Estructura Bragg de fibra direccionada.

Respuesta de frecuencia óptica que incluye dos componentes de banda estrecha.

Una estructura de Bragg de fibra direccionada ( AFBS ) es una rejilla de Bragg de fibra , cuya respuesta de frecuencia óptica incluye dos componentes de banda estrecha con el espacio de frecuencia entre ellos (que es la frecuencia de dirección de la AFBS) en el rango de radiofrecuencia (RF) . El espaciado de frecuencia (la frecuencia de dirección) es único para cada AFBS en el circuito de interrogación y no cambia cuando el AFBS se somete a tensión o variación de temperatura . Una estructura de fibra Bragg direccionada puede realizar una triple función en sistemas de sensores de fibra óptica : un sensor , un formador de radiación de sondeo de doble frecuencia y un multiplexor . La característica clave de AFBS es que permite la definición de su longitud de onda central sin escanear su respuesta espectral, a diferencia de las rejillas de Bragg de fibra convencionales (FBG), que se sondean mediante interrogadores optoelectrónicos. Un circuito de interrogación de AFBS está significativamente simplificado en comparación con los interrogadores convencionales y consta de una fuente óptica de banda ancha (como un diodo superluminiscente ), un filtro óptico con una respuesta de frecuencia inclinada lineal predefinida y un fotodetector . El principio de interrogación AFBS permite intrínsecamente incluir varios AFBS con la misma longitud de onda central y diferentes frecuencias de dirección en un único sistema de medición.

Figura 1: Un esquema de un cambio de índice de refracción de una estructura de Bragg de fibra direccionada de tipo 2π-FBG (a), su respuesta espectral (b). λ _B es la longitud de onda central (Bragg), Ω es la frecuencia de dirección, S ₁ (λ) - S ₃ (λ) denota matrices de transferencia que describen las secciones uniformes del AFBS, S _φ (λ) denota matriz de transferencia que describe la fase- sección de turnos del AFBS.

Historia

El concepto de estructuras de Bragg de fibra direccionada fue introducido en 2018 por Airat Sakhabutdinov ^[1] y desarrollado en colaboración con su asesor científico, Oleg Morozov. La idea surgió de los trabajos anteriores de Morozov y sus colegas, ^{[2] [3]} donde se utilizó la radiación óptica de doble frecuencia de un modulador electroóptico para la definición de la longitud de onda central FBG basándose en el análisis de amplitud y fase de la señal de palpitación a una frecuencia igual al espacio entre los dos componentes de la radiación de sondeo. Esto elimina la necesidad de escanear la respuesta espectral del FBG al mismo tiempo que proporciona una alta precisión de las mediciones y reduce el costo del sistema. ^{[1] [2]} AFBS se ha desarrollado como un paso más hacia la simplificación de los sistemas de interrogación FBG transfiriendo la conformación de la radiación de sondeo de doble frecuencia desde el modulador de la fuente al propio sensor. ^[1]

Tipos de AFBS

Hasta ahora, se han presentado dos tipos de AFBS con diferentes mecanismos de formación de radiación de doble frecuencia: 2π-FBG y 2λ-FBG.

2π-FBG

Un 2π-FBG es un FBG con dos desplazamientos π de fase discretos. ^{[4] [5] [6]} Consta de tres FBG uniformes secuenciales con espacios iguales a un período de rejilla entre ellos (ver Fig. 1). En el sistema se deben conectar varios 2π-FBG en paralelo para que el fotodetector reciba la luz propagada a través de las estructuras.

2λ-FBG

Un 2λ-FBG consta de dos FBG ultraestrechos idénticos, cuyas longitudes de onda centrales están separadas por una frecuencia de dirección. ^{[7] [8]} Se pueden conectar en serie varios 2λ-FBG del sistema, de modo que el fotodetector reciba la luz reflejada por las estructuras.

Principio de interrogatorio

Figura 2: Esquema de interrogación para dos estructuras de fibra Bragg direccionadas (tipo 2π-FBG): 1 - una fuente óptica de banda ancha; 2.1 y 2.2 - se abordaron estructuras de fibra de Bragg; 3 - un filtro óptico con una respuesta de frecuencia inclinada lineal predefinida; 4, 7 - fotodetectores; 5, 8 - convertidores analógico-digital; 6, 9 - divisores de fibra óptica; 10 - acoplador de fibra óptica; a - e - espectros ópticos.

La Fig. 2 presenta el diagrama de bloques del sistema de interrogación para dos AFBS (tipo 2π-FBG) con diferentes frecuencias de dirección Ω ₁ y Ω ₂ . Una fuente de luz de banda ancha 1 genera una radiación luminosa continua (diagrama a ), que corresponde al ancho de banda de medición. La luz se transmite a través del acoplador de fibra óptica 9 y luego llega a los dos AFBS 2.1 y 2.2 . Ambos AFBS transmiten radiaciones de dos frecuencias que se suman en una radiación combinada (diagrama b ) mediante otro acoplador 10 . A la salida del acoplador se genera una radiación de cuatro frecuencias (diagrama c ), que se envía a través de un divisor de fibra óptica 6 . El divisor divide la señal óptica en dos canales: el canal de medición y el canal de referencia. En el canal de medición está instalado un filtro óptico 3 con una respuesta de frecuencia lineal inclinada predefinida, que transforma las amplitudes de la radiación de cuatro frecuencias en radiación asimétrica (esquema d ). Después de eso, la señal se envía al fotodetector 4 y es recibida por el convertidor de medición analógico a digital (ADC) 5 . La señal del ADC se utiliza para definir la información de medición del AFBS. En el canal de referencia, la señal (diagrama e ) se envía al fotodetector de referencia 7 para el control de salida de potencia óptica, y luego es recibida por el ADC 8 de referencia . De este modo, se logra la normalización de la intensidad de la señal de salida y todos los cálculos posteriores se realizan utilizando las relaciones de las intensidades en los canales de medición y de referencia. ^{[5] [6]}

