Embed Size (px)
Citation preview
АВТОРЕФЕРАТ
На дисертационен труд за присъждане на научно-образователна степен „Доктор”
МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ И ОБРАБОТКА НА ИНФОРМАЦИЯ
ПРИ ЕДНО- И МНОГОКАНАЛНИ ВЛАКНЕСТО-ОПТИЧНИ
СЕНЗОРНИ СИСТЕМИ ПОСРЕДСТВОМ ЛИНЕЙНИ
CCD ФОТОДИОДНИ МАТРИЦИ
маг. инж. Пламен Емилов Балжиев
По научна специалност: "Автоматизирани системи за обработка на
информацията и управление" (в комуникациите)
Научен ръководител: Рецензенти: проф. д-р инж. Румен Арнаудов 1. доц. д-р инж. Цветан Мицев 2. проф.дтн инж. Димитър Радев
София, 2012
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ ФАКУЛТЕТ ПО ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ
Катедра “Радиокомуникации и Видеотехнологии”
2
Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита на заседание на научния съвет на Катедра „Радиокомуникации и Видео Технологии” към Факултет по Телекомуникации при ТУ – София на 25.06.2012 г. Защитата на дисертационния труд ще се състои на 16.10.2012 от 17,30 ч. в зала 1435 на открито заседание на научното жури. Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на катедра „Радиокомуникации и Видеотехнологии”, стая 1254, гр. София, бул.Кл.Охридски - 6, Технически университет – София АВТОР – инж. Пламен Емилов Балжиев ЗАГЛАВИЕ – Методи за измерване и обработка на информация при едно- и многоканални влакнесто-оптични сензорни системи посредством линейни CCD фотодиодни матрици.
3
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалността на работата се определя от развитието на влакнесто-оптичните сензори и изискванията за усъвършенстване на системите, методите и алгоритмите за измерване на техните характеристики и параметри. Богатото разнообразие и все по-широкото приложение на тези сензори в комплексни периметрични системи за контрол и мониториг, налага необходимостта от реализацията на многоканални автоматизирани измервателни системи за паралелното изследване на мрежа от влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки.
Наред с влакнесто-оптичните сензори интензивно развитие претърпяват и CCD фотодиодните матрици. Голямата популярност и широкото им приложение оказват основно влияние върху ценовия спад на сензорните устройства, като това позволява внедряването им в различни измервателни и мониторингови системи. По този начин значително ав опростяват структурата и методите за измерване и управление на системите, а от друга страна се дава възможност за оптимизиране и развитие на многоканалните измервателни системи.
Цел на дисертационния труд е да се анализират методите за измерване и
обработка на информацията при едно- и многоканални влакнесто-оптични сензорни системи и да се синтезират методи, алгоритми и устройства за автоматизирано измерване, обработка и анализ на влакнесто-оптични сензори на базата на линейна CCD фотодиодна матрица.
В дисертационния труд се решават следните задачи: Разработване на автоматизирана многоканална система за спектрален
анализ на дълго-периодични сензорни решетки и други спектрално-мултиплексирани сензори.
Синтезиране на автоматизиран метод за многоканално измерване и анализ на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки.
Провеждане на измервания и изследвания на спектралните характеристики на дълго-периодични сензорни решетки.
Разработване на многоканална сензорна периметрична система за измерване, детектиране и идентификация на външни физически въздействия върху оптични влакна посредством междумодова интерференция.
Изследване на различни методи за детектиране на измененията в разпределението на интензивността при оптичните сензорни влакна с междумодова интерференция
Създаване на метод за идентификация на конкретни външни физически въздействия върху оптични сензорни влакна с междумодова интерференция.
Методологична основа - основните задачи на дисертацията са решени чрез използване на съвременни градивни елементи и схемни решения за реализиране на измервателната система и използване на програмни продукти за реализиране на алгоритмите за обработване на получените данни от измерването.
Публикуване на резултатите от дисертационното изследване - Основните изследвания, разработки и експериментални резултати са изложени в осем публикации, съответно в сборници с доклади на международните научни конференции: 21st International Conference on Optical Fiber Sensors – 2011, Ottawa, Canada, XII International PhD Workshop OWD-2010, Wisla, Pland, XIII International PhD Workshop OWD-2011, Wisla, Poland, 45th International Conference ICEST-2010 Ohrid, Macedonia, 47th International Conference ICEST-2012, V.Tarnovo, Bulgaria
4
в научни списания: „IEEE Journal of Lightwave Technology”, „IEEE Transactions on Instrumentation and Measuremetns”, “Journal of Fundamental Sciences and Applications“ - Vol.16, No.1, TU-Sofia, Branch Plovdiv. Обем и структура на дисертационния труд - Дисертационният труд е в обем на 153 страници, съдържа увод, три основни глави с 142 фигури и 16 таблици, заключение, научни и научно-приложни приноси в дисертационния труд, научни публикации на автора по темата на дисертационния труд, приложения към дисертационния труд и използвана литература със 116 заглавия, от които 102 броя на латиница, 2 броя на български и 12 интернет сайта.
СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
УВОД
Предмет на настоящия дисертационен труд е разработване и изследване на методи и алгоритми за измерване, обработка и анализ на данните от влакнесто-оптични сензори посредством линийна CCD фотодиодна матрица.
ГЛАВА 1. Обзор на методите за измерване на характеристиките
на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки
1.1. Методи за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки
Методите за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки основно могат да се класифицират по два основни признака - според метода на разлагане на спектралните съставки и според използвания фотодетектор.
Според начина на разлагане на спектралните съставки, методите за измерване на спектралната характеристика биват:
с оптични филтри; чрез интерферометричен спектрален метод; спектрален анализ с дисперсна призма; спектрален анализ с дифракционна решетка.
Според използвания фотодетектор те биват: с един фотодетектор; с линейна CCD фотодиодна матрица.
Схемното решение от комбинацията от използването на дифракционна решетка за спектрално разложение на оптичния сигнал и линейна CCD фотодиодна матрица се характеризира със значително опростена структурна схема. При него липсва необходимостта от реализация на механично преместване и сканиране на отделните спектрални характеристики. Това се извършва паралелно с едно измерване на линейната CCD фотодиодна матрица.
Влакнесто-оптичните Браг решетки имат тясна честотна лента на задържане (Δλ≈1-10nm), за измерването на която се изисква голяма разделителна способност. Затова при анализа предимно се използват схеми на интереферометричен спектрален анализатор:
с използване на Фабри-Перо (Fabri-Perot) интерферометър; с използване на Мах-Зендер (Mach-Zehnder) интерферометър.
Изследването на дългопериодични сензорни решетки се реализира с широкоспектърен метод за спектрален анализ. Използваните интерферометрични методи за измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптичните Браг решетки не могат да покрият целия изследван спектър на дългопериодичните решетки, поради широката им честотна лента на задържане. Затова се използват методи с директно разлагане на оптичния сигнал.
5
За реализирането на многоканална измервателна система за анализ на даден брой влакнесто-оптични сензорни решетки е необходимо използването на метод за уплътняване на измервателния канал. Двата основни подхода са:
чрез спектрално мултиплексиране (WDM); чрез времево уплътняване (TDM).
При друг метод за измерване на спектралните характеристики чрез пространствено спектрално разлагане на оптичния сигнал се използват вълноводни сфазирани решетки (Arrayed-Waveguide Grating). Този метод се използва също при реализирането на оптични (де)мултиплексори.
Методите за комбинирано времево и спектрално мултиплексиране на дълго-периодични решетки са сравнително слабо изследвани. Необходимостта от едновременно изследване на набор от ДПР, изисква реализацията на автоматизирани системи за многоканално измерване на спектралните характеристики за този тип сензорни решетки.
