RU2742106C1 - Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer - Google Patents
Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742106C1 RU2742106C1 RU2020118231A RU2020118231A RU2742106C1 RU 2742106 C1 RU2742106 C1 RU 2742106C1 RU 2020118231 A RU2020118231 A RU 2020118231A RU 2020118231 A RU2020118231 A RU 2020118231A RU 2742106 C1 RU2742106 C1 RU 2742106C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- phase signal
- optical
- source
- interferometer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для повышения точности измерения фазового сигнала в двухлучевых интерферометрах Майкельсона или Маха-Цендера и массивах волоконно-оптических датчиков на их основе.The invention relates to the field of fiber-optic measuring devices and can be used to improve the accuracy of measuring the phase signal in two-beam Michelson or Mach-Zehnder interferometers and arrays of fiber-optic sensors based on them.
Известен способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра [статья Waagaard О.Н. et al. Suppression of cable induced noise in an interferometric sensor system // 20th International Conference on Optical Fiber Sensors. - International Society for Optics and Photonics, 2009. - T. 7503. - C. 75034Q]. Способ заключается в следующем. Лазерный диод генерирует оптическое излучение, которое поступает в двухлучевой волоконно-оптический интерферометр (далее - интерферометр), интерференционный сигнал I которого пропорционален разности фаз оптических лучей в плечах интерферометра в соответствии с известным выражением:A known method of measuring the phase signal of a two-beam fiber-optic interferometer [article Waagaard ON. et al. Suppression of cable induced noise in an interferometric sensor system // 20th International Conference on Optical Fiber Sensors. - International Society for Optics and Photonics, 2009. - T. 7503. - C. 75034Q]. The method is as follows. The laser diode generates optical radiation, which enters a two-beam fiber-optic interferometer (hereinafter referred to as the interferometer), the interference signal I of which is proportional to the phase difference of the optical beams in the arms of the interferometer in accordance with the well-known expression:
где разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра под воздействием внешнего акустического, гидроакустического либо вибрационного давления определяется как:where the phase difference of optical beams in the arms of the interferometer under the influence of external acoustic, hydroacoustic or vibration pressure is defined as:
где в выражениях (1) и (2):where in expressions (1) and (2):
I - интерференционный сигнал,I - interference signal,
I1 и I2 - интенсивности оптических лучей в плечах интерферометра,I 1 and I 2 - intensities of optical beams in the arms of the interferometer,
Δϕ - разность фаз оптических лучей в плечах интерферометра,Δϕ is the phase difference of optical beams in the arms of the interferometer,
λ - длина волны оптического излучения,λ - wavelength of optical radiation,
nэфф - эффективный показатель преломления оптического волокна,n eff is the effective refractive index of the optical fiber,
ΔL - изменение длины оптического пути в оптическом волокне (ОВ) под воздействием акустического давления,ΔL is the change in the length of the optical path in an optical fiber (OF) under the influence of acoustic pressure,
Р - уровень акустического давления (Па).Р - acoustic pressure level (Pa).
При работе волоконно-оптического интерферометра в реальных условиях он подвергается действию акустических и вибрационных шумов окружающей среды и интенсивность оптического импульса на фотоприемном устройстве (ФПУ) измерительной системы описывается выражением: 
где Δϕsignal - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в чувствительном плече интерферометра (рад),where Δϕ signal is the phase difference induced by the influence of the measured value in the sensitive arm of the interferometer (rad),
Δϕnoise - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в опорном плече интерферометра (рад).Δϕ noise is the phase difference induced by the influence of the measured value in the reference arm of the interferometer (rad).
Описываемый способ заключается в применении дополнительно к измерительным датчикам (чувствительным элементам) опорного (дополнительного) датчика с пониженной чувствительностью к давлению и ускорению (в составе единого измерительного массива), интерференционный импульс от которого, таким образом, содержит исключительно информацию о внешних воздействиях на интерферометр и измерительную систему. В итоге, путем вычитания демодулированого фазового сигнала дополнительного датчика из демодулированного фазового сигнала основного датчика (чувствительного элемента) происходит компенсация нежелательных внешних воздействий на составные части измерительной системы и измеренное значение фазового сигнала, обусловленное воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент, приближается к истинному, повышая точность измерений.The described method consists in applying, in addition to measuring sensors (sensitive elements), a reference (additional) sensor with reduced sensitivity to pressure and acceleration (as part of a single measuring array), the interference pulse from which, thus, contains only information about external influences on the interferometer and measuring system. As a result, by subtracting the demodulated phase signal of the additional sensor from the demodulated phase signal of the main sensor (sensitive element), unwanted external influences on the components of the measuring system are compensated and the measured value of the phase signal due to the effect of the measured value on the sensitive element approaches the true one, increasing the accuracy measurements.
