CN101713701A - 基于外差技术测试相位调制器半波电压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外差技术测试相位调制器半波电压装置及方法。它包括激光器、第一50％耦合器、相位调制器、声光移频器、第二50％耦合器、光电探测器、矢量分析仪、第一信号发生器、第二信号发生器；激光器与第一50％耦合器、相位调制器、第二50％耦合器、光电探测器、矢量分析仪依次相连，第一50％耦合器与声光移频器、第二50％耦合器依次相连，相位调制器与第一信号发生器相连，声光移频器与第二信号发生器相连。本发明提供了一种精确测试相位调制器半波电压的方法，利用测试得到的半波电压能有效抑制相位调制中的载波分量，降低谐振式光学陀螺中的背向散射噪声，为谐振式光学陀螺的精度提高提供了一种切实可行的方法，具有重要的科学意义与应用价值。

Description

基于外差技术测试相位调制器半波电压装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于外差技术测试相位调制器半波电压装置及方法，通过精确测量相位调制器的半波电压，有效抑制谐振式光学陀螺中的背向散射噪声，提高谐振式光学陀螺的精度。

背景技术

谐振式光学陀螺(RFOG：Resonator Fiber-Optic Gyroscope)是一种基于Sagnac效应实现角速度检测的高精度惯性传感器，它通过检测系统中顺逆时针传播光产生的谐振频差得到物体的旋转角速度。相比于干涉式光学陀螺，谐振式光学陀螺在小型化和集成化上具有较大优势。

利用正弦波相位调制技术的谐振式光学陀螺具有实现方式简单和检测精度高等优点。但系统中的背向散射噪声、偏振噪声、克尔噪声会大大降低陀螺输出的信噪比，且在这几种噪声中影响最大的为背向散射噪声。背向散射噪声分为两类，一类由反射光本身引起，另一类由反射光与信号光相干引起。如何有效降低背散射噪声是目前谐振式光学陀螺最为关心的问题。通过对顺时针和逆时针光路的相位调制器采用不同调制频率的正弦波，克服由反射本身引入的噪声，但仍存在两路中同时未被调制的载波信号。根据未被调制的载波信号大小，得到受背向散射噪声影响下的陀螺精度大小；载波抑制越大，陀螺的精度越高。如能有效地抑制顺逆时针中的载波信号，减小陀螺系统中的背散射噪声，便可提高陀螺系统的精度，这对谐振式光学陀螺的发展具有重要的科学意义和实用价值。

对于采用正弦波相位调制的谐振式光学陀螺，通过改变调制信号的调制系数到2.405可达到较好的载波抑制。而要想精确得到调制信号的调制系数，必须精确得到相位调制器的半波电压。目前存在的相位调制器半波电压测量方法主要包括马赫曾德(M-Z)干涉法和干涉式陀螺中的方波调制测量方法等。M-Z干涉法利用两个50％耦合器构成M-Z干涉仪结构，通过测干涉光强半波个数来获得半波电压大小，该方法的测量精度较差，不能满足几十到几百ppm的测量精度。干涉式陀螺中利用方波调制，通过观察输出方波电平大小，能达到较高的精度，但该方法只适用于方波调制的干涉式陀螺系统中，且实现相对复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于外差技术测试相位调制器半波电压装置及方法。

基于外差技术测试相位调制器半波电压装置包括激光器、第一50％耦合器、相位调制器、声光移频器、第二50％耦合器、光电探测器、矢量分析仪、第一信号发生器、第二信号发生器；激光器与第一50％耦合器、相位调制器、第二50％耦合器、光电探测器、矢量分析仪依次相连，第一50％耦合器与声光移频器、第二50％耦合器依次相连，相位调制器与第一信号发生器相连，声光移频器与第二信号发生器相连。

