දෘශ්‍ය තන්තු සංවේදනය සඳහා ලේසර් මූලාශ්‍ර තාක්ෂණය පළමු කොටස

සඳහා ලේසර් මූලාශ්ර තාක්ෂණයදෘශ්ය තන්තුපළමු කොටස සංවේදනය

ඔප්ටිකල් ෆයිබර් සෙන්සිං තාක්‍ෂණය යනු ඔප්ටිකල් ෆයිබර් තාක්‍ෂණය සහ ඔප්ටිකල් ෆයිබර් සන්නිවේදන තාක්‍ෂණය සමඟින් වර්ධනය වූ සංවේදී තාක්‍ෂණයක් වන අතර එය ප්‍රකාශ විද්‍යුත් තාක්‍ෂණයේ වඩාත් ක්‍රියාකාරී ශාඛාවක් බවට පත්ව ඇත. ප්‍රකාශ තන්තු සංවේදක පද්ධතිය ප්‍රධාන වශයෙන් ලේසර්, සම්ප්‍රේෂණ තන්තු, සංවේදක මූලද්‍රව්‍ය හෝ මොඩියුලේෂන් ප්‍රදේශය, ආලෝකය හඳුනාගැනීම සහ අනෙකුත් කොටස් වලින් සමන්විත වේ. ආලෝක තරංගයේ ලක්ෂණ විස්තර කරන පරාමිතීන් අතර තීව්‍රතාවය, තරංග ආයාමය, අදියර, ධ්‍රැවීකරණ තත්ත්වය යනාදිය ඇතුළත් වේ. දෘශ්‍ය තන්තු සම්ප්‍රේෂණයේදී බාහිර බලපෑම් මගින් මෙම පරාමිතීන් වෙනස් විය හැක. උදාහරණයක් ලෙස, උෂ්ණත්වය, ආතතිය, පීඩනය, ධාරාව, ​​විස්ථාපනය, කම්පනය, භ්‍රමණය, නැමීම සහ රසායනික ප්‍රමාණය දෘශ්‍ය මාර්ගයට බලපාන විට, මෙම පරාමිතීන් අනුරූපව වෙනස් වේ. දෘශ්‍ය තන්තු සංවේදනය පදනම් වන්නේ මෙම පරාමිති සහ අනුරූප භෞතික ප්‍රමාණ හඳුනා ගැනීම සඳහා බාහිර සාධක අතර සම්බන්ධය මතය.

බොහෝ වර්ග තිබේලේසර් මූලාශ්රයදෘශ්‍ය තන්තු සංවේදන පද්ධතිවල භාවිතා වන අතර ඒවා කාණ්ඩ දෙකකට බෙදිය හැකිය: සමෝධානිකලේසර් මූලාශ්රසහ නොගැලපෙන ආලෝක ප්රභවයන්, නොගැලපෙනආලෝක ප්රභවයන්ප්‍රධාන වශයෙන් තාපදීප්ත ආලෝකය සහ ආලෝක විමෝචක ඩයෝඩ ඇතුළත් වන අතර සහසම්බන්ධ ආලෝක ප්‍රභවයන් ඝන ලේසර්, ද්‍රව ලේසර්, වායු ලේසර්,අර්ධ සන්නායක ලේසර්සහෆයිබර් ලේසර්. පහත දැක්වෙන්නේ ප්‍රධාන වශයෙන් සඳහා යලේසර් ආලෝක ප්රභවයමෑත වසරවල තන්තු සංවේදන ක්ෂේත්‍රයේ බහුලව භාවිතා වේ: පටු රේඛා පළල තනි-සංඛ්‍යාත ලේසර්, තනි තරංග ආයාම ස්වීප් සංඛ්‍යාත ලේසර් සහ සුදු ලේසර්.