Недостатками известного способа являются сложность достижения нечувствительности опорного датчика к нежелательным внешним воздействиям (акустический шум окружающей среды, вибрации и др.), необходимость внесения значительных изменений в конструкцию измерительных систем, сложность обеспечения идентичности конструкции опорного и измерительного датчиков, а также внесение дополнительных оптических потерь в измерительную систему за счет добавления дополнительного датчика.The disadvantages of this method are the complexity of achieving insensitivity of the reference sensor to undesirable external influences (acoustic noise of the environment, vibration, etc.), the need to make significant changes in the design of measuring systems, the difficulty of ensuring the identity of the design of the reference and measuring sensors, as well as the introduction of additional optical losses in measuring system by adding an additional sensor.
Известен способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра, выбранный в качестве прототипа [патент США №6825934 Vibration noise mitigation in an interferometric system].A known method for measuring the phase signal of a two-beam fiber-optic interferometer, selected as a prototype [US patent No. 6825934 Vibration noise mitigation in an interferometric system].
Описываемый способ заключается в облучении интерферометра излучением дополнительного источника и регистрации полученного интерференционного сигнала дополнительным приемником излучения. Центральные длины волн основного (применяемого для опроса чувствительного плеча интерферометра) и дополнительного источников оптического излучения выбираются таким образом, чтобы оптические сигналы от них лежали в неперекрывающихся диапазонах. Перед фотоприемными устройствами устанавливаются оптические фильтры, позволяющие каждому из фотоприемников осуществлять прием только одного из оптических сигналов - либо порожденного основным источником оптического излучения, либо дополнительным. Таким образом, осуществляется принцип мультиплексирования оптических сигналов основного и дополнительного источников оптического излучения по длине волны, что позволяет осуществлять независимое детектирование, регистрацию и демодуляцию порожденных данными источниками интерференционных сигналов:The described method consists in irradiating the interferometer with radiation from an additional source and registering the received interference signal with an additional radiation detector. The central wavelengths of the main (used to interrogate the sensitive arm of the interferometer) and additional sources of optical radiation are selected so that the optical signals from them lie in non-overlapping ranges. In front of the photodetectors, optical filters are installed, which allow each of the photodetectors to receive only one of the optical signals - either generated by the main source of optical radiation, or by an additional one. Thus, the principle of multiplexing the optical signals of the main and additional sources of optical radiation along the wavelength is implemented, which allows independent detection, registration and demodulation of the interference signals generated by these sources:
где IФПУ1 и IФПУ2 - интенсивность интерференционных сигналов (Вт/м2) на основном и дополнительном ФПУ, соответственно,where I and I FPU1 FPU2 - the intensity of the interference signal (W / m 2) on the primary and secondary PDU, respectively,
Δϕsignal - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в чувствительном плече интерферометра (рад),Δϕ signal - the phase difference induced by the influence of the measured value in the sensitive arm of the interferometer (rad),
Δϕnoise - разность фаз, наводимая воздействием измеряемой величины в опорном плече интерферометра (рад).Δϕ noise is the phase difference induced by the influence of the measured value in the reference arm of the interferometer (rad).
Известный способ решает задачу повышения точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе двухлучевых волоконно-оптических интерферометров следующим образом.The known method solves the problem of increasing the accuracy of measuring the phase signal in measuring systems based on two-beam fiber-optic interferometers as follows.
