RU2595320C1 - Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source - Google Patents

Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source Download PDF

Info

Publication number
RU2595320C1
RU2595320C1 RU2015129323/28A RU2015129323A RU2595320C1 RU 2595320 C1 RU2595320 C1 RU 2595320C1 RU 2015129323/28 A RU2015129323/28 A RU 2015129323/28A RU 2015129323 A RU2015129323 A RU 2015129323A RU 2595320 C1 RU2595320 C1 RU 2595320C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
amplitude
phase modulation
depth
value
Prior art date
Application number
RU2015129323/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Касьянович Мешковский
Георгий Петрович Мирошниченко
Михаил Викторович Мехреньгин
Михаил Юрьевич Плотников
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority to RU2015129323/28A priority Critical patent/RU2595320C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2595320C1 publication Critical patent/RU2595320C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source involves measuring amplitude of controlled interferometric signal, which allows determining the current value of phase modulation depth, its adjustment to the optimum value by varying amplitude of the modulating signal, modifying the central wavelength of radiation source and measuring the corresponding current values of controlled interferometric signal amplitude. Account of signal error is additionally performed during adjustment.
EFFECT: technical result is optimal value of phase modulation depth and maximum value of the interference signal range.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа с перестраиваемым по длине волны источником оптического излучения для контроля и регулировки параметров интерференционных сигналов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in interferometric-type fiber-optic phase sensors with a wavelength-tunable optical radiation source for monitoring and adjusting parameters of interference signals.

Основными параметрами интерференционного сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика являются глубина фазовой модуляции и размах интерференционного сигнала.The main parameters of the interference signal of the fiber-optic interferometric phase sensor are the depth of the phase modulation and the amplitude of the interference signal.

Интерференционный сигнал на выходе оптической схемы волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика описывается выражением:The interference signal at the output of the optical circuit of the fiber-optic interferometric phase sensor is described by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где A и B коэффициенты, определяемые интенсивностью светового излучения и размахом интерференционного сигнала на фотоприемном устройстве, C - глубина фазовой модуляции, ω0 - циклическая частота фазовой модуляции, φ(t) - измеряемый фазовый сигнал. В случае влияния на чувствительное плечо интерферометра гармонического воздействия φ(t) определяется выражением:where A and B are coefficients determined by the intensity of light radiation and the amplitude of the interference signal at the photodetector, C is the depth of phase modulation, ω 0 is the cyclic frequency of phase modulation, φ (t) is the measured phase signal. In the case of the harmonic effect φ (t) affecting the sensitive arm of the interferometer, it is determined by the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

где D - амплитуда измеряемого фазового сигнала, ω - циклическая частота измеряемого фазового сигнала, φ0 - положение рабочей точки интерферометра.where D is the amplitude of the measured phase signal, ω is the cyclic frequency of the measured phase signal, φ 0 is the position of the operating point of the interferometer.

В результате температурных и механических воздействий на модулятор изменяются величина глубины фазовой модуляции C и положение рабочей точки интерферометра φ0. Величина размаха интерференционной картины меняется из-за воздействия температурных градиентов на чувствительный элемент волоконно-оптического датчика.As a result of thermal and mechanical effects on the modulator, the magnitude of the phase modulation depth C and the position of the operating point of the interferometer φ 0 are changed. The magnitude of the magnitude of the interference pattern varies due to the influence of temperature gradients on the sensitive element of the fiber-optic sensor.

Дрейф величины глубины фазовой модуляции C приводит к искажению амплитудной характеристики и, как следствие, понижению точности волоконно-оптического датчика. Уменьшение размаха интерференционного сигнала выражается в уменьшении соотношения сигнал/шум выходного сигнала датчика.The drift of the value of the depth of phase modulation C leads to a distortion of the amplitude characteristic and, as a result, to a decrease in the accuracy of the fiber-optic sensor. A decrease in the magnitude of the interference signal is expressed in a decrease in the signal-to-noise ratio of the sensor output signal.

Известен способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика путем поддержания оптимальной величины глубины фазовой модуляции сигнала на основании опорного коэффициента K, включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которой вычисляют текущее значение опорного коэффициента K по формуле:A known method of monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor by maintaining the optimal value of the depth of the phase modulation of the signal based on the reference coefficient K, including measuring the amplitude of the controlled interferometric signal, which calculates the current value of the reference coefficient K by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где J1(C) и J3(C) - функции Бесселя первого и третьего порядка, по которому осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения путем изменения амплитуды модулирующего сигнала [статья J.H. Zhu, М. Zhang, Y.B. Liao, W. Kuang, L.W. Wang "A scheme for maintaining phase modulation amplitude at best value of fiber optic sensors using phase generated carrier", Proc. SPIE, vol. 5998, 2005].where J 1 (C) and J 3 (C) are the Bessel functions of the first and third order, according to which the current value of the phase modulation depth is adjusted to the optimal value by changing the amplitude of the modulating signal [article JH Zhu, M. Zhang, YB Liao, W Kuang, LW Wang "A scheme for maintaining phase modulation amplitude at best value of fiber optic sensors using phase generated carrier", Proc. SPIE, vol. 5998, 2005].

