Wie wird der Mehrkanal-Rundlauf-Scan realisiert? Wie schnell ist die Umschaltgeschwindigkeit?
Beim Entschlüsseln von faseroptischen Sensoren und faseroptischen Bragg-Gittern (FBG) ist die Schaltung von optischen Schaltern eine Mehrkanal-Erweiterungslösung auf Basis der Zeitmultiplextechnik (Time-Division Multiplexing, TDM). Sie nutzt eine optische Schaltervorrichtung, um eine einzige Hochleistungslichtquelle und eine Entschlüsselungsempfangseinheit nacheinander mehreren Sensorfaserkanälen zuzuweisen und so ein nacheinander folgendes Mehrkanal-Scanning zu ermöglichen.
I. Wie realisiert ein optischer Schalter ein nacheinander folgendes Mehrkanal-Scanning?
Die physische Implementierung und die Steuersynchronisation für das nacheinander folgende Scannen durch optische Schalter umfassen hauptsächlich die folgenden Schritte:
- Lichtwegtopologie und -struktur ( 1 \times N Konfiguration):
Das Kernstück des Entschlüsselungssystems besteht aus einer wellenlängengesteuerten Lichtquelle (oder einer Breitbandlichtquelle) und einer Spektrumsammlungseinheit. Über einen 1 \times N optischen Schalter wird der gemeinsame Port (Common Port) nacheinander mit N Ausgangsmesskanälen verbunden. - Zeitsteuerung und Synchrontriggerung:
- Schrittweise Umschaltung:
Die Haupsteuereinheit des Systems (z. B. FPGA/DSP) sendet einen Kanal-Auswahlbefehl an den Treiberchip des optischen Schalters, um den Lichtweg zum Kanal 1 zu leiten. - Austast- und Stabilisierungszeit:
Nachdem der optische Schalter seine mechanische Bewegung oder Zustandsänderung abgeschlossen hat, benötigt er eine Stabilisierungszeit (Settling Time) von Mikrosekunden bis Millisekunden. - Spektrale Erfassung und Entschlüsselung:
Nachdem der Lichtweg stabilisiert ist, beginnt die Lichtquelle mit der Wellenlängenabtastung, und der Detektor erfasst das Reflexionsspektrum, um die Bragg-Wellenlängenwerte \lambda_B aller FBG-Sensoren im betreffenden Kanal zu entschlüsseln. - Zyklische Rundung:
Nachdem der Kanal 1 die Datenerfassung abgeschlossen hat, löst die Steuereinheit sofort die Umschaltung zum Kanal 2, Kanal 3… bis Kanal N aus und kehrt dann zu Kanal 1 zurück, um den Zyklus neu zu starten und so eine Zeitmultiplex-Rundungsabtastung über mehrere Kanäle zu realisieren.
- Schrittweise Umschaltung:
