FACULTY OF ADVANCED TECHNOLOGIES AND CHEMISTRY. Wprowadzenie Podstawowe prawa Przetwarzanie sygnału obróbka optyczna obróbka elektroniczna

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "FACULTY OF ADVANCED TECHNOLOGIES AND CHEMISTRY. Wprowadzenie Podstawowe prawa Przetwarzanie sygnału obróbka optyczna obróbka elektroniczna"

Mateusz Kowal
9 lat temu
Przeglądów:

1 Interferometry światłowodowe Wprowadzenie Podstawowe prawa Przetwarzanie sygnału obróbka optyczna obróbka elektroniczna

2 Wprowadzenie Układy te stanowią nową klasę czujników, gdzie podstawowy mechanizm działania polega na zmianie przez czynnik mierzalny drogi optycznej lub polaryzacyjnych własności włókna. Czujniki te noszą też nazwę czujników wewnętrznych lub fazowych. Dla włókna optycznego, technika obróbki optycznej, która przetwarza informację fazową na informację natężeniową (ΔI), nazwana jest interferometrem światłowodowym. Jest to prosty układ światłowodowy pozwalający na obserwowanie interferencji pomiędzy dwiema lub większą liczbą wiązek optycznych.

Dla włókna optycznego, technika obróbki optycznej, która przetwarza informację fazową na informację natężeniową (ΔI), nazwana jest

3 Interferometry światłowodowe stanowią odpowiednik wszystkich znanych interferometrów objętościowych, gdzie droga wiązki świetlnej zamknięta jest w strukturze włókna jednomodowego lub włókna utrzymującego polaryzację.

gdzie droga wiązki świetlnej zamknięta jest w

4 Podstawowe prawa Czujnik optyczny możebyć formalnie zdefiniowany jako urządzenie w którym sygnał optyczny jest zmodulowany w odpowiedzi na mierzalne pole. Zakładając że źródło ma dobrze zdefiniowane widmo oraz, że jego pole elektryczne dla jednostkowej jszerokości ś pasma dla długościś fali λ jest Ε(λ), to odpowiadające d mu pole elektryczne na wyjściu czujnika będzie: Gdzie T(X, λ) jest macierzą propagacji opisująca element czujnikowy, zaś X wektorem opisującym czynnik mierzalny (pole fizyczne), włączając wyrażenia reprezentujące temperaturę, naprężenie i pola elektromagnetyczne. Zadaniem przetwarzania sygnału systemu czujnika jest przekształcenie tego wzoru celem wyznaczenia T ponownego jego przekształcenia dla określenia X i na tej podstawie obliczenia jego względnych składowych celem określenia mierzonego czynnika.

czujnika będzie: Gdzie T(X, λ) jest macierzą propagacji opisująca element czujnikowy, zaś X wektorem opisującym czynnik mierzalny (pole fizyczne), włączając wyrażenia reprezentujące temperaturę,

5 Macierz T wygodnie jest zapisać jako iloczyn wyrażeń opisujących fizycznie obserwowalne oddziaływanie na przechodzącą wiązkę: gdzie: a skalarna transmitancja, φ1 φ średnie opóźnienie fazowe, zaś B macierz dwójłomności danego elementu; wszystkie te wielkości są zarówno dyspersyjne jak i czułe nazmianyśrodowiskowe. W systemach jednommodowych, mechanizmy czujnikowe bazują na modulacji jednego lub kombinacji powyższych trzech parametrów. W praktyce jednak transmitacja włókna jest słabo zależna od środowiskowych zmian, stąd wewnętrzne czujniki fazowe bazują głównie na fazowej lub polaryzacyjnej modulacji. Zastosowanie formalizmu Jonesa daje funkcje przenoszenia: gdzie: a0 stała, zaś B macierz Jonesa przetwornika.

W systemach jednommodowych, mechanizmy czujnikowe bazują na modulacji jednego lub kombinacji powyższych trzech parametrów.

6 Jeżeli włókno posiada idealna symetrię cylindryczną: B = I, dwójłomnościowych własności włókna. Na przykład, dla włókna o liniowej dwójłomności: Włókno to posiada dwa liniowo spolaryzowane mody własne, takie że φ2 określa indukowane względne fazowe opóźnienie pomiędzy modami własnymi wywołane przejściem wiązki przez włókno. Dla włókna o kołowej dwójłomności: gdzie: 2φ3 indukowane względne fazowe opóźnienie pomiędzy modami własnymi, które są w tym wypadku kołowymi lewo- i prowo- skrętnymi polaryzacjami.

indukowane względne fazowe opóźnienie pomiędzy modami własnymi wywołane przejściem wiązki przez włókno.

7 Czułość włókna może być określona w wyrażeniach zależności fazy φi (i=1,2,3) na zewnętrzne wymuszenia takie jak temperatura (T), ciśnienie (P), odkształcenie (Δl/l): l długość włókna w przetworniku, ni - względny współczynnik załamania włókna. Funkcja przenoszenia: I=I'{1+V(γ)cos[φ α(γ)]} I=I'{1+V(γ,SOP)cos[φ α(γ,sop)]} układ objętościowy układ światłowodowy

długość włókna w przetworniku, ni - względny współczynnik załamania włókna.

