eng
Выпуск #8/2018
В.Н.Гаврилов, Ю.М.Грязнов, А.В.Махалов, П.Д.Моисеев, А.А.Частов
Измерители средней оптической мощности для автоматизированных рабочих эталонов и систем поверки параметров ВОСП
Измерители средней оптической мощности для автоматизированных рабочих эталонов и систем поверки параметров ВОСП
Просмотры: 3072
Функциональность многих образцов вооружений и специальной техники связана с высокими объемами передаваемых данных на базе преобразователей оптических сигналов. Для обеспечения их точности используются автоматизированные измерительные системы со встроенными модулями калибровки измерителей оптической мощности. Предложен измеритель оптической мощности на базе преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал. Для снижения погрешности измерений средней оптической мощности в приборе реализован алгоритмический метод коррекции погрешности измерений. Описаны основы его метрологического обеспечения. Длина волны оптического излучения 1,3 ±0,05 мкм, диапазон измеряемых значений средней мощности 10−11−10−1 Вт, основная относительная погрешность измерений ±5%.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.8.770.780
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.8.770.780
Теги: calibration of optic fiber transmission system components optical power meters wattmeter ваттметр измерители мощности оптического излучения калибровка компонентов волоконно-оптических систем передачи данн
Большинство измерений параметров волоконно-оптических узлов и модулей связано с измерением средней оптической мощности. Использование измерителей мощности в составе автоматизированных рабочих эталонов и средств контроля параметров компонентов волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) накладывает обязательность выполнения требований стабильности высоких метрологических характеристик и наличия внешних интерфейсов (стандартных информационных магистралей, позволяющих управлять приборами с помощью ПЭВМ).Выделим два основных принципа, лежащих в основе измерения оптической мощности:
• принцип преобразования энергии оптического излучения в тепловую энергию, а затем тепловую энергию в электрическое напряжение или ток;
• принцип фотоэлектрического преобразования энергии оптического излучения непосредственно в электрический сигнал.
Согласно этим принципам, измерители оптической мощности делят на калориметрические ваттметры, основанные на методах измерения повышения температуры (вызванного исследуемым оптическим излучением) и ваттметры, основанные на методах измерения фототока, обусловленного наличием фотонов оптического излучения. В приборах второго типа используют фотоэлементы (фотодиоды, фоторезисторы, фотоумножители).
Калориметрические ваттметры могут работать в широком диапазоне длин волн (от УФ- до ИК- и СВЧ-диапазона). Они имеют большую инерционность (в зависимости от конструкции поглотителя) – десятки секунд и чувствительность порядка единиц мкВт при погрешности измерения не хуже ±(0,1–2)%.
Калориметрические преобразователи оптической мощности используют чаще при решении задач метрологического обеспечения ВОСП в составе Государственных и рабочих эталонов единиц средней мощности оптического излучения. Конструкция оборудования, включающего эти измерители, обладает высокой сложностью, а степень автоматизации такого поверочного процесса – низкая.
В настоящее время наиболее распространенными средствами измерения средней оптической мощности стали ваттметры с фотоэлектрическим преобразованием энергии оптического излучения на основе фотодиодов. Их основные достоинства – высокая чувствительность (10–12–10–14 Вт), небольшая инерционность, простота использования [1, 2].
Первые образцы оптических ваттметров, позволяющие автоматизировать процесс измерения оптической мощности, появились за рубежом в середине 70-х годов. В состав этих приборов входил интерфейс магистрального типа GP-IB, созданный на основе стандарта IEEE‑488 (соответствующего международному стандарту МЭК 625.1 и отечественному аналогу – ГОСТ 26.003–80). Например, в Японии фирма Ando рекламировала ваттметр AQ‑1111 с фотодиодными преобразователями (диапазон длин волн 0,6–1,1 мкм и 1,0–1,7 мкм; диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±5%), а также ваттметр AQ‑1112 с калориметрическим преобразователем, (диапазон длин волн 0,6–1,7 мкм; динамический диапазон 10–5–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±3%). Фотодиодные ваттметры с аналогичными характеристиками выпускались также фирмой Anritsu (Япония) ML93A (диапазон длин волн 0,38–1,15 мкм и 0,75–1,8 мкм) и фирмой Hewlett Packard (США) НР8140А (диапазон длин волн 0,4–1,11 мкм).
