03.08.2019
219.017.bcb7

Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области оптических способов измерения физических величин с использованием фазовых оптических датчиков (интерферометров), в том числе для измерения механических и акустических колебаний, а также линий сбора данных на их основе. Заявленный способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика включает дополнительную модуляцию разности фаз в фазовом оптическом датчике пилообразным сигналом, преобразование сигнала фазового оптического датчика осуществляют с частотой в четыре раза больше частоты модуляции разности фаз в фазовом оптическом датчике, формируют тройки и четверки отсчетов из отсчетов сигнала фазового оптического датчика каждого периода дополнительной модуляции разности фаз, после чего вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам: где: ϕ – искомая разность фаз, где: u, u, u – значения отсчетов в тройке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ=0, ϕ=β и ϕ=2β, β=ϕ/4 – приращение разности фаз между соседними отсчетами под действием дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, ϕ – амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, ϕ< 4π. Причем для получения точных значений искомой разности фаз в случае отклонения реальной амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз от заданного значения приращение разности фаз между соседними отсчетами вычисляется с использованием четверки отсчетов по формуле где: u, u, u, u – значения отсчетов сигнала фазового оптического датчика в четверке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ=0, ϕ=β, ϕ=2β и ϕ=3β. Для поддержания оптимального значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ, равного 2π, используется сигнал ошибки, вычисляемый по формуле S=ϕ-2π, где: S – сигнал ошибки, подаваемый на схему регулировки амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, ϕ - амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, вычисляемая по формуле ϕ=4β, где β – значение приращения разности фаз между соседними отсчетами под действием дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, вычисленное с использованием четверки отсчетов по приведенной выше формуле. Технический результат - устранение ошибок, возникающих при демодуляции сигнала фазового оптического датчика в случае отклонения амплитуды модуляции от заданного значения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области оптических способов измерения физических величин с использованием фазовых оптических датчиков (интерферометров), в том числе для измерения механических и акустических колебаний, а также линий сбора данных на их основе.

Известно «Опросное устройство для волоконно-оптических линий с использованием двух склонов» [Патент US № 6778720]. Способ демодуляции сигнала, используемый в данном устройстве, включает вспомогательную модуляцию разности фаз световых волн в интерферометрах гармоническим сигналом, преобразование выходного сигнала фотоприемника, установленного на выходе линии, в последовательность цифровых отсчетов, выбор по пять отсчетов на каждом из двух склонов периодической зависимости сигнала от времени, вычисление по части выбранных отсчетов искомой разности фаз световых волн в интерферометре, вычисление амплитуды вспомогательной модуляции по остальным отсчетам и ее последующую регулировку. Недостатками данного способа являются сложность его реализации, использование в каждом цикле вычислений не менее десяти отсчетов сигнала, необходимость точного поддержания амплитуды вспомогательной модуляции и одинаковости разности плеч всех интерферометров, входящих в линию.

Известен «Четырехступенчатый дискретный способ демодуляции фазовых сдвигов для линий из волоконно-оптических датчиков» [Патент US № 6122057]. Способ включает вспомогательную фазовую модуляцию интерферометра гармоническим сигналом, формирование четырех сигналов, являющихся интегралами выходного сигнала фотоприемника в течение разных промежутков времени, преобразование интегральных сигналов в последовательности цифровых отсчетов, вычисление искомой разности фаз световых волн в интерферометре. Недостатками данного способа являются сложность его реализации, необходимость формирования четырех интегральных сигналов, дополнительного вычисления поправочного коэффициента для корректировки вычисленных значений разности фаз.

