CN101881669B - 集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法。利用赛格奈克光纤干涉仪作为测量装置，通过被测集成电光相位调制器对该光纤干涉仪进行相位调制；所用相位调制信号含A、B、C、D四个调制步，每个调制步的持续时间等于赛格奈克光纤干涉仪的渡越时间，四个调制步的调制电压信号分别为0、V、4V、V，V的大小可调。通过采样电路测量B、C相位对应的干涉仪输出信号，并按照既定策略调整V的大小直到满足测量精度，从而实现对于半波电压的实时闭环测量和追踪。该方法的特点在于采用闭环测量的方法，能够实时测量，可用于半波电压的追踪，测量精度和可靠性高，不受采样电路漂移的影响。

Description

集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器中信号的处理方法，尤其是涉及一种集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法。

背景技术

半波电压是用于衡量集成电光相位调制器(常简称为相位调制器、调制器等)调制性能的一个参数，其定义为使得集成电光相位调制器产生π相位所需要在调制电极上加载的电压，半波电压和电光相位调制系数是一个等效参数。都是用于描述相位调制器相位调制效率的参数，电光相位调制系数定义为相位调制器产生的光相位调制和加载在其电极上面电压的比值，单位为弧度/伏，他等于半波电压和π弧度的商。目前国内用于光纤陀螺用的调制器的半波电压都在2伏～6伏之间。

集成电光相位调制器工作原理为电光晶体的一阶电光效应：在电场的作用下电光晶体的折射率发生改变，折射率的改变量和所加电场的强度成正比。而光传播通过电光晶体的相位延迟又和电光晶体的折射率成正比，从而施加的电场给通过电光晶体传播的光引入一个和电场强度成正比的附加相移。控制加载在集成电光相位调制器电极的电压大小，即可改变集成电光相位调制器的内部电场强度，从而实现对光束施加一个由外加电场所决定的相位调制。半波电压和电光相位调制系数用于来描述这个相位调制过程中的调制效率。

在光纤传感领域中，常利用各种光学干涉仪来测量各种微弱信号。测量过程中，需要将被测信号，如振动、温度、转动及位移等转化为光相位，测量光相位来测量被测信号；而由于光频很高，光相位目前也是无法直接测量的量，需要通过光干涉将光相位转化为光强，测量光强来得到相位，再推算得到被测信号。

光学干涉仪的响应函数如下：I＝I₀(1+cosφ)，其中φ为被测信号对应的相位I₀为光源光强，I为在系统的输出光强，该响应函数为余弦函数。而余弦函数在零信号附近，即φ≈0时灵敏度最小，而且为非线性响应，无法分辨正负相位。工作在此处附近的光纤传感系统在测量微弱信号时最不灵敏，为非线性响应，无法区分正负，导致了微弱信号测量的不准确。为了改善光纤传感系统检测微弱信号的性能，需要通过相位偏置改善其响应函数。

相位偏置即在系统中通过集成电光相位调制器引入一个附加的相位，使得干涉仪工作点离开最不灵敏的零相位附近，而是到另外一个相对灵敏的偏置点上。相位偏置干涉仪的响应函数为：I＝I₀[1+cos(φ_bias+φ)]，其中φ_bias为偏置相位。在π/2相位偏置时，光学干涉仪系统具有最大灵敏度，此时系统响应函数为：I＝I₀[1+cos(π/2+φ)]＝I₀(1+sinφ)，为正弦函数，在小信号输入，即φ≈0时具有最大灵敏度，并且在为线性响应，可以区分正负相位，保证了小信号测试下的准确性和线性度，从而可以准确的测量得到微弱信号。

相位偏置需要有很高的稳定度和准确度，否则相位偏置的误差会转换为被测信号的误差。偏置的稳定度通过改善集成电光相位调制器的偏置电路的稳定性实现。相位偏置通过电压偏置获得，利用一个稳定电压偏置，精确知道调制器的半波电压，即可准确计算得到什么样的电压偏置能够产生准确的π/2相位偏置，从而实现偏置的准确性，偏置的稳定度和准确度决定了微弱信号测试结果的稳定度和准确度。