所述的相位调制器包括直波导、一对电极、输入光纤和输出光纤；在直波导两侧设有一对电极，在直波导两端设有输入光纤和输出光纤。

基于外差技术测试相位调制器半波电压的方法：激光器输出的激光经过第一50％耦合器后分成两路：一路经相位调制器调相，相位调制器上施加由第一信号发生器产生的调制频率为f₁，调制电压为V的正弦信号，将光频的相位改变了Msin(2πf₁t)，M为调制信号的调制系数，与外加调制电压和相位调制器的半波电压有关，另一路经声光移频器移频，声光移频器上施加由第二信号发生器产生的频率为f₂的正弦信号，将光频的频率搬移了f₂，两路经调制的激光通过第二50％耦合器合光到光电探测器后，用矢量分析仪分析输出信号中频率分量为f₂的功率Power_f₂，经理论推导，按如下公式计算Power_f₂值：

$\mathrm{Power}\_f_2=\left|10\lg \right[J_0^2\left(M\right)\left]\right|$

当施加在相位调制器上正弦信号的调制系数M为2.405时，J₀(M)无限接近于零，Power_f₂得到最小值；根据矢量分析仪采样分析Power_f₂的最小值，得到此时对应的由第一信号发生器产生正弦信号的调制电压V及调制系数2.405，按如下公式计算相位调制器的半波电压V_π：

V_π＝π·V/M。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明提供的相位调制器半波电压测试方法和装置测试精度高，理论上可达到几十ppm的测试精度，虽然由于激光器、接头、PD和信号发生器等背景噪声的影响，最终的测试精度为几百个ppm，该精度仍满足谐振式光学陀螺系统的背向散射噪声抑制要求；

2)本发明提供的相位调制器半波电压测试方法和装置可与谐振式光学陀螺的背向散射噪声抑制相结合。通过测试得到的半波电压值，选择适当的调制系数，即调制系数为2.405，达到载波抑制的目的。理论上该系统的载波抑制程度可达到100dB，由于激光器、接头、PD和信号发生器等背景噪声的影响，实际载波抑制比为50dB。由于背向散射噪声的大小与光学陀螺顺逆时针两路的载波抑制相关。单路50dB的载波抑制，可达到两路100dB的载波抑制，完全可以将系统的背向散射噪声降低到其他噪声以下的量级。

附图说明

图1是基于外差技术测试相位调制器半波电压装置；

图2是波导相位调制器的基本结构示意图；

图3是50％耦合器的基本结构示意图；

图4(a)是调制系数M为1时光电探测器PD输出频谱图；

图4(b)是调制系数M为2.405时光电探测器PD输出频谱图；

图5是理论和实验上调制系数与载波抑制情况的示意图。实线为理论结果，点为实验测试结果；

图中：激光器1、第一50％的耦合器2、相位调制器3、声光移频器4、第二50％耦合器5、光电探测器6、矢量分析仪7、第一信号发生器8、第二信号发生器9、直波导11、电极12、输入光纤13和输出光纤14。

具体实施方式

如图1所示，基于外差技术测试相位调制器半波电压装置包括激光器1、第一50％耦合器2、相位调制器3、声光移频器4、第二50％耦合器5、光电探测器6、矢量分析仪7、第一信号发生器8、第二信号发生器9；激光器1与第一50％耦合器2、相位调制器3、第二50％耦合器5、光电探测器6、矢量分析仪7依次相连，第一50％耦合器2与声光移频器4、第二50％耦合器5依次相连，相位调制器3与第一信号发生器8相连，声光移频器4与第二信号发生器9相连。

如图2所示，相位调制器3包括直波导11、一对电极12、输入光纤13和输出光纤14；在直波导11两侧设有一对电极12，在直波导11两端设有输入光纤13和输出光纤14。当在电极12上施加电压V(t)时，从输出光纤14的输出光波相位φ(t)将发生改变，并且改变量和外加电压V(t)成正比，可表示为：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\·V\left(t\right)=M\left(t\right)---\left(1\right)$