1.2. Методи за измерване на влакнесто-оптични сензори с междумодова
интерференция
За анализа на изменението на отличния сигнал от влакнесто-оптични сензори, базирани на междумодова интерференция е необходимо измерването на входната оптична мощност и анализ на разпределението на интензивността на входния сигнал по напречното сечение на влакното. Известни са няколко метода за детектиране на въздействия върху влакнесто-оптични сензори с междумодова интерференция:
чрез измерване на оптичната мощност в изследваното влакно; чрез измерване на интензивността в дадена точка от напречното сечение
на влакното; чрез измерване на разпределението на интензивността по напречното
сечение на влакното. Най-популярен метод за измерване с висока разделителна способност е чрез
използването на 2D видео CCD фотодиодна матрица, която изисква висока скорост на измерване и значителен изчислителен ресурс за обработка и анализ на изследваната картина.
Аналогичен метод за измерване е вместо фотодиодна матрица, да се използва пространствена вълноводна матрица (решетка) – Two-dimensional Waveguide Array. Представената схема на измерване е със значително по-ниска разделителна способност, но въпреки това може да предостави достатъчно информация за изследваната интерферометрична картина.
Изследвани са влакнесто-оптични схемни решения за разделяне на модовете посредством селективен насочен отклонител, чрез който на двата изхода се разделят съответно основният мод (LP01) и по-висшите модове (LP02, LP11). При изследване и детектиране на измененията в разпределението на интензивността при междумодова интерференция на първите няколко (до 2-3) висши мода, се наблюдава отчетливо изменение в измерваната картина.
Основното приложение на влакнесто-оптичните сензори с междумодова интерференция е за детектиране на интрузии и системи за сигурност.
6
ГЛАВА 2. Измервателна система за спектрален анализ и изследване на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки в близкия инфрачервен обхват, посредством InGaAs CCD-фотодиодна матрица 2.1. Описание на системата и технически параметри
Основното предназначение на проектираната оптоелектронна система за спектрален анализ е за измерване и изследване на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки (ВОБР), дълго-периодични решетки – ДПР, и други спектрално модулирани сензори).
Фиг. 2.3. Структурна схема на многоканален спектрален анализатор
За да се реализира автоматизиран многоканален спектроанализатор за изследване на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки е необходимо конструирането на оптична комутираща система. На Фиг.2.3 е предложена структурна схема на автоматизираната многоканална система с разширен спектрален обхват на измерване, реализирана посредством 4-канална комутираща система с 3 оптични ключа и прецизен стъпков двигател за прецизна настройка на дифракционната решетка. Тя съдържа допълнителна схема за автоматична калибровка, посредством два референтни източника на оптично лъчение с известни дължини на вълните (λref.1, λref.2) и изходна мощност (Pref.1, Pref.2).
Сложността на подобна автоматизирана система се изявява в необходимостта от постоянна синхронизация между отделните блокове в системата, както и от сложни алгоритми за измерване, обработка и филтрация на получените данни. За целта е разработен специализиран протокол за комуникация между персоналния компютър, оптоелекронното измервателно устройство и допълнителния модул за управление.
2.2. Оптоелектронен измервателен модул с CCD фотодиодна матрица
Проектирането на предложената структурна схема на оптоелектронния измервателен модул и неговата реализация са предназначени специално за изследване на спектралните характеристики на оптични сигнали, посредством линейна InGaAs CCD фотодиодна матрица – G9204-512D на производителя Hamamatsu Photonics. Основните достойнства на този модул са ниските нива на шумовете и висока и равномерна чувствителност в широк честотен обхват от 900-1700nm.
LPG1
Колимираша леща
LPG2
ASE1 2
3
LPG5 LPG6
Атенюатор Дифракционна решетка
CCD Оптоелектронно
Влакнесто оптичен
Огледало 4
Устройство за управление и контрол
Прецизен стъпков двигател
LPG4
LPG3SW2
SW1 SW3 Огледало 3
Огледало 2
Огледало 1
LD1 LD2 λref.1 Pref 1
λref.2 Pref.2
Авто- калибровка
7
Фиг. 2.5. Блокова схема на оптоелектронно устройство
със CCD фотодиодна матрица
Автоматизираната многоканална измервателна система (Фиг. 2.3) изисква значително по-сложни структура и управление, затова е реализирана подобрена схема на оптоелектронно измервателно устройство (Фиг. 2.5).
Основните технически параметри на опто-електронната система за измерване и изследване на спектрално-мултиплексирани влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки са дадени в Таблица 2.3.
Таблица 2.3 Параметри Стойност
CCD Сензор (бр. елементи) 512
Тактова честота 1,25 MHz (до 1,66MHz)
Време за натрупване 0,1ms – 500ms
Време за пълно прочитане 6,2 ms
АЦП раздел. способност 16 bit
АЦП скорост на преобр. 1 МSps
АЦП нелинейност < ±3 LSB
USB скорост на предаване 2 Mbps Bluetooth скорост 921.6 kbps
За правилното функциониране и управление на оптоелектронната система е
необходимо реализирането на специализирано приложение, което да конфигурира системата, управлява отделните модули, приема и обработва получените данни. При проектирането и създаването на приложението е използвана развойната среда за програмиране LabVIEW.
Предният панел на разработеното приложение е показан на Фиг. 2.12. Той се състои от графичен дисплей за визуализация на измерваните сигнали и секция за настройка на серийния интерфейс за комуникация с оптоелектронното устройство и тестване на модулите
8
Фиг. 2.12. Преден панел на приложението за управление, обработка
и визуализация на измерваните сигнали
2.3. Цифрова обработка и анализ на измерените спектрални съставки
Анализирани са различни алгоритми за премахване на постоянното (нулево) отместване (Фиг. 2.21) - нивото на измервания сигнал при отсъствие на входен оптичен сигнал. Избраният метод извършва оценка на нивата на шумовете непосредствено преди всяко измерване (2.10).
0
10
20
30
40
50
60
0 100 200 300 400 500
x1.E+3
Pixels
I (A
/D U
nits
)
Light Source SpectrumDark Noise Measurement
Фиг. 2.21. Спектър на източника на оптичен сигнал и
измерване на постоянното отместване
N
kk nS
NnS
0
)(1
)(ˆ (2.10)
)(ˆ)()( nSnSnS avgNr (2.11)
)()()( nSnSnS offr (2.13)
Филтрацията на шумовете в измервания оптичен сигнал е реализирана чрез комбиниран осредняващ нискочестотен (2.15) и медианен филтър (2.14).
2),..,(,..,
2)(
NnSnS
NnSMediannSMED (2.14)
9
M
mMEDLPF nS
МnS
0
)(1
)( (2.15)
Алгоритмите за филтрация на високочестотните шумове в провежданите измервания на спектралните характеристики са реализирани, както в разработената програма за управление и обработка, така и в оптоелектронното измервателно устройство
Калибрирането на спектроанализатора се извършва от разработеното приложение за управление, визуализация и събиране на данните от измерването. Посредством нормиран източник на оптичен сигнал се измерва спектъра му и се вземат две референтни дължини на вълните (Маркер 1 и Маркер 2). Използват се формулите (2.16-18), с които се изчисляват дължините на вълните за първия и последния елемент и стъпката (inc). По този начин се нормира целия измерван спектър (Фиг.2.26).
12
12111 ММ
М МММ
(2.16)
12
1211512
))(512(
MM
M МММ
(2.17)
5121512
inc (2.18)
За калибрирането по мощност на измерваните спектрални характеристики на оптичните сигнали е необходимо използването на референтен източник на оптичен сигнал.
n
nSP )( (2.19)
mW
nSP
P
nS
in
dBm 1
)(
lg10)( (2.21)
Задължително е целият спектър на калибрирания източник да бъде обхванат от CCD матрицата. В противен случай извършваната калибровка няма да е коректна. Използвайки изрази (2.19, 2.21), се изчислява оптичната мощност за всеки елемент n (за всяка спектрална съставка – λn).
