СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК, ЗАПИСАННЫХ В ЕДИНОМ ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ

Изобретение относится к измерениям, а именно к области мониторинга деформационных и термических процессов с использованием контрольно-измерительных систем на основе волоконных брэгговских решеток.

В настоящее время волоконно-оптические датчики (ВОД) являются магистральным направлением развития метрологии. Это обусловлено целым рядом их принципиальных преимуществ по отношению к традиционным измерительным устройствам: полная невосприимчивость к электромагнитным помехам, чувствительность к широкому кругу физических величин, химическая устойчивость, долговечность, простота сопряжения с высокоскоростными и помехозащищенными волоконно-оптическими линиями связи, а также возможность мультиплексирования и объединения большого количества датчиков в распределенные информационно-измерительные системы. Как известно, лидирующее положение среди волоконно-оптических датчиков занимают измерительные преобразователи на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [1-4]. Датчики данного типа наиболее широко применяются для измерения температуры и механических напряжений в области мониторинга состояния техногенных объектов ответственного назначения, таких как мосты, тоннели, здания, башни, плотины, дамбы, морские нефтедобывающие платформы, корабли, самолеты, космические аппараты и пр. [3].

Известно «Комбинированное спектрально-временное детектирование сигналов от волоконных брэгговских решеток с применением метода оптической временной рефлектометрии» [5]. В основу способа положена спектральная фильтрация зондирующих импульсов, генерируемых волоконно-оптическим рефлектометром, с помощью полосового фильтра, образованного волоконным циркулятором и ВБР. Опрашиваемые брэгговские решетки записываются на волоконной линии группами с одинаковыми резонансными длинами волн внутри группы и различными - для разных групп. При этом разделение сигналов от ВБР, имеющих различные резонансные длины волн, достигается перестройкой полосы пропускания фильтра, а разделение сигналов от ВБР с одинаковой длиной волны осуществляется путем временного разделения откликов брэгговских решеток на зондирующий импульс. Пороговая чувствительность метода при регистрации относительного удлинения ВБР составила 0,5×10^-4 при диапазоне измерений 2×10^-3. Указанный способ опроса брэгговских датчиков основан на временном, а также совмещенном спектрально-временном разделении измерительных каналов [5, 6].

Основным недостатком указанного способа явилась зависимость результатов измерений от мощности зондирующих импульсов, используемых для детектирования резонансной длины волны опрашиваемых ВБР, что приводит к подверженности измерительной системы амплитудным помехам вследствие флуктуации мощности источника излучения, потерь интенсивности направляемого излучения в подводящих световодах и пр.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе ВБР, записанных в едином волоконном световоде, который позволит обеспечить устойчивость измерительной системы к амплитудным помехам, а также значительно увеличить диапазон измерений.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, включающем формирование оптическим временным рефлектометром зондирующего импульса и распространение этого импульса по волоконным линиям, содержащим ВБР, последующее формирование отраженных оптических импульсов в спектральной полосе, соответствующей спектру отражения волоконных брэгговских решеток, при прохождении через них оптических импульсов, прохождение зондирующего и отраженных от ВБР оптических импульсов через волоконный циркулятор, регистрацию отраженных оптических импульсов с помощью рефлектометра в виде пиков отражения на рефлектограмме, определение по амплитуде пиков отражения резонансной длины волны опрашиваемых волоконных брэгговских решеток, которая прямо пропорциональна их относительному удлинению и температуре, предварительно волоконные брэгговские решетки записывают в единый волоконный световод с пространственным интервалом до 10 м группами с одинаковой исходной резонансной длиной волны внутри группы, а последовательность отраженных импульсов, формирующихся при прохождении зондирующего импульса через световод с опрашиваемыми ВБР, через циркулятор поступает в волоконный световод с двумя перестраиваемыми опорными ВБР, резонансные длины волн которых предварительно настраиваются таким образом, чтобы исходная резонансная длина волны опрашиваемых ВБР первой группы находилась точно между ними, при этом при прохождении каждого из отраженных от опрашиваемых брэгговских решеток оптических импульсов через опорные ВБР формируются два отраженных импульса, которые через циркулятор поступают в рефлектометр и отображаются на рефлектограмме, после чего по разнице амплитуд этих двух пиков отражения определяется резонансная длина волны каждой из опрашиваемых ВБР первой группы, а для регистрации сигналов второй и последующих групп опрашиваемых ВБР опорные брэгговские решетки перестраиваются, чтобы исходные резонансные длины волны опрашиваемых ВБР находились точно между резонансными длинами волн опорных брэгговских решеток.

Совокупность существенных признаков заявленного способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков способа стало возможным решить поставленную техническую задачу.