В настоящее время на рынке контрольно-измерительных средств представлено достаточно много измерителей оптической мощности разных фирм. В основном, это фотодиодные портативные ваттметры, имеющие стандартные внешние интерфейсы.
К таким приборам можно отнести измерители оптической мощности фирм: Agilent Technologies (США) N7745A; EXFO (Канада) EPM 50; Fiber Instrument Sales (США) OV-PM, OV2; Fluke Network (США) Multi Fiber Pro; Hioki Е. Е. (Япония) 3664 и др.[3–5] Технические характеристики ваттметров позволяют использовать их в широком спектральном диапазоне 0,4–1,7 мкм (перекрывается одним или несколькими фотодиодными преобразователями).
Динамический диапазон приборов 60–70 дБ, погрешность измерения ±5% на длине волны калибровки. Отличие приборов, в основном, состоит в их габаритах, функциях и наличии внешних интерфейсов (RS232, USB, GP-IB, Ethernet).
В СССР в конце 70-х годов в ГНИПИ (г. Горький) был разработан калориметрический ваттметр М3–49 (диапазон длин волн 0,4–11 мкм, динамический диапазон 10–4–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±3%). Прибор не имел полноценного внешнего интерфейса, но имел выход на алфавитно-цифровое печатающее устройство, позволяющий включать его в состав автоматизированных измерительных систем (АИС) и использовать для снятия результатов измерения, без реализации функций дистанционного управления.
В середине 80-х годов был разработан первый серийно выпускаемый измеритель оптической мощности ОМК3–79 с интерфейсом КОП (ГОСТ 26.003–80). Ваттметр позволял измерять среднюю оптическую мощность, а также определять длину волны излучения в спектральном диапазоне 0,6–1,6 мкм. Диапазон измерения средней мощности 10–8–10–2 Вт, погрешность измерения оптической мощности 7% на длинах волн 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,5 мкм и 10% в рабочем спектральном диапазоне. Погрешность измерения длины волны излучения 2%. Встроенный микропроцессор полностью обеспечивал необходимые интерфейсные функции, что позволяло легко использовать ваттметр в составе различных АИС.
Во ННИПИ "Кварц" создан ряд измерителей средней оптической мощности с высокими техническими характеристиками, предназначенных для работы в составе автоматизированных рабочих эталонов [6, 7]. Одним из них является волоконно-оптический ваттметр ОМ3–109. Конструктивно ваттметр выполнен в виде базового блока, в котором расположены источники питания, устройство индикации с панелью управления и два посадочных места для сменных блоков преобразователей, работающих в спектральных диапазонах 0,8–1,1 мкм и 1,0–1,65 мкм соответственно. Структурная схема ваттметра волоконно-оптического изображена на рис. 1.
На входах преобразователей стоят волоконно-оптические разъемы, позволяющие подключать как многомодовые, так и одномодовые оптические кабели. Микролинзы, расположены в разъемах, они формируют параллельный пучок излучения, необходимый для работы различных оптических узлов сменного блока: дисперсионных элементов и аттенюаторов.
Установка дисперсионного элемента в оптический тракт прибора служит для точного определения длины волны входного излучения и снижения погрешности измерений мощности. Функциональная зависимость спектральной характеристики поглощения падающего излучения дисперсионного элемента носит монотонный характер и имеет большую крутизну в пределах рабочего диапазона длин волн ваттметра.
Введение в оптический тракт аттенюатора расширяет диапазон линейности фотоприемника до 100 мВт. В состав аттенюатора входит заслонка, перекрывающая оптический канал (в режиме "Установка нуля"). Управление электромагнитными приводами дисперсионного элемента, дискретных ослабителей аттенюатора и заслонки осуществляет контроллер дискретных ослабителей.
