eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
И. А. Казаков, К. М. Малахов, Е. Е. Ковалев, А. А. Мкртчян, М. С. Мишевский, В. В. Светиков, А. В. Шипулин
Исследование алгоритма работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки на фотонной интегральной схеме
Исследование алгоритма работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки на фотонной интегральной схеме
Просмотры: 922
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.122.135
Представлены аналитические и экспериментальные данные исследования работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки, изготовленной на фотонной интегральной схеме для опроса волоконных брэгговских решеток. Аналитически определены ключевые характеристики интеррогатора в зависимости от параметров дифракционной волноводной решетки, используемой в качестве спектрального демультиплексора, и ошибки работы фотодетектора. Предложены и оценены методы и алгоритмы детектирования положения максимума спектра отражения волоконных брэгговских решеток. Проведены калибровка алгоритма и измерение длины волны датчика на волоконной брэгговской решетки с помощью каналов дифракционной волноводной решетки при воздействии температуры и механических напряжений на датчик. Экспериментально подтверждена работоспособность системы с точностью определения длины волны пика отражения от волоконной брэгговской решетки не хуже 61 пм.
Представлены аналитические и экспериментальные данные исследования работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки, изготовленной на фотонной интегральной схеме для опроса волоконных брэгговских решеток. Аналитически определены ключевые характеристики интеррогатора в зависимости от параметров дифракционной волноводной решетки, используемой в качестве спектрального демультиплексора, и ошибки работы фотодетектора. Предложены и оценены методы и алгоритмы детектирования положения максимума спектра отражения волоконных брэгговских решеток. Проведены калибровка алгоритма и измерение длины волны датчика на волоконной брэгговской решетки с помощью каналов дифракционной волноводной решетки при воздействии температуры и механических напряжений на датчик. Экспериментально подтверждена работоспособность системы с точностью определения длины волны пика отражения от волоконной брэгговской решетки не хуже 61 пм.
Теги: arrayed waveguide grating fiber bragg grating interrogator photonic integrated circuit волоконная брэгговская решетка дифракционная волноводная решетка интеррогатор фотонная интегральная схема
Исследование алгоритма работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки на фотонной интегральной схеме
И. А. Казаков 1, 2,3, К. М. Малахов 1, 2,3, Е. Е. Ковалев 1, А. А. Мкртчян 1, М. С. Мишевский 1, В. В. Светиков 4,5, А. В. Шипулин 1, 2
Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия
ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия
ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия
АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия
Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
Представлены аналитические и экспериментальные данные исследования работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки, изготовленной на фотонной интегральной схеме для опроса волоконных брэгговских решеток. Аналитически определены ключевые характеристики интеррогатора в зависимости от параметров дифракционной волноводной решетки, используемой в качестве спектрального демультиплексора, и ошибки работы фотодетектора. Предложены и оценены методы и алгоритмы детектирования положения максимума спектра отражения волоконных брэгговских решеток. Проведены калибровка алгоритма и измерение длины волны датчика на волоконной брэгговской решетки с помощью каналов дифракционной волноводной решетки при воздействии температуры и механических напряжений на датчик. Экспериментально подтверждена работоспособность системы с точностью определения длины волны пика отражения от волоконной брэгговской решетки не хуже 61 пм.
Ключевые слова: интеррогатор, дифракционная волноводная решетка, волоконная брэгговская решетка, фотонная интегральная схема
Статья получена: 20.02.2024
Статья принята: 05.03.2024
Введение
Оптический интеррогатор – устройство для сбора и анализа данных, полученных с оптоволоконных сенсоров. Данное устройство используется для мониторинга различных физических величин, включая, температуру [1], механические напряжения, давление, перемещение [2]. Интеррогаторы нашли широкое применение в системах структурного мониторинга конструкций зданий и мостов [3], трубопроводов [4] и дистилляционных колонн [5], беспилотных авиационных систем [6], самолетов [7] и спутников [8], системах сенсорики химических веществ [9] и прочих применениях. Схема построения интеррогатора преимущественно определяется типом используемых датчиков. Далее будут рассмотрены конфигурации устройств для опроса датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР).
Схемы построения интеррогатора для опроса ВБР можно разделить на две основные группы: на основе миниспектрометра и на базе перестраиваемого лазера. Существуют так же более экзотические подходы на основе радиофотоных методов [10], перестраиваемых фильтров [11] и их комбинации [12]. Интеррогаторы на миниспектрометре, к классу которых относится интеррогатор на дифракционной волноводной решетке (ДВР) на фотонной интегральной схеме (ФИС), обеспечивают точность детектирования положения длины волны пика ВБР до 0,32 пм [13], в то время как интеррогаторы на перестраиваемом лазере – менее 0,1 пм [14], причем обе схемы применяют технологию ФИС для изготовления ключевых элементов устройства. Одним из недостатков схемы интеррогатора на ДВР является низкая мощность, приходящая на фотодетекторы, что происходит из-за низкой спектральной плотности мощности широкополосного источника и узкого спектра отражения ВБР. Однако данная схема является наиболее простой в реализации, легко реконфигурируемой и масштабируемой, а также обладающей высокой частотой опроса, ограниченной лишь частотой работы фотодетекторов и электроники. Интеррогаторы на перестраиваемом лазере, являются более популярными в силу универсальности, но имеют существенно более сложную структуру и алгоритмы работы и из-за ограниченной скорости сканирования имеет меньшую частоту опроса датчиков. Стоит отметить, что алгоритм детектирования физической величины определяется схемой построения интеррогатора и типом опрашиваемых датчиков.
