Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 10
1.1. Схемы построения массивов волоконно-оптических датчиков 10
1.2. Методы демодуляции интерференционных сигналов 19
1.3. Параметры интерференционного сигнала, влияющие на точность и динамический диапазон гидроакустической антенны 28
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Методы контроля параметров интерференционного сигнала в схемах гомодинной демодуляции 38
2.1. Принципиальная схема волоконно-оптического датчика 38
2.2. Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора
2.3 Метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции 47
2.4 Метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения 58
Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. Перекрестные помехи в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов 69
3.1. Исследуемый массив волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов 69
3.2. Математическая модель перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов 69
3.3. Результаты математического моделирования влияния перекрестных помех на выходной сигнал гидроакустической антенны
3.4. Экспериментальное исследование перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов84
Выводы по главе 3 90
ГЛАВА 4. Реализация и экспериментальное исследование методов контроля параметров интерференционного сигнала на основе макета гидроакустической антенны 91
4.1. Схема макета гидроакустической антенны 91
4.2. Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора 92
4.3. Глубина вспомогательной фазовой модуляции 98
4.4. Размах интерференционного сигнала 105
Выводы по главе 4 123
Заключение 125
Список сокращений и условных обозначений 127
Список литературы 129
Список работ автора 137
- Параметры интерференционного сигнала, влияющие на точность и динамический диапазон гидроакустической антенны
- Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора
- Математическая модель перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов
- Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Распределенные гидроакустические сенсорные сети широко используются при решении задач геологической разведки, сбора океанографических данных, сейсмологического мониторинга, а также для охраны морских и речных портов.
При создании распределенных гидроакустических систем все шире применяются волоконно-оптические технологии. Это связано с тем, что использование оптического волокна в качестве чувствительного элемента позволяет создавать датчики со сложной геометрией и значительное упрощает процесс их мультиплексирования в единую сеть.
Сегодня большое распространение получают измерительные системы на основе волоконно-оптических интерферометрических датчиков. Такие системы обладают высокой акустической чувствительностью и широким динамическим диапазоном.
Для восстановления измеряемого фазового сигнала в массивах волоконно-оптических датчиков используются методы гомодинной демодуляции. Наиболее часто упоминаются в литературе схема гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения и схема гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса. В качестве алгоритма демодуляции сигналов волоконно-оптической гидроакустической антенны широко применяется алгоритм гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса. Это связано с тем, что амплитуда выходного сигнала в методе гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса не зависит от мощности оптического излучения и данный алгоритм обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум выходного сигнала, чем алгоритм гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения, во всей рабочей полосе частот гидроакустической антенны.
Вопрос применения алгоритма гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса при создании современных гидроакустических систем рассматривается в ряде работ. Однако множество проблем, связанных с понижением уровня шумов выходного сигнала, до сих пор не получили решения. В связи с этим, являются актуальными исследование влияния параметров интерференционного сигнала в схеме гомодинной демодуляции на уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны, определение оптимальных значений параметров сигнала в схеме демодуляции, обеспечивающих минимальный уровень шумов выходного сигнала, измерение и контроль текущих значений параметров интерференционного сигнала в реальном времени. Особую важность данные вопросы приобретают при создании распределенных массивов волоконно-оптических датчиков, так как параметры интерференционного сигнала необходимо контролировать для каждого датчика независимо.
При создании гидроакустических систем на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов возникает проблема перекрестных помех между датчиками. Известно, что
перекрестные помехи оказывают влияние на точность и уровень собственных шумов распределенных гидроакустических систем. Поэтому оценка влияния перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса является актуальной проблемой.
Целью настоящей работы является оптимизация метода демодуляции
сигналов для обеспечения минимального уровня собственных шумов
гидроакустической антенны на основе волоконно-оптических
мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов.
Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:
-создать математическую модель схемы демодуляции сигнала для исследования влияния параметров интерференционного сигнала на выходной сигнал гидроакустической антенны;
- разработать методы измерения и контроля текущих значений параметров интерференционного сигнала в схеме демодуляции сигналов массива мультиплексированных волоконно-оптических датчиков;
-создать математическую модель, которая описывает перекрестные помехи в массиве мультиплексированных датчиков и позволяет проанализировать влияние перекрестных помех на выходной сигнал рассматриваемой схемы гомодинной демодуляции;
-исследовать влияние перекрестных помех на выходной сигнал макета
гидроакустической антенны на основе волоконно-оптических
мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов;
-реализовать методы измерения и контроля параметров интерференционного сигнала в схеме демодуляции и оценить влияние предложенных методов на уровень шумов выходного сигнала макета гидроакустической антенны.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
-
Построена математическая модель схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса, позволяющая оценить влияние сдвига фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора (сдвиг фаз вспомогательной модуляции) на выходной сигнал схемы демодуляции.
-
Впервые предложена и реализована методика измерения и подстройки сдвига фаз вспомогательной модуляции в схеме демодуляции сигналов гидроакустической антенны.
-
Предложен, реализован и экспериментально исследован оригинальный метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме демодуляции сигналов гидроакустической антенны.
-
Предложен, реализован и экспериментально исследован оригинальный метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения, позволяющий сохранить настройку на резонансную длину волны решеток Брэгга (ВБР) в массиве мультиплексированных по времени чувствительных элементов гидроакустической антенны.
5. Построена математическая модель, которая описывает перекрестные помехи в массиве из четырех мультиплексированных чувствительных элементов на основе ВБР, позволяет оценить влияние перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и проанализировать зависимость уровня перекрестной помехи от положения рабочей точки интерферометра.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Построенная математическая модель схемы гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса позволяет оценить влияние сдвига фаз вспомогательной модуляции на выходной сигнал схемы демодуляции и оценить допустимую величину сдвига фаз вспомогательной модуляции, при которой схема обеспечивает корректную демодуляцию измеряемого фазового сигнала.
-
Предложенная методика позволяет измерять текущую величину сдвига фаз вспомогательной модуляции и производить подстройку сдвига фаз вспомогательной модуляции в гидроакустической антенне.
-
Реализован и экспериментально исследован оригинальный метод регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса в массиве мультиплексированных волоконно-оптических датчиков, обеспечивающий минимальный уровень собственных шумов гидроакустической антенны и корректную демодуляцию измеряемого фазового сигнала.
-
Реализован и экспериментально исследован метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения в массиве мультиплексированных чувствительных элементов на основе ВБР, обеспечивающий минимальный уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны.
5. Построенная математическая модель, которая описывает перекрестные
помехи в массиве из четырех мультиплексированных чувствительных
элементов на основе ВБР, позволяет оценить влияние перекрестных помех на
выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с использованием функции
арктангенса и проанализировать зависимость уровня перекрестной помехи от
положения рабочей точки интерферометра.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель схемы гомодинной демодуляции с
использованием функции арктангенса, позволяющая оценить влияние сдвига
фаз вспомогательной модуляции на выходной сигнал схемы демодуляции.
2. Методика измерения и подстройки сдвига фаз вспомогательной
модуляции в схемах гомодинной демодуляции.
-
Метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схемах гомодинной демодуляции интерференционных сигналов массива мультиплексированных чувствительных элементов.
-
Метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения, позволяющий сохранить настройку на резонансную длину ВБР в
массиве мультиплексированных чувствительных элементов гидроакустической антенны.
5. Математическая модель перекрестных помех, учитывающая
переотражения первого порядка, в массиве из четырех мультиплексированных
чувствительных элементов на основе ВБР, позволяющая оценить влияние
перекрестных помех на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции с
использованием функции арктангенса и проанализировать зависимость
величины перекрестных помех от положения рабочей точки интерферометра.
6. Результаты экспериментального исследования метода автоматической
регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в схеме
гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса и метода
автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения,
показывающие, что предложенные методы обеспечивают оптимальную
величину глубины вспомогательной фазовой модуляции, максимальный размах
интерференционного сигнала и минимальный уровень шумов выходного
сигнала гидроакустической антенны.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II, III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2015); доклад на II сессии научной школы «Информационно-измерительные технологии» III Всероссийского конгресса молодых ученых был признан лучшим докладом на научной школе; на XLIII, XLIV научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2014); на международных научно-практических конференциях «Sensorica - 2013» и «Sensorica - 2014» (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2014).
Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики при создании рабочих макетов гидроакустических антенн на основе волоконно-оптических мультиплексированных интерферометрических чувствительных элементов при выполнении совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ «Технопарк-Мордовия» и ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них один журнал, индексируемый базой Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 15 наименований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, список цитируемой литературы представлен 77 наименованиями.
Параметры интерференционного сигнала, влияющие на точность и динамический диапазон гидроакустической антенны
На выходе интерферометра образуется три импульса (см. рисунок 1.10). Средний импульс является интерференционным и содержит информацию о воздействии измеряемой величины на чувствительное плечо интерферометра.
Интерференционный сигнал на входе фотоприемного устройства имеет несущую частоту . Сигнал проходит через полосовой фильтр, который выделяет требуемую полосу частот. Далее используется стандартный демодулятор фазы [39]. Подробно ознакомиться с описанием данного метода можно в работе [39]. Пример системы, созданной на основе метода демодуляции с дифференциальной задержкой, рассмотрен в статье [40]. 1.2.2 Методы пассивной гомодинной демодуляция
В разделе рассмотрен один из самых известных методов гомодинной демодуляции – метод гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения [41]. Кроме того, описана схема метода гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса [46]. Метод гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения
Метод гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения (Phase-Generated Carrier homodyne demodulation technique using Differential Cross Multiplying – PGC-DCM demodulation technique) был впервые описан Дэндриджем (Anthony Dandridge) в 1982 [41]. Метод получил широкое распространение и на сегодняшний день является одним из самых популярных методов демодуляции сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков. Высокая популярность обусловлена рядом преимуществ, которыми обладает рассматриваемый метод гомодинной демодуляции. Основными преимуществами этого подхода являются широкий динамический диапазон, линейная амплитудная характеристика и способность регистрации фазовых сдвигов величиной порядка радиан [41]. Метод гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения не требует обратной связи для стабилизации рабочей точки интерферометра. В рассматриваемом методе гомодинной демодуляции используется косинусоидальная модуляция. Частота сигнала фазовой модуляции выбирается за пределами полосы полезных частот измерительной системы. В результате спектр выходного сигнала оптической схемы содержит несущие на частотах, кратных частоте фазовой модуляции, а информация о полезном воздействии находится в боковых полосах частоты фазовой модуляции.
Принципиальная схема метода гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения представлена на рисунке 1.11 [9, 41]. На рисунке 1.11 используются следующие обозначения: ФПУ – фотоприемное устройство, ОГ – опорный генератор, ФНЧ – фильтр низких частот, ФВЧ – фильтр высоких частот, - интегратор.
Метод гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения имеет один основной недостаток [9]. Выходной сигнал (7) пропорционален величине . В свою очередь, величина коэффициента зависит от интенсивности светового излучения и размаха интерференционного сигнала. Таким образом, выходной сигнал схемы демодуляции зависит от флуктуаций интенсивности светового поля, вызванных биениями поляризации света, оптическими потерями в схеме, амплитудными шумами источника оптического излучения и внешними воздействиями на оптическую схему датчика. Описанная зависимость усложняет процесс восстановления достоверного значения амплитуды измеряемого акустического воздействия.
Предложено несколько методов решения данной проблемы, например, в статье [44] описан метод нормировки полученных значений по величине размаха интерференционного сигнала. Нормировка выполняется в соответствии с выражением (8): где – результат нормировки значения выходного сигнала , и – максимальное и минимальное значения выходного сигнала. Выходной сигнал, после использования нормировки описывается выражением (9) и не зависит от размаха исходного интерференционного сигнала [44]:
Еще одной особенностью метода демодуляции на основе перекрестного перемножения является зависимость амплитуды выходного сигнала от величины глубины модуляции [45]. Метод гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса
Методы пассивного гомодинного детектирования активно развивались в последние десятилетия. Появились альтернативные методы гомодинной демодуляции, которые призваны решить проблемы зависимости выходного сигнала от размаха интерференционного сигнала и глубины вспомогательной фазовой модуляции. На данный момент большое распространение получает метод гомодинной демодуляции на основе вычисления значения функции арктангенса (The Arctangent Approach of PGC demodulation).
