CN105466457B - 一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置及方法，属于光纤陀螺技术领域。所述装置在所述集成光学波导的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤A和普通光纤尾纤B分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A和光子带隙光纤B，在熔点A、熔点B分别产生菲涅尔背向反射波W_A和W_B，在普通光纤尾纤A和光子带隙光纤B中散射点B₁和A₁会产生背向散射波W_A1和W_B1；在状态一通过锁相放大器相干解调得到W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS‑B，在状态二得到W_B、W_B1、W_A、W_A1的背向次波强度之和；在次波误差最大时，计算得到陀螺的偏置误差。本发明采用相干检测的方法，测量精度高；实验装置简单，易于实现。

Description

一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型光纤，通过在二氧化硅和空气孔周期性排列构成对光波产生限制的二维光子晶体材料，然后在周期性材料中引入缺陷，使光波在缺陷中传播，这是一种基于低折射率材料(空气)在高折射率背景材料(二氧化硅)中的二维周期性排列而形成的微结构光纤。这种原理与结构上的独特性使得光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感，具备无限单模传输能力等。因此，光子带隙光纤是解决光纤陀螺环境适应性问题的理想选择，是光纤陀螺的发展趋势。

在光子带隙光纤陀螺中，集成光波导的尾纤纤芯为掺杂的二氧化硅，而光子带隙光纤的纤芯为空气，在二者的熔点上会有较强的菲涅尔反射，形成两个强度较大的背向反射次波。由于陀螺采用的是宽谱光源，背向散射次波之间无法干涉，不会影响陀螺输出；而在光子带隙光纤中，纤芯内壁的起伏会引入较大的背向散射，熔点的反射光会和带隙光纤中的散射光形成干涉，引入额外的误差信号，并严重影响光子带隙陀螺的性能表现。这种由熔点背向反射和光纤背向散射引起的背向次波干涉误差与陀螺信号难以分别，误差大小难以测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置及方法。

一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，包括光源、探测器、耦合器、集成光学波导、锁相放大器、信号发生器、普通光纤尾纤A、普通光纤尾纤B、光子带隙光纤A和光子带隙光纤B；所述耦合器的两个输入端分别与光源和探测器的尾纤进行熔接，两个输出端中，一个输出端与集成光学波导的尾纤进行熔接，另一个输出端作防止端面反射处理，所述集成光学波导4的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤A和普通光纤尾纤B分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A和光子带隙光纤B，其中，普通光纤尾纤A比普通光纤尾纤B长20mm以上，该两段光纤的长度差大于光源的去相干长度，所述的探测器输出电信号连接锁相放大器，锁相放大器的输出端和集成光学波导之间连接信号发生器。

一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，光源输出的光经过耦合器和集成光学波导后在熔点A、熔点B分别产生菲涅尔背向反射波W_A和W_B，在普通光纤尾纤A和光子带隙光纤B中由于散射点B₁和A₁的散射同样会产生背向散射波W_A1和W_B1；当散射点A₁和熔点A的光程小于光源的去相干长度时，背向反射波W_A会和背向散射波W_A1发生干涉，同样的，散射点B₁和熔点B的光程差小于光源的去相干长度时，背向反射波W_B会和背向散射波W_B1发生干涉；这两组光的干涉光强如下式所示：

其中，I_in为经过集成光学波导后进入普通光纤尾纤A或B时的光强；α_in为背向传输的光到达探测器时的损耗；α_splicing为普通光纤和带隙光纤的熔接损耗；R_A、R_B分别为熔点A、熔点B的反射系数；R_A1、R_B1分别为散射点A₁、散射点B₁的散射系数；是两列次波之间在干涉时由于环境扰动引入的随机相位；由公式(1)，背向次波分为两组，即：

I_BSC＝I_BSC-A+I_BCS-B (2)

其中，W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A，W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B，分别表示为：