Целью данной статьи является разработка и апробация алгоритма для использования в интеррогаторе на основе ДВР на ФИС для опроса датчиков на ВБР. Разработанный алгоритм может быть использован для детектирования всех типов ВБР-датчиков (температуры, механических напряжений и т. д.) в составе систем мониторинга структурной целостности конструкций.
Теория и расчет
На рис. 1 представлена схема интеррогатора на ДВР, в состав которой входят: суперлюминисцентный диод (СЛД), циркулятор, ВБР, ДВР, фотодиоды (ФД) и система обработки сигналов.
Принцип работы интеррогатора на ДВР для опроса датчиков на ВБР следующий. Свет от широкополосного источника СЛД через циркулятор попадает на датчики, чувствительным элементом которых является ВБР. Каждая ВБР отражает излучение на определенной длине волны (λ1, λ2 … λn), которое через циркулятор поступает на вход ДВР. В зависимости от изменения внешних параметров, например, температуры и/или механических напряжений изменяется период ВБР, а, следовательно, и положение максимума ее спектра отражения. ДВР выступает в качестве спектрального-селективного устройства: ее выходные каналы спектрально равноудалены друг от друга и пропускают узкую полосу длин волн в окрестности своего максимума. Система обработки данных получает информацию об изменении мощностей, детектируемых на ФД1, ФД2 … ФДm и пересчитывает ее в длину волны пика отраженного излучения от каждого ВБР-датчика, которая далее пересчитывается в измеряемую физическую величину.
Методика расчета характеристик интеррогатора на основе ДВР на ФИС проиллюстрирована на рис. 2. Во время работы интеррогатора максимум спектра отражения ВБР преимущественно располагается между двумя каналами ДВР. В каждый момент времени положение максимума спектра отражения ВБР определяется на основании значений мощности на соседних каналах.
В данной работе рассмотрим приближение, в котором спектр отражения ВБР представляет дельта-функцию (RFBG(λ) = δ(λ – λFBG)), а спектр пропускания каналов ДВР – функцию Гаусса (1, 2). Данное приближение позволяет аналитически проанализировать систему и получить качественные выводы о ее работе.
В используемом приближении, спектры пропускания каналов ДВР могут быть записаны следующим образом (1, 2):
; (1)
, (2)
где σch = σchn = σchn+1 – полуширина каналов, которые равны между собой для одной ДВР;
λchn, λchn+1 – центральные длины волн каналов ДВР.
Детектируемые мощности в каналах ДВР будут следующими, принимая во внимания фильтрующее свойство дельта-функции:
; (3)
. (4)
В общем виде, для определения длины волны, следует найти калибровочную функцию в пространстве Pn, Pn+1, которая выдает наиболее вероятное положение длины волны пика ВБР для заданных значений Pn и Pn+1, либо говорить об ошибке во входных данных. В общем случае количество каналов ДВР – m, а количество детектируемых пиков ВБР – n. Данная задача является переопределенной и может быть решена многими методами, в том числе с применением машинного обучения, в случае которого возможно использование большего количества каналов на одну ВБР и ожидаются наилучшие результаты.
В данной работе мы предлагаем исходить из того, что основной характеристикой для определения длины волны ВБР является отношение мощностей на соседних каналах, что в том числе позволяет избежать возмущений, вносимых вариациями мощности источника излучения, а также более просто в обработке микроконтроллерами и требует меньших вычислительных мощностей. Предлагается в каждый момент времени определять два канала с наибольшей оптической мощностью, измерять мощность на каждом канале, определять отношение измеренных мощностей и затем по двумерной калибровочной кривой восстанавливать значение длины волны максимума спектра отражения ВБР. Ниже приводится аналитическое описание этого метода.
Для выполнения обратной задачи по нахождению длины волны, введем следующую калибровочною функцию:
. (5)
Подставляя выражения (3) и (4) в (5), получим:
, (6)
где Δλ = λchn+1 – λchn – расстояние между каналами ДВР; λC = (λchn+1 + λchn)/2 – длина волны центра между каналами ДВР.
Далее рассчитаем погрешность определения длины волны ВБР (λFBG):
, (7)
где δP = δP1 = δP2 – погрешность измерения мощности в каналах ДВР.
Будем считать, что δP1 = δP2 = const. Подставив в (7) значения частных производных, определим погрешность определения длины волны (8):
. (8)
Таким образом, на основе расчетных данных было выявлено, что погрешность определения положения максимума отраженного спектра датчика ВБР зависит от следующих параметров: полуширины каналов ДРВ (σch), расстояния между каналами ДВР (Δλ), погрешности измерения мощностей в каналах ДВР (δP). Наименьшая ошибка определения длины волны достигается, когда максимум находится в точке посередине между каналами ДВР (λc), и экспоненциально возрастает, при его отдалении от нее.
Методы и материалы
В ходе исследований был собран экспериментальный стенд, имитирующий работу интеррогатора, произведен процесс калибровки и оценены точности работы устройства. На рис. 3 представлена схема интеррогатора, используемая в экспериментальных измерениях, в состав которой входят: СЛД, волоконно-оптический усилитель (ВОУ), циркулятор, ВБР, ДВР, измеритель мощности (ИМ).
