряжения, что нивелирует преимущества волоконных датчиков.The work «An Ameliorated Phase Generated Carrier Demodulation Algorithm With Low Harmonic Distortion and High Stability)) (Jun He, Lin Wang, Fang Li, Yuliang Liu, Journal of Lightwave Technology, Vol.28, No. 22, November 15, 2010) is known, which describes a device implementing the detection method and was chosen as a prototype. In the known device, the interferometer located in the sensitive element is divided into two arms: sensor and reference. An additional element is introduced into the reference arm, implementing the modulation of the optical length of the arm at a certain frequency. In this case, the controlled external action changes the optical length of the sensor arm. Then, synchronous detection of the interference signal is carried out at the modulation frequency and the doubled modulation frequency with subsequent differential self-multiplication. Since the amplitudes of the first and second harmonics are proportional to the Bessel functions of the first kind of the first and second order, which in turn depend on the depth of phase modulation, their joint processing with cross multiplication of harmonics and their derivatives with subsequent phase restoration allows to completely restore the profile of the change in the length of the sensor arm of the interferometer. The disadvantage of this device is that the reference modulation is carried out directly in the sensitive element, which, firstly, complicates the design of the sensitive element and does not allow using this scheme with most designs of fiber-interference fiber-optic sensors, and secondly, requires the presence of an additional transmission line of the modulating voltage, which negates the advantages of fiber sensors.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является разработка устройства регистрации малых изменений разности длин оптических путей интерферирующих волн в интерференционных волоконо-оптических сенсорах, позволяющего регистрировать сигнал с произвольных интерференционных датчиков без изменения их конструкции с использованием алгоритма гомодинной демодуляции.The task, which the proposed device is aimed at solving, is the development of a device for recording small changes in the difference in the lengths of optical paths of interfering waves in interference fiber-optic sensors, which makes it possible to record a signal from arbitrary interference sensors without changing their design using the homodyne demodulation algorithm.
Технический результат достигается за счет того, что разработанное устройство так же, как и устройство-прототип, включает источник света, приемник и блок обработки сигналов, реализующий алгоритм гомодинной демодуляции. Новым является то, что вместо высококогерентного лазерного источника используется широкополосный источник с малой длиной когерентности, сенсор представляет собой интерференционный волоконно-оптический датчик, а между широкополосным источником света и интерференционным волоконно-оптическим датчиком введен осуществляющий модуляцию перестраиваемый опорный интерферометр, разность длин плеч которого равна задержке интерферирующих волн в интерференционном датчике. Такая схема включения элементов позволяет осуществлять опорную модуляцию в опорном интерферометре, а не в сенсоре, что позволяет подключать разработанное устройство регистрации к интерференционным волоконно-оптическим датчикам произвольной конструкции, при этом датчик может быть отнесен от опорного интерферометра на произвольное расстояние.The technical result is achieved due to the fact that the developed device, just like the prototype device, includes a light source, a receiver and a signal processing unit implementing a homodyne demodulation algorithm. What is new is that instead of a highly coherent laser source, a broadband source with a short coherence length is used, the sensor is an interference fiber-optic sensor, and between the broadband light source and the interference fiber-optic sensor, a tunable reference interferometer implementing modulation is introduced, the difference in the lengths of the arms of which is equal to the delay of the interfering waves in the interference sensor. Such a circuit for connecting the elements allows for reference modulation to be carried out in the reference interferometer, and not in the sensor, which allows connecting the developed recording device to interference fiber-optic sensors of arbitrary design, while the sensor can be moved from the reference interferometer at an arbitrary distance.
В частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр выполнен по схеме Майкельсона.In a particular case of the implementation of the developed device, the reference interferometer is made according to the Michelson scheme.
В другом частном случае опорный интерферометр может быть выполнен по схеме Маха-Цендера.In another particular case, the reference interferometer can be designed according to the Mach-Zehnder scheme.
В третьем частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр выполнен по схеме Фабри-Перо.In the third particular case of the implementation of the developed device, the reference interferometer is made according to the Fabry-Perot scheme.
