FPGA-Based High-Speed Optical Fiber Sensor Based on Multitone-Mixing Interferometry

• Autores: Elaskar, Javier; Luda, Marcelo A.; Tozzetti, Lorenzo; Codnia, Jorge; Oton, Claudio J.
• Año de publicación: 2022
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: artículo
• Fuente: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2022; 71: 1-11
• Materia: Sagnac interferometers; Optical interferometry; Optical fibers; Modulation; Optical fiber sensors; Fiber gratings; Optical polarization; Fiber Bragg gratings (FBGs); Interferometers; Phase demodulation; Phase-generated carrier (PGC); Strain sensors; Vibration sensors; Ciencias Físicas
• Institución: Universidad Nacional de General Sarmiento

Revista con referato
Fil: Codnia, Jorge. Universidad Nacional de General Sarmiento. Instituto de Ciencias; Argentina.
Fil: Codnia, Jorge. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Departamento de Investigaciones en Láseres y sus aplicaciones; Argentina.
Fil: Elaskar, Javier. Scuola Superiore Sant’Anna. Institute of Mechanical Intelligence; Italy
Fil: Luda, Marcelo A. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Departamento de Investigaciones en Láseres y sus aplicaciones; Argentina.
Presentamos un interrogador de rejilla de Bragg de fibra óptica (FBG) de alta velocidad en tiempo real basado en un interferómetro de fibra óptica. El procesamiento de la señal se realiza mediante un sistema de matriz de puertas programables en campo (FPGA) de bajo coste, programado para implementar un algoritmo de demodulación de portadora generada por fase (PGC) con mezcla multitono (MTM) para proporcionar señales sin distorsión con alta tolerancia a las variaciones de profundidad de modulación y a las fluctuaciones de la intensidad de la luz. El sistema puede transmitir datos a velocidades de hasta 1 MS/s y permite el procesamiento multiplexado de hasta dos canales. Los resultados experimentales muestran mediciones simultáneas de dos FBG, una de las cuales se activó a frecuencias de hasta 100 kHz. El sistema presenta un ancho de banda de 3 dB a 280 kHz y una resolución de longitud de onda dinámica de 4,7 fm/Hz. También demostramos una importante reducción de la distorsión utilizando el enfoque MTM con respecto a la técnica estándar. Finalmente, estudiamos el origen del ruido, demostrando una reducción en las fuentes comunes de ruido al usar uno de los FBG como referencia. El sistema puede medir FBG centrados en cualquier posición dentro de la banda espectral de la fuente, es independiente de la polarización y fácilmente escalable a más de dos canales de medición del mismo interferómetro.
We report a real-time high-speed fiber Bragg grating (FBG) interrogator based on a fiber-optic interferometer. The signal processing is performed by using a low-cost field-programmable gate array (FPGA) system, which is programed to implement a phase-generated carrier (PGC) demodulation algorithm with multitone mixing (MTM) to provide distortion-free signals with high tolerance to modulation depth variations and light intensity fluctuations. The system can stream data at rates up to 1 MS/s and allows multiplexed processing up to two channels. Experimental results show simultaneous measurements of two FBGs, one of which was actuated at frequencies up to 100 kHz. The system features a 3-dB bandwidth of 280 kHz, and a dynamic wavelength resolution of 4.7 fm/Hz ^{mathrm {1/2}}. We also demonstrate a strong reduction of distortion using the MTM approach with respect to the standard technique. Finally, we study the origin of the noise, demonstrating a reduction in common noise sources by using one of the FBGs as a reference. The system can measure FBGs centered at any position within the spectral band of the source, is polarization-independent, and is easily scalable to more than two measurement channels from the same interferometer.
Relatamos um interrogador de rede de Bragg (FBG) de fibra óptica de alta velocidade em tempo real baseado em um interferômetro de fibra óptica. O processamento do sinal é realizado utilizando um sistema FPGA (field-programmable gate array) de baixo custo, programado para implementar um algoritmo de demodulação de portadora gerada por fase (PGC) com mistura multitonal (MTM) para fornecer sinais livres de distorção com alta tolerância a variações na profundidade de modulação e flutuações na intensidade luminosa. O sistema pode transmitir dados a taxas de até 1 MS/s e permite processamento multiplexado em até dois canais. Resultados experimentais mostram medições simultâneas de duas FBGs, uma das quais foi acionada em frequências de até 100 kHz. O sistema apresenta uma largura de banda de 3 dB de 280 kHz e uma resolução dinâmica de comprimento de onda de 4,7 fm/Hz. Também demonstramos uma forte redução da distorção usando a abordagem MTM em relação à técnica padrão. Por fim, estudamos a origem do ruído, demonstrando uma redução nas fontes comuns de ruído usando uma das FBGs como referência. O sistema pode medir FBGs centradas em qualquer posição dentro da banda espectral da fonte, é independente de polarização e facilmente escalável para mais de dois canais de medição a partir do mesmo interferômetro.