Недостатками известного способа являются невозможность вычисления величины глубины фазовой модуляции C, отсутствие возможности контролировать размах интерференционного сигнала, зависимость точности способа от размаха интерференционного сигнала.The disadvantages of this method are the inability to calculate the depth of the phase modulation C, the inability to control the amplitude of the interference signal, the dependence of the accuracy of the method on the amplitude of the interference signal.

Известен способ контроля параметров волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, выбранный в качестве прототипа [патент США №6028668, кл. 356/350 (G01C 19/72), дата публ. 22.02.2000], включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которой вычисляют текущее значение опорного коэффициента K по формуле,A known method of controlling the parameters of a fiber optic interferometric phase sensor, selected as a prototype [US patent No. 6028668, class. 356/350 (G01C 19/72), date publ. 02.22.2000], including the measurement of the amplitude of the controlled interferometric signal, according to which the current value of the reference coefficient K is calculated by the formula,

Figure 00000004
Figure 00000004

где J2(С) и J4(С) - функции Бесселя второго и четвертого порядка, K2 и K4 - коэффициенты, учитывающие зависимость от размаха интерференционной картины и осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения на основании опорного коэффициента K, путем изменения амплитуды модулирующего сигнала.where J 2 (C) and J 4 (C) are the second and fourth order Bessel functions, K 2 and K 4 are coefficients that take into account the dependence on the amplitude of the interference pattern and adjust the current value of the phase modulation depth to the optimal value based on the reference coefficient K by changing the amplitude of the modulating signal.

Недостатками известного способа являются невозможность вычисления величины глубины фазовой модуляции C, отсутствие возможности контролировать размах интерференционного сигнала.The disadvantages of this method are the inability to calculate the depth of phase modulation C, the inability to control the amplitude of the interference signal.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в обеспечении контроля величины глубины фазовой модуляции по ее текущему значению и размаху интерференционного сигнала на основании опорного коэффициента В.The problem to which this invention is directed is to provide control of the magnitude of the depth of phase modulation by its current value and the amplitude of the interference signal based on the reference coefficient B.

Технический результат достигается тем, что поддерживается оптимальная величина глубины фазовой модуляции и максимальная величина размаха интерференционного сигнала.The technical result is achieved by maintaining the optimum value of the depth of phase modulation and the maximum magnitude of the amplitude of the interference signal.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым по длине волны источником оптического излучения, включающем измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которому судят о текущем значении глубины фазовой модуляции, осуществляют регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения путем изменения амплитуды модулирующего сигнала, а изменяя центральную длину волны излучения источника оптического излучения, измеряют соответствующие текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, преобразуют измеренные значения амплитуды к виду I0=S1cos(ω0t)+S2cos(2ω0t)+S3cos(3ω0t)+S4cos(4ω0t), где S1, S2, S3, S4 - первая, вторая, третья и четвертая гармоники контролируемого интерферометрического сигнала, и рассчитывают текущие значения глубины фазовой модуляции C и опорного коэффициента B, характеризующего размах интерферометрического сигнала, по следующим формулам:The problem is solved as follows. In the method for monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor with a wavelength-tunable optical radiation source, including measuring the amplitude of a controlled interferometric signal, by which the current value of the phase modulation depth is judged, the current value of the phase modulation depth is adjusted to the optimal value by changing the amplitude modulating signal, and by changing the central wavelength of the radiation from the optical radiation source, The corresponding current amplitude values of the controlled interferometric signal are measured, the measured amplitude values are converted to the form I 0 = S 1 cos (ω 0 t) + S 2 cos (2ω 0 t) + S 3 cos (3ω 0 t) + S 4 cos (4ω 0 t), where S 1 , S 2 , S 3 , S 4 are the first, second, third and fourth harmonics of the controlled interferometric signal, and the current values of the phase modulation depth C and the reference coefficient B characterizing the amplitude of the interferometric signal are calculated according to the following formulas :

