DOI: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-987-993


УДК 681.787

МИНИМИЗАЦИЯ УРОВНЯ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ МАССИВА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВКИ ПАРАМЕТРОВ КАСКАДА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Быкадоров М.В., Плотников М.Ю., Киреенков А.Ю., Макаренко А.А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Быкадоров М.В., Плотников М.Ю., Киреенков А.Ю., Макаренко А.А. Минимизация уровня собственных шумов массива волоконно-оптических интерферометрических датчиков путем регулировки параметров каскада операционных усилителей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 987–993. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-987-993


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования зависимости уровня собственных шумов массива волоконно-оптических интерферометрических датчиков от коэффициентов усиления операционных усилителей, расположенных на плате обработки интерференционных сигналов и объединенных последовательно в единый каскад. Метод. Массив волоконно-оптических датчиков построен на двухлучевых волоконных интерферометрах Майкельсона, объединенных в массив с мультиплексированием по времени. Каскад операционных усилителей состоит из усилителя с токовой обратной связью (трансимпедансный усилитель), который преобразует фототок с фотоприемника в напряжение, и программируемого операционного усилителя. В процессе работы схемы сигнал с фотоприемного устройства попадает на трансимпедансный усилитель, который работает в двух режимах с коэффициентами усиления 0 и 6 дБ, и затем на программируемый операционный усилитель, который дополнительно усиливает приходящий электрический сигнал в диапазоне 0–40 дБ. Далее усиленные сигналы с каскада подаются на аналого-цифровой преобразователь, после чего демодулируются. В ходе эксперимента исследуемый массив волоконно-оптических датчиков был изолирован от внешних виброакустических воздействий. Сигналы с четырех волоконно-оптических датчиков после демодуляции при различных значениях коэффициентов усиления каскада операционных усилителей записывались в файлы данных, после чего оценивался уровень собственных шумов датчиков с помощью метода модифицированных периодограмм в зависимости от коэффициентов усиления каскада операционных усилителей. Основные результаты. Минимальные средние значения уровня собственных шумов волоконно-оптических интерферометрических датчиков в режиме с усилением 6 дБ операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением 12 дБ программируемого операционного усилителя составили 65 мкрад/Гц0,5 на частоте 1000 Гц, а в режиме с усилением 0 дБ (без усиления) операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением программируемого операционного усилителя — 20 дБ 80 мкрад/Гц0,5 на частоте 1000 Гц. Практическая значимость. Было продемонстрировано наличие оптимальной рабочей области в режиме с усилением 6 дБ трансимпедансного усилителя в диапазоне коэффициентов усилений 5–20 дБ программируемого операционного усилителя, при которой наблюдаются наименьшие средние значения уровней собственных шумов исследуемого массива волоконно-оптических датчиков на уровне 65–70 мкрад/Гц0,5. Данный метод с использованием операционных усилителей можно применять в массиве волоконно-оптических интерферометрических датчиков для усиления оптических импульсов, приходящих на фотоприемник, без существенного ухудшения их шумохарактеристик при условии выбора оптимальной рабочей области.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, операционный усилитель, коэффициент усиления, уровень собственных шумов

Благодарности. Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 03.G25.31.0245).

