Improving optical fiber sensing by MIMO signal processing

• Autorzy: Ahrens A. , Sandmann A. , Bremer K. , Roth B. , Lochmann S.

Identyfikatory

DOI

10.5604/20830157.1212268

Warianty tytułu

PL

Poprawa właściwości czujników światłowodowych z użyciem przetwarzania MIMO

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Optical fiber sensors have reached a high state of maturity. Besides the high number of sensor groups, multi-mode fiber evanescent field sensors can be found in a lot of applications. Here, the signal source commonly excites many optical modes under steady-state conditions. Perturbations of the fiber then produce leaky modes. Thus, a simple intensity detector measures the degree of perturbation. In some cases also restricted mode launching conditions have been applied. They resulted in higher sensitivity but showed a narrower measurement range. Considering the individual modes as carriers of information we adapted multiple-input multiple-output (MIMO) signal processing which is well studied in the telecommunications community, for improvements on both the sensor sensitivity and its measurement range. In this paper MIMO signal processing is investigated for fiber optic sensor applications. A (2x2) MIMO implementation is realized by using lower-order and higher-order mode groups of a gradient-index multi-mode fiber as separate transmission channels. A micro-bending pressure sensor changes these separate transmission characteristics and introduces additional crosstalk. By observing the layer specific weight-factors of the MIMO system the amount of load applied was determined. Experiments verified a good correlation between the change of the MIMO weight coefficients and the load applied to the sensor and thus verified that MIMO signal processing can beneficially be used for fiber optic sensor applications. The experimental results also verified the superior sensitivity and measurement range when MIMO signal processing is utilized.

PL

Czujniki światłowodowe osiągnęły wysoki stan dojrzałości technologicznej. Wśród dużej liczby typów czujników, wiele zastosowań znajdują wielomodowe czujniki zanikającego pola. Najczęściej w tych czujnikach źródło promieniowania w stanie ustalonym wzbudza wiele modów. Zaburzenia we włóknie powodują powstanie modów wyciekających. Tak więc, prosty czujnik natężenia mierzy stopień zaburzenia. W pewnych przypadkach zastosowano ograniczenia wzbudzania modów. Spowodowało to wzrost czułości lecz jednocześnie ograniczyło zakres pomiarowy. W celu poprawienia zarówno czułości, jak i zakresu pomiarowego, zastosowana została dobrze znana w telekomunikacji technika przetwarzania sygnałów MIMO (wiele wejść wiele wyjść) traktująca poszczególne mody jako nośniki informacji. W artykule opisano badania nad zastosowaniem techniki przetwarzania sygnałów MIMO do czujników światłowodowych. Implementacja MIMO (2x2) została zrealizowana poprzez podział modów w gradientowym światłowodzie wielomodowym na grupę wyższego i niższego rzędu i użyciu ich jako dwa osobne kanały transmisyjne. W czujniku mikrozgięciowym nacisk zmienia charakterystyki transmisyjne tych kanałów wprowadzając dodatkowy przesłuch. Poprzez obserwację konkretnych współczynników równań MIMO można wyznaczyć wartość nacisku. Doświadczenia potwierdziły dobrą korelację między zmianami współczynników wagowych MIMO i obciążenia czujnika, a więc potwierdziły, że przetwarzanie sygnału MIMO może być z korzyścią wykorzystywane w czujnikach światłowodowych. Wyniki doświadczalne potwierdziły również doskonałą czułość i zakres pomiarowy przy wykorzystaniu przetwarzania sygnału MIMO.

Słowa kluczowe

EN

MIMO; optical fiber sensors

PL

MIMO; czujniki światłowodowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 3
• Strony: 51--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Ahrens A.

• Hochschule Wismar, Philipp-Müller Straße 14, 23966 Wismar, Germany

autor

Sandmann A.

• Hochschule Wismar, Philipp-Müller Straße 14, 23966 Wismar, Germany

autor

Bremer K.

• Leibniz University Hannover, Nienburger Strasse 17, 30167 Hannover, Germany

autor

Roth B.

• Leibniz University Hannover, Nienburger Strasse 17, 30167 Hannover, Germany

autor

Lochmann S.

• Hochschule Wismar, Philipp-Müller Straße 14, 23966 Wismar, Germany

Bibliografia

• [1] Arik S., Kahn J.M., Ho K.P.: MIMO Signal Processing for Mode-Division Multiplexing. IEEE Signal Processing Magazine 25(2014).
• [2] Donlagic D.: Microbend sensor structure for use in distributed and quasidistributed Sensor Systems based on selective launching and filtering of the Modes in Graded Index Multimode Fiber. Journal of Lightwave Technology 17(10)/1999, 1856–1868.
• [3] Leung A., Shankar P., Mutharasan R.: A review of fiber-optic biosensors. Sensors and Actuators B 125/2007, 688–703.
• [4] Leung C.K.Y.: Optical Fiber Sensors for Civil Engineering Applications. Materials and Structures 48(4)/2015, 871–906.
• [5] Pankow J., Aust S., Lochmann S., Ahrens A.: Modulation-Mode Assignment in SVD-assisted Optical S. MIMO Multimode Fiber Links. 15th International Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM), Bologna 8–10 February 2011.
• [6] Richardson D.J., Fini J.M., Nelson L.E.: Space Division Multiplexing in Optical Fibres. Nature Photonics 7/2013, 354–362.
• [7] Sandmann A., Ahrens A., Lochmann S.: Experimental Description of Multimode MIMO Channels utilizing Optical Couplers. ITG- Fachbericht 248: Photonische Netze. Leipzig, VDE VERLAG GMBH, 05–06 May 2014, 125–130.
• [8] Su L., Chiang K.S., Lu C.: Microbend-induced mode coupling in a gradedindex multimode fiber. Applied Optics 44(34)/2005, 7394–7402.
• [9] Zamarreno C.R., Hernaez M., Matias I., Arregui F.: Optical fiber sensors based on indium tin oxide surface plasmon resonance supporting coatings. Proc. OFS-20. Edinburgh, SPIE 75503, 2009.
• [10] Zhuang X., Li P., Yao J.: A Novel Approach to Evaluate the Sensitivities of the Optical Evanescent Field Sensors. Fiber Optic Sensors, Dr Moh. Yasin (Ed.) InTech, 2012.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.