RU2036419C1 - Fibre-optical indicator of outside action - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: radiation of broadband source 1 is entered into fibre-optical light guide 2 with double beam refraction exposed to two actions: first-measured externally and second - scanned calibrated. With geometrical equality of paths from first action to second one and from second one to output butt of fibre-optical light guide intermode interference is observed. Polarizer 3 of optical radiation having polarization axis arranged at angle 45 deg to axes of double beam refraction is installed across output of fibre-optical light guide to convert changes of interference pattern into changes of intensity at input of photodetector 4 which electric signal is registered by processing unit 5. Scanning deformer 6 controlled by unit 7 is installed in fibre-optical light guide 2. Signals from control unit 7 as well as from processing unit 5 are sent to information display 8. In this case small number of optical elements in optical path diminishes losses of optical power, simplifies design and consequently enhances operational reliability of indicator. EFFECT: diminished losses of optical power, simplified design, enhanced operational reliability of indicator. 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, в частности к созданию волоконно-оптических датчиков различных физических величин. The invention relates to optics, in particular to the creation of fiber optic sensors of various physical quantities.

Известен волоконно-оптический индикатор (ВОИ) внешнего воздействия, позволяющий регистрировать место воздействия на многомодовый волоконный световод (ВС) и содержащий многомодовый ВС, два источника когерентного излучения, два фотоприемника, два оптических ответителя, спаренные торцы которых оптически связаны с соответствующими торцами ВС, первые неспаренные торцы оптически связаны с источниками излучения, а вторые неспаренные торцы оптически связаны с фотоприемниками, две диафрагмы, расположенные между каждым фотоприемником и соответствующим ему торцом ответвителя, два блока обработки, подключенные соответственно к каждому фотоприемнику, коррелятор, к которому подключены блоки обработки и вычислительный блок [1]
Регистрация места воздействия основана на измерении временного интервала между изменением спекл-картин на противоположных торцах ВС при вводе в него когерентного излучения с противоположных сторон. Однако такой ВОИ внешнего воздействия из-за наличия постоянного дрейфа спекл-картины обладает низкой чувствительностью. Нелинейная характеристика отклика системы не позволяет проводить измерения величины внешнего воздействия. Кроме того, невозможно одновременно регистрировать несколько внешних воздействий.Known fiber-optic indicator (VOI) of external influence, allowing to record the place of impact on a multimode fiber light guide (AF) and containing a multimode fiber, two sources of coherent radiation, two photodetectors, two optical couplers, the paired ends of which are optically connected with the corresponding ends of the aircraft, the first unpaired ends are optically coupled to radiation sources, and the second unpaired ends are optically coupled to photodetectors, two diaphragms located between each photodetector and the corresponding the corresponding end of the coupler, two processing units connected respectively to each photodetector, a correlator to which processing units and a computing unit are connected [1]
Registration of the impact site is based on measuring the time interval between the change of speckle patterns at opposite ends of the aircraft when coherent radiation is introduced into it from opposite sides. However, such a VOI of external influence due to the presence of a constant drift of the speckle pattern has a low sensitivity. The non-linear response characteristic of the system does not allow measurements of the magnitude of the external influence. In addition, it is impossible to simultaneously register several external influences.