Оптические сигналы от основного, работающего в режиме сканирования по длине волны, и от дополнительного, работающего в одночастотном режиме, источников оптического излучения поступают на вход первого Х-разветвителя. Длина волны дополнительного источника выбирается за пределами диапазона перестройки основного источника. С выхода первого Х-разветвителя данные оптические сигналы попадают на вход двухлучевого интерферометра Майкельсона, в чувствительном плече которого находится испытываемый образец, оптические характеристики которого изучаются при помощи излучения основного источника. При этом каждый из оптических сигналов на входе в интерферометр разделяется на два сигнала, которые распространяются вдоль его опорного и чувствительного плеча. В результате оптический сигнал основного источника формирует интерференционный сигнал, обусловленный разностью фаз, вносимой оптическими свойствами исследуемого образца. При этом оптический сигнал дополнительного источника формирует интерференционный сигнал, обусловленный разностью фаз, вносимой виброакустическим воздействием окружающей среды на плечи интерферометра. Данные интерференционные сигналы поступают на вход второго X-разветвителя, с выхода которого поступают на первое и второе фотоприемные устройства ФПУ1 и ФПУ2, оснащенные соответствующими оптическими фильтрами, осуществляющими разделение интерференционных сигналов по длине волны. После детектирования сигналов соответствующими фотоприемными устройствами происходит их демодуляция. Таким образом, становится возможным исключение влияния виброакустического сигнала на выходной сигнал интерферометра путем его вычитания из полезного сигнала.Optical signals from the main, operating in the scanning mode along the wavelength, and from the additional, operating in the single-frequency mode, sources of optical radiation are fed to the input of the first X-splitter. The wavelength of the auxiliary source is selected outside the tuning range of the main source. From the output of the first X-splitter, these optical signals enter the input of a two-beam Michelson interferometer, in the sensitive arm of which there is a test sample, the optical characteristics of which are studied using radiation from the main source. In this case, each of the optical signals at the input to the interferometer is divided into two signals that propagate along its reference and sensitive arms. As a result, the optical signal of the main source forms an interference signal due to the phase difference introduced by the optical properties of the sample under study. In this case, the optical signal of the additional source forms an interference signal due to the phase difference introduced by the vibroacoustic effect of the environment on the interferometer arms. These interference signals are fed to the input of the second X-splitter, from the output of which they are fed to the first and second photodetectors FPU1 and FPU2, equipped with appropriate optical filters that separate the interference signals by wavelength. After the signals are detected by the corresponding photodetectors, they are demodulated. Thus, it becomes possible to exclude the influence of the vibroacoustic signal on the output signal of the interferometer by subtracting it from the useful signal.
Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:
- Распространение излучения дополнительного источника вдоль обоих плеч интерферометра - опорного и чувствительного. Это приводит к тому, что интерференционный сигнал от дополнительного источника может быть обусловлен разностью фаз, вносимой виброакустическим воздействием как на опорное, либо чувствительное плечо интерферометра, так и совокупным воздействием на оба плеча. В свою очередь, это приводит к тому, что данный известный способ невозможно применить в измерительных системах, при эксплуатации которых измеряемое и помеховое воздействие являются сигналами единой природы, например, в акустических и гидроакустических измерительных комплексах, что существенно сужает область применения данного способа. Кроме того, при размещении опорного и чувствительных плеч интерферометра в разных точках пространства виброакустическое воздействие на них не коррелированно, и применение известного способа может дать непредсказуемый результат, вплоть до снижения точности интерференционных измерений.- Propagation of radiation from an additional source along both arms of the interferometer - reference and sensitive. This leads to the fact that the interference signal from an additional source can be caused by the phase difference introduced by the vibroacoustic effect both on the reference or sensitive arm of the interferometer, and by the combined effect on both arms. In turn, this leads to the fact that this known method cannot be applied in measuring systems, during the operation of which the measured and interference effects are signals of a single nature, for example, in acoustic and hydroacoustic measuring systems, which significantly narrows the scope of this method. In addition, when the reference and sensitive arms of the interferometer are placed at different points in space, the vibroacoustic effect on them is not correlated, and the application of the known method can give an unpredictable result, up to a decrease in the accuracy of interference measurements.
Применение мультиплексирования оптических сигналов основного и дополнительного источников оптического излучения по длине волны сужает полосу пропускания оптического волокна, доступную для прохождения оптического сигнала основного источника. Это накладывает ограничение на количество опрашиваемых чувствительных элементов (плеч) при построении квазираспределенных и распределенных интерферометрических измерительных систем на основе массивов чувствительных элементов (измерительных датчиков), что существенно сужает область применения способа.The use of multiplexing the optical signals of the main and additional optical radiation sources along the wavelength narrows the bandwidth of the optical fiber available for the transmission of the optical signal of the main source. This imposes a limitation on the number of polled sensitive elements (arms) when constructing quasi-distributed and distributed interferometric measuring systems based on arrays of sensitive elements (measuring sensors), which significantly narrows the scope of the method.
Решаемая техническая проблема - совершенствование способов измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе волоконно-оптических интерферометров.The technical problem being solved is the improvement of methods for measuring the phase signal in measuring systems based on fiber-optic interferometers.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе двухлучевых волоконно-оптических интерферометров за счет компенсации виброакустического воздействия (влияния) окружающей среды на опорное плечо интерферометра.The achieved technical result is an increase in the accuracy of measuring the phase signal in measuring systems based on two-beam fiber-optic interferometers by compensating for the vibroacoustic effect (influence) of the environment on the reference arm of the interferometer.
Поставленная задача решается следующим образом.The task is solved as follows.
