CN108151761A - 一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法。包括数据采集单元、转台、光纤环测试单元和转台控制系统，光纤环测试单元包括光源、耦合器、集成相位调制器、探测器、信号放大器和数字信号处理芯片；将待测光纤环和光纤环测试单元放在转台，通过转台控制系统控制转台以正弦角速率周期序列转动，采集不同时间下光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量和转台转动的角速率；设不同角速率点并采集光纤环产生的Sagnac效应数字输出量后取平均，线性拟合得到拟合线性曲线斜率，最后计算获得光纤环有效面积参数。本发明方法测试设备简单可靠，测试精度高，能够对光纤陀螺光纤环有效面积进行快速评估，有利于实现光纤环的批量生产和高精度检测。

Description

一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其是一种光纤环有效面积的快速测量装置及方法。

技术背景

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，具有无运动部件、质量轻、体积小、寿命长、动态范围大、精度应用覆盖面广、启动快、抗电磁干扰等优点。光纤陀螺已经成为21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一，在现代武器装备及许多工业领域呈现出了日益增长的应用需求。

光纤陀螺中的光纤环是用于敏感输入角速度的关键器件，其性能的高低直接影响到光纤陀螺的关键技术指标。光纤环的有效面积S是光纤环的一个重要参数，由光纤环的有效直径D和光纤有效长度L相乘得到。光纤环易受外界环境影响，尤其是在不同的环境温度下，光纤环的有效直径D、光纤有效长度L 等参数会发生改变，导致光纤环的有效面积S发生改变，影响系统性能。所以如何评估光纤环的特性，尤其是测量光纤环的有效面积S对光纤陀螺系统性能的提高至关重要。

为了测量光纤环的有效面积S，传统的测试方法主要是采用直接测量的方法，使用光时域反射计(OTDR)测得绕制前的光纤长度L，使用千分尺测得绕制后的光纤环直径D，通过二者参数的相乘得到光纤环的有效面积S＝L×D。由于光纤环绕制过程中的应力(缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等)产生非互易性相移，对传输于光纤环中的光波相位产生影响，使得光纤环的有效面积S 不是简单的等于未绕制前的光纤长度L乘以绕制后的光纤环直径D，使采用该方法求得的光纤环有效面积存在较大的误差。测量误差约为0.1％～0.2％。。

发明内容

针对目前光纤环有效面积测试中，传统的测试方法测试精度低，不能实时对光纤环特性参数进行评估的现状。本发明的目的在于提供一种光纤环有效面积的实时闭环测量方法，以实现光纤环有效面积的实时、高精度的测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置：

装置包括数据采集单元、转台、光纤环测试单元和转台控制系统；待测光纤环接入光纤环测试单元，待测光纤环和光纤环测试单元均固定在转台上，转台底部连接转台控制系统，转台控制系统和光纤环测试单元均连接到数据采集单元。

所述的光纤环测试单元包括光源、耦合器、集成相位调制器、探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和数模转换器，耦合器一侧的一个尾纤连接与探测器的输入端连接，耦合器一侧的另一个尾纤与光源的输出端连接，耦合器另一侧的一个尾纤和集成相位调制器的输入尾纤连接，耦合器另一侧的另一个尾纤为死头光纤，在系统中不用；集成相位调制器的两个输出尾纤分别与待测光纤环的两端相连接，探测器依次经信号放大器、模数转换器后连接到数字信号处理芯片，集成相位调制器经数模转换器连接到数字信号处理芯片。

二、一种光纤环有效面积的实时闭环测量方法：

1)将待测光纤环和光纤环测试单元固定放置在转台上，将待测光纤环接入光纤环测试单元，通过转台控制系统控制转台以正弦角速率周期序列Ω(t)＝A sin(2πft)转动，其中A为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t 为测试时间，待测光纤环和光纤环测试单元跟随转台以同步的角速率进行转动；

3)数据采集单元采集不同时间点t下光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量D(Ω)和转台转动的角速率Ω(t)；

4)在角速率Ω(t)的变化范围内设置n个不同的角速率点，在每个角速率点下，采集光纤环产生的Sagnac效应数字输出量并取平均，得到各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值