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на елемент
Оптична
мощност
, P(d
Bm
)
Фиг. 2.26. Калибриран по мощност спектър на източника
на оптичен сигнал (ASE)
Използваната линейна CCD фотодиодна матрица има ограничена честотна лента, в която спектралната чувствителност е еднаква, затова след като се калибрира системата по дължина на вълната и по мощност, е необходимо прилагането на спектрална компенсация. Обратната компенсираща функция е представена на Фиг. 2.28.
10
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
700 900 1100 1300 1500 1700Дължина на вълната
Фиг. 2.28. Компенсираща функция на неравномерната
спектрална чувствителност
За всяка точка от графиката (дължина на вълната, съответстваща на един елемент от CCD матрицата), се намира най-близката стойност от изравняващата крива. За изчислението на спектралната компенсация се използват изразите:
WASS nkk ),()(')( (2.22)
dBmASS nkdBmkdBm ,)(lg10)(')( (2.23)
, където S’(λk) е некомпенсираният сигнал, K(λn) - изравняващият коефициент, а λn - най-близката дължина на вълната до λk, с максимална грешка от Δ = λk - λn = Δλ/2 = 0,5 nm.
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500
Pixel No
Po
wer
, (a.
u.)
Reference
SignalСпектър на източника
Спектрър на източник през ДПР
InGaAs CCD фотодиодна матрица
Фиг. 2.31. Спектри на източника на оптичен сигнал и
изследвана сензорна решетка
-20
-15
-10
-5
0
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Pixel No
Lo
ss, (
dB
)
S-to-R
Фиг. 2.32. Относително измерване и изчисление спрямо източника
11
За изследването на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки е необходимо използването на относително измерване спрямо източника на оптичния сигнал. На Фиг. 2.31-32 са представени измерените спектри на източника и на изследвана дълго-периодична сензорна решетка (ДПР).Реализирането на многоканална система за измерване и анализ на влакнесто-оптични сензорни решетки изисква сложна структурна схема, синхронизация и оптимизация на алгоритмите за измерване и управление. Предложен е адаптивен алгоритъм за комутация и измерване (Фиг. 2.40), при който времето за измерване за всеки канал варира според това, дали има изменения в спектралните характеристики на изследваните решетки.
Фиг. 2.40. Адаптивен алгоритъм за автоматизирано многоканално измерване
Анализът на спектралните характеристики включва детектиране на настъпили промени в лентата на задържане на сензорните решетки като отместване, промяна на дълбочината, разширение или свиване. За целта от всяка измерена характеристика се определят две точки, в които се следи за изменения.
Детекритането на промени в спектралните характеристики се извършва посредством:
)()()( tStStSppp nnn (2.26)
p
n tSp
Sp
)(1
, (2.27)
- където ΔS(t) – е разликата между τ-брой измервания в избраните точки np. Критерият за наличието на промяна се извършва като се въведе праг – ξ :
S (2.28)
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 100 200 300 400 500 600Време, t (ms)
Загуб
и,
(dB
)
76
11743
2
1
4 3
2 1
4 3
2
1
ПробаОбход 1
S1
S1
Обход 2
Фиг. 2.41. Изследване на изменението на нивото в избрани точки
от спектралните характеристики за Канал 1, ДПР – S1
Инициализация на системата
Настройка на измерването
N-брой Измервания на текущия канал
достигнато макс.време за канал
Не Да
Комутация на следващ канал
Детектирана промяна?
Анализ на сензор.решетки
Не Да
12
Изменението на сигнала Snp(t) за избраните точки n1=76 и n2=117 от измерената спектрална характеристика на Канал 1 (Фиг. 2.32) е представена на Фиг. 2.41. Графиката представлява изменението на затихването за дадена дължина на вълната за всички изследвани канали.
За повишаването на точността от измерването и намаляването на внесените шумове в системата се използва корелационен анализ и разнесено измерване. Посредством прецизния стъпков двигател, дифракционната решетка се завърта на минимален ъгъл, като измерваният спектър на оптичния сигнал се отмества на определена стъпка.
p
nfnfR )()()( 21 (2.30)
max)( max R (2.31)
На Фиг. 2.47 е показана графика с две измервания на един и същ сигнал, но отместен на дадено отстояние τ. При изчисление на корелационната функция (R(τ)) се намира максимума и точната стойност на отместването. Изчислението на комбинираната обработка - изглаждащия нискочестотен филтър и корелационнен анализ, е реализирано, чрез формула (2.32)
N
iii nS
NnS
1max )(
1)(ˆ
(2.32)
Rmax=0.9780tau=16
0
10000
20000
30000
40000
50000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Номер на Елемент
Интенси
вност
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0Сигнал 2
Сигнал 1
Взаимна корелация
τ
Фиг. 2.47. Пространствено отместване на измерваният спектър
Управлението на прецизния стъпков двигател и обработката изискват добра синхронизация между отделните модули, затова са реализирани два алтернативни алгоритъма за управление. Първият вариант е чрез ръчно управление на стъпковия двигател и обработка на резултатите (Фиг. 2.49а). Вторият алгоритъм за управление и обработка е чрез автоматично позициониране на дифракционната решетка, провеждане на измервания за всяка позиция и анализ на получените резултати (Фиг. 2.49б).
13
Фиг. 2.49. Алгоритми за филтрация и повишаване точността на измерване: а – ръчно управление на ротацията, б – автоматизирано отместване и измерване
2.3. Резултати от измервания, анализ и тестове на системата
За правилното функциониране на разработената автоматизирана многоканална оптоелектронна система за изследване на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензор и сензорни решетки е необходимо да се извършат серия от експериментални измервания и функционални тестове на системата.
Шумовете като параметър в оптоелетронната измервателна система, базирана на линейна CCD фотодиодна матрица имат ключова роля при определяне на основните характеристики на системата. При изследването на нивата на шумовете, резултатите са представени в две основни групи – при нормална чувствителност (Low sensitivity) и висока чувствителност (High sensitivity).
16.5
16.7
16.9
17.1
17.3
17.5
17.7
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
х1Е+3
Номер на елемент, n
Интензивност,
I
Ниво нашумовете - Канал 1 Ниво нашумовете - Канал 2
Средна стойност на Канал-1 Средна стойност на Канал-2
16.25
16.3
16.35
16.4
16.45
16.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
х1Е+3
Номер на елемент, n
Интензивност
, I
Ниво нашумовете - Канал 1 Ниво нашумовете - Канал 2
Средна стойност на Канал-1 Средна стойност на Канал-2
Фиг. 2.51. Изследване на шумовете при нормална чувствителност и време за натрупване: а) τ = 50 ms и б) τ = 40 ms
От представените графика (Фиг.2.51) в оптоелектронното измервателно устройство се забелязва, че нивата на шумовете значително намаляват при по-ниски стойности на времето за натрупване (τ).
Изследвани са линейността на измерената интензивност от входната оптична мощност и от времето за натрупване τ. На Фиг. 2.59 е представена комбинирана графика на пълния спектър на използвания оптичен източник при различни нива на мощността. Графиката с изследване на линейността на системата при промяна на входната оптична мощност е показана на Фиг. 2.61.
Инициализация на системата
Настройка на измерването
N-брой измервания на текуща позиция
Ротация на ДР със стъпка ρ
Достигната крайна позиция?