常用集成相位电光调制器半波电压测试方法，一般都是利用光学干涉仪中的马赫曾德干涉仪进行测试，但利用马赫曾德干涉仪的测量结果精度较差。随着传感技术的发展，在更精密的传感测试中，例如水声测量、振动测量等应用中，需要测量毫弧度甚至微弧度量级的相位，也即几十到几百个ppm(百万分之一)的测量精度的量级，利用马赫曾德干涉仪得到的半波电压精度不能满足这种应用，需要一个相对测量精度可达几十到几百个ppm的新的半波电压测量方法。

专利“ZL200710068134.7”中提出了一种集成电光相位调制器电光相位调制系数测量方法，该方法同样能够用于半波电压的测试，利用该方法能够提高测试精度，但该方法为开环的测试方法，其测试精度依赖于I₁和I₂测试结果的准确度和精度，从而其精度依赖于采样电路的采样精度。如果采样电路存在长期器件老化或者电路低频漂移等，将会导致测试结果引入误差，从而不能用于长时间的追踪和测试，只能作为短时间的测试用。

发明内容

针对目前光纤传感技术研究中，原有集成电光调制器相位调制器电光相位半波电压测试方法精度较差，或者是属于开环测试方法，测试精度受采样电路漂移等的影响，从而不能满足高精度传感测量中的应用，需要能够更准确地测量半波电压的新的测量方法，以满足高精度传感测量中应用的现状，本发明的目的在于提供一种集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法，以实现半波电压的精密快速闭环测量和实时追踪，并且这种测试方法和测试电路的漂移无关。

发明原理：

利用光学干涉仪中的赛格奈克光纤干涉仪测试被测集成电光相位调制器的半波电压：将被测集成电光相位调制器通过光纤环、光源、光电探测器构成赛格奈克光纤干涉仪，被测集成电光相位调制器起相位调制作用。

测量的基本原理是通过对集成电光相位调制器加载周期调制信号，采样在不同的调制步下的系统输出信号，根据信号大小得到偏差值，根据这个偏差值按照一定的策略调整调制信号的幅度；重复这个闭环追踪过程直到偏差信号为零，此时的调制信号的幅度等于半波电压测量值的一半，根据此时的调制信号的幅度则可得到半波电压和电光相位调制系数。

实际的测量过程中，测量的精度由测量任务或者说测量目标所决定，这是一个有限的精度，从而在以上的闭环追踪过程中并不需要偏差信号为零，而只需要判断调整步长小于测量精度即可。例如说在设定为信号幅度V为3伏的周期调制信号调制下，偏差为正，此时调整步长为1毫伏，调整方向为负，则下一步的周期调制信号的幅度为2.999伏，如果此时的偏差变为负，则说明偏差为零时候对应的周期调制信号的幅度在2.999伏～3伏之间，如果测试精度要求对应的周期调制信号的幅度精度小于1毫伏，那么此时即可用2.999伏的周期信号的幅度计算对应的半波电压，其对应的周期调制信号的幅度误差小于1毫伏，能够满足测试的精度要求。

本发明中采用的为四步一周期的周期调制信号，周期调制信号包括A、B、C、D四个调制步，每个调制步的持续时间等于赛格奈克干光纤涉仪渡越时间，四个调制步对应的调制电平大小分别为0、V、4V、V，其中V为可调整的变量，代表了调制信号幅度的大小。根据时延差分调制的原理，调制电平的时延差分为各个调制步的实际调制信号，则此时B、C调制步光纤干涉仪的调制信号分别为调制步B和调制步A的差、调制步C和调制步B的差，也即是V和3V。此时B、C调制步对应的光纤干涉仪输出信号I_B、I_C为，式中K_oe为电光相位调制系数：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_B=I_0\[1+\cos (K_{\mathrm{oe}}\×V)\]\\ I_C=I_0\[1+\cos (K_{\mathrm{oe}}\×3V)\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据定义，半波电压V_π满足K_oe×V_π＝π，对于光纤陀螺常用的电光相位调制器的半波电压，V_π值在2伏～6伏之间，那么上式可改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_B=I_0\[1+\cos (\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})\]\\ I_C=I_0\[1+\cos (\frac{3V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

若令I_B＝I_C，也即：

$I_0\[1+\cos (\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})\]=I_B=I_C=I_0\[1+\cos (\frac{3V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})\]---\left(3\right)$

从而：

$\cos (\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})=\cos (\frac{3V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π})---\left(4\right)$

在满足0＜K_oe×V＜π/2的前提下，解这个方程式得到：

$\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π}=2\mathrm{\π}-\frac{3V}{V_{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{\π}---\left(5\right)$

也即：

$V=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{2}---\left(6\right)$

式子(6)意味着，如果以I_B＝I_C为闭环控制目标，在调整变量V直到其满足该闭环控制目标的时，变量V的取值对应于半波电压的一半，若记此时的电压取值为V₀，那么通过下式可以得到被测集成电光调制器的的半波电压和电光相位调制系数分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\π}}={2V}_0\\ K_{\mathrm{oe}}=\frac{{2V}_0}{\mathrm{\π}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

闭环控制目标的实现在本发明中采用递归的方法进行，通过选取一个初始值V和调整步长dV递增而获得，为了满足0＜K_oe×V＜π/2的前提，考虑到半波电压在2伏～6伏的范围，V的初始值取1伏即可满足要求。如果被测的集成相位集成调制器的半波电压不在这个范围之内，那么可以根据其估计值，取估计值下限的一半作为起始值。估计值可以是设计值或者是理论计算值，也可以是通过其他方法测试得到的精度不高的粗略测量值。

由于系统采用的是闭环的追踪方法，初始值和步长的的选取不影响系统最终的测试精度，并且在满足控制目标之后，通过V值的取值大小，能够进行实时的闭环追踪测量。

集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法，本发明采用的技术方案的步骤如下：

1)构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的集成电光相位调制器作为该光纤干涉仪中的相位调制器，对所述光纤干涉仪进行相位调制；

2)在被测量的集成电光相位调制器的电极上通过调制信号发生器加载周期调制信号，对所述光纤干涉仪进行相位调制，周期调制信号包括A、B、C、D四个调制步组成，每个调制步的持续时间等于赛格奈克干光纤涉仪渡越时间，四个调制步对应的调制电平大小分别为0、V、4V、V，其中V为大小可调的变量，始终为正数，起始值小于被测集成电光相位调制器半波电压估计值下限的一半，V变量的取值大小对应于周期调制波形的幅度大小；

3)赛格奈克光纤干涉仪在步骤2)中所述周期调制信号的相位调制下，通过采样电路采样其对应于B、C调制步的输出信号的大小，分别记为SB、SC；

4)调整变量V的大小，重复2)步骤和3)步骤，直到满足测量要求。

在尚不满足测量要求的前提下，所述调整变量V的大小的方法如下：

1)若SB＞SC，则增大变量V的数值，也即变量V的调整方向为正；若SB＜SC，则减小变量V的数值，也即变量V的调整方向为负；

2)变量V增大或减小的步长，也即调整步长为dV，dV为一变量，其初始值为+0.1V，在闭环过程中，dV的符号和SB-SC的符号保持一致，并且在每一次SB-SC的符号改变时，将dV的绝对值减半；若出现SB＝SC的情况，则令调整步长为dV为+0.5A；

所述的满足测量要求是指：如果要求最终半波电压测试的误差小于A，那么当dV小于0.5A时候记为满足测量要求，A的具体数值是测试之前由测试任务或测试目标所确定；满足测量要求后，调制步长dV保持当前的绝对值不再改变，符号变化规律仍然按照调整变量V的大小的步骤2)变化。

所述测量方法中，在满足测试要求后，变量V取值的两倍就是半波电压的测量值；此时通过重复步骤2)、3)步骤和4)步骤，实现集成电光相位调制器半波电压和电光相位调制系数的实时闭环测量和跟踪。

本发明具有的有益效果是：

提出采用光纤赛格奈克光纤干涉仪，对集成电光相位调制器的半波电压进行闭环实时的测量的方法，该方法首次采用闭环测量的方法，能够实时测量，可用于半波电压的追踪，测量精度和可靠性高，不受采样电路漂移的影响；该方法能对这半波电压和电光相位调制系数进行实时监控和长时间测量，满足光纤传感中检测微弱信号对半波电压测量准确度的测试要求，以满足高精密传感中的测试要求。

附图说明

图1是典型测试系统组成的原理框图。

图2是测试所采用的周期调制波形。

图3是闭环追踪测试半波电压的流程图。

图中：11、光源，12、光电探测器，13、分束器，14、被测试的集成电光相位调制器，15、采样电路，16、光纤环，17、调制信号发生器。

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。

如图1所示是典型测试系统组成的原理框图，其中被测试的集成电光相位调制器14和光源11、光电探测器12、分束器13及光纤环16构成了光学赛格奈克光纤干涉仪；光源11发出的光由分束器13分为两束，其中一束输入到被测电光相位调制器，之后又被分为两束光，并注入到光纤环16的两端中，分别沿着光纤环16的顺时针和逆时针方向传播，两束光受到集成电光相位调制器14的时延差分调制，调制的波形由调制信号发生器17所产生。经过时延差分调制的光，在分别传播以后重新汇合并相互干涉，干涉光在分束器13被再次分束，其中一束达到光电探测器12，由光电探测器光电转换实现光信号转换为电信号，而电信号则由后续的采样电路15进行信号滤波放大以及采样转换为数字信号。

如图2所示是测试所采用的周期调制波形，其中包括三个波形21、22和23。其中波形21是由调制信号发生器1发出的周期性调制信号，每一个周期包括四个调制步A、B、C和D，图中给出了1.25个周期。这四个调制步的持续时间相同，都等于赛格奈克光纤干涉仪的渡越时间，渡越时间可以预先测试得到，渡越时间的偏差只需不大于1/10，则其不会对最终测量结果产生影响。A、B、C、D调制步的信号电平分别为0、V、4V和V，其中V是一个可控的变量，通过调制V实际取值的大小最终实现闭环。波形22是波形21的时延图象，其等价于将波形21按照时间轴向后推迟1个渡越时间长度后的波形，在每个调制步都等于渡越时间的前提下，相对于滞后了一个调制步。波形23是波形21和波形22的差分，根据光纤陀螺的时延差分调制原理，波形23就是实际给干涉仪进行相位调制的调制电平信号。可见在调制步B和C分别对应于V和3V的调制，若电光相位调制系数表示为K_oe，那么对应的调制相位分别为K_oe×V和K_oe×3V。

如图3所示是闭环追踪测试半波电压的流程图，系统在测试开始后进行初始化工作，包括将描述调制波形幅度大小的变量V赋初始值，将描述调整步长的变量dV赋初始值等。V的初始值和被测相位调制器的半波电压相关，一般选取其下限的一半即可，例如对于光纤陀螺所用的调制器，其半波电压一般在2伏～6伏的范围之间，从而可以将V赋初始值1伏；典型的对dV赋初始值0.1V，V和dV的初始值不影响测试精度。在初始化后进入闭环追踪过程，这是一个循环过程，对被测调制器施加图2中波形21的调制波形，并采样得到SB、SC的数值。如果SB和SC相等，意味着此时的处于闭环状态，则令dV＝0.5A，并重新进入下一个闭环追踪周期中，其中A为测试精度要求，由测试目的或者测试要求预先得到。如果SB和SC的不同，那么将SB-SC的符号作为调整步长dV新取值的符号。并且假如调整步长dV不满足|dV|＞0.5A的条件，那么dV新取值的大小不变，符号取SB-SC符号，从而获得dV在下一个循环的新的取值，并进入下一个闭环追踪周期；如果dV满足|dV|＞0.5A的条件，而且本周期的SB-SC和上周期的SB-SC符号相反，那就将dV的绝对值减半，符号取SB-SC的符号，从而获得dV在下一个循环的新的取值，然后开始进入下一个闭环追踪周期中去。

表1是个半波电压闭环追踪反馈的例子，表中描述了一个电光相位调制器的半波电压闭环和追踪过程中各个量的变化情况。该调制器的半波电压实际值为4.642伏，在闭环状态下，描述周期调制波形幅度的变量V取2.321伏，也即V₀＝2.321伏；假设目标测试精度为1毫伏，也即在这个表中A＝1毫伏。表中第一列表示闭环追踪周期序号，第二列表示该周期的V的取值大小，第三列表示该周期中采样后的SB-SC符号，第四列表示根据SB-SC的符号以及dV值调整出来的新的dV的取值；第五列表示dV值是否满足测试精度要求。在第1～14个闭环周期，V小于V₀，SB-SC的符号保持不变，从而dV取值不变，V的幅度一致V₀增加，直到到了15周期V的幅度超过了V₀，从而SB-SC符号变为符号，从而dV的绝对值减半为0.05V，并且符号为负，也即dV＝-0.05伏；16～25周期将按照这种变化的情况，直到26周期dV满足|dV|＜0.5毫伏的周期，从此dV的绝对值不再减半，但其符号仍然按照以上规律变化。从26周期滞后此时V的取值和V₀的差小于0.4毫伏，满足测试精度的要求。重复以上过程，则可以实现对于V的闭环追踪，并且可以保持精度。可见这种追踪的方法只需25个周期就可以达到测试精度要求，如果渡越时间为1微秒，那么这个追踪过程的时间为100微秒的时间，是一个非常快速的追踪方法。

在满足测试精度要求之后，由V的取值可以得到系统的半波电压的测量值，同时也可得到电光相位调制系数的测量值，从而实现半波电压和电光相位调制系数的闭环测量和实时追踪测量。

表1一个半波电压闭环追踪反馈的例子

闭环追踪周期序号	V的取值	SB-SC符号	dV新取值	是否满足dV＜A/2？
					1	1	+	+0.1	×
...	...	+	+0.1	×
					14	2.3	+	+0.1	×
15	2.4	-	-0.05	×
					16	2.35	-	-0.05	×
17	2.3	+	+0.025	×
					18	2.325	-	-0.0125	×
19	2.3125	+	+0.00625	×
					20	2.31875	+	+0.00625	×
21	2.325	-	-0.003125	×
					22	2.321875	-	-0.003125	×
23	2.31875	+	+0.0015625	×
					24	2.3198125	+	+0.0015625	×
25	2.321375	-	-0.00078125	×
					26	2.32059375	+	+0.000390625	√
27	2.320984375	+	+0.000390625	√
					28	2.321375	-	-0.000390625	√
29	2.320984375	+	+0.000390625	√
					...	...	...	...	...

Claims (2)

1.一种集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)构建赛格奈克光纤干涉仪，将被测量的集成电光相位调制器作为该光纤干涉仪中的相位调制器，对所述光纤干涉仪进行相位调制；

2)在被测量的集成电光相位调制器的电极上通过调制信号发生器加载周期调制信号，对所述光纤干涉仪进行相位调制，周期调制信号包括A、B、C、D四个调制步，每个调制步的持续时间等于赛格奈克光纤干涉仪渡越时间，四个调制步对应的调制电平大小分别为0、V、4V、V，其中V为大小可调的变量，始终为正数，起始值小于被测集成电光相位调制器半波电压估计值下限的一半，V变量的取值大小对应于周期调制波形的幅度大小；

3)赛格奈克光纤干涉仪在步骤2)中所述周期调制信号的相位调制下，通过采样电路采样其对应于B、C调制步的输出信号的大小，分别记为SB、SC；

4)调整变量V的大小，重复2)步骤和3)步骤，直到满足测量要求；

在尚不满足测量要求的前提下，所述调整变量V的大小的方法如下：

a)若SB＞SC，则增大变量V的数值，也即变量V的调整方向为正；若SB＜SC，则减小变量V的数值，也即变量V的调整方向为负；

b)变量V增大或减小的步长，也即调整步长为dV，dV为一变量，其初始值为+0.1V，在闭环过程中，dV的符号和SB-SC的符号保持一致，并且在每一次SB-SC的符号改变时，将dV的绝对值减半；若出现SB＝SC的情况，则令调整步长dV为+0.5A；

所述的满足测量要求是指：如果要求最终半波电压测试的误差小于A，那么当dV小于0.5A时候记为满足测量要求，A为测试精度要求，A的具体数值是测试之前由测试任务或测试目标所确定；满足测量要求后，调制步长dV保持当前的绝对值不再改变，符号变化规律仍然按照步骤b)变化。

2.根据权利要求1所述的集成电光相位调制器半波电压的实时闭环测量和追踪方法，其特征在于：所述测量方法中，在满足测试要求后，变量V取值的两倍就是半波电压的测量值；此时通过重复步骤2)、3)步骤和4)步骤，实现集成电光相位调制器半波电压和电光相位调制系数的实时闭环测量和跟踪。

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