Capitolo 6
Simulatore
6. 1 Introduzione
In questo capitolo si descrive il comportamento di un simulatore, programmato in matlab, che permette di ricreare varie situazioni “di lavoro” in cui l’idrofono può trovarsi e di analizzarne il comportamento teorico in modo da poterlo confrontare con i risultati ottenuti con i gli idrofoni reali.
6.2 Descrizione del programma.
Presso il laboratorio di Potenza del dipartimento di ingegneria Elettronica di Pisa è stato sviluppato un programma di simulazione, chiamato Erbio, che permette di simulare il comportamento dell’idrofono sottoposto a diverse condizioni di pressione idrostatica, temperatura ed elongazione.
Nel momento in cui si esegue la simulazione di un determinato tipo di idrofono si genera e si visualizza un MENU di opzioni per mezzo del quale è possibile agire sui vari parametri che definiscono il tipo di idrofono che si vuole utilizzare e di settare le condizioni di rivelazioni per il dispositivo. Ogni qualvolta che si esegue il programma vengono automaticamente visualizzate delle immagini relative alla configurazione dell ultimo idrofono analizzato in quanto è l’unica configurazione memorizzata nel file actual.mat. Queste immagini rappresentano sia il comportamento del coefficiente di riflessione e la struttura dei reticoli di Bragg, con le indicazione dei parametri usati per quel tipo di configurazione, sia lo spettro di emissione della cavità laser.
Ogni volta che si varia uno dei parametri dei reticoli di Bragg si modifica il comportamento dei filtri e di conseguenza il comportamento dell’ idrofono. Questi dati sono memorizzati di volta in volta nel file actual.mat e vi permangono fino a che non si cambia nuovamente la configurazione dell’idrofono. Nel file actual vengono sempre
salvate le variabili relative all’ ultima configurazione che si analizza. Quando si vuole simulare un idrofono con caratteristiche diverse da quello analizzato in precedenza si selezionano i parametri da modificare. In video vengono visualizzati i valori relativi all’ultima configurazione analizzata ed è possibile apportare la modifica desiderata.
.
L’idea sfruttata in questo simulatore si basa sulla possibilità di modificare dei parametri che ci permettono di simulare la pressione idrostatica, la variazione della temperatura e la deformazione subita dal sensore. Queste grandezze fanno si che si abbia una variazione dell’indice di rifrazione e di conseguenza una variazione del passo dei reticoli. Ciò comporta uno shift delle lunghezza d’onda rispetto a quella del picco di emissione di un sensore di uguali caratteristiche non sottoposto a deformazioni. Attraverso lo shift di lunghezze d’onda è possibile valutare il comportamento che l’idrofono ha in diverse condizioni di lavoro ma anche il comportamento di idrofoni realizzati con diversi reticoli di Bragg, realizzando in questo modo filtraggi diversi, e con diverse lunghezze della cavità Laser, nelle medesime condizioni di Pressione idrostatica e temperatura.
File actual Parametri
dei reticoli
di Bragg Variazione valori parametri dei reticoli
Laser cavità Fabry-Perot
Di seguito è riportato il MENU OPZIONI che si visualizza nel momento in cui viene eseguito il programma di simulazione.
Attraverso alcune delle OPZIONI del MENU è possibile selezionare e introdurre i valori che caratterizzano l’idrofono scelto, mediante le altre è possibile modificare i parametri che simulano la pressione idrostatica, la temperatura e le elongazioni aggiuntive.È possibile suddividere le varie opzioni presenti nel MENU in due: quelle dirette, per le quali selezionando la voce corrispondente viene eseguita direttamente il comando richiesto, quelle indirette per le quali nel momento in cui vengono selezionate si apre un ulteriore sottomenu attraverso il quale è possibile accede e modificare i vari parametri.
OPZIONI DIRETTE DEL MENU:
• BRAGG2=BRAGG1, che fa si che i due reticoli di Bragg abbiano gli stessi parametri;
• nbasso che permette di selezionare il valore dell’indice di rifrazione basso della fibra;
• nf: rappresenta il numero di punti in cui si può suddividere l’intervallo dei valori della lunghezza d’onda in modo da avere una maggiore accuratezza nelle misure;
• MEMORIZZA DATI: fa si che tutti i dati relativi alle variabile e alle costanti usate nelle diverse configurazioni vengono memorizzati in opportuni file;
• CARICA DATI: permette di prelevare i dati relativi alla configurazione voluta in modo da poter effettuare la simulazione;
• DISEGNA: disegna i grafici relativi alla simulazione a cui si sta lavorando o nel caso in cui non si sia apportata nessuna modifica disegna i grafici relativi all’ultima configurazione analizzata;
• CANCELLA FIGURE: cancella tutte le figure che sono presenti sullo schermo indipendentemente dalla loro configurazione di lavoro;
• FABRY-PEROT: permette di attivare o disattivare la cavità risonante dell’idrofono;
• Go: permette di modificare ilparametro che va ad indicare l’inversione di popolazione iniziale nel laser drogato all’erbio;
• SALVA IMMAGINI: ci permette di salvare le immagini generate per le varie simulazioni e quelle che ci interessano particolarmente.