1.1 පටු රේඛා පළල සඳහා අවශ්‍යතාලේසර් ආලෝක ප්රභවයන්

මනින ලද සංඥා වාහක ආලෝක තරංගය, ලේසර් ආලෝක ප්‍රභවයම ක්‍රියාකාරීත්වය, එනම් බල ස්ථායීතාවය, ලේසර් රේඛා පළල, අදියර ශබ්දය සහ දෘශ්‍ය තන්තු සංවේද පද්ධතියේ හඳුනාගැනීමේ දුර, හඳුනාගැනීම වැනි අනෙකුත් පරාමිතීන් ලෙස ප්‍රකාශ තන්තු සංවේදක පද්ධතිය ලේසර් මූලාශ්‍රයෙන් වෙන් කළ නොහැක. නිරවද්යතාව, සංවේදීතාව සහ ශබ්ද ලක්ෂණ තීරණාත්මක කාර්යභාරයක් ඉටු කරයි. මෑත වසරවලදී, දිගු-දුර අධි-විභේදන දෘශ්‍ය තන්තු සංවේදන පද්ධති සංවර්ධනය කිරීමත් සමඟ, ශාස්ත්‍රීය හා කර්මාන්ත ලේසර් කුඩාකරණයේ රේඛීය පළල කාර්ය සාධනය සඳහා වඩාත් දැඩි අවශ්‍යතා ඉදිරිපත් කර ඇත, ප්‍රධාන වශයෙන්: දෘශ්‍ය සංඛ්‍යාත වසම් පරාවර්තන (OFDR) තාක්ෂණය සුසංයෝගී භාවිතා කරයි. පුළුල් ආවරණයක් (මීටර් දහස් ගණනක්) සහිත සංඛ්‍යාත වසමෙහි ඇති දෘශ්‍ය තන්තු වල backrayyleigh විසිරුණු සංඥා විශ්ලේෂණය කිරීමට හඳුනාගැනීමේ තාක්ෂණය. ඉහළ විභේදන (මිලිමීටර මට්ටමේ විභේදනය) සහ ඉහළ සංවේදීතාව (-100 dBm දක්වා) වල වාසි බෙදා හරින ලද දෘශ්‍ය තන්තු මිනුම් සහ සංවේදක තාක්‍ෂණයේ පුළුල් යෙදුම් අපේක්ෂාවන් සහිත එක් තාක්‍ෂණයක් බවට පත්ව ඇත. OFDR තාක්ෂණයේ හරය වන්නේ දෘශ්‍ය සංඛ්‍යාත සුසර කිරීම සඳහා සුසර කළ හැකි ආලෝක ප්‍රභවයක් භාවිතා කිරීමයි, එබැවින් ලේසර් ප්‍රභවයේ ක්‍රියාකාරිත්වය OFDR හඳුනාගැනීමේ පරාසය, සංවේදීතාව සහ විභේදනය වැනි ප්‍රධාන සාධක තීරණය කරයි. පරාවර්තන ලක්ෂ්‍ය දුර සහයෝගීතා දිගට ආසන්න වන විට, බීට් සංඥාවේ තීව්‍රතාවය සංගුණකය τ/τc මගින් ඝාතීය ලෙස අඩු වේ. වර්ණාවලි හැඩයක් සහිත Gaussian ආලෝක ප්‍රභවයක් සඳහා, බීට් සංඛ්‍යාතයට 90%කට වඩා දෘශ්‍යතාවක් ඇති බව සහතික කිරීම සඳහා, ආලෝක ප්‍රභවයේ රේඛා පළල සහ පද්ධතියට ලබා ගත හැකි උපරිම සංවේදන දිග අතර සම්බන්ධය Lmax~0.04vg වේ. / f, එනම් කිලෝමීටර 80 ක දිගකින් යුත් තන්තු සඳහා ආලෝක ප්රභවයේ රේඛා පළල 100 Hz ට වඩා අඩුය. මීට අමතරව, අනෙකුත් යෙදුම් සංවර්ධනය කිරීම ද ආලෝක ප්රභවයේ රේඛීය පළල සඳහා ඉහළ අවශ්යතා ඉදිරිපත් කරයි. උදාහරණයක් ලෙස, ඔප්ටිකල් ෆයිබර් හයිඩ්‍රොෆෝන් පද්ධතියේ, ආලෝක ප්‍රභවයේ රේඛීය පළල පද්ධතියේ ශබ්දය තීරණය කරන අතර පද්ධතියේ අවම මැනිය හැකි සංඥාව ද තීරණය කරයි. Brillouin දෘශ්‍ය කාල වසම් පරාවර්තකයේ (BOTDR), උෂ්ණත්වය සහ ආතතිය මැනීමේ විභේදනය ප්‍රධාන වශයෙන් තීරණය වන්නේ ආලෝක ප්‍රභවයේ රේඛීය පළල මගිනි. අනුනාදක ෆයිබර් ඔප්ටික් ගයිරෝ එකක, ආලෝක ප්‍රභවයේ රේඛා පළල අඩු කිරීමෙන් ආලෝක තරංගයේ සහසම්බන්ධතා දිග වැඩි කළ හැකි අතර, එමඟින් අනුනාදකයේ සියුම් බව සහ අනුනාද ගැඹුර වැඩි දියුණු කිරීම, අනුනාදකයේ රේඛා පළල අඩු කිරීම සහ මැනීම සහතික කිරීම. ෆයිබර් ඔප්ටික් ගයිරෝහි නිරවද්‍යතාවය.

