CN100561241C - 光纤陀螺用的光电探测器幅频特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法。信号发生器产生正弦信号加到光强度调制器上，对光纤光源发出光信号的光功率进行正弦调制，以产生一个含正弦分量的光信号，被测光电探测器将被调制的光信号转变为电信号，利用高速采集卡采样该电信号，并对采集结果进行窄带滤波及信号处理，计算得到该频率下的频率响应；数控系统预先选取的频率序列改变正弦波发生器发出信号的频率，测试出一系列频率点的频率响应，组合起来即可得到被测光电探测器幅频响应曲线，并发送到终端计算机显示存储；所有测试过程都由数控系统所控制，自动测量，测试速度快精度高，能够用于仔细衡量光电探测器在整个工作频率范围内的频率性能。

Description

光纤陀螺用的光电探测器幅频特性测试方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器技术，特别的涉及一种光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法。

背景技术

幅频特性曲线指以频率为横坐标，以在该频率正弦信号输入下系统的增益为纵坐标的数值曲线，该曲线用于评价一个系统增益随频率的变化特性；而相频特性是以频率频率为横坐标，以在该频率正弦信号输入下系统的输出信号的相位延迟为纵坐标的数值曲线，该曲线用于评价一个系统相位延迟随频率的变化特性。综合幅频特性曲线和相频特性曲线即可描述一个系统对任意输入信号的响应方式，表征了系统的特性。幅频特性曲线和相频特性曲线分别简称为系统的幅频特性和相频特性，合称为频率特性。

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的光电子器件，光纤陀螺中用的光电探测器是PIN光电二极管组件。PIN光电二极管是在光电二极管的PN结中夹入一层本征半导体，从而比一般的光电探测器具有更好的频率特性。在PIN光电二极管基础上加入跨阻和运放，将电流信号转换为电压信号，从而形成PIN光电探测组件。

光纤陀螺是新一代的光纤传感器，其所用的光电探测器性能要求有别于传统光通讯上用的光电探测器的性能要求。后者主要用于将光脉冲信号转换为电信号，由于数字信号只有1、0两种信号，其关注于分辨出各个脉冲信号，从而其频率特性主要指标为3dB带宽；而前者用于传感器中的前端，需要准确的转换光信号的强度，需要精确的量化光强度，在整个频率范围上对幅频特性和相频特性都有更严格的要求，不仅要求3dB带宽，还要求在其整个频率范围内能够有细致的纹波指标等。对于光纤陀螺用的光电探测器，需要一种能够精确的获取其通道上幅频特性和相频特性的细致变化的方法和装置。

原来光通讯用光电探测器频率特性测试，常用的一种方法是使用用阶跃信号测试的方法，该方法便于得到3dB带宽指标，但无法得到详细的幅频特性和相频特性曲线，且该方法受噪声影响大，分辨率差，难以到幅频特性0.1dB甚至更小的变化，不适合于精确测量光纤陀螺用的光电探测器的频率特性；另外一种方法是利用示波器和信号源测试的方法，但同样存在无法精确量化，受测试噪声影响，测试不方便，效率低下的缺点，同样无法精确测量光纤陀螺用的光电探测器的频率特性。而频率特性的精确获得是评测探测器能否用于光纤陀螺，以及对光纤陀螺系统有多大影响的标准，需要一种能够自动测试整个工作频率范围上任意频率点的增益和相位情况的方法和装置。

发明内容

针对的目前光电探测器的频率特性测试方法只能得到3dB带宽，不能精确获得其频率特性，而光纤陀螺应用要求得到其频率特性的细致分布的现状，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法，用于精确并自动测试光纤陀螺用光电探测器频率特性。

本发明的发明原理

本发明采用扫频测试测量的方法：利用光强度调制器向被测光电探测器输入一频率可控、相位为零的正弦形式光信号，利用数据采集卡测量其在该频率下输出信号幅度以及相位，计算得到此时的增益和相位延迟；通过测试工作频率内预选出的频率点序列下的增益序列和相位延迟序列，组合起来精确得到光电探测器频率特性；由数控系统控制所有测量过程和数据计算，实现全自动测量。

用扫频法可以克服系统噪声的影响，因为一次测量只针对一个频率点，从而可以利用数控系统强大的数据处理功能，通过窄带数字滤波器滤除所有带外噪声，从而比一般的测试方法有更高的测量精度。数控系统作为测试流程的控制者，其控制信号发生器产生调制信号的频率，并调节其内部的窄带数字滤波器的中心频率为该频率，对采集卡采集得到被测光电探测器的输出信号进行数字滤波，从而提高了测量的信噪比，并且更加滤波结果计算增益和相位延迟。