В способе измерения фазового сигнала двулучевого волоконно-оптического интерферометра, включающем облучение его чувствительного плеча и опорного плеча основным источником оптического излучения с одновременным облучением его опорного плеча дополнительным источником оптического излучения, регистрацию на фотоприемных устройствах двух полученных интерференционных сигналов, их синхронное детектирование и фазовую демодуляцию, искомый фазовый сигнал получают путем вычитания фазового сигнала, полученного в результате облучения опорного плеча дополнительным источником оптического излучения, из фазового сигнала, полученного в результате облучения его основным источником оптического излучения, опорное плечо интерферометра дополнительно облучают излучением дополнительного источника излучения, плоскость поляризации которого ортогональна к плоскости поляризации излучения основного источника, а длина когерентности излучения превышает длину оптического пути в прямом и обратном направлении вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра, при этом с помощью поляризационного мультиплексирования исключают распространение излучения дополнительного источника в чувствительном плече.In the method for measuring the phase signal of a two-beam fiber-optic interferometer, which includes irradiation of its sensitive arm and reference arm with the main source of optical radiation with simultaneous irradiation of its reference arm with an additional source of optical radiation, registration of two received interference signals on photodetectors, their synchronous detection and phase demodulation, the desired phase signal is obtained by subtracting the phase signal obtained as a result of irradiation of the reference arm with an additional source of optical radiation from the phase signal obtained as a result of irradiation with the main source of optical radiation, the reference arm of the interferometer is additionally irradiated with radiation of an additional radiation source, the polarization plane of which is orthogonal to the plane polarization of the radiation from the main source, and the coherence length of the radiation exceeds the length of the optical path in the forward and backward directions along the reference th arm of the fiber-optic interferometer, while using polarization multiplexing, the propagation of radiation from an additional source in the sensitive arm is excluded.
Для этого в способе измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра в состав оптико-электронной схемы устройства вводятся дополнительные источник (далее - ИИ2) и приемник (фотоприемное устройство) ФПУ2 оптического излучения, которое физически распространяется только внутри опорного плеча интерферометра, не проходя через чувствительное его плечо. Интерференционный сигнал, образованный отраженным от оптического зеркала (далее - зеркало) в опорном плече интерферометра оптическим излучением от ИИ2, содержит в себе только информацию о виброакустическом воздействии на интерферометр, и интенсивность оптического импульса на ФПУ2 описывается выражением (4).For this, in the method of measuring the phase signal of a two-beam fiber-optic interferometer, an additional source (hereinafter referred to as II2) and a receiver (photodetector) FPU2 of optical radiation are introduced into the composition of the optical-electronic circuit of the device, which physically propagates only inside the reference arm of the interferometer, without passing through the sensitive his shoulder. The interference signal formed by the optical radiation from the II2 reflected from the optical mirror (hereinafter referred to as the mirror) in the reference arm of the interferometer contains only information about the vibroacoustic effect on the interferometer, and the intensity of the optical pulse on the FPU2 is described by expression (4).
Таким образом, влияние шумов окружающей среды и вибрации на точность измерений волоконно-оптической измерительной системы на основе фазовых датчиков может быть скомпенсировано путем вычитания демодулированного фазового сигнала с ФПУ2 из демодулированного фазового сигнала с ФПУ1 в соответствии с выражением (6).Thus, the influence of environmental noise and vibration on the measurement accuracy of a fiber-optic measuring system based on phase sensors can be compensated by subtracting the demodulated phase signal from FPU2 from the demodulated phase signal from FPU1 in accordance with expression (6).
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.The essence of the claimed invention is illustrated as follows.
Оптическое излучение от основного источника оптического излучения (далее - ИИ1) подается на вход волоконно-оптического интерферометра, где разделяется на два сигнала, распространяющихся вдоль его опорного и чувствительного плеч, отражаясь от зеркал на их концах, после чего, проходя через волоконно-оптический поляризатор (далее - поляризатор), настроенный на пропускание излучения с плоскостью поляризации излучения ИИ1, попадает на фото приемное устройство ФПУ1, где формирует интерференционный сигнал в соответствии с выражением (4), обусловленный как разностью фаз, внесенной воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо интерферометра, так и виброакустическим воздействием на его опорное плечо.Optical radiation from the main source of optical radiation (hereinafter referred to as II1) is fed to the input of the fiber-optic interferometer, where it is divided into two signals propagating along its reference and sensitive arms, reflected from the mirrors at their ends, and then passing through the fiber-optic polarizer (hereinafter referred to as the polarizer), tuned to transmit the radiation with the plane of polarization of the II1 radiation, falls on the photo receiving device FPU1, where it forms an interference signal in accordance with expression (4), due to both the phase difference introduced by the effect of the measured value on the sensitive arm of the interferometer, so and vibroacoustic impact on his supporting arm.