Figure 00000005
,
Figure 00000006
,
Figure 00000005
,
Figure 00000006
,

где J2(C) - функция Бесселя первого рода второго порядка, находят максимальное значение опорного коэффициента B, которое определяет максимальное значение размаха контролируемого интерферометрического сигнала и соответствующее ему оптимальное значение центральной длины волны излучения источника, при которой вновь измеряют текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которым рассчитывают по вышеуказанным формулам текущие значения глубины фазовой модуляции C, каждое из которых сравнивают с оптимальным значением глубины фазовой модуляции С0, и определяют сигнал ошибки ε по формуле: ε=С0-С, который используют для регулировки текущего значения глубины фазовой модуляции, вычисляя величину изменяемой амплитуды модулирующего сигнала, соответствующую оптимальному значению глубины фазовой модуляции, по формуле: Ас=A0+Kε, где А0 - текущее значение амплитуды модулирующего сигнала, Ас - значение амплитуды модулирующего сигнала, соответствующее оптимальному значению глубины фазовой модуляции, K - коэффициент пропорциональности.where J 2 (C) is the second-order Bessel function of the first kind, find the maximum value of the reference coefficient B, which determines the maximum amplitude of the controlled interferometric signal and the corresponding optimal value of the central radiation wavelength of the source, at which the current values of the amplitude of the controlled interferometric signal are again measured by which, according to the above formulas, the current values of the phase modulation depth C are calculated, each of which is compared with the optimal the value of the depth of phase modulation C 0 , and determine the error signal ε by the formula: ε = C 0 -C, which is used to adjust the current value of the depth of phase modulation, calculating the magnitude of the variable amplitude of the modulating signal corresponding to the optimal value of the depth of phase modulation, by the formula: A c = A 0 + Kε, where A 0 is the current value of the amplitude of the modulating signal, A c is the value of the amplitude of the modulating signal corresponding to the optimal value of the depth of phase modulation, K is the proportionality coefficient.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 представлена зависимость коэффициента B от длины волны излучения источника, на фиг. 3 представлена зависимость глубины фазовой модуляции от времени.The essence of the proposed method is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a structural diagram of a device that implements the method, FIG. 2 shows the dependence of coefficient B on the radiation wavelength of the source, FIG. Figure 3 shows the dependence of the phase modulation depth on time.

