CN106370202A

CN106370202A - 一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法及装置

Info

Publication number: CN106370202A
Application number: CN201610885760.4A
Authority: CN
Inventors: 徐宏杰; 刘优果; 郑月
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-02-01

Abstract

本发明公开了一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法及装置。陀螺用探测器综合性能测试装置包括光路模块、电路模块和上位机显示模块。通过陀螺用探测器综合性能测试装置可以实现1)对于探测器的光谱响应曲线测试；2)对于探测器的噪声测试。本发明获取的陀螺用探测器噪声的测试以及探测器的光谱响应曲线，不仅能对高精度陀螺用探测器进行筛选，而且能指导分析探测器对高精度陀螺精度的影响。

Description

一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法及装置

技术领域

本发明属于光电器件的性能测试技术领域，具体指的是一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的快速测试陀螺用探测器综合性能的在线测试方法及装置。

背景技术

光纤陀螺是一种全固态纯光学惯性器件，基本原理是萨格纳克(Sagnac)效应和光学互易性。光纤陀螺的光路部分主要由光学器件、保偏光纤环和探测器组成。其中，光学器件包括宽带光源、光纤耦合器、探测器和Y波导调制器；探测器作为陀螺中连接光路与电路部分的关键器件，其相关性能的优劣在高精度/超高精度光纤陀螺的研究中将会变得尤为重要。

通常，在光纤陀螺的发展进程中，将光纤陀螺的光路噪声视为影响陀螺性能的主要噪声，因此将提高陀螺精度的主要精力放在了光路模型降噪方面上，而对电子学系统噪声的研究相对薄弱，但是在高精度/超高精度光纤陀螺的研制中，想要进一步的提高陀螺的精度，改善陀螺性能，则不仅要针对光路部分噪声进行研究，也要将电路噪声的研究列入重点研究范围内。因此针对探测器相关性能参数的研究在高精度/超高精度光纤陀螺的研究中将会变得尤为重要，也将成为改善光纤陀螺性能，提高精度的关键性问题。

由于高精度光纤陀螺采用的是宽带光源，平均波长的变化会对光纤陀螺标度因数产生影响，且对标度因数的影响比较显著，光纤陀螺中通用的半导体二极管光源，波长随温度的典型漂移为400ppm/℃，随驱动电流的典型漂移为40ppm/mA，如果对光源进行温控和采用稳定的驱动电路可以实现100ppm左右的中等精度；但对于高精度陀螺而言，要实现几个ppm的精度或一个ppm的精度，有必要采用波长稳定性更好的宽带掺铒光纤光源或采取一些波长控制措施，所以探测器进行光谱响应度的测试就是为了绘制出其光谱响应图，进而分析光源平均波长对陀螺标度因素的影响。

光纤陀螺用探测器的噪声是电路噪声源头，直接影响着陀螺的精度；而且探测器在一定的光谱区域内具有较强的光谱选择性，从而影响着平均波长，进而对陀螺标度因素产生影响。目前，现有的陀螺用探测器基本都来源于通信领域，其相关指标和性能大部分很难适用于陀螺领域，所以有必要研制一套适合陀螺用的探测器测试系统。

发明内容

本发明针对高精度陀螺用探测器，提出一种能够对探测器综合性能在线测试的方法及其在线测试装置。通过插入探测器即可读出其相应的噪声、光谱响应曲线等参数指标，可以通过测量探测器噪声分析计算其噪声对陀螺精度的影响，同时通过测量得到探测器光谱响应曲线并分析其对陀螺标度因素的影响，为分析探测器相关性能对于光纤陀螺性能影响提供基础。

本发明提供的陀螺用探测器综合性能在线测试装置，包括光路模块、电路模块和上位机显示模块。

光路模块主要由SLD光源、单色仪、分束镜和探测器组成。所述的分束镜为透射和反射比为50/50的中性分束镜；所述的探测器包括参考探测器、标准探测器和待测探测器。所述的参考探测器是来消除对标准探测器和待测探测器两次测试时辐照不稳定的影响。SLD光源把光信号送到单色仪，再经分束镜后，透射光路接待测探测器或标准探测器，反射光路接参考探测器。单色仪每扫描一次进行一次测量。

电路模块主要由信号调理电路、高速A/D转换电路以及数字处理芯片组成。所述的信号调理电路包括放大电路和滤波电路，放大电路实现对信号的放大，滤波电路主要实现其他信号的滤除，提高信号的信噪比，防止高速A/D转换电路采样时的频率混叠。所述的高速A/D转换电路是把模拟信号转换为数字信号。所述的数字处理芯片采用xilinx公司Spartan-6系列的FPGA，通信接口采用RS232接口，调试模块采用JTAG接口，电源模块采用直流电源供电。电路模块主要实现的功能是将探测器输出的电信号经信号调理电路处理，通过高速A/D转换电路转换后，接入数字处理芯片进行数字信号处理，并实现与上位机的传输。

上位机显示模块主要实现数据处理结果的显示。采用Labview开发上位机界面，上位机界面主要包括探测器光谱响应曲线显示和探测器噪声显示。

陀螺用探测器综合性能在线测试主要包括探测器的光谱响应曲线和噪声两部分的测试，具体方法如下：

1.对于探测器的光谱响应曲线测试：

需要用到陀螺用探测器综合性能在线测试装置的光路模块、电路模块和上位机显示模块。SLD光源把光信号送到单色仪，单色仪每扫描一次进行一次测试；再经分束镜后，透射光路接待测探测器或标准探测器，反射光路接参考探测器；光信号通过探测器，经信号调理电路、高速A/D转换电路，在数字处理芯片处实时采集模数转换之后的数字信号，并在数字处理芯片中由FPGA将数字信号进行处理，通过RS232接口发送给上位机，最后在上位机界面显示所测参数指标信息的大小及波形。

2.对于探测器的噪声测试：

需要用到陀螺用探测器综合性能在线测试装置的电路模块和上位机显示模块。探测器的噪声经信号调理电路、高速A/D转换电路，在数字处理芯片处实时采集模数转换之后的数字信号，并在数字处理芯片中由FPGA将信号处理，通过RS232接口发送给上位机，最后在上位机界面显示所测参数指标信息的大小及波形。

本发明的优点在于：

(1)通过设计陀螺用探测器在线测试装置，可以直接快速得到探测器相应参数指标，解决测试繁琐，测试速度低的问题，提供一种客观的实时在线的方法，相对于现有的示波器、锁相放大以及频谱分析仪测试等方法，效率更高。

(2)可以获取陀螺用探测器噪声的大小以及探测器的光谱响应曲线，不仅能对高精度陀螺用探测器进行筛选，而且能指导分析探测器对高精度陀螺精度的影响。

(3)对于探测器对光纤陀螺精度的影响有技术性指导。

附图说明

图1是本发明的陀螺用探测器在线测试装置原理图；

图2是本发明的陀螺用探测器在线测试装置中光路模块原理图；

图3是本发明的陀螺用探测器在线测试装置中电路模块原理图；

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。

如图1所示，本发明提供的陀螺用探测器综合性能在线测试装置，包括光路模块、电路模块和上位机显示模块。

光路模块如图2所示主要由SLD光源、单色仪、分束镜、探测器(包括参考探测器、标准探测器和待测探测器)组成。SLD光源把光信号送到单色仪，再经分束镜后，透射光路接待测探测器或标准探测器，反射光路接参考探测器，单色仪每扫描一次进行一次测量。

电路模块如图3所示主要由信号调理电路、高速A/D转换电路以及数字处理芯片组成。信号调理电路包括放大电路和滤波电路，放大电路实现对信号的放大，滤波电路主要实现其他信号的滤除，提高信号的信噪比，防止高速A/D转换电路采样时的频率混叠。高速A/D转换电路是把模拟信号转换为数字信号。数字处理芯片采用xilinx公司Spartan-6系列的FPGA，通信接口采用RS232接口与上位机连接，调试模块采用JTAG接口，电源模块采用直流电源供电。

上位机显示模块采用上位机实现数据处理结果的显示。所述的数据处理结果包括待测探测器光谱响应曲线和待测探测器噪声曲线。

基于所述的在线测试装置，本发明提供的陀螺用探测器综合性能在线测试方法如下：

1.对于待测探测器的光谱响应曲线测试：

需要用到陀螺用探测器综合性能在线测试装置的光路模块、电路模块和上位机显示模块。

(1)先将分束镜透射光路接标准探测器，反射光路接参考探测器；SLD光源把光信号送到单色仪，单色仪扫描一次，进行一次测量记录波长；光信号通过两路探测器进入电路模块，信号调理电路输出的模拟信号经过高速A/D转换电路转换为数字信号后，经信号采集后送入FPGA芯片写入FIFO(先入先出缓存)中，并分析计算得标准探测器的响应电流I_标(λ)与波长λ的关系，参考探测器的响应电流I_参1(λ)与波长λ的关系如下：

I_标(λ)＝S_标(λ)E₁(λ)T(λ)A_标，

I_参1(λ)＝S_参(λ)E₁(λ)R(λ)A_参，

其中，I_标(λ)为标准探测器的响应电流，I_参1(λ)为参考探测器的响应电流，S_标(λ)、S_参(λ)分别为标准探测器和参考探测器的光谱响应度，T(λ)、R(λ)分别为分束镜的透射率和反射率，E₁(λ)是入射到分束镜上的辐照度，A_标、A_参分别是标准探测器和参考探测器的光敏面积。

(2)使用待测探测器替代标准探测器，SLD光源把光信号送到单色仪，单色仪扫描一次，进行一次测量记录波长；光信号通过两路探测器进入电路模块，信号调理电路输出的模拟信号经过高速A/D转换电路转换为数字信号后，经信号采集后送入FPGA芯片写入FIFO(先入先出缓存)中，并分析计算得到待测探测器的响应电流I_待(λ)与波长λ的关系，参考探测器的响应电流I_参2(λ)与波长λ的关系如下：

