CC BY
30ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИИ ДАТЧИК С ПОДАВЛЕНИЕМ ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВЫХ
ИМПУЛЬСОВ
Пржиялковский Я.В.1'2 , Старостин Н. И.1'2, Губин В. П.1'2, Моршнев С. К.1'2,
1 2
Сазонов А. И. '
1НПЦ Профотек, г. Москва
2
Фрязинский филиал Института Радиотехники и Электроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Фрязино
* E-mail: yankus.p@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16015
Волоконно-оптические датчики электрического тока (ВОДТ) [1, 2], основанные на эффекте Фарадея, обладают рядом ключевых преимуществ, поэтому в настоящее время всё активнее применяются в промышленности. Принцип работы ВОДТ заключается в регистрации фазового сдвига между циркулярно поляризованными световыми волнами, индуцированного магнитным полем тока. Одной из особенностей эффекта Фарадея является его быстродействие (~1 нс), поэтому оптический метод измерения тока перспективен также для регистрации импульсных токов. Основная особенность измерения импульса тока ВОДТ связана с протяжённостью чувствительного элемента и проявляется при длительности импульса, сравнимой или меньшей времени распространения света в чувствительном волокне. В этом случае происходит неполное накопление фазового сдвига Фарадея, и выходной сигнал может существенно отличаться от формы импульса тока.
Для достижения высокой точности ВОДТ, предназначенных для измерения импульсных токов, необходимо не только уменьшить длину оптического волокна чувствительного контура, но и иметь широкую полосу частот. Однако оба эти фактора приводят к уменьшению отношения сигнал/шум выходного сигнала датчика, что негативно сказывается на пороговой чувствительности датчика. Основными источниками шумов современных ВОДТ, использующих низкокогерентное оптическое излучение, являются шумы оптического излучения: фотонный шум, связанный с квантовой природой света, и избыточный шум (шум интенсивности) [3, 4] из-за биения спектральных компонент излучения. Относительное значение последнего, в отличие от фотонного шума, не может быть уменьшено путем увеличения мощности излучения, но может быть уменьшено с помощью двухканальной оптической схемы. В данной работе впервые экспериментально продемонстрирован ВОДТ на основе низкокогерентного отражательного интерферометра с подавлением шума интенсивности.
Схема ВОДТ для регистрации токовых импульсов (длительность ~100 нс, амплитуда ~10А) представлена на рис. 1. В качестве источника излучения 1 в ВОДТ использовался суперлюминесцентный волоконный источник с центральной длиной волны X = 1550 нм и шириной спектра ДА = 20 нм. С помощью PM ответвителя 4 линейно поляризованное излучение направляется в сигнальный (5,6,8) и опорный (9,10,11б) каналы. Сигнальный канал предназначен для регистрации фазового сдвига, индуцированного магнитным полем тока, при этом встроенный в оптический тракт ротатор 5 определяет начальную рабочую точку в середине выходной характеристики интерферометра. Чувствительный контур 6 выполнен из spun-световода (длина биений встроенного линейного двулучепреломления Lb = 10 мм, шаг спиральной структуры Ls = 3 мм) длиной 20 м. Для повышения количества витков в чувствительном контуре и, как следствие, чувствительности датчика, spun-световод был намотан на катушку уменьшенного диаметра 10 мм, в результате чего количество витков составило N = 555. Однако при таком диаметре намотки линейное двулучепреломление, вызванное изгибом spun-волокна, становится значительным. Это приводит к существенной связи винтовых поляризационных мод spun-волокна и к возникновению некогерентной составляющей излучения. В результате видность интерференционной картины датчика снижается, а временная зависимость интенсивности шума в сигнальном канале искажается, что приводит к значительному снижению эффективности подавления шума интенсивности. Для минимизации некогерентных волн излучения при намотке spun-световода с малым радиусом был использован специальный метод [5], который заключается в плавном уменьшении радиуса намотки начального отрезка spun-волокна от большого к требуемому и, аналогичным образом, плавном увеличении радиуса намотки конечного участка контура (как показано схематически на рис. 1).
Опорный канал используется для формирования шума с параметрами, идентичными шуму на выходе сигнального канала. Оптический тракт опорного канала включает волоконную линию
40 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Волоконно-оптические датчики
задержки 9 на основе PM световода, длина которого (43 м) подбиралась по критерию наилучшей синхронизации шумовых составляющих между каналами, аттенюатор 10 и фотодетектор 11 б. Аттенюатор необходим для выравнивания интенсивностей падающего на фотодетекторы света, что необходимо для достижения максимальной эффективности вычитания шума интенсивности. Выходные сигналы обоих фотодетекторов поступают на вычитающее устройство 12. Полоса фотодетекторов с электронной схемой обработки составила Д^ = 2 МГц. Шум на выходе сигнального и опорного каналов ВОДТ, а также разность шумов, представлены на рис. 2. Экспериментально полученное подавление шума, используя описанный подход, составило до 14 дБ.
Результаты исследования позволяют оптимизировать чувствительный контур ВОДТ, предназначенного для измерения коротких импульсов тока, а также повысить точность измерения.
13 5 8
*12 13
Рис. 1. Оптическая схема ВОДТ с подавлением шума интенсивности
■i 1
SD cardI . RLL0047
I II D
IJ 1M
nJulltnijn r-'i Я!! ilrrflln
h'Ht IN:Vl4ПГпTlV
O^lSmU (B2.5US О CHI EDGE
Рис. 2. Выходные шумы сигнального и опорного каналов и их разность
Литература
1. Bohnert K., et al, Optics and Lasers in Engineering, 43, 511 (2005)
2. Starostin N. I, et al, Key Engineering Materials, 437, 314 (2010)
3. Morkel P. R, et al, Electronics Letters, 26, 96 (1990)
4. Burns W. K, et al, IEEE photonics technology letters, 2, 606 (1990)
5. Пржиялковский Я. В. и др., Квантовая электроника, 45:11, 1075-1082 (2015)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
41