1.2 ස්වීප් ලේසර් මූලාශ්‍ර සඳහා අවශ්‍යතා

තනි තරංග ආයාම ස්වීප් ලේසර් නම්‍යශීලී තරංග ආයාම සුසර කිරීමේ කාර්ය සාධනයක් ඇත, බහු ප්‍රතිදාන ස්ථාවර තරංග ආයාම ලේසර් ප්‍රතිස්ථාපනය කළ හැකිය, පද්ධති ඉදිකිරීමේ පිරිවැය අඩු කරයි, දෘෂ්‍ය තන්තු සංවේදක පද්ධතියේ අත්‍යවශ්‍ය කොටසකි. උදාහරණයක් ලෙස, ලුහුබැඳීමේ ගෑස් තන්තු සංවේදනයේදී, විවිධ වර්ගයේ වායූන්ට විවිධ වායු අවශෝෂණ මුදුන් ඇත. මිනුම් වායුව ප්රමාණවත් වන විට ආලෝකය අවශෝෂණ කාර්යක්ෂමතාව සහතික කිරීම සහ ඉහළ මිනුම් සංවේදීතාවයක් ලබා ගැනීම සඳහා, සම්ප්රේෂණ ආලෝක ප්රභවයේ තරංග ආයාමය වායු අණුවේ අවශෝෂණ උච්චය සමඟ සමපාත කිරීම අවශ්ය වේ. හඳුනාගත හැකි වායු වර්ගය අත්‍යවශ්‍යයෙන්ම තීරණය වන්නේ සංවේද ආලෝක ප්‍රභවයේ තරංග ආයාමය මගිනි. එබැවින්, ස්ථායී බ්‍රෝඩ්බෑන්ඩ් සුසර කිරීමේ කාර්ය සාධනයක් සහිත පටු රේඛීය පළල ලේසර් එවැනි සංවේදක පද්ධතිවල ඉහළ මිනුම් නම්‍යශීලී බවක් ඇත. නිදසුනක් ලෙස, දෘශ්‍ය සංඛ්‍යාත වසම් පරාවර්තනය මත පදනම් වූ සමහර බෙදා හරින ලද දෘශ්‍ය තන්තු සංවේදන පද්ධතිවල, ඉහළ නිරවද්‍යතාවයකින් යුත් සුසංයෝගී හඳුනාගැනීම සහ දෘශ්‍ය සංඥා විකෘති කිරීම සාක්ෂාත් කර ගැනීම සඳහා ලේසර් වේගයෙන් වරින් වර අතුගා දැමීම අවශ්‍ය වේ, එබැවින් ලේසර් ප්‍රභවයේ මොඩියුලේෂන් අනුපාතය සාපේක්ෂව ඉහළ අවශ්‍යතා ඇත. , සහ වෙනස් කළ හැකි ලේසර් වල ස්වීප් වේගය සාමාන්‍යයෙන් 10 pm/μs වෙත ළඟා වීමට අවශ්‍ය වේ. මීට අමතරව, තරංග ආයාමය සුසර කළ හැකි පටු රේඛා පළල ලේසර් liDAR, ලේසර් දුරස්ථ සංවේදනය සහ අධි-විභේදන වර්ණාවලි විශ්ලේෂණය සහ අනෙකුත් සංවේදක ක්ෂේත්‍රවල ද බහුලව භාවිතා කළ හැක. තන්තු සංවේදන ක්ෂේත්‍රයේ තනි තරංග ආයාම ලේසර්වල සුසර කිරීමේ කලාප පළල, සුසර කිරීමේ නිරවද්‍යතාවය සහ සුසර කිරීමේ වේගයේ ඉහළ කාර්ය සාධන පරාමිතීන්ගේ අවශ්‍යතා සපුරාලීම සඳහා, මෑත වසරවල සුසර කළ හැකි පටු පළල ෆයිබර් ලේසර් අධ්‍යයනය කිරීමේ සමස්ත ඉලක්කය වන්නේ ඉහළ- අතිශය පටු ලේසර් රේඛීය පළල, අතිශය අඩු අවධි ශබ්දය සහ අතිශය ස්ථායී නිමැවුම් සංඛ්‍යාතය සහ බලය පසුපස හඹා යාමේ පදනම මත විශාල තරංග ආයාම පරාසයක නිරවද්‍ය සුසර කිරීම.

