專利名稱：光纖陀螺用y波導相位調(diào)制線性度測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法，尤其涉及 一種高精度光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度的測試方法。
背景技術：
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域的應用， 因而近些年來發(fā)展非常迅速。在中高精度領域，光纖陀螺均采用閉環(huán)方案，其 中用到一個非常關鍵的閉環(huán)器件一一Y波導，Y波導集分光/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波導的調(diào)制來實現(xiàn) 閉環(huán)的，通過在Y波導上施加一定的電壓，產(chǎn)生與電壓成比例的相位差來抵 消由于旋轉所產(chǎn)生的相位差，并將調(diào)制產(chǎn)生的相位差作為輸出信號。丫波導調(diào) 制線性度是影響高精度陀螺標度因數(shù)線性度的一項關鍵指標，研究調(diào)制線性度 的測試方法即可以準確掌握由該項參數(shù)給陀螺標度因數(shù)帶來的誤差，并可采取 一定措施進行補償，還可促進Y波導器件的技術改進。
Y波導外加電壓與相位差的關系
G義
式中，"',為非尋常光折射率，^為電光系數(shù)，r為電場和光場的重疊因 子，L為電極的長度，G為電極的間距，義為真空中波長，通常稱
y^"eV^丄;r/G/l為Y波導的調(diào)制系數(shù)。理想情況下，外加電壓與相位差是線性 關系，即yt是常數(shù)。產(chǎn)生TT相位對應的電壓稱為Y波導的半波電壓，在光纖陀
螺中，通過Y波導的半波電壓來求調(diào)制系數(shù)，并將該調(diào)制系數(shù)裝訂于系統(tǒng)， 在其它相位點都通過該系數(shù)來調(diào)整加到Y波導上的電壓值。
現(xiàn)在主要是使用信號發(fā)生器和示波器對光纖陀螺光路中的信號進行調(diào)制和
檢測，但是由于檢測出的相位差在;r和2 ;r處不準確，導致Y波導相位調(diào)制線性度測試誤差很大，造成不能正確衡量相位調(diào)制線性度與光纖陀螺標度因數(shù)的 關系。
實際上，Y波導并不如上述那么理想，受外加電場等其它因素的影響，調(diào) 制系數(shù)存在一定的非線性。調(diào)制的非線性直接導致光纖陀螺標度因數(shù)誤差，特 別是小角速率時的誤差。在高精度光纖陀螺中，目前已經(jīng)關注到半波電壓隨溫 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)非線性對陀螺標度因數(shù)的影響目前還沒有關注。"全國第十一次光纖通信 暨第十二屆集成光學學術會議論文集"公開了了丁東發(fā)等撰寫的《光纖陀螺用 Y波導電光調(diào)制特性測試研究》 一文，文中主要介紹采用Mach-Zehnder干涉儀 對相位調(diào)制線性度進行測試研究，主要利用幾個特殊點獲得相位差與調(diào)制電壓 的關系，測量精度比較低。專利申請?zhí)枮?00410003424.X的《光纖陀螺用集 成光學調(diào)制器在線測試方法及其測量裝置》 一文介紹了 Y波導插入損耗、分 光比、半波電壓、動態(tài)響應等指標的測試方法，沒有涵蓋相位調(diào)制線性度指 標，其測試系統(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)生器及手動調(diào)節(jié)部分，手動調(diào)節(jié)階梯波和信號發(fā)生器的波形幅度， 觀察示波器顯示的光電響應曲線，即探測器的輸出波形，測試精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種光纖陀螺用 Y波導相位調(diào)制線性度測試方法，提高了測量Y波導相位調(diào)制線性度的精度， 從而提高了光纖陀螺標度因數(shù)的精度。
本發(fā)明的技術解決方案是光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方 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Y波導、光纖環(huán)、光電探測器、 A/D轉換器、D/A轉換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測試系統(tǒng)，光源產(chǎn)生的光 信號通過光纖耦合器、被測丫波導和光纖環(huán)，與光纖環(huán)返回的光信號在^f皮測丫 波導處發(fā)生干涉，干涉光信號經(jīng)過光電探測器接收并轉換成電信號，經(jīng)A/D轉換器和數(shù)字邏輯處理單元處理輸出數(shù)字量對被測Y波導的相位差進行解 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 轉換器調(diào)制被測Y波導，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Y波導半波電 壓的兩倍，調(diào)制后的干涉光信號經(jīng)過光電探測器接收并轉換成電信號，經(jīng)A/D 轉換器和數(shù)字邏輯處理單元計算得到不同調(diào)制電壓^下產(chǎn)生的被測Y波導相位
