Адресная волокнистая брэгговская структура

Рассмотрены структуры волоконно - Брэгга ( ССАФ ) представляет собой волоконно - брэгговская решетку , то оптическая частотная характеристика которого включает в себя два узкополосных компоненты с частотным интервалом между ними (который является адрес частотой AFBS) , находящимся в (РФ) радиочастотного диапазоне. Частотный интервал (адресная частота) уникален для каждой AFBS в цепи опроса и не изменяется, когда AFBS подвергается деформации или изменению температуры . Адресуемая волоконная брэгговская структура может выполнять тройную функцию в системах волоконно-оптических датчиков : датчик, формирователь двухчастотного зондирующего излучения и мультиплексор . Ключевой особенностью AFBS является то, что он позволяет определять центральную длину волны без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных волоконных решеток Брэгга (FBG), которые проверяются с помощью оптоэлектронных запросчиков. Схема опроса AFBS значительно упрощена по сравнению с обычными опросчиками и состоит из широкополосного оптического источника (такого как суперлюминесцентный диод ), оптического фильтра с заранее заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотоприемника.. Принцип опроса AFBS по сути позволяет включать несколько AFBS с одинаковой центральной длиной волны и разными адресными частотами в единую систему измерения.

Рис. 1. Схема изменения показателя преломления брэгговской структуры волокна с адресацией 2π-ВБР (а), его спектральный отклик (б). λ _B - центральная (брэгговская) длина волны, Ω - адресная частота, S ₁ (λ) - S ₃ (λ) обозначают матрицы переноса, описывающие однородные участки AFBS, S _φ (λ) обозначают матрицу переноса, описывающую фазовые сменный участок ВСП.

История

Концепция адресных волоконных брэгговских структур была введена в 2018 году Айратом Сахабутдиновым ^[1] и разработана в сотрудничестве с его научным руководителем Олегом Морозовым. Идея возникла из более ранних работ Морозова и его коллег ^[2]^[3], где двухчастотное оптическое излучение от электрооптического модулятора использовалось для определения центральной длины волны ВБР на основе амплитудного и фазового анализа сигнал биений на частоте, равной расстоянию между двумя компонентами зондирующего излучения. Это устраняет необходимость в сканировании спектрального отклика ВБР, обеспечивая высокую точность измерений и снижая стоимость системы. ^[1]^[2]AFBS был разработан как дальнейший шаг к упрощению систем опроса FBG путем передачи формирования двухчастотного зондирующего излучения от модулятора источника на сам датчик. ^[1]

Типы AFBS

К настоящему времени представлены два типа AFBS с разными механизмами формирования двухчастотного излучения: 2π-FBG и 2λ-FBG.

2π-ВБР

2π-ВБР - это ВБР с двумя дискретными фазовыми π-сдвигами. ^[4]^[5]^[6] Он состоит из трех последовательных однородных ВБР с промежутками, равными одному периоду решетки между ними (см. Рис. 1). В системе несколько 2π-ВБР должны быть подключены параллельно, чтобы фотоприемник принимал свет, распространяющийся через структуры.

2λ-ВБР

2λ-ВБР состоит из двух идентичных сверхузких ВБР, центральные длины волн которых разделены адресной частотой. ^[7]^[8] Несколько 2λ-ВБР в системе могут быть соединены последовательно, так что фотодетектор принимает свет, отраженный от структур.

Принцип допроса

Рисунок 2: Схема опроса двух адресных волоконных брэгговских структур (типа 2π-ВБР): 1 - широкополосный оптический источник; 2.1 и 2.2 - адресные волоконно-брэгговские структуры; 3 - оптический фильтр с заданной линейной наклонной АЧХ; 4, 7 - фотоприемники; 5, 8 - аналого-цифровые преобразователи; 6, 9 - оптоволоконные разветвители; 10 - волоконно-оптический ответвитель; а - д - оптические спектры.