В работах [9, 46] описана идея метода гомодинной демодуляции на основе вычисления значения функции арктангенса. Основным преимуществом данного метода над методом гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения, описанным выше, является то, что выходной сигнал не зависит от величины размаха интерференционного сигнала.
На рисунке 1.12 используются следующие обозначения: ФПУ – фотоприемное устройство, ОГ – опорный генератор, ФНЧ – фильтр низких частот, atan – операция вычисления значений функции арктангенса, PHASE UNWRAP – блок доворачивания фазы, ФВЧ – фильтр высоких частот. В схеме используется тот же алгоритм фазовой модуляции сигнала в опорном плече интерферометра, поэтому сигнал на входе ФПУ определяется согласно выражению (3), как и в методе гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения. Результат преобразований, связанный с перемножением сигнала на первую и вторую гармоники несущей частоты и фильтрацией низкочастотной составляющей, идентичен и описывается выражениями (5) и (6) [46]. Сигнал на выходе блока деления определяется выражением:
Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора
Таким образом, за счет изменения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции происходит автоматическая подстройка действующего значения глубины вспомогательной фазовой модуляции С к оптимальному значению С0. Дополнительная низкочастотная модуляция обеспечивает работоспособность метода автоматической регулировки при любом положении рабочей точки интерферометра. Предложенный метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции также может быть использован в гидроакустической антенне на основе массива волоконно-оптических датчиков. В массиве глубина вспомогательной фазовой модуляции измеряется независимо для каждого датчика. Полученные значения со всех датчиков в один момент времени усредняются. На основе среднего значения глубины вспомогательной фазовой модуляции выполняется дальнейшая регулировка глубины вспомогательной фазовой модуляции в соответствии с предложенным методом.
Чувствительный элемент исследуемого волоконно-оптического датчика сформирован на основе отрезка оптического волокна между двух волоконных решеток Брэгга. Из работ [65, 66] известно, что спектр отражения ВБР сдвигается при внешних воздействиях на отрезок оптического волокна, в котором записана ВБР.
Сдвиг резонансной длины волны спектра отражения ВБР может быть компенсирован за счет использования перестраиваемого источника оптического излучения. В качестве примера такого источника оптического излучения может быть рассмотрен поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (Vertical-cavity-surface-emitting-laser - VCSEL). Полупроводниковый кристалл данного источника оптического излучения размещен на элементе Пельтье. Элемент Пельтье предназначен для стабилизации и регулировки температуры полупроводникового источника оптического излучения.
В данном разделе представлен оригинальный метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения. Описываемый метод позволяет автоматически подстраивать длину волны перестраиваемого источника оптического излучения за счет изменения температуры полупроводникового кристалла.
Основной задачей данного метода является обеспечение максимального размаха интерференционного сигнала. Размах интерференционного сигнала пропорционален коэффициенту В, который входит в выражение (18), описывающее интерференционный сигнал на выходе оптической схемы датчика. Поэтому в качестве параметра, на основании которого выполняется автоматическая подстройка длины волны источника излучения, выбран коэффициент В.
Предложена методика, которая позволяет измерять текущую величину коэффициента В в схемах гомодинной демодуляции. Математические преобразования, описываемые ниже, являются продолжением алгоритма, на основании которого построена методика измерения текущей величины глубины вспомогательной фазовой модуляции. Методика измерения текущей величины глубины вспомогательной фазовой модуляции описана в разделах 2.3.2 и 2.3.3. В качестве исходных данных используются амплитуды первой, второй и третьей гармоник интерференционного сигнала , а также текущее значение глубины вспомогательной фазовой модуляции С. Текущее значение глубины вспомогательной фазовой модуляции рассчитывается по алгоритму, который описан в разделе 2.3.3.
Основной задачей метода автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения является поддержание максимального размаха интерференционного сигнала. Метод опирается на текущую величину коэффициента В, измеряемую в соответствии с методикой, описанной выше.