В качестве фотоприемника в ваттметре используется фотодиод на основе InGaAs-структуры. Ток фотоприемника преобразуется в напряжение, которое подается на вход программируемого усилителя. Программируемый усилитель позволяет изменять коэффициент передачи в соответствии с уровнем подаваемой мощности оптического сигнала. В состав усилителя также входит блок калибровочных резисторов, с помощью которых достигается точное значение напряжения, пропорциональное оптическому сигналу. В АЦП напряжение преобразуется в двоичный код и по внутриприборному последовательному синхронному интерфейсу SPI передается в базовый блок. В состав сменного блока входит ЭППЗУ идентификации, в котором хранятся поправочные коэффициенты и градуировочные характеристики узлов оптического и электрического трактов.
Управление сменными блоками преобразователей осуществляется встроенными в базовый блок программно-аппаратными средствами на основе микроконтроллера. Информационный обмен между блоками производится по каналам связи. В качестве таких каналов используются стандартные синхронные интерфейсы I2C и SPI с последовательным форматом передачи данных.
Существуют факторы, ограничивающие точность измерений фотодиодных ваттметров: нелинейность функции преобразования фотоприемника; неравномерность функции ослабления аттенюатора в спектральном диапазоне; погрешность коэффициентов передачи. Последний фактор вызван неточностью установки калибровочных резисторов программируемого усилителя. Для снижения погрешности измерений средней оптической мощности в приборе реализован алгоритмический метод коррекции погрешности измерений. Он заключается в экспериментальном определении градуировочных характеристик компонентов оптического и электрического трактов прибора с помощью образцовых средств измерений.
Значения характеристик в точках калибровки (соответствующих ряду длин волн в заданном спектральном диапазоне) в виде массивов узлов аппроксимации записываются в ЭППЗУ сменных блоков. Во время измерений в автоматическом режиме микроконтроллером выполняется алгоритм панорамного обзора и поиска элементов массивов (узлов аппроксимации), необходимых для определения точного значения измеряемой мощности. Значения градуировочных характеристик между точками калибровки вычисляются методом кусочно-линейной аппроксимации. На основе полученных значений градуировочных функций рассчитываются поправочные коэффициенты для преобразования результатов измерения к окончательному виду.
Применение подобного решения в измерителе средней оптической мощности ОМ3–109 (рис. 2) позволило снизить уровень погрешности измерения до ±2% (на фиксированных длинах волн) и до ±3,5% в рабочем спектральном диапазоне 0,8–1,7 мкм. Диапазон измерения средней оптической мощности 10–12–10–1 Вт (обеспечивается двумя сменными блоками: 10–9–10–1 и 10–12–10–6 Вт).
Наличие трех внешних стандартных интерфейсов (RS232, USB, КОП) позволяет эффективно использовать измерительный прибор как в составе современных АИС, так и в ранее разработанных измерительных системах.
Для расширения возможностей применения ваттметра и снижения его стоимости был разработан вариант прибора (рис. 3) с встроенными оптическими преобразователями в корпусе Propac PRO фирмы Schroff GmbH (ФРГ).
Прибор имеет следующие технические характеристики: диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–1 Вт, рабочий спектральный диапазон 0,8–1,7 мкм, основная относительная погрешность измерения средней мощности ±5%.
Рассмотренные выше приборы агрегатируются в АИС по приборно-модульному принципу. Согласно этому принципу основой объединения программно-управляемых приборов (модулей), каждый из которых может функционировать и автономно, и в составе АИС, является наличие стандартного интерфейса. Интерфейс представляет собой совокупность электрических, конструктивных и программных средств для соединения управляющего компьютера с измерительными приборами, необходимыми для контроля и исследования параметров объекта измерения. При этом каждый из приборов, входящий в состав АИС, содержит встроенный интерфейсный модуль, с помощью которого он может подсоединяться к стандартной магистрали.
Развитие современных компактных и мобильных АИС с высокими объемами передаваемых данных, используемых, в частности, при разработке и эксплуатации образцов вооружений и специальной техники как у нас в стране, так и за рубежом, привело к созданию нового класса измерительных средств – модульной контрольно-испытательной аппаратуры (МКИА). Подобные АИС основаны на блочно-модульном принципе построения. Входящие в их состав модули не могут работать независимо, вне системной магистрали, основанной, как правило, на базе системных компьютерных шин. Системная магистраль обслуживается встроенным в модульную платформу (крейт) компьютером с панелью управления и дисплеем или внешним компьютером через контроллер магистрали. К таким магистральным интерфейсам можно отнести VME / VXI, ISA / PC104, PCI / PXI и ряд других.