В четвертом частном случае реализации разработанного устройства опорный интерферометр, выполненный по любой из перечисленных выше схем, может быть изготовлен из оптического волокна, намотанного на пьезокерамическую катушку, на которую осуществляется подача напряжения.In the fourth particular case of the implementation of the developed device, the reference interferometer, made according to any of the above-listed schemes, can be made from an optical fiber wound on a piezoceramic coil to which voltage is supplied.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.The proposed invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 представлена схема разработанного устройства регистрации в соответствии с п. 2 формулы изобретения.Fig. 1 shows a diagram of the developed recording device in accordance with paragraph 2 of the invention formula.
На фиг. 2 представлена схема разработанного устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения.Fig. 2 shows a diagram of the developed device in accordance with paragraph 3 of the invention formula.
На фиг. 3 представлена схема разработанного устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения.Fig. 3 shows a diagram of the developed device in accordance with paragraph 4 of the invention formula.
На фиг. 4 представлена схема разработанного устройства регистрации в соответствии с п. 5 формулы изобретения.Fig. 4 shows a diagram of the developed recording device in accordance with paragraph 5 of the invention formula.
На фиг. 5 приведен вид сигнала на фотоприемнике при сканировании разности длин плеч опорного интерферометра.Fig. 5 shows the appearance of the signal on the photodetector when scanning the difference in the lengths of the arms of the reference interferometer.
На фиг.6 приведена шумовая дорожка при детектировании сигнала с помощью разработанного устройства по п. 4 с волоконно-оптического датчика.Fig. 6 shows a noise track when detecting a signal using the developed device according to item 4 from a fiber-optic sensor.
Указанные фигуры поясняют изобретение, но не ограничивают его. Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. Свет от широкополосного источника 1 (например, суперлюминесцентного диода) направляется на опорный интерферометр 2, выполненный, например, по схеме интерферометра Майкельсона (фиг. 1) или какой либо другой схеме, позволяющей сканировать и модулировать разность длин плеч и . Ширина спектра выбирается такой, чтобы длина когерентности источникаThe figures given illustrate the invention, but do not limit it. The proposed invention is implemented as follows. Light from a broadband source 1 (for example, a superluminescent diode) is directed to a reference interferometer 2, made, for example, according to the Michelson interferometer scheme (Fig. 1) or some other scheme that allows scanning and modulating the difference in arm lengths And . The spectrum width is chosen such that the coherence length of the source
где λ - центральная длина волны источника,where λ is the central wavelength of the source,
δλ - ширина спектра источника,δλ - the width of the source spectrum,
была много меньше разности оптических путей в опрашиваемом сенсоре 3. Для типичных широкополосных источников 1 - суперлюминесцентных диодов характерная длина когерентности составляет 20-40 мкм, что позволяет использовать разработанное устройство для любых сенсоров 3 с задержкой интерферерирующих волн больше 100 мкм. Далее в опорном интерферометре 2 свет делится на два плеча, затем отражается от зеркал в плечах, снова собирается в один пучок и далее записывается в оптическое волокно. После этого через циркулятор 4 свет падает на опрашиваемый сенсор 3 (интерференционный волоконно-оптический датчик), отражается от него и снова через циркулятор 4 попадает на фотоприемное устройство 5. Сигнал с фото приемного устройства 5 посредством АЦП вводится в обрабатывающее цифровое устройство (например, персональный компьютер), где осуществляется его обработка.was much less than the difference in optical paths in the interrogated sensor 3. For typical broadband sources 1 - superluminescent diodes, the characteristic coherence length is 20-40 μm, which allows using the developed device for any sensors 3 with a delay of interfering waves greater than 100 μm. Then, in the reference interferometer 2, the light is divided into two arms, then reflected from the mirrors in the arms, again collected into one beam and then recorded in an optical fiber. After this, through the circulator 4, the light falls on the interrogated sensor 3 (interference fiber-optic sensor), is reflected from it and again through the circulator 4 hits the photodetector 5. The signal from the photodetector 5 is input via the ADC into the processing digital device (for example, a personal computer), where it is processed.
Интенсивность света на фотоприемном устройстве 5 оптической схемы будет иметь вид:The light intensity at the photodetector 5 of the optical circuit will be as follows:
где ωsld - центральная частота источника,where ω sld is the central frequency of the source,
d - оптическая толщина сенсора,d - optical thickness of the sensor,
Δz - разность длин плеч опорного интерферометра,Δz is the difference in the lengths of the arms of the reference interferometer,
с - скорость света.c is the speed of light.
