CC BY
35
-►
Приборы, информационно-измерительные системы
УДК 681.787
А.В. Медведев, И.Е. Чапало
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОМ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМЕ ОХРАНЫ НА ОСНОВЕ МЕЖМОДОВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
В ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ
Волоконные интерферометрические датчики применяются для измерения или регистрации изменения различных физических величин, например, температуры, давления. Одним из них является межмодовый волоконный интерферометр (МВИ) - датчик, использующий интерференцию мод на выходе многомодового световода. Он состоит из лазера, многомодового световода и фотоприемника, принимающего часть выходного излучения световода (рис. 1). Внешние возмущения световода, такие как изменение температуры, давление, растяжение, изгибы вызывают изменения разности фазовых задержек мод, вследствие чего изменяется интерференционная картина на выходе световода, представляющая собой набор характерных ярких и темных пятен. Чтобы регистрировать эти изменения, на фотоприемник подается часть интерференционной картины, поскольку общая интенсивность излучения остается неизменной.
Данный датчик может применяться для регистрации внешних воздействий (возмущений), когда не требуется точного измерения величины
воздействия, а необходимо только его обнаружение. Подобные задачи возникают при разработке систем охраны периметра объектов, технического мониторинга протяженных конструкций и т. п.
Основной проблемой при регистрации воздействий на световод с использованием сигнала межмодовой интерференции является фединг амплитуды сигнала. Причем, учитывая особенности поведения сигналов вследствие связи мод, это явление фактически невозможно контролировать или компенсировать за счет применения вспомогательных модулирующих сигналов и подобных методов обработки сигнала МВИ.
Одним из эффективных методов борьбы с федингом является использование многоканального приема сигнала. Ранее применялось аналоговое устройство обработки сигналов десяти каналов. В статье рассматриваются вопросы, связанные с разработкой аналогичного устройства с цифровой обработкой сигналов (ЦОС) для охранной сигнализации периметров объектов. ЦОС позволяет существенно расширить возможности устройства по сравнению с ранее использованной
Рис. 1. Схема межмодового волоконного интерферометра
аналоговой обработкой, сделать устройство более универсальным и упростить принципиальную схему.
Теоретические основы
Для обоснования свойств сигналов МВИ необходимо опираться на подробную математическую модель, которая была развита в лаборатории волоконной оптики кафедры радиофизики. Приведем основные математические выражения, необходимые для описания сигналов МВИ.
Рассмотрим интерференцию мод на выходном торце многомодового световода длиной Ь, возбуждаемого когерентным источником с частотой ю. Запишем известное выражение для распределения интенсивности на выходе многомодово-го световода [1, 2]:
/(г) = ЙД2£(2 + ¿¡=1 ;=1 *=1 1>к
где N^ - число распространяющихся мод; Е. = Е(г, ф), Ек = Е(г, ф) - нормированные мо-довые функции г-й (к-й) моды (распределение поля моды в поперечном сечении световода); г -радиус-вектор точки поперечного сечения световода; Л. (Лк) - амплитуды полей г-й (к-й) моды, определяемые мощностью источника и условиями возбуждения мод; ф.к - разность фаз г-й и к-й мод
Фк = (Р, - вк)Ь + (Ф - Фк) = = ДР,кЬ + (ф, - Фк) = лр,кЬ + (ФД
где р. - постоянная распространения г-й моды, Ф - учитывают дополнительные сдвиги фазы, вызванные изгибами и другими неоднородностя-ми реального световода, что обычно интерпретируется в рамках «взаимодействия мод» [3, 4], или как следствие анизотропных свойств сердцевины световода.
При регистрации света на выходе волокна, фотоприемное устройство принимает излучение с некоторой площадки 5. При этом интенсивность светового потока, регистрируемого фотоприемником, можно записать в виде
2 ¿=1 ,, ¡=14=1 ,
I >к
Введем обозначения:
= С2, \E.E\ds = Ск,
2 и , 21=1
Тогда интенсивность, регистрируемую приемником, можно записать как
1 N . . N N
Д«) = - £ Д2С(2 + 11 Аксл С08 ф,, =
2 ¡=1 ¿=1 к=1
¡>к
N N
^/о + ЕЕА^с^совф^,
¡=1 к=1
где Л к = Л,Лк.
Первое слагаемое представляет собой сумму интенсивностей мод (по площадке 5). Предполагая постоянство условий возбуждения световода и отсутствие воздействий, заметно изменяющих потери мощности в волокне. Это слагаемое будем считать константой. Второе слагаемое - интерференционная составляющая - результат интерференции полей мод. Оно изменяется в результате воздействий на световод, меняющих разность фаз мод ф к, и описывает собственно сигнал МВИ.
