CN103616020A - 基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置及方法，该装置及方法采用正弦波施加调制，通过检测光纤环干涉输出信号中的一次谐波幅度来测得本征频率，其技术效果在于使用正弦波而不是方波施加调制，克服了方波调制带来的多种缺陷，并且检测的是输出信号一次谐波的幅度，可采用相关检测技术获得高的信噪比。

Description

基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤环本征频率的测量装置及方法，特别涉及一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置及方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺中敏感角速度的关键器件，进入光纤环相反方向传播的两光波沿光纤环传播一周后干涉产生Sagnac效应，通过Sagnac效应实现对角速度的测量。光波在光纤环中传播时间τ的倒数的二分之一为光纤环的本征频率

本征频率是光纤环的重要参数之一，特别是对于闭环光纤陀螺，其工作时调制频率就应等于光纤环的本征频率，当调制频率偏离本征频率时，会产生调制误差，并影响光纤陀螺零偏。因此精确测量光纤环的本征频率对提高光纤陀螺的性能意义重大。

测量光纤环本征频率多采用的是基于方波调制的方法。由于实际应用中的调制方波都有一定的上升沿与下降沿，这将使输出信号必然存在无效调制区，即调制频率即使等于本征频率，输出信号依然存在一定尖峰脉冲，从而影响本征频率的测量精度。

也有人对基于方波调制的光纤环本征频率测量方法进行了改进，诸如采用1/2本征频率的方波、不对称方波等。这些方法在一定程度上能够提高本征频率的精度，但由于需要测量输出方波的占空比或脉冲宽度，对采集设备的要求较高，致使测量成本较高。

发明内容

为了解决目前光纤环本征频率测量精度不足及测量成本高的问题，本发明提出一种能以较低成本及较高精度测得光纤环本征频率的基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置及方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置，包括光源、耦合器、调制器、光纤环、D/A及滤波放大电路、波形调制输出及一次谐波检测电路、放大采样电路和探测器，所述的光源连接耦合器，所述的耦合器分别连接至探测器和调制器，光纤环连接调制器，探测器串联放大采样电路后连接至波形调制输出及一次谐波检测电路，波形调制输出及一次谐波检测电路串联D/A及滤波放大电路后连接至调制器，其特征在于，所述的波形调制输出及一次谐波检测电路为正弦波调制输出及一次谐波检测电路。

所述的装置，所述的调制器为Y波导，D/A及滤波放大电路输出的正弦信号直接施加于Y波导上。

所述的装置，所述的调制器包括压电换能器相位调制器、调制耦合器和偏振器，所述的压电换能器相位调制器设置于光纤环的一个输出端上，所述的调制耦合器分别连接偏振器、压电换能器相位调制器和光纤环的另一个输出端，D/A及滤波放大电路输出的正弦信号施加于压电换能器相位调制器上，所述的偏振器设置于耦合器与调制耦合器之间。

一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量方法，采用所述的装置，步骤包括：

第一步：将光纤环转动或摇摆，使光纤环的Sagnac相位差值与π/2之间差值小于0.2，由光纤环的长度L₀计算出光在光纤环中传播时间的估计值τ₀，

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{{\mathrm{nL}}_0}{c},$

其中n为光纤的折射率，c为真空中的光速，进而得到光纤环本征频率的估计值f_e0，

$f_{e0}=\frac{1}{2{\mathrm{\τ}}_0},$

则调制频率初值f_m0=2kf_e0，其中k取使调制频率不超过调制器可用频率及波形调制输出及一次谐波检测电路、放大采样电路和探测器的可检测频率上限前提下的最大正整数，正弦波调制输出及一次谐波检测电路输出调制频率初值f_m0的数字正弦波；

第二步：数字正弦波经D/A及滤波放大电路后，在调制器上施加正弦波调制；

第三步：探测器接收经正弦波调制后的干涉输出，经放大采样电路后，信号输出至正弦波调制输出及一次谐波检测电路，由正弦波调制输出及一次谐波检测电路检测出信号中的一次谐波幅度；

第四步：在大于(2k-1)f_e0而小于(2k+1)f_e0的范围内改变调制频率，重复上述的第二步、第三步，测得10至20个不同调制频率下的干涉输出中的一次谐波幅度；

第五步：在本征频率的2k倍两侧将调制频率与一次谐波幅度做线性拟合，两直线与横轴交点的中点认为是拟合曲线中一次谐波幅度最小的调制频率f_m，频率f_m为本征频率f_e的2k倍，即f_e=f_m/2k，从而得到光纤环的本征频率f_e。