При выполнении условия подстройки опорного интерферометра под опрашиваемый сенсорWhen the condition of adjusting the reference interferometer to the interrogated sensor is met
в выражении (2) остается только два слагаемых, отличных от нуля и оно принимает вид (фиг. 5):in expression (2) there remain only two terms that are different from zero and it takes the form (Fig. 5):
В более общем виде (3) можно записать какIn a more general form (3) can be written as
где А и В - некоторые константы, определяемые коэффициентами отражения в опорном интерферометре и сенсоре,where A and B are some constants determined by the reflection coefficients in the reference interferometer and sensor,
γ(Δz, d) - автокорреляционная функция источника, имеющая для случая гауссова источника вид:γ(Δz, d) is the autocorrelation function of the source, which for the case of a Gaussian source has the form:
При выполнении условия подстройки (3) можем записать Δz(t) и d(t) в следующем виде:If the adjustment condition (3) is satisfied, we can write Δz(t) and d(t) in the following form:
где - амплитуда модуляции разности длин плеч в опорном интерферометре,Where - the amplitude of the modulation of the difference in arm lengths in the reference interferometer,
ω0 - циклическая частота опорной модуляции,ω 0 - cyclic frequency of the reference modulation,
- измеряемое изменение разности оптических путей интерферирующих волн в сенсоре. - the measured change in the difference in optical paths of interfering waves in the sensor.
Тогда вблизи максимума автокорреляционной функции, где γ(Δz, d)≈1, выражение (5) примет вид:Then, near the maximum of the autocorrelation function, where γ(Δz, d)≈1, expression (5) will take the form:
где ,Where ,
. .
Данный сигнал является уже стандартным входным сигналом для алгоритмов гомодинной демодуляции. В частности далее описано использование алгоритма на базе перекрестного перемножения. После детектирования и аналого-цифрового преобразования сигнал (9) перемножается с первой и второй гармоникой сигнала опорной модуляции. В результате после пропускания через фильтры низких частот на выходе фильтров образуются следующие сигналы:This signal is already a standard input signal for homodyne demodulation algorithms. In particular, the use of the algorithm based on cross multiplication is described below. After detection and analog-to-digital conversion, the signal (9) is multiplied with the first and second harmonics of the reference modulation signal. As a result, after passing through low-pass filters, the following signals are formed at the filter output:
где J1(C) и J2(C) - функции Бесселя первого рода первого и второго порядка.where J 1 (C) and J 2 (C) are the Bessel functions of the first kind of the first and second order.
Далее производится дифференцирование (10) и (11) с последующим перекрестным перемножением. В результате получаем два сигналаNext, differentiation of (10) and (11) is performed, followed by cross multiplication. As a result, we obtain two signals
С учетом основного тригонометрического тождества после выполнения операции вычитания над сигналами (12) и (13) получим:Taking into account the basic trigonometric identity, after performing the subtraction operation on signals (12) and (13), we obtain:
Заключительная операция интегрирования позволяет получить выходной сигнал из выражения (14):The final integration operation allows us to obtain the output signal from expression (14):
Использование широкополосного источника с конечной длиной когерентности приведет к тому, что, в соответствии с (5) и (6), итоговая форма сигнала после обработки будет иметь вид:Using a broadband source with a finite coherence length will result in the final signal shape after processing being, in accordance with (5) and (6), as follows:
Дополнительный множитель начинает вносить заметные искажения в результат обработки при соответственно в области его влияние практически незаметно.The additional multiplier begins to introduce noticeable distortions into the processing result when respectively in the area its influence is almost imperceptible.
На фиг. 6 приведена шумовая дорожка сигнала, регистрируемого с волоконно-оптического датчика температуры, выполненного по схеме интерферометра Фабри-Перо. Амплитуда шумов (среднеквадратичное отклонение) составила 0,1 нм в полосе 100 Гц 10 кГц.Fig. 6 shows the noise path of the signal recorded from a fiber-optic temperature sensor constructed using the Fabry-Perot interferometer scheme. The noise amplitude (standard deviation) was 0.1 nm in a band of 100 Hz 10 kHz.