В качестве широкополосного источника в составе экспериментальной установки был использован СЛД EXS210066-01 производства Exalos, а для его управления и подачи питания – драйвер SF8075-NM производства Maiman Electronics. Для усиления излучения СЛД использовался ВОУ производства Keopsys PEFA-SP-C-PM‑27-B130-FA-FA. В качестве датчиков были использованы две последовательно соединенные ВБР производства «Инверсия-Сенсор», спектры отражения которых был измерены при комнатной температуре и в отсутствие приложенных механических напряжений. Положения максимумов спектров отражения ВБР № 1 и № 2 при комнатной температуре равны 1 545,90 и 1 557,78 нм, их ширины на полувысоте 212 и 195 пм. В данной работе представлен анализ данных эксперимента с ВБР № 2 с центральной длиной волны около 1557,78 нм.
В качестве демультиплексора был использован корпусированный 16‑канальный модуль ДВР на ФИС с TEC-контроллером, разработанный ООО «ФОТИС» и произведенный в отделе интегральной фотоники АО «ЗНТЦ» [15]. Во время измерений TEC-контроллер поддерживал постоянную температуру модуля ДВР, равной комнатной. Для измерения спектра пропускания каналов ДВР и спектра отражения ВБР был использован оптический спектральный анализатор Deviser AE8600, спектры снимались с разрешением по длине волны в 50 пм. В качестве ФД были использованы измерители мощности оптического излучения Thorlabs S132Cb. Экспериментально полученные спектры пропускания каналов ДВР на ФИС при комнатной температуре вместе со спектрами отражения ВБР при комнатной температуре и температуре 166 °C в отсутствии механических напряжений приведены на рис. 4.
Результаты и обсуждение
В рамках исследований было проведено три эксперимента: изменение температуры ВБР, изменение механических напряжений ВБР, а также одновременное изменение и температуры и механических напряжений. В ходе экспериментов снимались следующие данные: мощности на всех фотодетекторах, длина волны пика отражения ВБР (с разрешением 50 пм), и соответственно температура и механические напряжения ВБР. В рамках данной работы рассматриваются только данные, связанные с ВБР № 2 с центральной длиной волны 1 557,78 нм при комнатной температуре и, соответственно, показания на фотодетекторах каналов ДВР, в которые попадает отраженное от нее излучение (канал № 1 и канал № 2).
Данные с фотоприемников на каналах ДВР № 1 и № 2 представлены на рис. 5, они используются для дальнейшего построения калибровочной кривой и оценки ошибки определения центральной длины волны ВБР с помощью данной схемы интеррогатора и предложенного метода.
Данные были разделены на две выборки: калибровочная и верификационная. В калибровочную выборку включили данные из экспериментов 1 и 2, а в верификационную – данные эксперимента 3. Согласно предложенному выше методу, для оценки работы алгоритма были взяты только те данные, которые по длине волны попадают в диапазон между пиками каналов ДВР № 1 и № 2, а также по одной точке справа и слева от этого диапазона. В качестве калибровочной функции было использовано выражение (5), от которого был взят десятичный логарифм, для лучшей визуализации:
. (9)
Значения калибровочной функции для тестовой выборки представлены на рис. 6.
Для аппроксимации данных точек была использована логистическая функция (сигмоида) (рис. 7), задаваемая выражением (10):
. (10)
Среднеквадратичные отклонения измеренного значения длины волны от истинного для калибровочных и валидационных данных оказались равны 61 пм и 35 пм соответственно. Эти величины одного порядка с разрешением оптического спектрометра (50 пм), что позволяет утверждать, что точность работы данной схемы может быть меньше либо равна разрешающей способности используемого спектрометра, а именно 50 пм. Поэтому погрешность работы представленной схемы оценивается меньшей или равной 61 пм.
Выводы
В ходе данной работы были проведены аналитические и экспериментальные исследования интеррогатора с использованием ДВР на ФИС в качестве демультиплексора датчиков на ВБР.
Из теоретического анализа была получена зависимость ошибки измерения длины волны интеррогатором от ключевых параметров системы, таких как ошибка измерения фотодетектора, ширина и расстояние между каналами ДВР. Было показано, что ошибка определения длины волны ВБР в общем виде зависит от положения длины волны ВБР относительно каналов ДВР: чем ближе пик спектра отражения ВБР к положению между каналами ДВР, тем меньше погрешность и выше точность. Однако при условии равенства ширины канала и расстояния между каналами данная зависимость снижается. Также в ходе работы сделано заключение, что чем больше расстояние между каналами ДВР, тем меньше точность интеррогатора.
В рамках экспериментальных исследований был апробирован алгоритм калибровки и последующего детектирования длины волны ВБР с помощью ДВР на фотонном чипе. Была подобрана калибровочная функция – логистическая функция (сигмоида) (10), которая наиболее точно описывает поведение калибровочной функции от длины волны пика ВБР. Также была оценена погрешность определения длины волны не более 61 пм, которую нельзя ограничить снизу в силу того, что что разрешение используемого спектрометра 50 пм.