Измерительные модульные платформы для измерения параметров волоконно-оптических узлов и соответственно модули для измерения средней оптической мощности выпускают фирмы: Ando (Япония) AQ8201–22; Agilent Technologies (США) модульная платформа 8163 / 64 / 66, модули 8163х А / В и 8162х А / В; Yokogawa (Япония) модульная платформа AQ7280, модули измерителей мощности AQ2780 / 81; EXFO (Канада) модульная платформа IOS605P, модуль IOS1500, Wandel&Golterman (ФРГ) OMS‑150 / 200, модули ваттметров OLP‑110 / 130 / 150 и др [1, 3–5].
Технические характеристики измерительных модулей соответствуют характеристикам измерителей средней мощности, приведенных выше, но часто модули работают в более узких спектральных и динамических диапазонах.
В ННИПИ "Кварц" был разработан комплект модулей для решения измерительных задач волоконно-оптической техники на длине волны 1,3 мкм. В состав этих модулей входит ваттметр волоконно-оптический VM1002.
Прибор построен по двухканальной схеме, что позволяет помимо измерения мощности непрерывно и без коммутации измерять ослабление оптического излучения в волоконно-оптических узлах и элементах. По первому каналу измеряется мощность излучения, поступающая на вход измеряемого объекта, по второму – мощность излучения с выхода этого объекта. Структурная схема ваттметра изображена на рис. 4.
В блок преобразования прибора входят оптические узлы аналогичные тем, что используются в ваттметре ОМ3–109. Аттенюатор состоит из одного дискретного ослабителя 20 дБ и изготовлен путем вакуумного напыления слоя металла на стеклянную подложку, дисперсионный фильтр – вакуумным напылением многослойного интерференционного покрытия. Свободные от поглощающих и диспергирующих покрытий поверхности аттенюатора и фильтра, а также поверхности микролинз просветляются в рабочем диапазоне длин волн для уменьшения френелевских потерь.
Блок цифровой обработки измерительной информации осуществляет управление оптоэлектронными узлами прибора и взаимодействие с шиной VXI. Примененные в модульном ваттметре технологии позволяют легко создавать АИС любой сложности, обеспечивая при этом простой и понятный интерфейс для пользователя, баланс по электромагнитной совместимости и по питанию.
К прибору VM1002 (рис. 5) разработана видеопанель (виртуальная панель) интерактивного управления прибором в среде Windows2000 / XP / 7 и драйвер, являющийся связующим звеном между прибором и пользовательским приложением. Виртуальная панель позволяет пользователю воспользоваться функциями драйвера без разработки собственного программного обеспечения для управления модулем. Она реализована в среде Visual C в виде автономного исполняемого приложения.
Прибор имеет следующие технические характеристики: длина волны измеряемой мощности оптического излучения 1,3 ±0,05 мкм, диапазон измеряемых значений средней мощности 10–11–10–1 Вт, основная относительная погрешность измерения средней мощности ±5%, тип оптического волокна – одномодовый. Разработанные измерители средней оптической мощности применяются в составе автоматизированных рабочих эталонов (ОК6–13 и РЭСМ-КВАРЦ) единиц средней мощности и ослабления оптического излучения в ВОСП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Optical Power Meter Guide. URL: http:// www.newport.com / g / optical-power-meters.
2. Key considerations in choosing an optical power meter. URL: https://community.keysight.com / community / keysight-blogs / internet-infrastructure / blog / 2017 / 02 / 24 / how-to-choose-the-right-optical-power-meter-for‑850-nm-signals.
3. Electronic measuring instruments. Catalog Ando Electric Co. 1981 / 1982.
4. Wavetek Wandel & Goltermann. Complete Catalog; 1999.
5. Agilent Technologies Lightwave Catalog. 2013;1:2. URL: http://pdf.directindustry.com / pdf / keysight-technologies / lightwave-catalog-volume-i‑2013 / 8981–310889.html
6. Гаврилов В. Н., Грязнов Ю. М. и др. Автоматизированная система для поверки средств измерения параметров ВОСП. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011; 1–2: 115–120.