5)对各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值与其各自对应的角速率点Ω₁,Ω₂,…Ω_n进行线性最小二乘法拟合，得到拟合线性曲线的斜率K；

6)根据拟合线性曲线的斜率K计算获得光纤环有效面积参数S，实现对光纤环有效面积的实时闭环测量。

所述步骤6)具体为：采用以下公式计算获得光纤环有效面积参数S：

其中，λ是光源发出光的平均波长，c为真空中的光速大小，V_π为集成相位调制器的半波电压，K_F为闭环反馈通道的比例系数，K为拟合线性曲线的斜率。

所述光纤环有效面积的测量结果的相对误差由转台的速率精度决定。即在采用10ppm速率精度的转台提供正弦角速率周期序列Ω(t)＝A sin(2πft)时，光纤环有效面积参数测量的相对误差不超过10ppm，提高转台的角速率精度能进一步提高光纤环有效面积参数的测量精度。

本发明方法是基于Sagnac效应将绕制后的光纤环的有效面积S看成一个整体来进行测试，转台以正弦角速率周期序列Ω₁,Ω₂,…Ω_n转动，测量光纤环中两束传播方向相反的光产生的Sagnac效应的大小，而间接测量光纤环的有效面积。

光纤环中两束传播方向相反的光由旋转引起的Sagnac效应相位差φ_S为：

其中，S是光纤环有效面积，λ是光源的平均波长，c为真空中的光速大小，Ω是转台的角速率。

为了确保在整个动态范围内的线性度和精度，采用了闭环控制将干涉仪固有的正弦响应转换线性响应。旋转引起的Sagnac相移信号φ_S通过反馈控制回路作为误差信号，使集成电光相位调制器产生一个附加的反馈相位φ_FB等于旋转引起的Sagnac相移信号φ_S。

根据闭环反馈控制，有：

φ_S+φ_FB＝0 (2)

得到t时刻的反馈相位：

闭环反馈通道的比例系数为K_F，集成相位调制器的半波电压为V_π，对应的数字信号处理芯片的输出为D_π，D_π＝K_F×V_π。

相位调制器φ_FB(t)的反馈相位对应的数字输出为D(t)，则：

计算得到光纤环的有效面积S为：

其中，λ是光源的平均波长，c为真空中的光速大小，V_π为集成相位调制器的半波电压，K_F为反馈控制回路的比例系数，均为已知量。

本发明采集转台正弦角速率周期序列Ω₁,Ω₂,…Ω_n转动所对应的光纤环产生Sagnac效应的数字输出量D(t₁),D(t₂)…D(t_n)，通过线性最小二乘法拟合，得到一条线性曲线，D(t)/Ω(t)为拟合得到的线性曲线的斜率K。然后根据公式5，计算获得光纤环有效面积参数S。

本发明具有的有益效果是：

本发明的测量方法基于Sagnac效应，将绕制后的光纤环的有效面积S看成一个整体来进行测试，通过控制转台以固定角速率序列转动，通过测量光纤环产生的Sagnac效应的量来计算获得光纤环有效面积参数S。

本发明较传统测试方法具有更高的测试精度，简单可靠，且能实时监控并测量光纤环在不同环境下特性参数的变化，能够对光纤陀螺光纤环有效面积进行快速评估，有利于实现光纤环的批量生产和高精度检测。

附图说明

图1是本发明采用的测试系统的转台结构图。

图2是光纤环测试单元的结构示意图。

图3是从获得的转台转动角速率和光纤环测试单元输出数字量中取出拟合数据的示意图。其中A图为光纤环测试单元输出数字量，图B为转台转动角速率输出量。

图4是在不同外界角速率激励下光纤环产生Sagnac效应的输出数字量/LSB 结果图。

图中：1、数据采集单元，2、转台，3、光纤环测试单元，4、转台控制系统；5、光源，6、耦合器，7、集成电光相位调制器，8、待测光纤环，9、探测器，10、信号放大器，11、模数转换器，12、数字信号处理芯片，13、数模转换器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明

如图1所示，本发明具体实施包括数据采集单元1、转台2、光纤环测试单元3和转台控制系统4；待测光纤环8接入光纤环测试单元3，待测光纤环8和光纤环测试单元3均固定在转台2上，转台2底部连接转台控制系统4，由转台控制系统4带动转台2转动，转台控制系统4和光纤环测试单元3均连接到数据采集单元1。

如图2所示，光纤环测试单元3包括光源5、耦合器6、集成相位调制器7、探测器9、信号放大器10、模数转换器11、数字信号处理芯片12和数模转换器 13，耦合器6一侧的一个尾纤连接与探测器9的输入端连接，耦合器6一侧的另一个尾纤与光源5的输出端连接，耦合器6另一侧的一个尾纤和集成相位调制器7的输入尾纤连接，耦合器6另一侧的另一个尾纤为死头光纤，在系统中不用；集成相位调制器7的两个输出尾纤分别与待测光纤环8的两端相连接，探测器9依次经信号放大器10、模数转换器11后连接到数字信号处理芯片12，集成相位调制器7经数模转换器13连接到数字信号处理芯片12。

光源5发出光信号到耦合器6，耦合器6将光信号耦合分路后输入到集成相位调制器7，集成相位调制器7将光信号进行相位调制后输入到待测光纤环8的输入端，待测光纤环8输出端输出经反馈信号到集成相位调制器7，集成相位调制器7将反馈信号再分两路，一路经数模转换器13数模转换后输入到数字信号处理芯片12，另一路经探测器9、信号放大器10、模数转换器11后输入到数字信号处理芯片12。

本发明的实例如下：

1)将待测光纤环8和光纤环测试单元3固定放置在转台2上，所用转台2 的速率精度优于10ppm。将待测光纤环8接入光纤环测试单元3，通过转台控制系统4控制转台2以正弦角速率周期序列Ω(t)＝A sin(2πft)转动，其中A为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为测试时间，待测光纤环8和光纤环测试单元3跟随转台2以同步的角速率进行转动；

3)数据采集单元1采集不同时间点t下光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量D(Ω)和转台转动的角速率Ω(t)；

4)在角速率Ω(t)的变化范围内设置n个不同的角速率点，在每个角速率点下，采集光纤环产生的Sagnac效应数字输出量并取平均，得到各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值

第1～n个速率点对应采集到的光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量表示为D₁(Ω₁),D₂(Ω₁)…D_m(Ω₁)、D₁(Ω₂),D₂(Ω₂)…D_m(Ω₂)……D₁(Ω_n),D₂(Ω_n)…D_m(Ω_n)，进行平均得到各个速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值表示为D₁(Ω₁),D₂(Ω₁)…D_m(Ω₁)表示第1个速率点下以输入正弦角速率的半周期为单位间隔采集获得的光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量； D₁(Ω_n),D₂(Ω_n)…D_m(Ω_n)表示第n个速率点下以输入正弦角速率的半周期为单位间隔采集获得的光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量，分别表示第1个速率点、第2个速率点、…、第n个速率点的Sagnac效应数字输出量的平均值，n表示速率点的总数，m表示正弦角速率周期总数的两倍。

5)对各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值与其各自对应的角速率点Ω₁,Ω₂,…Ω_n进行线性最小二乘法拟合，得到拟合线性曲线的斜率K；

6)根据拟合线性曲线的斜率K计算获得光纤环有效面积参数S，实现对光纤环有效面积的实时闭环测量。

如图3所示，为通过数据采集单元1获得的转台2转动角速率和光纤环测试单元3输出数字量中取出拟合数据的示意图。

如图4所示，是对图3中取出的数据进行拟合得到斜率K的结果。测试中转台控制系统4控制转台2以正弦角速率周期序列Ω(t)＝A sin(2πft)转动，设置正弦角速率的幅度A等于180°/s，正弦角速率的频率f等于10Hz，数字采集单元1采集数字信号处理芯片12的数字输出量，采集时间t为3个正弦周期，单个角速率点的采集个数m＝6，测试时长共计0.3s，数据采集结果如图4所示。

实施例中，光纤环测试单元3中的集成电光相位调制器的半波电压V_π＝2.32V，反馈通道的比例系数K_F＝1024LSB/V，光源波长λ＝1310×10^-9m，真空中的光速c＝3×10⁸m/s。待测光纤环有效面积S的标称值为49.6026m²。数字采集单元采集得到的固定角速率序列下的光纤环产生Sagnac效应的输出数字量/LSB 如表1，通过数据采集单元1获得的光纤环产生Sagnac效应的数字输出量和转台的转动角速率如图4。