В дальнейшем мы планируем провести исследования с использованием измерительного оборудования с меньшей инструментальной погрешностью и сбором бóльшего объема информации, чтобы определить реальную точность работы интеррогатора. Также планируется проведение эксперимента с использованием бóльшего количества каналов ДВР и нескольких ВБР для демонстрации алгоритма и исследования его поведения в граничных условиях. Кроме того планируется провести эксперименты с набором бóльшего количества данных для получения репрезентативной выборки для лучшей статистической оценки работы интеррогатора и алгоритма опроса датчиков на ВБР. В дополнение будут проведены исследования других алгоритмов как с использованием машинного обучения, так и с применением других калибровочных функций.
В заключение было представлено аналитическое описание работы интеррогатора с использованием ДВР в качестве демультиплексора, а также продемонстрирована точность работы алгоритма интеррогатора с погрешностью не более 61 пм, что соответствует погрешности определения значения температуры в 6 °С на использованных ВБР.
REFERENCES
Gangwar R. K., Kumari S., Pathak A. K., Gutlapalli S. D., Meena M. C. Optical Fiber Based Temperature Sensors: A Review. Optics. 2023 Feb 23;4(1):171–197. DOI: 10.3390/opt4010013.
Sahota J. K., Gupta N., Dhawan D. Fiber Bragg grating sensors for monitoring of physical parameters: A comprehensive review. Optical Engineering. 2020 Jun 1;59(6):060901. DOI: 10.1117/1.OE.59.6.060901.
Abedin S. et al. Structural health monitoring using a new type of distributed fiber optic smart textiles in combination with optical frequency domain reflectometry (OFDR): taking a pedestrian bridge as case study. Sensors. 2023; 23(3): 1591. DOI: 10.3390/s23031591.
Bertulessi M. et al. Experimental Investigations of Distributed Fiber Optic Sensors for Water Pipeline Monitoring. Sensors. 2023; 23(13): 6205. DOI: 10.3390/s23136205.
Patent US 9651415. 2017. Method and system for monitoring distillation tray performance / Song L., Zhang Y.
Alvarez-Montoya J., Carvajal-Castrillón A., Sierra-Pérez J. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition. Mechanical Systems and Signal Processing. 2020;136:106526. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106526.
Hegde G., Asokan S., Hegde G. Fiber Bragg grating sensors for aerospace applications: A review. ISSS Journal of Micro and Smart Systems. 2022:11(1): 257–275. DOI:10.1007/s41683‑022‑00101‑z
McKenzie I. et al. Fiber optic sensing in spacecraft engineering: An historical perspective from the European space agency. Frontiers in Physics. 2021; 9: 719441. DOI: 10.3389/fphy.2021.719441.
Yesilkoy F. Optical interrogation techniques for nanophotonic biochemical sensors. Sensors. 2019; 19(19): 4287. DOI: 10.3390/s19194287.
Yao J. Microwave photonic sensors. Journal of Lightwave Technology. 2020 Dec 25;39(12):3626–3637. DOI: 10.1109/JLT.2020.3047442.
Kim H.-T. et al. High-speed optical sensor interrogator with a silicon-ring-resonator-based thermally tunable filter. Optics Letters. 2017; 42(7):1305–1308. DOI: 10.1364/OL.42.001305.
Marin Y. E., Nannipieri T., Oton C. J., Di Pasquale F. Current status and future trends of photonic-integrated FBG interrogators. Journal of Lightwave Technology. 2018 Feb 15;36(4):946–953. DOI: 10.1109/JLT.2017.2779848.
Pustakhod D. et al. High-Resolution AWG-Based Fiber Bragg Grating Interrogator. IEEE Photonics Technology Letters. 2016; 28(20):1–1 DOI:10.1109/LPT.2016.2587812.
Selwan K. I. et al. Design of a Photonic Integrated Based Optical Interrogator. Conference: SPIE Photonics West 2017. DOI:10.1117/12.2250890.
Goncharov A. A., Kuzmin S. V., Svetikov V. V., Svidzinsky K. K., Sychugov V. A., Trusov N. V. Integrated optical demultiplexer based on the SiO2—SiON waveguide structure. Quantum Electronics. 2005 Dec 31;35(12):1163. DOI: 10.1070/QE2005v035n12ABEH013044.
АВТОРЫ
Казаков Иван Александрович, магистр, асп., инж.-исследователь, Сколковский институт науки и технологий; с. н. с., ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия Тех. Дир., ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-7509-1064
Web of Science ResearcherID: ADK-4828-2022
ID Scopus: 57203957427
ID РИНЦ: 4506-1355.
Малахов Кирилл Максимович, магистр, асп., инж.-исследователь, Сколковский институт науки и технологий; инж.-исследователь, ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия; ген. дир., ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия.
ORCID: 0009-0004-1624-5018
Ковалев Егор Евгеньевич, бакалавр, магистр, лаб-т, Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
Мкртчян Арам Арсенович, к. ф.‑ м. н., с. н. с., Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-6610-6006
Web of Science ResearcherID: AAP‑8995-2020
ID Scopus: 57200541614
ID РИНЦ: 2718-5434
Мишевский Михаил Сергеевич, магистр, асп., Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
ORCID: 0009-0005-5019-299X
Web of Science ResearcherID: HOF‑4239-2023
Scopus ID: 57444853400
Светиков Владимир Васильевич, к. ф.‑ м. н., Руководитель отдела интегральной фотоники, АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (АО ЗНТЦ), Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия.
Scopus ID: 6508026938
ID РИНЦ: 234517169
Шипулин Аркадий Владимирович, д. ф.‑ м. н., доцент, Сколковский институт науки и технологий; с. н. с., Ген. Дир., ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия.