Известен волоконно-оптический интерферометр, содержащий линейно поляризованный широкополосный источник излучения, элементы коллимации, поляризационный разделитель излучения, блок оптической задержки, поляризационный объединитель излучения, одномодовый ВС с двулучепреломлением (с сохранением поляризации), поляризатор, фотоприемник, блоки обработки и отображения информации [2]
Эта конструкция представляет собой модификацию классического интерферометра Маха-Цендера и позволяет регистрировать величину и место внешнего воздействия на волокно. Свет от широкополосного линейно поляризованного источника излучения разделяется на две ортогональные поляризации излучения, одна из которых может быть задержана на регулируемую оптическую разность хода относительно другой поляризации, после чего каждая возбуждает одну поляризационную моду одномодового ВС с сохранением поляризации. В месте воздействия на волокно происходит взаимодействие мод, в результате чего на выходе ВС при равенстве полных оптических путей для обеих поляризаций до места воздействия на волокно, наблюдается интерференция в каждой из поляризаций. Поляризатор, установленный на выходе ВС, преобразует изменения интерференционной картины в изменения интенсивности на входе фотоприемника, выход которого соединен с блоком обработки, связанным с блоком отображения информации.Known fiber-optic interferometer containing a linearly polarized broadband radiation source, collimation elements, a polarizing radiation splitter, an optical delay unit, a polarizing radiation combiner, a single-mode birefringent (preserving polarization) polarizer, a photodetector, information processing and display units [2]
This design is a modification of the classical Mach-Zehnder interferometer and allows you to record the magnitude and location of external exposure to the fiber. The light from a broadband linearly polarized radiation source is divided into two orthogonal polarizations of the radiation, one of which can be delayed by an adjustable optical path difference relative to the other polarization, after which each excites one polarization mode of a single-mode aircraft while maintaining the polarization. At the place of exposure to the fiber, modes interact, as a result of which, at the output of the SC, when the total optical paths for both polarizations are equal to the place of exposure to the fiber, interference is observed in each of the polarizations. A polarizer installed at the output of the aircraft converts changes in the interference pattern into changes in intensity at the input of the photodetector, the output of which is connected to a processing unit associated with the information display unit.

Однако наличие блока оптической задержки, элементов разделения и объединения двух ортогональных поляризаций, а также элементов коллимации излучения обуславливает сложность конструкции и потери оптической мощности при вводе излучения в ВС. However, the presence of an optical delay unit, elements for separating and combining two orthogonal polarizations, and also elements for collimating radiation determines the design complexity and loss of optical power when radiation is introduced into the aircraft.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение потерь мощности излучения в оптическом тракте, упрощение конструкции индикатора внешнего воздействия на ВС и повышение его надежности. The objective of the invention is to reduce the loss of radiation power in the optical path, simplifying the design of the indicator of external impact on the aircraft and increasing its reliability.

Для этого в волоконно-оптический индикатор внешнего воздействия, содержащий оптически связанные источник излучения, одномодовый волоконный световод с двулучепреломлением, поляризатор оптического излучения, фотоприемник, блок обработки и блок отображения информации, при этом выход фотоприемника электрически связан с входом блока обработки, выход которого подключен к входу блока отображения информации, введены сканирующий деформатор и блок управления, а блок отображения информации выполнен двухвходовым, его второй вход электрически соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого электрически соединен с входом сканирующего деформатора, сопряженного с участком волоконного световода, при этом положение сканирующего деформатора выбрано таким образом, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком, на который осуществляется внешнее воздействие, и начало и конец одного из этих участков расположены на расстояниях, равных половине расстояний от выходного торца волоконного световода до начала и конца другого участка соответственно, а поляризатор оптического излучения установлен таким образом, что его ось поляризации расположена под углом 45^о к осям двулучепреломления волоконного световода.For this purpose, a fiber-optic external exposure indicator containing optically coupled radiation source, birefringent single-mode fiber, optical radiation polarizer, photodetector, processing unit and information display unit, while the output of the photodetector is electrically connected to the input of the processing unit, the output of which is connected to the input of the information display unit, the scanning deformer and the control unit are introduced, and the information display unit is made two-input, its second input is electrically connected to the first output of the control unit, the second output of which is electrically connected to the input of the scanning deformer coupled to the portion of the fiber, the position of the scanning deformer being selected so that the portion of the fiber to which it is paired does not intersect the portion to which external influence, and the beginning and end of one of these sections are located at distances equal to half the distance from the output end of the fiber to the beginning and end of another section and accordingly, the polarizer and the optical radiation is positioned so that its axis of polarization is at an angle ^of 45 to the axes of the birefringence fiber.