Supongamos que la respuesta de cada componente espectral de los AFBS está representada por un único armónico, entonces la respuesta óptica total de los dos AFBS se puede expresar como: ^{[1] [4]}

${\displaystyle F(t)=\left[{\sum _{i=1}^{N}A_{i}\sin(\omega _{i}t)+B_{i}\sin((\omega _{i}+\Omega _{i})t)}\right]^{2},}$

donde A _i , B _i son las amplitudes de los componentes de frecuencia del i -ésimo AFBS; ω _i , es la frecuencia de los componentes espectrales izquierdos del i -ésimo AFBS; Ω _i es la frecuencia de dirección del i -ésimo AFBS.

La potencia luminosa que recibe el fotodetector se puede describir mediante la siguiente expresión:

${\displaystyle P(t)=\sum _{i=1}^{N}\sum _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k})t)+A_{i}B_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k})t)+ \atop B_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i})t)+B_{i}B_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k})t)}\right).}$

Mediante el filtrado de banda estrecha de la señal P ( t ) en las frecuencias de dirección, se puede obtener un sistema de ecuaciones mediante el cual se pueden definir las frecuencias centrales de los AFBS:

${\displaystyle \sum _{i=1}^{N}\sum _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+A_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+ \atop B_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+B_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)}\right)=D_{j},j={\overline {1,N}},}$

donde D _j es la amplitud de la señal en las frecuencias de dirección Ω _j , y los multiplicadores exponenciales describen los filtros de paso de banda en las frecuencias de dirección.

Referencias

1. Sakhabutdinov AJ Sistemas de sensores fotónicos de microondas basados ​​en estructuras de fibra de direcciones de Bragg y su aplicación para resolver problemas prácticos. Doctor en Ciencias Tesis. Kazán: Universidad Técnica Nacional de Investigación de Kazán que lleva el nombre de AN Tupolev-KAI Publ., 2018. (en ruso)
2. Morozov OG Reflectometría simétrica de doble frecuencia para el seguimiento de medios naturales y artificiales. Doctor en Ciencias Tesis. Kazán, 2004. 333 p. (en ruso)
3. Ilyin, soldado; Morozov, OG Radiación coherente de una sola frecuencia en el método de conversión de dos frecuencias. Patente RU No. A 1338647 SU 4 G02F 1/03. Solicitud 13.04.83; Publicado el 20.04.2004.
4. Morozov, OG; Sakhabutdinov, AJ (agosto de 2019). "Se abordaron estructuras de fibra de Bragg en sistemas de sensores fotónicos de microondas cuasi distribuidos" (PDF) . Óptica informática (en ruso). 43 (4): 535–543. Código Bib : 2019CoOpt..43..535M. doi : 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN  2412-6179.
5. Agliullin, TA; Gubaidullin, RR; Morózov, OG; Z h. Sahabutdinov, A.; Ivanov, V. (marzo de 2019). "Sistema de medición de la tensión de los neumáticos basado en estructuras FBG direccionadas". 2019 Sistemas de Generación y Procesamiento de Señales en el Ámbito de las Comunicaciones a Bordo . Moscú, Rusia: IEEE. págs. 1 a 5. doi :10.1109/SOSG.2019.8706815. ISBN 978-1-7281-0606-9. S2CID  146118643.
6. Sahabutdinov, A. Zh.; Morózov, OG; Agliullin, TA; Gubaidullin, RR; Ivanov, V. (marzo de 2020). "Modelado de la respuesta del espectro de estructuras FBG direccionadas en rodamientos sensores de carga". 2020 Sistemas de Generación y Procesamiento de Señales en el Ámbito de las Comunicaciones a Bordo . Moscú, Rusia: IEEE. págs. 1–4. doi :10.1109/IEEECONF48371.2020.9078659. ISBN 978-1-7281-4772-7. S2CID  216588349.
7. Gubaidullin, RR; Sahabutdinov, A. Zh.; Agliullin, TA; Morózov, OG; Ivanov, V. (julio de 2019). "Aplicación de estructuras de fibra de Bragg direccionadas para medir la deformación de neumáticos". 2019 Sistemas de Sincronización, Generación y Procesamiento de Señales en Telecomunicaciones (SYNCHROINFO) . Rusia: IEEE. págs. 1–7. doi :10.1109/SYNCHROINFO.2019.8813908. ISBN 978-1-7281-3238-9. S2CID  201810980.
8. Morozov, OG; Sakhabutdinov, A Zh; Nureev, II; Misbakhov, R Sh (noviembre de 2019). "Tecnologías de modelado y registro de estructuras de Bragg de fibra de dirección basadas en dos rejillas ultraestrechas idénticas con diferentes longitudes de onda centrales". Revista de Física: Serie de conferencias . 1368 (2): 022049. Código bibliográfico : 2019JPhCS1368b2049M. doi : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN  1742-6588.