Gavrilov V. N., Gryaznov Yu.M. et al. Automated system for calibration of measuring instruments of parameters of OFTS. Systems and means of communication, television and broadcasting, 2011; 1–2: 115–120.
7. Гаврилов В. Н., Грязнов Ю. М. и др. Комплект волоконно-оптических измерительных модулей для автоматизированной магистрально-модульной системы на базе шины VXI. Антенны. 2004; 7(86): 23–30.
Gavrilov V. N., Gryaznov Yu.M. et al. A set of optic fiber measurement modules for an automated trunk-modular system based on the VXI bus. Antennas. 2004; 7 (86): 23–30.
• принцип преобразования энергии оптического излучения в тепловую энергию, а затем тепловую энергию в электрическое напряжение или ток;
• принцип фотоэлектрического преобразования энергии оптического излучения непосредственно в электрический сигнал.
Согласно этим принципам, измерители оптической мощности делят на калориметрические ваттметры, основанные на методах измерения повышения температуры (вызванного исследуемым оптическим излучением) и ваттметры, основанные на методах измерения фототока, обусловленного наличием фотонов оптического излучения. В приборах второго типа используют фотоэлементы (фотодиоды, фоторезисторы, фотоумножители).
Калориметрические ваттметры могут работать в широком диапазоне длин волн (от УФ- до ИК- и СВЧ-диапазона). Они имеют большую инерционность (в зависимости от конструкции поглотителя) – десятки секунд и чувствительность порядка единиц мкВт при погрешности измерения не хуже ±(0,1–2)%.
Калориметрические преобразователи оптической мощности используют чаще при решении задач метрологического обеспечения ВОСП в составе Государственных и рабочих эталонов единиц средней мощности оптического излучения. Конструкция оборудования, включающего эти измерители, обладает высокой сложностью, а степень автоматизации такого поверочного процесса – низкая.
В настоящее время наиболее распространенными средствами измерения средней оптической мощности стали ваттметры с фотоэлектрическим преобразованием энергии оптического излучения на основе фотодиодов. Их основные достоинства – высокая чувствительность (10–12–10–14 Вт), небольшая инерционность, простота использования [1, 2].
Первые образцы оптических ваттметров, позволяющие автоматизировать процесс измерения оптической мощности, появились за рубежом в середине 70-х годов. В состав этих приборов входил интерфейс магистрального типа GP-IB, созданный на основе стандарта IEEE‑488 (соответствующего международному стандарту МЭК 625.1 и отечественному аналогу – ГОСТ 26.003–80). Например, в Японии фирма Ando рекламировала ваттметр AQ‑1111 с фотодиодными преобразователями (диапазон длин волн 0,6–1,1 мкм и 1,0–1,7 мкм; диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±5%), а также ваттметр AQ‑1112 с калориметрическим преобразователем, (диапазон длин волн 0,6–1,7 мкм; динамический диапазон 10–5–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±3%). Фотодиодные ваттметры с аналогичными характеристиками выпускались также фирмой Anritsu (Япония) ML93A (диапазон длин волн 0,38–1,15 мкм и 0,75–1,8 мкм) и фирмой Hewlett Packard (США) НР8140А (диапазон длин волн 0,4–1,11 мкм).
В настоящее время на рынке контрольно-измерительных средств представлено достаточно много измерителей оптической мощности разных фирм. В основном, это фотодиодные портативные ваттметры, имеющие стандартные внешние интерфейсы.
К таким приборам можно отнести измерители оптической мощности фирм: Agilent Technologies (США) N7745A; EXFO (Канада) EPM 50; Fiber Instrument Sales (США) OV-PM, OV2; Fluke Network (США) Multi Fiber Pro; Hioki Е. Е. (Япония) 3664 и др.[3–5] Технические характеристики ваттметров позволяют использовать их в широком спектральном диапазоне 0,4–1,7 мкм (перекрывается одним или несколькими фотодиодными преобразователями).