1.3 සුදු ලේසර් ආලෝක ප්‍රභවය සඳහා ඉල්ලුම

දෘශ්‍ය සංවේදන ක්ෂේත්‍රයේ, පද්ධතියේ ක්‍රියාකාරිත්වය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා උසස් තත්ත්වයේ සුදු ආලෝක ලේසර් ඉතා වැදගත් වේ. සුදු ආලෝක ලේසර් වල වර්ණාවලි ආවරණය පුළුල් වන තරමට, දෘශ්‍ය තන්තු සංවේදන පද්ධතියේ එහි යෙදීම් වඩාත් පුළුල් වේ. උදාහරණයක් ලෙස, සංවේදක ජාලයක් තැනීම සඳහා ෆයිබර් බ්‍රැග් ග්‍රේටින් (FBG) භාවිතා කරන විට, විකෘති කිරීම සඳහා වර්ණාවලි විශ්ලේෂණය හෝ සුසර කළ හැකි පෙරහන් ගැලපීමේ ක්‍රමය භාවිතා කළ හැකිය. පළමුවැන්නා ජාලයේ එක් එක් FBG අනුනාද තරංග ආයාමය සෘජුව පරීක්ෂා කිරීමට වර්ණාවලීක්ෂයක් භාවිතා කළේය. දෙවැන්න සංවේදනය තුළ FBG නිරීක්ෂණය කිරීමට සහ ක්‍රමාංකනය කිරීමට යොමු පෙරහනක් භාවිතා කරයි, මේ දෙකටම FBG සඳහා පරීක්ෂණ ආලෝක ප්‍රභවයක් ලෙස බ්‍රෝඩ්බෑන්ඩ් ආලෝක ප්‍රභවයක් අවශ්‍ය වේ. සෑම FBG ප්‍රවේශ ජාලයකටම නිශ්චිත ඇතුළත් කිරීම් අලාභයක් ඇති නිසාත්, 0.1 nm ට වැඩි කලාප පළලක් ඇති නිසාත්, බහු FBG හි සමකාලීන demodulation සඳහා ඉහළ බලයක් සහ ඉහළ කලාප පළලක් සහිත බ්‍රෝඩ්බෑන්ඩ් ආලෝක ප්‍රභවයක් අවශ්‍ය වේ. නිදසුනක් ලෙස, සංවේදනය සඳහා දිගු කාලීන තන්තු ග්‍රේටින් (LPFG) භාවිතා කරන විට, තනි පාඩු උච්චයක කලාප පළල 10 nm අනුපිළිවෙලින් පවතින බැවින්, ප්‍රමාණවත් කලාප පළලක් සහ සාපේක්ෂ පැතලි වර්ණාවලියක් සහිත පුළුල් වර්ණාවලී ආලෝක ප්‍රභවයක් එහි අනුනාදනය නිවැරදිව සංලක්ෂිත කිරීමට අවශ්‍ය වේ. උච්ච ලක්ෂණ. විශේෂයෙන්ම, ධ්වනි-දෘශ්‍ය ආචරණය භාවිතයෙන් සාදන ලද ධ්වනි තන්තු ග්‍රේටින් (AIFG) විද්‍යුත් සුසර කිරීම මගින් 1000 nm දක්වා අනුනාද තරංග ආයාමයේ සුසර පරාසයක් ලබා ගත හැක. එබැවින්, එවැනි අති-පුළුල් සුසර පරාසයක් සහිත ගතික ග්‍රේටින් පරීක්ෂණය පුළුල් වර්ණාවලී ආලෝක ප්‍රභවයක කලාප පළල පරාසයට විශාල අභියෝගයක් එල්ල කරයි. ඒ හා සමානව, මෑත වසරවලදී, ඇලවූ Bragg ෆයිබර් ග්රේටින් ද තන්තු සංවේදන ක්ෂේත්රයේ බහුලව භාවිතා වේ. එහි බහු-උච්ච පාඩු වර්ණාවලියේ ලක්ෂණ නිසා තරංග ආයාම බෙදා හැරීමේ පරාසය සාමාන්‍යයෙන් 40 nm දක්වා ළඟා විය හැකිය. එහි සංවේදන යාන්ත්‍රණය සාමාන්‍යයෙන් බහු සම්ප්‍රේෂණ මුදුන් අතර සාපේක්ෂ චලනය සංසන්දනය කිරීමයි, එබැවින් එහි සම්ප්‍රේෂණ වර්ණාවලිය සම්පූර්ණයෙන්ම මැනිය යුතුය. පුළුල් වර්ණාවලියේ ආලෝක ප්‍රභවයේ කලාප පළල සහ බලය වැඩි වීම අවශ්‍ය වේ.

