Адресная волокнистая брэгговская структура - Addressed fiber Bragg structure

An адресная волоконная брэгговская структура (AFBS) это волоконная решетка Брэгга, то оптический частотный отклик из которых включает в себя две узкополосные компоненты с частотным интервалом между ними (который является частотой адреса AFBS), находящимся в радиочастота (RF) классифицировать. Частотный интервал (адресная частота) уникален для каждой AFBS в цепи опроса и не изменяется, когда AFBS подвергается воздействию напряжение или же температура вариация. Адресуемая волоконная брэгговская структура может выполнять тройную функцию в волоконно-оптический датчик системы: a 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 исследуются с помощью оптоэлектронных запросчиков. An цепь опроса AFBS значительно упрощен по сравнению с обычными запросчиками и состоит из широкополосного оптического источника (такого как суперлюминесцентный диод ), оптический фильтр с заранее заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотоприемник. 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, S₁(λ) - S₃(λ) обозначают передаточные матрицы, описывающие равномерные участки AFBS, S_φ(λ) обозначает передаточную матрицу, описывающую фазовый сдвиг участка AFBS.

История

Концепция адресных волоконных брэгговских структур была представлена ​​в 2018 году Айратом Сахабутдиновым.^[1] и разработан 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 электрооптический модулятор был использован для определения центральной длины волны ВБР на основе амплитудно-фазового анализа сигнала биений на частоте, равной промежутку между двумя компонентами зондирующего излучения. Это устраняет необходимость сканирования спектрального отклика ВБР, обеспечивая высокую точность измерений и снижая стоимость системы.^[1][2] AFBS был разработан как следующий 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 фотодетектор принимал свет, распространяющийся через структуры.

2λ-ВБР

2λ-ВБР состоит из двух одинаковых 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 Ω₂. Широкополосный источник света 1 генерирует непрерывное световое излучение (диаграмма а), что соответствует ширине полосы измерения. Свет передается через волоконно-оптический ответвитель 9, затем входит в два AFBS 2.1 и 2.2. Обе AFBS передают двухчастотные излучения, которые суммируются в комбинированное излучение (диаграмма б) с помощью другого соединителя 10. На выходе ответвителя четырехчастотное излучение (схема c), который отправляется через оптоволоконный разветвитель 6. Делитель делит оптический сигнал на два канала - измерительный и опорный. В измерительном канале оптический фильтр 3 с заранее заданной линейной наклонной частотной характеристикой, которая преобразует амплитуды четырехчастотного излучения в асимметричное излучение (диаграмма d). После этого сигнал поступает на фотоприемник. 4 и получен измерением аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5. Сигнал от АЦП используется для определения информации измерения от AFBS. В опорном канале, сигнал (диаграмма е) отправляется на опорный фотоприемник 7 для управления выходной оптической мощностью, а затем она принимается опорным АЦП 8. Таким образом, нормализация интенсивности выходного сигнала будет достигнута, и все последующие расчеты выполняются с использованием отношения интенсивностей в измерительных и контрольных 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]

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

куда А_я, B_я - амплитуды частотных составляющих я-й AFBS; ω_я, - частота левых спектральных компонент я-й AFBS; Ω_я это частота адресации я-й AFBS.

Световую мощность, получаемую фотодетектором, можно описать следующим выражением:

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

По узкополосной настройке сигнала п(т) на адресных частотах может быть получена система уравнений, с помощью которой можно определить центральные частоты AFBS:

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

куда D_j - амплитуда сигнала на адресных частотах Ω_j, а экспоненциальные множители описывают полосовые фильтры на адресных частотах.

Смотрите также

• Волоконная решетка Брэгга
• Волоконно-оптический датчик

Рекомендации

1. Сахабутдинов А.Ю. Системы СВЧ-фотонных датчиков на основе адресных волоконных брэгговских структур и их применение для решения практических задач. D.Sc. Тезис. Казань: Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Туполев-КАИ, 2018.
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. 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. Морозов, О.Г .; Сахабутдинов, А. (Август 2019 г.). «Адресные волоконно-брэгговские структуры в квазираспределенных микроволново-фотонных сенсорных системах» (PDF). Компьютерная оптика (на русском). 43 (4): 535–543. Дои:10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543. ISSN  2412-6179.
5. 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. Дои:10.1109 / SOSG.2019.8706815. ISBN  978-1-7281-0606-9.
6. 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. Дои: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. Дои:10.1109 / SYNCHROINFO.2019.8813908. ISBN  978-1-7281-3238-9.
8. Морозов, О Г; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, И Я; 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». Journal of Physics: Серия конференций. 1368: 022049. Дои:10.1088/1742-6596/1368/2/022049. ISSN  1742-6588.

внешняя ссылка