表1

对于表1中相同角速率点下光纤环产生Sagnac效应的数字量进行平均，得到每个转台转动的速率点下光纤环产生Sagnac效应的数字量的平均值。并对转台转动的角速率和光纤环产生Sagnac效应的数字量的平均值用最小二乘法进行拟合和计算，得到拟合线性曲线的斜率K＝599.6986LSB/(°/s)，然后根据公式计算获得光纤环有效面积参数S＝49.6030m²，测量值与标称值的偏差为0.0004m²，测量误差为8ppm，总测试时长为0.3s。

采用传统的测试方法测量时，使用光时域反射计测得绕制前的光纤长度L＝620.143m，使用千分尺测得绕制后的光纤环直径D＝79.865mm，通过二者参数的相乘得到光纤环的有效面积S＝L×D＝49.5277m²。测量值与标称值的偏差为0.0749m²，测量误差为0.151％，即1510ppm。

本发明的测试精度较传统测试方法的测试精度提高了180倍左右，且测试时间短，能够对光纤陀螺光纤环有效面积进行快速评估，有利于实现光纤环的批量生产和高精度检测。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置，其特征在于：

包括数据采集单元(1)、转台(2)、光纤环测试单元(3)和转台控制系统(4)；待测光纤环(8)接入光纤环测试单元(3)，待测光纤环(8)和光纤环测试单元(3)均固定在转台(2)上，转台(2)底部连接转台控制系统(4)，转台控制系统(4)和光纤环测试单元(3)均连接到数据采集单元(1)。

2.根据权利要求1所述的一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置，其特征在于：所述的光纤环测试单元(3)包括光源(5)、耦合器(6)、集成相位调制器(7)、探测器(9)、信号放大器(10)、模数转换器(11)、数字信号处理芯片(12)和数模转换器(13)，耦合器(6)一侧的一个尾纤连接与探测器(9)的输入端连接，耦合器(6)一侧的另一个尾纤与光源(5)的输出端连接，耦合器(6)另一侧的一个尾纤和集成相位调制器(7)的输入尾纤连接，耦合器(6)另一侧的另一个尾纤为死头光纤，在系统中不用；集成相位调制器(7)的两个输出尾纤分别与待测光纤环(8)的两端相连接，探测器(9)依次经信号放大器(10)、模数转换器(11)后连接到数字信号处理芯片(12)，集成相位调制器(7)经数模转换器(13)连接到数字信号处理芯片(12)。

3.应用于权利要求1所述装置的一种光纤环有效面积的实时闭环测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将待测光纤环(8)和光纤环测试单元(3)固定放置在转台(2)上，将待测光纤环(8)接入光纤环测试单元(3)，通过转台控制系统(4)控制转台(2)以正弦角速率周期序列Ω(t)＝A sin(2πft)转动，其中A为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为测试时间，待测光纤环(8)和光纤环测试单元(3)跟随转台(2)以同步的角速率进行转动；

3)数据采集单元(1)采集不同时间点t下光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量D(Ω)和转台转动的角速率Ω(t)；

4)在角速率Ω(t)的变化范围内设置n个不同的角速率点，在每个角速率点下，采集光纤环产生的Sagnac效应数字输出量并取平均，得到各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值

5)对各个角速率点下的Sagnac效应数字输出量的平均值与其各自对应的角速率点Ω₁,Ω₂,…Ω_n进行线性最小二乘法拟合，得到拟合线性曲线的斜率K；

6)根据拟合线性曲线的斜率K计算获得光纤环有效面积参数S，实现对光纤环有效面积的实时闭环测量。

4.根据权利要求3所述的一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法，其特征在于：所述步骤6)具体为：采用以下公式计算获得光纤环有效面积参数S：

其中，λ是光源发出光的平均波长，c为真空中的光速大小，V_π为集成相位调制器的半波电压，K_F为闭环反馈通道的比例系数，K为拟合线性曲线的斜率。

5.根据权利要求3所述的一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法，其特征在于：所述光纤环有效面积的测量结果的相对误差由转台的速率精度决定。