式中V_π为相位调制器的半波电压，取决于相位调制本身的材料和结构参数，与外加电压无关。M为调制信号的调制系数，与外加信号大小和半波电压有关。在基于调相谱技术的谐振式光学陀螺中，相位调制器上施加正弦调制信号，利用后级信号处理电路解调信号，获取顺逆时针两路谐振频率偏差信息。在该系统中，背向散射噪声是最主要的光学噪声，极大地影响陀螺性能的提高。背向散射噪声分为两类，一类由反射光本身引起，另一类由反射光与信号光相干产生。通过对顺逆时针的光路采用不同的调制信号频率的方法，可以克服由反射本身引起的噪声，而由反射光与信号光相干产生的噪声则只能通过抑制两路光的载波比，即在调相谱技术中使正弦信号的调制系数M接近2.405，从而使信号的载波项接近于零。

50％耦合器的结构示意图如图3所示：输入光纤a和b，输出光纤c和d。对于输入端a来说，c是直通端，而d是耦合端，它们之间存在90°的相移。且50％耦合器的输入端口与输出端口是互易的。假设输入到耦合器a端的光场为E₀，则c端口的输出光场为

d端口的输出为

其中k为耦合器的耦合系数，对于50％耦合器来说，k为50％，α为光场的插入损耗。

基于外差技术测试相位调制器半波电压的方法：激光器1输出的激光经过第一50％耦合器2后分成两路：一路经过相位调制器3调相，相位调制器3上施加由第一信号发生器8产生的调制频率为f₁，调制电压为V的正弦信号，将光频的相位改变了Msin(2πf₁t)，M为调制信号的调制系数，与外加调制电压和相位调制器3的半波电压有关，另一路经过声光移频器4移频，声光移频器4上施加由第二信号发生器9产生的频率f₂的正弦信号，将光频的频率搬移了f₂，两路经调制的激光通过第二50％耦合器5合光到光电探测器6后，用矢量分析仪7分析输出信号中频率分量为f₂的功率Power_f₂，经理论推导，按如下公式计算Power_f₂值：

$\mathrm{Power}\_f_2=\left|10\lg \right[J_0^2\left(M\right)\left]\right|$

当施加在相位调制器3上正弦信号的调制系数M为2.405时，J₀(M)无限接近于零，Power_f₂得到最小值；根据矢量分析仪7采样分析Power_f₂的最小值，得到此时对应的由第一信号发生器8产生正弦信号的调制电压V及调制系数2.405，按如下公式计算相位调制器3的半波电压V_π：

V_π＝π·V/M。

基于外差技术测试相位调制器半波电压的方法，可根据公式：

$\mathrm{Power}\_f_2=\left|10\lg \right[J_0^2\left(M\right)\left]\right|$

得到不同调制系数M下的Power_f₂值，即对应不同调制系数下的载波抑制比；根据载波抑制比，可评估在相位调制器3作为关键器件的谐振式光学陀螺系统中的背向散射噪声大小。

窄线宽的半导体激光器输出光场可简化表示为：

E_FL-out(t)＝E₀expj(2πf₀t)    (2)

其中E₀表示激光器输出光场的幅度，f₀＝ω₀/2π表示激光器的固有中心频率。第一50％耦合器的a端为输入，c和d端为输出，分别输入到相位调制器PM和声光移频器AOM：

c端口输出的信号经过相位调制器，其中调制信号为Msin(ω₁t)：

$E_{\mathrm{PM}-\mathrm{out}}=E_0\sqrt{(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-k_1)(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PM}})}\·\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\·\mathrm{expj}\left(M\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\right)---\left(3\right)$

其中k₁为第一50％耦合器的耦合系数，α_c1为第一50％耦合器的插入损耗，α_PM是相位调制器的插入损耗。

d端口输出的信号经过AOM，其中移频量为ω₂：

$E_{\mathrm{AOM}-\mathrm{out}}=j{E}_0\sqrt{k_1(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AOM}})}\·\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\·\mathrm{expj}\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)---\left(4\right)$

其中α_AOM是声光移频器的插入损耗。

第二50％耦合器的c和d端分别为相位调制器PM和声光移频器AOM的输入，a端为输出：

a端口的输出光场为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}}=E_{\mathrm{PM}-\mathrm{out}}\sqrt{(1-k_2)(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}+j\sqrt{k_2(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}{E}_{\mathrm{AOM}-\mathrm{out}}\\ =E_0\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\sqrt{(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-k_1)(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PM}})(1-k_2)(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}\mathrm{expj}\left(M\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\\ -E_0\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\sqrt{k_1(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AOM}})k_2(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}\mathrm{expj}\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\end{array}---\left(5\right)$

其中k₂为第二50％耦合器的耦合系数，α_c2为第二50％耦合器的插入损耗。设：

$\begin{array}{c}a=E_0\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\sqrt{(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-k_1)(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PM}})(1-k_2)(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}\\ b=E_0\left[\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)\right]\sqrt{k_1{k}_2(1-{\mathrm{\α}}_{c1})(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AOM}})(1-{\mathrm{\α}}_{c2})}\end{array}$

那么：

E_out＝aexpj(M sinω₁t)-bexpj(ω₂t)    (6)

光波强度正比于光波场标量的时间平均，因此可得到光电探测器PD后总的输出光强为：

$\begin{array}{c}{I}_{R-\mathrm{out}}=\frac{1}{2}c{\mathrm{\ϵ}}_{0}N\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{out}}\·E_{\mathrm{out}}^{*}}=\frac{1}{2}c{\mathrm{\ϵ}}_{0}N{E}_{\mathrm{out}}\·E_{\mathrm{out}}^{*}\\ =\frac{1}{2}c{\mathrm{\ϵ}}_{0}N\{a^2+b^2-2\mathrm{ab}\cos [M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)-{\mathrm{\ω}}_{2}t\left]\right\}\\ =\frac{1}{2}c{\mathrm{\ϵ}}_{0}N\{a^2+b^2-2\mathrm{ab}\{\cos \left[M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)+\sin \left[M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right]\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\left\}\right\}\end{array}---\left(7\right)$

(7)式中的前两项为PD输出的直流项，只需把第三项进行频谱分析得到PD的频谱分量，将第三项展开得到：

$\begin{array}{c}\cos \left[M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)+\sin \left[M\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right]\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\\ =[J_0\left(M\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(M\right)\cos \left(2n{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)+\left[2\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n+1}\left(M\right)\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{1}t\right]\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\end{array}---\left(8\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \left(M\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\right)=J_0\left(M\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(M\right)\cos \left(2n{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\\ \sin \left(M\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\right)=2\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n+1}\left(M\right)\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{1}t\end{array}\right.$

根据(8)式可知经过PD后的的频谱是ω₂+nω₁(n＝0，1，2......)，其对应的幅度大小J_n(M)。在矢量分析仪上观察ω₂处的功率大小和载波抑制的J₀(M)的关系为：

${\mathrm{Power}\_f}_2=\left|10\lg \right[J_0^2\left(M\right)\left]\right|---\left(9\right)$

根据频谱仪上功率的变化，得到在不同调制电压下Power_f₂的最大和最小值。PM上不加调制时，即M＝0，得到f₂处的功率值Power_f₂_max。根据最佳调制情况下，即M＝M_b，得到f₂处的功率值Power_f₂_min。用最大功率减去最小功率，得到根据(9)式得到对于该相位调制器的最佳载波抑制比J₀(M_h)：

J₀(M_b)＝10^(-ΔP/20)    (10)

ΔP(dB)＝Power_f₂(dBm)_max-Power_f₂_min(dBm)    (11)

