ELEMENTY OPTOELEKTRONIKI

Temat : Układy detekcji zmian fazy.

Wykonał : Grupa : Data :

Mariusz Duk ED 8.3. 1998.04.15.

1. Wprowadzenie :

Układy detekcji zmian fazy są elementem składowym interferencyjnych czujników światłowodowych. Ich podstawowym zadaniem jest przeniesienie informacji zawartej w fazie sygnału optycznego, pochodzącego z interferometru światłowodowego, na sygnał elektryczny odpowiedni do dalszego przetwarzania w układach elektronicznych analogowych bądź cyfrowych.

Rys. 1.1. Podstawowe elementy czujnika światłowodowego.

Zasada działania interferencyjnych czujników światłowodowych opiera się na działaniu fizycznej wielkości mierzonej na fazę lub polaryzację światła propagującego w światłowodzie (przetworzenie zmian wielkości fizycznej na modulację fazy lub polaryzacji światła). Demodulacja fazy światła następuje w wyniku zjawiska interferencji przed zmianą sygnału optycznego na sygnał elektryczny w detektorze. W celu uzyskania dającej się wykorzystać informacji o wielkości mierzonej niezbędne jest dalsze przetwarzanie detekowanego sygnału w elektronicznym układzie detekcji. Często występuje również konieczność oddziaływania elektronicznego układu detekcji na część optyczną czujnika. Ma to na celu poprawienie cech użytkowych urządzenia takich jak np. czułość, stabilność, dynamika.

Interferometry mogą służyć jedynie do określenia różnicy faz pomiędzy opóźnieniami wnoszonymi przez ramiona interferometru - nie mierzą absolutnego opóźnienia fazy każdego z ramion. W związku z tym podstawowym zadaniem układu detekcji jest wyróżnienie tej części różnicy faz, która powstała na skutek oddziaływania wielkości mierzonej. Proces ten odbywa się w obecności szumów zakłócających pomiar. Poszczególne metody pozyskiwania sygnału pomiarowego (zawierającego interesujące nas informacje) w zależności od zasady działania, można zakwalifikować jako pasywne lub aktywne.

Układy detekcji aktywnej - charakteryzują się metodą, która wymaga pewnej formy sprzężenia zwrotnego bądź to do czujnika optycznego, bądź też do źródła światła lub techniką wykorzystującą elektrycznie pobudzany element optyczny, służący do wprowadzenia przesunięcia punktu pracy interferometru.

Układy detekcji pasywnej - wykorzystują metody bez sprzężenia zwrotnego lub metody nie wymagające wprowadzenia elementu przesuwającego punkt pracy.

Specjalnie dla czujników światłowodowych zostało opracowanych wiele metod przetwarzania sygnałów. Wybór odpowiedniej metody detekcji jest zależny od rodzaju czujnika interferometrycznego oraz cech charakterystycznych wielkości mierzonej (np. prędkość zmian wielkości mierzonej). Przy doborze metody detekcji należy zwrócić uwagę na położenie czujnika podczas pracy (np. w przypadku pracy w otoczeniu o dużym zagrożeniu wybuchem może być nie dozwolone zastosowanie elektrycznego sprzężenia zwrotnego).

Najczęściej stosowane metody detekcji to detekcje :

- homodynowa,

- heterodynowa,

- pseudo - heterodynowa.

2. Detekcja homodynowa :

Rys. 2.1. Schemat detekcji homodynowej na bazie interferometru Macha - Zehndera.

Sygnał pomiarowy oddziaływujący na gałąź sygnałową interferometru :

2.1.

Różnica faz fal świetlnych pomiędzy gałęzią sygnałową i odniesienia

2.2.

f₀ - przesunięcie fazowe wynikłe z oddziaływania otoczenia na światłowody,

f_s - przesunięcie fazowe indukowane w gałęzi sygnałowej przez sygnał mierzony.

Prądy fotodiod :

2.3.

i₀ - prąd związany z wejściową mocą optyczną,

V - widzialność prążków.

różnica znaków wynika z antyfazowych wyjść interferometru (przesunięcie fazowe pomiędzy dwoma wejściami - 180^o).

Prądy i₁ i i₂ odejmują się we wzmacniaczu różnicowym dając i₃ :

2.4.

Przy małej głębokości modulacji (f_s << 1) przyjmujemy :

2.5.

stąd :

2.6.

Prąd ten niesie całą informację o przesunięciu fazowym. Jest ona jednak silnie zakłócona wpływem fazy sygnału f₀, która powoduje zaniki sygnału pomiarowego. Aby zapewnić liniową zależność między amplitudą małego sygnału pomiarowego i prądem i₃ oraz wyeliminować wpływ fazy f₀, interferometr musi znajdować się w punkcie maksymalnej czułości (tzw. punkt kwadratury). Punkt ten jest określony warunkiem :

2.7.

m - liczba całkowita.

