CN109580181A - 一种光源相对强度噪声测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源相对强度噪声测试方法，包括以下步骤：S1.对待测光源进行光功率归一化处理；S2.将通过S1步骤后的输出光信号转换为电压信号；S3.进行滤波放大、AD采集后的数字信号在FPGA中进行打包处理；S4.对采集信号进行分析，通过傅里叶变化得到噪声谱分布函数，对光源性能进行分析，对光源质量进行评价。本发明开创性地设计了一种针对光纤陀螺噪声特性的噪声测试方法，测试方法巧妙，降低了测试难度，测试成本相对较低的同时，测试精度高，为高精度的光纤陀螺的研发和生产奠定了技术基础；并且可用于SLD光源和ASE光源的研究，对光源和性能分析以及改进设计具有重要意义。

Description

一种光源相对强度噪声测试方法

技术领域

本发明涉及光源领域，具体地，涉及一种光源相对强度噪声方法。

背景技术

光纤陀螺目前是国内外的研究热点，也是惯性领域最重要的部件之一。目前国内光纤陀螺的年产量超过3万轴，其精度已经接近0.0001°/h，而0.01°/h和0.001°/h的陀螺仪已经广泛应用。相对强度噪声是光纤陀螺的最主要噪声源，制约了光纤陀螺精度进一步提高。目前SLD光源和ASE光源的指标中没有包含相对强度噪声一项，原因是无法测试。但这项指标对光纤陀螺的影响最大，如果能够定量测试，对光源和性能分析以及改进设计将有重要意义。目前国内外还没有相应的仪器设备可精确测量相对强度噪声，因此开发相对强度噪声测试系统意义重大。

目前可测试光源噪声的设备主要有噪声毫伏表和频谱分析仪。噪声毫伏表主要用于测试指定带宽范围内的探测器的噪声，它的精度较低，无法给出噪声的频谱信息。

对于噪声谱的采集和分析处理，虽然频谱分析仪可实现。但频谱分析仪是一种通用设备，虽然精度很高，但主要是用于电信号的测量，电信号的噪声模型与光纤陀螺的噪声模型差别较大，无法真实反映光纤陀螺的性能。并且频谱分析仪偏重于分析高频噪声(GHz)，而光谱陀螺的特征频率为kHz量级，频谱分析仪的精度为够。此外，频谱分析仪体积较大、价格昂贵，使用不方便。

本文中：

相对强度噪声：是指光源输出功率的波动和振荡，是由光源的光谱傅里叶分量之间拍频引起的附加噪声。相对强度噪声与光源的光谱宽度成反比，是高精度光纤陀螺的最主要的噪声源。

光纤陀螺仪：是基于Sagnac效应的全固态陀螺仪，用于检测旋转角速率，是惯性导航系统中的重要部件，广泛应用于航空、航天、航海、陆用战车等武器装备中，以及石油测井、天线定位民用领域。

FPGA：可编程门阵列，可通过软件编程实现各种逻辑运算和控制功能。

SLD光源：超发射二级管，一种宽谱光源，用于中低精度光纤陀螺。

ASE光源：掺铒光纤光源，一种基于自发辐射放大的宽谱光源，用于高精度光纤陀螺。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种光源相对强度噪声测试方法，实现对光源相对强度噪声测试，测试精度高。