Динамический диапазон приборов 60–70 дБ, погрешность измерения ±5% на длине волны калибровки. Отличие приборов, в основном, состоит в их габаритах, функциях и наличии внешних интерфейсов (RS232, USB, GP-IB, Ethernet).
В СССР в конце 70-х годов в ГНИПИ (г. Горький) был разработан калориметрический ваттметр М3–49 (диапазон длин волн 0,4–11 мкм, динамический диапазон 10–4–10–2 Вт с основной относительной погрешностью измерений ±3%). Прибор не имел полноценного внешнего интерфейса, но имел выход на алфавитно-цифровое печатающее устройство, позволяющий включать его в состав автоматизированных измерительных систем (АИС) и использовать для снятия результатов измерения, без реализации функций дистанционного управления.
В середине 80-х годов был разработан первый серийно выпускаемый измеритель оптической мощности ОМК3–79 с интерфейсом КОП (ГОСТ 26.003–80). Ваттметр позволял измерять среднюю оптическую мощность, а также определять длину волны излучения в спектральном диапазоне 0,6–1,6 мкм. Диапазон измерения средней мощности 10–8–10–2 Вт, погрешность измерения оптической мощности 7% на длинах волн 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,5 мкм и 10% в рабочем спектральном диапазоне. Погрешность измерения длины волны излучения 2%. Встроенный микропроцессор полностью обеспечивал необходимые интерфейсные функции, что позволяло легко использовать ваттметр в составе различных АИС.
Во ННИПИ "Кварц" создан ряд измерителей средней оптической мощности с высокими техническими характеристиками, предназначенных для работы в составе автоматизированных рабочих эталонов [6, 7]. Одним из них является волоконно-оптический ваттметр ОМ3–109. Конструктивно ваттметр выполнен в виде базового блока, в котором расположены источники питания, устройство индикации с панелью управления и два посадочных места для сменных блоков преобразователей, работающих в спектральных диапазонах 0,8–1,1 мкм и 1,0–1,65 мкм соответственно. Структурная схема ваттметра волоконно-оптического изображена на рис. 1.
На входах преобразователей стоят волоконно-оптические разъемы, позволяющие подключать как многомодовые, так и одномодовые оптические кабели. Микролинзы, расположены в разъемах, они формируют параллельный пучок излучения, необходимый для работы различных оптических узлов сменного блока: дисперсионных элементов и аттенюаторов.
Установка дисперсионного элемента в оптический тракт прибора служит для точного определения длины волны входного излучения и снижения погрешности измерений мощности. Функциональная зависимость спектральной характеристики поглощения падающего излучения дисперсионного элемента носит монотонный характер и имеет большую крутизну в пределах рабочего диапазона длин волн ваттметра.
Введение в оптический тракт аттенюатора расширяет диапазон линейности фотоприемника до 100 мВт. В состав аттенюатора входит заслонка, перекрывающая оптический канал (в режиме "Установка нуля"). Управление электромагнитными приводами дисперсионного элемента, дискретных ослабителей аттенюатора и заслонки осуществляет контроллер дискретных ослабителей.
В качестве фотоприемника в ваттметре используется фотодиод на основе InGaAs-структуры. Ток фотоприемника преобразуется в напряжение, которое подается на вход программируемого усилителя. Программируемый усилитель позволяет изменять коэффициент передачи в соответствии с уровнем подаваемой мощности оптического сигнала. В состав усилителя также входит блок калибровочных резисторов, с помощью которых достигается точное значение напряжения, пропорциональное оптическому сигналу. В АЦП напряжение преобразуется в двоичный код и по внутриприборному последовательному синхронному интерфейсу SPI передается в базовый блок. В состав сменного блока входит ЭППЗУ идентификации, в котором хранятся поправочные коэффициенты и градуировочные характеристики узлов оптического и электрического трактов.
Управление сменными блоками преобразователей осуществляется встроенными в базовый блок программно-аппаратными средствами на основе микроконтроллера. Информационный обмен между блоками производится по каналам связи. В качестве таких каналов используются стандартные синхронные интерфейсы I2C и SPI с последовательным форматом передачи данных.