Устройство содержит блок контроля длины волны излучения 1, соединенный с источником оптического излучения 2 и представляющий собой электрическую схему, которая регулирует температуру перестраиваемого источника оптического излучения 2 при помощи элемента Пельтье, тем самым изменяя центральную длину волны перестраиваемого источника оптического излучения 2 в диапазоне от λmin до λmax. Источник оптического излучения 2 является перестраиваемым по длине волны полупроводниковым источником оптического излучения с встроенным элементом Пельтье. Выход источника оптического излучения 2 подключен к входу оптической схемы 3, которая содержит чувствительный элемент волоконно-оптического интерферометрического датчика. Выход оптической схемы 3 подключен к входу фотоприемного устройства 4, которое детектирует оптическое излучение на выходе оптической схемы 3 и преобразует оптический сигнал в электрический сигнал. Выход фотоприемного устройства 4 подключен к входу электрической схемы аналогового фильтра высоких частот (ФВЧ) 5. Выход ФВЧ 5 подключен к входу микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Выход АЦП 6 соединен с входом блока цифровой обработки сигналов (ЦОС) 7, который представляет собой программируемую логическую интегральную схему. Блок ЦОС 7 содержит: блок демодуляции сигнала 8, блок вычисления глубины фазовой модуляции 9, блок вычисления коэффициента B 10, блок выбора оптимальной длины волны излучения 11, блок вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12, опорный генератор 13. Блоки 8-13 реализованы программным способом в программируемой логической интегральной схеме. Вход блока демодуляции сигнала 8 подключен к выходу АЦП 6. Выход блока демодуляции сигнала 8 соединен с входом блока вычисления глубины фазовой модуляции 9, другой выход блока демодуляции сигнала 8 подключен к входу блока вычисления коэффициента B 10. Выход блока вычисления коэффициента B 10 подключен к входу блока выбора оптимальной длины волны излучения 11. Выход блока выбора оптимальной длины волны излучения 11 подключен к входу блока контроля длины волны излучения 1. Выход блока вычисления глубины фазовой модуляции 9 соединен с входом блока вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12. Выход блока вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12 подключен к входу опорного генератора 13. Выход опорного генератора 13 соединен с входом микросхемы цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14, другой выход опорного генератора 13 соединен с входом блока демодуляции сигнала 8. Выход блока ЦАП 14 подключен к входу блока 15, который представляет собой электрооптический модулятор. Выход модулятора 15 подключен к входу оптической схемы 3. Блок 15 модулирует оптический сигнал в оптической схеме 3 на основании электрического сигнала на выходе блока 14.The device comprises a radiation wavelength control unit 1 connected to an optical radiation source 2 and representing an electrical circuit that controls the temperature of a tunable optical radiation source 2 using a Peltier element, thereby changing the central wavelength of a tunable optical radiation source 2 in the range from λ min up to λ max . The optical radiation source 2 is a wavelength tunable semiconductor optical radiation source with a built-in Peltier element. The output of the optical radiation source 2 is connected to the input of the optical circuit 3, which contains a sensitive element of the fiber-optic interferometric sensor. The output of the optical circuit 3 is connected to the input of the photodetector 4, which detects the optical radiation at the output of the optical circuit 3 and converts the optical signal into an electrical signal. The output of the photodetector 4 is connected to the input of the circuitry of the analog high-pass filter (HPF) 5. The output of the HPF 5 is connected to the input of the microchip of an analog-to-digital converter (ADC) 6. The output of the ADC 6 is connected to the input of the digital signal processing unit (DSP) 7, which is a programmable logic integrated circuit. The DSP unit 7 contains: a signal demodulation unit 8, a phase modulation depth calculation unit 9, a coefficient B 10 calculation unit, an optimum radiation wavelength selection unit 11, an amplitude modulation signal amplitude calculation unit 12, a reference oscillator 13. Blocks 8-13 are implemented in software in programmable logic integrated circuit. The input of the signal demodulation unit 8 is connected to the output of the ADC 6. The output of the signal demodulation unit 8 is connected to the input of the phase modulation depth calculation unit 9, the other output of the signal demodulation unit 8 is connected to the input of the coefficient B 10 calculation unit. The output of the coefficient B 10 calculation unit is connected to the input unit for selecting the optimal wavelength of radiation 11. The output of the unit for choosing the optimal wavelength of radiation 11 is connected to the input of the unit for monitoring the wavelength of radiation 1. The output of the unit for calculating the depth of phase modulation 9 is connected to the input of calculating the amplitude of the modulating signal 12. The output of the block for calculating the amplitude of the modulating signal 12 is connected to the input of the reference generator 13. The output of the reference generator 13 is connected to the input of the digital-to-analog converter (DAC) 14, the other output of the reference generator 13 is connected to the input of the signal demodulation unit 8. The output of the block DAC 14 is connected to the input of block 15, which is an electro-optical modulator. The output of the modulator 15 is connected to the input of the optical circuit 3. Block 15 modulates the optical signal in the optical circuit 3 based on the electrical signal at the output of the block 14.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Блок контроля длины волны оптического излучения 1 задает начальное значение длины волны излучения λmin при помощи изменения параметров источника оптического излучения 2. Импульс от источника оптического излучения 2 попадает в оптическую схему 3, которая содержит чувствительный элемент волоконно-оптического датчика. В оптической схеме 3 происходит преобразование внешнего воздействия S на чувствительный элемент в сдвиг фазы оптического сигнала φ(t). Фотоприемное устройство (ФПУ) 4 преобразует оптический сигнал на выходе оптической схемы 3 в электрический сигнал. Текущее значение амплитуды контролируемого интерференционного сигнала на выходе фотоприемного устройства 4 описывается выражением (1) и может быть разложено в ряд с использованием функций Бесселя при помощи известных математических выражений:The inventive method is implemented as follows. The wavelength control unit of the optical radiation 1 sets the initial value of the radiation wavelength λ min by changing the parameters of the optical radiation source 2. The pulse from the optical radiation source 2 falls into the optical circuit 3, which contains the sensing element of the fiber-optic sensor. In the optical circuit 3, the external influence S on the sensitive element is converted to the phase shift of the optical signal φ (t). A photodetector (FPU) 4 converts the optical signal at the output of the optical circuit 3 into an electrical signal. The current value of the amplitude of the controlled interference signal at the output of the photodetector 4 is described by expression (1) and can be expanded in a series using Bessel functions using well-known mathematical expressions:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

где J2k(А) - функция Бесселя первого рода порядка 2k.where J 2k (A) is the Bessel function of the first kind of order 2k.

С учетом выражения (5) сигнал (1) после фотоприемного устройства 4 можно представить в виде:Given the expression (5), the signal (1) after the photodetector 4 can be represented in the form:

Figure 00000011
Figure 00000011

Раскладывая выражение (9) по функциям Бесселя с использованием выражений (5-8), получаем:Expanding expression (9) by Bessel functions using expressions (5-8), we obtain:

Figure 00000012
Figure 00000012

Сигнал I(t) после фильтра верхних частот 5 описывается выражением:The signal I (t) after the high-pass filter 5 is described by the expression:

Figure 00000013
Figure 00000013

Далее сигнал попадает в блок аналого-цифрового преобразования сигнала 6. Амплитуда контролируемого интерференционного сигнала I0 на входе блока ЦОС 7 описывается формулой:Next, the signal falls into the block of analog-to-digital conversion of signal 6. The amplitude of the controlled interference signal I 0 at the input of the DSP block 7 is described by the formula:

Figure 00000014
Figure 00000014

где J1(С), J2(С), J3(С), J4(С) - функции Бесселя первого рода первого, второго, третьего и четвертого порядков, соответственно.where J 1 (C), J 2 (C), J 3 (C), J 4 (C) are the Bessel functions of the first kind of the first, second, third and fourth orders, respectively.