Известен «Способ и устройство демодуляции выходных сигналов интерферометра повышенной точности» [Патент US № 6556509]. Способ демодуляции включает модуляцию разности фаз световых волн в интерферометре по гармоническому закону с амплитудой, преобразование периодического сигнала, получаемого с фотоприемника, установленного на выходе интерферометра, (период сигнала равен периоду вспомогательной модуляции) в поток цифровых отсчетов с получением двенадцати отсчетов в течение каждого периода. Отсчеты регистрируются через равные промежутки времени, частота дискретизации в двенадцать раз выше частоты модуляции. Выбор в течение каждого периода сигнала шести отсчетов из двенадцати и вычисление по этим шести отсчетам значения искомой разности фаз один раз за период с использованием формул, полученных для амплитуды модуляции. После чего осуществляют вычисление по оставшимся шести отсчетам амплитуды модуляции, проверка равенства амплитуды значению радиан и корректировка амплитуды. Недостатками способа являются сложность расчетов, сложность реализации способа, необходимость точного поддержания амплитуды вспомогательной гармонической модуляции, равной π радиан, требование равенства разностей плеч всех интерферометров при использовании способа для демодуляции сигналов в линии из нескольких интерферометров.

Известен «Способ демодуляции сигнала волоконного интерферометра», выбранный за прототип [Патент РФ № 2470477]. Способ демодуляции сигнала волоконного интерферометра может быть использован в фазовых оптических датчиках и включает в себя модуляцию разности фаз в фазового оптического датчика гармоническим сигналом, преобразование полученного периодического сигнала фазового оптического датчика в последовательность цифровых отсчетов с частотой, в три раза превышающей частоту дополнительной модуляции разности фаз, формирование троек отсчетов из всех трех отсчетов каждого периода сигнала фазового оптического датчика, после чего вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам:

где:

ϕc – искомая разность фаз, значения переменных a и b вычисляют по полученным значения отсчетов в тройке u(0), u(1), u(2), а также заданным значениям амплитуды модулирующего сигнала δϕm и фазовой задержки первого отсчета относительно начала периода модуляции θ0.

Недостатком прототипа является необходимость точного поддержания заданной амплитуды вспомогательной гармонической модуляции разности фаз и задержки первого отсчета относительно начала периода модуляции и появление значительных ошибок в результате демодуляции при отклонении амплитуды вспомогательной модуляции от заданного значения.

Задачей заявляемого способа демодуляции является устранение ошибок, возникающих при демодуляции сигнала фазового оптического датчика в случае отклонения амплитуды модуляции от заданного значения.

Для решения поставленной задачи предложено два варианта способа демодуляции сигнала фазового оптического датчика.

Первый вариант способа демодуляции сигнала фазового оптического датчика включает дополнительную модуляцию разности фаз в фазовом оптическом датчике пилообразным сигналом, преобразование сигнала фазового оптического датчика осуществляют с частотой в четыре раза больше частоты модуляции разности фаз в фазовом оптическом датчике, формируют тройки и четверки отсчетов из отсчетов сигнала фазового оптического датчика каждого периода дополнительной модуляции разности фаз, после чего вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам:

где:

ϕc – искомая разность фаз,

,

,

где: u(0), u(1), u(2) – значения отсчетов в тройке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ(0)=0, ϕ(1)=β и ϕ(2)=2β,

β=ϕm/4 – приращение разности фаз между соседними отсчетами под действием дополнительной пилообразной модуляции разности фаз,

ϕm – амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, ϕm < 4π,

причем для получения точных значений искомой разности фаз в случае отклонения реальной амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз от заданного значения приращение разности фаз между соседними отсчетами вычисляется с использованием четверки отсчетов по формуле

β,

где: u(0), u(1), u(2), u(3) – значения отсчетов сигнала фазового оптического датчика в четверке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ(0)=0, ϕ(1)=β, ϕ(2)=2β и ϕ(3)=3β.

