×
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 41-50 из 123.
09.06.2018
№218.016.5ff0

Бортовая насосная станция систем смазки и гидравлического управления наземного транспортного средства

Изобретение относится к автономной гидросистеме смазки и управления транспортного средства (ТС). Бортовая насосная станция содержит по меньшей мере один масляный насос (МН) (5) высокого давления и механическую связь насосной станции от выходного вала теплового двигателя непосредственно или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656938
Дата охранного документа: 07.06.2018
09.06.2018
№218.016.601e

Привод электрического генератора в составе самоходного наземного транспортного средства

Изобретение относится к наземным транспортным средствам, главным образом быстроходным. Привод электрического генератора в составе самоходного наземного транспортного средства содержит механическую связь электрического генератора с выходным валом теплового двигателя транспортного средства....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656940
Дата охранного документа: 07.06.2018
16.06.2018
№218.016.62fe

18-скоростная механическая вальная коробка передач, преимущественно для трактора

Изобретение относится к механическим вальным коробкам передач с несколькими промежуточными параллельными валами и зубчатыми колесами. 18-скоростная коробка передач содержит параллельно установленные в картере ведущий (0), промежуточные (A, B и C) и грузовой (X) валы с установленными на них...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657483
Дата охранного документа: 14.06.2018
25.06.2018
№218.016.66ab

Многовальная коробка передач "ромашка"

Изобретение относится к механическим коробкам передач с параллельным симметричным расположением валов. Многовальная коробка передач (КП) содержит входной ведущий, ведомые, промежуточные (1-6) и выходной валы. Они установлены преимущественно параллельно друг другу в картере на подшипниках. На...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658474
Дата охранного документа: 21.06.2018
25.06.2018
№218.016.66c3

Гибридный механизм распределения мощности в трансмиссии транспортной машины

Изобретение относится к наземным транспортным средствам. Гибридный механизм распределения мощности в трансмиссии транспортной машины содержит бортовые суммирующие планетарные трехзвенные механизмы, первые входные звенья которых через коробку передач связаны с основным двигателем, вторые входные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658486
Дата охранного документа: 21.06.2018
09.09.2018
№218.016.85ca

Способ управления связностью одноранговой межмашинной сети передачи данных

Изобретение относится к технологиям сетевой связи. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности сети. В способе управления связностью одноранговой межмашинной сети передачи данных на каждом узле сети формируют набор данных о каждом соединении, фиксируют общие...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002666306
Дата охранного документа: 06.09.2018
28.09.2018
№218.016.8caf

Способ культивирования микроводоросли chlorella

Изобретение относится к области культивирования микроводорослей. Предложен способ культивирования микроводоросли . Способ включает культивирование суспензии микроводоросли в фотобиореакторе, в котором суспензию микроводоросли перемешивают в течение 13-17 минут с частотой вращения 500 об/мин...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668162
Дата охранного документа: 26.09.2018
03.10.2018
№218.016.8d56

Способ безопасной маршрутизации в одноранговых самоорганизующихся сетях

Изобретение относится к технике беспроводной связи, в частности, может использоваться при построении одноранговых самоорганизующихся сетей, и предназначено для выявления и предотвращения перехвата и уничтожения сетевого трафика сетевыми узлами-нарушителями при использовании сетевых протоколов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668222
Дата охранного документа: 27.09.2018
04.10.2018
№218.016.8eb4

Интеллектуальный способ диагностики и обнаружения новообразований в легких

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике рака легких. Способ содержит обработку изображений легких пациента, полученных методом компьютерной томографии, в результате которой в графическом изображении маскируют воксели со значениями плотности по шкале Хаунсфилда, не...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668699
Дата охранного документа: 02.10.2018
17.11.2018
№218.016.9e7d

Система автоматического регулирования частоты тока в сети с участием аэс

Изобретение относится к области энергетических систем и комплексов, в состав которых входят атомные электрические станции. Система автоматического регулирования частоты тока в сети с участием АЭС, функционально связанная с парогенератором и турбиной, содержит регулятор изменения мощности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002672559
Дата охранного документа: 16.11.2018
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
+ добавить свой РИД