Автоматическая подстройка центральной длины волны излучения осуществляется за счет использования перестраиваемого источника оптического излучения. Метод направлен на поиск оптимальной длины волны оптического излучения. За оптимальное значение длины волны оптического излучения принимается то значение, при котором коэффициент В максимален.
Рассмотрим процесс автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения для одного волоконно-оптического датчика. Принципиальная схема волоконного датчика на основе ВБР представлена на рисунке 1.1. Чувствительный элемент датчика сформирован на отрезке оптического волокна между двумя решетками Брэгга ВБР1 и ВБР2.
Известно, что интерференционный сигнал на выходе оптической схемы датчика описывается формулой: , (49) где и – интенсивности импульсов, отраженных от ВБР1 и ВБР2, – разность фаз между интерферирующими импульсами. Максимальная амплитуда интерференционной картины определяется выражением , минимальная амплитуда выражением . Размах интерференционного сигнала определяется формулой . Интенсивность оптического импульса, отраженного от решетки Брэгга зависит от коэффициента отражения ВБР на длине волны падающего импульса. Примеры спектров отражения ВБР представлены в ряде работ [68, 69]. Спектр отражения волоконной решетки Брэгга, представленный в работе [68], показан на рисунке 2.14.
Математическая модель перекрестных помех в массиве волоконно-оптических мультиплексированных чувствительных элементов
При оптимальной глубине вспомогательной фазовой модуляции 2.63 радиана собственные шумы гидроакустической антенны в полосе частот от 350 Гц до 450 Гц составили 131 мкрад/Гц для датчика №1, 212 мкрад/Гц для датчика №2, 204 мкрад/Гц для датчика №3 и 292 мкрад/Гц для датчика №4. При данном значении глубины вспомогательной фазовой модуляции собственные шумы минимальны. Экспериментально показано, что схема гомодинной демодуляции с использованием функции арктангенса позволяет корректно демодулировать исходное гидроакустическое воздействие только при оптимальном значении глубины вспомогательной фазовой модуляции 2.63 рад.
Автоматическая регулировка глубины вспомогательной фазовой модуляции в массиве мультиплексированных волоконно-оптических датчиков
Необходимость автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции в гидроакустической антенне описана в главе 1 настоящей работы, а также в ряде других работ [9, 45, A3, A14].
В разделе 2.3 представлен метод автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции. Данный метод реализован на основе макета гидроакустической антенне.
В качестве фазового модулятора в исследуемой гидроакустической антенне используется электрооптическая схема на основе кристалла ниобата лития ( ) [A3]. В работах [77, A8, A9, A10] содержится информация о влиянии нестационарных тепловых полей на характеристики электрооптической схемы на основе кристалла ниобата лития.
Для оценки работоспособности предложенного метода был проведен следующий эксперимент. Фазовый модулятор макета гидроакустической антенны был нагрета до температуры 28,5 . Далее температура фазового модулятора постепенно снижалась. В процессе охлаждения фазового модулятора использовалась система автоматической регулировки глубины вспомогальной фазовой модуляции и записывались данные.
Получены данные об изменении глубины вспомогательной фазовой модуляции в процессе автоподстройки для каждого из четырех датчиков гидроакустической антенны. Эти данные представлены на рисунке 4.12. Кроме того, были получены данные о действующем в схеме значении амплитуды сигнала вспомогательной фазовой модуляции. На рисунке 4.13 представлены данные об изменении амплитуды сигнала вспомогательной фазовой модуляции в процессе автоподстройки глубины вспомогательной фазовой модуляции. Также, на рисунке 4.13 представлен график изменения температуры фазового модулятора в ходе эксперимента.
На рисунке 4.13 видно, что в ходе эксперимента температура фазового модулятора уменьшилась на 0.5 за 100 секунд. При этом амплитуда сигнала вспомогательной фазовой модуляции увеличилась с 28530 до 28580 единиц младшего разряда. Стоит отметить, что при стабильной температуре фазового модулятора амплитуда сигнала вспомогательной фазовой модуляции изменяется не более чем на 1 единицу младшего разряда.