На основании изложенного можно заключить, что заявленный способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. он явным образом не следует из уровня техники и пригоден для промышленного применения.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде; на фиг.2 - схематическое изображение спектра исходного зондирующего импульса; на фиг.3 - отражение зондирующего импульса от опрашиваемой ВБР; на фиг.4 - формирование дифференциального оптического сигнала; на фиг.5 - схематическое изображение рефлектограммы при настройке опорных ВБР на группу опрашиваемых брэгговских решеток с резонансной длиной волны λ₁ и λ₂ (фиг.1); фиг.6 - результаты расчета зависимости P_R1(Δλ)/P_R2(Δλ) для одной из опрашиваемых ВБР; фиг.7 - зависимость регистрируемого сигнала от относительного удлинения опрашиваемой ВБР.

На чертежах приняты обозначения: 1 - оптический временный рефлектометр, 2 - волоконный циркулятор, 3 - опрашиваемые ВБР, 4 - перестраиваемые опорные ВБР, 5 - спектр зондирующего импульса, 6 - спектр отражения ВБР, 7, 8 - спектры отражения опорных ВБР, 9 - спектр зондирующего импульса после отражения от опрашиваемой ВБР.

Реализация заявленного способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, осуществляется следующим образом.

Зондирующие импульсы, генерируемые стандартным оптическим временным рефлектометром 1 (фиг.1), через волоконный циркулятор 2 поступают в линию с опрашиваемыми ВБР, которые записаны с пространственным интервалом до 10 м группами с одинаковой резонансной длиной волны для каждой группы. Когда зондирующий импульс достигает первой из опрашиваемых ВБР 3, формируется отраженный оптический сигнал в спектральной полосе, соответствующей спектру отражения брэгговской решетки (фиг.2), который через циркулятор 2 поступает в линию с двумя перестраиваемыми опорными ВБР 4. Резонансные длины волн (РДВ) опорных ВБР λ₀₁ и λ₀₂ предварительно настраиваются таким образом, чтобы исходная резонансная длина волны опрашиваемых ВБР первой группы λ₁ находилась точно между ними: |λ₀₁-λ₁|=|λ₀₂-λ₁| (фиг.4). При этом спектральный промежуток между РДВ опорных ВБР выбирается равным диапазону возможных изменений резонансной длины волны опрашиваемых ВБР вследствие регистрируемых механических напряжений и/или температуры. Поскольку опорные брэгговские решетки 4 записываются с пространственным интервалом до 10 м, они формируют два отраженных оптических импульса, мощность которых определяется интегралом перекрытия между спектром зондирующего импульса, отраженного от опрашиваемой ВБР S(λ, Δλ), и спектром отражения соответствующей опорной ВБР R₁(λ) или R₂(λ):

где Δλ=2n_effΛ_mod(α₁ε+α₂ΔT) - сдвиг резонансной длины волны брэгговской решетки в зависимости от температуры (7) и механического напряжения (ε), α₁, α₂ - коэффициенты, определяемые свойствами материала ВС, n_eff - эффективный показатель преломления волоконного световода, Λ_mod - глубина модуляции показателя преломления в ВБР.

Далее указанные оптические импульсы через волоконный циркулятор 2 поступают на оптический рефлектометр 1, где отображаются на рефлектограмме в виде двух пиков отражения, амплитуда которых пропорциональна P_R1 и P_R2 и изменяется в соответствии с Δλ. Если опрашиваемая ВБР 3 не подвергается механическому напряжению или изменению температуры, то Δλ=0 и P_R1=P_R2; если Δλ<0, то P_R1 увеличивается, P_R2 - уменьшается; при Δλ>0 имеет место обратная ситуация (фиг.5).

Через некоторую временную задержку, определяемую расстоянием между опрашиваемыми ВБР 3, на опорные брэгговские решетки 4 поступает оптический импульс, отраженный от второй опрашиваемой ВБР в группе, и на рефлектограмме формируются еще два пика отражения и т.д. В общей сложности на рефлектограмме будет отображено 2N пиков, где N - количество опрашиваемых ВБР в группе. Чтобы опросить следующую группу ВБР с исходной РДВ λ₂ опорные брэгговские решетки перестраиваются так, чтобы |λ₀₁-λ₂|=|λ₀₂-λ₂|, при этом полученная рефлектограмма будет содержать пики отражения, соответствующие ВБР во второй группе (фиг.5).

Для реализации способа регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе ВБР требуется выполнение следующих условий [6, 7]:

- для устранения осцилляции мощности отраженного оптического сигнала вследствие многомодовой структуры спектра зондирующих импульсов необходимо, чтобы Λ≥λ₀, где Λ - полуширина спектра отражения ВБР, λ₀ - промежуток между соседними продольными модами в спектре зондирующих импульсов;

- для исключения возможности насыщения высокочувствительного фотоприемника рефлектометра требуется, чтобы коэффициент отражения опрашиваемых ВБР на резонансной длине волны не превышал 2-3%.