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Y 波導相位差^的關系，得到被測丫波導相位調(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Y波導相位差^，
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Y波導相位差 ^的關系的方法是對被測Y波導的相位差^進行擬合得到擬合值伊',，計算p,
與y,差值的最大值A化^ ,利用丄，^^L計算得到被測Y波導相位調(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)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用光源、光纖耦合器、被測 Y波導、光纖環(huán)、光電探測器組成基于受數(shù)字方波調(diào)制的薩格奈克干涉儀的光 路部分，由D/A轉換器、A/D轉換器和數(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 Y波導，由薩格奈克干涉儀的光路部分產(chǎn)生干涉輸出光信號，采用最小二乘法對被測Y波導的相位差進行擬合，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Y波導進行偏置調(diào)制，偏置調(diào)制的信號幅
度是固定的，在疊加與轉速相關的調(diào)制信號時，調(diào)制的信號的大小與轉速相
關。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 率一半的方波對被測Y波導進行調(diào)制，并且幅度是線性增加的，采用最小二 乘法對被測Y波導的相位差進行擬合，明顯提高了光纖陀螺標度因數(shù)的精 度，同時為Y波導的工藝技術改進提供依據(jù)，還可以通過對調(diào)制系數(shù)進行建 模的方式，對光纖陀螺進行補償，提高光纖陀螺標度因數(shù)的精度，同時由于采 用高精度D/A轉換器、A/D轉換器進行調(diào)制和解調(diào)，提高了被測Y波導相位 差在;r和2 7T處的測試精度。


圖1為本發(fā)明被測Y波導相位調(diào)制線性度測試系統(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Y波導調(diào)制信號； 圖3為本發(fā)明光電探測器檢測到的干涉光信號； 圖4為本發(fā)明 一種實施例的調(diào)制電壓與相位差之間的關系圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明采用的測試系統(tǒng)包括光源、光纖耦合器、被測Y波 導、光纖環(huán)、光電探測器、A/D轉換器、D/A轉換器、數(shù)字邏輯處理單元， SLD光源、光纖耦合器、Y波導、光纖環(huán)、光電探測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輸入端相連， 被測Y波導的輸入端與光路中光纖耦合器的輸出端相連，Y波導的輸出端與光 路中的保偏光纖環(huán)相連，光電探測器與光纖耦合器的另一個輸入端相連。光源 產(chǎn)生的光信號通過光纖耦合器、被測Y波導和光纖環(huán)，返回的光信號在纟皮測Y 波導處發(fā)生干涉，干涉光信號經(jīng)過光電探測器接收并轉換成電信號，經(jīng)A/D 轉換器和數(shù)字邏輯處理單元輸出數(shù)字量用于解算被測Y波導的相位差，同時 數(shù)字邏輯處理單元產(chǎn)生電信號通過D/A轉換器產(chǎn)生模擬信號調(diào)制被測丫波 導。其中光源的尾纖采用保偏光纖，光源采用低偏光源，Y波導與光纖環(huán)的連接采用保偏熔接機溶接，盡量使測試的環(huán)節(jié)與光纖陀螺的光路構成接近。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Y 波導半波電壓的兩倍，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，并在光電探測器后的信號解調(diào)方法中進行調(diào)整即可。本發(fā)明利用Sagnac 干涉儀來測量Y波導的調(diào)制線性度，通過在Y波導上施加不同的電壓，得到 Y波導產(chǎn)生的不同相位差，該相位差可通過檢測光電探測器的輸出進行解調(diào)， 然后通過最小二乘的方法進行擬合，得到Y波導相位調(diào)制線性度。具體實現(xiàn) 方法如下
將Y波導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，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，在一個溢出周期內(nèi)設置最高可輸出256個點，數(shù)據(jù)點 數(shù)越多，測試的精度越高。
根據(jù)Sagnac干涉儀的輸出信號
式中，v是與入射到光點探測器的光功率和光點探測器的增益有關的系 數(shù)，Ap是旋轉或非互易調(diào)制產(chǎn)生的非互易相位，在靜止的情況下進行測試， Ap即為非互易調(diào)制產(chǎn)生的非互易相位差。
假設光纖環(huán)的實際傳輸時間為r (以下同)，r = "￡/C, L為采用光纖環(huán)
的長度，C為真空中的光速，n為光纖的折射率。在Y波導上施加頻率為 波形幅值為7(/)的調(diào)制方波時(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，右邊是光電探測器檢測的 干涉光信號。光電探測器輸出的輸出信號可以表示為 《=^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。
利用計算機采集探測器的輸出和加在Y波導上的調(diào)制電壓，通過纟笨測器輸 出與調(diào)制相位差之間的關系式計算調(diào)制相位差，利用最小二乘法擬合調(diào)制電壓 k與相位差^的關系，通過擬合找到^與擬和值w差值的最大值A^^,經(jīng)計
算得到丫波導相位調(diào)制線性度^=*，式中p為產(chǎn)生最大值A&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,較使用信號發(fā)生器和示波器對光纖 陀螺光路中的信號進行調(diào)制和檢測的調(diào)制線性度的精度高出一個數(shù)量級，大大 提高了測試精度。
本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領域技術人員公知技術。
9
權利要求
1、光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法，其特征在于包括以下步驟(1)建立由光源、光纖耦合器、被測Y波導、光纖環(huán)、光電探測器、A/D轉換器、D/A轉換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測試系統(tǒng)，光源產(chǎn)生的光信號通過光纖耦合器、被測Y波導和光纖環(huán)，與光纖環(huán)返回的光信號在被測Y波導處發(fā)生干涉，干涉光信號經(jīng)過光電探測器接收并轉換成電信號，經(jīng)A/D轉換器和數(shù)字邏輯處理單元處理輸出數(shù)字量對被測Y波導的相位差進行解算；(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轉換器調(diào)制被測Y波導，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Y波導半波電壓的兩倍，調(diào)制后的干涉光信號經(jīng)過光電探測器接收并轉換成電信號，經(jīng)A/D轉換器和數(shù)字邏輯處理單元計算得到不同調(diào)制電壓Vi下產(chǎn)生的被測Y波導相位差；(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Y波導相位差的關系，得到被測Y波導相位調(diào)制線性度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法， 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)權利要求2所述的光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法， 其特征在于所述的光源尾纖采用保偏光纖。
4、 根據(jù)權利要求1所述的光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法，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Y波導相位差^，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)權利要求1所述的光纖陀螺用Y波導相位調(diào)制線性度測試方法， 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與被測丫波導相位差^的關系的方法是對被測丫波導的相位差^進行擬合得到擬合值 K，計算a與^差值的最大值A&^利用^=^，計算得到被測Y波導相位調(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波導相位調(diào)制線性度測試方法，通過利用光源、光纖耦合器、被測Y波導、光纖環(huán)、光電探測器、A/D轉換器、D/A轉換器和數(shù)字邏輯處理單元組成的測試系統(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Y波導，由最小二乘法對被測Y波導的相位差進行擬合得到調(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被測Y波導進行調(diào)制，并且幅度線性增加，并利用最小二乘法對被測Y波導的相位差進行擬合，提高了光纖陀螺標度因數(shù)的精度，同時由于采用高精度D/A轉換器、A/D轉換器進行調(diào)制和解調(diào)，提高了被測Y波導相位差在π和2π處的測試精度。
文檔編號G01M11/02GK101482446SQ200910078268
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權日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 申請人:北京航天時代光電科技有限公司