OPZIONI INDIRETTE DEL MENU: • BRAGG1;
• BRAGG2; • MACZENDER; • LMODULATION;
con l’ultima opzione del menu, ESCI, si chiude il programma di simulazione.
6.3 Analisi delle opzioni indirette del MENU del simulatore.
6.3.1 Reticoli di bragg.
Il sensore acustico è realizzato incidendo in fibra due reticoli di bragg all’ estremità della cavità laser Fabry-Perrot. È possibile simulare il comportamento dei due reticoli andando a selezionare i tasti relativi a BRAGG1 e BRAGG2. Selezionando il tasto BRAGG1 si manda in esecuzione e viene visualizzato un sottomenu di opzioni che ci permette di modificare le grandezze relative al primo reticolo, lo stesso accade per quanto riguardo il secondo reticolo selezionando BRAGG2. Infatti è possibile, attraverso questo sottomenù, modificare l’indice di rifrazione alto della fibra, il numero di specchi che formano il reticolo o il duty-cycle del reticolo. La modifica dei parametri presenti permette anche di realizzare idrofoni con caratteristiche tecnologiche diverse. Se si modificano il numero degli specchi che compongono il reticolo si simula un idrofono con determinate caratteristiche di selettività. È possibile anche variare la larghezza degli specchi R0, ma gli incrementi, sia positivi che negativi, che possiamo apportare a R0 sono dati da un ulteriore subroutine che permette, mediante semplice selezionamento dell’opzione desiderata, di ottenere la variazione desiderata. Nel momento in cui si va a variare R0 si varia anche la distanza tra gli specchi ,L0.
È possibile realizzare i due reticoli di Bragg sia identici, in modo da effettuare lo stesso filtraggio, che diversi, in questo modo un reticolo è più selettivo in frequenza dell’altro. Solitamente il reticolo più selettivo è il Bragg1, si fa in modo che, tarando opportunamente i parametri, presenti una banda più stretta. In questo modo è possibile simulare idrofoni più selettivi in frequenza e che reiettano maggiormente il rumore. Affinché i due reticoli siano uguali basta semplicemente settarne uno solo in base alle caratteristiche volute e selezionare l’opzione BRAGG2=BRAGG1, ciò permette di settare le stesse caratteristiche anche per l’altro reticolo. Se invece si vuole realizzare un idrofono con reticoli aventi selettività diversa è necessario settare separatamente i parametri relativi ai due reticoli con le caratteristiche volute.
Le opzioni presenti nei due sottomenù sono
• N: numero di specchi che compongono il reticolo;
• Duty-cycle: che ci permette di variare il duty-cycle del reticolo;
• R0=L0 ci permette di variare lo spessore degli specchi e la distanza tra gli specchi;
• TORNA: selezionandolo permette di ritornare al menù principale.
Figura 6.2 menu opzioni relativi ai due reticoli di Bragg
I reticoli di Bragg, essendo formati da piani perpendicolari all’asse longitudinale della fibra, presentano due indici di rifrazione: quello alto, modificabile dal sottomenu, e quello basso modificabile dal menu principale.
Ogni variazione che apportiamo ai dati del Bragg viene salvata nel file actual.mat e rappresentata graficamente.
È possibile anche far disegnare la nuova configurazione desiderata andando a selezionare il tasto Disegna del MENU OPZIONI. Di seguito è riportata l’immagine relativa alle parti che compongono l’idrofono. Nell’immagine a sinistra è rappresentato l’andamento dei coefficienti di riflessione dei due reticoli, in rosso è riportato quello del
reticolo di Bragg1e in nero quello di Bragg2. A destra è rappresentato il confronto tra gli andamenti dei coefficienti di riflessione e lo spettro di emissione dell’Erbio. In basso invece sono rappresentati i reticoli di Bragg in funzione dell’indice di rifrazione.