光纤光源发出恒定的光信号，通过光强度调制器调制产生含正弦分量的光信号作为被测光电探测器的输入信号。光强度调制器实质上也是一个光相位调制器，在外加调制电压其小于十分之一其半波电压时，输出和输入近似为线性关系，并且一次项系数为调制电压决定；若调制信号为正弦函数，则此时输出亦为正弦函数，也即：

P＝P₀+P₀kVsin(2πft)

其中，Vsin(2πft)为频率为f，幅度为V(V小于光强度调制器十分之一半波电压)，初相位为0，随时间t变化的正弦调制信号，k为由光强度调制器决定的一个常数，P₀为光源的光信号强度，P为经过光强度调制器后的光信号，P中含有由调制信号所决定的正弦分量PR(f)如下，其幅度为P₀kV：

PR(f)＝P₀kV sin(2πft)

可见改变调制信号的频率可改变光输入信号中的正弦分量的频率，改变调制信号的幅度可以改变正弦分量的幅度；在考虑线性度的基础上，将幅度固定为光强度调制器半波电压的十分之一。

将该光信号输入到被测光电探测器，利用高速采集卡进行采样得到对应于该光信号的一个响应信号A如下：

A＝A₀+A(f)sin[2πft+Φ(f)]+noise

其中A₀为直流信号分量，A(f)为光信号中正弦分量的幅度，Φ(f)为总相位延迟，包括被测光电探测器的相位延迟φ(f)以及测试系统中的固定延时φ₀，也即：Φ(f)＝φ(f)+φ₀，noise是采样过程中引入的系统噪声和随机噪声，利用滤波器滤出直流分量以及带外噪声，保留正弦响应分量为：

AR(f)＝A(f)sin[2πft+Φ(f)]

从而可以得到增益Gain(f)和相位延迟分别为：

Gain(f)＝AR(f)/PR(f)＝A(f)/P₀kV

φ(f)＝Φ(f)-φ₀

其中P₀k、φ₀为未知参数，可以通过预先一低频信号的频率响应得到并加以修正，从而得到系统的归一化频率特性，预先测试1000赫兹下系统的增益：

$\begin{array}{c}\mathrm{Gain}\left(1000\right)=A\left(1000\right)/P_0\mathrm{kV}=1\\ \mathrm{\φ}\left(1000\right)=\mathrm{\Φ}\left(1000\right)-{\mathrm{\φ}}_0=0\end{array},$ 即 $\begin{array}{c}{P}_0\mathrm{kV}=A\left(1000\right)\\ {\mathrm{\φ}}_0=\mathrm{\Φ}\left(1000\right)\end{array}$

归一化幅度增益和相位延迟为：

G_normalize(f)＝A(f)/A(1000)

φ_normalize(f)＝Φ(f)-Φ(1000)

由数控系统控制信号发生器的信号频率，测试所有频率点下输出响应信号归一化增益及相位，组合起来则得到系统的频率响应曲线和相位响应曲线。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

光纤光源为整个评价装置提供光信号，通过其尾纤将光信号注入到光强度调制器中；光信号的功率在光强度调制器中受到信号发生器调制；调制信号为正弦信号，幅度和频率由数控系统所控制，光信号受正弦调制后通过光强度调制器的输出尾纤输入到被测光电探测器；被测光电探测器将光信号转为电信号，由高速采集卡进行模拟数字转换转换为数字信号，并将数字信号送到数控系统中，由数控系统进行数字滤波以及信号提取；在测试完成后将测试结果送到终端计算机，由终端计算机进行显示和存储。

具体的测试方法步骤如下：

1)数控系统控制信号发生器输出一正弦信号，幅度为光强度调制器半波电压的十分之一，频率为1000赫兹，控制高速采集卡采样，将数控系统内部窄带滤波器中心频率定为1000赫兹，计算分离出被测光电探测器的输出信号中1000赫兹信号分量的幅度记为A(1000)，相位记为Φ(1000)；

2)在测量频率范围内，预先选取一个频率序列，记为f(n)，作为测试频率点序列；

3)对f(n)中频率点序列中的一个频率点f，作如下的测量：数控系统控制信号发生器输出频率为f，幅度为光强度调制器半波电压十分之一的正弦信号，对光强度调制器进行调制，控制高速采集卡对被测光电探测器的输出电信号进行采样，转换为数字信号，发送到数控系统内部的窄带滤波器中；将数控系统内部窄带滤波器中心频率调整为f，计算分离出被测光电探测器的输出采样信号中频率为f的信号分量的幅度为A(f)，相位为Φ(f)；

