CN103076155A - 一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，包括光源、起偏器、光环形器、螺线管、法拉第旋转反射镜、偏振分束器（PBS）、光电探测器（PD）、信号处理部分、恒流电源、计算机；本发明能够实现光纤费尔德（Verdet）常数的精确测量，可以减少光纤自身的线性双折射对测量的影响；此系统为光纤的磁敏感性研究提供了平台；同时为光纤陀螺光纤的磁敏感性方面性能选择提供了测量平台，避免了光纤陀螺用光纤的可靠性。

Description

一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于双光路的光纤Verdet（维尔德常数）常数测量系统，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac（萨格纳克效应）效应的角速度传感器，光纤陀螺通常在应用中是被暴露在地磁场中，由于磁光效应的存在，地磁场会引起敏感环中相反两束传播光的相位漂移。光纤环的光纤长度很长（几百到几千米），磁光效应带来的非互易相位差累计不可忽略。特别是在惯性导航领域的高精度陀螺中是个很大的影响。

光纤环是光纤陀螺的核心，光纤磁敏感性是由光纤Verdet常数表征的，测量光纤的Verdet常数的意义在于：一方面在光纤绕环前可以通过此系统验证所用光纤是否合格，排除光纤本身的质量问题；另一方面为新型光纤陀螺的新型光纤的磁敏感性分析提供了测试平台。

目前的光纤Verdet常数测量系统分为单光路测量与双光路测量方法，双光路测量法的优点为光能利用率高、抗干扰性能强、能够消除光源光强涨落对输出信号的影响。系统中采用法拉第旋转反射镜可以减少线性双折射，信号处理部分大多采用模拟信号处理，为了整体提高测量的精度，本专利中采用模拟+数字的处理方法。FPGA的运用可以提高处理的速度与精度。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出了一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，能够实现光纤Verdet常数的精确测量。

一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，为全光纤结构，包括光源、起偏器、保偏光纤耦合器、螺线管、被测光纤、恒流电源、法拉第旋转反射镜、偏振分束器、第一探测器、第二探测器、信号处理部分和计算机；

光源、起偏器、保偏光纤耦合器的第一端口之间依次通过光纤连接，光源发出光，起偏器将光变为线偏振光，线偏振光进入保偏光纤耦合器的第一端口，保偏光纤耦合器的第二端口通过保偏尾纤与被测光纤一端熔接，保偏光纤耦合器的第三端口通过光纤连接偏振分束器；线偏振光由保偏光纤耦合器第二端口输出至被测光纤，被测光纤穿过螺线管的铁芯内部，一端与保偏光纤耦合器第二端口的保偏尾纤熔接，另一端与法拉第旋转反射镜的尾纤熔接；信号处理部分的FPGA模块中螺线管驱动模块提供驱动信号，驱动恒流电源为螺线管提供电源，螺线管内通入电流，在被测光纤处产生磁场；线偏振光在被测光纤中传输，线偏振光在磁场的作用下发生圆双折射，偏振角发生旋转，线偏振光通过被测光纤后，在法拉第旋转反射镜的作用下再次经过螺线管，线偏振光再次发生同方向的旋转，旋转角加倍；旋转角加倍的线偏振光输入保偏光纤耦合器的第二端口，通过保偏光纤耦合器的第三端口进入偏振分束器，偏振分束器将线偏振光分为偏振正交的两束光，分别输出至第一探测器、第二探测器；

信号处理部分包括前置放大器、滤波器、交直流隔离电路、A/D转换器、FPGA模块；

第一探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第一束光，设磁场未加之前的第一探测器探测到的光功率为J₁；第一探测器的增益为G，开启磁场后第一探测器接收到第一束光的电压具体为：

U₁＝GJ₁cos²(2θ+45°)+n₁(t)

其中，n₁(t)表示第一束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第一束光的电压变形为：

$U_1=G\frac{J_1}{2}-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_1\left(t\right)$

第一束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₁，交流信号DC₁，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_1}=-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_1\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_1}=G\frac{J_1}{2}$

其中：

表示第一束光直流信号电压，

表示第一束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；

第二探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第二束光，设磁场未加之前的第二探测器探测到的光功率为J₂；第二探测器的增益为G，开启磁场后第二探测器接收到第二束光的电压具体为：

U₂＝GJ₂sin²(2θ+45°)+n₂(t)

其中：n₂(t)表示第二束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第二束光的电压变形为：

$U_2=G\frac{J_2}{2}+G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_2\left(t\right)$

第二束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₂，交流信号DC₂，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_2}=G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_2\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_2}=G\frac{J_2}{2}$

其中：

表示第二束光直流信号电压，

表示第二束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；

FPGA模块包括除法器模块、减法器模块、螺线管驱动模块；

除法器模块分别对

进行处理，得到

A₁、A₂输出至减法器模块，减法器模块得到最终输出的数字电压信号为：

$U_{\mathrm{out}}=A_1-A_2=\frac{U_{{\mathrm{AD}}_1}}{U_{{\mathrm{DC}}_1}}-\frac{U_{{\mathrm{AD}}_2}}{U_{{\mathrm{DC}}_2}}=-2\sin (2\×2\mathrm{\θ})+\frac{2[J_2{n}_2\left(t\right)-J_1{n}_2\left(t\right)]}{J_1{J}_2}$

假设两路光功率相等：J₁＝J₂；两路噪声相等：n₁(t)≈n₂(t)＝n(t)，n(t)为两路噪声相等情况下的每路噪声；上式变形为：

U_out≈-2sin(2×2θ)≈-8θ

减法器模块将U_out输出至计算机，计算机得到θ值，根据V＝θ/BL，将线偏振光在磁场作用下的旋转角θ、被测光纤长度L、电磁感应强度B代入，得到光纤的Verdet常数V；

螺线管驱动模块为恒流电源提供驱动信号，控制恒流电源为螺线管提供电源，使螺线管产生磁场。

本发明的优点在于：

（1）本发明可以减小系统的体积，较空间光路系统易于调节，易集成化；

（2）本发明能够将光纤本身的线性双折射相抵消，提高测量精度；

（3）本发明可以使旋转角加倍，使得测量更准确；

（4）本发明的信号处理可以抑制光电共模噪声，补偿光强漂移与法拉第漂移，信号处理快速且精确；

（5）本发明可以减少光源波动对信号的影响，进而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明的螺线管剖面示意图；

图3为本发明的信号处理框图示意图；

图4为本发明的FPGA程序模块示意图。

图中：

1—光源                      2—起偏器                       3—保偏光纤耦合器

4—螺线管                    5—被测光纤                     6—恒流电源

7—法拉第旋转反射镜          8—偏振分束器（PBS）            9—第一探测器（PD₁）

10—第二探测器（PD₂）        11—信号处理部分                12—计算机

13—前置放大器               14—滤波器                      15—交直流分离电路

16—A/D转换器                17—FPGA模块                    18—除法器模块

19—减法器模块               20—螺线管驱动模块

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，系统为全光纤结构，如图1所示，包括光源1、起偏器2、保偏光纤耦合器3、螺线管4、被测光纤5、恒流电源6、法拉第旋转反射镜7、PBS8、PD₁9、PD₂10、信号处理部分11和计算机12；

光源1、起偏器2、保偏光纤耦合器3的第一端口之间依次通过光纤连接，其中光源1发出光，起偏器2将光变为线偏振光，线偏振光进入保偏光纤耦合器3的第一端口，保偏光纤耦合器3选用膜片式保偏耦合器，因为拉锥形保偏耦合器只能保偏一个轴的偏振光，传输光会发生衰减。保偏光纤耦合器3的第二端口通过保偏尾纤与被测光纤5一端熔接，保偏光纤耦合器3的第三端口通过光纤连接PBS8，第四个端口空置。

线偏振光由保偏光纤耦合器3第二端口输出至被测光纤5。如图2所示，被测光纤5穿过螺线管4的铁芯内部，一端与保偏光纤耦合器3第二端口的保偏尾纤熔接，另一端与法拉第旋转反射镜7的尾纤熔接。信号处理部分11的FPGA模块17中螺线管驱动模块20提供驱动信号，驱动恒流电源6为螺线管4提供电源，螺线管4内通入电流，在被测光纤5处产生磁场。

螺线管4内设置中心带孔的铁芯，可以使得螺线管4的磁场增大，适应不同光纤的测量；

根据法拉第效应原理，如果在被测光纤5中沿线偏振光传播方向加一外磁场，则线偏振光通过被测光纤5后，线偏振光的偏振平面将转过一角度，表达公式为：

θ＝VBL

其中：θ为线偏振光在磁场作用下的旋转角，V为光纤的Verdet常数，L为被测光纤长度，B表示电磁感应强度。

线偏振光在被测光纤5中传输，线偏振光在磁场的作用下发生圆双折射以致偏振角发生旋转，线偏振光通过被测光纤5后，在法拉第旋转反射镜7的作用下再次经过螺线管4，因法拉第效应与光传播的方向无关，只与磁场的作用方向有关，所以线偏振光再次发生同方向的旋转，使旋转角加倍。旋转角加倍的线偏振光输入保偏光纤耦合器3的第二端口，通过保偏光纤耦合器3的第三端口进入PBS8，PBS8将线偏振光分为偏振正交的两束光，分别输出至第一探测器PD₁9、第二探测器PD₂10。为了达到最佳测量灵敏度，应在未加磁场前，调节起偏器2使线偏振光在PBS8为45°分束，使两路的光功率相等。

如图3所示，信号处理部分11包括前置放大器13、滤波器14、交直流隔离电路15、A/D转换器16、FPGA模块17。

PD₁9通过光纤连接PBS8，探测到第一束光，设磁场未加之前的PD₁9探测到的光功率为J₁。PD₁9的增益为G，开启磁场后PD₁9接收到第一束光的电压具体为：

U₁＝GJ₁cos²(2θ+45°)+n₁(t)

其中，n₁(t)表示第一束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第一束光的电压变形为：

$U_1=G\frac{J_1}{2}-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_1\left(t\right)$

第一束光的电压模拟信号依次经过前置放大器14、滤波器15，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路16，交直流隔离电路16分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₁，交流信号DC₁，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_1}=-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_1\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_1}=G\frac{J_1}{2}$

其中：

表示第一束光直流信号电压，

表示第一束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器16，A/D转换器16将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过FPGA模块17的第1、2接口输出至FPGA模块17中的除法器模块18；

PD₂10通过光纤连接PBS8，探测到第二束光，设磁场未加之前的PD₂10探测到的光功率为J₂。PD₂10的增益为G，开启磁场后PD₂10接收到第二束光的电压具体为：

U₂＝GJ₂sin²(2θ+45°)+n₂(t)

其中：n₂(t)表示第二束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第二束光的电压变形为：

$U_2=G\frac{J_2}{2}+G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_2\left(t\right)$

第二束光的电压模拟信号依次经过前置放大器14、滤波器15，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路16，交直流隔离电路16分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₂，交流信号DC₂，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_2}=G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_2\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_2}=G\frac{J_2}{2}$

其中：

表示第二束光直流信号电压，

表示第二束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器16，A/D转换器16将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过FPGA模块17的第3、4接口输出至FPGA模块17中的除法器模块18；

如图4所示，FPGA模块17包括除法器模块18、减法器模块19、螺线管驱动模块20；

除法器模块18分别对

进行处理，得到

A₁、A₂输出至减法器模块19，减法器模块19得到最终输出的数字电压信号为：

$U_{\mathrm{out}}=A_1-A_2=\frac{U_{{\mathrm{AD}}_1}}{U_{{\mathrm{DC}}_1}}-\frac{U_{{\mathrm{AD}}_2}}{U_{{\mathrm{DC}}_2}}=-2\sin (2\×2\mathrm{\θ})+\frac{2[J_2{n}_2\left(t\right)-J_1{n}_2\left(t\right)]}{J_1{J}_2}$

假设两路光功率相等：J₁＝J₂；两路噪声相等：n₁(t)≈n₂(t)＝n(t)，n(t)为两路噪声相等情况下的每路噪声。且一般情况下旋转角度很小，则上式变形为：

U_out≈-2sin(2×2θ)≈-8θ

减法器模块19将U_out输出至计算机12，减法器模块19与计算机12的通讯方式为：通过FPGA模块17的第6接口采用RS422协议与计算机12通讯。计算机12得到θ值，根据V＝θ/BL，将线偏振光在磁场作用下的旋转角θ、被测光纤长度L、电磁感应强度B代入，得到光纤的Verdet常数V。

螺线管驱动模块20为恒流电源6提供驱动信号，控制恒流电源6为螺线管4提供电源，使螺线管4产生磁场，螺线管4未加磁场时，中心磁场强度能达到500G，根据被测光纤5的不同可以加入不同大小的铁芯，以达到测量的要求。通过螺线管驱动模块20进行控制，避免因螺线管4发热引起电阻增大，影响磁场的稳定性，导致测量精度低。

所述的除法器模块18、减法器模块19、螺线管驱动信号以及信号输出在FPGA模块17中通过Verilog HDL编程实现。

本发明采用全光纤系统，可以减小系统的体积，较空间光路系统易于调节，易集成化。全光纤结构光路使光路的装配相对容易，只需熔接机将各个光电子器件尾纤按相应关系熔接即可，甚至可以几个器件共用一根尾纤，避免了空间光路中由于分立元件之间相对位移引起的相位误差，可以实现较低的光路损耗与较高的信噪比。

所述的光源1采用SLD（超辐射二极管）光源，其有较高的输出功率；SLD的相干长度短，具有宽的光谱宽度，光谱的半最大值全宽为10-40mm，可以降低系统中反射光与信号光的干涉，使偏振噪声、瑞利背向散射噪声等降低；SLD具有高稳定性的特点，使得光纤Verdet常数色散减小，提高了测量的准确度。

所述的起偏器2采用膜片式可调起偏器。

所述的法拉第旋转反射镜7可以减小光纤自身的线性双折射，使测量更加精确。

所述的偏振分束器8的消光比为50dB；

所述的第一探测器9、第二探测器10均采用PIN管，其特点为：制造工艺简单、成本低、相应速度快，频带宽、噪声小、线性度好、保真度高等；且带有尾纤，直接将输出信号引入到探测器芯片上，避免了分立光路时背景光的影响。

Claims (8)

1.一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，为全光纤结构，包括光源、起偏器、保偏光纤耦合器、螺线管、被测光纤、恒流电源、法拉第旋转反射镜、偏振分束器、第一探测器、第二探测器、信号处理部分和计算机；

光源、起偏器、保偏光纤耦合器的第一端口之间依次通过光纤连接，光源发出光，起偏器将光变为线偏振光，线偏振光进入保偏光纤耦合器的第一端口，保偏光纤耦合器的第二端口通过保偏尾纤与被测光纤一端熔接，保偏光纤耦合器的第三端口通过光纤连接偏振分束器；线偏振光由保偏光纤耦合器第二端口输出至被测光纤，被测光纤穿过螺线管的铁芯内部，一端与保偏光纤耦合器第二端口的保偏尾纤熔接，另一端与法拉第旋转反射镜的尾纤熔接；信号处理部分的FPGA模块中螺线管驱动模块提供驱动信号，驱动恒流电源为螺线管提供电源，螺线管内通入电流，在被测光纤处产生磁场；线偏振光在被测光纤中传输，线偏振光在磁场的作用下发生圆双折射，偏振角发生旋转，线偏振光通过被测光纤后，在法拉第旋转反射镜的作用下再次经过螺线管，线偏振光再次发生同方向的旋转，旋转角加倍；旋转角加倍的线偏振光输入保偏光纤耦合器的第二端口，通过保偏光纤耦合器的第三端口进入偏振分束器，偏振分束器将线偏振光分为偏振正交的两束光，分别输出至第一探测器、第二探测器；