Queste immagini sono visualizzate automaticamente ogni volta che viene eseguita la simulazione di un nuovo dispositivo.
figura 6.3 Struttura ed andamento del Coefficiente di riflessione R dei due reticoli di Bragg. A destra in alto gli andamenti sono confrontati con lo spettro di emissività dell’Erbio.
6.3.2 Cavità Laser.
Poiché le variazioni apportate al filtraggio non modificano solo i reticoli di Bragg ma influenzano anche lo spettro del segnale in uscita dall’idrofono, contemporaneamente ai due reticoli di Bragg viene rappresentata l’immagine relativa al filtraggio dell’emissione del laser.
Nell’immagine in alto è rappresentato il confronto tra, lo spettro di emissione della cavità laser, in blu, e l’andamento del coefficiente di riflessione dei reticoli di Bragg, in rosso, che si comportano da filtri passa banda molto selettivi centrati sulla frequenza di picco dell’emissione dell’Erbio.
Nella figura in basso è possibile vedere il segnale ottenuto in uscita dall’idrofono.
È possibile modificare la cavità laser andando a selezionare i tasti diretti del MENU OPZIONI.
Attraverso l’ opzione FABRY-PEROT è possibile attivare e disattivare la cavità laser e vedere come cambia il comportamento del dispositivo nelle due possibili configurazioni nelle condizioni di lavoro analizzate. Nel caso in cui la cavità laser è presente, nello spettro di emissione del segnale in uscita sono presenti componenti di segnale dovuti all’ amplificazione generata del laser. Quando invece non si considera, in uscita si ha il segnale di banda molto stretta filtrato dai due reticoli e centrato sulla frequenza di picco di emissione dell’erbio senza l’aggiunta di armoniche di ordine superiore. È possibile modificare i parametri relativi alla lunghezza della cavità e al drogante della fibra selezionando semplicemente il tasto corrispondente del MENU OPZIONI. È possibile modificare Go che corrisponde al parametro che va ad indicare l’inversione di popolazione iniziale nel laser drogato all’erbio, e vederne come cambia l’emissione dell’ Erbio al variare della concentrazione del drogante all’interno della fibra. È infatti possibile scegliere la lunghezza della cavità laser e valutare se i cambiamenti apportati producano dei benefici o meno nella rivelazione del segnale.
Nella subroutine laser è stato inserito un controllo che permette di fare uno zoom dell’ emissione in uscita e permette di analizzare le componenti di segnale che vengono fatte passare dal filtraggio. Contestualmente ad ogni immagine generata sono riportati i dati relativi alla determinata configurazione sotto esame. I dati riportati sono la potenza massima di emissione, la frequenza di picco, la massima frequenza di emissione e la banda B-3dB del picco.
Anche questi dati vengono salvati nel file actual.mat e mantenuti fino ad una successiva modifica.
6.3.3 Mach zender.
Attraverso quest’opzione si va a simulare la situazione in cui è il mach zender sbilanciato a comportarsi da sensore e il segnale proveniente dall’idrofono si comporta da sorgente laser fissa. In questo caso si fissano i parametri di realizzazione dell’idrofono che si vuole analizzare, ossia si definiscono i filtri di Bragg e i parametri della cavità laser. Il Mach Zender effettua una modulazione di ampiezza attraverso il suo sbilanciamento. Al variare della lunghezza di uno dei due Bracci del dispositivo, in uscita dal Mach Zender si ha un segnale modulato in ampiezza dipendente solo dallo sbilanciamento per ogni lunghezza d’onda della sorgente laser di pompa. Selezionando il tasto del MENU OPZIONI MACZENDER si apre un sottomenù che ci permette di definire il tipo di Mach Zender che si vuole utilizzare e le deformazioni che esso subisce e di visualizzare la fotocorrente di rivelazione.
Quando si va a selezionare il tasto per definire l’allungamento che da apportare al dispositivo si apre un ulteriore sottomenu che permette di scegliere l’allungamento voluto in µstrain, 1 µstrain corrisponde a 10-6
Lmobile. È possibile determinare la lunghezza dei due rami che compongono il MZ in modo da poter decidere il tipo di sbilanciamento voluto.
Ogni volta che l’idrofono interagisce con una particella genera una nuova emissione laser che fa da sorgente di pompa per il MZ. Per cui, attraverso questo sottoprogramma, è possibile simulare la fotocorrente totale che si avrebbe in uscita selezionando semplicemente il tasto del menù “CALCOLA Iout”. Nel momento in cui si seleziona il tasto si manda in esecuzione un programma che calcola la fotocorrente in uscita per ogni lunghezza d’onda di pompa in relazione al particolare allungamento settato, per cui ogni volta che si varia variare l’allungamento a cui è sottoposto il Mach Zender, viene nuovamente ricalcolata la corrente .