На рис. 2 представлена блок-схема системы опроса для двух AFBS (типа 2π-FBG) с разными адресными частотами Ω ₁ и Ω ₂ . Широкополосный источник света 1 генерирует непрерывное световое излучение (диаграмма а ), что соответствует ширине полосы измерения. Свет проходит через оптоволоконный соединитель 9 , затем попадает в две AFBS 2.1 и 2.2 . Оба AFBS передают двухчастотные излучения, которые суммируются в комбинированное излучение (диаграмма b ) с помощью другого ответвителя 10 . На выходе ответвителя четырехчастотное излучение (диаграмма в), который отправляется через оптоволоконный разветвитель 6 . Делитель делит оптический сигнал на два канала - измерительный и опорный. В измерительном канале установлен оптический фильтр 3 с заранее заданной линейной наклонной частотной характеристикой, который преобразует амплитуды четырехчастотного излучения в асимметричное излучение (диаграмма d ). После этого сигнал поступает на фотоприемник 4 и принимается измерительным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5 . Сигнал от АЦП используется для определения информации измерения от AFBS. В опорном канале сигнал (диаграмма e) отправляется на опорный фотоприемник 7 для управления выходной оптической мощностью, а затем принимается опорным АЦП 8 . Таким образом достигается нормализация интенсивности выходного сигнала, и все последующие вычисления производятся с использованием соотношений интенсивностей в измерительном и опорном каналах. ^[5]^[6]

Предположим, что отклик от каждого спектрального компонента AFBS представлен одной гармоникой, тогда общий оптический отклик от двух AFBS может быть выражен как: ^[1]^[4]

{\ Displaystyle F (t) = \ left [{\ sum _ {i = 1} ^ {N} A_ {i} \ sin (\ omega _ {i} t) + B_ {i} \ sin ((\ omega _ {i} + \ Omega _ {i}) t)} \ right] ^ {2},}

где A _i , B _i - амплитуды частотных составляющих i-й AFBS; ω _i , - частота левых спектральных составляющих i-го AFBS; Ω _i - адресная частота i-го AFBS.

Световую мощность, получаемую фотоприемником, можно описать следующим выражением:

{\ displaystyle P (t) = \ sum _ {i = 1} ^ {N} \ sum _ {k = 1} ^ {N} \ left ({A_ {i} A_ {k} \ cos ((\ omega _ {i} - \ omega _ {k}) t) + A_ {i} B_ {k} \ cos ((\ omega _ {i} - \ omega _ {k} - \ Omega _ {k}) t) + \ на вершине B_ {i} A_ {k} \ cos ((\ omega _ {i} - \ omega _ {k} + \ Omega _ {i}) t) + B_ {i} B_ {k} \ cos ( (\ omega _ {i} - \ omega _ {k} + \ Omega _ {i} - \ Omega _ {k}) t)} \ right).}

Путем узкополосной настройки сигнала P ( t ) на адресных частотах может быть получена система уравнений, с помощью которых можно определить центральные частоты AFBS:

\sum _{i=1}^{N}\sum _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+A_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+ \atop B_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+B_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)}\right)=D_{j},j={\overline {1,N}},

где D _j - амплитуда сигнала на адресных частотах Ω _j , а экспоненциальные множители описывают полосовые фильтры на адресных частотах.

