Wie berechne ich, ob die verbleibende optische Leistung nach einem Splitter für den Demodulator noch ausreicht, um ihn zu erkennen?
In einem Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorsystem ist die Berechnung, ob die nach einem Splitter verbleibende optische Leistung ausreicht, damit der Demodulator sie identifizieren kann, ein Standardproblem der optischen Leistungsbilanz (Optical Power Budget, OPB).
Da FBG-Sensoren im Reflexionsmodus arbeiten, durchläuft das optische Signal eine „Hin- und Rückfahrt“ durch das System. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den Reflexionsverlusten des Faser-Bragg-Gitters selbst alle anderen optischen Komponenten (einschließlich Splitter, Übertragungsfasern, Flanschverbindungen usw.) verursachten Verluste zweimal berechnet werden müssen.
Nachfolgend finden Sie die vollständige allgemeine technische Berechnungsmethode und quantitative physikalische Analyse:
1. Grundformel für die optische Leistungsbilanz
Um sicherzustellen, dass der Demodulator die Reflexionswellenlänge des FBG stabil identifizieren kann, muss die tatsächlich am Empfangsende des Demodulators ankommende optische Leistung P_{\text{rec}} größer sein als die minimale Nachweissensitivität des Demodulators P_{\text{min }} zuzüglich einer System-Sicherheitsreserve.
Die gesamte Systemdämpfung L_{\text{total}} (in \text{dB} ) wird wie folgt berechnet:
L_{\text{total}} = 2 \times L_{\text{splitter}} + 2 \times L_{\text{fiber}} + 2 \times L_{\text{connector}} + L_{\text{FBG\_reflection}} + M_{\text{safety}}
Die tatsächlich am Demodulator ankommende optische Leistung P_{\text{rec}} (in \text{dBm} ) ist:
P_{\text{rec}} = P_{\text{out}} - ( L_{\text{total}} - M_{\text{safety}} )
Urteilskriterium:
$$ P_{\text{rec}}
wo die einzelnen physikalischen Variablen definiert sind als:
- P_{\text{out}} : Ausgangsleistung pro Kanal der Demodulatorquelle (in \text{dBm} ).
- P_{\text{min}} : Minimale Nachweissensitivität des Demodulator-Empfängers (in \text{dBm} ).
- L_{\text{splitter}} : Einfügedämpfung pro Richtung des Splitters (in \text{dB} ).
- L_{\text{fiber}} : Einfache Übertragungsdämpfung der Glasfaserleitung (in \text{dB} ).
- L_{\text{connector}} : Einfügedämpfung pro Richtung des Fasersteckverbinders oder der Flansche (in \text{dB} ).
- L_{\text{FBG\_reflection}} : Äquivalente Reflexionsdämpfung des Faser-Bragg-Gitters (in \text{dB} ).
- M_{\text{safety}} : Technische Sicherheitsreserve des Systems (in \text{dB} ), üblicherweise 3\ \text{dB} \sim 6\ \text{dB} (um Glasfaserbiegungen, Steckverschmutzungen und Gerätealterung entgegenzuwirken).
2. Quantitative Schätzung der einzelnen physikalischen Parameter
(1) Einfügedämpfung pro Richtung des Splitters L_{\text{splitter}}
Bei einem gleichmäßigen optischen Splitter wird die theoretische Splitterdämpfung durch die Anzahl der Kanäle N bestimmt, Formel: L_{\text{theory}} = 10 \log_{10}(N) . In Kombination mit der zusätzlichen Dämpfung (Excess Loss) des Geräts wird die Einfügedämpfung pro Richtung eines herkömmlichen Splitters wie folgt geschätzt:
- 1 \times 2 Splitter: Einfügedämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 3,5\ \text{dB} (doppelseitige Dämpfung 7,0\ \text{dB} )
- 1 \times 4 Splitter: Einfügedämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 7,2\ \text{dB} (doppelseitige Dämpfung 14,4\ \text{dB} )
- 1 \times 8 Splitter: Einfügedämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} (doppelseitige Dämpfung 21,0\ \text{dB} )
- 1 \times 16 Splitter: Einfügedämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 13,8\ \text{dB} (doppelseitige Dämpfung 27,6\ \text{dB} )
- 1 \times 32 Splitter: Einfügedämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 17,2\ \text{dB} (doppelseitige Dämpfung 34,4\ \text{dB} )
(2) Äquivalente Reflexionsdämpfung des Faser-Bragg-Gitters L_{\text{FBG\_reflection}}
Ein FBG kann kein optisches Signal zu 100 % reflektieren; die durch seine Reflexionsrate R verursachte Leistungsabschwächung beträgt:
L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(R)
- Wenn die FBG-Reflexionsrate R = 70\% beträgt, beträgt die Reflexionsdämpfung: L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,7) \approx 1,55\ \text{dB} .
- Wenn die FBG-Reflexionsrate R = 20\% beträgt, beträgt die Reflexionsdämpfung: L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,2) \approx 7,0\ \text{dB} .
