Improving optical fiber sensing by MIMO signal processing

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.

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.