Распределение работ
в авторском коллективе
И. А. Казаков: разработка и проведение эксперимента, вывод расчетных формул, обработка экспериментальных данных, написание и редактирование рукописи, координирование работ по написанию рукописи; К. М. Малахов: проведение эксперимента, создание рисунков, написание и редактирование рукописи, координирование работ по подаче рукописи; Е. Е. Ковалев: проведение эксперимента, обработка экспериментальных результатов, написание и редактирование рукописи; А. А. Мкртчян: разработка и проведение эксперимента, редактирование текста рукописи; М. С. Мишевский: проведение эксперимента, редактирование текста рукописи;; В. В. Светиков: предоставление ДВР на ФИС и данных об измерениях ее характеристик, редактирование текста рукописи; А. В. Шипулин: руководство и поддержка во время проведения исследований, редактирование текста рукописи.
Конфликт интересов
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов и согласие с распределением вклада каждого в работу
И. А. Казаков 1, 2,3, К. М. Малахов 1, 2,3, Е. Е. Ковалев 1, А. А. Мкртчян 1, М. С. Мишевский 1, В. В. Светиков 4,5, А. В. Шипулин 1, 2
Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия
ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия
ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия
АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия
Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
Представлены аналитические и экспериментальные данные исследования работы интеррогатора на основе дифракционной волноводной решетки, изготовленной на фотонной интегральной схеме для опроса волоконных брэгговских решеток. Аналитически определены ключевые характеристики интеррогатора в зависимости от параметров дифракционной волноводной решетки, используемой в качестве спектрального демультиплексора, и ошибки работы фотодетектора. Предложены и оценены методы и алгоритмы детектирования положения максимума спектра отражения волоконных брэгговских решеток. Проведены калибровка алгоритма и измерение длины волны датчика на волоконной брэгговской решетки с помощью каналов дифракционной волноводной решетки при воздействии температуры и механических напряжений на датчик. Экспериментально подтверждена работоспособность системы с точностью определения длины волны пика отражения от волоконной брэгговской решетки не хуже 61 пм.
Ключевые слова: интеррогатор, дифракционная волноводная решетка, волоконная брэгговская решетка, фотонная интегральная схема
Статья получена: 20.02.2024
Статья принята: 05.03.2024
Введение
Оптический интеррогатор – устройство для сбора и анализа данных, полученных с оптоволоконных сенсоров. Данное устройство используется для мониторинга различных физических величин, включая, температуру [1], механические напряжения, давление, перемещение [2]. Интеррогаторы нашли широкое применение в системах структурного мониторинга конструкций зданий и мостов [3], трубопроводов [4] и дистилляционных колонн [5], беспилотных авиационных систем [6], самолетов [7] и спутников [8], системах сенсорики химических веществ [9] и прочих применениях. Схема построения интеррогатора преимущественно определяется типом используемых датчиков. Далее будут рассмотрены конфигурации устройств для опроса датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР).
Схемы построения интеррогатора для опроса ВБР можно разделить на две основные группы: на основе миниспектрометра и на базе перестраиваемого лазера. Существуют так же более экзотические подходы на основе радиофотоных методов [10], перестраиваемых фильтров [11] и их комбинации [12]. Интеррогаторы на миниспектрометре, к классу которых относится интеррогатор на дифракционной волноводной решетке (ДВР) на фотонной интегральной схеме (ФИС), обеспечивают точность детектирования положения длины волны пика ВБР до 0,32 пм [13], в то время как интеррогаторы на перестраиваемом лазере – менее 0,1 пм [14], причем обе схемы применяют технологию ФИС для изготовления ключевых элементов устройства. Одним из недостатков схемы интеррогатора на ДВР является низкая мощность, приходящая на фотодетекторы, что происходит из-за низкой спектральной плотности мощности широкополосного источника и узкого спектра отражения ВБР. Однако данная схема является наиболее простой в реализации, легко реконфигурируемой и масштабируемой, а также обладающей высокой частотой опроса, ограниченной лишь частотой работы фотодетекторов и электроники. Интеррогаторы на перестраиваемом лазере, являются более популярными в силу универсальности, но имеют существенно более сложную структуру и алгоритмы работы и из-за ограниченной скорости сканирования имеет меньшую частоту опроса датчиков. Стоит отметить, что алгоритм детектирования физической величины определяется схемой построения интеррогатора и типом опрашиваемых датчиков.
Целью данной статьи является разработка и апробация алгоритма для использования в интеррогаторе на основе ДВР на ФИС для опроса датчиков на ВБР. Разработанный алгоритм может быть использован для детектирования всех типов ВБР-датчиков (температуры, механических напряжений и т. д.) в составе систем мониторинга структурной целостности конструкций.
Теория и расчет
На рис. 1 представлена схема интеррогатора на ДВР, в состав которой входят: суперлюминисцентный диод (СЛД), циркулятор, ВБР, ДВР, фотодиоды (ФД) и система обработки сигналов.