Връщане в изходна позиция
Да
Не
Анализ на измерванията
Инициализация на системата
Настройка на измерването
Измерване за текуща позиция
Команда за ротация? Не Да
Анализ на измерванията
Ротация на ДР със стъпка ρ
а) б)
а) б)
14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
x1E+3
Номер на елемент, n
Измерена
интензивност,
I
Pin=972nW
Pin=583nW
Pin=360nW
Pin=262nW
Pin=43nW
Pin=1nW
Фиг. 2.59. Измерен спектър на източника на оптичен сигнал
при различна входна мощност
y = 11888x - 1000y = 48912x - 359.72
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x1E+3
Оптична мощност, Pi (µW)
Измерена интензивност
, I
Нормална чувствителност Висока чувствителност
Фиг. 2.61. Линейност на системата в зависимост от входната оптична мощност при нормална и висока чувствителност
Основен параметър на автоматизирана оптоелектронна система е динамичният обхват. Тъй като основно значение за нивата на шумовете имат времето за натрупване и чувствителността на матрицата, е изследвано именно влиянието на тези параметри върху динамичния обхват на системата (Фиг. 2.64)
0
50
100
150
200
250
300
350
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51Време за натрупване, τ (ms)
Нива на
шум
овете,
r
Висока чувствителност Нормална чувствителност
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51Време за натрупване, τ (ms)
Динамичен
обхват,
d (
dB)
Висока чувствителност Нормална чувствителност
Фиг.2.64. Комбинирана графика на нивата на шума и динамичен обхват в зависимост от времето за натрупване – τ, при нормална и висока чувствителност на CCD матрицата
С разработената автоматизирана многоканална система за спектрален анализ са направени серия от измервания на различни влакнесто-оптични сензорни решетки. Изследвани са измененията на спектралните им характеристики при прилагане на многократно физическо въздействие върху сензорите – огъване на влакното. На Фиг. 2.72 е представена комбинирана графика на референтния и измерения сигнал, както и спектралните загуби на дълго-периодичната решетка (ДПР) – S21, измерена в Канал 4 от системата.
15
ДПР - S21
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620
x1E+3
Дължина на вълната, l (nm)
Интензивност,
I
-25
-20
-15
-10
-5
0
Загуби
, а (
dB)
Референтен сигнал Спектър на ДПРЗагуби на ДПР
Фиг. 2.72. Комбинирана графика на измерените спектрални характеристики
на Канал 4 с ДПР - S21
Спектралните характеристики на измерените дългопериодични сензорни решетки – DCF5, S62, DCF6, S26 и S21, са представени на обща графика (Фиг.2. 73). Допълнително за всяка една от решетките е изчислена централната дължина на вълната на лентата на задържане. Това измерване е извършено при отсъствие на външно физическо въздействие върху влакното.
За по-точен анализ на спектралните характеристики на дългопериодичните сензорни решетки е извършено допълнително измерване и изследване на друга конфигурация от сензорни решетки, свързани към Канали 1-3. Към Канал 1 са свързани последователно две сензорни решетки – LPG1 и LPG2. Mаксималната промяна на спектралната характеристика при огъването на решетката е показано на Фиг. 2.75.
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1505 1515 1525 1535 1545 1555 1565 1575 1585 1595 1605 1615Дължина на вълната, (nm)
Загуби
, а (
dB)
Канал 1: DCF5-S62
Канал 2: DCF-6
Канал 3: S26
Канал 4: S211528 nm
1532 nm
1547 nm1552 nm
1557 nm
Фиг. 2.81. Комбинирана графика на сензорните решетки
от всички четири измервани оптични канали
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610Wavelength, (nm)
Loss
, a
(dB
)
Δ=2.6nm
L= 100mm
a=7.8dB
LPG1 LPG2
Signal w/o ForceSignal with Force
Фиг. 2.75. Спектрални характеристики на Канал 1 – LPG1 и LPG2
при приложено външно въздействие – огъване на влакното
16
На Фиг. 2.76. е представена интегрална графика на измененията в изследваните спектрални характеристики на Канал 1. Ясно се разграничават двете положения – със и без приложено външно въздействие върху влакната.
Канал 1: ДПР – LPH1 и LPG2
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610Дължина на вълната, (nm)
Загуби
, а (
dB)
Фиг. 2.74. Изменение на спектралните характеристики на Канал 1
при приложено външно въздействие – огъване на влакното
2.4. Изводи
1. Проектираната автоматизирана многоканална оптоелектронна система за спектрален анализ е подходяща за изследване на спектралните характеристики в близката инфрачервена област на различни по структура сензорни решетки – дългопериодични решетки, полариметрични сензори, Браг решетки и други.
2. Приложените методи за измерване, обработка и анализ на данните са достатъчно ефективни и дават необходимата точност.
3. С предложеният адаптивен алгоритъм за автоматизирано многоканално измерване се постигат оптимални времена на измерване за всеки канал, в зависимост от това, дали в дадено влакно се наблюдават изменения на спектралните характеристики.
4. Оптоелектронната система се характеризира с ниски нива на шумовете, висока разделителна способност, бързо провеждане на измерванията и автоматична калибрация по дължина на вълната и по мощност.
5. С измерването на различни дълго-периодични сензорни решетки се потвърждава възможността да се изследват спектралните характеристики на различни по структура и чувствителност влакнесто-оптични сензорни решетки и разпознаване на конкретно изменение в спектралните характеристики на даден сензор с точност до Δλмин = 0,1nm.
ГЛАВА 3. Методи, алгоритми и система за измерване и анализ на параметрите на влакнесто-оптични сензори, базирани на междумодова интерференция
3.1. Описание на системата и технически параметри
Изследването и анализа на междумодовата интерференция във оптични влакна се реализира чрез измерването на разпределението на интензивността по напречното сечение на влакното. Следствие от външно физическо въздействие – огъване, усукване, натиск; или промяна във входната мощност и дължина на вълната, се наблюдава изменение в интерферентната картина и разпределението на интензивността по напречното сечение на влакното.
Основната структурна схема на многоканалната сензорна система за изследване на сензорни влакна с междумодова интерференция е представена на Фиг.3.2. За реализацията на системата е използвано едномодово оптично влакно (SM влакно, 9μm диаметър на сърцевината) при 1310/1550nm. За да се възбудят висши модове в оптичното влакно е необходимо захранването им с оптичен сигнал с дължина на вълната под граничната за влакното. Използван е мощен хелий-неон (HeNe) лазер с
17
дължина на вълната на оптичния сигнал λs = 632nm и изходна мощност Pout = 10mW. Необходимо е използването на мощен източник на оптичен сигнал поради повишените загуби във влакното при многомодов режим и захранването едновременно на 16 оптични сензорни влакна. Равномерното разпределение на оптичната мощност по всички използвани оптични влакна се извършва посредством комплексен 1:16 насочен отклонител.
Фиг. 3.2. Структурна схема на многоканална сензорна система с двукратно увеличение на наблюдаваните сензорни точки
Структурата на оптоелетронното устройство е аналогично на вече проектираната и реализирана система за спектрален анализ, като единствената разлика е използването на CCD фотодиодна матрица TSL1401R (на производителя TAOS), чувствителна във видимия спектър, която има един изходен аналогов канал. Блоковата схема на оптоелектронното измервателно устройство е представена на Фиг. 3.4. отделните модули на устройството са маркирани с различни цветни граници.
Фиг. 3.4. Блокова схема на оптоелектронно устройство
със CCD фотодиодна матрица
В Таблица 3.1 са представени някои основни характеристики на оптоелектронното измервателно устройство с линейна CCD фотодиодна матрица във
Мощен Лазер 632nm, >5mW
1:16 Насочен
отклонител
CCD Детекторно устройство
6x6 наблюдавани точки от сензорната решетка
Приложение за обработка, анализ и детектиране
Подравняване на оптичните влакна
CCD сензоренмодул
Основен управляващ модул
Допълнителен модул за комутация
18
видимия спектър. Голяма част от тях съвпадат с оптоелектронното измервателно устройство за спектрален анализ, поради общия основен модул за управление. Таблица 3.1
Параметри Стойност
CCD Сензор (бр. елементи) 128
Тактова честота 500 kHz (до 1MHz)
Време за натрупване 1ms – 100ms
Време за пълно прочитане <1 ms
АЦП раздел. способност 16 bit
АЦП скорост на преобр. 1МSps
АЦП нелинейност < ±3 LSB
USB скорост на предаване 2Мbps
За реализацията на компютърното приложение за управление и обработка е използвана развойната среда за програмиране LabVIEW. Основното му предназначение е да конфигурира отделните модули на многоканалната опто-електронна сензорна система и да обработва получаваните пакети с данните от проведените измервания.
