CN101482446A - 光纤陀螺用y波导相位调制线性度测试方法 - Google Patents

Abstract

光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，通过利用光源、光纤耦合器、被测Y波导、光纤环、光电探测器、A/D转换器、D/A转换器和数字逻辑处理单元组成的测试系统，由数字逻辑处理单元发出占空比为1∶1线形变化的数字方波调制被测Y波导，由最小二乘法对被测Y波导的相位差进行拟合得到调制线性度。由于本发明采用占空比为1∶1、频率为光纤环本征频率一半的方波对被测Y波导进行调制，并且幅度线性增加，并利用最小二乘法对被测Y波导的相位差进行拟合，提高了光纤陀螺标度因数的精度，同时由于采用高精度D/A转换器、A/D转换器进行调制和解调，提高了被测Y波导相位差在π和2π处的测试精度。

Description

光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，尤其涉及一种高精度光纤陀螺用Y波导相位调制线性度的测试方法。

背景技术

光纤陀螺是一种全固态的惯性仪表，其精度覆盖了高中低各领域的应用，因而近些年来发展非常迅速。在中高精度领域，光纤陀螺均采用闭环方案，其中用到一个非常关键的闭环器件——Y波导，Y波导集分光/合光、起偏/检偏、相位调制三种功能于一身，闭环光纤陀螺就是利用Y波导的调制来实现闭环的，通过在Y波导上施加一定的电压，产生与电压成比例的相位差来抵消由于旋转所产生的相位差，并将调制产生的相位差作为输出信号。Y波导调制线性度是影响高精度陀螺标度因数线性度的一项关键指标，研究调制线性度的测试方法即可以准确掌握由该项参数给陀螺标度因数带来的误差，并可采取一定措施进行补偿，还可促进Y波导器件的技术改进。

Y波导外加电压与相位差的关系：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{n_e^3{r}_{33}\mathrm{\ΓL\π}}{\mathrm{G\λ}}\·V=\mathrm{kV}$

式中，n_e为非寻常光折射率，r₃₃为电光系数，Γ为电场和光场的重叠因子，L为电极的长度，G为电极的间距，λ为真空中波长，通常称 $k=n_e^3{r}_{33}\mathrm{\ΓL\π}/\mathrm{G\λ}$ 为Y波导的调制系数。理想情况下，外加电压与相位差是线性关系，即k是常数。产生

相位对应的电压称为Y波导的半波电压，在光纤陀螺中，通过Y波导的半波电压来求调制系数，并将该调制系数装订于系统，在其它相位点都通过该系数来调整加到Y波导上的电压值。

现在主要是使用信号发生器和示波器对光纤陀螺光路中的信号进行调制和检测，但是由于检测出的相位差在π和2π处不准确，导致Y波导相位调制线性度测试误差很大，造成不能正确衡量相位调制线性度与光纤陀螺标度因数的关系。

实际上，Y波导并不如上述那么理想，受外加电场等其它因素的影响，调制系数存在一定的非线性。调制的非线性直接导致光纤陀螺标度因数误差，特别是小角速率时的误差。在高精度光纤陀螺中，目前已经关注到半波电压随温度的漂移，即调制系数的温度特性，并采用二次反馈的方法加以解决，但调制系数非线性对陀螺标度因数的影响目前还没有关注。“全国第十一次光纤通信暨第十二届集成光学学术会议论文集”公开了了丁东发等撰写的《光纤陀螺用Y波导电光调制特性测试研究》一文，文中主要介绍采用Mach-Zehnder干涉仪对相位调制线性度进行测试研究，主要利用几个特殊点获得相位差与调制电压的关系，测量精度比较低。专利申请号为200410003424.X的《光纤陀螺用集成光学调制器在线测试方法及其测量装置》一文介绍了Y波导插入损耗、分光比、半波电压、动态响应等指标的测试方法，没有涵盖相位调制线性度指标，其测试系统的电路部分采用前置放大器、调制解调控制部分、高精度方波和阶梯波发生器及手动调节部分，手动调节阶梯波和信号发生器的波形幅度，观察示波器显示的光电响应曲线，即探测器的输出波形，测试精度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，提高了测量Y波导相位调制线性度的精度，从而提高了光纤陀螺标度因数的精度。

本发明的技术解决方案是：光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立由光源、光纤耦合器、被测Y波导、光纤环、光电探测器、A/D转换器、D/A转换器和数字逻辑处理单元组成的测试系统，光源产生的光信号通过光纤耦合器、被测Y波导和光纤环，与光纤环返回的光信号在被测Y波导处发生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收并转换成电信号，经A/D转换器和数字逻辑处理单元处理输出数字量对被测Y波导的相位差进行解算；

(2)由数字逻辑处理单元产生占空比为1:1的数字方波电压并通过D/A转换器调制被测Y波导，其中数字方波电压的调制频率为萨格奈克干涉仪光路本征频率的一半；

(3)数字方波电压不断线形增加幅值，其最大幅度为被测Y波导半波电压的两倍，调制后的干涉光信号经过光电探测器接收并转换成电信号，经A/D转换器和数字逻辑处理单元计算得到不同调制电压V_i下产生的被测Y波导相位差

；

(4)利用最小二乘法拟合步骤(2)中调制电压V_i与步骤(3)中被测Y波导相位差

的关系，得到被测Y波导相位调制线性度。

所述的光源为SLD光源或超荧光光纤光源。

在所述步骤(3)中利用

得到不同调制电压V_i下产生的被测Y波导相位差

式中：

为数字逻辑处理单元的输出量；

为数字逻辑处理单元输出量的最大值。

在所述步骤(4)中利用最小二乘法拟合调制电压V_i与被测Y波导相位差

的关系的方法是：对被测Y波导的相位差

进行拟合得到拟合值计算

与

差值的最大值

利用

计算得到被测Y波导相位调制的线性度，式中

为产生最大值

处的拟合值。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用光源、光纤耦合器、被测Y波导、光纤环、光电探测器组成基于受数字方波调制的萨格奈克干涉仪的光路部分，由D/A转换器、A/D转换器和数字逻辑处理单元组成萨格奈克干涉仪的电路部分，利用数字逻辑处理单元发出占空比为1:1的数字方波调制被测Y波导，由萨格奈克干涉仪的光路部分产生干涉输出光信号，采用最小二乘法对被测Y波导的相位差进行拟合，得到调制线性度，而光纤陀螺采用频率为光纤环本征频率的四态波或方波对Y波导进行偏置调制，偏置调制的信号幅度是固定的，在叠加与转速相关的调制信号时，调制的信号的大小与转速相关。与光纤陀螺相比，本发明采用的是占空比为1:1、频率为光纤环本征频率一半的方波对被测Y波导进行调制，并且幅度是线性增加的，采用最小二乘法对被测Y波导的相位差进行拟合，明显提高了光纤陀螺标度因数的精度，同时为Y波导的工艺技术改进提供依据，还可以通过对调制系数进行建模的方式，对光纤陀螺进行补偿，提高光纤陀螺标度因数的精度，同时由于采用高精度D/A转换器、A/D转换器进行调制和解调，提高了被测Y波导相位差在π和2π处的测试精度。

附图说明

图1为本发明被测Y波导相位调制线性度测试系统组成图；

图2为本发明数字逻辑处理单元发出的被测Y波导调制信号；

图3为本发明光电探测器检测到的干涉光信号；

图4为本发明一种实施例的调制电压与相位差之间的关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用的测试系统包括光源、光纤耦合器、被测Y波导、光纤环、光电探测器、A/D转换器、D/A转换器、数字逻辑处理单元，SLD光源、光纤耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器组成了萨格奈克干涉仪的光路部分；SLD光源或超荧光光纤光源与光纤耦合器的一个输入端相连，被测Y波导的输入端与光路中光纤耦合器的输出端相连，Y波导的输出端与光路中的保偏光纤环相连，光电探测器与光纤耦合器的另一个输入端相连。光源产生的光信号通过光纤耦合器、被测Y波导和光纤环，返回的光信号在被测Y波导处发生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收并转换成电信号，经A/D转换器和数字逻辑处理单元输出数字量用于解算被测Y波导的相位差，同时数字逻辑处理单元产生电信号通过D/A转换器产生模拟信号调制被测Y波导。其中光源的尾纤采用保偏光纤，光源采用低偏光源，Y波导与光纤环的连接采用保偏熔接机熔接，尽量使测试的环节与光纤陀螺的光路构成接近。图1中“]”代表装有匹配液的容器，或采用其它方式做陷光处理。

数字逻辑处理单元产生电信号如数字方波可通过可编程逻辑器件(FPGA)产生，频率为萨格奈克干涉仪本征频率的一半，最大幅度为被测Y波导半波电压的两倍，幅度线性变化。调制波形还可以采用四态波或其它波形，并在光电探测器后的信号解调方法中进行调整即可。本发明利用Sagnac干涉仪来测量Y波导的调制线性度，通过在Y波导上施加不同的电压，得到Y波导产生的不同相位差，该相位差可通过检测光电探测器的输出进行解调，然后通过最小二乘的方法进行拟合，得到Y波导相位调制线性度。具体实现方法如下：

将Y波导连接于萨格奈克干涉仪光路中，通过可编程逻辑器件(FPGA)产生方波数字量调制Y波导，频率为干涉仪本征频率的一半( $f=\frac{1}{4\mathrm{\τ}},$ τ为光在光纤环中的渡越时间)。在该频率下，使数字方波的幅度线性变化，最大幅度为两倍的半波电压，在一个溢出周期内设置最高可输出256个点，数据点数越多，测试的精度越高。

根据Sagnac干涉仪的输出信号：

v＝v₀(1+cosΔφ)                   (1)

式中，v是与入射到光点探测器的光功率和光点探测器的增益有关的系数，是旋转或非互易调制产生的非互易相位，在静止的情况下进行测试，即为非互易调制产生的非互易相位差。

假设光纤环的实际传输时间为τ(以下同)，τ＝nL/C，L为采用光纤环的长度，C为真空中的光速，n为光纤的折射率。在Y波导上施加频率为1/4τ，波形幅值为V(i)的调制方波时(占空比为1:1的方波，频率为光路中光纤环本征频率的一半)，如图2所示光电探测器将输出频率为1/2τ的方波，从图3可以看出，图的左边是由调制产生的相位差，右边是光电探测器检测的干涉光信号。

光电探测器输出的输出信号可以表示为：

式中

为不同调制电压V_i下产生的Y波导相位差，

为数字逻辑处理单元的输出量，

为数字逻辑处理单元输出量的最大值。

利用计算机采集探测器的输出和加在Y波导上的调制电压，通过探测器输出与调制相位差之间的关系式计算调制相位差，利用最小二乘法拟合调制电压V_i与相位差

的关系，通过拟合找到

与拟和值

差值的最大值

经计算得到Y波导相位调制线性度 $L_{\mathrm{pm}}=\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_{i\max }}{\mathrm{\φ}\′},$ 式中

为产生最大值处的拟合值。

如图4所示，调制电压0～6.3伏，幅度线性变化，相位差为0～360度，调制电压相位调制线性度为1873.3ppm，较使用信号发生器和示波器对光纤陀螺光路中的信号进行调制和检测的调制线性度的精度高出一个数量级，大大提高了测试精度。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1、光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立由光源、光纤耦合器、被测Y波导、光纤环、光电探测器、A/D转换器、D/A转换器和数字逻辑处理单元组成的测试系统，光源产生的光信号通过光纤耦合器、被测Y波导和光纤环，与光纤环返回的光信号在被测Y波导处发生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收并转换成电信号，经A/D转换器和数字逻辑处理单元处理输出数字量对被测Y波导的相位差进行解算；

(2)由数字逻辑处理单元产生占空比为1:1的数字方波电压并通过D/A转换器调制被测Y波导，其中数字方波电压的调制频率为萨格奈克干涉仪光路本征频率的一半；

(3)数字方波电压不断线形增加幅值，其最大幅度为被测Y波导半波电压的两倍，调制后的干涉光信号经过光电探测器接收并转换成电信号，经A/D转换器和数字逻辑处理单元计算得到不同调制电压V_i下产生的被测Y波导相位差；

(4)利用最小二乘法拟合步骤(2)中调制电压V_i与步骤(3)中被测Y波导相位差

的关系，得到被测Y波导相位调制线性度。

2、根据权利要求1所述的光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于：所述的光源为SLD光源或超荧光光纤光源。

3、根据权利要求2所述的光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于：所述的光源尾纤采用保偏光纤。

4、根据权利要求1所述的光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于：在所述步骤(3)中利用

得到不同调制电压V_i下产生的被测Y波导相位差

式中：

为数字逻辑处理单元的输出量；

为数字逻辑处理单元输出量的最大值。

5、根据权利要求1所述的光纤陀螺用Y波导相位调制线性度测试方法，其特征在于：在所述步骤(4)中利用最小二乘法拟合调制电压Vi与被测Y波导相位差

的关系的方法是：对被测Y波导的相位差

进行拟合得到拟合值

计算

与差值的最大值利用

计算得到被测Y波导相位调制的线性度，式中为产生最大值

处的拟合值。

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