Принцип работы интеррогатора на ДВР для опроса датчиков на ВБР следующий. Свет от широкополосного источника СЛД через циркулятор попадает на датчики, чувствительным элементом которых является ВБР. Каждая ВБР отражает излучение на определенной длине волны (λ1, λ2 … λn), которое через циркулятор поступает на вход ДВР. В зависимости от изменения внешних параметров, например, температуры и/или механических напряжений изменяется период ВБР, а, следовательно, и положение максимума ее спектра отражения. ДВР выступает в качестве спектрального-селективного устройства: ее выходные каналы спектрально равноудалены друг от друга и пропускают узкую полосу длин волн в окрестности своего максимума. Система обработки данных получает информацию об изменении мощностей, детектируемых на ФД1, ФД2 … ФДm и пересчитывает ее в длину волны пика отраженного излучения от каждого ВБР-датчика, которая далее пересчитывается в измеряемую физическую величину.
Методика расчета характеристик интеррогатора на основе ДВР на ФИС проиллюстрирована на рис. 2. Во время работы интеррогатора максимум спектра отражения ВБР преимущественно располагается между двумя каналами ДВР. В каждый момент времени положение максимума спектра отражения ВБР определяется на основании значений мощности на соседних каналах.
В данной работе рассмотрим приближение, в котором спектр отражения ВБР представляет дельта-функцию (RFBG(λ) = δ(λ – λFBG)), а спектр пропускания каналов ДВР – функцию Гаусса (1, 2). Данное приближение позволяет аналитически проанализировать систему и получить качественные выводы о ее работе.
В используемом приближении, спектры пропускания каналов ДВР могут быть записаны следующим образом (1, 2):
; (1)
, (2)
где σch = σchn = σchn+1 – полуширина каналов, которые равны между собой для одной ДВР;
λchn, λchn+1 – центральные длины волн каналов ДВР.
Детектируемые мощности в каналах ДВР будут следующими, принимая во внимания фильтрующее свойство дельта-функции:
; (3)
. (4)
В общем виде, для определения длины волны, следует найти калибровочную функцию в пространстве Pn, Pn+1, которая выдает наиболее вероятное положение длины волны пика ВБР для заданных значений Pn и Pn+1, либо говорить об ошибке во входных данных. В общем случае количество каналов ДВР – m, а количество детектируемых пиков ВБР – n. Данная задача является переопределенной и может быть решена многими методами, в том числе с применением машинного обучения, в случае которого возможно использование большего количества каналов на одну ВБР и ожидаются наилучшие результаты.
В данной работе мы предлагаем исходить из того, что основной характеристикой для определения длины волны ВБР является отношение мощностей на соседних каналах, что в том числе позволяет избежать возмущений, вносимых вариациями мощности источника излучения, а также более просто в обработке микроконтроллерами и требует меньших вычислительных мощностей. Предлагается в каждый момент времени определять два канала с наибольшей оптической мощностью, измерять мощность на каждом канале, определять отношение измеренных мощностей и затем по двумерной калибровочной кривой восстанавливать значение длины волны максимума спектра отражения ВБР. Ниже приводится аналитическое описание этого метода.
Для выполнения обратной задачи по нахождению длины волны, введем следующую калибровочною функцию:
. (5)
Подставляя выражения (3) и (4) в (5), получим:
, (6)
где Δλ = λchn+1 – λchn – расстояние между каналами ДВР; λC = (λchn+1 + λchn)/2 – длина волны центра между каналами ДВР.
Далее рассчитаем погрешность определения длины волны ВБР (λFBG):
, (7)
где δP = δP1 = δP2 – погрешность измерения мощности в каналах ДВР.
Будем считать, что δP1 = δP2 = const. Подставив в (7) значения частных производных, определим погрешность определения длины волны (8):
. (8)
Таким образом, на основе расчетных данных было выявлено, что погрешность определения положения максимума отраженного спектра датчика ВБР зависит от следующих параметров: полуширины каналов ДРВ (σch), расстояния между каналами ДВР (Δλ), погрешности измерения мощностей в каналах ДВР (δP). Наименьшая ошибка определения длины волны достигается, когда максимум находится в точке посередине между каналами ДВР (λc), и экспоненциально возрастает, при его отдалении от нее.
Методы и материалы
В ходе исследований был собран экспериментальный стенд, имитирующий работу интеррогатора, произведен процесс калибровки и оценены точности работы устройства. На рис. 3 представлена схема интеррогатора, используемая в экспериментальных измерениях, в состав которой входят: СЛД, волоконно-оптический усилитель (ВОУ), циркулятор, ВБР, ДВР, измеритель мощности (ИМ).
В качестве широкополосного источника в составе экспериментальной установки был использован СЛД EXS210066-01 производства Exalos, а для его управления и подачи питания – драйвер SF8075-NM производства Maiman Electronics. Для усиления излучения СЛД использовался ВОУ производства Keopsys PEFA-SP-C-PM‑27-B130-FA-FA. В качестве датчиков были использованы две последовательно соединенные ВБР производства «Инверсия-Сенсор», спектры отражения которых был измерены при комнатной температуре и в отсутствие приложенных механических напряжений. Положения максимумов спектров отражения ВБР № 1 и № 2 при комнатной температуре равны 1 545,90 и 1 557,78 нм, их ширины на полувысоте 212 и 195 пм. В данной работе представлен анализ данных эксперимента с ВБР № 2 с центральной длиной волны около 1557,78 нм.