(3) Dämpfung von Glasfasern und Steckverbindern
- Dämpfung von Singlemode-Fasern : Im üblichen 1550\ \text{nm} -Band für FBG beträgt die Übertragungsdämpfung von Singlemode-Fasern etwa 0,2\ \text{dB/km} .
- Dämpfung von Glasfasersteckverbindern (Flanschen) : Hochwertige Singlemode FC/APC-Steckverbinder haben typischerweise eine Einfügedämpfung pro Richtung von 0,2\ \text{dB} \sim 0,5\ \text{dB} pro Steck- und Ziehvorgang.
3. Beispielrechnung für ein technisches Projekt
Angenommen, ein tatsächliches Projekt vor Ort verwendet die folgende Konfiguration:
- Demodulator : OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator , Ausgangsleistung pro Kanal P_{\text{out}} = 3\ \text{dBm} , minimale Nachweissensitivität P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} . Das verfügbare gesamte Systembudget \text{OPB} = 3 - (-65) = 68\ \text{dB} .
- Splitter : Verwendung eines 1 \times 8 -Gleichverteilungs-Splitters der Serie OFSCN® Optical Fiber Splitter (einfache Dämpfung pro Richtung L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} ).
- Sensor : Am Ende angeschlossen an OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings , Reflexionsrate R = 70\% ( L_{\text{FBG\_reflection}} \approx 1,55\ \text{dB} ).
- Glasfaserleitung : Gesamtlänge 2 Kilometer (Einfachübertragungsdämpfung L_{\text{fiber}} = 2 \times 0,2 = 0,4\ \text{dB} ) ; 4 OFSCN® High Temperature Resistant Fiber Optic Adapter Hochtemperaturflansche werden für physikalische Verbindungen verwendet (einfache Einfügedämpfung pro Richtung insgesamt L_{\text{connector}} = 4 \times 0,3 = 1,2\ \text{dB} ).
- Sicherheitsreserve : Festgelegt auf M_{\text{safety}} = 5\ \text{dB} .
Rechenprozess:
- Einfachübertragungs- und Steckverbindungsdämpfung: L_{\text{fiber}} + L_{\text{connector}} = 0,4 + 1,2 = 1,6\ \text{dB} .
- Gesamte physikalische Leitungsdämpfung für doppelseitige Übertragung (ohne Reflexion und Sicherheitsreserve): 2 \times (10,5 + 1,6) = 24,2\ \text{dB} .
- Gesamte Systemdämpfung (einschließlich Sicherheitsreserve):L_{\text{total}} = 24,2 + 1,55 + 5 = 30,75\ \text{dB}
- Tatsächlich am Demodulator ankommende optische Leistung (ohne Sicherheitsreserve):P_{\text{rec}} = 3 - 24,2 - 1,55 = -22,75\ \text{dBm}
Rechenergebnis:
Da die tatsächliche Ankunftsleistung P_{\text{rec}} = -22,75\ \text{dBm} weit über der Nachweisuntergrenze des Demodulators P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} liegt und die gesamte Systemdämpfung von 30,75\ \text{dB} weit unter dem verfügbaren optischen Leistungsbudget des Systems von 68\ \text{dB} liegt. Daher ist bei dieser Splitterkonfiguration die verbleibende optische Leistung sehr reichlich vorhanden, und der Demodulator kann eine hochpräzise und hochstabile Wellenlängenidentifikation und Datenerfassung realisieren.
Empfehlung für zugehörige OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) Produkte
Bei großen oder komplexen FBG-Sensorprojekten werden oft Splitter in Kombination mit Demodulatoren verwendet, um die physikalischen Kanäle zu erweitern und die Systemstruktur zu optimieren:
1. OFSCN® Optical Fiber Splitter (Optischer Splitter)
OFSCN® Optical Fiber Splitter | Offizieller Link
Umfasst typischerweise 16x32, 8x16, 4x8, 32x64 Splitter. Dieses Gerät wird als Zubehör für Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. Demodulatoren verwendet und kann die Anzahl der physikalischen Kanäle vervielfachen (erfordert ein strenges Wellenlängenverteilungsdesign), wodurch die durchschnittlichen Kosten pro Kanal gesenkt werden.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (Faser-Bragg-Gitter-Demodulator)
OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator | Offizieller Link
Dieses Gerät verfügt über einen extrem hohen dynamischen Leistungsbereich und eine hohe Wellenlängenauflösung. Unterstützt kundenspezifische 4-, 8-, 16-, 32-Kanal-Optionen, Standardwellenlängenbereich 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm} , wählbare Abtastfrequenz 10\ \text{Hz} \sim 100\ \text{Hz} .
3. OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings (Standard-Femtosekunden-Faser-Bragg-Gitter)
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings | Offizieller Link
Verwendet die Femtosekunden-Laser-Punkt-zu-Punkt-Schreibtechnologie, ohne die Glasfaserbeschichtung zu beschädigen. Bietet eine hochwertige, stabile Reflexionsrate ( 20\% \sim 70\% ) und ein hervorragendes Seitenmodenunterdrückungsverhältnis ( \ge 15\ \text{dB} ), geeignet für komplexe Langstreckenverbindungen mit hohen Verlusten.
