научная статья по теме О СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛАХ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ВНУТРИСВЕТОВОДНЫХ МАССИВОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «О СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛАХ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ВНУТРИСВЕТОВОДНЫХ МАССИВОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ»

ЛИТЕРАТУРА

1. Сайт фирмы NVE: www.nve.com.

2. Dieny B. Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // JMMM. - 1994. - Vol. 136. - P. 335-359.

3. Касаткин С. И., Васильева Н. П., Муравьев А. М. Спинт-ронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе. — Москва: Электронинформ, 2005. — С. 168.

4. Амеличев В. В, Галушков А. И., Дягилев В. В. и др. Микроэлектронная магниторезистивная технология // Нано- и микросистемная техника. — 2007. — № 3. — С. 22—26.

5. Амеличев В. В, Гамарц И. А., Галушков А. И. и др. Анизотропные магниторезистивные датчики магнитного поля и тока // Автоматика и телемеханика. — 2009. — № 6. — С. 155—167.

6. Амеличев В. В, Герасименко Т. Н., Касаткин С. И, Поляков П. А. Градиентное магнитное поле для управления магнитными микро- и наногранулами в вязкой среде // Датчики и системы. — 2011. — № 1. — С. 15—19.

7. Амеличев В. В., Касаткин С. И., Поломошнов С. А. и др. Микросистема контроля двух компонент вектора магнит-

ной индукции на основе наноразмерных магниторезис-тивных структур // Нано- и микросисгемная техника. — 2011. — № 12. — С. 33—35.

8. Амеличев В. В., Гаврилов Р. О, Касаткин С. И. и др. Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства регистрации магнитных меток. // На-но- и микросистемная техника. — 2011. — № 12. — С. 2—54.

9. Амеличев В. В., Касаткин С. И., Муравьев А. М. и др. Маг-ниторезистивные преобразователи магнитного поля с тонкопленочными наномагнитами // Датчики и системы. — 2011. — № 8. — С. 61—64.

10. Амеличев В. В, Аравин В. В., Демин А. А. и др. Беспроводная магниторезистивная микросистема измерения магнитного поля // Известия высших учебных заведений. Электроника. — 2012. — № 6 (98). — С. 57—64.

11. Благов Е. В, Амеличев В. В., Костюк Д. В. Магниторезистивный преобразователь для датчиков тока // Нано- и микросистемная техника. — 2013. — № 4. — С. 22—25.

УДК 681.586.5;681.518.3

О СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛАХ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ВНУТРИСВЕТОВОДНЫХ МАССИВОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

ABOUT MODERN PHYSICAL LIMITS OF MULTIPLEXING ARRAYS

OF IN-FIBER OPTIC SENSORS

Буймистрюк Григорий Яковлевич

д-р техн. наук, генеральный директор E-mail: GY@isi.spb.ru

ООО "Сенсорное приборостроение "Интел-Системы", Санкт-Петербург

Аннотация: Рассмотрены принципы и физические пределы мультиплексирования внутрисветоводных массивов волоконно-оптических датчиков, построенных на волоконных чувствительных элементах двух видов: дифракционных и интерференционных. Оценки пределов в количестве мультиплексируемых массивов датчиков проводились с применением систем оптико-временной рефлектометрии с фотонной чувствительностью 10 17 Дж (коэффициент отражения 10 5) и систем плотного волнового оптического мультиплексирования со 160 спектральными каналами (межканальная помеха —25 дБ) подтвердили потенциал разрешения и предел мультиплексирования — свыше ста тысяч сенсоров.

Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, интерференционные, дифракционные, внутрисветоводные, распределенные, мультиплексирование, физические пределы.

Buymistryuk Grigory Y.

D. Sc. (Tech.), General Director E-mail: GY@isi.spb.ru

"Sensing Instruments "Intel-Systems"" LLC, St. Petersburg

Abstract. The principles and fundamental limits of multiplex in-fiber arrays of optical fiber sensors based on fiber sensing elements of three types. diffraction and interference. Assessing the limits in the number of multiplexed arrays of sensors carried with the use of optical systems with optical time-domain reflectometry with photon sensitivity 10 17 J. (reflection coefficient of 10 5) and systems of dense wavelength division multiplexing optical with 160 spectral channels (co-channel interference —25 dB) confirmed the potential resolution and multiplexing limit — more than a hundred thousand sensors.

Keywords: optical fiber sensors, sensing elements, interference, diffraction, in-fiber, distributed, multiplexing, physical limits.

ВВЕДЕНИЕ

Точечные волоконно-оптические датчики (ВОД), основанные на дифракции, интерференции, частотном смещении и других эффектах в оптическом волокне, являются измерительными

преобразователями и относятся к утверждаемым типам средств измерений (СИ), составляющим основу измерительных каналов и систем [1, 2].

Распределенные ВОД, основанные на эффектах рассеяния света на естественных неоднород-

ностях оптического волокна, являются индикаторными преобразователями и, строго говоря, не являются СИ, но широко применяются в системах контроля и мониторинга технического состояния протяженных объектов: трубопроводов, мостов, туннелей, скважин, границ государств, периметров охраны и др. [1, 3].

МАССИВЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ФАБРИ-ПЕРО

Для контроля давления, температуры, деформации, вибрации и других параметров протяженных объектов применяются интерференционные (фазовые) датчики — внутриволоконные интерферометры Фабри-Перо (ИФП) с малыми отражениями Френеля и малым вносимым затуханием [4].