Оптическое излучение от ИИ2 поступает на вход вращателя плоскости поляризации, после чего плоскость его поляризации становится ортогональной к плоскости поляризации оптического излучения основного источника ИИ1 и поступает на вход волоконно-оптического интерферометра, где распространяется только по его опорному плечу и отражается от зеркала в его конце, а в чувствительном плече задерживается поляризатором, настроенным на пропускание излучения источника ИИ1; после чего, проходя через поляризатор, настроенный на пропускание излучения с плоскостью поляризации, ортогональной плоскости поляризации излучения ИИ1, попадает на фотоприемное ФПУ2, где формирует интерференционный сигнал в соответствии с выражением (5), обусловленный как разностью фаз, внесенной воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо интерферометра, так и виброакустическим воздействием на его опорное плечо.Optical radiation from II2 enters the input of the rotator of the plane of polarization, after which the plane of its polarization becomes orthogonal to the plane of polarization of optical radiation of the main source of II1 and enters the input of the fiber-optic interferometer, where it propagates only along its reference arm and is reflected from the mirror at its end, and in the sensitive arm it is delayed by a polarizer tuned to transmit the radiation of the II1 source; after which, passing through a polarizer tuned to transmit radiation with a polarization plane orthogonal to the polarization plane of radiation from the IR1, it enters the photodetecting FPU2, where it forms an interference signal in accordance with expression (5), due to both the phase difference introduced by the effect of the measured value on the sensitive shoulder interferometer, and vibroacoustic impact on its support arm.
Для обеспечения возможности образования интерференционного сигнала длина когерентности излучения источника ИИ2 должна быть больше пройденного им оптического пути в прямом и обратном направлении вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра, то есть, удовлетворять условию:To ensure the possibility of the formation of an interference signal, the coherence length of the radiation of the II2 source must be greater than the optical path traveled by it in the forward and backward directions along the reference arm of the fiber-optic interferometer, that is, satisfy the condition:
где 
L - длина оптического пути вдоль опорного плеча волоконно-оптического интерферометра (м).L is the length of the optical path along the reference arm of the fiber-optic interferometer (m).
Это же условие может быть выражено через ширину спектральной линии источника оптического излучения:The same condition can be expressed in terms of the spectral line width of the optical radiation source:
где Δƒ - ширина спектральной линии источника оптического излучения (Гц),where Δƒ is the width of the spectral line of the optical radiation source (Hz),
cm - скорость света в среде распространения (м/с).c m - speed of light in the propagation medium (m / s).
Плоскости поляризации источников оптического излучения ИИ1 и ИИ2 ортогональны за счет применения вращателя плоскости поляризации. Данные оптические сигналы могут быть разделены по виду их поляризации с помощью применения волоконно-оптических поляризаторов, пропускающих оптическое излучение только с нужной плоскостью поляризации. Таким образом, излучения источников ИИ1 и ИИ2 разделяются с применением принципа поляризационного мультиплексирования.The polarization planes of the II1 and II2 optical radiation sources are orthogonal due to the use of a polarization plane rotator. These optical signals can be separated according to the type of their polarization using fiber-optic polarizers, which transmit optical radiation only with the desired polarization plane. Thus, the radiation of sources II1 and II2 are separated using the principle of polarization multiplexing.
Детектируемые интерференционные сигналы с ФПУ1 и ФПУ2 подвергаются демодуляции для получения соответствующих фазовых сигналов.The detected interference signals from FPU1 and FPU2 are demodulated to obtain the corresponding phase signals.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает повышение точности измерения фазового сигнала в измерительных системах на основе волоконно-оптических интерферометров за счет устранения влияния на них акустических и вибрационных шумов окружающей среды путем вычитания фазового сигнала, обусловленного виброакустическим воздействием на интерферометр, из фазового сигнала, обусловленного воздействием измеряемой величины на чувствительное плечо в соответствии с выражением (6).Thus, the inventive method improves the accuracy of measuring the phase signal in measuring systems based on fiber-optic interferometers by eliminating the influence of acoustic and vibrational noises of the environment on them by subtracting the phase signal due to vibroacoustic effect on the interferometer from the phase signal due to the effect of the measured values on the sensitive shoulder in accordance with expression (6).
