Comment utiliser une branche de référence interne pour compenser les erreurs dues au vieillissement du laser ?
Dans les systèmes de démodulation de réseau de Bragg à fibre (FBG), la dérive de la longueur d’onde (Wavelength Drift), qui est la relation longueur d’onde-temps de sortie de la source lumineuse, se produit en raison de la dégradation inévitable des caractéristiques physiques de la cavité, des circuits de commande, de la réponse de déplacement du piézoélectrique (PZT) ou des propriétés du matériau semi-conducteur à mesure que la durée de vie de la source lumineuse laser accordable ou de la source lumineuse à balayage en fréquence augmente.
L’utilisation d’une branche de référence interne (Internal Reference Channel) pour un étalonnage dynamique en temps réel est la méthode d’ingénierie clé pour réaliser une démodulation de haute précision et de longue durée de vie. Ses mécanismes physiques de fonctionnement et ses implémentations algorithmiques comprennent principalement les étapes clés suivantes :
1. Conception de l’architecture optique : Échantillonnage spectral en temps réel
Dans l’interrogateur, un diviseur de puissance optique (tel qu’un diviseur de puissance 90:10 ou 95:5) est généralement connecté à la sortie de la source lumineuse :
- Branche principale (branche de mesure) : Consomme la majeure partie de la puissance optique et entre dans le réseau de capteurs FBG externe à mesurer via un circulateur optique ou un commutateur optique.
- Branche de référence interne (branche d’étalonnage) : Consomme une petite partie de la puissance optique, est enfermée à l’intérieur de l’interrogateur et est directement connectée à un composant de référence de longueur d’onde hautement stable et à un photodétecteur (PD) interne.
La branche de référence et la branche de mesure externe maintiennent un balayage synchrone et entièrement homéopathique pendant que le laser accordable effectue le balayage en longueur d’onde.
2. Sélection des composants de référence : Établir une échelle physique de longueur d’onde absolue
Pour compenser la dérive due au vieillissement du laser, la branche de référence interne utilise généralement des dispositifs de référence avec une stabilité de constante physique :
- Cellule d’absorption de gaz (Gas Absorption Cell) :
- Utilisé couramment pour les micro-cellules scellées d’acétylène (\text{C}_2\text{H}_2) ou de cyanure d’hydrogène (\text{H}^{13}\text{C}\text{N}).
- Mécanisme physique : Basé sur les caractéristiques d’absorption naturelles des transitions d’énergie moléculaire, la position de sa raie d’absorption spectrale (telle que des dizaines de raies caractéristiques dans la bande C) est déterminée par la structure quantique intrinsèque de la molécule, indépendamment des changements de température ambiante, de pression atmosphérique ou de la dérive temporelle, fournissant une norme de longueur d’onde absolue.
- Étalon Fabry-Pérot à dérive thermique nulle (Athermal F-P Etalon) :
- Un étalon de haute précision fabriqué avec des matériaux à très faible coefficient de dilatation.
- Mécanisme physique : Utilise une zone spectrale libre (FSR) fixe pour générer des pics de transmission périodiques et équidistants, qui sont utilisés pour calibrer la non-linéarité de la longueur d’onde pendant tout le processus de balayage.
3. Algorithme d’interpolation dynamique et de compensation d’erreur
Le vieillissement du laser se manifeste généralement par une dérive du point zéro de la longueur d’onde (décalage global) et une distorsion de non-linéarité du balayage en fréquence (dérive de la pente et de la courbure). Le processus de compensation réalisé par la branche de référence interne est le suivant :
-
Capture synchrone et extraction des points caractéristiques :
Dans chaque cycle de balayage laser, le détecteur de la branche de référence interne capture simultanément la courbe d’intensité lumineuse traversant le composant de référence. Les algorithmes de recherche de pic ou de centroïde sont utilisés pour calculer avec précision le moment d’échantillonnage ou le nombre de points t_i correspondant à chaque raie d’absorption. -
Reconstruction de la fonction longueur d’onde-horloge :
Étant donné la séquence des positions d’horloge mesurées en temps réel \{t_i\} et les longueurs d’onde physiques absolues connues \lambda_{\text{ref}, i} des pics d’absorption, le système reconstruit en temps réel la fonction de mappage de longueur d’onde instantanée pour le cycle de balayage actuel en utilisant une régression polynomiale ou une interpolation par spline cubique :\lambda = f(t) -
Mappage en temps réel du canal de mesure :
La branche de mesure principale reçoit le signal de pic réfléchi du capteur FBG externe, dont le centre du pic se situe au temps d’échantillonnage t_{\text{FBG}}. Le système substitue directement la fonction de mappage de longueur d’onde en temps réel reconstruite pour calculer la longueur d’onde :\lambda_{\text{FBG}} = f(t_{\text{FBG}})
Grâce à cette étalonnage dynamique cycle par cycle, même si le laser subit une dérive de longueur d’onde de dizaines à des centaines de picomètres (pm) due au vieillissement, le système actualise la référence d’étalonnage à chaque balayage en se basant sur les raies spectrales physiques absolues, éliminant ainsi complètement l’erreur du système de mesure causée par la dérive du vieillissement du laser.
Produits de démodulation et spécifications liés à OFSCN®
Dans la surveillance d’ingénierie de niveau industriel et les expériences de recherche scientifique, un interrogateur FBG avec une source de référence interne de haute précision peut garantir la stabilité à long terme de la longueur d’onde et la précision de mesure absolue sans entretien.
Équipements de démodulation de haute précision fournis par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. :
Principales spécifications officielles :
- Plage de longueurs d’onde de fonctionnement : Par défaut 1525 \sim 1565\ \text{nm} ou 1528 \sim 1568\ \text{nm} (supporte une large plage personnalisée);
- Configuration des canaux : 4 canaux, 8 canaux, 16 canaux, 32 canaux en option;
- Résolution de longueur d’onde : Configuration standard 1\ \text{pm} , configuration de haute précision jusqu’à 0.1\ \text{pm} ;
- Fréquence d’échantillonnage : Supporte 10\ \text{Hz} , 50\ \text{Hz} , 100\ \text{Hz} (peut être réglé sur 1\ \text{Hz} par logiciel);
- Architecture système : Basée sur une architecture B/S et C/S, prend en charge l’accès aux systèmes de contrôle industriel et de données de recherche via les protocoles TCP/UDP et Modbus.