Итого, система автоматической подстройки глубины вспомогательной фазовой модуляции позволяет стабилизировать оптимальное значение глубины вспомогательной фазовой модуляции за счет автоматической регулировки амплитуды модулирующего напряжения. При этом уровень шумов выходного сигнала гидроакустической антенны при автоматической регулировке глубины вспомогательной фазовой модуляции соответствует уровню шумов при оптимальной глубине фазовой модуляции (получены в разделе 4.3.2). Это позволяет утверждать, что система автоматической регулировки глубины вспомогательной фазовой модуляции обеспечивает минимальный уровень собственных шумов гидроакустической антенны.
Размах интерференционного сигнала на входе фотоприемного устройства исследуемой гидроакустической антенны зависит от когерентности источника оптического излучения, рассогласования длин волокон компенсационного интерферометра и чувствительного элемента и соотношения мощностей импульсов, отраженных от решеток Брэгга. Мощность каждого из отраженных импульсов зависит от идентичности спектра излучения источника оптического излучения и спектра отражения ВБР. В случае полного соответствия спектров достигается максимальный коэффициент отражения [A5, A12, A15].
Под действием температуры и давления происходит физическая деформация ВБР, что приводит к изменению периода и сдвигу резонансной длины волны ВБР [65, 66, 71]. На примере одного датчика, образованного отрезком волокна между двумя ВБР проблему можно описать следующим образом. Если деформируется только одна ВБР, то ухудшается размах интерференционного сигнала, так как интерферируют два импульса с разными мощностями. В итоге размах интерференционного сигнала на ФПУ уменьшается, что приводит к снижению соотношения сигнал/шум выходного сигнала схемы дкмодуляции. Если обе ВБР, составляющие чувствительный элемент, деформируются одновременно, то уменьшается оптическая мощность интерференционного импульса, что также приводит к понижению соотношения сигнал/шум. Для поддержания размаха интерференционного сигнала и оптической мощности на максимальном уровне необходимо осуществлять подстройку длины волны ИИ в соответствии с текущей центральной длиной волны ВБР в реальном времени [A5, A12, A15].
На рисунке 4.13(а), показан сигнал массива из четырех датчиков при подстроенной центральной длине волны источника оптического излучения, где 1 – импульс, отраженный от ВБР1 и прошедший по короткому плечу КИ; 2–5 – интерференционные импульсы; 6 – импульс, отраженный от ВБР5 и прошедший по длинному плечу КИ. При деформации ВБР на ФПУ приходят оптические импульсы меньшей мощности, что приводит к ухудшению видности интерференционной картины, снижению амплитуды сигнала и понижению соотношения сигнал/шум, данная ситуация представлена на рисунке 4.13(б) [A5, A12, A15].
Сдвиг фаз вспомогательной фазовой модуляции в интерференционном сигнале относительно сигнала опорного генератора
Исследование процесса автоматической подстройки температуры ИИ производилось на основе макета гидроакустической антенны, который описан в разделе 4.1. Решетки Брэгга, формирующие массив датчиков, были помещены на элементы Пельтье. В ходе эксперимента использовались 5 элементов Пельтье TB-127-1,4-1,5. Поверхность элементов Пельтье была покрыта термопастой КПТ-8.
Для исследования влияния автоматической подстройки на работоспособность и уровень собственных шумов гидроакустической антенны были проведены два эксперимента. Необходимо показать, что при нагреве массива чувствительных элементов гидроакустической антенны автоподстройка длины волны источника излучения сохраняет работоспособность датчиков и обеспечивает минимальный уровень шумов гидроакустической антенны.
В ходе первого эксперимента автоматическая подстройка длины волны источника оптического излучения была отключена. Поверхность элементов Пельтье, на которой были помещены ВБР, нагревалась. Температура поверхности элемента Пельтье возросла с 20 до 32 в течение 300 секунд. В ходе эксперимента измерялась величина коэффициента В для каждого датчика. Результат измерений представлен на рисунке 4.22. На рисунке 4.22 представлены усредненные за 2 секунды значения коэффициента В. Видно, что в течение 300 секунд коэффициент В для датчика №1 уменьшился с 0,27 до 0,05, для датчика №2 уменьшился с 0,2 до 0.02, для датчика №3 уменьшился с 0,2 до 0.02, а для датчика №4 увеличился с 0,12 до 0,21.