Блок демодуляции сигнала 8 выделяет из сигнала (12) гармоники S1(t), S2(t), S3(t), S4(t):The signal demodulation unit 8 extracts from the signal (12) the harmonics S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t), S 4 (t):

Figure 00000015
Figure 00000015

Значения гармоник S1(t), S2(t), S3(t), S4(t) интерференционного сигнала (13-16) передаются в блок вычисления глубины фазовой модуляции 9, где над ними выполняется ряд преобразований. Преобразования выполняются в соответствии с рекуррентным соотношением для функций Бесселя первого рода:The harmonics S 1 (t), S 2 (t), S 3 (t), S 4 (t) of the interference signal (13-16) are transferred to the phase modulation depth calculation unit 9, where a series of transformations are performed on them. The transformations are performed in accordance with the recurrence relation for Bessel functions of the first kind:

Figure 00000016
Figure 00000016

Используя выражение (17) для функций Бесселя первого рода для сигналов (5-8), можно получить следующие выражения:Using expression (17) for Bessel functions of the first kind for signals (5-8), we can obtain the following expressions:

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

На основании выражений (18) и (19) формируется формула:Based on expressions (18) and (19), the formula is formed:

Figure 00000019
Figure 00000019

Текущее значение глубины фазовой модуляции C формируется в соответствии с выражением:The current value of the depth of phase modulation C is formed in accordance with the expression:

Figure 00000020
Figure 00000020

Текущее значение глубины фазовой модуляции C подается в блок вычисления коэффициента B 9. Блок вычисления коэффициента B оперирует значениями гармоник интерференционного сигнала (13-16) и текущим значением глубины фазовой модуляции C (21). Блок вычисления коэффициента B работает следующим образом.The current value of the phase modulation depth C is supplied to the coefficient B 9 calculation unit. The coefficient B calculation unit operates on the harmonics of the interference signal (13-16) and the current value of the phase modulation depth C (21). The unit for calculating the coefficient B works as follows.

На основании выражений (14, 18, 20) выполняются следующие преобразования:

Figure 00000021
Based on the expressions (14, 18, 20), the following transformations are performed:
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

Результаты преобразований (22) и (23) суммируются и преобразуются в соответствии с основным тригонометрическим тождеством:The results of transformations (22) and (23) are summed up and transformed in accordance with the main trigonometric identity:

Figure 00000023
Figure 00000023

Итог преобразований описан выражением:The result of the transformations is described by the expression:

Figure 00000024
Figure 00000024

Из выражения (25) производится расчет коэффициента B по итоговой формуле:From the expression (25), the coefficient B is calculated by the final formula:

Figure 00000025
Figure 00000025

Текущее значение коэффициента B поступает в блок контроля длины волны излучения 1. Блок контроля длины волны излучения последовательно изменяет длину волны, начиная с начального значения λmin и заканчивая максимальным значением для данного источника оптического излучения λmax. При каждом значении длины волны измеряется текущее значение коэффициента В. Блок выбора оптимальной длины волны излучения 11 находит оптимальную длину волны излучения λopt, при которой значение коэффициента B максимально. Блок контроля длины волны излучения 1 устанавливает оптимальную длину волны излучения λopt источника оптического излучения 2.The current value of the coefficient B enters the radiation wavelength control unit 1. The radiation wavelength control unit sequentially changes the wavelength, starting from the initial value λ min and ending with the maximum value for this optical radiation source λ max . For each value of the wavelength, the current value of the coefficient B is measured. The block for selecting the optimal wavelength of radiation 11 finds the optimal radiation wavelength λ opt at which the value of coefficient B is maximum. The radiation wavelength control unit 1 sets the optimum radiation wavelength λ opt of the optical radiation source 2.