Заявляемый способ имеет следующие преимущества:The inventive method has the following advantages:
- Распространение дополнительного оптического сигнала только внутри опорного плеча интерферометра позволяет применять его для повышения точности интерференционных измерений, при которых измеряемое и помеховое воздействие являются сигналами одной природы, так как воздействие на чувствительное плечо не оказывает влияния на интерференционный сигнал на ФПУ2.- Propagation of an additional optical signal only inside the reference arm of the interferometer allows it to be used to improve the accuracy of interference measurements, in which the measured and interference effects are signals of the same nature, since the impact on the sensitive arm does not affect the interference signal on FPU2.
- Распространение излучения источников ИИ1 и ИИ2 по физически идентичному оптическому пути внутри опорного плеча волоконно-оптического интерферометра предоставляет возможность повышения точности интерференционных измерений за счет полного устранения влияния виброакустического и теплового воздействия на опорное плечо волоконно-оптического интерферометра.- The propagation of radiation from sources II1 and II2 along a physically identical optical path inside the reference arm of the fiber-optic interferometer makes it possible to increase the accuracy of interference measurements by completely eliminating the influence of vibroacoustic and thermal effects on the reference arm of the fiber-optic interferometer.
- Применение принципа поляризационного мультиплексирования оптических сигналов от ИИ1 и ИИ2 позволяет полностью использовать полосу пропускания оптического волокна для построения массивов измерительных датчиков с мультиплексированием по длине волны. Кроме того, данный принцип мультиплексирования также не накладывает ограничений при применении временного мультиплексирования для построения массивов измерительных датчиков.- Application of the principle of polarization multiplexing of optical signals from II1 and II2 allows full use of the optical fiber bandwidth for constructing arrays of measuring sensors with wavelength multiplexing. In addition, this multiplexing principle also does not impose restrictions when using time multiplexing to build arrays of measurement sensors.
- Заявляемый способ может быть применен не только в составе измерительных систем на основе интерферометра Майкельсона, но также и адаптирован для применения в измерительных системах на основе интерферометров Маха-Цендера, Саньяка, а также при построении систем на основе дифференциальной интерферометрии с согласованными траекториями (path matched differential interferometry - PMDI).- The claimed method can be applied not only as part of measuring systems based on the Michelson interferometer, but also adapted for use in measuring systems based on Mach-Zehnder, Sagnac interferometers, as well as in constructing systems based on differential interferometry with matched trajectories (path matched differential interferometry - PMDI).
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показана структурная схема измерительной системы на основе двухлучевого интерферометра Майкельсона. На чувствительное плечо оказывается воздействие измеряемой величины А, на опорное - виброакустическое воздействие окружающей среды Б.FIG. 1 shows a block diagram of a measuring system based on a two-beam Michelson interferometer. The sensitive shoulder is influenced by the measured value A, the reference one - by the vibroacoustic effect of the environment B.
На фиг. 2 показан результат работы предлагаемого способа - временные диаграммы демодулированных фазовых сигналов с фотоприемников ФПУ1, ФПУ2 и разностного сигнала.FIG. 2 shows the result of the proposed method - timing diagrams of demodulated phase signals from photodetectors FPU1, FPU2 and the difference signal.
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1.The inventive method can be carried out using the device shown in FIG. one.
Устройство содержит источник оптического излучения (лазерный диод) ИИ1 1, источник оптического излучения ИИ2 2, который с помощью волоконно-оптического вывода оптически соединен с вращателем плоскости поляризации 3, который оптически соединен с портом 2 Y-разветвителя 4, а источник излучения ИИ1 1 с помощью волоконно-оптического вывода оптически соединен с портом 1 волоконно-оптического Y-разветвителя 4. Порт 3 Y-разветвителя 4 соединен с портом 1 Х-разветвителя 5. К порту 2 Х-разветвителя 5 присоединено чувствительное плечо 6 волоконно-оптического интерферометра Майкельсона, имеющее в своем составе волоконно-оптический поляризатор 7, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 1, и размещенное на конце чувствительного плеча 6 зеркало 8. К порту 3 Х-разветвителя 5 присоединено, соответственно, опорное плечо 9 волоконно-оптического интерферометра Майкельсона, имеющее на конце зеркало 10. Порт 4 Х-разветвителя 5 соединен с портом 3 Y-разветвителя 11. К порту 2 Y-разветвителя 11 через поляризатор 12, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 1, присоединено фотоприемное устройство ФПУ1 13. К порту 1 Y-разветвителя 11 через поляризатор 14, настроенный на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации источника ИИ2 2, ортогональной плоскости поляризации источника излучения ИИ1 1, присоединено фотоприемное устройство ФПУ2 15. Для осуществления оптических соединений применено оптическое волокно с сохранением поляризации.The device contains an optical radiation source (laser diode)
