Методы стабилизации и обработки сигналов ВОИ.

Достижение порога чувствительности волоконного интерферометра рад является проблемой, от практического решения которой зависит успех практического внедрения ВОИ в качестве датчиков физических величин.

Решение этой проблемы может быть достигнуто тремя путями, которые, однако, не являются взаимоисключающими:

1) уменьшение амплитудных и фазовых шумов и увеличение длины когерентности источников света, наиболее часто используемых в компактных ВОИ, а именно — полосковых полупроводниковых лазеров (об устройстве этих приборов подробно рассказано в гл. 4);

2) активная или пассивная стабилизация рабочей точки интерферометра с целью предотвращения флуктуаций выходного сигнала

3) совершенствование методов обработки выходного сигнала в целях решения обеих указанных выше задач.

Рассмотрим основные результаты, полученные в каждом из направлений.

Уменьшение амплитудных и фазовых шумов. Как следует из выражения (3.52), переменная составляющая детектируемого сигнала ВОИ пропорциональна измеряемым фазовым сдвигам выходного при условии :

а постоянная составляющая детектируемого сигнала

Таким образом, если мы хотим регистрировать фазовые сдвиги рад, необходимо быть уверенными, что амплитудный шум, который вносится источником света и после его прохождения по обоим плечам интерферометра детектируется как часть переменной составляющей в данной полосе частот, не превышает значения

где — мощность амплитудной шумовой составляющей; — мощность постоянной составляющей излучения лазера.

Измерение мощности амплитудных шумов различных полупроводниковых лазеров в диапазоне частот Гц показало (см. работу [108]), что функция спадает, как во всем этом диапазоне и превосходит уровень, характеризующийся выражением (3.60), при частотах Гц. Одной из основных причин амплитудного шума является самопроизвольное изменение числа генерируемых лазером продольных мод [199], вызванное оптической обратной связью лазера с интерферометром.

В настоящее время принято считать, что для подавления амплитудных шумов (в 10 и более раз) необходимо совместное использование двух методов: дифференциальной обработки сигналов ВОИ и уменьшения оптической обратной связи между интерферометром и лазером.

Суть метода дифференциальной обработки сигналов заключается в том, что в выходной плоскости 10 (рис. 3.21, а) располагаются две щели и соответственно два фотоприемника. Щели сдвинуты на нечетное число полупериодов интерференционной картины Таким образом, детектируемые сигналы имеют вид (при ):

Применяя дифференциальное усиление сигналов первого и второго фотодетекторов, мы получаем выходной сигнал, пропорциональный полезной составляющей,

По сути дела подавление амплитудного шума лазера свелось здесь к усовершенствованию способов обработки выходного сигнала, что подтверждает высказанное выше соображение об отсутствии резких границ между тремя направлениями достижения низких порогов чувствительности.

Другой, чисто оптический, путь снижения амплитудных шумов (на 20—60 дБ) состоит в снижении обратного отражения в резонатор лазера от всех компонентов ВОИ до значений Это не так просто сделать, если учесть, что френелевское отражение от границы раздела стекло—воздух приводит к возвращению обратно падающей мощности. Поэтому при конструировании ВОИ необходимо избегать воздушных промежутков между оптическими компонентами. Это еще раз свидетельствует о преимуществе полностью волоконного интерферометра.

Фазовый шум источника опасен в интерферометрических системах, потому что он, не влияя на значение генерируемой мощности, вызывает смещение генерируемой лазером частоты (или, точнее, центральной частоты генерируемого спектра частот).

При этом происходит изменение длины волны излучения

и в соответствии с выражением (3.36) меняется фаза в рабочем плече — как за счет простого изменения X в знаменателе формулы (3.36), так и а счет изменения из-за дисперсии материала, просвечиваемого световым потоком.

Если длина опорного волокна не равна в точности длине рабочего волокна , то возникающее в опорном волокне изменение фазы не компенсирует если

Следовательно, согласно выражению (3.40) на выходе интерферометра возникает сигнал, не отличимый от полезного и не устранимый с помощью техники простого или дифференциального усиления.

Борьба с фазовым шумом также сводится к значительному (до ) ограничению уровня обратных отражений в резонатор лазера, а также — к тщательному (до 1 мм) выравниванию длин волокон, применяемых в обоих плечах ВОИ.