В качестве демультиплексора был использован корпусированный 16‑канальный модуль ДВР на ФИС с TEC-контроллером, разработанный ООО «ФОТИС» и произведенный в отделе интегральной фотоники АО «ЗНТЦ» [15]. Во время измерений TEC-контроллер поддерживал постоянную температуру модуля ДВР, равной комнатной. Для измерения спектра пропускания каналов ДВР и спектра отражения ВБР был использован оптический спектральный анализатор Deviser AE8600, спектры снимались с разрешением по длине волны в 50 пм. В качестве ФД были использованы измерители мощности оптического излучения Thorlabs S132Cb. Экспериментально полученные спектры пропускания каналов ДВР на ФИС при комнатной температуре вместе со спектрами отражения ВБР при комнатной температуре и температуре 166 °C в отсутствии механических напряжений приведены на рис. 4.
Результаты и обсуждение
В рамках исследований было проведено три эксперимента: изменение температуры ВБР, изменение механических напряжений ВБР, а также одновременное изменение и температуры и механических напряжений. В ходе экспериментов снимались следующие данные: мощности на всех фотодетекторах, длина волны пика отражения ВБР (с разрешением 50 пм), и соответственно температура и механические напряжения ВБР. В рамках данной работы рассматриваются только данные, связанные с ВБР № 2 с центральной длиной волны 1 557,78 нм при комнатной температуре и, соответственно, показания на фотодетекторах каналов ДВР, в которые попадает отраженное от нее излучение (канал № 1 и канал № 2).
Данные с фотоприемников на каналах ДВР № 1 и № 2 представлены на рис. 5, они используются для дальнейшего построения калибровочной кривой и оценки ошибки определения центральной длины волны ВБР с помощью данной схемы интеррогатора и предложенного метода.
Данные были разделены на две выборки: калибровочная и верификационная. В калибровочную выборку включили данные из экспериментов 1 и 2, а в верификационную – данные эксперимента 3. Согласно предложенному выше методу, для оценки работы алгоритма были взяты только те данные, которые по длине волны попадают в диапазон между пиками каналов ДВР № 1 и № 2, а также по одной точке справа и слева от этого диапазона. В качестве калибровочной функции было использовано выражение (5), от которого был взят десятичный логарифм, для лучшей визуализации:
. (9)
Значения калибровочной функции для тестовой выборки представлены на рис. 6.
Для аппроксимации данных точек была использована логистическая функция (сигмоида) (рис. 7), задаваемая выражением (10):
. (10)
Среднеквадратичные отклонения измеренного значения длины волны от истинного для калибровочных и валидационных данных оказались равны 61 пм и 35 пм соответственно. Эти величины одного порядка с разрешением оптического спектрометра (50 пм), что позволяет утверждать, что точность работы данной схемы может быть меньше либо равна разрешающей способности используемого спектрометра, а именно 50 пм. Поэтому погрешность работы представленной схемы оценивается меньшей или равной 61 пм.
Выводы
В ходе данной работы были проведены аналитические и экспериментальные исследования интеррогатора с использованием ДВР на ФИС в качестве демультиплексора датчиков на ВБР.
Из теоретического анализа была получена зависимость ошибки измерения длины волны интеррогатором от ключевых параметров системы, таких как ошибка измерения фотодетектора, ширина и расстояние между каналами ДВР. Было показано, что ошибка определения длины волны ВБР в общем виде зависит от положения длины волны ВБР относительно каналов ДВР: чем ближе пик спектра отражения ВБР к положению между каналами ДВР, тем меньше погрешность и выше точность. Однако при условии равенства ширины канала и расстояния между каналами данная зависимость снижается. Также в ходе работы сделано заключение, что чем больше расстояние между каналами ДВР, тем меньше точность интеррогатора.
В рамках экспериментальных исследований был апробирован алгоритм калибровки и последующего детектирования длины волны ВБР с помощью ДВР на фотонном чипе. Была подобрана калибровочная функция – логистическая функция (сигмоида) (10), которая наиболее точно описывает поведение калибровочной функции от длины волны пика ВБР. Также была оценена погрешность определения длины волны не более 61 пм, которую нельзя ограничить снизу в силу того, что что разрешение используемого спектрометра 50 пм.
В дальнейшем мы планируем провести исследования с использованием измерительного оборудования с меньшей инструментальной погрешностью и сбором бóльшего объема информации, чтобы определить реальную точность работы интеррогатора. Также планируется проведение эксперимента с использованием бóльшего количества каналов ДВР и нескольких ВБР для демонстрации алгоритма и исследования его поведения в граничных условиях. Кроме того планируется провести эксперименты с набором бóльшего количества данных для получения репрезентативной выборки для лучшей статистической оценки работы интеррогатора и алгоритма опроса датчиков на ВБР. В дополнение будут проведены исследования других алгоритмов как с использованием машинного обучения, так и с применением других калибровочных функций.
В заключение было представлено аналитическое описание работы интеррогатора с использованием ДВР в качестве демультиплексора, а также продемонстрирована точность работы алгоритма интеррогатора с погрешностью не более 61 пм, что соответствует погрешности определения значения температуры в 6 °С на использованных ВБР.
REFERENCES
Gangwar R. K., Kumari S., Pathak A. K., Gutlapalli S. D., Meena M. C. Optical Fiber Based Temperature Sensors: A Review. Optics. 2023 Feb 23;4(1):171–197. DOI: 10.3390/opt4010013.
Sahota J. K., Gupta N., Dhawan D. Fiber Bragg grating sensors for monitoring of physical parameters: A comprehensive review. Optical Engineering. 2020 Jun 1;59(6):060901. DOI: 10.1117/1.OE.59.6.060901.