В предлагаемом ВТИ осуществляется два воздействия на ВС: первое внешнее измеряемое, второе сканирующее калиброванное, что позволяет получить информацию на выходе ВС между двумя лучами, возникающими при первом воздействии на ВС в каждой из мод ВС и переходящими из моды в моду при втором воздействии, при геометрическом равенстве путей от первого воздействия до второго и от второго до выходного торца ВС и при установлении поляризатора на выходе ВС с осью поляризации, расположенной под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС. В отличие от прототипа, где наблюдается интерференция между лучом, введенным в одной из мод ВС, перешедшим при внешнем воздействии в другую моду, и где возможно произвольное расположение оси поляризации поляризатора, установленного на выходе ВС, в предлагаемом индикаторе неполяризованное излучение вводится непосредственно в ВС, что позволяет значительно увеличить эффективность ввода оптической мощности в ВС и отказаться от использования элементов поляризационного разделения и объединения, коллимации излучения и блока регулируемой оптической задержки, упростив таким образом конструкцию и повысив надежность индикатора.In the proposed VTI, two effects on the aircraft are carried out: the first external measured, the second scanning calibrated, which allows one to obtain information at the aircraft output between two beams that occur during the first exposure to the aircraft in each of the aircraft modes and go from mode to mode during the second exposure, equality geometric paths from the first exposure to second and from the second to the output end of the sun and in fixing the polarizer at the output of the sun with a polarization axis disposed at an angle ^of 45 to the axes of birefringence sun. In contrast to the prototype, where interference is observed between a beam introduced in one of the aircraft modes, which, when externally applied, changes to another mode, and where an arbitrary arrangement of the polarization axis of the polarizer installed at the aircraft output is possible, the non-polarized radiation is directly introduced into the aircraft in the proposed indicator, which makes it possible to significantly increase the efficiency of inputting optical power into the aircraft and to abandon the use of elements of polarization separation and combining, collimation of radiation and a block of adjustable cal delay, thereby simplifying construction and increasing reliability indicator.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого индикатора внешнего воздействия; на фиг. 2 и 3 структурные схемы блоков обработки и управления; на фиг. 4 временные диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемого индикатора, при этом диаграмма 4 г приведена для случая использования четырех точек воздействия на волокно деформатором. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed indicator of external impact; in FIG. 2 and 3 block diagrams of the processing and control units; in FIG. 4 time diagrams illustrating the operation of the proposed indicator, while the diagram 4 g is shown for the case of using four points of influence on the fiber by the deformer.

Предлагаемый индикатор содержит широкополосный источник 7 излучения, соединенный с одномодовым ВС 2 с двулучепреломлением (с сохранением поляризации), выход которого соединен через поляризатор 3 оптического излучения, ось поляризации которого расположена под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС 2, с входом фотоприемника 4, выход которого соединен с входом блока 5 обработки. Сканирующий деформатор 6 закреплен на части ВС 2 и управляется блоком 7 управления. Блок 5 обработки и блок 7 управления соединены с блоком 8 отображения информации.The proposed indicator comprises a broadband source 7 radiation, coupled with the SMF sun 2 with birefringence (polarization-maintaining) whose output is connected through a polarizer 3 of the optical radiation which is the polarization axis at an angle ^of 45 ° to the birefringence sun axis 2, to the input of the photodetector 4, the output which is connected to the input of the processing unit 5. The scanning deformer 6 is fixed on the part of the aircraft 2 and is controlled by the control unit 7. The processing unit 5 and the control unit 7 are connected to the information display unit 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Излучение от широкополосного источника 1 света возбуждает две ортогональные поляризационные моды в ВС 2 с двулучепреломлением, распространяющиеся с различными постоянными распространения β_х и β_yсоответственно. В месте внешнего воздействия на ВС происходит взаимодействие мод, при котором часть энергии из каждой оптической моды переходит в другую с коэффициентом перехода h₁ и далее распространяется в ВС 2 в соответствующей моде на расстояние L₁ до места второго калиброванного воздействия сканирующим деформатором 6 на волокно, где также происходит взаимодействие мод с переходом части энергии из каждой моды в другую моду с коэффициентом перехода h₂. Далее излучение распространяется на расстояние L₂ до выходного конца ВС 2. При этом на выходном конце ВС 2 образуется интерференционный сигнал между проекциями двух ортогональных мод ВС, возможность наблюдать который обеспечивает поляризатор 3 с осью поляризации, расположенной под углом 45^о к осям двулучепреломления ВС 2. Нормированная амплитуда интерференционного сигнала для источника излучения с гауссовой формой линии излучения
S=