Смотрите также

использованная литература

^ ^a ^b c d Сахабутдинов А.Ю. Системы микроволновых фотонных датчиков на основе адресных волоконных брэгговских структур и их применение для решения практических задач. D.Sc. Тезис. Казань: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ, 2018.
^ a b Морозов О.Г. Симметричная двухчастотная рефлектометрия для мониторинга природных и искусственных сред. D.Sc. Тезис. Казань, 2004. 333 с. (на русском)
↑ Ильин, Г.И.; Морозов, О.Г. Одночастотное когерентное излучение в методе двухчастотного преобразования. Патент RU № A 1338647 SU 4 G02F 1/03. Запрос 13.04.83; Опубликовано 20.04.2004.
^ а б Морозов О.Г .; Сахабутдинов, AJ (август 2019 г.). «Адресные волоконно-брэгговские структуры в квазираспределенных микроволново-фотонных сенсорных системах» (PDF) . Компьютерная оптика . 43 (4): 535–543. Bibcode : 2019CoOpt..43..535M . DOI : 10.18287 / 2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN 2412-6179 .
^ а б Аглиуллин Т.А. Губайдуллин Р.Р .; Морозов, О.Г .; Ж. Сахабутдинов, А .; Иванов, В. (март 2019). «Система измерения деформации шин на основе адресных структур FBG» . 2019 Системы генерации и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE: 1–5. DOI : 10,1109 / SOSG.2019.8706815 . ISBN 978-1-7281-0606-9.
^ а б Сахабутдинов, А. Ж .; Морозов, О.Г .; Аглиуллин Т.А. Губайдуллин Р.Р .; Иванов, В. (март 2020 г.). "Моделирование спектрального отклика адресных структур FBG в подшипниках, чувствительных к нагрузке" . 2020 Системы генерации и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE: 1–4. DOI : 10.1109 / IEEECONF48371.2020.9078659 . ISBN 978-1-7281-4772-7.
^ Губайдуллин, Р.Р .; Сахабутдинов, А. Ж .; Аглиуллин Т.А. Морозов, О.Г .; Иванов, В. (июль 2019). «Применение адресных волоконных структур Брэгга для измерения деформации шин» . 2019 Системы синхронизации, генерации и обработки сигналов в телекоммуникациях (SYNCHROINFO) . Россия: IEEE: 1–7. DOI : 10,1109 / SYNCHROINFO.2019.8813908 . ISBN 978-1-7281-3238-9.
^ Морозов, О.Г .; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, II; Мисбахов, Р. Ш. (ноябрь 2019 г.). «Технологии моделирования и записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух идентичных ультратонких решеток с разными центральными длинами волн» . Журнал физики: Серия конференций . 1368 (2): 022049. Bibcode : 2019JPhCS1368b2049M . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 1368/2/022049 . ISSN 1742-6588 .

внешние ссылки

[:0-1] Сахабутдинов А.Ю. Системы микроволновых фотонных датчиков на основе адресных волоконных брэгговских структур и их применение для решения практических задач. D.Sc. Тезис. Казань: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ, 2018.

[:1-2] Морозов О.Г. Симметричная двухчастотная рефлектометрия для мониторинга природных и искусственных сред. D.Sc. Тезис. Казань, 2004. 333 с. (на русском)

[3] Ильин, Г.И.; Морозов, О.Г. Одночастотное когерентное излучение в методе двухчастотного преобразования. Патент RU № A 1338647 SU 4 G02F 1/03. Запрос 13.04.83; Опубликовано 20.04.2004.

[:4-4] а б Морозов О.Г .; Сахабутдинов, AJ (август 2019 г.). «Адресные волоконно-брэгговские структуры в квазираспределенных микроволново-фотонных сенсорных системах» (PDF) . Компьютерная оптика . 43 (4): 535–543. Bibcode : 2019CoOpt..43..535M . DOI : 10.18287 / 2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN 2412-6179 .

[:2-5] а б Аглиуллин Т.А. Губайдуллин Р.Р .; Морозов, О.Г .; Ж. Сахабутдинов, А .; Иванов, В. (март 2019). «Система измерения деформации шин на основе адресных структур FBG» . 2019 Системы генерации и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE: 1–5. DOI : 10,1109 / SOSG.2019.8706815 . ISBN 978-1-7281-0606-9.

[:3-6] а б Сахабутдинов, А. Ж .; Морозов, О.Г .; Аглиуллин Т.А. Губайдуллин Р.Р .; Иванов, В. (март 2020 г.). "Моделирование спектрального отклика адресных структур FBG в подшипниках, чувствительных к нагрузке" . 2020 Системы генерации и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE: 1–4. DOI : 10.1109 / IEEECONF48371.2020.9078659 . ISBN 978-1-7281-4772-7.

[7] Губайдуллин, Р.Р .; Сахабутдинов, А. Ж .; Аглиуллин Т.А. Морозов, О.Г .; Иванов, В. (июль 2019). «Применение адресных волоконных структур Брэгга для измерения деформации шин» . 2019 Системы синхронизации, генерации и обработки сигналов в телекоммуникациях (SYNCHROINFO) . Россия: IEEE: 1–7. DOI : 10,1109 / SYNCHROINFO.2019.8813908 . ISBN 978-1-7281-3238-9.

[8] Морозов, О.Г .; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, II; Мисбахов, Р. Ш. (ноябрь 2019 г.). «Технологии моделирования и записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух идентичных ультратонких решеток с разными центральными длинами волн» . Журнал физики: Серия конференций . 1368 (2): 022049. Bibcode : 2019JPhCS1368b2049M . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 1368/2/022049 . ISSN 1742-6588 .

[1]