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Источник оптического излучения ИИ1 1 формирует оптический импульс для опроса чувствительного плеча 6 волоконно-оптического интерферометра. Данный оптический импульс через порты 1, 3 Y-разветвителя 4 и порты 1, 2, 3 Х-разветвителя 5 поступает в чувствительное 6 и опорное 9 плечи волоконно-оптического интерферометра, одновременно распространяется вдоль них, отражается от зеркал 8 и 10, через порты 2, 3, 4 Х-разветвителя 5 и порты 3, 2 Y-разветвителя 11, проходя поляризатор 12, попадает на ФПУ1 13, формируя интерференционный сигнал в соответствии с выражением (4). Источник оптического излучения ИИ2 2 формирует оптический импульс для опроса опорного плеча 9 волоконно-оптического интерферометра. Данный оптический импульс попадает на вращатель плоскости поляризации 3, осуществляющий поворот его плоскости поляризации на 90 градусов относительно плоскости поляризации излучения источника ИИ1 1, и далее через порты 2, 3 Y-разветвителя 4 и порты 1, 3 Х-разветвителя 5 поступает в опорное плечо 9 волоконно-оптического интерферометра, распространяется вдоль него, отражается от зеркала 10, через порты 3, 4 Х-разветвителя 5 и порты 3, 1 Y-разветвителя 11, проходя поляризатор 14, попадает на ФПУ2 15, формируя интерференционный сигнал в соответствии с выражением (5). После детектирования интерференционных сигналов и происходит их демодуляция и вычитание фазовых сигналов в соответствии с выражением (6). Таким образом, снижение точностных параметров выходного сигнала волоконно-оптического интерферометра, обусловленное влиянием виброакустического воздействия на его опорное плечо, может быть устранено, чем решается задача повышения точности интерферометрических измерений.The inventive method is carried out as follows. The source of
Конкретная оптическая схема устройства для осуществления предлагаемого способа, представленного на фиг. 1, реализована следующим образом.. В качестве ИИ1 использован поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL), работающий в импульсном режиме. В качестве ИИ2 использован волоконный лазер NP Photonics ROCK с шириной спектральной линии Δƒ менее 700 Гц, работающий в режиме постоянного излучения. Длина плеч волоконно-оптического интерферометра L составляла 26 метров. В качестве поляризаторов 7 и 12 применялись волоконно-оптические поляризаторы Thorlabs ILP1550PM-APC, пропускающие оптическое излучение с плоскостью поляризации излучения источника ИИ1 и задерживающие излучение с плоскостью поляризации источника ИИ2, ортогональной к плоскости поляризации источника ИИ1. В качестве поляризатора 14 также применялся волоконно-оптический поляризатор Thorlabs ILP1550PM-APC, настройка которого на пропускание оптического излучения с плоскостью поляризации источника ИИ2, ортогональной к плоскости излучения источника ИИ1, осуществлялась путем применения перед ним дополнительного вращателя плоскости поляризации, осуществлявшего поворот плоскости поляризации излучения источника ИИ2 в область пропускания поляризатора 14, а плоскости излучения источника ИИ1 - в область непроспускания (задержки) поляризатора 14. В качестве вращателей плоскости поляризации применялись комбинации участков двулучепреломляющего оптического волокна, оптическое соединение (сварка) осей которых осуществлена с поворотом 90 градусов, что обеспечивает поворот плоскости поляризации распространяющегося по такому участку оптического волокна излучения до состояния, ортогонального к исходному.The specific optical scheme of the device for implementing the proposed method, shown in Fig. 1, is implemented as follows. A vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) operating in a pulsed mode is used as the II1. An NP Photonics ROCK fiber laser with a spectral line width Δƒ of less than 700 Hz, operating in constant radiation mode, was used as an IR2. The length of the arms of the fiber-optic interferometer L was 26 meters. As
Для экспериментальной проверки заявляемого способа на чувствительное и опорное плечо волоконно-оптического интерферометра оказывалось разнотипное импульсное виброакустическое воздействие. На фиг. 2 представлен экспериментальный результат осуществления предлагаемого способа измерения виброакустического воздействия на двулучевой волоконно-оптический интерферометр: приведены временные диаграммы демодулированных фазовых сигналы с ФПУ1 (верхний график) и ФПУ2 (средний график), а также их разностного сигнала (нижний график), вычисленного в соответствии с выражением (6). Импульсное воздействие на чувствительное плечо отмечено цифрой «16», импульсное воздействие на опорное плечо отмечено цифрой «17». Видно, что импульсное воздействие 17 полностью устранено применением заявляемого способа.For experimental verification of the proposed method on the sensitive and support arm of the fiber-optic interferometer, there was a different type of pulsed vibroacoustic effect. FIG. 2 shows the experimental result of the implementation of the proposed method for measuring the vibroacoustic effect on a two-beam fiber-optic interferometer: time diagrams of demodulated phase signals from FPU1 (upper graph) and FPU2 (middle graph), as well as their difference signal (lower graph), calculated in accordance with expression (6). Impulse action on the sensitive shoulder is marked with the number "16", the impulse effect on the supporting shoulder is marked with the number "17". It can be seen that the