信号处理部分包括前置放大器、滤波器、交直流隔离电路、A/D转换器、FPGA模块；

第一探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第一束光，设磁场未加之前的第一探测器探测到的光功率为J₁；第一探测器的增益为G，开启磁场后第一探测器接收到第一束光的电压具体为：

U₁＝GJ₁cos²(2θ+45°)+n₁(t)

其中，n₁(t)表示第一束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第一束光的电压变形为：

$U_1=G\frac{J_1}{2}-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_1\left(t\right)$

第一束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₁，交流信号DC₁，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_1}=-G\frac{J_1}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_1\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_1}=G\frac{J_1}{2}$

其中：

表示第一束光直流信号电压，表示第一束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；

第二探测器通过光纤连接偏振分束器，探测到第二束光，设磁场未加之前的第二探测器探测到的光功率为J₂；第二探测器的增益为G，开启磁场后第二探测器接收到第二束光的电压具体为：

U₂＝GJ₂sin²(2θ+45°)+n₂(t)

其中：n₂(t)表示第二束光路的噪声，θ为单次线偏振光的旋转角，将第二束光的电压变形为：

$U_2=G\frac{J_2}{2}+G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+n_2\left(t\right)$

第二束光的电压模拟信号依次经过前置放大器、滤波器，两者分别对模拟电压信号进行放大和滤波，然后输出至交直流隔离电路，交直流隔离电路分离交流信号和直流信号，进而得到直流信号AD₂，交流信号DC₂，各自电压表示为：

$U_{{\mathrm{AD}}_2}=G\frac{J_2}{2}\sin (2\×2\mathrm{\θ})+G{n}_2\left(t\right)$

$U_{{\mathrm{DC}}_2}=G\frac{J_2}{2}$

其中：表示第二束光直流信号电压，

表示第二束光交流信号电压；

然后两个电压分别输入至A/D转换器，A/D转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，输出至FPGA模块中的除法器模块；

FPGA模块包括除法器模块、减法器模块、螺线管驱动模块；

除法器模块分别对

进行处理，得到

A₁、A₂输出至减法器模块，减法器模块得到最终输出的数字电压信号为：

$U_{\mathrm{out}}=A_1-A_2=\frac{U_{{\mathrm{AD}}_1}}{U_{{\mathrm{DC}}_1}}-\frac{U_{{\mathrm{AD}}_2}}{U_{{\mathrm{DC}}_2}}=-2\sin (2\×2\mathrm{\θ})+\frac{2[J_2{n}_2\left(t\right)-J_1{n}_2\left(t\right)]}{J_1{J}_2}$

假设两路光功率相等：J₁＝J₂；两路噪声相等：n₁(t)≈n₂(t)＝n(t)，n(t)为两路噪声相等情况下的每路噪声；上式变形为：

U_out≈-2sin(2×2θ)≈-8θ

减法器模块将U_out输出至计算机，计算机得到θ值，根据V＝θ/BL，将线偏振光在磁场作用下的旋转角θ、被测光纤长度L、电磁感应强度B代入，得到光纤的Verdet常数V；

螺线管驱动模块为恒流电源提供驱动信号，控制恒流电源为螺线管提供电源，使螺线管产生磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的保偏光纤耦合器采用膜片式保偏耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，螺线管未通电，未加磁场前，调节起偏器使线偏振光在偏振分束器为45°分束，使两路的光功率相等。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的减法器模块与计算机的通讯方式为：通过FPGA模块的第6接口采用RS422协议与计算机通讯。

5.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的除法器模块、减法器模块、螺线管驱动信号以及信号输出在FPGA模块中通过Verilog HDL编程实现。

6.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的光源采用超辐射二极管光源。

7.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的起偏器采用膜片式可调起偏器。

8.根据权利要求1所述的一种基于双光路的光纤Verdet常数测量系统，所述的第一探测器、第二探测器均采用PIN管。

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