Как будет показано в гл. 4, длина когерентности лазера существенно зависит от спектра генерируемых мод. В свою очередь, эффективное управление спектром мод осуществляется с помощью связанного резонатора или третьего зеркала. При уровне обратного отражения оптическая схема интерферометра начинает выполнять функции внешнего резонатора, что может привести к расширению спектра генерируемых мод и, как следствие, к резкому уменьшению По сравнению с влиянием шумов лазера, ограничивающих динамический диапазон ВОИ, уменьшение длины когерентности до значений приводит к полной потере контраста в интерференционной картине (аналогично случаю а и ВОИ не только перестает работать на пределе обнаружения но и вообще практически «не чувствует» внешнего сигнала. При конструировании ВОИ необходимо исходить не из тех значений которые характерны для «чистого», ненагруженного резонатора, а из реально получающихся при сопряжении лазера с конкретной оптической схемой

Стабилизация рабочей точки интерферометра. Стабилизация возможна в двух вариантах, пассивном и активном.

Пассивная стабилизация технически более проста и заключается в следующем: в одно из плеч интерферометра (чаще в опорное) вводится элемент, позволяющий гармонически менять фазу опорной волны на частоте а измерение уровня сигнала производится усреднением за время, превышающее период принудительной фазовой модуляции Физически этот метод можно пояснить следующим образом: вместо того чтобы стабилизировать рабочую точку, мы в течение времени измерения сигнала принудительно заставляем ее двигаться по модуляционной кривой интерферометров. Поскольку линейное изменение фазы (а именно такой метод наиболее эффективен) сопряжено с техническими трудностями, приходится вводить принудительную фазовую модуляцию в опорном плече по гармоническому закону обычно . В том случае, когда не только но и имеет гармоническую модуляцию, выражение, описывающее составляющую фототока, на частоте внешнего сигнала имеет вид [1]

Из выражения (3.63) следует, что если т. е. принудительная фазовая модуляция отсутствует, сигнал на частоте

претерпевает спонтанные изменения от максимального до минимального значения в соответствии с мгновенным значением аргумента в коэффициенте меняющемся от 0 до 1. Обычно частота флуктуации разностной фазы не превышает 1—2 Гц. Следовательно, регистрируемый полезный сигнал будет флуктуировать, и его истинное значение становится неопределенным.

Рис. 3.22. Схемы стабилизированных ВОИ а — стабилизация длины опорного плеча, б — подстройка длины волны излучателя лазера. 13 — устройство усиления сигнала обратной связи 14 — льезо катушка, 15 — устройство выработки сигнала обратной связи, 16 — усилитель, 17 — термокамера (остальные обозначения см рис. 3.21)

Введение принудительной фазовой модуляции с частотой и амплитудой позволяет в сочетании с использованием пикового детектора в электронной части регистрирующей схемы точно измерять величину, пропорциональную , а при малых — непосредственно амплитуду внешнего сигнала

Недостатком данной простой схемы является то, что она пригодна для измерения узкополосных сигналов спектр которых расположен за пределами низкочастотной зоны, т. е.

Другой метод пассивной стабилизации сигнала тоже связан с гармонической модуляцией фазы в тракте опорной волны, но только на частотах [109]. Суть этого метода такова: как и в схеме дифференциального усилителя, используются два фотодетектора, сдвинутых на полпериода интерференционной картины (рис. 3 22, а) Кроме того, в опорном плече с помощью

пьезоэлектрического цилиндра с намотанным на него волокном или с помощью ячейки Брэгга производится сдвиг несущей частоты оптического излучения опорной волны на величину кГц.

Два противофазных сигнала на частоте выделяются на каждом из фотодетекторов, согласно формулам (3.40) и (3.52):

и из них электронными методами формируется разностный сигнал

Подавая сигнал на частотный дискриминатор, настроенный на разностную частоту, мы получаем с него сигнал

Этот метод называется гетеродинным детектированием, а соответствующий ВОИ—гетеродинным интерферометром [156] в отличие от гомодинных вариантов, описанных вначале.

Отличие способов обработки сигнала [см. формулу (3.66)] от традиционных методов гетеродинного детектирования в радиотехнике состоит в том, что в сигнале, описываемом выражением (3.66), содержится сравнительно слабый полезный сигнал

1) на фоне большого сигнала на несущей частоте.

Поскольку скорость изменения сигнала дрейфа относится, как правило, к более низкочастотному диапазону, чем ожидаемые частоты полезного сигнала то, пропустив сигнал через соответствующий фильтр, можно затем выделить на интегрирующем устройстве полезный сигнал Отметим здесь, что формирование разностного сигнала из двух сигналов фотоприемников не является обязательным для гетеродинного ВОИ. Сигнал на разностной частоте содержится в каждом из сигналов фотоприемников, однако по причинам, указанным выше, такая схема детектирования сигнала является предпочтительной.

