Волоконно-оптические преобразователи перемещений с кодирующими устройствами на основе интерференционных светофильтров

Ивков Сергей Валериевич, аспирант.   E-mail:

Акбаров Руслан Рустамович, аспирант

преобразования, т.е. адаптивно компенсировать либо осуществлять внешнее управление воздействием тепловых, электрических, магнитных и акустических полей, управляющих оптических сигналов. На рис. 1 представлена условная классификация СКУ на МИП, на рис. 2 приведена обобщенная структурная схема ВОПП с СКУ, включенного в волоконно-оптический канал бортовой сети.

Рис. 1. Классификация СКУ на МИП

Световой поток Ф0 от источника излучения ИИ, находящегося в удаленном блоке формирования светового потока и обработки сигналов (БФСПОС), через подводящее оптическое волокно и оптическую систему ОС1 ВОПП подается на формирователь светового потока ФСП. ОС1 совместно с ФСП выполняет функции преобразования входного потока, к которым относятся коллимация, распределение по спектру, пространству и энергии (по одному или нескольким перечисленным параметрам), профилирование светового пятна. Сформированные субпотоки (по числу информационных каналов) направляются на спектрально кодирующую шкалу (СКШ). СКШ совместно со считывающей системой (CчC), состоящей от одного до N оптических считывающих элементов (СчЭ), формирует модулированные по спектру оптические сигналы Фсj (j=1, 2,…, N), функционально привязанные к перемещению а. Далее посредством выходной оптической системы (ОС2) световые лучи преобразуются к виду, позволяющему направить собрать и направить оптические сигналы через ВОЛС в БФСПОС, в котором из них получаются электрические сигналы, привязанные к измеряемому перемещению. Эти сигналы преобразуются в позиционный цифровой код, соответствующий требуемому протоколу бортовой сети.

Ф с ( а )

Рис. 2. Обобщенная структурная схема ВОПП с СКУ

Световой поток от j- го СчЭ, является функцией нескольких основных аргументов, которую можно принять за обобщенную математическую модель одиночного канала ВОПП:

Фcjk(а) = Ф.Н, (аЛs,)|  АДа).Ы,.Л,,ЛЛ,

X wtw2w3

X

I а

где Ф 0 – немодулированный световой поток от ИИ; Н jk (*) – функция преобразования в элементе

СКУ из j -го СчЭ и к -го кванта СКШ; а - перемещение объекта; Q_k - геометрическая область к- го кванта СКШ; S j ,– геометрическая область j -го СчЭ; X j (а), AX j - центральная длина волны и ширина спектра пропускания j -го СчЭ; X_k, AX_k - центральная длина волны и ширина спектра полосы пропускания k -го кванта СКШ; w 1j , w 2j - коэффициенты передачи автономных или общих участков волокна ОВ1 и ОВ2 с учетом потерь на соединениях, w 3 – коэффициент передачи ФСП.

б)

Рис. 3. Составная СКШ из широкополосных светофильтров: а) – структура шкалы в координатах λ и

α ; б) – вариант сочетания фильтров для устойчивой к ВДФ СКШ; в) – вариант чередования полос пропускания ПП j при n =3

Каждый из сомножителей в выражении (1) является функцией множества аргументов и для конкретного типа ВОПП рассчитывается отдельно. Кроме того, количество СчЭ (значение N ) может варьироваться от одного до нескольких десятков, в зависимости от метода кодирования перемещения и потребной разрешающей способности преобразователя [3-4]. Излучение, поступающее в ВОПП, может быть узко- или широкополосным по спектру. Распределение света по кодирующим каналам осуществляется равномерно (по спектру, энергии, геометрическим параметрам сечения светового луча) или в соответствии с определенным алгоритмом. Характеристика оптического сигнала с учетом внешнего управления параметрами спектрально регулируемых элементов определяется из выражения для спектральной составляющей коэффициента передачи [3]:

w Z ^{( Z} , t ) = w l Z ^{( Z} , t ) w 2 Z ^{( Z} , t ) w 3 Z ^{( Z} , t ) = ^{Ф ’( ^ t ) ' П ^Ф ' ^{( Z} , ^{t )} X} i ∈ I

* {T * (Z, t ) ' П T * ( Z , t T )}{ S ’( Z , t ) ' П S*„ k ( Z , t )} j ∈ J                            k ∈ K

,  (2)

где Ф ( Z , t ) , ^T _n j^{( Z} , t ) , S ( Z , t ) - спектральные характеристики излучения ИИ, пропускания ВОПП и чувствительности приемника излучения, соответственно; i, j, k – номера компонент покрытий; λ - длина волны излучения; t - температура.

Существует большое многообразие СКШ, топология которых определяется способом получения информации о перемещении. Вариант топологии СКШ для цифрового ВОПП с открытым оптическим каналом представлен на рис. 3.

СКШ выполняются из периодически нанесенных групп из N=2n (n=2, 3, 4,…) широкополосных светофильтров Ф. Геометрическая ширина каждого фильтра равна ширине СчЭ аФ = ам = ас = ао/^. Фильтры смещены вдоль шкал α и λ на iΔαн=iα0/N и lΔλн =lΔλн0/N, где λн0 – часть диапазона спектра, предназначенная для кодирования перемещения,  i,l=1,2,3…N.  При этом полоса пропускания (ПП) каждого фильтра АД. >> AZH0 Коэффициент пропускания комбинации фильтров T(iΔαн)=∏T(λlв-λlн), l∈Li, Li соответствует одной из N комбинаций. Перемещение шкалы на величину iΔα приводит к изменению спектра суммарного сигнала, соответствующему одной из N=8 комбинаций, представленных на рис. 3б, в. На рис. 4 представлен аналоговый ВОПП с закрытым оптическим каналом, особенностью которого является использование эффекта зависимости длины волны максимума пропускания встроенного фильтра от угла γ падения на него светового луча.

Рис. 4. Упрощенная структурная схема аналогового ВОПП с встроенным оптическим фильтром

При перемещении объекта измерения ОИ осуществляется изгиб сопряженного с ним ОВ, что вызывает изменение угла γ . Длину волны максимума пропускания фильтра можно описать посредством нормированной функции пропускания ( T M =1) как [3]

B • c • cos \ф ± A^( у )J arccos

1 - H A

J

где H, D, B – конструктивные параметры спектроформирующих элементов фильтра, определяющие характеристики пропускания (макси- 2. мальный коэффициент пропускания при у =0, ширина полосы, крутизна спектральной характеристики); с – скорость света; φ – начальный угол ^3. преломления излучения в резонансном слое МИП; ±Δ φ ( γ ) – изменение угла преломления от угла у падения (расхождения) светового луча.

При малом диапазоне расхождений углов А у и Δ φ можно считать, что Δ φ=γ . Полученная зависимость в ограниченном диапазоне изменения ^4. угла носит характер косинусоиды.

Вывод: представленные варианты построения ВОПП с СКУ на интерференционных светофильтрах показывают возможность создания пассивной бортовой волоконно-оптической сети со спектральным разделением каналов.