專利名稱：光纖陀螺用y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法，尤其涉及 一種高精度光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度的測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種全固態(tài)的慣性儀表，其精度覆蓋了高中低各領(lǐng)域的應(yīng)用， 因而近些年來(lái)發(fā)展非常迅速。在中高精度領(lǐng)域，光纖陀螺均采用閉環(huán)方案，其 中用到一個(gè)非常關(guān)鍵的閉環(huán)器件一一Y波導(dǎo)，Y波導(dǎo)集分光/合光、起偏/檢 偏、相位調(diào)制三種功能于一身，閉環(huán)光纖陀螺就是利用Y波導(dǎo)的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn) 閉環(huán)的，通過在Y波導(dǎo)上施加一定的電壓，產(chǎn)生與電壓成比例的相位差來(lái)抵 消由于旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的相位差，并將調(diào)制產(chǎn)生的相位差作為輸出信號(hào)。丫波導(dǎo)調(diào) 制線性度是影響高精度陀螺標(biāo)度因數(shù)線性度的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，研究調(diào)制線性度 的測(cè)試方法即可以準(zhǔn)確掌握由該項(xiàng)參數(shù)給陀螺標(biāo)度因數(shù)帶來(lái)的誤差，并可采取 一定措施進(jìn)行補(bǔ)償，還可促進(jìn)Y波導(dǎo)器件的技術(shù)改進(jìn)。
Y波導(dǎo)外加電壓與相位差的關(guān)系
G義
式中，"',為非尋常光折射率，^為電光系數(shù)，r為電場(chǎng)和光場(chǎng)的重疊因 子，L為電極的長(zhǎng)度，G為電極的間距，義為真空中波長(zhǎng)，通常稱
y^"eV^丄;r/G/l為Y波導(dǎo)的調(diào)制系數(shù)。理想情況下，外加電壓與相位差是線性 關(guān)系，即yt是常數(shù)。產(chǎn)生TT相位對(duì)應(yīng)的電壓稱為Y波導(dǎo)的半波電壓，在光纖陀
螺中，通過Y波導(dǎo)的半波電壓來(lái)求調(diào)制系數(shù)，并將該調(diào)制系數(shù)裝訂于系統(tǒng)， 在其它相位點(diǎn)都通過該系數(shù)來(lái)調(diào)整加到Y(jié)波導(dǎo)上的電壓值。
現(xiàn)在主要是使用信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)光纖陀螺光路中的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和
檢測(cè)，但是由于檢測(cè)出的相位差在;r和2 ;r處不準(zhǔn)確，導(dǎo)致Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試誤差很大，造成不能正確衡量相位調(diào)制線性度與光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的 關(guān)系。
實(shí)際上，Y波導(dǎo)并不如上述那么理想，受外加電場(chǎng)等其它因素的影響，調(diào) 制系數(shù)存在一定的非線性。調(diào)制的非線性直接導(dǎo)致光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差，特 別是小角速率時(shí)的誤差。在高精度光纖陀螺中，目前已經(jīng)關(guān)注到半波電壓隨溫 度的漂移，即調(diào)制系數(shù)的溫度特性，并采用二次反饋的方法加以解決，但調(diào)制 系數(shù)非線性對(duì)陀螺標(biāo)度因數(shù)的影響目前還沒有關(guān)注。"全國(guó)第十一次光纖通信 暨第十二屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集"公開了了丁東發(fā)等撰寫的《光纖陀螺用 Y波導(dǎo)電光調(diào)制特性測(cè)試研究》 一文，文中主要介紹采用Mach-Zehnder干涉儀 對(duì)相位調(diào)制線性度進(jìn)行測(cè)試研究，主要利用幾個(gè)特殊點(diǎn)獲得相位差與調(diào)制電壓 的關(guān)系，測(cè)量精度比較低。專利申請(qǐng)?zhí)枮?00410003424.X的《光纖陀螺用集 成光學(xué)調(diào)制器在線測(cè)試方法及其測(cè)量裝置》 一文介紹了 Y波導(dǎo)插入損耗、分 光比、半波電壓、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)的測(cè)試方法，沒有涵蓋相位調(diào)制線性度指 標(biāo)，其測(cè)試系統(tǒng)的電路部分采用前置放大器、調(diào)制解調(diào)控制部分、高精度方波 和階梯波發(fā)生器及手動(dòng)調(diào)節(jié)部分，手動(dòng)調(diào)節(jié)階梯波和信號(hào)發(fā)生器的波形幅度， 觀察示波器顯示的光電響應(yīng)曲線，即探測(cè)器的輸出波形，測(cè)試精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光纖陀螺用 Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法，提高了測(cè)量Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度的精度， 從而提高了光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方 法，其特征在于包括以下步驟
(1)建立由光源、光纖耦合器、被測(cè)Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器、 A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測(cè)試系統(tǒng)，光源產(chǎn)生的光 信號(hào)通過光纖耦合器、被測(cè)丫波導(dǎo)和光纖環(huán)，與光纖環(huán)返回的光信號(hào)在^f皮測(cè)丫 波導(dǎo)處發(fā)生干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元處理輸出數(shù)字量對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行解 算；
(2) 由數(shù)字邏輯處理單元產(chǎn)生占空比為1: 1的數(shù)字方波電壓并通過D/A 轉(zhuǎn)換器調(diào)制被測(cè)Y波導(dǎo)，其中數(shù)字方波電壓的調(diào)制頻率為薩格奈克干涉儀光 路本;[正頻率的一半；
(3) 數(shù)字方波電壓不斷線形增加幅值，其最大幅度為被測(cè)Y波導(dǎo)半波電 壓的兩倍，調(diào)制后的干涉光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元計(jì)算得到不同調(diào)制電壓^下產(chǎn)生的被測(cè)Y波導(dǎo)相位
差^;
(4) 利用最小二乘法擬合步驟(2)中調(diào)制電壓^與步驟(3)中被測(cè)Y 波導(dǎo)相位差^的關(guān)系，得到被測(cè)丫波導(dǎo)相位調(diào)制線性度。
所述的光源為SLD光源或超熒光光纖光源。
在所述步驟(3)中利用K'-^Kl-cos(^》得到不同調(diào)制電壓K下產(chǎn)生的
詳皮測(cè)Y波導(dǎo)相位差^，
式中《為數(shù)字邏輯處理單元的輸出量； Kmax為數(shù)字邏輯處理單元輸出量的最大值。
在所述步驟(4)中利用最小二乘法擬合調(diào)制電壓K與被測(cè)Y波導(dǎo)相位差 ^的關(guān)系的方法是對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差^進(jìn)行擬合得到擬合值伊',，計(jì)算p,
與y,差值的最大值A(chǔ)化^ ,利用丄，^^L計(jì)算得到被測(cè)Y波導(dǎo)相位調(diào)制的線
性度，式中p為產(chǎn)生最大值&,_處的擬合值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用光源、光纖耦合器、被測(cè) Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器組成基于受數(shù)字方波調(diào)制的薩格奈克干涉儀的光 路部分，由D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元組成薩格奈克干涉儀 的電路部分，利用數(shù)字邏輯處理單元發(fā)出占空比為1: 1的數(shù)字方波調(diào)制^l支測(cè) Y波導(dǎo)，由薩格奈克干涉儀的光路部分產(chǎn)生干涉輸出光信號(hào)，采用最小二乘法對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行擬合，得到調(diào)制線性度，而光纖陀螺采用頻率為
光纖環(huán)本征頻率的四態(tài)波或方波對(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行偏置調(diào)制，偏置調(diào)制的信號(hào)幅
度是固定的，在疊加與轉(zhuǎn)速相關(guān)的調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制的信號(hào)的大小與轉(zhuǎn)速相
關(guān)。與光纖陀螺相比，本發(fā)明采用的是占空比為1: 1、頻率為光纖環(huán)本征頻 率一半的方波對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制，并且幅度是線性增加的，采用最小二 乘法對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行擬合，明顯提高了光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的精 度，同時(shí)為Y波導(dǎo)的工藝技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)，還可以通過對(duì)調(diào)制系數(shù)進(jìn)行建 模的方式，對(duì)光纖陀螺進(jìn)行補(bǔ)償，提高光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的精度，同時(shí)由于采 用高精度D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，提高了被測(cè)Y波導(dǎo)相位 差在;r和2 7T處的測(cè)試精度。


圖1為本發(fā)明被測(cè)Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試系統(tǒng)組成圖； 圖2為本發(fā)明數(shù)字邏輯處理單元發(fā)出的#:測(cè)Y波導(dǎo)調(diào)制信號(hào)； 圖3為本發(fā)明光電探測(cè)器檢測(cè)到的干涉光信號(hào)； 圖4為本發(fā)明 一種實(shí)施例的調(diào)制電壓與相位差之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明采用的測(cè)試系統(tǒng)包括光源、光纖耦合器、被測(cè)Y波 導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯處理單元， SLD光源、光纖耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器組成了薩格奈克干涉儀 的光路部分；SLD光源或超熒光光纖光源與光纖耦合器的一個(gè)輸入端相連， 被測(cè)Y波導(dǎo)的輸入端與光路中光纖耦合器的輸出端相連，Y波導(dǎo)的輸出端與光 路中的保偏光纖環(huán)相連，光電探測(cè)器與光纖耦合器的另一個(gè)輸入端相連。光源 產(chǎn)生的光信號(hào)通過光纖耦合器、被測(cè)Y波導(dǎo)和光纖環(huán)，返回的光信號(hào)在纟皮測(cè)Y 波導(dǎo)處發(fā)生干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元輸出數(shù)字量用于解算被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差，同時(shí) 數(shù)字邏輯處理單元產(chǎn)生電信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號(hào)調(diào)制被測(cè)丫波 導(dǎo)。其中光源的尾纖采用保偏光纖，光源采用低偏光源，Y波導(dǎo)與光纖環(huán)的連接采用保偏熔接機(jī)溶接，盡量使測(cè)試的環(huán)節(jié)與光纖陀螺的光路構(gòu)成接近。圖1 中"]"代表裝有匹配液的容器，或采用其它方式做陷光處理。
數(shù)字邏輯處理單元產(chǎn)生電信號(hào)如數(shù)字方波可通過可編程邏輯器件
(FPGA)產(chǎn)生，頻率為薩格奈克干涉儀本征頻率的一半，最大幅度為被測(cè)Y 波導(dǎo)半波電壓的兩倍，幅度線性變化。調(diào)制波形還可以采用四態(tài)波或其它波 形，并在光電探測(cè)器后的信號(hào)解調(diào)方法中進(jìn)行調(diào)整即可。本發(fā)明利用Sagnac 干涉儀來(lái)測(cè)量Y波導(dǎo)的調(diào)制線性度，通過在Y波導(dǎo)上施加不同的電壓，得到 Y波導(dǎo)產(chǎn)生的不同相位差，該相位差可通過檢測(cè)光電探測(cè)器的輸出進(jìn)行解調(diào)， 然后通過最小二乘的方法進(jìn)行擬合，得到Y(jié)波導(dǎo)相位調(diào)制線性度。具體實(shí)現(xiàn) 方法如下
將Y波導(dǎo)連接于薩格奈克干涉儀光路中，通過可編程邏輯器件(FPGA) 產(chǎn)生方波數(shù)字量調(diào)制Y波導(dǎo)，頻率為干涉儀本征頻率的一半(/ =丄，r為光
在光纖環(huán)中的渡越時(shí)間)。在該頻率下，使數(shù)字方波的幅度線性變化，最大幅 度為兩倍的半波電壓，在一個(gè)溢出周期內(nèi)設(shè)置最高可輸出256個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn) 數(shù)越多，測(cè)試的精度越高。
根據(jù)Sagnac干涉儀的輸出信號(hào)
式中，v是與入射到光點(diǎn)探測(cè)器的光功率和光點(diǎn)探測(cè)器的增益有關(guān)的系 數(shù)，Ap是旋轉(zhuǎn)或非互易調(diào)制產(chǎn)生的非互易相位，在靜止的情況下進(jìn)行測(cè)試， Ap即為非互易調(diào)制產(chǎn)生的非互易相位差。
假設(shè)光纖環(huán)的實(shí)際傳輸時(shí)間為r (以下同)，r = "￡/C, L為采用光纖環(huán)
的長(zhǎng)度，C為真空中的光速，n為光纖的折射率。在Y波導(dǎo)上施加頻率為 波形幅值為7(/)的調(diào)制方波時(shí)(占空比為1: 1的方波，頻率為光^^中 光纖環(huán)本征頻率的一半)，如圖2所示光電探測(cè)器將輸出頻率為i/"的方波， 從圖3可以看出，圖的左邊是由調(diào)制產(chǎn)生的相位差，右邊是光電探測(cè)器檢測(cè)的 干涉光信號(hào)。光電探測(cè)器輸出的輸出信號(hào)可以表示為 《=^l(1 —cos④) (2)
式中^為不同調(diào)制電壓k下產(chǎn)生的y波導(dǎo)相位差，F(xiàn);為凄t字邏輯處理單元
的輸出量，K，為數(shù)字邏輯處理單元輸出量的最大值。
利用計(jì)算機(jī)采集探測(cè)器的輸出和加在Y波導(dǎo)上的調(diào)制電壓，通過纟笨測(cè)器輸 出與調(diào)制相位差之間的關(guān)系式計(jì)算調(diào)制相位差，利用最小二乘法擬合調(diào)制電壓 k與相位差^的關(guān)系，通過擬合找到^與擬和值w差值的最大值A(chǔ)^^,經(jīng)計(jì)
算得到丫波導(dǎo)相位調(diào)制線性度^=*，式中p為產(chǎn)生最大值A(chǔ)&M處的擬合 值。