На фиг.6 приведены результаты расчета зависимости P_R1(Δλ)/P_R2(Δλ) для одной из опрашиваемых ВБР. Учитывая, что для рефлектометра λ₀~0.7 нм, спектры отражения ВБР были аппроксимированы гауссовыми функциями с полушириной 1 нм (фиг.6, а). Также в расчетах использовались следующие параметры: λ₁=1556,5 нм, λ₀₁=1555 нм, λ₀₂=1558 нм. Зависимости P_R1(Δλ)/P_R2(Δλ) и P_R2(Δλ)/P_R1(Δλ), рассчитанные в логарифмических единицах на основе выражений (1) и (2), приведены на фиг.6, b. Как видно из чертежа, они имеют линейный характер.

Таким образом, измеряя отношение P_R1/P_R2 с помощью рефлектометра, становится возможным определить Δλ, следовательно, механическое напряжение и температуру опрашиваемых ВБР. При этом, поскольку P_R1/P_R2 не зависит от мощности зондирующих импульсов, обеспечивается полная невосприимчивость измерительной системы к неконтролируемым амплитудным помехам вследствие флуктуации мощности источника излучения, потерь мощности направляемого излучения в подводящих световодах и пр.

При практической реализации способа в качестве опрашиваемых ВБР использовались две брэгговские решетки (λ₁=1552,8 нм, λ₂=1556,7 нм) с коэффициентами отражения на резонансной длине волны ~3%. В качестве опорных применялись две ВБР с коэффициентом отражения ~30%, которые настраивались на λ₀₁=1551,3 нм и λ₀₂=1554,3 нм для регистрации сигнала от первой опрашиваемой ВБР и на λ₀₁=1555,2 нм и λ₀₂=1558,2 - для регистрации сигнала от второй. Опрашиваемые ВБР подвергались калиброванной деформации с шагом 0,1·10^-3, при этом измерялась разница амплитуд соответствующих пиков отражения (P_R1/P_R2) на рефлектограмме, полученной при помощи рефлектометра ANDO AQ7250. Как видно из фиг.7, зависимость регистрируемого сигнала от относительного удлинения опрашиваемой ВБР носит линейный характер, что подтверждает сделанные ранее выводы. При регистрации относительного удлинения опрашиваемых ВБР достигнута пороговая чувствительность ~50·10^-6.

С учетом возможности организации до 10 спектральных каналов по 3 нм (что соответствует диапазону измеряемых величин ~300°C по температуре и ~3·10^-3 по относительному удлинению) в пределах спектра зондирующих импульсов с центром в районе 1550 нм и шириной ~35 нм, а также того, что опрашиваемые ВБР обладают чрезвычайно низким коэффициентом отражения, максимальное количество ВБР, мультиплексируемых в рамках предложенного подхода, оценивается в несколько сотен и более, что значительно превышает требования большинства практических приложений.

Таким образом, разработан и исследован способ регистрации сигналов измерительных преобразователей на основе волоконных брэгговских решеток, записанных в едином волоконном световоде, с комбинированным спектрально-временным разделением измерительных каналов. Пороговая чувствительность способа при регистрации относительного удлинения ВБР составила 0,5·10^-4, при диапазоне измерений 4·10^-3, максимальное количество опрашиваемых брэгговских решеток - несколько сотен и более.

Благодаря простоте и возможности использования стандартного и широкодоступного рефлектометрического оборудования разработанный способ может найти широкое применение в области мониторинга деформационных и термических процессов с использованием контрольно-измерительных систем на основе волоконных брэгговских решеток.

Источники, принятые во внимание

1. Y.J. Rao Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors // Optics and Lasers in Engineering. - v.31. - 1999. - P.297-324.

2. Alan D. Kersey et al. Fiber Grating Sensors // Journal of lightwave technology. - vol. 15. - No. 8. - P.1442-1463. - 1997.

3. Jinping Ou Some recent advances of intelligent health monitoring systems for civil infrastructures in HIT // Proc. SPIE. - 2004. - V.5851. - P.147.

4. S.A.Vasiljev, O.I.Medvedkov, I.G.Korolev, A.S.Bozhkov, A.S.Kurkov, E.M.Dianov // Quantum Electronics. - 2005. - 35. - 12. - p.1085-1103.

5. Yu. N. Kulchin, O.B.Vitrik, A.V.Dyshlyuk, A.M.Shalagin, S.A.Babin, I.S.Shelemba, A.A.Vlasov // Laser Physics. - 2008. - Vol.18. - No.11. - pp.1301

6. Yu. N. Kulchin, O.В.Vitrik, A.V.Dyshlyuk, A.M.Shalagin, S.A.Babin, A.A.Vlasov, // LaserPhysics. - Vol.17. - No.11. - pp.1335-1339. - 2007.