2. දේශීය හා විදේශීය පර්යේෂණ තත්ත්වය

2.1 පටු රේඛා පළල ලේසර් ආලෝක ප්‍රභවය

2.1.1 පටු රේඛීය පළල අර්ධ සන්නායක බෙදා හරින ලද ප්රතිපෝෂණ ලේසර්

2006 දී, Cliche et al. අර්ධ සන්නායකයේ MHz පරිමාණය අඩු කරන ලදීDFB ලේසර්(බෙදාහැරි ප්‍රතිපෝෂණ ලේසර්) විද්‍යුත් ප්‍රතිපෝෂණ ක්‍රමය භාවිතයෙන් kHz පරිමාණයට; 2011 දී, Kessler et al. 40 MHz හි අතිශය පටු රේඛීය පළල ලේසර් ප්රතිදානය ලබා ගැනීම සඳහා ක්රියාකාරී ප්රතිපෝෂණ පාලනය සමඟ ඒකාබද්ධව අඩු උෂ්ණත්වය සහ ඉහළ ස්ථායීතාවය තනි ස්ඵටික කුහරයක් භාවිතා කරන ලදී; 2013 දී Peng et al විසින් බාහිර Fabry-Perot (FP) ප්‍රතිපෝෂණ ගැලපුම් ක්‍රමය භාවිතා කරමින් 15 kHz රේඛීය පළලක් සහිත අර්ධ සන්නායක ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගන්නා ලදී. විදුලි ප්‍රතිපෝෂණ ක්‍රමය ප්‍රධාන වශයෙන් ආලෝක ප්‍රභවයේ ලේසර් රේඛා පළල අඩු කිරීමට පොන්ඩ්-ඩ්‍රෙවර්-හෝල් සංඛ්‍යාත ස්ථායීකරණ ප්‍රතිපෝෂණය භාවිතා කළේය. 2010 දී, Bernhardi et al. 1.7 kHz පමණ රේඛා පළලක් සහිත ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා සිලිකන් ඔක්සයිඩ් උපස්ථරයක් මත erbium-doped alumina FBG සෙ.මී. එම වසරේම, Liang et al. රූප සටහන 1 හි පෙන්වා ඇති පරිදි අර්ධ සන්නායක ලේසර් රේඛා පළල සම්පීඩනය සඳහා ඉහළ-Q echo බිත්ති අනුනාදකයක් මගින් සාදන ලද පසුගාමී රේලී විසිරීමේ ස්වයං-ඉන්ජෙක්ෂන් ප්‍රතිපෝෂණය භාවිතා කර, අවසානයේ 160 Hz හි පටු රේඛා-පළල ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගන්නා ලදී.