Одним из наиболее эффективных методов активной стабилизации является фазовая подстройка опорного плеча. Так же как и в схеме, изображенной на рис. 3.22, а, все опорное волокно (или его часть) намотано на пьезокерамический цилиндр 14 (см. рис. 3.22, б), увеличение напряжения на котором удлиняет опорное волокно и увеличивает фазу Сигнал ошибки вырабатывается в блоке 15 и усиливается блоком 16. Процедура

получения сигнала ошибки состоит в следующем. Выражение (3.66) для интересующего нас случая можно записать в виде

где — дополнительный сдвиг фазы, обусловленный удлинением волокна за счет изменения диаметра пьезокатушки при подаче на последнюю напряжения из цепи обратной связи.

Поскольку начальная рабочая точка соответствует условию квадратуры, то и формула (3.68) преобразуется к виду

Учитывая, что . можно заключить, что сигнал ошибки увеличивается линейно по мере отклонения рабочей точки от положения, характерного для квадратурного режима, что идеально подходит для целей обратной связи. В том случае, когда ограничения на малость полезного сигнала снимаются из практических соображений, перед формированием сигнала ошибки необходимо поставить соответствующий фильтр низких частот.

Другим способом, позволяющим корректировать спонтанный дрейф рабочей точки, является подача аналогично получаемого сигнала ошибки на устройство термической стабилизации полупроводникового лазера. Известно (см. гл. 4), что у полупроводниковых лазеров наблюдается термический дрейф длины волны генерируемого излучения около Если длины опорного и рабочего плеч ВОИ не идеально выравнены, то изменение длины волны источника приводит к появлению дополнительного фазового сдвига. Подобрав соответствующим образом знак и численное значение сигнала обратной связи, можно, слегка изменяя рабочую температуру лазера, корректировать дрейф рабочей точки. Этот метод отличается меньшей оперативностью по сравнению с другими, так как постоянная времени исполнительного механизма цепи обратной связи (термохолодильника Пельтье) составляет несколько секунд. Метод фазовой подстройки опорного плеча значительно более оперативен и обеспечивает очень большой динамический диапазон, так как деформация пьезокатушки линейна по отклонению к подаваемому напряжению во всем диапазоне предпробойных напряжений.

Методы обработки сигналов. Наиболее известным методом обработки сигналов, снимаемых с фотодетекторов 12 и описываемых выражениями (3.64) и (3.65), является следующий. Разностный сигнал [см. формулу (3.66)] линеен по отношению к измеряемому сигналу при двух условиях: При этом описывается выражением (3.69), в котором, однако для рассматриваемого случая без обратной связи. Однако, если условие квадратуры нарушается, сигнал нелинейно спадает при росте и стремится

к 0 при Таким образом, возникает самопроизвольное затухание (фединг) сигнала.

В том случае, когда дрейф рабочей точки происходит очень медленно и монотонно, это явление в ряде случаев можно не принимать в расчет. Часто высказывается следующее неверное соображение: температурный дрейф фазы из-за изменения длины волокон при термическом воздействии неопасен по той причине, что температура, как правило, меняется очень медленно. Однако это не так, даже если скорость изменения температуры невелика и равна, например, коэффициент термического приращения фазы в кварцевом волокне составляет не менее . В интерферометре с длиной плеч даже такой незначительный температурный дрейф приведет к дрейфу фазы

Поэтому с помощью сигнала (3.68) формируется другой сигнал, сдвинутый относительно него на т. е.

Затем из [см. формулу (3.68) ] и [см. формулу (3.70) ] синтезируется сигнал по следующему алгоритму:

Простой расчет показывает, что сигнал оказывается тождественным сигналу частотного дискриминатора в гетеродинном ВОИ [см. выражение (3.68)].

Здесь мы опять подошли к вопросу об извлечении полезного сигнала из сигнала типа описываемого выражением (3.67). Решение этой проблемы не представляет серьезных технических трудностей, только если частоты полезного сигнала и фазового дрейфа значительно отличаются

Таким образом, к настоящему времени разработаны методы шумоподавления, активной и пассивной стабилизации рабочей точки ВОИ, методы гетеродинирования и обработки сигналов, позволяющие стабилизировать уровень сигнала и снизить шумы источника. Тем не менее детектирование сигналов, вызывающих эквивалентное изменение фазы рад, возможно только с применением сложных технических средств. Если же исследуемый сигнал не узкополосный, как было в нашем случае, а занимает широкий спектр частот, то и этот порог чувствительности трудно реализовать в настоящее время.