Короткий сегмент волокна с измененным показателем преломления действует как широкополосный отражатель (зеркало) Френеля. Коэффициент отражения зеркала Френеля определяется выражением:

Я « (Дп/2п)2,

где п — показатель преломления сердцевины оптического волокна (~1,46); Дп — изменение показателя преломления в зоне созданного зеркала Френеля (~ 0,01). Пара таких отражателей образует внутрисветоводный низкодобротный ИФП, как показано на рис. 1.

В силу существенного вносимого затухания у высокодобротных ИФП мультиплексирование ограничено числом до 10 штук в одном оптическом волокне [4].

Предел мультиплексирования ВОД на ИФП в одном волокне определяется двумя факторами: бюджетом оптической мощности и шириной полосы частот системы. Очевидно, что чем меньшее вносимое затухание каждого ИФП-сенсора может быть обеспечено, тем большее количество сенсоров может быть мультиплексировано.

Предел мультиплексирования, определяемый бюджетом оптической мощности, задается выражением:

Р - Р

Ыр = с Рпор,

адБ

где Рс — величина сигнала, дБм; РпОр — порог чувствительности, дБм; адБ — вносимое затухание в каждом ИФП-сенсоре.

Рефлектометрическая измерительная система имеет уровень оптической мощности 0 дБм и ди-

1 Длина резонатора 1

\ Опорный луч- / :— ИФП-сенСор) )

1

Оптическое волокно "~~~"""'""--ЗерКаЛа

Рис. 1. Структура внутрисветоводного интерферометра Фабри-Перо

намический диапазон порядка 80 дБ. Средний уровень отраженного сигнала от ИФП-сенсора равен примерно —55 дБ, поэтому бюджет оптической мощности составляет около 25 дБ. Полагая вносимое затухание ИФП-сенсора равным около 0,1 дБ и затухание на участке между двумя ИФП-сенсо-рами пренебрежимо малым, предел мультиплексируемых ИФП-сенсоров при данном бюджете оптической мощности составит 250 штук.

Можно утверждать, что построение протяженного волоконного сенсорного кабеля с низкодобротными ИФП-сенсорами, которые работают на фазовом принципе формирования сигналов, создает малое вносимое затухание а < 0,05 дБ и теоретически позволяет мультиплексировать во временной области до 500 штук, а при комбинировании со спектральным мультиплексированием — до 2500 штук ИФП-сенсоров.

МАССИВЫ ВОЛОКОННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА

Современные волоконные дифракционные решетки (ВДР) Брэгга — вид дифракционных ВОД с малым вносимым затуханием (а < 0,001 дБ) и управляемым коэффициентом отражения (Я = = 0,0001...0,9999), которые позволяют реализовать информационно-измерительные системы с очень большим количеством чувствительных элементов (сенсоров) в одном оптическом волокне и кабеле. Схема системы мультиплексирования ВДР приведена на рис. 2.

Оценим современный предел мультиплексирования ВДР Брэгга. В случае изготовления последовательного массива ВДР с одинаковыми центральными длинами волн брэгговской дифракции ^0/ интенсивность оптического сигнала, отраженного от /-й ВДР, упрощенно равна:

I/ = 1оЯ(1 - Я)2(/ - 1},

где 1о — оптическая мощность, введенная в волокно от излучателя; Я — коэффициент отражения дифракционной решетки.

Рис. 2. Схема системы мультиплексирования массива ВДР-сенсоров:

ОВРМ — оптико-временной рефлектометр

Таким образом, интенсивность света, отраженного от 1-го ВДР-сенсора, равна:

i - 1

2„2П тт 2 .

i - 1

Ii = IoR П [(i - R/ в2 ] П а

i = 1 i = 1

Rj = R (j = 1, 2, 3, ..., i),

где aj — затухание оптического волокна (кабеля); Pj — затухание, вносимое ВДР.

Традиционно изготовители обычных ВДР указывают вносимое затухание адБ < 0,1 дБ на основной длине волны 10/, поэтому, добавив к нему брэгговское отражение R, можно (не проанализировав всесторонне) утверждать о невозможности разрешения количества датчиков свыше 100.

Наш подход к решению проблемы состоит в изготовлении слабоотражающих ВДР (R ~ 0,01 %), с малым вносимым затуханием (адБ ~ 0,001) и широкой полосой отражения (Al ~ 0,8 нм), которые зондируются высокочувствительной оптико-временной рефлектометрической системой одновременно в комбинированном режиме оптико-временного мультиплексирования (ОВМ) по отражениям Френеля и волнового оптического мультиплексирования (ВОМ) по отражениям Брэгга.

Метод ВОМ/ОВМ комбинированного мультиплексирования массивов внутрисветоводных ВДР известен и практически освоен [5]. Известны зарубежные волоконно-оптические измерительные системы с количеством однотипных ВДР порядка трех тысяч. Например, это системы на основе оптико-частотной рефлектометрии типа "OFDR" фирмы Luna Innovations Inc для контроля аэрокосмических конструкций [6].

Собственное затухание одномодового волоконно-оптического сенсорного кабеля в новом столетии невелико аок ~ 0,15 дБ/км. Динамический диапазон анализатора отраженных оптических сигналов составлял 85 дБ (от +25 до -60 дБ)

Динамический диапазон системы зондирования и анализа массива из N датчиков на основе ВДР определяется в виде:

D = IW/IN0 = (1 - R)2(N - W* - 1),

где а и в — средние значения вносимого затухания ВДР и оптоволокна между соседними решетками; N — число зондируемых и мультиплексируемых датчиков.

Тогда количество разрешаемых датчиков в сенсорном кабеле:

N = 1 + °,5lQgio

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком