CN111044081B - 一种自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应小型化光纤环圈测试系统，其包括光源、保偏分束器、Y波导调制器、光探测器、调制解调板及控制面板，光源发出的光传输进保偏分束器，再由保偏分束器输出给Y波导调制器，Y波导调制器将一束光分成两束强度相等，传播方向相反的光输入到光纤环圈的两端，两束光分别沿光纤环圈传播输出后再次在Y波导调制器处汇合发生干涉，干涉后的光经由保偏分束器输出给光电探测器；光电探测器将光信号转变成电信号，转换后的电信号由调制解调板进行处理和提取，提取出代表转速信号的两束光之间的sagnac相位误差，调制解调板与控制面板通讯连接。本发明可以实现系统测试小型化、便携化；组件测试精度、一致性和重复性明显提升，测试结果更准确。

Description

一种自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及光纤环圈调试及测试技术领域，具体涉及一种自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法。

背景技术

光纤陀螺具有体积小、重量轻、寿命长、全固态、测量范围大、精度高等特点，广泛地应用在陆海空天潜诸多领域。其中光纤组件对于光纤陀螺性能影响是多方面的，如随机游走系数、零偏不稳定性、零偏的磁场灵敏度、标度因数稳定性、标度因数的温度灵敏度以及输入轴的稳定性。但在组件测试过程中光路的设计、环圈尾纤的盘绕以及组件测试系统不合理的结构都会影响组件的测试结果，引入环境误差，从而掩盖光纤组件的真实性能，导致无法准确评价组件。因此采用合理的测试方法测试光纤陀螺的敏感环圈的温度性能，准确评价其shupe特性对于光纤陀螺的温度性能的评价以及指导陀螺的研发起着至关重要的作用。

因此急需设计实现光纤环圈小型化自适应算法测试技术，以实现环圈评价准确，测试重复性高，调试时间短最大限度的提高光纤环圈调试及测试效率和精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应小型化光纤环圈测试系统，实现组件测试系统自动化和自适应化的优化，提高测试效率，缩短测试时间，降低光纤陀螺生产和研发成本。

本发明还提供一种自适应小型化光纤环圈测试方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种自适应小型化光纤环圈测试系统，其特征在于：包括光源、保偏分束器、Y波导调制器、光电探测器、调制解调板及控制面板，光源发出的光传输进保偏分束器，再由保偏分束器输出给Y波导调制器，Y波导调制器将一束光分成两束强度相等，传播方向相反的光输入到光纤环圈的两端，两束光分别沿光纤环圈传播输出后再次在Y波导调制器处汇合发生干涉，干涉后的光经由保偏分束器输出给光电探测器；光电探测器将光信号转变成电信号，转换后的电信号由调制解调板进行处理和提取，提取出代表转速信号的两束光之间的sagnac相位误差，调制解调板与控制面板通讯连接。

而且，所述光源为一分N光源，所述保偏分束器和Y波导也为对应的N个，光源输出光可同时分成光功率相等的N路光分别输出给N只保偏分束器，经由N只保偏分束器、N只Y波导调制器后到达三个被测光纤环圈，同时测试N只光纤环圈，2≤N≤4。

而且，调制解调板通过控制面板与液晶显示屏实现通讯；控制面板根据输入的环圈长度自行计算得组件本征频率及相关分频参数，采用SPI技术协议实现与调制解调板上的FPGA芯片的通讯，完成不同长度的组件程序自动更新和加载功能。

一种自适应小型化光纤环圈测试方法，其包括如下步骤：

1)光纤长度测量：采用OTDR光时域反射仪测量得光纤环圈长度准确值，测量误差<±0.5m；

2)启动环圈测试系统：进入液晶显示屏的人机交互界面；

3)计算光纤环圈本征频率：根据光纤环圈长度与本征频率的关系，将第一步测得的光纤环圈长度即L带入公式

得到该环圈的本征频率；这一过程通过人际交互界面启动控制面板计算得到；

4)进行自适应分频算法，自适应分频算法算法包括如下过程：

倍频因子M₁、M₂从1-32依次进行遍历；

分频因子N₁，N₂从1-32进行依次遍历；

若|f₀-f|＜20，对应的M₁、M₂、N₁和N₂即为要选择的分频方案对应分频参数，从而确定不同的采样点数，在界面上选择启动自适应分频算法，选择分频方案；

5)对环圈进行增益调节：点击计算闭环增益，根据步骤4)分频方案的选择和具体的采样点数在控制面板中计算光纤环圈实际闭环增益，根据界面上计算得到实际增益结果，输入移位参数具体数值；

6)重复下一只光纤环圈参数设置：界面操作完成后点击确认并保存，返回第一步；

7)完成环圈测试：最后一只光纤环圈设置完成后进行测试。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法，主要测试光纤环圈常温下静态噪声，长期零偏稳定性以及光纤环圈在-40℃-60℃的温度范围内shupe峰大小，定温极差值和全温零偏稳定性等温度指标，可以实现系统测试小型化、便携化；组件测试精度、一致性和重复性明显提升，测试结果更准确。