其中，Ф_m为调制相位，调制相位Ф_m分解为两部分，即阶梯波调制中的方波引起的相位调制(Ф_{m_SQ})以及锯齿波引起的相位调制(Ф_{m_SA})；

测试时先熔接光子带隙光纤B和普通光纤尾纤B，光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A分离，记为状态一；此时通过锁相放大器相干解调得到W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B；其中，当Ф_{m_SA}变化2π时，锁相放大器输出信号的极差为I_BCS-B中cos函数系数的两倍，因此得到

其中，I_out-max1为状态一下锁相放大器输出信号的最大值，I_out-min1为状态一下锁相放大器输出信号的最小值；

此时，再将光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A熔接，记为状态二；通过同样的方法得到W_B和W_B1以及W_A和W_A1的背向次波强度之和；推算出W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A的系数，因此得到系数即，

其中I_out-max2为状态二下锁相放大器输出信号的最大值，I_out-min2为状态二下锁相放大器输出信号的最小值；

在次波误差最大时，陀螺的偏置误差表示为：

其中，L为光子带隙光纤陀螺光纤环长度，D为光纤环直径，λ为光源波长，c为光速，α_coil为光纤环损耗；因此，将式(5)和式(6)分别代入式(7)，计算出两对背向次波对陀螺产生误差的大小。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出了测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，采用相干检测的方法，测量精度高；

(2)实验装置简单，易于实现。

附图说明

图1是测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的测量装置和测量方法原理框图；

图2是本发明中信号发生器加锯齿波调制示意图。

图中：

1-光源； 2-探测器； 3-耦合器；

4-集成光学波导； 5-锁相放大器； 6-信号发生器；

7-普通光纤尾纤A； 8-普通光纤尾纤B； 9-光子带隙光纤A；

10-光子带隙光纤B。

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。

本发明首先提供一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，如图1所示，所述测量装置包括光源1、探测器2、耦合器3、集成光学波导4、锁相放大器5、信号发生器6、普通光纤尾纤A 7、普通光纤尾纤B 8、光子带隙光纤A 9和光子带隙光纤B 10；所述耦合器3的两个输入端分别与光源1和探测器2的尾纤进行熔接，两个输出端中，一个输出端与集成光学波导4的尾纤进行熔接，另一个输出端作防止端面反射处理，如掐断端面并涂抹光纤匹配液等。所述集成光学波导4的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤A7和普通光纤尾纤B8分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A9和光子带隙光纤B10，其中，普通光纤尾纤A7比普通光纤尾纤B8长20mm以上，该两段光纤的长度差大于光源1的去相干长度，所述的探测器2输出电信号连接锁相放大器5，锁相放大器5的输出端和集成光学波导4之间连接信号发生器6。

光源1输出的光经过耦合器3进入集成光学波导4，在集成光学波导4中分束以后根据信号发生器6上产生的阶梯波调制信号进行调制，阶梯波调制信号波形如图2所示，其中调制方波幅值为2.5V(波导的2π电压)，频率为500kHz，阶梯波由0V变化到10V。一束光在普通光纤尾纤A 7中散射点B₁产生背向散射波W_B1，在光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A7的熔点A处产生背向反射波W_A；另一束光在光子带隙光纤B 10和普通光纤尾纤B 8的熔点B处产生背向反射波W_B，在光子带隙光纤B 10中散射点A₁产生背向散射波W_A1。其中，背向反射波W_A、背向反射波W_B，背向散射波W_A1、背向散射波W_B1再次经过集成光学波导4时再经历一次调制，并干涉形成背向次波。测试时先熔接光子带隙光纤B 10和普通光纤尾纤B 8，光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A 7分离，此时通过锁相放大器5相干解调可以得到W_B和W_B1的背向次波强度。此时，再将光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A 7熔接，可以得到W_B和W_B1以及W_A和W_A1的背向次波强度之和。