В реальных условиях МВИ подвергается многочисленным воздействиям У((), которые изменяют разность фаз мод ф,.к и приводят к изменению регистрируемой фотоприемником выходной интенсивности МВИ /(?). Прежде всего, это механические (вибрационные) воздействия на волокно. Они разделяются на «полезные воздействия» 5У, которые несут в себе информацию, и паразитные воздействия, «помехи», которые необходимо отфильтровать. Отклик МВИ на «полезные воздействия» обозначен 51 (рис. 2).
Реальные полезные механические воздействия, как правило, находятся в частотном диапазоне от единиц до нескольких сотен Гц. В большинстве случаев нет информации о форме сигнала полезного воздействия или времени, когда оно будет происходить, поэтому составляющая сигнала МВИ, вызванная помехами, попадающими в «полезный» частотный диапазон, фактически неотличима от составляющей, связанной с информационным воздействием, и мешает его регистрации.
Другим классом воздействий АУ, вызывающих значительные сдвиги в разности фаз мод фк, являются изменения внешних условий, в которых находится световод, например, температуры, давления. Они, как и механические помехи, вызывают паразитные, неинформативные изменения выходной интенсивности. Однако существенное отличие данного типа воздействий состоит в том, что изменения внешних условий являются квазистатическими (рис. 2). В реальных системах
частотный диапазон изменении, определяемых внешними условиями, обычно находится в области ниже сотых долей Гц, что и определяет их влияние на работу МВИ. Отклик МВИ на квазистатические изменения внешних условий обозначен А/.
Обозначим квазистатические, медленные изменения разности фаз мод - Аф*, а колебания фЛ в частотном диапазоне полезных воздействий («быстрые» изменения) - 5ф.*. Обозначим также начальные значения разности фаз мод ф* после чего можем записать полные разности фаз в виде
ф* (') = ф0к + аф* (') + 8фЛ (Ь
где первые два слагаемых образуют квазистатическую часть разностей фаз мод, а последнее слагаемое описывает переменную составляющую.
Для образования сигнала межмодовой интерференции имеет значение не изменение самих фазовых задержек мод, а изменения их разности.
Такой процесс в литературе называют дифференциальной фазовой модуляцией (ДФМ) [1, 5, 6]. Выделяются два механизма формирования ДФМ. Первый из них предполагает изменение фазового набега моды, как результат изменения оптической длины участка, подвергнутого воздействию; второй является следствием взаимодействия мод [1, 4, 6], которое вызывает изменение постоянных распространения.
Для ДФМ первого рода получено выражение для реакции МВИ на слабое переменное воздействие [7, 8]:
8т = -Ц\С1к 8ш(ф° + Дер* (0) ■ 5фЛ (о =
1=1 *=1
¡>*
(
N N
£ £ДцСя 8т(ф° + Дф;,(0)-ЛРй
1=1*=1 ;>*
1К- 8У(0,
где АР* - изменение постоянной распространения; 1 - длина участка, подвергаемого воздействию;
Рис. 2. Примерный вид сигнала МВИ в результате внешних воздействий на световод: верхний график - внешнее воздействие; средний график - сигнал МВИ; нижний график - отклик МВИ на переменное воздействие (после его выделения ФВЧ)
К - коэффициент относительного приращения фазового набега для данного воздействия.
Сигнал МВИ, возникающий за счет механизма связи мод, выглядит следующим образом:
5/(0 = -£ ЕАЛ 8т(ф° + ДФй (0) • 5ф;, (0 =
(=1 к=1 1>к
1(рД,-р^)8т(Ф° + АФ,,(0) ¡=1 к=1 I>к
V
5У(Г).
Здесь невозможно вынести из-под суммы коэффициенты К,, что приводит к существенным отличиям в свойствах фединга сигналов и в работе устройств на основе МВИ.
Наличие этого математического аппарата позволило моделировать свойства реальных сигналов МВИ. Было обосновано утверждение о невозможности применения вспомогательных модулирующих сигналов и т. п. методов для борьбы с федингом. Все это привело к решению использовать многоканальный прием сигнала МВИ [9, 10]. Он заключается в том, что несколько фотоприемников регистрируют разные части интерференционной картины, и по их сигналам формируется общий выходной сигнал. При этом маловероятно одновременное появление неудачного наложения спекл-картины и диафрагмы на всех участках регистрации.
Устройство обработки сигнала МВИ
Как уже отмечалось, ранее применялись многоканальные аналоговые устройства обработки сигнала МВИ. Но они имели ряд ограничений. Во-первых, было трудно реализовать сложные алгоритмы обработки, во-вторых, для каждого алгоритма необходимо спроектировать свою принципиальную схему.
Наш новый подход подразумевает создание многоканального устройства с ЦОС. Цифровая обработка позволяет реализовывать различные алгоритмы принятия решений в одной схеме, а также существенно усложнять их. Следовательно, такая система становится универсальной для различных объектов охраны. Все это позволяет выйти на серийное производство схем обработки, что существенно снижает их стоимость.