2、本发明的自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法，采用光纤环圈长度自适应调制技术，对于不同长度的光纤环圈组件调试范围覆盖更广。

3、本发明的自适应小型化光纤环圈测试系统及测试方法，提供人机交互界面，替代电脑上机调试，化简了工序，节约了调试时间，大大缩减了时间和人力。

附图说明

图1为本发明的自适应小型化光纤环圈测试系统模块示意图；

图2为本发明的自适应小型化光纤环圈测试系统原理框图；

图3为本发明的自适应小型化光纤环圈测试方法流程图；

图4为本发明的的光纤环圈闭环反馈回路模型。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种自适应小型化光纤环圈测试系统，如图1所示，其包括光源、保偏分束器、Y波导调制器、光探测器、调制解调板及控制面板，光源为ASE光源，光源发出的光传输进保偏分束器，再由保偏分束器输出至Y波导调制器，Y波导调制器将一束光分成两束强度相等，传播方向相反的光输入到光纤环圈的两端，两束光分别沿光纤环圈传播输出后再次在Y波导调制器处汇合发生干涉，干涉后的光经由保偏分束器输出给光电探测器；光电探测器将光信号转变成电信号，转换后的电信号由调制解调板进行处理和提取，提取出代表转速信号的两束光之间的sagnac相位误差，调制解调板与控制面板通讯连接。

本发明测试系统的光源为一分N光源，保偏分束器和Y波导也为对应的N个，光源输出光可同时分成光功率相等的N路光分别输出给N只保偏分束器，经由N只保偏分束器、N只Y波导调制器后到达N个被测光纤环圈，同时测试N只光纤环圈，2≤N≤4。本实施例中N为3，如图2所示，即：

光源为ASE宽带激光光源，光源经过分束器输出三路光强相等的光，保偏分束器和Y波导也为对应的3个，保偏分束器为PBSPM1550型保偏分束器。Y波导采用IM-1550-PM型铌酸锂强度调制器。光源输出光可同时分成光功率相等的3路光分别输出给3只保偏分束器，经由3只保偏分束器、3只Y波导调制器后到达三个被测光纤环圈，同时测试3只光纤环圈。

调制解调板通过控制面板与液晶显示屏实现通讯；控制面板采用STM32F103型ARM开发板，根据输入的环圈长度自行计算得组件本征频率及相关分频参数，采用SPI技术协议实现与调制解调板上的FPGA芯片的通讯，完成不同长度的组件程序自动更新和加载功能。

一种自适应小型化光纤环圈测试方法，其包括如下步骤：

1)光纤长度测量：采用OTDR光时域反射仪测量得光纤环圈长度准确值，测量误差<±0.5m；

2)计算光纤环圈本征频率：根据长度与本征频率的关系，将第一步测得的光纤环圈长度即L带入公式

得到该环圈的本征频率；

3)启动环圈测试系统进入液晶显示屏人机交互界面；

4)点击进行自适应分频算法：该算法包括如下过程：

倍频因子M₁、M₂从1-32依次进行遍历；

分频因子N₁，N₂从1-32进行依次遍历；

若|f₀-f|＜20，对应的M₁、M₂、N₁和N₂即为要选择的分频方案对应分频参数，从而确定不同的采样点数，在界面上选择启动自适应分频算法，选择分频方案；

5)对环圈进行增益调节：根据步骤4)分频方案的选择和具体的采样点数计算光纤环圈实际闭环增益，根据界面上计算得到实际增益结果，输入移位参数具体数值；

6)重复下一只光纤环圈参数设置：界面操作完成后点击确认并保存，返回第一步。至此一只环圈的调制解调板程序已更新并保存完成，环圈将在这一程序参数下被调制并被提取出敏感到的转速信号。

7)对环圈敏感到的转速信号进行采集。当三只环圈程序参数均已设置完成并保存后，对三只环圈分别点击数据采集按钮，实现对环圈敏感到的转速信号的实时采集。该信号即为调制解调线路板提取到的与转速信号正相关的sagnac相位信号。调制解调板将提取到的转速信号传输给控制面板，再由控制面板显示在液晶显示屏上。

8)完成环圈测试：最后一只光纤环圈设置完成后进行测试。光纤环圈测试属于微弱信号检测，环圈对于轻微的震动和转动极为敏感，因此要想测量出环圈的真实精度，需要排除掉环境的干扰，因此在测试静态指标时，需将环圈及测试系统整体置于隔振基座上，点击数据采集。根据光纤陀螺仪国际标测试要求，光纤陀螺仪的工作温度范围在-40℃-60℃，光纤环圈作为光纤陀螺仪的核心部件，其工作温度范围与陀螺仪要求一致。因此为考察光纤环圈全温性能，需要将环圈及测试系统放入高低温箱中，启动温箱升降温程序，以满足测试环境要求，然后点击数据采集按钮，实时采集环圈敏感到的转速信息，根据环圈全温数据图形进行分析和判断，从而得到环圈在-40℃-60℃温度范围内的温度性能及相关参数指标。