Опорный интерферометр может быть выполнен по различным схемам. При использовании интерферометра Майкельсона (фиг. 1) можно получить большой диапазон перестройки разности задержек интерферирующих волн за счет перемещения зеркала. Схема является наиболее универсальной и позволяет использовать один и тот же интерферометр для опроса датчиков с разными задержками интерферирующих волн. Основным недостатком схемы Майкельсона является то, что половина света после прохождения интерферометра возвращается назад в источник. Это увеличивает шумы источника и для высокоточных систем требует наличия дополнительных оптических изоляторов.The reference interferometer can be implemented according to various schemes. When using the Michelson interferometer (Fig. 1), it is possible to obtain a large range of tuning of the difference in the delays of the interfering waves by moving the mirror. The scheme is the most universal and allows using the same interferometer to interrogate sensors with different delays of the interfering waves. The main disadvantage of the Michelson scheme is that half of the light after passing the interferometer returns back to the source. This increases the noise of the source and for high-precision systems requires the presence of additional optical isolators.
В качестве альтернативы можно использовать схему интерферометра Маха-Цендера (фиг. 2), исключающую попадание обратного света в источник. Данная схема также оказывается компактнее с точки зрения конструкции, но в ней сложнее реализовать большой диапазон перестройки разности длин плеч, поскольку модулятор «М» работает в режиме на прохождение, то есть свет просто проходит через него, и увеличение длины плеча осуществляется за счет достаточно слабых термооптических или электрооптических эффектов в отличие от возможности механического сдвига зеркала в схеме на фиг. 1.As an alternative, it is possible to use the Mach-Zehnder interferometer scheme (Fig. 2), which excludes the return light from entering the source. This scheme is also more compact in terms of design, but it is more difficult to implement a large range of adjustment of the difference in arm lengths, since the modulator "M" operates in the transmission mode, i.e. the light simply passes through it, and the increase in the arm length is achieved due to fairly weak thermo-optical or electro-optical effects, in contrast to the possibility of mechanically shifting the mirror in the scheme in Fig. 1.
Максимальной компактности можно достичь при использовании интерферометра Фабри-Перо в качестве опорного (фиг. 3). Он не позволяет получить большого диапазона перестройки, но обеспечивает максимальные компактность и частоту модуляции. При этом для корректной работы схемы необходимо опорный интерферометр изготавливать таким образом, чтобы его удвоенная оптическая длина А с высокой точностью совпадала с разностью оптических путей в сенсоре.Maximum compactness can be achieved by using a Fabry-Perot interferometer as a reference (Fig. 3). It does not allow a large tuning range to be obtained, but it provides maximum compactness and modulation frequency. In this case, for the correct operation of the circuit, the reference interferometer must be manufactured in such a way that its doubled optical length A coincides with high accuracy with the difference in optical paths in the sensor.
Все вышеописанные схемы могут быть реализованы как на дискретных оптических элементах, так и в полностью волоконном исполнении (фиг. 4). В такой конструкции деление света на два плеча осуществляется с помощью волоконно-оптического мультиплексора «Мх», обеспечивающего в силу своей конструкции равномерное деление света. Волоконная конструкция является наименее гибкой с точки зрения изменения ее параметров в процессе работы, но при этом является наиболее технологичным вариантом с точки зрения сборки и настройки при массовом изготовлении.All the above-described schemes can be implemented both on discrete optical elements and in a fully fiber design (Fig. 4). In such a design, the division of light into two arms is carried out using a fiber-optic multiplexer "Mx", which, due to its design, ensures uniform division of light. The fiber design is the least flexible in terms of changing its parameters during operation, but at the same time it is the most technologically advanced option in terms of assembly and adjustment during mass production.