Разработеното приложение се състои от две отделни части – прозорец за конфигуриране и настройка, и прозорец за измерване, обработка и визуализация на резултатите. При настройката на основните параметри на измерването на оптичните влакна (Фиг. 3.5) е възможно използването на автоматизиран алгоритъм, при който програмата сама избира най-подходящите параметри на измерването – време за натрупване, обработка и филтрация на сигналите.
Фиг. 3.5. Модул за тест и конфигурация на сензорната система
Измерването, обработката и визуализацията на измерените оптични сигнали на отделните сензорни влакна се извършва в отделен прозорец (Фиг.3.6). Той се състои от част за настройка на методите за обработка и анализ на измерваните оптични сигнали (Signal analysis) и сензорна мрежа (Sensor grid), в която при детектирана промяна в някое от влакната се подава индикация и съответното влакно от мрежата се задейства. При едновременно детектиране на две срещуположни влакна светва съответната пресечна точка от мрежата. На графиката се изобразяват оптичните сигнали, измервани с линейната CCD фотодиодна матрица. Тя съдържа още информация за границите между отделните сензорни канали и избраните точки за наблюдение и детекция на промяна при външно въздействие.
19
Инициализация и тест на системата
Настройка на измерването
Провеждане на 1 измерване
Изчисление макс. ниво на сигнал Smax
Не
Настройка на цифрова обработка
ако Strh<Smax<Ssat
Край
Не
Да
ако Smax ≥ Ssat
Да
Настройка IT = IT*Ssat/Smax
Настройка IT = IT/2
Фиг. 3.6. Модул за измерване, обработка и анализ на резултатите
За да се оптимизира работата на многоканалната сензорна периметрична система е разработен алгоритъм за автоматичен избор на настройки, в зависимост от мощността на входните оптични сигнали. Алгоритъмът за автоматична настройка (Фиг. 3.9) се състои в конфигуриране на времето за натрупване и избор на методи за първична обработка на измерваните сигнали.
Фиг. 3.9. Алгоритъм за автоматична настройка на многоканалната сензорна система
За тази цел е избран праг Strh = Ssat - 2%, където Ssat = 65500 е нивото на насищане на матрицата. Алгоритъмът за автоматична настройка избира оптималната стойност на
20
времето за натрупване (IT), при което нивото на най-мощния сигнал е в границите между праговото ниво Ssat и нивото на насищане на матрицата Ssat. Конфигурирането на системата завършва с анализ и изчисление на нивата на шумовете, на базата на които се взема решение, каква първична обработка ще се приложи върху измерения сигнал – избор на филтрация и премахване на постоянното отместване в сигнала. 3.2. Цифрова обработка, детектиране и анализ на оптичните сигнали и
междумодова интерференция
Първичната обработка на измерените сигнали от линейната CCD фотодиодна матрица включва филтриране на шумовете в измерените сигнали и премахване на постоянното отместване от измервания сигнал. За филтрирането на високочестотните шумове в измервания сигнал е реализиран нискочестотен филтър (3.2) с различна дължина и теглови коефициенти, които се избират в зависимост от нивата на шумовете, измерени по време на автоматичната настройка на системата.
M
iimim nSknS
1
)()(ˆ (3.2)
Премахване на постоянното отместване (3.4) при изследването на разпределението на интензивностите на отделните оптични влакна не е задължително, тъй като то се компенсира от задавания в приложението за детекция праг (Threshold Level) при отделянето и анализа на отделните оптични канали.
)(ˆ)()( nSnSnS avgr (3.4)
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
x1E+3
Номер на елемент, n
Интензивност,
I
Фиг. 3.12. Направени измервания на всички 12+1 оптични канали
и приложено премахване на постоянното отместване
На Фиг. 3.12 се наблюдават част от възможните вариации на наблюдаваните разпределения на интерфериралите във влакната оптични сигнали.
Детектирането на промени в разпределението на интензивностите на отделните сензорни сигнали е необходимо да бъде достатъчно точно и надеждно, като се осигури определено ниво на достоверност. За целта са изследвани и съпоставени различни методи за детекция на промените. Сравнението между отделните алгоритми е извършен спрямо един общ измерен сигнал, като е направен анализ на отделните получени резултати.
Алгоритъмът за детекция с избор на две точни на наблюдение се състои в избор на две точки от разпределението на интензивноститите за всеки канал по зададен от оператора критерий. В тези точки се наблюдава изменението на измервания сигнал и
21
взема решение дали има външно въздействие върху влакното. Изследвани са три различни критерия за избор на наблюдаваните точки:
Най-стръмни области на оптичния сигнал: Използвани формули (3.5) за изчисление на първата производна на измервания
сигнал и изборът на точките за наблюдение p1 и p2 (3.6).
dn
ndSnS
)()('
(3.5)
dn
ndSnSp
dn
ndSnSp
)(min))('min(
)(max))('max(
2
1
(3.6)
0
5
10
15
20
25
30
115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128
x1E+3
Номер на елемент, n
Интензивност,
I
-11
-6
-1
4
9
14x1E+3
Интензивност,
I
Измерен сигнал, S(n) Първа производна, dS(n)/dn
P1=122
P2=124
Фиг. 3.13. Графика с измерен сигнал и избор на две точки за наблюдение с критерий за най-стръмни области от сигнала
На Фиг. 3.13 е представена графика с измерен примерен сигнал, изчислена е първата производна и са избрани точки за наблюдение - p1 = 122 и p2 = 124 елементи от линейната CCD фотодиодна матрица. Графика на измерените сигнали в дадените точки е представена на Фиг. 3.14.
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
x1E+3
Номер на измерване, k
Интензивност,
I
p1=122
p2=124
Фиг. 3.14. Графика на измерените нива на сигнала в избраните точки
за наблюдение с критерий за най-стръмни области от сигнала
Най-близки до максимума точки: Този критерий е удачен избор в случай, че се наблюдава значително изменение на
интензивността на сигналите, при които най-голямо отклонение ще се детектира в точките, близки до максимумите. Намирането на тези точки е значително по-лесно, като се използват изразите:
22
1
1
))(max(2
))(max(1
nS
nS
pp
pp
, (3.8)
Локални максимуми: Критерият с избор на точки с локални максимуми е удачен избор в случай, че се
наблюдават сигнали с два или повече максимума. За намирането на локалните максимуми на изследвания сигнал се използват формулите:
0)1(
0)(
max
dn
ndSsign
dn
ndSsign
loc , (3.9)
2max2
1max1
LOC
LOC
pp
pp
. (3.10)
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
x1E+3
Номер на измерване, k
Интензивност,
I
p1=120
p2=123
Фиг. 3.18. Графика на измерените нива на сигнала в избраните точки за наблюдение с критерий за избор на точки в локален максимум
Проведени измервания на външни физически въздействия върху сензорното влакно и промяната на интензивността в наблюдаваните точки са представени на Фиг. 3.18. В конкретния случай изследването на интензивността в локалните максимуми дава по-отчетливо разграничение на всяко отделно въздействие.
Чрез анализ на изменението на оптичната мощност, измерена посредством линейната CCD фотодиодна матрица, е възможно детектирането на дори малки изменения на формата на сигналите. Изследвани са два метода:
Анализ на пълната оптична мощност: При метода с обобщен анализ се изчислява пълната приемана мощност, която е
пропорционална на сумата от интензивността на всеки елемент (3.11) – Фиг. 3.20.