Далее, при оптимальном значении длины волны оптического излучения, блок вычисления глубины фазовой модуляции 9 последовательно рассчитывает текущие значения глубины фазовой модуляции C по формуле (21). Текущие значения глубины фазовой модуляции C сравниваются с оптимальным значением глубины фазовой модуляции C0 в блоке вычисления амплитуды модулирующего сигнала 10, которое выбирают в зависимости от алгоритма демодуляции информационного сигнала в устройстве, в результате этого формируется сигнал ошибки 8 по формуле:Further, at the optimal value of the wavelength of optical radiation, the phase modulation depth calculation unit 9 sequentially calculates the current values of the phase modulation depth C according to the formula (21). The current values of the depth of the phase modulation C are compared with the optimal value of the depth of the phase modulation C 0 in the block for calculating the amplitude of the modulating signal 10, which is selected depending on the demodulation algorithm of the information signal in the device, resulting in an error signal 8 according to the formula:

Figure 00000026
Figure 00000026

Блок вычисления амплитуды модулирующего сигнала 12 находит новое значение амплитуды модулирующего сигнала Ас по формуле:The unit for calculating the amplitude of the modulating signal 12 finds a new value of the amplitude of the modulating signal A with the formula:

Figure 00000027
Figure 00000027

где A0 - текущая величина амплитуды фазовой модуляции, k - коэффициент пропорциональности, который определяется в зависимости от характеристик схемы обработки сигналов.where A 0 is the current value of the amplitude of the phase modulation, k is the proportionality coefficient, which is determined depending on the characteristics of the signal processing circuit.

Новое значение амплитуды фазовой модуляции Ас поступает в опорный генератор 13. Опорный генератор 13 подает на ЦАП 14 текущее значение модулирующего напряжения Accosωt. На основании сигнала с выхода ЦАП 14 модулятор 15 изменяет фазу оптического излучения в оптической схеме 3.The new value of the amplitude of the phase modulation A s goes to the reference oscillator 13. The reference oscillator 13 supplies the DAC 14 with the current value of the modulating voltage A c cosωt. Based on the signal from the output of the DAC 14, the modulator 15 changes the phase of the optical radiation in the optical circuit 3.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения, в котором в качестве оптической схемы используется массив волоконных решеток Брэгга, записанных в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. В качестве источника оптического излучения используется полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). В качестве блока контроля длины волны источника оптического излучения используется контроллер элемента Пельтье, который регулирует температуру источника оптического излучения. В качестве фотоприемника используется фотодиодный модуль PDI-40-RM.As a specific example of implementation, a method is proposed for monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor with a tunable optical radiation source, in which an array of Bragg fiber arrays recorded in a birefringent optical fiber with an elliptic straining sheath is used as an optical circuit. A vertical-cavity semiconductor surface-emitting laser (VCSEL) is used as an optical radiation source. As a control unit for the wavelength of the optical radiation source, a Peltier element controller is used, which controls the temperature of the optical radiation source. The PDI-40-RM photodiode module is used as a photodetector.

Обработка сигнала производилась при помощи 16-битного АЦП, 12-битного ЦАП и программируемой логической интегральной схемы. В качестве алгоритма демодуляции сигнала может быть использован алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции арктангенса, который реализуется в программируемой логической интегральной схеме. Математический алгоритм предложенного способа контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения реализован в программируемой логической интегральной схеме.Signal processing was performed using a 16-bit ADC, a 12-bit DAC and a programmable logic integrated circuit. As a signal demodulation algorithm, a homodyne demodulation algorithm based on the calculation of the arctangent function values, which is implemented in a programmable logic integrated circuit, can be used. The mathematical algorithm of the proposed method for monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor with a tunable optical radiation source is implemented in a programmable logic integrated circuit.

На фиг. 2 приведен график зависимости коэффициента B от центральной длины волны источника оптического излучения. Зависимость получена экспериментально в результате последовательного изменения длины волны оптического излучения. Зависимость позволяет определить оптимальное значение длины волны излучения для данной схемы.In FIG. Figure 2 shows a plot of the coefficient B versus the center wavelength of the optical radiation source. The dependence was obtained experimentally as a result of successive changes in the wavelength of optical radiation. The dependence allows you to determine the optimal value of the radiation wavelength for this circuit.

На фиг. 3 приведен график зависимости значения глубины фазовой модуляции, которая рассчитана по предложенному способу, от времени. Зависимость получена экспериментально. Текущее значение глубины фазовой модуляции подстраивалось автоматически к оптимальному значению C0 в соответствии с предложенным способом. Величина коэффициента k составляла 500. Оптимальное значение глубины фазовой модуляции C0 для выбранного алгоритма демодуляции равно 2.63 радиана.In FIG. Figure 3 shows a graph of the dependence of the depth of phase modulation, which is calculated by the proposed method, on time. The dependence is obtained experimentally. The current value of the depth of phase modulation was automatically adjusted to the optimal value of C 0 in accordance with the proposed method. The coefficient k was 500. The optimal value of the phase modulation depth C 0 for the selected demodulation algorithm is 2.63 radians.