4)由数控系统全自动控制步骤3)中的测量和控制，并且对于步骤2)中所有频率点逐点进行测量，得到对应于频率序列f的幅度序列A(f)以及相位序列为φ(f)；

5)数控系统在得到幅度序列A(f)，相位序列为Φ(f)后，按照下面计算公式计算频率响应曲线： $\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=A\left(f\right)/A\left(1000\right)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=\mathrm{\Φ}\left(f\right)-\mathrm{\Φ}\left(1000\right)\end{array},$ 其中G_normalize(f)和φ_normalize(f)即为归一化幅度频率响应曲线和相位频率响应曲线；

6)数控系统(6)将G_normalize(f)和φ_normalize(f)上传到终端计算机，进行显示和存储工作。

所述步骤2)中选取频率序列的方法：在测试频率范围内按照线性递增选取频率点，或者按照对数线性递增的方法选取频率点；频率序列的点数不小于20个点，频率序列的点数越大，测试结果的对频率特性的描述细节越精确，但需要更长的测试时间。

所述的测量方法为自动测试方法，由所述的数控系统完成测量及数字滤波计算功能，并在测量过程结束后将测试结果到终端计算机。

所述的光纤光源功率稳定度高于1％，光强度不小于100微瓦，光强度调制器最高调制频率不小于2吉赫兹，高速采集卡采样速率不小于100兆赫兹，信号发生器最高输出正弦信号不小于50兆赫兹。

本发明具有的有益效果是：提供一种光纤陀螺用光电探测器频率特性评价装置及方法，用于光电探测器的频率特性的精密测量，整个测量过程由数控系统全自动控制，不需要人工干预，测量精度高，速度快，能够用于仔细衡量光电探测器在整个工作频率范围内的频率性能，为光纤陀螺的生产提供一个判据。

附图说明

图1是评价装置组成的原理框图；

图中：1、光纤光源，2、光强度调制器，3、被测光电探测器，4、高速采集卡；5、信号发生器，6、数控系统，7、终端计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是评价装置组成的原理框图；光纤光源1为整个评价装置提供光信号，通过其尾纤将光信号注入到光强度调制器2中；光信号的功率在光强度调制器2中受到信号发生器5调制；调制信号为正弦信号，幅度和频率由数控系统6所控制，光信号受正弦调制后通过光强度调制器2的输出尾纤输入到被测光电探测器3；被测光电探测器3将光信号转为电信号，由高速采集卡4进行模拟数字转换转换为数字信号，并将数字信号送到数控系统6中，由数控系统进行数字滤波以及信号提取，在测试完成后将测试结果送到终端计算机7，由终端计算机7进行显示和存储；

数控系统控制信号发生器输出一正弦信号，幅度为光强度调制器半波电压的十分之一，频率为1000赫兹，控制高速采集卡采样，将数控系统内部窄带滤波器中心频率定为1000赫兹，计算分离出被测光电探测器的输出信号中1000赫兹信号分量的幅度记为A(1000)，相位记为Φ(1000)；光强度调制器的半波电压为光强度调制器的特征参数，由所用的光强度调制器决定。

在测量频率范围内，预先选取一个频率序列，记为f(n)，作为测试频率点序列。测量频率由光纤陀螺所决定，对于光纤长度为1千米的陀螺，测量频率范围一般为0赫兹～1兆赫兹，光纤长度和测试频率范围成反比，长度越长，相应范围越小，长度越短，相应范围越大。选取频率序列的方法可以在测试频率范围内按照线性递增选取点，或者按照对数线性递增的方法选取频率点，对数线性选点发相对可以有更快的测量速度，但频率间距变化非线性。频率序列的点数越大，测试结果的频率特性的细节越明显，但需要更长的测试时间。实际应用过程中也可以按照测试的要求在频率范围内任意的选取一系列频率点，或者是为了测试某个频率下被测光电探测器的频率特性，而特别的选取一个点作为测试点。但对于要获取整个频率特性曲线，选取点数不能过小，一般需要选取20个点以上。

对f(n)中频率点序列中的一个频率点f，作如下的测量：数控系统控制信号发生器输出频率为f，幅度为十分之一光强度调制器的半波电压的正弦信号，对光强度调制器进行调制，控制高速采集卡采样，将数控系统内部窄带滤波器中心频率调整为f，计算分离出被测光电探测器的输出采样信号中频率为f的信号分量的幅度为，A，相位为φ；