120
130
140
150
160
170
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
x1E+3
Номер на измерване , k
Оптична
мощ
ност
Фиг. 3.20. Графика с общата изчислена мощност на оптичния сигнал
23
k
miout iSP )( , (3.11)
При определени случаи, при които сумарната мощност се запазва в дадени граници, а само се изменя формата на сигнала, този метод с изчисление на общата мощност на сигнала не е достатъчно ефективен и не осигурява достатъчна надеждност на детекция.
Дискретен комплексен анализ на изменението на мощността: При този модел за изследване на формата на разпределението на интензивностите
за всеки елемент се изчислява промяната на сигнала между две последователни измервания. Сумата от абсолютната стойност на изчислените изменения дава количествена оценка на промяната на формата на изследвания сигнал. Изчислението на дискретните изменения между две измервания се реализира чрез (3.13), а за общата сума на дисктрени изменения - с (3.14).
})()(,...,)1()1(,)()({
}{
111
1
tpStpSpSpSpSpS
SSS
kkkkkk
kkk
(3.13)
}{ kk SP (3.14)
Графиката на сумарното изменение е представена на Фиг. 3.22. Tя дава най-точна и прецизна информация за промените в разпределението на интензивността на изследвания сигнал. При подходящ анализ на графиката и изчислените стойности, може да се определи типа на въздействие върху влакното, за колко време е продължило то и други специфични за измерването параметри.
-5
5
15
25
35
45
55
65
75
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
x1E+3
Номер на измерване , k
Оптична
мощ
ност
Сумарно изменение на мощността dP(n)/dk Праг
Фиг. 3.22.Графика на сумарното изменение на оптичния сигнал при външно въздействие върху влакното
Предложеният метод за детектиране на промяната в разпределението на интензивността на измервания оптичен сигнал ни дава най-точна и достоверна информация за детектиране на външни физически въздействия. От друга страна методът изисква значителен изчислителен ресурс за паралелно измерване и изследване на оптичните сигнали.
3.2.4. Идентификация на външни въздействия върху оптичните сензорни влакна
При прилагане на външни въздействия върху влакното се наблюдава закономерност в изменението на интерфериралия сигнал. При всяко едно от тях се регистрира конкретна промяна, с което е възможно да се реализира алгоритъм за идентификация на конкретно въздействие. За целта са изследвани различни въздействия върху влакното – огъване, опъване, завъртане на сноп от оптично влакно, усукване и изпъване на усукано влакно. За основна характеризираща всяко въздействие
24
функция е избрана кривата на относителното изменение на измерваното разпределение – εf(n).
)(ˆ)(
1)(0 nI
nIn f
f (3.15)
Изследвано е въздействието „огъване” – сензорното влакно е изпънато между две точки на закрепване и чрез натиск се отмества на 10mm от първоначалното си състояние. Изменението на разпределението на интензивността при огъване на сензорното влакно и изчислената крива на относителното изменение е представена на Фиг. 3.24.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
x1E+3
Pixel number, n
Inte
nsi
ty,
I (A
/D U
nits
)
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Re
lativ
e D
evia
tion,
DI/
Io
Signal without External FieldSignal with External FieldDeviation Function
Фиг. 3.24. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействие огъване и изчислена крива на изменени
Друг тип изследвано въздействие е огъване на една навивка от сензорното влакно: оформен е кръг с оптичното влакно и при приложен натиск то заема елипсовидна форма.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
x1E+3
Pixel number, n
Inte
nsity
, I (
A/D
Uni
ts)
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Rel
ativ
e de
viat
ion
, DI/I
o
Signa with external FieldSignal without External FieldRelative Deviation
Фиг. 3.26. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействие и изчислена крива на изменение при огъване на навивка от сензорно влакно
При този тип взаимодействие с влакното се наблюдава изменение в разпределението на интензивността, представена на Фиг. 3.25. Отново двете състояния са ясно изразени.
Следващото изследвано въздействие е завъртане на навивка от оптично сензорно влакно. При това измерване формираният кръг от влакното е захванат в две точки, една от която се усуква (завърта) на 90° от първоначалното си състояние. При този тип въздействие се наблюдава интерференция с по-висши модове, при което се появява втори максимум в измерваното разпределение. Усреднени стойности на състоянията с, и без въздействие и изчислена крива на изменение е представена на Фиг. 3.27
25
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
x1E+3
Pixel Number, n
Inte
nsi
ty, I
(A
/D U
nits
)
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Re
lativ
e D
evia
tion
DI/
Io
Signal with Externa FieldSignal without External FieldRelative Deiviation
Фиг. 3.27. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействие и изчислена крива на изменение при усукване на навивка от сензорно влакно
Последното изследвано въздействие е усукване на сензорното влакно. При реализация на постановката на измерване, влакното е фиксирано от едната страна, изпънато е, и посредством завъртане се усуква около оста си. Изменението на наблюдавания сигнал е представено на Фиг. 3.28.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
x1E+3
Pixel number, n
Inte
nsit
y, I
(A
/D U
nits
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Rel
ativ
ive
devi
atio
n, D
I/Io
Signal without External FieldSignal with External FieldRelative Deviation
Фиг. 3.28. Усреднени стойности на разпределението с, и без въздействие и изчислена крива на изменение при усукване
Сравнение между изследваните външни въздействия върху едно сензорно влакно са представени на Фиг. 3.29. Кривите на относително изменение имат различна форма и амплитуди и могат да бъдат използвани при реализацията на метода за идентификация на краен брой въздействия върху влакното.
-6.5
-5.5
-4.5
-3.5
-2.5
-1.5
-0.5
0.5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel Number, n
Rel
ativ
e D
evi
atio
n, D
I/Io
Fiber Bending
Fiber Ring Push
Fiber Ring Rotation
Fiber Torsion
Фиг. 3.29. Сравнение на изчислената функция на относителното изменение при различните въздействия върху сензорното влакно
26
За разпознаването на конкретно физическо въздействие се използва изчислената крива на относително изменение на разпределението. Посредством корелационен анализ и изчислението на взаимно-корелационната функция (конволюцията) се дава количествена оценка за максимално припокриване между текущата измерена стойност и кривата на изменение за всяко въздействие.
Целият процес на анализ и идентификация на конкретно физическо въздействие за изследвания канал се разделя на няколко етапа. Първоначално се извършва оценка на началното разпределение на интензивността без приложено въздействи - I0(n). Следващата основна стъпка е процедурата на обучение на алгоритъма за идентификация. Той включва анализ на всички физически въздействия върху сензорното влакно за даден канал и изчислението на кривата на относително изменение εk(n) за всяко въздействие - (3.17).
)(ˆ)(
1
)(ˆ)(
1
...)2(ˆ)2(
1
)1(ˆ)1(
1
)(
...
)2(
)1(
)(0
0
0
0
nI
nI
nI
nI
I
II
I
n
n k
k
k
k
k
k
k
k
(3.17) След като бъдат измерени и изчислени всички криви на изменение, се пресмята
корелационната функция за всяко въздействие. За да се оптимизира алгоритъмът на работа и времето за обработка, е необходимо изчислението на коефициента на корелация при τ = 0 (3.18)
nkk
n
n
kkk nn
nn
nn
n
n
n
n
n
n
R
R
R
R
)()(
...
)()(
)()(
)(
...
)(
)(
)(
...
)(
)(
...
22
11
2
1
2
1
0
02
01
0
(3.18)
За идентификациято на конкретно въздействие е използван корелационен анализ. Тъй като не е нужно пресмятането на цялата взаимно-корелационна функция за целия обхват τ = {0:n}, е реализирана само конволюцията (3.20) между тренировъчните криви и текущото измерване.
n
nnR )()(0 . (3.20)
Формираната матрица R с изчислените корелационни коефициенти (3.21) се изчислява за всяко детектирано въздействие в съответния наблюдаван канал. Числените стойности на коефициентите на матрицата съответстват на максималното припокриване между текущата изчислена крива на изменение и тези, записани при тренировъчния алгоритъм.