8 Fazowa lub polaryzacyjna demodulacja nośnej optycznej jest otrzymywana poprzez zastosowanie interferometru, zaś dalsze przetworzenie sygnału na użyteczną postać realizuje układ przetwarzania elektronicznego. IWB interferometry współ- Bieżne IPB interferometry przeciw- bieżne ANALIZA: 1. Wpływ sprzęgaczy 2. Wpływ położenia PF 3. Wpływ konfiguracji Optyczne przetwarzanie sygnału

9 Idealna konstrukcja (bez polaryzacji) Opis sprzęgacza: Interferencja: Stopień koherencji źródła: Widzialność (kontrast) interferencyjny: Natężenie na detektorze: Praktycznie: oraz zatem γ=1, V=1

10 Idealna konstrukcja (bez polaryzacji) Natężenia: Natężenie na detektorze:

11 Idealna konstrukcja twierdzenie o ekwiwalentności Kaprona: Wektor Jonesa dla źródła: Macierz układu: Funkcja przenoszenia: Współczynnik skali Konfiguracja Bias czułość zakres dynamiki dryft

12 Interferometr różnicowy (polarymetr liniowy): Funkcja przenoszenia: dla δ=α=π/4 Zmiana własności polaryzacyjnych wpływa jedynie na zakres dynamiki Polarymetr kołowy:

13 Interferometr Macha-Zehndera: a. Tylko skręt: b. Tylko dwójłomność MZ (RP) są bardzo wrażliwe na zmiany wejściowego SOP oraz własności polaryzacyjnych włókna

14 Interferometr Michelsona (Fabry-Perota): Wejściowa wiązka o liniowym SOP (β=π/4) IM (FP) są bardziej ( ) ą j stabilne polaryzacyjnie. Brak wpływu skrętu włókna, zaś dwójłomność wpływ podwójny.

15 Interferometr Sagnaca: a. Tylko skręt: b. Tylko dwójłomność Brak wrażliwości interferometru Sagnaca na czystą dwójłomność

16 Redukcja wpływu polaryzacji: zastosowanie włókien Hi-Bi (wzrost kosztów 3 USD/m, konieczność dopasowywania wejściowego SOP do elementów) korekcja poprzez nastawnik polaryzacji redukcja stopni swobody (Φ δ Ω): ) różnicowy filtracja polaryzacyjna (pokazano) konfiguracje MZ i RP niestabilne aktywna kontrola polaryzacji wybór odpowiedniej konfiguracji optycznej: - IPB zamiast IWB (bardziej stabilne) - pomiar SOP w czasie rzeczywistym (detekcja polaryzacyjno-fazowa) - interferometr Sagnaca w układzie odwracalnym

(pokazano) konfiguracje MZ i RP niestabilne aktywna kontrola polaryzacji wybór odpowiedniej konfiguracji optycznej: - IPB

17 Interferometr DW dwufalowy (λ1 i λ2) - rozszerzenie obszaru dynamiki Funkcja przenoszenia: Wzrost dynamiki o czynnik Interferometr światła białego Alternatywna metoda zwiększenia dynamiki poprzez zastosowanie źródła o krótkiej drodze koherencji pozwalająca mierzyć zarówno fazę jak widzialność obrazu interferencyjnego celem zwiększenia dynamiki pomiaru.

metoda zwiększenia dynamiki poprzez zastosowanie źródła o krótkiej drodze koherencji

18 Wyjściowe pole elektryczne: Określają różnicę w czasie propagacji pomiędzy drogą 1 i 2 dla odbiorczego i czujnikowego interferometru => funkcja przenoszenia:

19 Funkcja przenoszenia: Elektroniczne przetwarzanie sygnału Zatem interferometr nie mierzy absolutnego opóźnienia fazowego a jedynie względne opóźnienie fazowe pomiędzy dwoma ramionami. Zasadniczy problem przetwarzania sygnału to rozpoznanie tej części zmian fazy która pochodzi od czynnika mierzalnego przy występowaniu różnych źródeł szumu. Zasadniczo dogodnie jest podzielić faz ę mierzoną na całkowity wkład od źródeł szumu (φd) i wkład od sygnału (φssinωst). Prąd ą fotodektora: Widmo sygnału elektrycznego: ponieważ czułość jest zależna od czynnika szumowego φd konieczne jest zastosowanie bardziej wyuzdanej techniki detekcyjnej

Zasadniczy problem przetwarzania sygnału to rozpoznanie tej części zmian fazy która pochodzi od czynnika mierzalnego przy występowaniu różnych źródeł szumu.

20 Aktywna homodyna Schemat ten używa servo mechanizmu celem utrzymania interferometru w stałym punkcie pracy tzn. (φd) = const. np. π/2 (praca w kwadraturze) Pasywna homodyna Technika ta wymaga takiej konfiguracji by dwa wyjścia z układu były przesunięte o stała wartość fazową najlepiej π/2 radiana. Np.. poprzez zastosowanie sprzęgacza 3x3 lub dla polarymetru poprzez dołożenie płytki ćwierćfalowej, wówczas: po zastosowaniu filtra wąskoprzepustowego Podnosząc do kwadratu i dodając

π/2 (praca w kwadraturze) Pasywna homodyna Technika ta wymaga takiej konfiguracji by dwa wyjścia z układu były

21 Techniki heterodynowe Przetwarzanie heterodynowe pozwala na otrzymanie linowej odpowiedzi układu w szerokim zakresie pomiarowym. Heterodyna oznacza, że optyczne częstotliwości w ramieniach interferometru są niezrównoważone, co osiąga się poprzez zastosowanie w ramieniu odniesienia modulatora takiego jak komórka Bragga. Wówczas na wyjściu Zatem sygnał wyjściowy ma postać fazowo-zmodulowanej nośnej heterodynowej, której obróbka elektroniczna jest świetnie rozwinięta przez technikę radiową.

Podobne dokumenty

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny Systemy koherentne wstęp Systemy transmisji światłowodowej wykorzystujące podczas procesu transmisji światło