Fig. 1 (a) අර්ධ සන්නායක ලේසර් රේඛීය පළල සම්පීඩනය පිළිබඳ රූප සටහන, ස්වයං-ඉන්ජෙක්ෂන් මත පදනම් වූ Rayleigh බාහිර විසුරුම් ගැලරි මාදිලියේ අනුනාදකයේ විසිරීම;
(ආ) 8 MHz රේඛීය පළලක් සහිත නිදහස් ධාවන අර්ධ සන්නායක ලේසර්වල සංඛ්‍යාත වර්ණාවලිය;
(ඇ) රේඛීය පළල 160 Hz දක්වා සම්පීඩිත ලේසර් සංඛ්‍යාත වර්ණාවලිය
2.1.2 පටු රේඛා පළල තන්තු ලේසර්

රේඛීය කුහරය තන්තු ලේසර් සඳහා, තනි කල්පවත්නා මාදිලියේ පටු රේඛීය පළල ලේසර් ප්‍රතිදානය ලබා ගන්නේ අනුනාදකයේ දිග කෙටි කිරීම සහ කල්පවත්නා මාදිලියේ පරතරය වැඩි කිරීමෙනි. 2004 දී Spiegelberg et al. DBR කෙටි කුහර ක්‍රමය භාවිතයෙන් 2 kHz රේඛීය පළලක් සහිත තනි කල්පවත්නා මාදිලියේ පටු රේඛා පළල ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගන්නා ලදී. 2007 දී, Shen et al. Bi-Ge co-doped photosensitive තන්තු මත FBG ලිවීමට 2 cm අධික ලෙස erbium-doped silicon තන්තු භාවිතා කර, සක්‍රීය තන්තු සමඟ එය ඒකාබද්ධ කර සංයුක්ත රේඛීය කුහරයක් සාදන ලදී, එහි ලේසර් නිමැවුම් රේඛාවේ පළල 1 kHz ට වඩා අඩු විය. 2010 දී, Yang et al. 2 kHz ට වඩා අඩු රේඛා පළලක් සහිත තනි කල්පවත්නා මාදිලියේ ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා පටු කලාප FBG පෙරහන සමඟ ඒකාබද්ධව 2cm අධික මාත්‍රණයක් සහිත කෙටි රේඛීය කුහරයක් භාවිතා කරන ලදී. 2014 දී, කණ්ඩායම 3 රූපයේ පෙන්වා ඇති පරිදි, පටු රේඛා පළලක් සහිත ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා FBG-FP පෙරහන සමඟ ඒකාබද්ධව කෙටි රේඛීය කුහරයක් (අතථ්‍ය නැමුණු මුදු අනුනාදකය) භාවිතා කරන ලදී. 2012 දී, Cai et al. 114 mW ට වැඩි නිමැවුම් බලයක්, මධ්‍යම තරංග ආයාමය 1540.3 nm සහ රේඛා පළල 4.1 kHz සහිත ධ්‍රැවීකරණ ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා 1.4cm කෙටි කුහර ව්‍යුහයක් භාවිතා කරන ලදී. 2013 දී Meng et al. 10 mW නිමැවුම් බලයක් සහිත තනි-කල්පවත්නා මාදිලියක්, අඩු-අදියර ශබ්ද ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා පූර්ණ-පක්ෂග්‍රාහී සංරක්ෂණ උපාංගයක කෙටි වළලු කුහරයක් සහිත erbium-doped තන්තු Brillouin භාවිතා කරන ලදී. 2015 දී, කණ්ඩායම අඩු එළිපත්ත සහ පටු රේඛීය පළල ලේසර් ප්‍රතිදානයක් ලබා ගැනීම සඳහා Brillouin විසිරීමේ මාධ්‍යයක් ලෙස 45 cm erbium-doped තන්තු වලින් සමන්විත වළලු කුහරයක් භාවිතා කරන ලදී.

Fig. 2 (a) SLC ෆයිබර් ලේසර් හි ක්‍රමානුකූල ඇඳීම;
(b) 97.6 km තන්තු ප්‍රමාදයකින් මනින ලද heterodyne සංඥාවේ රේඛා හැඩය