Список литературы
  1. Cole J.H., Kirkendall C., Dandridge A., Cogdell G., Giallorenzi T.G. Twenty-five years of interferometric fiber optic acoustic sensors at the Naval Research Laboratory // Journal of the Washington Academy of Sciences. 2004. V. 90. N 3. P. 40–57.
  2. Kirkendall C.K., Dandridge A. Overview of high performance fibre-optic sensing // Journal of Physics D: Applied Physics. 2004. V. 37. N 18. P. R197–R216. doi: 10.1088/0022-3727/37/18/R01
  3. Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / Ed. by E. Udd, W.B. Spillman, Jr. John Wiley & Sons, 2011. 512 p. doi: 10.1002/9781118014103
  4. Lee B., Jeong Y. Interrogation techniques for fiber grating sensors and the theory of fiber gratings // Fiber Optic Sensors, Second Edition. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2008. P. 253–331. doi: 10.1201/9781420053661
  5. Kirkendall C., Barock T., Tveten A.B., Dandridge A. Fiber optic towed arrays. Naval Research Lab Washington Dc Optical Sciences Div., 2007.
  6. Nash P.J., Cranch G.A., Hill D.J. Large scale multiplexed fibre-optic arrays for geophysical applications // Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2000. V. 4202. P. 55–66. doi: 10.1117/12.411727
  7. Paulsson B.N.P., Toko J.L., Thornburg J.A., Slopko F., He R., Zhang Ch. A high performance fiber optic seismic sensor system // Proc. 38th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. 2013.
  8. Berg C., Langhammer J., Nash P. Lifetime stability and reliability of fibre-optic seismic sensors for permanent reservoir monitoring // Proc. Society of Exploration Geophysicists International Exposition and 82nd Annual Meeting 2012 (SEG). 2012. P. 1472–1476. doi: 10.1190/segam2012-1236.1
  9. Nakstad H., Kringlebotn J.T. Realisation of a full-scale fibre optic ocean bottom seismic system // Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2008. V. 7004. P. 700436. doi: 10.1117/12.791158
  10. Souto F. Fibre optic towed array: The high tech compact solution for naval warfare // Annual Conference of the Australian Acoustical Society 2013, Acoustics 2013: Science, Technology and Amenity. 2013. P. 297–301.
  11. De Freitas J.M. Recent developments in seismic seabed oil reservoir monitoring applications using fibre-optic sensing networks // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. N 5. P. 052001. doi: 10.1088/0957-0233/22/5/052001
  12. Hill D., Nash P. Fiber-optic hydrophone array for acoustic surveillance in the littoral // Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2005. V. 5780. P. 1–10. doi: 10.1117/12.607550
  13. Borowski B., Sutin A., Roh H.S., Bunin B. Passive acoustic threat detection in estuarine environments // Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2008. V. 6945. P. 694513. doi: 10.1117/12.779177
  14. Meggitt D., Wilson J., Warren D. Project Centurion: installation of lightweight acoustic arrays in shallow water // Proc. of OCEANS 2005 MTS/IEEE. 2005. P. 1339–1344. doi: 10.1109/OCEANS.2005.1639940
  15. Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1008–1014. doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1008-1014
  16. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., Meshkovsky I.K. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Advances in Optical Technologies. 2014. P. 815108. doi: 10.1155/2014/815108
  17. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. doi: 10.1109/JSEN.2017.2704287
  18. Plotnikov M.Y., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., Kulikov A.V.,  Meshkovsky I.K. Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive acoustic surveillance applications // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19. N 9. P. 3376–3382. doi: 10.1109/JSEN.2019.2894323
  19. Быкадоров М.В., Плотников М.Ю., Волков А.В., Дмитращенко П.Ю. Исследование влияния коэффициента усиления эрбиевого волоконно-оптического усилителя на шумы волоконно-оптического интерферометрического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 4. С. 561–566. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-4-561-566
  20. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: НИУ ИТМО, 2014.
  21. Park S.M., Yoo H.J. 1.25-Gb/s regulated cascode CMOS transimpedance amplifier for gigabit ethernet applications // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2004. V. 39. N 1. P. 112–121. doi: 10.1109/JSSC.2003.820884
  22. Park S.M. Gigabit CMOS transimpedance amplifiers for optical communication applications // Proc. 7th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology (KORUS 2003). V. 2. 2003. P. 211–215.
  23. Song W.C., Oh C.J., Jung H.B. CMOS variable gain amplifier and control method therefor. Patent US6259321B1. 2001.
  24. Solomon O.M., Jr. PSD computations using Welch's method [Power Spectral Density (PSD)]: NASA STI/Recon Technical Report. 1991. doi: 10.2172/5688766
  25. Evans J.R., Followill F., Hutt C.R., Kromer R.P., Nigbor R.L., Ringler A.T., Steim J.M., Wielandt E. Method for calculating self-noise spectra and operating ranges for seismographic inertial sensors and recorders // Seismological research letters. 2010. V. 81. N 4. P. 640–646. doi: 10.1785/gssrl.81.4.640


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика