CN1808074A - 基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置，由导线组、用于加载导线组所需电流的电流驱动电路、信号发生器和锁相放大器组成，导线组缠绕在光纤陀螺的光纤环上，导线组的一端与电流驱动电路连接，导线组的另一端接地，电流驱动电路与信号发生器连接，信号发生器与锁相放大器连接，锁相放大器与光纤陀螺连接；所述信号发生器产生的正弦波输出给电流驱动电路中进行电流放大，并将放大后的电流输入导线组；所述电流在光纤陀螺的光纤环上产生磁场，该磁场方向与光纤环的光纤走向一致；光纤陀螺输出幅值和相位信息给锁相放大器，锁相放大器对接收的所述幅值和相位信息和所述由信号发生器输出的参考输入信息进行相敏检波处理获得相对于信号发生器输入信息的幅值和相位差。

Description

基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置

技术领域

本发明涉及一种基于磁光法拉第效应的用于测量光纤陀螺频率特性的装置。

背景技术

光纤陀螺的频率特性测试是光纤陀螺性能测试的一项重要内容，测试的频率范围和精度直接影响到对光纤陀螺性能的评定，并影响光纤陀螺的应用前景。光纤陀螺的实际带宽在几～几百kHz。传统的光纤陀螺频率特性测试方法是角振动台法，测试原理是基于Sagnac效应的变角速度输入导致光纤陀螺的输出变化，通过对输入角速度数据和光纤陀螺输出数据进行处理，得到光纤陀螺的频率特性。由于其测试原理决定了技术上有一些难以解决的困难。如：(1)一般角振动台的输出频率为几百Hz，不能满足光纤陀螺全频带频率特性测试的要求。(2)由于角振动台的工作原理所限，其输出频率很难继续提高。(3)角振动台法所需的仪器设备较多，价格昂贵，测试前的仪器设备调试、校准工作繁琐。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置，该测试装置利用光纤陀螺敏感磁场产生的磁光法拉第效应，通过改变外加磁场频率，使光纤陀螺的输出发生变化，通过测量光纤陀螺的输出可以间接测量出光纤陀螺的频率特性。

本发明是一种基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置，由导线组、用于加载导线组所需电流的电流驱动电路、信号发生器和锁相放大器组成，导线组缠绕在光纤陀螺的光纤环上，导线组的一端与电流驱动电路连接，导线组的另一端接地，电流驱动电路与信号发生器连接，信号发生器与锁相放大器连接，锁相放大器与光纤陀螺连接；所述信号发生器产生的正弦波输出给电流驱动电路中进行电流放大，并将放大后的电流输入导线组；所述电流在光纤陀螺的光纤环上产生磁场，该磁场方向与光纤环的光纤走向一致；光纤陀螺输出幅值和相位信息给锁相放大器，锁相放大器对接收的所述幅值和相位信息和所述由信号发生器输出的参考输入信息进行相敏检波处理获得相对于信号发生器输入信息的幅值和相位差。

所述的光纤陀螺频率特性的测试装置，其导线组上加载的交变电流在光纤陀螺的光纤环上产生交变磁场，该磁场产生了磁光法拉第效应，且光纤环中光传播的相位变化与所述磁场强度变化的关系为 $\mathrm{\Δ\φ}=H\frac{4\mathrm{Vr}}{\mathrm{\Δ\β}}{\∫}_0^{2\mathrm{m\π}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ},$ 式中，H为磁场强度，V为Verdet常数，r为光纤环半径，Δβ为光纤的固有线性双折射，τ(θ)为光纤由于扭转产生的单位长度圆双折射。

本发明光纤陀螺频率特性测试装置的优点在于：(1)能够输出较高频率，满足光纤陀螺全频带频率特性测试要求；(2)测试设备少，测试的复杂性大大降低；(3)体积小、质量轻、结构简单，成本低。

附图说明

图1是本发明频率特性测试装置的结构示意图。

图2是电流驱动电路的电路原理图。

图3是光纤传输模型坐标。

图4是光纤陀螺输出角速度与时间的关系图。

图5是图4在0.1Hz处的FFT系数的模|X(f)|与频率f的关系图。

图6是光纤陀螺输出角速度与时间在另一频率的关系图。

图7是图6在1Hz处的FFT系数的模|X(f)|与频率f的关系图。

图中：1.导线组  2.电流驱动电路  3.信号发生器  4.锁相放大器5.光纤环  6.光路和检测电路

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明的一种光纤陀螺频率特性的测试装置，由导线组1(普通铜线，允许通过最大电流为100A)、用于加载导线组所需电流的电流驱动电路2、信号发生器3(AGILENT公司生产的型号33250A)和锁相放大器4(STANFORDRESEARCH SYSTEMS公司生产的型号SR830)组成，导线组1缠绕在光纤陀螺的光纤环5上，导线组1的一端与电流驱动电路2连接，导线组1的另一端接地，电流驱动电路2与信号发生器3连接，信号发生器3与锁相放大器4连接，锁相放大器4与光纤陀螺连接。测试时，信号发生器3产生的正弦信号输出给电流驱动电路2中进行电流放大处理，并将放大后的电流输入导线组1，并使电流产生的磁场方向沿光纤环5的光纤走向一致；光路和检测电路6将接收的由光纤环5输出的光强信号经处理后输出模拟信息给锁相放大器4，锁相放大器4对接收的所述模拟信息和所述由信号发生器3输出的参考输入信息进行基准幅值比较获得频率特性的百分比信息。

在本发明中，电流驱动电路2选取的电源转换芯片U1为XTR110芯片，信号发生器3产生的0.1～100KHz的正弦波经电源转换芯片U1的4端输入，经电源转换芯片U1处理后由14端输出0～10A电流给场效应管U2的G端，场效应管U2的S端接电阻R后接VCC，场效应管U2的D端与导线组1连接。信号发生器3输出给锁相放大器4的参考输入信息为1Hz时，锁相放大器4的输出幅值作为频率特性检测的基准幅值。

磁光法拉第效应是闭合光路中的一种非互易效应，法拉第效应导致的相位差能够被光纤陀螺敏感，且检测电路无法区分，光纤陀螺的输出会随外界磁场强度的变化而变化。基于法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试方法是把磁场引入光纤环，用交变的磁场代替角振动台法来模拟交变的输入变化，产生足够高频率的输入信号，克服角振动台法输出频率低的缺点。其实质是利用磁场的变化导致光纤陀螺法拉第效应相位差的变化，再反映到光纤陀螺输出的变化。

光纤环是光纤陀螺的敏感器件，法拉第效应是外界磁场在光纤环中引入一个非互易的圆双折射，即圆双折射受光传输方向的影响并叠加到光纤环中的固有双折射上，使光在光纤环中传输时产生一个非互易相位差。采用有限元方法对光纤环5进行分析，即将光纤环5看作是由无数段微小的平直光纤段组成，对任一段光纤建立如图3所示的坐标系。图中，x-y为光入射端沿光纤快慢轴坐标系，x′-y′为任一段光纤入射端面快慢轴坐标系，x″-y″为任一段光纤出射端面快慢轴坐标系。

对第k段光纤受扰后本征模的传输矩阵为：

顺时针方向(CW)传输矩阵：

$S_{\mathrm{CWk}}=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j{\mathrm{\η}}_k{\mathrm{\Δz}}_k}& \\ & e^{j{\mathrm{\η}}_k\mathrm{\Δ}{z}_k}\end{array}\right]---\left(1\right)$

逆时针方向(CCW)传输矩阵：

$S_{\mathrm{CCWk}}=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j{{\mathrm{\η}}_k}^{\′}{\mathrm{\Δz}}_k}& \\ & e^{j{{\mathrm{\η}}_k}^{\′}{\mathrm{\Δz}}_k}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：顺时针方向折射率 ${\mathrm{\η}}_k={[{({\mathrm{\τ}}_k-\mathrm{\ω})}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}},$

逆时针方向折射率 ${{\mathrm{\η}}_k}^{\′}={[{({\mathrm{\τ}}_k+\mathrm{\ω})}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}.$

式中：Δz_k表示任一段光纤的长度，Δβ为光纤的固有线性双折射，τ为光纤由于扭转产生的单位长度圆双折射，ω为磁场作用产生的单位长度圆双折射。

光纤环5总传输矩阵为：

                  S＝S_n·S_n-1…S_k·S_k-1…S₁                (3)

通过光纤陀螺的光纤环5的传输模型推导，可得顺时针光总相位为 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CW}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_k{\mathrm{\Δz}}_k,$ 逆时针光总相位为 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CCW}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\η}}_k}^{\′}{\mathrm{\Δz}}_k.$ 由于光纤陀螺是检测光纤环5中反向传播的两束光的非互易相位差，因此得正反向传输的光的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CCW}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\η}}_k-{{\mathrm{\η}}_k}^{\′}){\mathrm{\Δz}}_k---\left(4\right)$

因Δz_k＝Δz，(k＝1，…，n)，且光纤环5中每一微段的光本征模传播参数η_k＝η(z)，η_k′＝η′(z)，可得：

$\mathrm{\Δ\φ}={\∫}_0^l(\mathrm{\η}\left(z\right)-{\mathrm{\η}}^{\′}\left(z\right))\mathrm{dz}=$

${\∫}_0^l\{{[{\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)}^2+(\mathrm{\τ}\left(z\right)+\mathrm{\ω})]}^{\frac{1}{2}}-{[{\left(\frac{\mathrm{\Δ\β}}{2}\right)}^2+(\mathrm{\τ}\left(z\right)-\mathrm{\ω})]}^{\frac{1}{2}}\}\mathrm{dz}=---\left(5\right)$

${\∫}_0^l\frac{4\mathrm{\τ}\left(z\right)\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\η}}^{\′}\left(z\right)+\mathrm{\η}\left(z\right)}\mathrm{dz}.$

对于高折射率光纤 $\mathrm{\&tau;}\&PlusMinus;\mathrm{\&omega;}<<\frac{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}{2},$ 可近似认为 ${\mathrm{\&eta;}}^{\&prime;}\left(z\right)=\mathrm{\&eta;}\left(z\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}{2},$ 有

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}={\&Integral;}_0^l\frac{4\mathrm{\&tau;}\left(z\right)\mathrm{\&omega;}}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}\mathrm{dz}.---\left(6\right)$

将式(6)改为圆坐标系，即令z＝rθ，并假设磁场是均匀的，即ω＝ω₀，代入上式，得

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}={\&Integral;}_0^{2\mathrm{m\&pi;}}\frac{4\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&theta;}\right){\mathrm{\&omega;}}_0}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}\mathrm{rd\&theta;}=---\left(7\right)$

$\frac{4{\mathrm{\&omega;}}_{0}r}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{m\&pi;}}\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}$

对于绕制并固化好的光纤环，其扭转状态已固定，所以τ(θ)为一固定常数，因为ω₀为单位长度上的Faraday效应引起的圆双折射，ω₀＝VH，V为Verdet常数，H为磁场强度，得

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}=H\frac{4\mathrm{Vr}}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{m\&pi;}}\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(8\right)$

H为磁场强度，V为Verdet常数，r为光纤环半径，Δβ为光纤的固有线性双折射，τ(θ)为光纤由于扭转产生的单位长度圆双折射。

式(9)即为光纤陀螺的法拉第效应(Faraday)模型。由于光纤陀螺的光纤环5在光的输入和输出都进行了起偏和检偏的过程，其耦合形成的二阶波列被大大衰减，可以忽略，所以在模型推导过程中做了简化，以上公式推导可以看成只对主波列的研究。从式(9)可以看出：光纤陀螺的法拉第效应输出是磁场的线性函数，与磁场强度成正比。

为了检测本发明的一种基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置，其光纤陀螺为全光纤结构，光纤环5采用全保偏结构，工作波长1.55μm，采用全数字闭环检测方案。光纤环5已固化，光纤长度3.6km，直径170mm，导线在光纤环上缠绕15圈左右形成导线组1。光纤陀螺输出为数字量，RS232通信格式，波特率115.2kHz，2字节输出，数据更新率大于5kHz，可以还原2.5kHz的信号。当输入信号频率为0.1Hz，电流为2A，通过计算机采集的采样间隔设置为0.1s时(相当于计算机采集500个点平均后在屏幕上显示1个点)，光纤陀螺的输出角速度ω与时间t的关系见图4。光纤陀螺输出数据减去零偏后，得到光纤陀螺的Faraday效应输出数据，对其进行FFT处理，结果在0.1Hz处的FFT系数的模|X(f)|取最大值，|X(f)|与频率f的关系见图5。在其他条件不变的情况下，输入信号频率变为1Hz，电流为4A时，光纤陀螺的输出角速度ω与时间t的关系见图6，|X(f)|与频率f的关系见图7。实验结果表明：光纤陀螺的Faraday效应输出频率与输入信号频率一致，幅值与输入信号幅值成正比，验证了光纤陀螺Faraday效应模型的正确性。当电流幅值为4A时，Faraday效应输出的幅值约为0.06mrad·s^-1，约合12°/h，说明Faraday效应输出较小。随着输入信号频率的增加，光纤陀螺的Faraday效应输出会逐渐被随机噪声淹没，做较高频率的测试时需要增大电流强度并增加导线的缠绕圈数。通过建立光纤陀螺的Faraday效应模型，得出光纤陀螺的Faraday效应输出与磁场强度成正比的结论，通过实验验证了该模型的正确性。利用交变磁场代替实际的角速度变化，容易产生较高频率的输入信号，克服目前角振动台法输出频率低的缺点，能够对光纤陀螺进行全频带频率响应测量。

Claims (4)

1、一种基于磁光法拉第效应的光纤陀螺频率特性测试装置，其特征在于：由导线组(1)、用于加载导线组所需电流的电流驱动电路(2)、信号发生器(3)和锁相放大器(4)组成，导线组(1)缠绕在光纤陀螺的光纤环5上，导线组(1)的一端与电流驱动电路(2)连接，导线组(1)的另一端接地，电流驱动电路(2)与信号发生器(3)连接，信号发生器(3)与锁相放大器(4)连接，锁相放大器(4)与光纤陀螺连接；所述信号发生器(3)产生的正弦波输出给电流驱动电路(2)中进行电流放大，并将放大后的电流输入导线组(1)；所述电流在光纤陀螺的光纤环(5)上产生磁场，该磁场方向与光纤环(5)的光纤走向一致；光纤陀螺输出幅值和相位信息给锁相放大器(4)，锁相放大器(4)对接收的所述幅值和相位信息和所述由信号发生器(3)输出的参考输入信息进行相敏检波处理获得相对于信号发生器(3)输入信息的幅值和相位差。

2、根据权利要求1所述的光纤陀螺频率特性的测试装置，其特征在于：所述导线组(1)上加载的交变电流在光纤陀螺的光纤环(5)上产生交变磁场，该磁场产生了磁光法拉第效应，且光纤环(5)中光传播的相位变化与所述磁场强度变化的关系为 $\mathrm{\&Delta;\&phi;}=H\frac{4\mathrm{Vr}}{\mathrm{\&Delta;\&beta;}}{\&Integral;}_0^{2\mathrm{m\&pi;}}\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;},$ 式中，H为磁场强度，V为Verdet常数，r为光纤环半径，Δβ为光纤的固有线性双折射，τ(θ)为光纤由于扭转产生的单位长度圆双折射。

3、根据权利要求1所述的光纤陀螺频率特性的测试装置，其特征在于：所述电流驱动电路(2)选取的电源转换芯片U1为XTR110芯片，信号发生器(3)产生的0.1～100KHz的正弦波经电源转换芯片U 1的4端输入，经电源转换芯片U1处理后由14端输出0～10A电流给场效应管U2的G端，场效应管U2的S端接电阻R后接VCC，场效应管U2的D端与导线组(1)连接。

4、根据权利要求1所述的光纤陀螺频率特性的测试装置，其特征在于：所述信号发生器(3)输出给锁相放大器(4)的参考输入信息为1Hz时，锁相放大器(4)的输出幅值作为频率特性检测的基准幅值。

Images