Второй вариант способа демодуляции сигнала фазового оптического датчика включает дополнительную модуляцию разности фаз в фазовом оптическом датчике пилообразным сигналом, преобразование сигнала фазового оптического датчика осуществляют с частотой в четыре раза больше частоты модуляции разности фаз в фазовом оптическом датчике, формируют тройки и четверки отсчетов из отсчетов сигнала фазового оптического датчика каждого периода дополнительной модуляции разности фаз, после чего вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам:

где:

ϕc – искомая разность фаз,

,

,

где: u(0), u(1), u(2) – значения отсчетов сигнала фазового оптического датчика в тройке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ(0)=0, ϕ(1)=β и ϕ(2)=2β,

β=ϕm/4 – приращение разности фаз между соседними отсчетами под действием дополнительной пилообразной модуляции разности фаз,

ϕm – амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, ϕm < 4π,

причем для получения точных значений искомой разности фаз в случае отклонения реальной амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз от заданного значения приращение разности фаз между соседними отсчетами вычисляется с использованием четверки отсчетов по формуле

β,

где: u(0), u(1), u(2), u(3) – значения отсчетов сигнала фазового оптического датчика в четверке, измеренные при значениях дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ(0)=0, ϕ(1)=β, ϕ(2)=2β и ϕ(3)=3β,

а для поддержания оптимального значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm, равного 2π, используется сигнал ошибки, вычисляемый по формуле

S=ϕm-2π,

где:

S – сигнал ошибки, подаваемый на схему регулировки амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз,

ϕm - амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, вычисляемая по формуле

ϕm=4β,

где β – значение приращения разности фаз между соседними отсчетами под действием дополнительной пилообразной модуляции разности фаз, вычисленное с использованием четверки отсчетов по приведенной выше формуле.

Для демонстрации положительного эффекта, достигаемого при применении описанного способа демодуляции сигнала фазового оптического датчика, было проведено численное моделирование для набора значений искомой разности фаз ϕс, в качестве которого были выбраны 18 значений, равномерно распределенных в диапазоне [-180°; +180°], т.е. значения от -180° до +160° с шагом 20°. Моделирование проводилось при трех значениях амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm: при оптимальном значении, равном 2π, а также при отличающихся от 2π на -10% и на +10%.

Для каждого значения искомой разности фаз ϕс при выбранных значениях амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm рассчитывались четыре отсчета сигнала фазового оптического датчика в течение одного периода дополнительной пилообразной модуляции разности фаз {u(0), u(1), u(2) , u(3)} по формулам:

u(0) = 1+cos(ϕc),

u(1) = 1+cos(ϕcm/4),

u(2) = 1+cos(ϕcm/2),

u(3) = 1+cos(ϕc+3ϕm/4),

где:

ϕc – искомая разность фаз,

ϕm – амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз.

В данных формулах предполагается, что амплитуда сигнала фазового оптического датчика равна 1, однако такой выбор не уменьшает общности полученных результатов, так как значение амплитуды не влияет на результат вычисления значения искомой разности фаз.

Далее для каждого набора отсчетов {u(0), u(1), u(2), u(3)} сигнала фазового оптического датчика по первой тройке значений u(0), u(1) и u(2) вычислялись значения искомой разности фаз ϕ'с по приведенным в описании способа формулам. В обозначении ϕ'с штрих используется для того, чтобы различать исходно заданные значения искомой разности фаз ϕc и значения, полученные в результате вычисления ϕ'с. Затем по всем четырем значениям u(0), u(1), u(2) и u(3) вычислялось значение β по формуле

β

и реальная амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ'm=4β. Здесь штрих также используется для различения исходно заданного значения ϕm и значения ϕ'm, получаемого в результате вычислений.

Численное моделирование проводились для трех значений амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз: ϕm1=6,28°радиан (значение, близкое к заданному оптимальному значению 2π), ϕm2=6,92°радиан (значение, превышающее 2π на 10%) и ϕm3=5,66°радиан (значение, меньшее 2π на 10%).

В ходе моделирования были проведены вычисления для 18-ти значений искомой разности фаз ϕc для трех значений амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm1, ϕm2 и ϕm3. Во всех случаях рассчитанные значения искомой разности фаз ϕ'с оказались равными исходным ϕc. Разность ϕ'с–ϕс не превышала 1,3∙10–14, что определяется погрешностью, вызванной ограниченной при вычислениях разрядностью. Данные результаты подтверждают правильность вычисления искомой разности фаз по приведенным в описании первого и второго вариантов способа формулам в случае отклонения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз от заданного оптимального значения.