本发明的技术效果在于：

(1)使用正弦波而不是方波施加调制，克服了方波调制带来的多种缺陷，即不存在方波调制中上升沿与下降沿所导致的无效调制区问题，且无需方波调制中的精确测量占空比或脉冲宽度的设备，即在保证测量精度的前提下并没有增加测量成本。并且检测的是输出信号一次谐波的幅度，可采用相关检测技术获得高的信噪比。

(2)由于使用正弦波施加调制，调制器除可使用Y波导外，还可使用PZT施加调制，从而降低成本。

(3)工作时调制频率在本征频率的偶数倍附近（即f_m=2kf_e），测量误差与k成反比，即测量时可根据调制器可用频率及检测设备的可检测频率上限选择最大的k，以获得最小的测量误差，从而提高测量精度。

(4)测量误差与正弦波调制信号幅度成反比，即测量时可使用调制器能承受的最大调制幅度，以获得更小的测量误差，从而提高测量精度。而对于方波调制，调制信号产生的光相位变化超过π后再增大调制信号幅度无实际意义，而且幅度越大方波上升沿与下降沿产生的无效调制的影响越大。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的测量方法所使用系统的结构示意图；

图2为使用Y波导的调制结构示意图；

图3为使用压电换能器相位调制器的调制结构示意图；

图4为调制频率与一次谐波幅度关系曲线。

其中1为光源，2为探测器，3为耦合器，4为调制器，41为Y波导，42为偏振器，43为调制耦合器，44为压电换能器相位调制器，5为光纤环，6为放大采样电路，7为正弦波调制输出及一次谐波检测电路，8为D/A及滤波放大电路。

具体实施方式

参见图1、图2、图3，本发明装置包括光源、耦合器、调制器、光纤环、D/A及滤波放大电路、波形调制输出及一次谐波检测电路、放大采样电路和探测器，光源连接耦合器，耦合器分别连接至探测器和调制器，光纤环连接调制器，探测器串联放大采样电路后连接至波形调制输出及一次谐波检测电路，波形调制输出及一次谐波检测电路串联D/A及滤波放大电路后连接至调制器，波形调制输出及一次谐波检测电路为正弦波调制输出及一次谐波检测电路，调制器为Y波导或为PZT、调制耦合器和偏振器，PZT设置于光纤环的一个输出端上，调制耦合器分别连接偏振器、压电换能器相位调制器和光纤环的另一个输出端，偏振器设置于耦合器与调制耦合器之间。调制器如采用Y波导，则可采用较高的调制频率（即可选用较大的k），从而获得较高的测量精度，而调制器采用PZT则可降低系统成本，应用中可根据实际情况选择Y波导或PZT。

本发明测量方法的测量步骤为：

(1)测量系统放置于转台或摇摆台上，转台或摇摆台以一定角速度转动或摇摆，使光纤环的Sagnac相位差值与π/2之间差值小于0.2。由光纤环本征频率的估计值f_e0及由调制器可用频率及检测设备的可检测频率上限选取出的k确定调制频率初值f_m0=2kf_e0，正弦波调制输出及一次谐波检测电路7输出该频率的数字正弦波。

(2)数字正弦波经D/A及滤波放大电路8后，在调制器4上施加正弦波调制，正弦波的幅度可使用调制器能承受的最大调制幅度，以此降低测量误差。

(3)探测器2接收干涉输出，经放大采样电路6后，信号输出至正弦波调制输出及一次谐波检测电路7，由正弦波调制输出及一次谐波检测电路7检测出信号中的一次谐波幅度，一次谐波幅度的检测采用相关检测技术以提高信噪比。

(4)在一定范围内改变调制频率，重复上述的(2)～(3)步骤，测得一系列调制频率下的干涉输出中的一次谐波幅度。

(5)在本征频率的2k倍两侧将调制频率与一次谐波幅度做线性拟合，即拟合曲线V₁=af+b，其中V₁为一次谐波幅度，f为调制频率，a、b为拟合参数，两直线与横轴交点的中点认为是拟合曲线中一次谐波幅度最小的调制频率，该频率f_m为本征频率的2k倍，即f_e=f_m/2k，从而测得光纤环的本征频率。

本发明的原理为：

设调制器上所加的正弦波信号产生的光相位变化为：

式中为光相位变化，ω_m=2πf_m为调制角频率，f_m为调制频率，

为调制幅度，t为时间，由于光纤环中相反方向传播的两束光通过调制器的时间不同，其时间差恰好为光波在光纤环中的传播时间τ，则可得调制产生的正反传播光的相位差为：

式中f_e为本征频率，令

称为正弦波调制时的有效调制深度，干涉输出信号为：

上式中

为Sagnac相位差。上式可展开为：

其中J_n为第一类n阶贝塞尔函数。则可得输出信号的一次谐波分量为：

由上式可得一次谐波的幅度为由于系统放置于转动的转台上，

与π/2之间差值小于0.2，不妨设

当调制深度接近0时，

即此时一次谐波的幅度为

当调制频率在本征频率的偶数倍附近时，令f_m=2kf_e(1+ε_fe)，2k为倍频数，ε_fe为本征频率测量的相对误差，则

可得：

即一次谐波幅度是f_m/2k的V形折线函数，如图4所示。

设系统可检测到的一次谐波最小幅度为ΔV，即测量时2V₀|J₁(φ₀)|≥ΔV，令ε_V=ΔV/2V₀，称其为谐波相对探测下限，由此得测量误差：

可见测量误差与调制信号幅度成反比，测量时可使用调制器能承受的最大调制幅度，以获得更小的测量误差。测量误差与k成反比，即测量时可根据检测设备的可检测频率上限选择最大的k，以获得最小的测量误差。由式(6)知一次谐波幅度随调制频率的变化是V形折线函数，V形折线的顶点对应本征频率的偶数倍，因此可通过测量不同调制频率下的一次谐波幅度，然后通过在V形折线顶点两侧分别拟合直线来获得V形折线顶点的方式获得本征频率，这样可以使误差进一步降低。

因此本发明可以较低成本及较高精度测得光纤环本征频率。

Claims (4)

1.一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量装置，包括光源、耦合器、调制器、光纤环、D/A及滤波放大电路、波形调制输出及一次谐波检测电路、放大采样电路和探测器，所述的光源连接耦合器，所述的耦合器分别连接至探测器和调制器，光纤环连接调制器，探测器串联放大采样电路后连接至波形调制输出及一次谐波检测电路，波形调制输出及一次谐波检测电路串联D/A及滤波放大电路后连接至调制器，其特征在于，所述的波形调制输出及一次谐波检测电路为正弦波调制输出及一次谐波检测电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的调制器为Y波导，D/A及滤波放大电路输出的正弦信号直接施加于Y波导上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的调制器包括压电换能器相位调制器、调制耦合器和偏振器，所述的压电换能器相位调制器设置于光纤环的一个输出端上，所述的调制耦合器分别连接偏振器、压电换能器相位调制器和光纤环的另一个输出端，D/A及滤波放大电路输出的正弦信号施加于压电换能器相位调制器上，所述的偏振器设置于耦合器与调制耦合器之间。

4.一种基于正弦波调制及一次谐波检测的光纤环本征频率测量方法，采用基于权利要求1所述的装置，步骤包括：

第一步：将光纤环转动或摇摆，使光纤环的Sagnac相位差值与π/2之间差值小于0.2，由光纤环的长度L₀计算出光在光纤环中传播时间的估计值τ₀，

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{{\mathrm{nL}}_0}{c},$

其中n为光纤的折射率，c为真空中的光速，进而得到光纤环本征频率的估计值f_e0，

$f_{e0}=\frac{1}{2{\mathrm{\τ}}_0},$

则调制频率初值f_m0=2kf_e0，其中k取使调制频率不超过调制器可用频率及波形调制输出及一次谐波检测电路、放大采样电路和探测器的可检测频率上限前提下的最大正整数，正弦波调制输出及一次谐波检测电路输出调制频率初值f_m0的数字正弦波；

第二步：数字正弦波经D/A及滤波放大电路后，在调制器上施加正弦波调制；

第三步：探测器接收经正弦波调制后的干涉输出，经放大采样电路后，信号输出至正弦波调制输出及一次谐波检测电路，由正弦波调制输出及一次谐波检测电路检测出信号中的一次谐波幅度；

第四步：在大于(2k-1)f_e0而小于(2k+1)f_e0的范围内改变调制频率，重复上述的第二步、第三步，测得10至20个不同调制频率下的干涉输出中的一次谐波幅度；

第五步：在本征频率的2k倍两侧将调制频率与一次谐波幅度做线性拟合，两直线与横轴交点的中点认为是拟合曲线中一次谐波幅度最小的调制频率f_m，频率f_m为本征频率f_e的2k倍，即f_e=f_m/2k，从而得到光纤环的本征频率f_e。

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