Abedin S. et al. Structural health monitoring using a new type of distributed fiber optic smart textiles in combination with optical frequency domain reflectometry (OFDR): taking a pedestrian bridge as case study. Sensors. 2023; 23(3): 1591. DOI: 10.3390/s23031591.
Bertulessi M. et al. Experimental Investigations of Distributed Fiber Optic Sensors for Water Pipeline Monitoring. Sensors. 2023; 23(13): 6205. DOI: 10.3390/s23136205.
Patent US 9651415. 2017. Method and system for monitoring distillation tray performance / Song L., Zhang Y.
Alvarez-Montoya J., Carvajal-Castrillón A., Sierra-Pérez J. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition. Mechanical Systems and Signal Processing. 2020;136:106526. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106526.
Hegde G., Asokan S., Hegde G. Fiber Bragg grating sensors for aerospace applications: A review. ISSS Journal of Micro and Smart Systems. 2022:11(1): 257–275. DOI:10.1007/s41683‑022‑00101‑z
McKenzie I. et al. Fiber optic sensing in spacecraft engineering: An historical perspective from the European space agency. Frontiers in Physics. 2021; 9: 719441. DOI: 10.3389/fphy.2021.719441.
Yesilkoy F. Optical interrogation techniques for nanophotonic biochemical sensors. Sensors. 2019; 19(19): 4287. DOI: 10.3390/s19194287.
Yao J. Microwave photonic sensors. Journal of Lightwave Technology. 2020 Dec 25;39(12):3626–3637. DOI: 10.1109/JLT.2020.3047442.
Kim H.-T. et al. High-speed optical sensor interrogator with a silicon-ring-resonator-based thermally tunable filter. Optics Letters. 2017; 42(7):1305–1308. DOI: 10.1364/OL.42.001305.
Marin Y. E., Nannipieri T., Oton C. J., Di Pasquale F. Current status and future trends of photonic-integrated FBG interrogators. Journal of Lightwave Technology. 2018 Feb 15;36(4):946–953. DOI: 10.1109/JLT.2017.2779848.
Pustakhod D. et al. High-Resolution AWG-Based Fiber Bragg Grating Interrogator. IEEE Photonics Technology Letters. 2016; 28(20):1–1 DOI:10.1109/LPT.2016.2587812.
Selwan K. I. et al. Design of a Photonic Integrated Based Optical Interrogator. Conference: SPIE Photonics West 2017. DOI:10.1117/12.2250890.
Goncharov A. A., Kuzmin S. V., Svetikov V. V., Svidzinsky K. K., Sychugov V. A., Trusov N. V. Integrated optical demultiplexer based on the SiO2—SiON waveguide structure. Quantum Electronics. 2005 Dec 31;35(12):1163. DOI: 10.1070/QE2005v035n12ABEH013044.
АВТОРЫ
Казаков Иван Александрович, магистр, асп., инж.-исследователь, Сколковский институт науки и технологий; с. н. с., ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия Тех. Дир., ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-7509-1064
Web of Science ResearcherID: ADK-4828-2022
ID Scopus: 57203957427
ID РИНЦ: 4506-1355.
Малахов Кирилл Максимович, магистр, асп., инж.-исследователь, Сколковский институт науки и технологий; инж.-исследователь, ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия; ген. дир., ООО «Файбер Флайт», Москва, Россия.
ORCID: 0009-0004-1624-5018
Ковалев Егор Евгеньевич, бакалавр, магистр, лаб-т, Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
Мкртчян Арам Арсенович, к. ф.‑ м. н., с. н. с., Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-6610-6006
Web of Science ResearcherID: AAP‑8995-2020
ID Scopus: 57200541614
ID РИНЦ: 2718-5434
Мишевский Михаил Сергеевич, магистр, асп., Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия.
ORCID: 0009-0005-5019-299X
Web of Science ResearcherID: HOF‑4239-2023
Scopus ID: 57444853400
Светиков Владимир Васильевич, к. ф.‑ м. н., Руководитель отдела интегральной фотоники, АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (АО ЗНТЦ), Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия.
Scopus ID: 6508026938
ID РИНЦ: 234517169
Шипулин Аркадий Владимирович, д. ф.‑ м. н., доцент, Сколковский институт науки и технологий; с. н. с., Ген. Дир., ООО «ФИСТЕХ», Москва, Россия.
Распределение работ
в авторском коллективе
И. А. Казаков: разработка и проведение эксперимента, вывод расчетных формул, обработка экспериментальных данных, написание и редактирование рукописи, координирование работ по написанию рукописи; К. М. Малахов: проведение эксперимента, создание рисунков, написание и редактирование рукописи, координирование работ по подаче рукописи; Е. Е. Ковалев: проведение эксперимента, обработка экспериментальных результатов, написание и редактирование рукописи; А. А. Мкртчян: разработка и проведение эксперимента, редактирование текста рукописи; М. С. Мишевский: проведение эксперимента, редактирование текста рукописи;; В. В. Светиков: предоставление ДВР на ФИС и данных об измерениях ее характеристик, редактирование текста рукописи; А. В. Шипулин: руководство и поддержка во время проведения исследований, редактирование текста рукописи.
Конфликт интересов
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов и согласие с распределением вклада каждого в работу
Отзывы читателей