本发明目的通过以下技术方案实现：

提供一种光源相对强度噪声测试方法，包括以下步骤

S1.对待测光源进行光功率归一化处理；

S2.将通过S1步骤后的输出光信号转换为电压信号。

S3.进行滤波放大、AD采集后的数字信号在FPGA中进行打包处理；

S4.对采集信号进行分析，通过傅里叶变化得到噪声谱分布函数，对光源性能进行分析，对光源质量进行评价。

进一步地，所述步骤S1中，采用可编程衰减器将待测光源的输出光的光功率稳定在预定的范围内。

进一步地，所述所述步骤S2中，采用光电探测器进行转换，所述光电探测器采用PIN/FET型光电探测器，与高精度光纤陀螺状态相同。

进一步地，所述光电探测器的跨阻抗为选用与高精度光纤陀螺参数相同。

进一步地，所述步骤S3中，采用高精度光纤陀螺主电路板，以真实反映待测光源或器件的噪声水平。

进一步地，将主电路板中的直流电平信号取出来，控制可编程衰减器的反馈电压。

进一步地，定时对主电路板的直流电平进行校准，以确保对可编程衰减器的精准控制，进而保证光功率的控制。

进一步地，所述光电探测器与光纤陀螺主电路板采用焊接连接。

进一步地，光电探测器通过光纤陀螺主电路板与电源模块连接。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明解决光纤陀螺的相对强度噪声定量测试问题。可用于SLD光源和ASE光源的研究，对光源和性能分析以及改进设计具有重要意义。

此外，该测试系统还可以用于研究光纤环、光纤耦合器、集成光学调制器等光学器件的噪声特性，用于光学器件的性能评介和设计依据。

本发明直接采用光纤陀螺的检测电路(陀螺主板)，与光纤陀螺的状态完全一致，可以最真实的反映光源及光器件在光纤陀螺中的性能。

本发明针对光纤陀螺设计，无需昂贵的频谱分析仪，具有精度高、体积小、成本低、使用方便等优点，将成为光纤陀螺研究及生产中的关键设备。

附图说明

图1为实施例1相对强度噪声测试方法流程图。

图2为实施例1相对强度噪声测试系统原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种光源相对强度噪声测试方法，包括以下步骤：

S1.对待测光源进行光功率归一化处理；

S2.将通过S1步骤后的输出光经过光电探测器后转换为电压信号。

S3.进行滤波放大、AD采集后的数字信号在FPGA中进行打包处理；

S4.对采集信号进行分析，通过傅里叶变化得到噪声谱分布函数，对光源性能进行分析，对光源质量进行评价。

作为一个具体实施方式，采用一种光源相对强度噪声测试系统进行测试，系统框图如图1所示。测试系统包括可编程光衰减器、光电探测器、光纤陀螺主电路板、反馈控制电路以及为可编程光衰减器、主电路板、反馈控制电路、光电探测器提供电能的电源模块；待测光源接入所述可编程衰减器的输入端，可编程衰减器的输出端与光电提连接，所述光电探测器与光纤陀螺主电路板连接，光纤陀螺主电路板将输出信号外接入计算机；所述反馈控制电路接出光纤陀螺主电路板的直流电平信号反馈给可编程衰减器。

待测光源的输出光经可编程衰减器与光电探测器连接。可编程衰减器为电控光纤器件，通过施加模拟电压改变器件的损耗，损耗变化范围0～30dB。可编程衰减器的作用是对光功率进行归一化处理，通过可编程衰减器将光功率稳定在一个很小的范围内，便于后续电路的检测。在实施过程中，待测光源可以通过FC/PC光纤连接器接入可编程衰减器。具体地，通过FC/PC型法兰连接，插拨方便。因为每只光源的光功率不同，不同光源的噪声无法比对，待测光源的输出光，通过FC/PC光纤连接器，进入可编程衰减器，经过可编程衰减器施加模拟电压，对输入光的功率进行归一化处理，输出光功率稳定在一个很小范围内。

作为一个具体的实施方式，光电探测器选用PIN/FET型探测器，优点是噪声小，温度稳定性好，这也是光纤陀螺中使用的探测器。光电探测器的跨阻抗选择为20K，与高精度光纤陀螺参数相同。对应到达探测器的光功率为100μW。目前SLD光源的输出光功率通常为0.5～1.5mW，ASE光源的输出光功率通常为5～10mW，所以可编程衰减器的衰减范围为7～20dB，在可编程衰减器的动态范围内。