Колкото коефициентът на матрицата R e по-близо до единица, толкова изследваното въздействие се припокрива със съответната тренировъчна крива. Анализът и вземането на решение значително ще се опрости, ако се използва матрица на разпознаването (3.22).
Ri 1 (3.22)
Като критерий на идентификация се използва коефициент на достоверност τ [%], при който ако τi < τ/100, то се взема решение за правилно разпознаване на текущото изследвано въздействие с подобие от τ, [%].
Предложеният метод за идентификация е приложен за изследването на физически въздействия върху сензорно влакно. Изчислените стойности на матрицата τk между отделните тренировъчни криви на изменение са представени в Таблица 3.3.
27
Таблица 3.3
τi Огъване Огъване на навивка
от влакно Завъртане на
навивка от влакно Усукване
Огъване 0,000 3,162 2,963 13,999 Огъване на навивка от влакно
1,079 0,000 0,257 2,145
Завъртане на навивка от влакно
1,011 0,870 0,000 0,458
Усукване 1,039 0,742 0,710 0,000 Проведено е тестово измерване и идентификация на конкретно въздействие.
Изчислени са кривата на изменение εk(n), корелационната матрица Ri и грешката при разпознаване δ (Таблица 3.4). Графики на тренировъчните криви на изменение и на текущото тестово въздействие са представени на Фиг. 3.31, където се наблюдава почти пълно припокриване на двете криви.
Таблица 3.4 Въздействие Ri τi Грешка, δ %Огъване 1,053 0,053 5,3
Огъване на навивка от влакно
-0,069 1,069 107
Завъртане на навивка от влакно
0,000 1,000 100
Усукване -0,038 1,038 104
-6.5
-5.5
-4.5
-3.5
-2.5
-1.5
-0.5
0.5
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Pixel Number, n
Rel
ativ
e D
evia
tion
, DI/
Io
Fiber Bending
Fiber Ring Push
Fiber Ring Rotation
Fiber Torsion
Current Measure
Фиг. 3.31. Сравнение между тестово измерване на кривата на изменение и обучителните криви
Предложеният метод за идентификация на отделни физически въздействия върху оптично сензорно влакно с междумодова интерференция предлага достатъчно точно и достоверно разпознаване, като също така броят на изчислителните операции е оптимизиран и съобразен с многоканалното паралелно измерване и анализ на оптичните сигнали. Този метод за идентификация може да се приложи за разпознаване на въздействия, разпределени по дължината на влакното.
3.3. Измервания, изследвания и функционални тестове на сензорната система
В процеса на изграждане, разработка и настройка на представените методи за автоматизирано измерване и анализ на влакнесто-оптични сензори, базирани на междумодова интерференция са извършени множество тестове, измервания на разработената многоканална периметрична система и изследвания на различни въздействия.
Изменението на разпределението на интензивността едновременно на всички канали е представено на Фиг. 3.32. Цялостно измерване на измененията на сигнала за дълъг период от време на всички 128 елемента е представена на Фиг. 3.39. Без да бъде прилагано въздействие върху влакното, графиката представя измененията на сигнали,
28
които са резултат от флуктуации в изходната мощност и дължината на вълната на източника.
Фиг. 3.32. Графика на изменението на интензивността във времето
на всички измервани сензорни влакна
Фиг. 3.39. Изследване на стабилността на два различни HeNe лазерни източника
Реализираната многоканална система едновременно измерва 12 оптични сигнала. Необходимо е да се изследва системата за смущения на измерваните сигнали по съседен канал и дали избраното отстояние между влакната и разстоянието до CCD матрицата е достатъчно. Разгледан е най-неблагоприятният случай, а именно минимални стойности на измервания канал и максимални стойности на съседните. Графика на нивата на отделните разпределения на интензивността и изчисление на отношението сигнал-шум (сигнал-смущение) са представени на Фиг. 3.43.
All Channels with Minimum and Maximum values
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111
-3
0
3
6
9
12
15
Max Even Ch Max Odd Ch Min Even Ch
Min Odd Ch Dark NL SNR
Фиг. 3.43. Измерване на нивата на шумовете при два различни източника на сигнал
29
3.4. Хибридна сензорно-комуникационна измервателна система
Разработената многоканална сензорна система за измерване и анализ на влакнесто-оптични сензори, базирани на междумодова интерференция е разширена функционално. В една комплексна хибридна система са комбинирани измерването и анализа на два различни типа влакнесто-оптични сензори – спектрално-мултиплексираните сензорни решетки (в C+L обхвата 1510-1640nm) и сензорните влакна (във видимата област 632nm). Едновременно с това е изградена комуникационна линия по общо сензорно влакно, работеща на 1320nm. Структурната схема на системата е представена на Фиг.3.44.
Фиг. 3.44. Структурна схема на хибридна сензорно-комуникационна система
Посредством оптичен спектрален анализатор (OSA) е измерен целият спектър 600-1700 nm, за да се визуализират спектралното разделение и използваните честотни обхвати за всеки един модул от хибридната сензорна система. На Фиг. 3.47 е представена графика на измерения спектър. Ясно се отличават трите използвани обхвата – видимият спектър 632nm на HeNe лазера, комуникационният канал -1328nm и широкоспектърният сигнал на измерена дългопериодична решетка 1520-1620nm.
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700Дължина на вълната, (nm)
Загуби,
а (
dB)
632 nm
1328 nm
(1264 nm)
1525 - 1620 nmCCD матрица видим спектър
C+L
CCD матрица инфрачервен спектър
Фиг. 3.47. Измерен спектър на целият използван честотен обхват на хибридната система
Приложението на представената хибридна система е основно в системи за сигурност и детекция на интрузии, както и при реализиране на сензорна мрежа за измерване и анализ на деформации, температурни изменения, промени в налягането или за детектиране на даден химичен състав.
R
T
12
3
LPG LPGОгледало
DWM 650/1310/1550
DWM 650/1310/1550
Циркулатор ASE
1 2
3
12
3
Оптичен спектрален анализатор
Огледало
632mn Лазер
1:16 Насочен отклонител
1 23
Оптична сензорно-комуникационна линия
T
R
CCD Оптоелектронно устройство
6х6 Сензорна Решетка Мощен Лазер 632nm, >5mW
PC1 PC2Медиа
Конвертор 2Медиа
Конвертор 1
λ= 1330nm
λ= 1520-1610nm
λ= 632nm
30
3.5. Изводи
1. Разработената многоканална сензорна система на базата на линейна CCD фотодиодна матрица едновременно измерва и анализира разпределението на интензивността на 12 оптични сензорни влакна с междумодова интерференция.
2. Изследвани са различни алгоритми и методи за детектиране на промените във формата на разпределението на интензивността за всеки канал.
3. Избран е подходящ алгоритъм за детектиране на измененията на интерферентната картина, който осигурява максимално точно и надеждно вземане на решение.
4. Изследвани са конкретни физически въздействия върху сензорните влакна. Въз основа на получените резултати за изменение на формата на интерферентната картина е предложен алгоритъм за идентификация на конкретни въздействия.
5. Разработена и изследвана е хибридна сензорно-комуникационна система, която паралелно провежда анализ на влакнесто-оптични сензорни решетки, детектира и разпознава физически въздействия (интрузии) в общото сензорно комуникационно влакно. Същият оптичен канал освен за предаване на информация, се използва и за дистанционно наблюдение на сензорната система.