Таким образом, предлагаемый способ измерения фазового сигнала двухлучевого волоконно-оптического интерферометра обеспечивает достижение заявляемого технического результата - повышения точности измерения фазового сигнала в одном или нескольких двухлучевых волоконно-оптических интерферометрах за счет устранения фазовых шумов виброакустического воздействия на его опорное плечо.Thus, the proposed method for measuring the phase signal of a two-beam fiber-optic interferometer ensures the achievement of the claimed technical result - increasing the accuracy of measuring the phase signal in one or more two-beam fiber-optic interferometers by eliminating the phase noise of vibroacoustic effect on its support arm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118231A RU2742106C1 (en) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118231A RU2742106C1 (en) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2742106C1 true RU2742106C1 (en) | 2021-02-02 |
Family
ID=74554600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020118231A RU2742106C1 (en) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742106C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8400620B2 (en) * | 2010-06-01 | 2013-03-19 | Luna Innovations Incorporated | Registration of an extended reference for parameter measurement in an optical sensing system |
| US8687199B2 (en) * | 2010-09-07 | 2014-04-01 | Krohne Messtechnik Gmbh | Deflection measuring device according to the interferometer principle |
| US9025160B2 (en) * | 2011-01-28 | 2015-05-05 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Spectral phase analysis for precision ranging |
-
2020
- 2020-05-22 RU RU2020118231A patent/RU2742106C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8400620B2 (en) * | 2010-06-01 | 2013-03-19 | Luna Innovations Incorporated | Registration of an extended reference for parameter measurement in an optical sensing system |
| US8687199B2 (en) * | 2010-09-07 | 2014-04-01 | Krohne Messtechnik Gmbh | Deflection measuring device according to the interferometer principle |
| US9025160B2 (en) * | 2011-01-28 | 2015-05-05 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Spectral phase analysis for precision ranging |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6285446B1 (en) | Distributed sensing system | |
| EP2435796B1 (en) | Optical sensor and method of use | |
| JP2005517948A (en) | Light sensor with appropriate modulation | |
| US7557930B2 (en) | Bessel beam interferometer and measurement method | |
| EP0326475A1 (en) | Multipoint fibre-optical temperature sensor | |
| JP3722533B2 (en) | Distance measuring device | |
| US7515275B2 (en) | Optical apparatus and method for distance measuring | |
| JPH03180704A (en) | Laser interference gauge | |
| EP1324004A2 (en) | Phase noise compensation in an interferometric system | |
| RU2532562C1 (en) | Distributed sensor of acoustic and vibration actions | |
| US4283144A (en) | Method of fiber interferometry zero fringe shift referencing using passive optical couplers | |
| RU2742106C1 (en) | Method of measuring phase signal of double-beam fibre-optic interferometer | |
| US5067815A (en) | Optical sensor with intermodal interferometry | |
| RU2730887C1 (en) | Fiber-optic device for detecting vibration effects with phase recovery with reduced effect of instabilities of the recording interferometer | |
| EP3973256B1 (en) | Fibre-optic acoustic sensor and associated measurement system, vehicle and measurement method | |
| GB2207236A (en) | Sensing temperature or pressure distribution | |
| CN105841720B (en) | Use the optical fiber white light interference (FBG) demodulator of two parallel reflective faces | |
| RU2633020C1 (en) | Fiber-optical sensor of vibro-acoustic signals on dopler intra-light (versions) | |
| AU2015201357B2 (en) | Optical sensor and method of use | |
| RU2824433C1 (en) | Fiber-optic device for recording vibration effects with compensation of wavelength instability based on intrafibrous interferometers | |
| CN110058198A (en) | A kind of Underwater Navigation method based on distributed fiberoptic sensor | |
| JP6141433B2 (en) | Optical fiber sensing optical system and optical fiber sensing system | |
| RU127926U1 (en) | OPTICAL BRILLUIN REFLECTOMETER | |
| JP3491230B2 (en) | Optical interferometer displacement sensor | |
| Gritsenko et al. | Distributed Strain Sensor Based on Double-Wavelength phi-OTDR |