Таким образом, заявляемый способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика обеспечивает работу датчика при максимальном размахе интерференционной картины и позволяет поддерживать величину глубины фазовой модуляции в оптимальном значении.Thus, the inventive method of monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor ensures the operation of the sensor at the maximum range of the interference pattern and allows you to maintain the value of the depth of phase modulation in the optimal value.

Claims (1)

Способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источником оптического излучения, включающий измерение амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которому судят о текущем значении глубины фазовой модуляции, а регулировку текущего значения глубины фазовой модуляции до оптимального значения осуществляют путем изменения амплитуды модулирующего сигнала, отличающийся тем, что, изменяя центральную длину волны излучения источника оптического излучения, измеряют соответствующие текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, преобразуют измеренные значения амплитуды к виду I0=S1cos(ω0t)+S2cos(2ω0t)+S3cos(3ω0t)+S4cos(4ω0t), где S1, S2, S3, S4 - первая, вторая, третья и четвертая гармоники контролируемого интерферометрического сигнала, и рассчитывают текущие значения глубины фазовой модуляции С и опорного коэффициента В, характеризующего размах интерферометрического сигнала, по следующим формулам:
Figure 00000028
Figure 00000029
где I2(С) - функция Бесселя первого рода второго порядка, находят максимальное значение опорного коэффициента В, которое определяет максимальное значение размаха контролируемого интерферометрического сигнала и соответствующее ему оптимальное значение центральной длины волны излучения источника, при которой вновь измеряют текущие значения амплитуды контролируемого интерферометрического сигнала, по которым рассчитывают по вышеуказанным формулам текущие значения глубины фазовой модуляции С, каждое из которых сравнивают с оптимальным значением глубины фазовой модуляции С0, определяют сигнал ошибки ε по формуле: ε=С0-С, который используют для регулировки текущего значения глубины фазовой модуляции, вычисляя величину изменяемой амплитуды модулирующего сигнала, соответствующую оптимальному значению глубины фазовой модуляции, по формуле Аc=A0+Kε, где A0 - текущее значение амплитуды модулирующего сигнала, Аc - значение амплитуды модулирующего сигнала, соответствующее оптимальному значению глубины фазовой модуляции, K - коэффициент пропорциональности. A method for monitoring the signal parameters of a fiber-optic interferometric phase sensor with a tunable source of optical radiation, comprising measuring the amplitude of the controlled interferometric signal, which is used to judge the current value of the depth of phase modulation, and adjusting the current value of the depth of phase modulation to the optimal value by changing the amplitude of the modulating signal, characterized in that, by changing the central wavelength of the radiation of the optical radiation source Measured corresponding current values of the amplitudes of controlled interferometric signal, convert the measured amplitude values of the form I 0 = S 1 cos (ω 0 t) + S 2 cos (2ω 0 t) + S 3 cos (3ω 0 t) + S 4 cos ( 4ω 0 t), where S 1 , S 2 , S 3 , S 4 are the first, second, third and fourth harmonics of the controlled interferometric signal, and the current values of the depth of phase modulation C and the reference coefficient B, which characterizes the amplitude of the interferometric signal, are calculated according to the following formulas:
Figure 00000028
Figure 00000029
where I 2 (C) is the second-order Bessel function of the first kind, find the maximum value of the reference coefficient B, which determines the maximum amplitude of the controlled interferometric signal and the corresponding optimal value of the central radiation wavelength of the source, at which the current values of the amplitude of the controlled interferometric signal are again measured according to which, according to the above formulas, the current values of the depth of phase modulation C are calculated, each of which is compared with optimal m the value of the depth of the phase modulation C 0 , determine the error signal ε by the formula: ε = C 0 -C, which is used to adjust the current value of the depth of the phase modulation, calculating the magnitude of the variable amplitude of the modulating signal corresponding to the optimal value of the depth of the phase modulation, according to the formula A c = A 0 + Kε, where A 0 is the current value of the amplitude of the modulating signal, A c is the value of the amplitude of the modulating signal corresponding to the optimal value of the depth of phase modulation, K is the proportionality coefficient.
RU2015129323/28A 2015-07-16 2015-07-16 Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source RU2595320C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129323/28A RU2595320C1 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129323/28A RU2595320C1 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2595320C1 true RU2595320C1 (en) 2016-08-27