Существуют факторы, ограничивающие точность измерений фотодиодных ваттметров: нелинейность функции преобразования фотоприемника; неравномерность функции ослабления аттенюатора в спектральном диапазоне; погрешность коэффициентов передачи. Последний фактор вызван неточностью установки калибровочных резисторов программируемого усилителя. Для снижения погрешности измерений средней оптической мощности в приборе реализован алгоритмический метод коррекции погрешности измерений. Он заключается в экспериментальном определении градуировочных характеристик компонентов оптического и электрического трактов прибора с помощью образцовых средств измерений.
Значения характеристик в точках калибровки (соответствующих ряду длин волн в заданном спектральном диапазоне) в виде массивов узлов аппроксимации записываются в ЭППЗУ сменных блоков. Во время измерений в автоматическом режиме микроконтроллером выполняется алгоритм панорамного обзора и поиска элементов массивов (узлов аппроксимации), необходимых для определения точного значения измеряемой мощности. Значения градуировочных характеристик между точками калибровки вычисляются методом кусочно-линейной аппроксимации. На основе полученных значений градуировочных функций рассчитываются поправочные коэффициенты для преобразования результатов измерения к окончательному виду.
Применение подобного решения в измерителе средней оптической мощности ОМ3–109 (рис. 2) позволило снизить уровень погрешности измерения до ±2% (на фиксированных длинах волн) и до ±3,5% в рабочем спектральном диапазоне 0,8–1,7 мкм. Диапазон измерения средней оптической мощности 10–12–10–1 Вт (обеспечивается двумя сменными блоками: 10–9–10–1 и 10–12–10–6 Вт).
Наличие трех внешних стандартных интерфейсов (RS232, USB, КОП) позволяет эффективно использовать измерительный прибор как в составе современных АИС, так и в ранее разработанных измерительных системах.
Для расширения возможностей применения ваттметра и снижения его стоимости был разработан вариант прибора (рис. 3) с встроенными оптическими преобразователями в корпусе Propac PRO фирмы Schroff GmbH (ФРГ).
Прибор имеет следующие технические характеристики: диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–1 Вт, рабочий спектральный диапазон 0,8–1,7 мкм, основная относительная погрешность измерения средней мощности ±5%.
Рассмотренные выше приборы агрегатируются в АИС по приборно-модульному принципу. Согласно этому принципу основой объединения программно-управляемых приборов (модулей), каждый из которых может функционировать и автономно, и в составе АИС, является наличие стандартного интерфейса. Интерфейс представляет собой совокупность электрических, конструктивных и программных средств для соединения управляющего компьютера с измерительными приборами, необходимыми для контроля и исследования параметров объекта измерения. При этом каждый из приборов, входящий в состав АИС, содержит встроенный интерфейсный модуль, с помощью которого он может подсоединяться к стандартной магистрали.
Развитие современных компактных и мобильных АИС с высокими объемами передаваемых данных, используемых, в частности, при разработке и эксплуатации образцов вооружений и специальной техники как у нас в стране, так и за рубежом, привело к созданию нового класса измерительных средств – модульной контрольно-испытательной аппаратуры (МКИА). Подобные АИС основаны на блочно-модульном принципе построения. Входящие в их состав модули не могут работать независимо, вне системной магистрали, основанной, как правило, на базе системных компьютерных шин. Системная магистраль обслуживается встроенным в модульную платформу (крейт) компьютером с панелью управления и дисплеем или внешним компьютером через контроллер магистрали. К таким магистральным интерфейсам можно отнести VME / VXI, ISA / PC104, PCI / PXI и ряд других.
Измерительные модульные платформы для измерения параметров волоконно-оптических узлов и соответственно модули для измерения средней оптической мощности выпускают фирмы: Ando (Япония) AQ8201–22; Agilent Technologies (США) модульная платформа 8163 / 64 / 66, модули 8163х А / В и 8162х А / В; Yokogawa (Япония) модульная платформа AQ7280, модули измерителей мощности AQ2780 / 81; EXFO (Канада) модульная платформа IOS605P, модуль IOS1500, Wandel&Golterman (ФРГ) OMS‑150 / 200, модули ваттметров OLP‑110 / 130 / 150 и др [1, 3–5].