由数控系统6全自动控制步骤3中的测量和控制，并且对于2中所有频率点重复进行，得到幅度序列A(f)，相位序列为Φ(f)；

数控系统6在得到幅度序列A(f)，相位序列为φ(f)后，按照下面计算公式计算频率响应曲线： $\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=A\left(f\right)/A\left(1000\right)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=\mathrm{\Φ}\left(f\right)-\mathrm{\Φ}\left(1000\right)\end{array},$ 其中A_normalize(f)和φ_normalize(f)即为归一化幅度频率响应曲线和相位频率响应曲线；

数控系统6将A_normalize(f)和φ_normalize(f)上传到终端计算机7，进行显示和存储工作。

评价装置及方法为自动测试装置，由所述的数控系统完成测量及数字滤波计算功能，并在测量过程结束后将测试结果到终端计算机。数控系统需要完成信号发生器发出信号、采集卡采样光电探测器的输出信号以及内部数字滤波器的同步以达到滤出带外噪声，提高信噪比的目的。

所述的光纤光源1功率稳定度高于1％，光强度不小于100微瓦，光强度调制器2最高调制频率不小于2吉赫兹，高速采集卡4采样速率不小于100兆赫兹，信号发生器5最高输出正弦信号不小于50兆赫兹。

Claims (4)

1、光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法，该方法的步骤如下：光纤光源(1)为整个评价装置提供光信号，通过其尾纤将光信号注入到光强度调制器(2)中；光信号的功率在光强度调制器(2)中受到信号发生器(5)调制；调制信号为正弦信号，幅度和频率由数控系统(6)所控制，光信号受正弦调制后通过光强度调制器(2)的输出尾纤输入到被测光电探测器(3)；被测光电探测器(3)将光信号转为电信号，由高速采集卡(4)进行模拟数字转换转换为数字信号，并将数字信号送到数控系统(6)中，由数控系统进行数字滤波以及信号提取；在测试完成后将测试结果送到终端计算机(7)，由终端计算机(7)进行显示和存储；

其特征在于其具体的测试方法步骤如下：

1)数控系统(6)控制信号发生器(5)输出一正弦信号，幅度为光强度调制器(2)半波电压的十分之一，频率为1000赫兹，控制高速采集卡(4)采样，将数控系统(6)内部窄带滤波器中心频率定为1000赫兹，计算分离出被测光电探测器(3)的输出信号中1000赫兹信号分量的幅度记为A(1000)，相位记为Φ(1000)；

2)在测量频率范围内，预先选取一个频率序列，记为f(n)，作为测试频率点序列；

3)对f(n)中频率点序列中的一个频率点f，作如下的测量：数控系统(6)控制信号发生器输出频率为f，幅度为光强度调制器的半波电压十分之一的正弦信号，对光强度调制器(2)进行调制，控制高速采集卡(4)对被测光电探测器(3)的输出电信号进行采样，转换为数字信号，发送到数控系统(6)内部的窄带滤波器中；将数控系统(6)内部窄带滤波器中心频率调整为f，计算分离出被测光电探测器(3)的输出采样信号中频率为f的信号分量的幅度为A(f)，相位为Φ(f)；

4)由数控系统(6)全自动控制步骤3)中的测量和控制，并且对于步骤2)中所有频率点逐点进行测量，得到对应于频率序列f的幅度序列A(f)以及相位序列为φ(f)；

5)数控系统(6)在得到幅度序列A(f)，相位序列为Φ(f)后，按照下面计算公式计算频率响应曲线： $\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=A\left(f\right)/A\left(1000\right)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{normalize}}\left(f\right)=\mathrm{\Φ}\left(f\right)-\mathrm{\Φ}\left(1000\right)\end{array},$ 其中G_normalize(f)和φ_normalize(f)即为归一化幅度频率响应曲线和相位频率响应曲线；

6)数控系统(6)将G_normalize(f)和φ_normalize(f)上传到终端计算机(7)，进行显示和存储工作。

2、根据权利要求1所述的光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法，其特征在于所述步骤2)中选取频率序列的方法：在测试频率范围内按照线性递增选取频率点，或者按照对数线性递增的方法选取频率点；频率序列的点数不小于20个点，频率序列的点数越大，测试结果的对频率特性的描述细节越精确，但需要更长的测试时间。

3、根据权利要求1所述的光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法，其特征在于所述的测量方法为自动测试方法，由所述的数控系统(6)完成测量及数字滤波计算功能，并在测量过程结束后将测试结果发送到终端计算机(7)。

4、根据权利要求1所述的光纤陀螺用的光电探测器频率特性测试方法，其特征在于：所述的光纤光源(1)功率稳定度高于1％，光强度不小于100微瓦，光强度调制器(2)最高调制频率不小于2吉赫兹，高速采集卡(4)采样速率不小于100兆赫兹，信号发生器(5)最高输出正弦信号不小于50兆赫兹。

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