I_待(λ)＝S_待(λ)E₂(λ)T(λ)A_待，

I_参2(λ)＝S_参(λ)E₂(λ)R(λ)A_参，

其中，I_待(λ)是待测探测器的响应电流，I_参2(λ)是参考探测器的响应电流，S_待(λ)是待测探测器的光谱响应度，E₂(λ)是入射到分束镜上的辐照度，A_待是待测探测器的光敏面积；

(3)将得到的两组响应电流与波长的关系，进行代数运算得到：

从式中可以看出，只要知道待测探测器的光敏面积A_待，根据两次测试时标准探测器与参考探测器、待测探测器与参考探测器的响应电流，便可以得到待测探测器的光谱响应曲线。通过RS232接口传输给上位机显示模块，得到待测探测器的光谱响应曲线显示。

2.对于待测探测器的噪声测试：

需要用到陀螺用探测器综合性能在线测试装置的电路模块和上位机显示模块。

将待测探测器的噪声(即待测探测器的响应信号)先经信号调理电路中的放大电路和滤波电路进行处理，经过高速A/D转换电路转换为数字信号后，再经信号采集后送入FPGA芯片写入FIFO(先入先出缓存)中，进行傅里叶变换并分析计算得到总噪声；

断开待测探测器，把电路模块的输入端短接(就是信号调理电路中的放大电路的输入短接)测得电路噪声；

总噪声减去电路噪声就得到待测探测器的噪声，通过RS232接口将待测探测器的噪声传输给上位机显示模块，进行待测探测器的噪声曲线的显示。

Claims

1.一种陀螺用探测器综合性能在线测试装置，其特征在于：包括光路模块、电路模块和上位机显示模块；

光路模块由SLD光源、单色仪、分束镜和探测器组成；所述的探测器包括参考探测器、标准探测器和待测探测器；SLD光源把光信号送到单色仪，再经分束镜后，透射光路接待测探测器或标准探测器，反射光路接参考探测器；

电路模块由信号调理电路、高速A/D转换电路以及数字处理芯片组成；所述的信号调理电路包括放大电路和滤波电路；探测器的输出信号依次经过信号调理电路和高速A/D转换电路，所述的高速A/D转换电路是把模拟信号转换为数字信号，并输出给数字处理芯片；所述的数字处理芯片对数字信号进行采集和处理后，将数据处理结果输出给上位机显示模块；所述的数字处理芯片与上位机显示模块之间的通信接口采用RS232接口；

上位机显示模块实现数据处理结果的显示，所述的数据处理结果包括探测器光谱响应曲线和探测器噪声曲线。

2.根据权利要求1所述的一种陀螺用探测器综合性能在线测试装置，其特征在于：所述的分束镜为中性分束镜，透射和反射比为50/50。

3.一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法，其特征在于：对探测器的光谱响应曲线进行测试，具体的方法为：

SLD光源把光信号送到单色仪，单色仪每扫描一次进行一次测量；再经分束镜后，透射光路接待测探测器或标准探测器，反射光路接参考探测器；所述的参考探测器、待测探测器或标准探测器的输出依次经信号调理电路、高速A/D转换电路和数字处理芯片，在数字处理芯片处实时采集模数转换之后的数字信号，并对数字信号进行处理得到光谱响应曲线，通过RS232接口发送给上位机，最后在上位机显示所得光谱响应曲线。

4.根据权利要求3所述的一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法，其特征在于：所述的对数字信号进行处理具体为：

(1)先将分束镜透射光路接标准探测器，反射光路接参考探测器，得到标准探测器与参考探测器的响应电流与波长λ的关系：

I_标(λ)＝S_标(λ)E₁(λ)T(λ)A_标，

I_参1(λ)＝S_参(λ)E₁(λ)R(λ)A_参，

其中I_标(λ)为标准探测器的响应电流，I_参1(λ)为参考探测器的响应电流，S_标(λ)、S_参(λ)分别为标准探测器和参考探测器的光谱响应度，T(λ)、R(λ)分别为分束镜的透射率和反射率，E₁(λ)是入射到分束镜上的辐照度，A_标、A_参分别是标准探测器和参考探测器的光敏面积；

(2)使用待测探测器替代标准探测器，得到待测探测器与参考探测器的响应电流与波长λ的关系：

I_待(λ)＝S_待(λ)E₂(λ)T(λ)A_待，

I_参2(λ)＝S_参(λ)E₂(λ)R(λ)A_参，

(3)将得到的两组响应电流与波长的关系，进行代数运算得到待测探测器的光谱响应度和与波长λ的关系为：

5.一种陀螺用探测器综合性能在线测试方法，其特征在于：对待测探测器的噪声进行测试的方法为：

将待测探测器的响应信号先经信号调理电路中的放大电路和滤波电路，再经过高速A/D转换电路转换为数字信号后，在数字处理芯片对数字信号进行计算得到总噪声；

断开待测探测器，把放大电路部分输入短接测得电路噪声；

总噪声减去电路噪声得到待测探测器噪声；

数字处理芯片通过RS232接口将待测探测器噪声传输给上位机显示模块，最后在上位机显示所得待测探测器噪声的噪声曲线。