Технические характеристики измерительных модулей соответствуют характеристикам измерителей средней мощности, приведенных выше, но часто модули работают в более узких спектральных и динамических диапазонах.
В ННИПИ "Кварц" был разработан комплект модулей для решения измерительных задач волоконно-оптической техники на длине волны 1,3 мкм. В состав этих модулей входит ваттметр волоконно-оптический VM1002.
Прибор построен по двухканальной схеме, что позволяет помимо измерения мощности непрерывно и без коммутации измерять ослабление оптического излучения в волоконно-оптических узлах и элементах. По первому каналу измеряется мощность излучения, поступающая на вход измеряемого объекта, по второму – мощность излучения с выхода этого объекта. Структурная схема ваттметра изображена на рис. 4.
В блок преобразования прибора входят оптические узлы аналогичные тем, что используются в ваттметре ОМ3–109. Аттенюатор состоит из одного дискретного ослабителя 20 дБ и изготовлен путем вакуумного напыления слоя металла на стеклянную подложку, дисперсионный фильтр – вакуумным напылением многослойного интерференционного покрытия. Свободные от поглощающих и диспергирующих покрытий поверхности аттенюатора и фильтра, а также поверхности микролинз просветляются в рабочем диапазоне длин волн для уменьшения френелевских потерь.
Блок цифровой обработки измерительной информации осуществляет управление оптоэлектронными узлами прибора и взаимодействие с шиной VXI. Примененные в модульном ваттметре технологии позволяют легко создавать АИС любой сложности, обеспечивая при этом простой и понятный интерфейс для пользователя, баланс по электромагнитной совместимости и по питанию.
К прибору VM1002 (рис. 5) разработана видеопанель (виртуальная панель) интерактивного управления прибором в среде Windows2000 / XP / 7 и драйвер, являющийся связующим звеном между прибором и пользовательским приложением. Виртуальная панель позволяет пользователю воспользоваться функциями драйвера без разработки собственного программного обеспечения для управления модулем. Она реализована в среде Visual C в виде автономного исполняемого приложения.
Прибор имеет следующие технические характеристики: длина волны измеряемой мощности оптического излучения 1,3 ±0,05 мкм, диапазон измеряемых значений средней мощности 10–11–10–1 Вт, основная относительная погрешность измерения средней мощности ±5%, тип оптического волокна – одномодовый. Разработанные измерители средней оптической мощности применяются в составе автоматизированных рабочих эталонов (ОК6–13 и РЭСМ-КВАРЦ) единиц средней мощности и ослабления оптического излучения в ВОСП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Optical Power Meter Guide. URL: http:// www.newport.com / g / optical-power-meters.
2. Key considerations in choosing an optical power meter. URL: https://community.keysight.com / community / keysight-blogs / internet-infrastructure / blog / 2017 / 02 / 24 / how-to-choose-the-right-optical-power-meter-for‑850-nm-signals.
3. Electronic measuring instruments. Catalog Ando Electric Co. 1981 / 1982.
4. Wavetek Wandel & Goltermann. Complete Catalog; 1999.
5. Agilent Technologies Lightwave Catalog. 2013;1:2. URL: http://pdf.directindustry.com / pdf / keysight-technologies / lightwave-catalog-volume-i‑2013 / 8981–310889.html
6. Гаврилов В. Н., Грязнов Ю. М. и др. Автоматизированная система для поверки средств измерения параметров ВОСП. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011; 1–2: 115–120.
Gavrilov V. N., Gryaznov Yu.M. et al. Automated system for calibration of measuring instruments of parameters of OFTS. Systems and means of communication, television and broadcasting, 2011; 1–2: 115–120.
7. Гаврилов В. Н., Грязнов Ю. М. и др. Комплект волоконно-оптических измерительных модулей для автоматизированной магистрально-модульной системы на базе шины VXI. Антенны. 2004; 7(86): 23–30.
Gavrilov V. N., Gryaznov Yu.M. et al. A set of optic fiber measurement modules for an automated trunk-modular system based on the VXI bus. Antennas. 2004; 7 (86): 23–30.
Отзывы читателей