Warunek ten może zostać spełniony na drodze sprzężeń zwrotnych lub na drodze elektronicznej obróbki prądu i₃.

W układach aktywnej detekcji homodynowej zmiany każdego z trzech parametrów : L - drogi optycznej, n - współczynnika załamania światłowodu,
l₀ - długości fali świetlnej, od których zależy przesunięcie fazy :

2.8.

wytwarzają zmiany różnicy faz :

2.9.

Zgodnie z powyższym wyrażeniem sprzężenie zwrotne można realizować dostrajając długość L ramienia interferometru i współczynnika załamania n światłowodu (system aktywnego śledzenia fazy) lub długości fali świetlnej lasera l₀ (system strojenia długością fali lasera).

2.1. System aktywnego strojenia fazy :

Rys. 2.2. Schemat detekcji homodynowej - system aktywnego strojenia fazy.

W tym systemie do utrzymania interferometru w punkcie kwadratury można zastosować napięciowy korektor przesunięcia fazowego - piezoceramiczny cylinder, na który nawinięto światłowód gałęzi odniesienia, sterowany sygnałem różnicowym :

2.10.

lub

Pętla sprzężenia zwrotnego śledzi sygnały małej częstotliwości, w których zawarty jest człon zakłócający. System ten ma liniową charakterystykę przetwarzania o małym zakresie śledzenia fazy, jest prosty do wykonania - wymaga zastosowania elementu aktywnego (korektora przesunięcia fazowego).

2.2. System strojenia długością fali :

Rys. 2.3. Schemat detekcji homodynowej - system strojenia długością fali lasera.

Wykorzystuje fakt, że zmiana długości fali (częstotliwości) lasera powoduje zmiany fazy na wyjściu interferometru. Przesunięcie fazy wyraża się wzorem :

2.11.

Częstotliwość emisji diody laserowej może być w niewielkim zakresie regulowana przez zmianę prądu sterującego co wystarcza do utrzymania interferometru w punkcie kwadratury.

System strojenia długością fali może być stosowany razem z pętlą sprzężenia zwrotnego systemu aktywnego śledzenia fazy.

2.3. Systemy pasywnej detekcji homodynowej :

Rys. 2.4. Schemat pasywnej detekcji homodynowej.

W tych systemach uzyskuje się informację o zmianie fazy w światłowodzie sygnałowym interferometru, znajdującego się w punkcie kwadratury, bez stosowania elementów aktywnych. Natężenie światła obu wyjść optycznych interferometru zmieniają się w takt zmian fazowego członu (f₀ + f_s). Prądy fotodetektorów wyraża się :

2.12.

Aby uzyskać sygnał pomiarowy (f_s sin w_st) można zastosować jeden z dwóch popularnych układów elektronicznych. W pierwszym przypadku (rys. 5 a) po pasmowej filtracji sygnałów i₁ oraz i₂ dodaje się je wektorowo. Metodę tę stosuje się tylko dla małych amplitud zmiennych sygnałów pomiarowych (f_s << 1). W drugim przypadku (rys. 5 a) sygnały i₁ oraz i₂ są odpowiednio mnożone przez zróżniczkowane sygnały i₂ i i₁. Otrzymane dwa iloczyny są odejmowane we wzmacniaczu różnicowym, a następnie poddane całkowaniu. Na wyjściu układu całkującego uzyskuje się sygnał postaci :

2.13.

Innym rozwiązaniem pasywnej detekcji homodynowej jest metoda podwójnej długości fali źródła laserowego. Wykorzystuje zależność przesunięcia fazy fali świetlnej pomiędzy dwoma ramionami niezrównoważonego interferometru od długości fali użytego źródła światła. Dla różnicy długości dróg optycznych DL, przesunięcie fazy jest związane z długością fali źródła laserowego i wyrażone przez prąd fotodetektora
i₃ (l₀) :

2.14.

Jeżeli laser jest przełączony do nowej długości fali (l₀ + ∂l₀) to otrzyma się prąd fotodetektora :

2.15.

gdzie :

2.16.

lub

Jeżeli drugą długość fali świetlnej (l₀ + ∂l₀) przyjmie się taką, że :

2.17.

to pojawią się alternatywne sygnały prądu fotodetektora związane z dwiema długościami fal świetlnych :

2.18.

Po zastosowaniu jednego z wcześniej omówionych układów elektronicznych pasywnej detekcji homodynowej uzyskuje się sygnał postaci :

2.19.

3. Detekcja heterodynowa :

Rys. 3.1. Schemat detekcji heterodynowej.

Wiązka emitowana z lasera wprowadzona jest do interferometru przez akustooptyczny modulator (komórka Bragga). Częstotliwość światła w ramieniu odniesienia interferometru wynosi :

3.1.

f_l - częstotliwość światła,

f_m - częstotliwość pracy akustooptycznego modulatora.