根据分析，可知在谐振式光学陀螺中最主要的噪声为背向散射噪声。背向散射噪声的影响大小与载波抑制大小成反比，载波抑制越大，背向散射的影响越小。因此在背向散射噪声占主导的系统中，可根据谐振式光学陀螺的最终开环输出计算系统的载波抑制程度；也可以得到在我们期望系统精度的前提下，需将背散射噪声抑制到何种水平。

图4(a)是调制系数M为1时光电探测器PD输出频谱图；图4(b)是调制系数M为2.405时光电探测器PD输出频谱图；其中ω₁＝9MHz，ω₂＝40MHz。图4说明不同的调制系数下可得到不同的载波信号，通过选取载波抑制最大的情况下的调制信号电压根据(1)式计算半波电压的大小。最关键的因素还在于在调制系数为2.405附近，载波的改变并不影响陀螺输出信号大小，因此可以通过这种方法大大增加系统的信噪比。

图5是理论和实验上调制系数与载波抑制情况的示意图。实线为理论结果，点为实验测试结果。理论上该系统的半波电压可达到几十ppm的测试精度，载波抑制程度可达到100dB。由于激光器、接头、PD和和信号发生器等背景噪声的影响，实际半波电压测试精度为几百个ppm，载波抑制比为50dB。由于背向散射噪声的大小与光学陀螺顺逆时针两路的载波抑制相关。单路50dB的载波抑制，可达到两路100dB的载波抑制，完全可将系统的背向散射噪声降低到其他噪声以下的量级。满足谐振式光学陀螺背向散射噪声抑制的目的。

Claims (3)

1.一种基于外差技术测试相位调制器半波电压装置，其特征在于包括激光器(1)、第一50％耦合器(2)、相位调制器(3)、声光移频器(4)、第二50％耦合器(5)、光电探测器(6)、矢量分析仪(7)、第一信号发生器(8)、第二信号发生器(9)；激光器(1)与第一50％耦合器(2)、相位调制器(3)、第二50％耦合器(5)、光电探测器(6)、矢量分析仪(7)依次相连，第一50％耦合器(2)与声光移频器(4)、第二50％耦合器(5)依次相连，相位调制器(3)与第一信号发生器(8)相连，声光移频器(4)与第二信号发生器(9)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于外差技术测试相位调制器半波电压装置，其特征在于所述的相位调制器(3)包括直波导(11)、一对电极(12)、输入光纤(13)和输出光纤(14)；在直波导(11)两侧设有一对电极(12)，在直波导(11)两端设有输入光纤(13)和输出光纤(14)。

3.一种使用如权利要求1所述装置的基于外差技术测试相位调制器半波电压的方法，其特征在于：激光器(1)输出的激光经过第一50％耦合器(2)后分成两路：一路经相位调制器(3)调相，相位调制器(3)上施加由第一信号发生器(8)产生的调制频率为f₁，调制电压为V的正弦信号，将光频的相位改变了Msin(2πf₁t)，M为调制信号的调制系数，与外加调制电压和相位调制器(3)的半波电压有关，另一路经声光移频器(4)移频，声光移频器(4)上施加由第二信号发生器(9)产生的频率为f₂的正弦信号，将光频的频率搬移了f₂，两路经调制的激光通过第二50％耦合器(5)合光到光电探测器(6)后，用矢量分析仪(7)分析输出信号中频率分量为f₂的功率Power_f₂，按如下公式计算Power_f₂值：

$\mathrm{Power}\_f_2=\left|10\log \right[J_0^2\left(M\right)\left]\right|$

当施加在相位调制器(3)上正弦信号的调制系数M为2.405时，J₀(M)无限接近于零，Power_f₂得到最小值；根据矢量分析仪(7)采样分析Power_f₂的最小值，得到此时对应的由第一信号发生器(8)产生正弦信号的调制电压V及调制系数2.405，按如下公式计算相位调制器(3)的半波电压V_π：

V_π＝π·V/M。

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