Una volta che il programma è stato eseguito viene visualizzato l’andamento della Iout, queste immagini possono essere memorizzate selezionando l’opportuno tasto del MENU OPZIONI o possono essere cancellate per mezzo del tasto CANCELLA FIGURE del sottomenu.
Selezionando TORNA si chiude automaticamente il sottomenu e si ritorna al programma generale.
Di seguito è riportata l’immagine relativa all’andamento della fotocorrente che appare al termine dell’esecuzione del programma “CALCOLA Iout”.
figura 6.6 Spettro non stressato in ingresso al Mac Zender (in alto) e segnale rilevato (fotocorrente del PIN) in corrispondenza di una deformazione da -1 microstrain a +1 microstrain del laser.
Nella figura in alto è riportato il segnale emesso in uscita dall’idrofono che è inviato direttamente in ingresso al Mach Zender sbilanciato. Il segnale così modulato è inviato ad un fotodiodo che lo trasforma in un segnale elettrico. Nella seconda figura è rappresentato il segnale in uscita dal fotodiodo in conseguenza alla deformazione subita dal Mach Zender.
6.3.4 LMODULATION.
Attraverso questa opzione è possibile simulare il comportamento dell’idrofono sottoposto ad un effetto di elongazione dovuto ad una variazione della pressione idrostatica o ad una variazione della temperatura o ad altre cause presenti nei fondali marini. Sia i reticoli di Bragg che la cavità laser subiscono l’allungamento, questo fa si che ci sia una variazione dell’indice di rifrazione della fibra e del passo del reticolo. A causa di ciò si ha uno shift di lunghezza d’onda del segnale in uscita. Selezionando il tasto relativo si apre il corrispondente sottomenu che permette di modificare i parametri ad esso associato
Figura 6.4 SOTTOMENU RELATIVO A LMODULATION
Selezionando il tasto ALLUNGAMENTO fstrain è possibile modificare l’elongazione dell’idrofono. Gli incrementi che si possono applicare sono dati da un ulteriore sottomenù, basta semplicemente selezionare quello desiderato o attraverso scelta immediata, se è compreso tra quelli elencati, o selezionando più volte uno di quelli presenti fino ad avere il valore desiderato.
Selezionando il tasto “CALCOLA lunghezze d’onda” si fa in modo che per ogni allungamento venga calcolata la corrispondente lunghezza d’onda generata, in particolare si va a calcolare lo scostamento che subisce la lunghezza d’onda rispetto al caso in cui il sensore non è soggetto a nessuna deformazione.
Quindi in funzione dell’allungamento si va a calcolare lo scostamento di lunghezza d’onda subita dal segnale rispetto alla lunghezza d’onda di picco dell’emissione dell’Erbio.
In questo sottomenu vengono visualizzati tre grafici,il primo relativo alla variazione della lunghezza d’onda, il secondo relativo alla frequenza e il terzo relativo alla Potenza totale in uscita tutti in funzione dell’ allungamento subito.
È possibile simulare allungamenti diversi, se l’allungamento è piccolo, è possibile notare, dai grafici, che la frequenza e la lunghezza d’onda variano linearmente ed il comportamento, in termini spettrali, della Potenza totale in uscita. Se gli allungamenti subiti sono elevati è possibile notare che negli andamenti della frequenza e della lunghezza d’onda si hanno dei picchi mentre nell’andamento spettrale della potenza sono presente degli sbalzi. Questi andamenti vengono tracciati tenendo conto di ogni emissione laser ossia tenendo conto che in corrispondenza di ogni allungamento si genera una diversa lunghezza d’onda.
Di seguito sono riportati in figura gli andamenti relativi alla variazione di lunghezza d’onda di picco, alla variazione della frequenza di picco e alla variazione totale di potenza emessa dal laser per una determinata deformazione.
figura 6.7: Variazione di lunghezza d’onda di picco, di frequenza di picco e variazione totale di potenza emessa dal laser per una deformazione da -1 microstrain a +1 microstrain del laser.
È di particolare interesse analizzare il comportamento che l’idrofono ha, in termini di frequenza e di Potenza emessa, in situazioni limiti di allungamento che vanno a simulare particolari situazioni di pressione idrostatica, temperatura e cause di deformazioni aggiuntive.