如圖4所示，調(diào)制電壓0 6.3伏，幅度線性變化，相位差為0 360度， 調(diào)制電壓相位調(diào)制線性度為1873.3 ppm,較使用信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)光纖 陀螺光路中的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和檢測(cè)的調(diào)制線性度的精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大 提高了測(cè)試精度。
本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
9
權(quán)利要求
1、光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟(1)建立由光源、光纖耦合器、被測(cè)Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測(cè)試系統(tǒng)，光源產(chǎn)生的光信號(hào)通過光纖耦合器、被測(cè)Y波導(dǎo)和光纖環(huán)，與光纖環(huán)返回的光信號(hào)在被測(cè)Y波導(dǎo)處發(fā)生干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元處理輸出數(shù)字量對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行解算；(2)由數(shù)字邏輯處理單元產(chǎn)生占空比為1∶1的數(shù)字方波電壓并通過D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)制被測(cè)Y波導(dǎo)，其中數(shù)字方波電壓的調(diào)制頻率為薩格奈克干涉儀光路本征頻率的一半；(3)數(shù)字方波電壓不斷線形增加幅值，其最大幅度為被測(cè)Y波導(dǎo)半波電壓的兩倍，調(diào)制后的干涉光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元計(jì)算得到不同調(diào)制電壓Vi下產(chǎn)生的被測(cè)Y波導(dǎo)相位差；(4)利用最小二乘法擬合步驟(2)中調(diào)制電壓Vi與步驟(3)中被測(cè)Y波導(dǎo)相位差的關(guān)系，得到被測(cè)Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法， 其特征在于所述的光源為SLD光源或超焚光光纖光源。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法， 其特征在于所述的光源尾纖采用保偏光纖。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法，其特征在于在所述步驟(3)中利用《=Y(l-cosW))得到不同調(diào)制電壓K 下產(chǎn)生的^fe測(cè)Y波導(dǎo)相位差^，式中F/為數(shù)字邏輯處理單元的輸出量； 《ax為數(shù)字邏輯處理單元輸出量的最大值。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法， 其特征在于在所述步驟(4)中利用最小二乘法擬合調(diào)制電壓K與被測(cè)丫波導(dǎo)相位差^的關(guān)系的方法是對(duì)被測(cè)丫波導(dǎo)的相位差^進(jìn)行擬合得到擬合值 K，計(jì)算a與^差值的最大值A(chǔ)&^利用^=^，計(jì)算得到被測(cè)Y波導(dǎo)相位調(diào)制的線性度，式中p為產(chǎn)生最大值處的擬合值。
全文摘要
光纖陀螺用Y波導(dǎo)相位調(diào)制線性度測(cè)試方法，通過利用光源、光纖耦合器、被測(cè)Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測(cè)試系統(tǒng)，由數(shù)字邏輯處理單元發(fā)出占空比為1∶1線形變化的數(shù)字方波調(diào)制被測(cè)Y波導(dǎo)，由最小二乘法對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行擬合得到調(diào)制線性度。由于本發(fā)明采用占空比為1∶1、頻率為光纖環(huán)本征頻率一半的方波對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制，并且幅度線性增加，并利用最小二乘法對(duì)被測(cè)Y波導(dǎo)的相位差進(jìn)行擬合，提高了光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的精度，同時(shí)由于采用高精度D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，提高了被測(cè)Y波導(dǎo)相位差在π和2π處的測(cè)試精度。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101482446SQ200910078268
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者丁東發(fā), 于海成, 劉福民, 徐宇新, 晶 李, 巍 王, 相艷榮 申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司