Таким образом, первые 3 датчика массива стали неработоспособными при нагреве ВБР на 7 градусов в течение 5 минут. Это подтверждает осциллограмма интерференционного сигнала, представленная на рисунке 4.23. Осциллограмма записана после окончания нагрева массива ВБР.
Второй эксперимент проводится в идентичных условия, но температура источника оптического излучения подстраивалась автоматически в соответствии с описанным методом. Температура поверхности элементов Пельтье, на которой были помещены ВБР, также возросла с 20 до 32 в течение 300 секунд. Изменение температуры ВБР на 12 соответствует сдвигу резонансной длины волны ВБР на 178 пм в соответствии с зависимостью, представленной на рисунке 4.13. В ходе эксперимента измерялась величина коэффициента В для каждого датчика и температура источника оптического излучения. Результаты измерений представлены на рисунке 4.24 и рисунке 4.25.
На рисунке 4.24 представлен график автоматической подстройки температуры источника оптического излучения VCSEL. Температура VCSEL изменилась с 7.8 до 9.1 в ходе автоматической подстройки. Исходя из зависимости, приведенной на рисунке 4.14, центральная длина волны излучения VCSEL сдвинулась на 184 пм. Величина сдвига центральной длины волны излучения источника за счет автоматической подстройки соответствует величине сдвига резонансной длины волны ВБР в результате нагрева массива чувствительных элементов.
В процессе автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения коэффициенты В находятся в диапазоне от 0.1 до 0.3, что соответствует размаху интерференционного сигнала от 100 мВ до 300 мВ.
На рисунке 4.26 представлена осциллограмма интерференционного сигнала на выходе массива четырех волоконно-оптических датчиков. Осциллограмма записана после нагрева массива. Видно, что все датчики работоспособны.
График изменения уровня шумов выходного сигнала четырех датчиков в макете гидроакустической антенны в полосе частот выходного сигнала от 350 до 450 Гц в процессе автоподстройки длины волны источника оптического излучения представлен на рисунке 4.27. Осциллограмма интерференционной картины в процессе автоподстройки длины волны источника оптического излучения. Цифрами 1 – 4 обозначены: 1 – интерференционный импульс от первого датчика, 2 – интерференционный импульс от второго датчика, 3 – интерференционный импульс от третьего датчика, 4 – интерференционный импульс от четвертого датчика.
Исходя из данных, представленных на рисунках 4.25 – 4.27 метод автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения обеспечивает стабильную работу гидроакустической антенны при изменении температуры массива датчиков. В результате эксперимента показана работоспособность описанного метода подстройки длины волны источника оптического излучения при нагреве массива ВБР на 12 в течение 5 минут.
Кроме того, выполнен анализ шумов, вносимых в выходной сигнал схемы демодуляции системой автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения. Для этого дважды измерялся уровня шумов выходных сигналов гидроакустической антенны при оптимальной длине волны источника оптического излучения, стабильной температуре массива ВБР. В ходе первого эксперимента автоматическая система подстройки длины волны была включена, в ходе второго – отключена. Запись сигналов с волоконного гидрофона производилась в отсутствие гидроакустического излучения.
При использовании автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения собственные шумы в полосе частот от 350 Гц до 450 Гц не превышают 132 мкрад/Гц для датчика №1, 231 мкрад/Гц для датчика №2, 206 мкрад/Гц для датчика №3 и 340 мкрад/Гц для датчика №4. При оптимальной температуре и отключенной автоматической подстройке длины волны собственные шумы в полосе частот от 350 Гц до 450 Гц не превышают 130 мкрад/Гц для датчика №1, 242 мкрад/Гц для датчика №2, 212 мкрад/Гц для датчика №3 и 313 мкрад/Гц для датчика №4. На основе результатов экспериментов можно говорить о том, что созданная система автоматической подстройки длины волны источника оптического излучения обеспечивает минимальный уровень выходного сигнала гидроакустической антенны.