h₂·e

,
где Δ f ширина спектра источника излучения;

=

-

=

-

разность производных постоянных распространения двух мод ВС при f f_o- центральной частоте линии излучения, имеющая физический смысл разности групповых скоростей распространения излучения в ВС.Radiation from a broadband light source 1 excites two orthogonal polarization modes in BC 2 with birefringence, propagating with different propagation constants β _x and β _y, respectively. In the place of external influence on the VS, a mode interaction occurs, in which part of the energy from each optical mode passes to another with a transition coefficient h ₁ and then propagates in the VS 2 in the corresponding mode to a distance L ₁ to the place of the second calibrated fiber deformation of the scanning deformer 6, where the mode also interacts with the transition of a part of the energy from each mode to another mode with a transition coefficient h ₂ . Next, the radiation propagates a distance L ₂ to the output end sun 2. Thus at the output end sun 2 is formed between the projections of the interference signal of two orthogonal modes of the sun, which provides the opportunity to observe the polarizer 3 with an axis of polarization at an angle ^of 45 to the axes of birefringence sun 2 The normalized amplitude of the interference signal for a radiation source with a Gaussian shape of the emission line
S =

h ₂ · e

,
where Δ f is the width of the spectrum of the radiation source;

=

-

=

-

the difference of the derivatives of the propagation constants of two modes of the SC at ff _o - the center frequency of the emission line, which has the physical meaning of the difference of the group velocities of propagation of radiation in the SC.

Оптический интерферометрический сигнал преобразуется в электрический фотоприемником 4 и подается в блок 5 обработки. Максимум интерференционного сигнала достигается при L₂ L₁.The optical interferometric signal is converted into an electric photodetector 4 and fed to the processing unit 5. The maximum interference signal is achieved at L ₂ L ₁ .

Таким образом, разделяя ВС 2 на две части, одна из которых подвергается внешнему воздействию, а на другую оказывается калиброванное сканирующее воздействие деформатором 6, можно, зная величины L₂ и h₂, измеряя максимум интерферометрического сигнала S_o, определить место внешнего воздействия от выходного конца ВС L2L₂ и величину внешнего воздействия, рассчитывая коэффициент перехода энергии из моды в моду по формуле
h₁=0,5

1-

.Thus, dividing BC 2 into two parts, one of which is subjected to external influences, and the calibrated scanning action of the deformer 6 is provided to the other, it is possible, knowing the values of L ₂ and h ₂ , measuring the maximum of the interferometric signal S _o , to determine the place of the external action from the output end of the aircraft L2L ₂ and the magnitude of the external influence, calculating the coefficient of energy transfer from mode to mode according to the formula
h ₁ = 0.5

1-

.

В качестве примеров выполнения блока 5 обработки и блока 7 управления могут быть использованы схемы, представленные на фиг. 2 и 3. As examples of the execution of the processing unit 5 and the control unit 7, the circuits shown in FIG. 2 and 3.