Вычисленные при моделировании при трех значениях амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm и 18-ти значений искомой разности фаз ϕc значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕ'm1, ϕ'm2, ϕ'm3 отличались от соответствующих исходных значений ϕm1, ϕm2 или ϕm3 в пределах погрешности вычислений. Разности ϕ'm1–ϕm1, ϕ'm2–ϕm2, ϕ'm3–ϕm3 не превышали 7,2∙10–14, что определяется погрешностью, вызванной ограниченной при вычислениях разрядностью. Данные результаты подтверждают правильность работы второго варианта способа при вычислении амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз и сигнала ошибки, подаваемого на схему регулировки амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз с целью поддержания заданного оптимального значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm, равного 2π.

Далее было проведено вычисление ошибок, возникающих при отклонении фактической амплитуды модуляции от заданной без использования предлагаемого способа демодуляции сигнала волоконного интерферометра. Для этого при вычислении отсчетов, моделирующих отсчеты реального сигнала фазового оптического датчика {u(0), u(1), u(2), u(3)} при отклонении амплитуды модуляции от заданной, использовались измененные на +10% и -10% значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности фаз ϕm2 или ϕm3, а при вычислении искомого значения разности фаз ϕ'c использовалось заданное оптимальное значение ϕm1, равное 2π. В этом случае отклонение рассчитанных значений искомой разности фаз ϕ'c от заданных значений ϕc достигало 14°. Результаты вычислений для этого случая приведены в таблице на с. 10.

Таким образом, результаты численного моделирования использования первого и второго вариантов способа демодуляции сигнала фазового оптического датчика демонстрируют увеличение точности вычисления искомой разности фаз в случае, когда амплитуда дополнительной пилообразной модуляции разности фаз отклоняется от заданного оптимального значения, а также правильность вычисления сигнала ошибки по формуле, приведенной в описании второго варианта способа, который может быть использован для поддержания оптимального значения амплитуды дополнительной пилообразной модуляции разности.

Таблица

ϕc, градусы Амплитуда +10%:
вычисление отсчетов с использованием значений ϕm2=1.1ϕm1,
вычисление ϕ'c с использованием ϕm1.
Амплитуда -10%:
вычисление отсчетов с использованием значений ϕm3=0.9ϕm1,
вычисление ϕ'c с использованием ϕm1.
ϕ'c,
градусы
ϕ'c – ϕc,
градусы
ϕ'c,
градусы
ϕ'c – ϕc,
градусы
1 -180 -169.277 10.723 -187.663 -7.663
2 -160 -146.762 13.238 -170.519 -10.519
3 -140 -126.348 13.652 -152.767 -12.767
4 -120 -107.949 12.051 -133.404 -13.404
5 -100 -90.702 9.298 -111.893 -11.893
6 -80 -73.506 6.494 -88.782 -8.782
7 -60 -55.248 4.752 -65.769 -5.769
8 -40 -35.031 4.969 -44.471 -4.471
9 -20 -12.672 7.328 -25.305 -5.305
10 0 10.723 10.723 -7.663 -7.663
11 20 33.238 13.238 9.481 -10.519
12 40 53.652 13.652 27.233 -12.767
13 60 72.051 12.051 46.596 -13.404
14 80 89.298 9.298 68.107 -11.893
15 100 106.494 6.494 91.218 -8.782
16 120 124.752 4.752 114.231 -5.769
17 140 144.969 4.969 135.529 -4.471
18 160 167.328 7.328 154.695 -5.305


Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 106.
10.08.2015
№216.013.69b2

Способ обработки бинарных сигналов данных, принимаемых на фоне шумов

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в любых информационных системах. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости, пропускной способности и качества информационной продукции. Для этого способ обработки бинарных сигналов данных,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002558611
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.09.2015
№216.013.78c4

Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива

Изобретение относится к способам и устройствам для обработки различных видов жидкого углеводородного топлива перед его сжиганием и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002562505
Дата охранного документа: 10.09.2015
10.09.2015
№216.013.78f3

Способ получения электрода для производства порошковых жаропрочных сплавов на основе алюминида титана

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при послойном нанесении материала по аддитивной технологии. Проводят предварительное механическое легирование исходной порошковой смеси из порошков титана и элементов, способных образовывать с ним твердые растворы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002562552
Дата охранного документа: 10.09.2015
27.10.2015
№216.013.8a8c

Способ комбинированной раскатки осесимметричных деталей

Изобретение относится к области обработки материалов давлением и может быть использовано при изготовлении осесимметричных деталей из малопластичных материалов, преимущественно спеченных. Заготовку устанавливают в матрицу с выставлением части для локального деформирования и фиксируют в осевом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567071
Дата охранного документа: 27.10.2015
27.12.2015
№216.013.9da8

Способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе самолета

Изобретение относится к авиастроению, в частности к способам и устройствам для обработки различных видов жидкого углеводородного топлива. Для повышения эффективности сгорания углеводородного топлива в двигателе самолета топливо из заправочной емкости перекачивают в переменном однородном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571990
Дата охранного документа: 27.12.2015
10.06.2016
№216.015.4508

Способ фильтрации тока намагничивания и воспроизведения вторичного тока силовых и измерительных трансформаторов напряжения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных средствах релейной защиты, противоаварийного управления энергосистем, измерения, регистрации аварийных событий и диагностики состояния оборудования. Технический результат состоит в снижении погрешности фильтрации тока...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586115
Дата охранного документа: 10.06.2016
27.08.2016
№216.015.5182

Способ получения магнитотвердого материала smmn

Изобретение относится к области получения магнитотвердых материалов, которые могут быть использованы в электротехнике и машиностроении. Предложенный способ получения магнитотвердого соединения SmMN позволяет увеличить коэрцитивную силу (H) и температуру Кюри (Т) конечного продукта, что является...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596166
Дата охранного документа: 27.08.2016
25.08.2017
№217.015.bac6

Способ получения катодного материала на основе системы lifesio

Изобретение относится к электротехнической области и может быть использовано в аккумуляторных батареях транспортных и космических систем с улучшенными удельными характеристиками. В качестве начального компонента выбирают наноразмерный порошок аэросила (SiO) с удельной поверхностью 350-380 м/г,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615697
Дата охранного документа: 06.04.2017
25.08.2017
№217.015.bad7

Топливная форсунка газотурбинного двигателя

Изобретение относится к авиастроению. Топливная форсунка газотурбинного двигателя, в которой одним из электродов, соединенным с потенциальным выходом источника электрического напряжения, является металлический внутренний воздушный завихритель и соединенная проводящей перемычкой металлическая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615618
Дата охранного документа: 05.04.2017
25.08.2017
№217.015.c5b0

Бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к муфтам для соединения приводных валов, например, для трансмиссий. Бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта (5) для соединения валов (1, 3) привода с возможностью разнонаправленного их вращения содержит корпус (6)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618661
Дата охранного документа: 05.05.2017
Показаны записи 1-2 из 2.
29.03.2019
№219.016.ecf4

Способ демодуляции сигнала волоконно-оптического датчика тока

Изобретение относится к области оптических способов измерения физических величин с использованием фазовых волоконно-оптических датчиков, в том числе волоконно-оптических интерферометров, применяемых для измерения электромагнитных полей. Техническим результатом является повышение точности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682981
Дата охранного документа: 25.03.2019
30.03.2019
№219.016.f96e

Способ цифровой демодуляции сигналов фазового волоконно-оптического датчика

Изобретение относится к области, предназначенной для измерения физических величин с использованием фазовых волоконно-оптических датчиков для измерения механических и акустических колебаний. Способ демодуляции сигнала фазового волоконно-оптического датчика включает вспомогательную модуляцию...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002683378
Дата охранного документа: 28.03.2019

Похожие РИД в системе