采用图4光纤环圈闭环反馈回路，提取出代表转速信号的两束光之间的sagnac相位误差，通过PIN-FET(光电探测器)采集光源到探测器的光信号，转变为电信号。通过A/D转换芯片将模拟信号转变为数字信号，传送给FPGA。FPGA收到数据后进行解调，通过一次积分产生调制光纤环圈的调制波数字信号，对该信号进行数字截取和滤波后发送给数据输出芯片进行输出。同时该信号经过二次积分产生阶梯波信号发送给DA转换芯片。DA将数字信号转变成模拟信号以电压信号的形式加到MIOC(Y波导集成光学器件上)进行相位调制。从而实现对于光纤环圈的调制与解调。在程序内可随时修改环圈闭环带宽和闭环增益，改变环圈的动态性能，实现了光纤环圈动态性能可调试化。图4中，Ω为转速信号，φs为转速信号对应的sagnac相位，φf为反馈相位，φ为误差相位，τ为光在环圈中的渡越时间。Ts’为输出数据间隔时间。

采用本自适应小型化光纤环圈测试系统，选取3只已知性能指标的光纤环圈作为性能评价依据，对该3只环圈进行测试，主要测试环圈全温零偏性能。表1列出了3只环圈测性能及测试结果。

表1测试系统测试结果

从表1可以看出，依据本发明所设计的光纤环圈测试系统各项测试性能能够真实的反映组件本身的温度性能而不会引入环境的干扰，因此完全满足光纤组件测试要求，利用该测试系统可同时对3只光纤组件温度性能进行评估，调试时间大大缩短，也减少了人力资源的消耗。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种自适应小型化光纤环圈测试系统，其特征在于：包括光源、保偏分束器、Y波导调制器、光电探测器、调制解调板及控制面板，光源发出的光传输进保偏分束器，再由保偏分束器输出给Y波导调制器，Y波导调制器将一束光分成两束强度相等，传播方向相反的光输入到光纤环圈的两端，两束光分别沿光纤环圈传播输出后再次在Y波导调制器处汇合发生干涉，干涉后的光经由保偏分束器输出给光电探测器；光电探测器将光信号转变成电信号，转换后的电信号由调制解调板进行处理和提取，提取出代表转速信号的两束光之间的sagnac相位误差，调制解调板与控制面板通讯连接；

所述自适应小型化光纤环圈测试系统的测试方法包括如下步骤：

1)光纤长度测量：采用OTDR光时域反射仪测量得光纤环圈长度准确值，测量误差<±0.5m；

2)启动环圈测试系统：进入液晶显示屏的人机交互界面；

3)计算光纤环圈本征频率：根据光纤环圈长度与本征频率的关系，将第一步测得的光纤环圈长度即L带入公式

得到该环圈的本征频率；这一过程通过人际交互界面启动控制面板计算得到；

4)进行自适应分频算法，自适应分频算法包括如下过程：

倍频因子M₁、M₂从1-32依次进行遍历；

分频因子N₁，N₂从1-32进行依次遍历；

若|f₀-f|＜20，对应的M₁、M₂、N₁和N₂即为要选择的分频方案对应的分频参数，从而确定不同的采样点数，在界面上选择启动自适应分频算法，选择分频方案；

5)对环圈进行增益调节：点击计算闭环增益，根据步骤4)分频方案的选择和具体的采样点数在控制面板中计算光纤环圈实际闭环增益，根据界面上计算得到的实际增益结果，输入移位参数具体数值；

6)重复下一只光纤环圈参数设置：界面操作完成后点击确认并保存，返回第一步；

7)完成环圈测试：最后一只光纤环圈设置完成后进行测试。

2.根据权利要求1所述一种自适应小型化光纤环圈测试系统，其特征在于：所述光源为一分N光源，所述保偏分束器和Y波导也为对应的N个，光源输出光可同时分成光功率相等的N路光分别输出给N只保偏分束器，经由N只保偏分束器、N只Y波导调制器后到达三个被测光纤环圈，同时测试N只光纤环圈，2≤N≤4。

3.根据权利要求1所述一种自适应小型化光纤环圈测试系统，其特征在于：调制解调板通过控制面板与液晶显示屏实现通讯；控制面板根据输入的环圈长度自行计算得组件本征频率及相关分频参数，采用SPI技术协议实现与调制解调板上的FPGA芯片的通讯，完成不同长度的组件程序自动更新和加载功能。

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