可编程衰减器与光电探测器光纤之间采用熔接方式，以减小损耗，并提高稳定性。

光电探测器直接焊接在主电路板上。电源模块为主电路板、反馈控制电路和可编程衰减器供电，探测器接在主电路板上，无需单独供电。

主电路板选用高精度光纤陀螺的主板，以真实反映陀螺的性能。主电路板上有模拟滤波放大、AD采集、FPGA处理器(可编程门阵列)等，通过USB接口与计算机连接。

AD采集后的数字信号在FPGA中进行打包处理，按照一定的格式输送到计算机中。计算机对采集信号进行分析，通过傅里叶变化得到噪声谱分布函数，可对光源的性能进行分析，对光源的质量进行评价。

反馈控制电路将光纤陀螺主电路板的直流电平信号取出来，该信号与光功率成正比，可用于控制可编程衰减器的反馈电压，并保证到达探测器的光功率的稳定性。为防止探测器的直流电平漂移，本实施例的系统具有自校准功能，定时对直流电平进行校准，以保证光功率的准确性。

本实施例的工作原理如下：

待测光源首先进行归一化处理。本方案中，将光功率控制在100μW，以便和光电探测器相匹配。光功率归一化是通过可编程衰减器，比较光电探测器的直流电平，反馈到可编程衰减器的控制电路上。通过PIN/FET探测器实现光电信号转换，PIN/FET的跨阻抗为20K，与高精度光纤陀螺一致。首先将PIN/FET信号的直流分量取出来，用于控制可编程衰减器。再进行滤波、放大，使其电压幅值与AD输入电压匹配。AD采样位数为16位，采样频率为为10～30MHz。数字信号在FPGA中进行处理，按照一定的数据格式进行打包，通过USB接口输送到计算机中。计算机可对数字信号进行采集，并进行傅里叶变换和频谱分析，得到光源的噪声谱分布函数。

以ASE光源测试为例，假设输出光功率为5mW，则光误差器损耗17dB，到达光探测器功率为100μW。光电探测器的跨阻抗选择为20K，则直流电压幅值约为1.8V(探测器响应度约为0.9)。AD位数为16位，采样速率为10MHZ，采集1分钟信号数据量约1.2Gbyte。该数据通过USB接口输送到计算机中进行处理，分析其噪声谱特性。

本实施例在测试过程中，采用光纤陀螺主电路板进行噪声测试和频谱分析，提高了测试的精度的同时，降低了测试难度；并且通过主电路板的直流电平信号反馈控制可编程衰减器的电压，避免了因光功率不稳定导致的对测试精度的影响。

本实施例开创性地设计了一种针对光纤陀螺噪声特性的噪声测试方法，测试方法巧妙，降低了测试难度，测试成本相对较低的同时，测试精度高，为高精度的光纤陀螺的研发和生产奠定了技术基础。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，包括以下步骤

S1.对待测光源进行光功率归一化处理；

S2.将通过S1步骤后的输出光信号转换为电压信号；

S3.进行滤波放大、AD采集后的数字信号在FPGA中进行打包处理；

S4.对采集信号进行分析，通过傅里叶变化得到噪声谱分布函数，对光源性能进行分析，对光源质量进行评价。

2.根据权利要求1所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用可编程衰减器将待测光源的输出光的光功率稳定在预定的范围内。

3.根据权利要求2所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述所述步骤S2中，采用光电探测器进行转换。

4.根据权利要求3所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述光电探测器为PIN/FET型，与光纤陀螺相同。

5.根据权利要求4所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述光电探测器的跨阻抗为选用与高精度光纤陀螺参数相同。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用高精度光纤陀螺的主电路板，以保证与光纤陀螺的状态相同。

7.根据权利要求6所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，将主电路板中的直流电平信号取出来，控制可编程衰减器的反馈电压。

8.根据权利要求7所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，定时对主电路板的直流电平进行校准。

9.根据权利要求7或8所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，所述光电探测器与光纤陀螺主电路板采用焊接连接。

10.根据权利要求9所述的光源相对强度噪声测试方法，其特征在于，光电探测器通过光纤陀螺主电路板与电源模块连接。