Электрический сигнал (фиг. 2) с выхода фотоприемника 4 (фиг. 4а) поступает на вход блока 5 обработки, содержащего активный полосовой фильтр и выпрямитель, сигнал с которого (фиг. 4б) подается на вход Y блока 8 отображения информации, в качестве которого, например, может быть использован планшетный графопостроитель ПДП4-002. Блок 7 управления (фиг. 3) содержит импульсный генератор, сигнал с которого (фиг. 4в) подается на двоичный счетчик, а затем на регистр сдвига, с которого сигналы (фиг. 4г) подаются каждый на свой усилитель напряжения. Сигналы с выходов усилителей напряжения, являющихся выходами блока управления, подаются на сканирующий деформатор 6, содержащий, например, набор пьезокорректоров, к которым прижат ВС 2. Сигнал с двоичного счетчика подается также на цифроаналоговый преобразователь, сигнал с которого (фиг. 4д) подается на вход Х блока 8 отображения информации. An electric signal (Fig. 2) from the output of the photodetector 4 (Fig. 4a) is fed to the input of the processing unit 5 containing an active bandpass filter and a rectifier, the signal from which (Fig. 4b) is fed to the input Y of the information display unit 8, as which for example, the PDP4-002 flatbed plotter can be used. The control unit 7 (Fig. 3) contains a pulse generator, the signal from which (Fig. 4c) is supplied to the binary counter, and then to the shift register, from which the signals (Fig. 4d) are supplied to each voltage amplifier. The signals from the outputs of the voltage amplifiers, which are the outputs of the control unit, are fed to a scanning deformer 6, containing, for example, a set of piezoelectric correctors, to which the BC 2 is pressed. The signal from the binary counter is also fed to a digital-to-analog converter, the signal from which (Fig. 4e) is supplied to input X of the information display unit 8.

Вместо планшетного графопостроителя можно подавать преобразованные в цифровую форму сигналы на микропроцессор и проводить более сложную обработку, что позволяет расширить функциональные возможности индикатора. Instead of a tablet plotter, you can apply digitally converted signals to the microprocessor and carry out more complex processing, which allows you to expand the functionality of the indicator.

Claims (1)

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, содержащий оптически связанные источник излучения, одномодовый волоконный световод с двулучепреломлением, поляризатор оптического излучения и фотоприемник, а также блок обработки и блок отображения информации, при этом выход фотоприемника электрически связан с входом блока обработки, выход которого подключен к входу блока отображения информации, отличающийся тем, что введены сканирующий деформатор и блок управления, а блок отображения информации выполнен двухвходовым, при этом его второй вход электрически соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого электрически соединен с входом сканирующего деформатора, сопряженного с участком волоконного световода, причем положение сканирующего деформатора выбрано так, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком волоконного световода, причем положение сканирующего деформатора выбрано так, что участок волоконного световода, с которым он сопряжен, не пересекается с участком, на который осуществляется внешнее воздействие, и начало и конец одного из этих участков расположены на расстояниях, равных половине расстояний от выходного торца волоконного световода до начала и конца другого участка соответственно, а поляризатор оптического излучения установлен так, что его ось поляризации расположена под углом 45^o к осям двулучепреломления волоконного световода.EXTERNAL INFLUENCE FIBER OPTIC INDICATOR, comprising optically coupled radiation source, birefringent single-mode fiber, optical radiation polarizer and photodetector, as well as a processing unit and an information display unit, while the output of the photodetector is electrically connected to the input of the processing unit, the output of which is connected to the input information display unit, characterized in that a scanning deformer and a control unit are introduced, and the information display unit is two-input, while e about the second input is electrically connected to the first output of the control unit, the second output of which is electrically connected to the input of the scanning deformer coupled to the portion of the fiber, and the position of the scanning deformer is selected so that the portion of the fiber to which it is paired does not intersect the portion of the fiber moreover, the position of the scanning deformer is selected so that the portion of the fiber optic fiber with which it is mated does not intersect with the portion to which external the action, and the beginning and end of one of these sections are located at distances equal to half the distance from the output end of the fiber to the beginning and end of the other section, respectively, and the optical radiation polarizer is installed so that its polarization axis is at an angle of 45 ^o to the birefringence axes of the fiber optical fiber.

Images