在本发明中，光源1选用1550nm的ASE宽谱光源；探测器2为武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器；耦合器3为华拓公司生产的2*2耦合器；集成光学波导4为世维通公司生产的1550-L型Y波导；锁相放大器5选用Stanford大学制造的SR830锁相放大器；信号发生器6选用泰克公司的AFG3102。

基于所述的测量装置，本发明还提供一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，如下所述：

光源1输出的光经过耦合器3和集成光学波导4后在熔点A、熔点B分别产生较大的菲涅尔背向反射波W_A和W_B，在普通光纤A 7和光子带隙光纤B 10中由于散射点B₁和A₁的散射同样会产生背向散射波W_A1和W_B1。当散射点A₁和熔点A的光程相近时，背向反射波W_A会和背向散射波W_A1发生干涉，同样的，散射点B₁和熔点B的光程差小于光源1的去相干长度时，背向反射波W_B会和背向散射波W_B1发生干涉。这两组光(W_A和W_A1，W_B和W_B1)的干涉光强如下式所示：

其中，I_in为经过集成光学波导4后进入普通光纤尾纤时的光强，由于集成光学波导4的分光比为50:50，所以进入普通光纤尾纤A 7和普通光纤尾纤B 8的光强相同，故都用I_in表示；α_in为背向传输的光到达探测器2时的损耗，典型值为8dB；α_splicing为普通光纤和带隙光纤的熔接损耗，典型值为1.5dB；R_A、R_B分别为熔点A、熔点B的反射系数；R_A1、R_B1分别为散射点A₁、散射点B₁的散射系数；是两列次波之间在干涉时由于环境扰动等引入的随机相位；由于信号发生器6给集成光学波导4施加阶梯波调制，两列背向散射波和两列背向反射波显然经历了调制，其受到的调制相位Ф_m可以分解为两部分，即阶梯波调制中的方波引起的相位调制(Ф_{m_SQ})以及锯齿波引起的相位调制(Ф_{m_SA})。由公式(1)可知，背向次波可以分为两组，即：

I_BSC＝I_BSC-A+I_BCS-B (2)

其中，W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A，W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B，分别可以表示为：

基于相干探测理论，Ф_{m_SQ}和信号发生器6上的调制频率同频，因此次波可以被解调出来，但只有Ф_{m_SQ}存在时误差信号与陀螺信号无法分离；同时由于Ф_{m_SA}的存在，次波的干涉强度会随着调制电压的变化而周期性改变。

测试时先熔接光子带隙光纤B 10和普通光纤尾纤B 8，光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A 7分离，记为状态一。此时通过锁相放大器5相干解调可以得到W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B。其中，当Ф_{m_SA}变化2π时，锁相放大器5输出信号的极差为I_BCS-B中cos函数系数的两倍，因此可以得到

其中，I_out-max1为状态一下锁相放大器5输出信号的最大值，I_out-min1为状态一下锁相放大器5输出信号的最小值。

此时，再将光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A 7熔接，记为状态二。可以通过同样的方法得到W_B和W_B1以及W_A和W_A1的背向次波强度之和。可以推算出W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A的系数，因此可以得到系数即

其中I_out-max2为状态二下锁相放大器5输出信号的最大值，I_out-min2为状态二下锁相放大器5输出信号的最小值。

在次波误差最大时，陀螺的偏置误差可以表示为：

其中，L为光子带隙光纤陀螺光纤环长度，D为光纤环直径，λ为光源波长，c为光速，α_coil为光纤环损耗。因此，可以将式(5)和式(6)分别代入式(7)，计算出两对背向次波对陀螺产生误差的大小。

Claims (1)

1.一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，其特征在于：基于一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，光源输出的光经过耦合器和集成光学波导后在熔点A、熔点B分别产生菲涅尔背向反射波W_A和W_B，在普通光纤尾纤A和光子带隙光纤B中由于散射点B₁和A₁的散射同样会产生背向散射波W_A1和W_B1；当散射点A₁和熔点A的光程小于光源的去相干长度时，背向反射波W_A会和背向散射波W_A1发生干涉，同样的，散射点B₁和熔点B的光程差小于光源的去相干长度时，背向反射波W_B会和背向散射波W_B1发生干涉；这两组光的干涉光强如下式所示：

其中，I_in为经过集成光学波导后进入普通光纤尾纤A或B时的光强；α_in为背向传输的光到达探测器时的损耗；α_splicing为普通光纤和带隙光纤的熔接损耗；R_A、R_B分别为熔点A、熔点B的反射系数；R_A1、R_B1分别为散射点A₁、散射点B₁的散射系数；是两列次波之间在干涉时由于环境扰动引入的随机相位；由公式(1)，背向次波分为两组，即：

I_BSC＝I_BSC-A+I_BCS-B (2)

其中，W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A，W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B，分别表示为：

其中，Ф_m为调制相位，调制相位Ф_m分解为两部分，即阶梯波调制中的方波引起的相位调制Ф_{m_SQ}以及锯齿波引起的相位调制Ф_{m_SA}；

测试时先熔接光子带隙光纤B和普通光纤尾纤B，光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A分离，记为状态一；此时通过锁相放大器相干解调得到W_B和W_B1的背向次波强度I_BCS-B；其中，当Ф_{m_SA}变化2π时，锁相放大器输出信号的极差为I_BCS-B中cos函数系数的两倍，因此得到

$\sqrt{R_B{R}_{B1}}=\frac{I_{out-max1}-I_{out-min1}}{2}/\left(2I_{in}{\mathrm{\α}}_{in}\right)---\left(5\right)$

其中，I_out-max1为状态一下锁相放大器输出信号的最大值，I_out-min1为状态一下锁相放大器输出信号的最小值；

此时，再将光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A熔接，记为状态二；通过同样的方法得到W_B和W_B1以及W_A和W_A1的背向次波强度之和；推算出W_A和W_A1的背向次波强度I_BCS-A的系数，因此得到系数即，

$\sqrt{R_A{R}_{A1}}=\frac{(I_{out-max2}-I_{out-min2})-(I_{out-max1}-I_{out-min1})}{2}/\left(2I_{in}{\mathrm{\α}}_{in}{\mathrm{\α}}_{splicing}\right)---\left(6\right)$

其中I_out-max2为状态二下锁相放大器输出信号的最大值，I_out-min2为状态二下锁相放大器输出信号的最小值；

在次波误差最大时，陀螺的偏置误差表示为：

$BSCError=\frac{{\mathrm{\α}}_{splicing}\sqrt{R_A{R}_{A1}}+\sqrt{R_B{R}_{B1}}}{\frac{2\mathrm{\π}LD}{\mathrm{\λ}c}*{{\mathrm{\α}}_{splicing}}^2{\mathrm{\α}}_{coil}}---\left(7\right)$

其中，L为光子带隙光纤陀螺光纤环长度，D为光纤环直径，λ为光源波长，c为光速，α_coil为光纤环损耗；因此，将式(5)和式(6)分别代入式(7)，计算出两对背向次波对陀螺产生误差的大小；

所述的一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，包括光源、探测器、耦合器、集成光学波导、锁相放大器、信号发生器、普通光纤尾纤A、普通光纤尾纤B、光子带隙光纤A和光子带隙光纤B；所述耦合器的两个输入端分别与光源和探测器的尾纤进行熔接，两个输出端中，一个输出端与集成光学波导的尾纤进行熔接，另一个输出端作防止端面反射处理，所述集成光学波导的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤A和普通光纤尾纤B分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A和光子带隙光纤B，其中，普通光纤尾纤A比普通光纤尾纤B长20mm以上，该两段光纤的长度差大于光源的去相干长度，所述的探测器输出电信号连接锁相放大器，锁相放大器的输出端和集成光学波导之间连接信号发生器。