II. Wie schnell schalten optische Schalter?
Die Schaltgeschwindigkeit eines optischen Schalters hängt vom verwendeten physikalischen Lichtleitungmechanismus ab:
| Technologietyp | Schaltgeschwindigkeit / Reaktionszeit | Technologische Merkmale und Anwendungsbereiche |
|---|---|---|
| Traditioneller mechanischer optischer Schalter (Mechanical) | 5\ \text{ms} \sim 20\ \text{ms} | Basiert auf der Ausrichtung von Glasfasern durch Miniaturmotoren oder Elektromagnete. Geringe Einfügedämpfung und hohe Isolation, aber die Schaltfrequenz ist begrenzt und die Lebensdauer wird durch mechanischen Verschleiß beeinträchtigt. |
| Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) optischer Schalter | 1\ \text{ms} \sim 5\ \text{ms} | Basiert auf der Ablenkung von siliziumbasierten Mikrospiegeln. Kleine Größe, gute Stabilität, wird häufig für mittelschnelle Rundlaufsysteme verwendet. |
| Thermo-optische / magneto-optische Schalter (Thermo/Magneto-Optic) | 10\ \mu\text{s} \sim 500\ \mu\text{s} | Keine makroskopische mechanische Bewegung, gute Stoßfestigkeit, Schaltgeschwindigkeit steigt auf Sub-Millisekunden/Mikrosekunden. |
| Elektro-optische Schalter (Electro-Optic, z. B. \text{LiNbO}_3 ) | \le 1\ \mu\text{s} (Nanosekunden bis Mikrosekunden) | Nutzt den elektro-optischen Effekt von Kristallen zur Änderung des Brechungsindex für ultraschnelle Leitungen, häufig in dynamischen Hochgeschwindigkeitsschalt- und speziellen optischen Kommunikationsbereichen eingesetzt. |
Bei Entschlüsselungsgeräten, die optische Schalter für die Rundlaufabtastung verwenden, entspricht die äquivalente Aktualisierungsfrequenz eines einzelnen Kanals:
f_{\text{channel}} \approx \frac{1}{N \cdot (t_{\text{switch}} + t_{\text{scan}} + t_{\text{settling}})}
Hierbei ist N die Anzahl der Kanäle, t_{\text{switch}} die Schaltzeit und t_{\text{scan}} die Spektrumsabtastzeit pro Kanal. Daher gilt: Je größer die Anzahl der Kanäle, desto niedriger die Aktualisierungsrate pro Kanal, was in der Regel für die Überwachung von langsamen, quasistatischen Größen wie Temperatur und statischer Dehnung geeignet ist.
III. Zeitmultiplex-Schalter vs. parallele Entschlüsselungsarchitektur
Bei der technischen Auswahl gibt es zwei typische Konstruktionsprinzipien für Mehrkanal-Entschlüsselungsgeräte:
- Zeitmultiplex-Schalterlösung:
Das gesamte Gerät verwendet eine gemeinsame Baugruppe, was die Hardwarekosten senkt. Die Daten von verschiedenen Kanälen werden jedoch nicht gleichzeitig abgetastet, was zu Zeitverzögerungen führt. Die Gesamtaktualisierungsrate nimmt mit steigender Kanalzahl exponentiell ab. - Vollständig parallele Entschlüsselungsarchitektur:
Jeder Messkanal ist mit einer unabhängigen und synchronen optoelektronischen Erfassungs- und Entschlüsselungsleitung ausgestattet. Es gibt keine Verzögerung durch den optischen Schalter zwischen den Kanälen, und alle Kanäle können synchron mit der vollen Nennrate (z. B. 10\ \text{Hz}, 50\ \text{Hz}, 100\ \text{Hz}) erfassen.
IV. Referenz zu verwandten OFSCN®-Produkten
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. bietet folgende hochpräzisen Mehrkanal-Entschlüsselungsgeräte und Wellenlängenerweiterungslösungen an:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
- Standard-Wellenlängenbereich: 1525 \sim 1565\ \text{nm} oder 1528 \sim 1568\ \text{nm} (anpassbar)
- Kanal-Konfiguration: 4 Kanäle, 8 Kanäle, 16 Kanäle, 32 Kanäle (anpassbar)
- Datenerfassungsfrequenz: 10\ \text{Hz}, 50\ \text{Hz}, 100\ \text{Hz} wählbar (kann auf bis zu 1\ \text{Hz} reduziert werden)
- Wellenlängenauflösung: Standardmäßig 1\ \text{pm} oder 0.1\ \text{pm}
- OFSCN® Glasfaserkoppler / Faser-Bragg-Gitter-Koppler
- Bietet Glasfaserkonfigurationen wie 4 \times 8, 8 \times 16, 16 \times 32, 32 \times 64 usw., um einzelne physikalische Kanäle in logische Messzweige in groß angelegten Projekten zu erweitern (Wellenlängenplanung erforderlich).