Family

ID=56892008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015129323/28A RU2595320C1 (en) 2015-07-16 2015-07-16 Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2595320C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2658111C1 (en) * 2017-05-11 2018-06-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of recording a brahgg grading with laser radiation in a birefringent optical fiber
RU2682981C1 (en) * 2018-10-31 2019-03-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Demodulation method of fiber optic current sensor signal
RU2713028C1 (en) * 2019-05-22 2020-02-03 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of measuring phase signal of a fiber-optic interferometric sensor
CN113406005A (en) * 2021-05-28 2021-09-17 浙江理工大学 Demodulation method for detecting gas-solid interface sound wave by sine phase modulation laser interferometer
RU2805291C1 (en) * 2022-12-19 2023-10-13 Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Device for measuring the parameters of a fiber-optic resonator using a tunable source of optical radiation and compensation for the nonlinearity of frequency tuning

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6028668A (en) * 1998-02-04 2000-02-22 Rockwell Collins, Inc. Fiber optic gyroscope having improved readout and modulation index control
JP2005300208A (en) * 2004-04-07 2005-10-27 Tokimec Inc Optical interference type sensor
RU2448325C2 (en) * 2010-06-04 2012-04-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Антарес" Fibre-optic gyroscope having temperature-compensated digital output
US20140347671A1 (en) * 2009-12-10 2014-11-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Sagnac interferometer-type fiber-optic current sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6028668A (en) * 1998-02-04 2000-02-22 Rockwell Collins, Inc. Fiber optic gyroscope having improved readout and modulation index control
JP2005300208A (en) * 2004-04-07 2005-10-27 Tokimec Inc Optical interference type sensor
US20140347671A1 (en) * 2009-12-10 2014-11-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Sagnac interferometer-type fiber-optic current sensor
RU2448325C2 (en) * 2010-06-04 2012-04-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Антарес" Fibre-optic gyroscope having temperature-compensated digital output

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2658111C1 (en) * 2017-05-11 2018-06-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of recording a brahgg grading with laser radiation in a birefringent optical fiber
RU2682981C1 (en) * 2018-10-31 2019-03-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Demodulation method of fiber optic current sensor signal
RU2713028C1 (en) * 2019-05-22 2020-02-03 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of measuring phase signal of a fiber-optic interferometric sensor
CN113406005A (en) * 2021-05-28 2021-09-17 浙江理工大学 Demodulation method for detecting gas-solid interface sound wave by sine phase modulation laser interferometer
RU2805291C1 (en) * 2022-12-19 2023-10-13 Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Device for measuring the parameters of a fiber-optic resonator using a tunable source of optical radiation and compensation for the nonlinearity of frequency tuning

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Volkov et al. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors
RU2595320C1 (en) Method for controlling signal parameters of fibre-optic interferometric phase sensor with adjustable optical radiation source
Nikitenko et al. PGC-Atan demodulation scheme with the carrier phase delay compensation for fiber-optic interferometric sensors
JP5974096B2 (en) Method for stably controlling phase difference between pulse light source and pulse laser beam
CN109099943B (en) Self-calibration and self-compensation type white light path matching differential interference phase demodulation system and method thereof
US9518825B2 (en) Suppression of lock-in effect due to a MIOC frequency response in a fiber-optic Sagnac interferometer
Azcona et al. A nanometric displacement measurement system using differential optical feedback interferometry
CN104236537A (en) Light source intensity noise suppression digital double closed-loop method based on intensity modulator
WO2019121069A1 (en) Mixed-signal frequency control loop for tunable laser
CN111504351A (en) Device and method for online correcting phase demodulation error of 3 × 3 coupler
CN104677296A (en) System for measurement of displacement through self-mixing interference fusion of beat waves and single waves of fiber laser
CN110186500B (en) Unbalanced optical fiber interferometer arm length difference measuring device and method adopting absolute method
JP2006105669A (en) Method and apparatus for measuring laser interference displacement
RU2602998C1 (en) Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating
Ying et al. An open-loop RFOG based on 2nd/4th harmonic feedback technique to suppress phase modulation index’s drift
CA3084023A1 (en) A system for interrogating an interferometer, an interferometric system and a method for interrogating an interferometer
Ying et al. Optimization of second-harmonic’s quantization precision for intensity modulation noise suppressing in a digital RFOG
Kamenev et al. Use of 3× 3 coupler in the fiber optic strainmeter based on Mach-Zehnder interferometer
CN110726366A (en) Nonlinear error correction method for optical fiber Fabry-Perot interferometer
RU2520963C2 (en) Optic fibre measuring system (versions)
RU2713028C1 (en) Method of measuring phase signal of a fiber-optic interferometric sensor
RU2805291C1 (en) Device for measuring the parameters of a fiber-optic resonator using a tunable source of optical radiation and compensation for the nonlinearity of frequency tuning
CN111492263B (en) Mixed signal frequency control loop for tunable laser
Matjašec et al. An optical signal processing device for white-light interferometry, based on CPLD
RU2194246C1 (en) Method for processing optical fiber gyroscope ring interferometer signal

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20190530