Устройство состоит из предварительной аналоговой части и непосредственно цифровой части. Аналоговая часть (рис. 3) предназначена для приема, фильтрации и предварительного усиления сигнала МВИ. Фильтр верхних частот предназначен для удаления квазистатической составляющей сигнала.
Одним из важных вопросов является выбор числа каналов и, соответственно, фотоприемников. С учетом предварительного анализа и проведенных экспериментов [9, 10] было принято решение использовать восемь каналов. Это близко к оптимальному числу, с точки зрения свойств спекл-картины. С другой стороны, при этом задействованы все восемь входов АЦП микроконтроллера.
Фототранзисторы расположены в форме круга, чтобы максимально эффективно использовать площадь спекл-картины.
Аналоговый сигнал фотодетектора преобразуется в цифровой с помощью АЦП, встроенного в микроконтроллер (рис. 4). При этом реализованы несколько вариантов обработки сигналов: обработка внутри микроконтроллера, передача сигнала на персональный компьютер (ПК) и дальнейшая обработка в ПК, разделение функций между микроконтроллером и ПК. Выбор варианта обработки зависит от сложности алгоритмов и
|ивх
1/вых
Рис. 3. Схема одного канала приема и усиления сигнала МВИ
Рис. 4. Структурная схема устройства
от требований заказчика. Связь устройства с ПК реализуется с помощью интерфейса RS-485, позволяющего нескольким приемникам работать с одним компьютером.
На основе описанной математической модели были развиты и опробованы несколько алгоритмов принятия решения о тревоге. Для примера, можно привести самые простые варианты, когда осуществляется суммирование модулей сигналов по всем каналам приема или выбор максимального по модулю сигнала:
и(?) = £ \и1 (?)| или и (г) = тах|и 1 (г)| .
1=1
Результирующий сигнал сравнивается с пороговым уровнем.
Необходимо учитывать, что на чувствительный элемент воздействуют не только полезные сигналы (нарушитель), но и паразитные помехи, например, проезжающие автомобили. В качестве простейшего метода борьбы с ложными тревогами используется переменный порог срабатывания, отслеживающий общий уровень помех.
Рис. 5. Фотография экспериментальной платы приемника МВИ
При разработке устройства была предусмотрена функция периодической автоматической проверки работоспособности датчика.
Нами был изготовлен блок регистрации и обработки сигнала МВИ. Его фотография приведена на рис. 5.
В настоящее время ведется тестирование блока с регистрацией сигналов в реальных условиях.
По итогам тестирования предполагается сделать вывод об эффективности используемых алгоритмов в различных условиях и, соответственно, об области их применения. Также рассматривается вопрос объединения данной системы с другими системами охраны, такими, как, например, видеонаблюдение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бутусов, М.М. Волоконная оптика и приборостроение [Текст]/М.М. Бутусов, С.Л. Галкин, С.П. Оро-бинский [и др.]. -Л.: Машиностроение, 1987. -328 с.
2. Кульчин, Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы [Текст]/Ю.Н. Кульчин. -М.: Физматлит, 2001.-272 с.
3. Снайдер, А. Теория оптических волноводов [Текст]/А. Снайдер, Дж. Лав. -М.: Радио и связь, 1987. -656 с.
4. Унгер, Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы [Текст]/Х.Г. Унгер. -М.: Мир, 1980. - 656 с.
5. Гуляев, Ю.В. Модуляционные эффекты в волоконных световодах [Текст]/Ю.В. Гуляев, М.Я. Меш, В.В. Проклов. -М: Радио и связь, 1991. -152 с.
6. Котов, О.И. Фазовая модуляция и связь мод в двухмодовых волоконных световодах [Текст]/О.И. Котов, О.Л. Марусов, В.М. Николаев//Письма в ЖТФ. -1990. -Т. 16. -№ 7. -С. 48-52.
7. Котов, О.И. Регистрация воздействий на световод с использованием межмодовой интерференции [Текст]/О.И. Котов, Л.Б. Лиокумович, С.И. Марков/Тезисы Межд. конф. «Лазеры. Измерения. Информация». СПб, 25-26 июня 2003. -С. 25-26.
8. Косарева, Л.И. Два механизма фазовой модуляции в многомодовых волоконных световодах [Текст]/ Л.И. Косарева, О.И. Котов, Л.Б Лиокумович [и др.]// Письма в ЖТФ. -2000. -Т. 26. -№ 2. -С. 52-63.
9. Косарева, Л.И. Многоканальный прием сигналов межмодового интерферометра в условиях помех [Текст]/Л.И. Косарева, О.И. Котов, Л.Б Лиокумович [и др.]//Письма в ЖТФ. -2000. -Т. 26. № 22. -С.26-35.
10. Косарева, Л.И. Особенности многоканального приема сигналов межмодового волоконно-оптического интерферометра: снижение амплитудного фединга [Текст]/Л.И. Косарева, О.И. Котов, Л.Б Лиокумович [и др.]//Письма в ЖТФ. -2000. -Т. 26. -№ 18. -С.85-94.