Заключение
Настоящият дисертационен труд обобщава научните и научно-приложните разработки на автора на многоканални измервателни системи с линейни CCD фотодиодни матрици за изследване характеристиките на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки. Основен критерий при реализацията на системите е автоматизиране на измервателния процес чрез анализ и приложение на различни методи за управление, измерване и обработка на получените резултати.
5. Научни и научно-приложни приноси в дисертационния труд
Научни приноси:
1. Предложен е метод за идентификация на конкретни събития (физически въздействия) върху влакнесто-оптични сензори с междумодова интерференция, базиран на корелационен анализ на изменението на измерваната интерферентна картина [(Фиг.3.23-3.31),(3.16 - 3.22)], [A3.3]. Научно-приложни приноси:
1. Проектирана е автоматизирана многоканална оптоелектронна система за спектрален анализ със линейна CCD фотодиодна матрица, подходяща за изследването на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензори и сензорни решетки [(Фиг.2.3, 2.5, 2.15),(2.15-2.21)], [A2.1-A2.4].
2. Синтезиран е адаптивен метод за многоканално измерване на спектралните характеристики на влакнесто-оптични сензорни решетки с допълнителна детекция на промяна в спектъра и оптимизиране на времето на измерване за всеки канал [Фиг. 2.46, (2.25 ÷ 2.28)], [A2.5].
3. Разработена е многоканална сензорна периметрична система с линейна CCD фотодиодна матрица за детектиране и идентификация на външни физически въздействия върху оптични сензорни влакна посредством междумодова интерференция [(Фиг.3.1-3.9, 3.44-3.48], [A3.1,A3.2].
4. Изследвани са различни алгоритми за детектиране на измененията в интерферентната картина на изхода на оптичните сензорни влакна, като е избран алгоритъм за детектиране, използващ обобщен мощностен анализ [(Фиг. 3.13 – 3.22), (3.5-3.14)], [A3.2, 3.3].
31
6. Научни публикации на автора по темата на дисертационния труд
A2.1. Balzhiev P., Arnaudov R., Eftimov T., „A Study of The Performance of an InGaAs CCD Linear Photodiode Array for Fiber-optic Grating Sensors”, ICEST-2010 Conference Proceedings, p.405-408, Ohrid, Macedonia;
A2.2. Balzhiev P., Arnaudov R., „A Linear CCD Photodiode Array-Based Interrogation System for Control and Data Analysis of Spectrally Multiplexed Fiber Gratings”, XII International PhD Workshop OWD-2010 Conference Proc., p.304-307, Wisla, Poland;
A2.3. Balzhiev, P.E., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Mikulic, P., Arnaudov, R., „A Spectrally And Spatially Multiplexed LPG Sensor System Using An InGaAs CCD Linear Array”, 21st International Conference on Optical Fiber Sensors 2011, Proc. of SPIE, Vol.7753,p.77539L-77539L-5, 2011, Ottawa, Canada;
A2.4. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Bao, X., Mikulic, P., Arnaudov, R., “Multiplexed LPG Sensor System Using An InGaAs CCD Linear Array And Optical Switches”, IEEE Journal of Lighwave Technology’2012;
(Потвърдени са положителни рецензии на статията, очаква се публикация).
A2.5. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Arnaudov, R., „Automated multi-channel broadband spectrum analysis of fiber-optic grating sensors“, ICEST-2012 Conference Preceedings, p.309-313, Veliko Tarnovo, Bulgaria.
A3.1. Balzhiev, P., Arnaudov R., Eftimov T., „Design of An Intelligent Fiber-optic Sensor Interrogation System“, Journal of Fundamental Sciences and Applications, Technical University – Sofia, Branch Plovdiv, 2011, Vol.16, Book 1, p.313-316, ISSN 1310-271 Plovdiv, Bulgaria;
A3.2. Balzhiev, P., „Investigation Of Noises In Few-Mode Fiber-Optic Sensor Interrogation System”, XIII International PhD Workshop OWD-2011 Conference proceedings, p.209-213, Wisla, Poland;
A3.3. Balzhiev, P., Bock, W.J., Eftimov, T.A., Bao, X., Stanchev, G., “Methods for Signal Processing and Event Recognition in Few-mode Fiber Sensing System”, IEEE Instrumentation and Measurement Magazine, ISSN: 0018-9456, 2012.
(Статията е на етап кореспонденция).
Сътрудничество и участие в договори по темата на дисертацията
Част от разработените методи и алгоритми са резултат от работата на автора по успешно завършения договор в помощ на докторанта на тема “Методи и средства за измерване и обработка на информацията при интелигентни сензори и сензорни мрежи” към НИС при ТУ – София Nо.:102ПД057-07/2010-2011г.
Реализираните оптоелектронни измервателни системи са резултат от съвместното сътрудничество с Изследователски център по фотоника към Квебекски Университет, Канада (Photonics Research Center, Université du Québec en Outaouais – UQO) с ръководител Prof. Dr. Wojtek Bock и Лаборатория по Фотоника към Пловдивски Университет с ръководител проф. дфн. инж. Тинко Ефтимов и Факултета по Телекомуникации с ръководител проф. д-р инж. Румен Арнаудов.
Посетих изследователския център на канадския университет (UQO), от 10.07.2011 до 09.09.2011, където проведох следните научноизследователски експерименти и изследвания с разработените от нашия екип устройства:
Тестване и измервания с автоматизираната система за спектрален анализ на влакнесто-оптични сензорни решетки;
Реализация на многоканална сензорна система за измерване и анализ на влакнесто-оптични сензори с междумодова интерференция.
32
Resume
The aims of this work are to analyze various methods for measurement and data
processing of single- and multi-channel fiber-optic sensor systems. As a result of this investigation, methods, algorithms and devices utilizing a linear CCD photodiode array are developed for automated measurement, control and data processing of fiber-optic sensors for both visible and near-infrared spectrum range.
A multichannel automated measurement system is developed for spectrum analysis in near-infrared band (800-1700nm) of fiber-optic grating sensors such as long period gratings (LPGs), fiber Bragg gratings (FBGs), polarimetric sensors and other spectrally multiplexed fiber-optic sensors.
An adaptive algorithm for multichannel measurement is proposed, which analyses spectral changes in monitored fiber-optic sensors and applies different measurement time windows for every single channel. This method allows a thorough measurement and analysis of the channels with increased spectral changes.
Various filtering scheme, data processing algorithms are proposed and investigated for noise cancellation and improvement in measured spectral resolution utilizing a precise stepper motor and correlation analysis of shifted the spectrum. Methods and system modifications for auto-callibration and extended spectrum range are proposed.
The results from measurements and tests of the designed automated multichannel system for spectrum analysis are presented. Various long period gratings (LPGs) were measured and their sensitivity to external physical fields was investigated.
A multichannel parametric system is designed to measure and monitor fiber-optic sensors based on inter-modal interference, particularly sensitive to external physical fields such as bending, twisting, elongation and etc. It utilized linear CCD photodiode array in visible spectrum range. The proposed optoelectronic system measures light intensity distribution along the fiber core. Up to 16 fibers are precisely aligned in front of the linear CCD array with exact step of 0.5mm. The designed multichannel system measures simultaneously all 16 fibers and detects any changes in light intensity distribution scheme of every fiber.
Variouse methods for detection of changes in light distribution are proposed and investigated. It includes single point monitoring, multi-point or overall optical power change detection. By investigating certain physical field on fiber-optic sensors and the respective changes in light intensity destibution, a recognition method of those fields is proposed. It efficiently recognized certain fields on fiber – bending, twisting, elongation and etc.
A complex hybrid communication-sensor system is presented. Single optical fiber is used for multiple applications at different spectral bands. A communication link is established at 1330nm, at 1550nm a broadband measurement of fiber grating sensors (LPGs or FBGs) is performed and at 632nm the same fiber is utilized as a sensor for detection of intrusions and external fields. The designed complex system is tested and investigated.