Na wyjściu interferometru pojawia się sygnał o częstotliwości nośnej f_m zmodulowany członem interferencyjnym (f₀ + f_s sin w_st). Sygnał ten można zapisać :

3.2.

Sygnał ten jest demodulowany w odbiorniku (ogranicznik amplitudy, dyskryminator FM, układ całkujący i filtr małej częstotliwości.

Zalety :

- teoretycznie nieskończenie długi zakres śledzenia fazy,

- możliwie duży zakres dynamiki,

- eliminacja wpływów amplitudowych i polaryzacyjnych fluktuacji promieniowania laserowego dzięki głębokiemu ograniczeniu amplitudy lub zastosowaniu układu ARW dla sygnału i₃.

Wady :

- mniejsza czułość niż w przypadku układów homodynowych (wynik niestabilnej pracy modulatora akustooptycznego),

- układ elektroniczny wprowadza dodatkowe zakłócające przesunięcie fazowe,

- problem połączenia modulatora akustooptycznego z jednomodowymi światłowodami interferometru.

4. Detekcja pseudo-heterodynowa :

Stosuje się ją w celu wyeliminowania wad detekcji heterodynowej przy zachowaniu jej zalet. Stosowane są trzy podstawowe typy :

- syntetyczna detekcja heterodynowa,

- detekcja pseudo-heterodynowa,

- kwadraturowo - rekombinacyjna detekcja heterodynowa.

4.1. Syntetyczna detekcja heterodynowa :

Rys. 4.1. Schemat syntetycznej detekcji heterodynowej.

W tym systemie konfiguracja interferometru jest identyczna jak w przypadku systemu aktywnego śledzenia fazy detekcji homodynowej. Różnica występuje w sterowaniu modulatora piezoceramicznego, który zmienia tu fazę fali świetlnej w gałęzi odniesienia interferometru według zależności :

4.1.

Sygnał na wyjściu interferometru będzie miał postać :

4.2.

Sygnał zawiera człony o pulsacjach w_m i 2w_m. Po odfiltrowaniu są odpowiednio mnożone przez sygnały lokalnych oscylatorów. Uzyskane sygnały przechodzą przez filtry pasmowe o pulsacjach 3w_m oraz przez wzmacniacz różnicowy. Na wyjściu otrzymujemy sygnał postaci :

4.3.

Sygnał ten może być demodulowany przy pomocy elektronicznych układów stosowanych w przypadku detekcji heterodynowej.

Identyczny efekt można uzyskać stosując, zamiast modulacji fazowej w gałęzi odniesienia interferometru, modulację częstotliwości promieniowania laserowego przez sinusoidalne zmiany prądu lasera.

4.2. Detekcja pseudo - heterodynowa :

Rys. 4.2. Schemat detekcji pseudo - heterodynowej.

W tej metodzie wykorzystuje się fakt, że ruch prążków interferencyjnych w niezrównoważonym interferometrze może być wywołany przez zmiany częstotliwości promieniowania laserowego (wywołanego np. zmianą wartości prądu sterującego diody laserowej).

4.4.

DL - różnica dróg optycznych w interferometrze,

dν - zmiana częstotliwości emisji,

K_d (w) - współczynnik zależny od indywidualnych własności złącza laserowego.

Szybkość zmian fazy w interferometrze :

4.5.

- nachylenie zmian prądu diody laserowej o charakterze piłokształtnym.

Widmo sygnału na wyjściu interferometru będzie zawierać widmo sygnału sterującego prądem lasera. Jeżeli zostanie spełniony warunek :

4.6.

to największą część mocy sygnału będzie niosła m - ta harmoniczna. Jej przebieg posiada fazę proporcjonalną do przesunięcia fazowego fal świetlnych w gałęziach interferometru. Harmoniczna ta będzie postaci :

4.7.

Informacje o sygnale pomiarowym (f_s sin w_st) można otrzymać przy pomocy układów stosowanych w detekcji heterodynowej.

4.3. Kwadraturowo - rekombinacyjna detekcja heterodynowa :

Rys. 4.3. Schemat kwadraturowo - rekombinacyjnej detekcji heterodynowej.

Konfiguracja interferometru jest dokładnie taka sama jak w systemie pasywnej detekcji homodynowej. Za filtrami pasmowymi otrzymujemy sygnały :

4.8.

Sygnały te są mnożone przez sygnał o pulsacji w_c, następnie uzyskane przebiegi są sumowane we wzmacniaczu różnicowym. Przebieg na jego wyjściu przyjmuje postać :

4.9.

Podobnie jak w poprzednich metodach informacje o sygnale pomiarowym
(f_s sin w_st) można otrzymać przy pomocy układów stosowanych w detekcji heterodynowej.

---