Таким образом, заявленная схема детектирования позволяет регистрировать сигнал с произвольных интерференционных волоконно-оптических датчиков, при этом использование широкополосного источника и опорного интерферометра с возможностью сканирования и модуляции позволяет сделать полностью независимую от сенсора приемную систему, реализующую метод гомодинной демодуляции и расположенную на произвольном расстоянии от сенсора. Предложенная схема позволяет детектировать колебания длины сенсора с разрешением 0,1 нм (среднеквадратичное отклонение) в полосе частот 100 Гц - 10 кГц.Thus, the claimed detection scheme allows to register a signal from arbitrary interference fiber-optic sensors, while the use of a broadband source and a reference interferometer with the ability to scan and modulate allows to make a receiving system completely independent of the sensor, implementing the homodyne demodulation method and located at an arbitrary distance from the sensor. The proposed scheme allows to detect sensor length oscillations with a resolution of 0.1 nm (standard deviation) in the frequency band of 100 Hz - 10 kHz.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2824305C1 true RU2824305C1 (en) | 2024-08-07 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3276839D1 (en) * | 1981-11-09 | 1987-08-27 | Thomson Csf | Michelson-type interferometer with a photo-refractive mirror |
| RU146317U1 (en) * | 2014-06-30 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук" (ИО РАН) | DEVICE FOR MEASURING CHROMATIC DISPERSION OF OPTICAL FIBERS WITH LOW DISPERSION |
| RU2664692C1 (en) * | 2017-10-12 | 2018-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber |
| RU2695415C2 (en) * | 2015-09-08 | 2019-07-23 | Владимир Викторович Хопов | Method of determining degree and location of disturbance of zone fiber-optic protection system of objects and device for its implementation |
| RU2777422C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-08-03 | Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" | Method and device for generating quantum states in phase-coded quantum key distribution system |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3276839D1 (en) * | 1981-11-09 | 1987-08-27 | Thomson Csf | Michelson-type interferometer with a photo-refractive mirror |
| RU146317U1 (en) * | 2014-06-30 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук" (ИО РАН) | DEVICE FOR MEASURING CHROMATIC DISPERSION OF OPTICAL FIBERS WITH LOW DISPERSION |
| RU2695415C2 (en) * | 2015-09-08 | 2019-07-23 | Владимир Викторович Хопов | Method of determining degree and location of disturbance of zone fiber-optic protection system of objects and device for its implementation |
| RU2664692C1 (en) * | 2017-10-12 | 2018-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Measuring phase noise of narrow-band laser based on the mach-zehnder interferometer consisting of the rm-fiber |
| RU2777422C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-08-03 | Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы" | Method and device for generating quantum states in phase-coded quantum key distribution system |
| RU2805561C1 (en) * | 2023-04-20 | 2023-10-19 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Device for controlling phase shifts of radiation in integrated circuits based on asymmetric mach-zehnder interferometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6167117B2 (en) | Optical sensor | |
| Liu et al. | Diaphragm based long cavity Fabry–Perot fiber acoustic sensor using phase generated carrier | |
| CN109099943B (en) | Self-calibration and self-compensation type white light path matching differential interferometric phase demodulation system and method thereof | |
| CN107907203A (en) | A kind of demodulation method of optical fiber F P cavate sonic sensors | |
| CN101458101A (en) | Wavelength scanning white light interferometry method based on 3*3 coupler | |
| Wang et al. | Interrogation of extrinsic Fabry–Perot sensors using path-matched differential interferometry and phase generated carrier technique | |
| US20150308911A1 (en) | Mechanical resonator sensor | |
| US11162821B2 (en) | Fibre optic sensing device | |
| Wang et al. | A white-light interferometry for the measurement of high-finesse fiber optic EFPI sensors | |
| CN101187556A (en) | An optical fiber ranging method and device | |
| Meggitt et al. | An all fibre white light interferometric strain measurement system | |
| US10816369B2 (en) | Methods and apparatus for interferometric interrogation of an optical sensor | |
| US6147755A (en) | Dynamic optical phase state detector | |
| Zhang et al. | A novel digital phase detection method for frequency-modulated continuous-wave interferometric fiber-optic displacement sensor | |
| RU2824305C1 (en) | Device for detecting small changes in the length of interference fiber-optic sensors | |
| Baptista et al. | Mach-Zehnder and Michelson topologies for self-referencing fibre optic intensity sensors | |
| JP3663903B2 (en) | Wavelength detector | |
| US5333045A (en) | Process and apparatus for absolute interferometric measurement of physical magnitudes utilizing a variable center frequency pass-band filter located downstream of a light beam source | |
| RU2633020C1 (en) | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) | |
| US5363191A (en) | Fibre optic sensor array reading device | |
| Volkov et al. | Phase Tandem Low-Coherence Interferometry for Surface Vibration Measurements | |
| EP0450244B1 (en) | Detection device with optical fibres | |
| CN108982418B (en) | Air refractive index measuring device and method based on microcavity laser dispersion interference method | |
| Volkov et al. | Low-Coherence Integrated Optical Interferometer for Fibre Optic Sensors | |
| Wu et al. | Silicon Photonic Swept-Source Optical Coherence Tomography Resampling |