專利名稱：基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估方法與裝置，屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是隨著光纖技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型光纖旋轉(zhuǎn)傳感器，由于它的相位調(diào)制傳感方式具有極高靈敏度以及精巧和高機(jī)械強(qiáng)度的實(shí)用性將成為航天、航空、航海等諸多領(lǐng)域中最具有發(fā)展前景的慣性部件，作為一種重要的慣性傳感器，測(cè)量運(yùn)載體的角速度，是構(gòu)成慣性系統(tǒng)的核心器件，相當(dāng)程度上決定了整個(gè)慣性系統(tǒng)的性能。光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的新型角速度傳感器，具有無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的全固態(tài)結(jié)·構(gòu)、動(dòng)態(tài)范圍大、帶寬大、功耗低、抗沖擊振動(dòng)、體積小、無(wú)啟動(dòng)過(guò)程、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著中低精度光纖陀螺這些年的成功應(yīng)用和光學(xué)器件性能的提高，研制用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度光纖陀螺成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。光纖陀螺的測(cè)試方法在一定程度上制約著光纖陀螺精度的提高。光纖陀螺的動(dòng)態(tài)特性是表征其可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的重要性能指標(biāo)，它的好壞直接決定了陀螺的應(yīng)用范圍，其中，頻率特性分析是動(dòng)態(tài)特性的重要部分。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺是中高精度光纖陀螺的主要方案，代表著國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究方向。為了提高光纖陀螺的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，提高閉環(huán)的跟蹤特性，光纖陀螺的研究人員一直努力通過(guò)改善閉環(huán)反饋的控制算法來(lái)提高動(dòng)態(tài)特性，反應(yīng)改善動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)指標(biāo)是頻率特性增強(qiáng)即帶寬增大。傳統(tǒng)的光纖陀螺動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法是采用突停臺(tái)和角振動(dòng)臺(tái)等機(jī)械設(shè)備分別測(cè)量陀螺的階躍響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線。采用角振動(dòng)臺(tái)測(cè)試陀螺帶寬時(shí)，角振動(dòng)臺(tái)以正弦交變的角速率運(yùn)動(dòng)，它能提供不同頻率、不同幅度的角速率。光纖陀螺承受不同頻率的正弦信號(hào)輸入，記錄相應(yīng)的輸入角振動(dòng)幅值及相位，測(cè)量光纖陀螺輸出信號(hào)的幅度和相位，便可獲得光纖陀螺的頻率特性。由于一般角振動(dòng)臺(tái)是針對(duì)機(jī)械陀螺而設(shè)計(jì)的，輸出角振動(dòng)頻率一般的僅有200Hz到300Hz左右，目前國(guó)內(nèi)最為先進(jìn)的角振動(dòng)臺(tái)的最大工作頻率范圍只能達(dá)到500Hz，但光纖陀螺的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)500Hz，遠(yuǎn)不能滿足數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的要求。半實(shí)物仿真測(cè)試方案都是在光纖陀螺的光纖環(huán)上添加擾動(dòng)信號(hào)，利用兩束相向傳播的光經(jīng)過(guò)擾動(dòng)處得時(shí)間不同，差別一個(gè)延遲時(shí)間τ，從而產(chǎn)生相位差，代替了輸入角速度引起的Sagnac相位差，改變擾動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)而測(cè)出頻率特性。其中以下是具體的實(shí)現(xiàn)方案利用PZT施加調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率特性評(píng)估方案根據(jù)光纖陀螺的工作原理，在陀螺光纖環(huán)中引入一個(gè)PZT元件，通過(guò)給PZT施加一定頻率的正弦調(diào)制來(lái)模擬一個(gè)正弦變化的角速率，從而測(cè)得光纖陀螺的幅頻響應(yīng)曲線，進(jìn)而確定其帶寬。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖I所示。閉環(huán)光纖陀螺的工作原理由SLD光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合器后由起偏器起偏，變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在相位調(diào)制器處受到相位調(diào)制。經(jīng)過(guò)光纖環(huán)的兩束光發(fā)生干涉，最后，攜帶相位信息的光由耦合器進(jìn)入Pin探測(cè)器。前置放大電路對(duì)PIN/FET輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時(shí)，輸出一個(gè)方波信號(hào)疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)
相位調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和±|調(diào)制。根據(jù)以上閉環(huán)光纖陀螺的工作原理，在陀螺光纖環(huán)中引入一個(gè)PZT元件，通過(guò)給PZT施加一定頻率的正弦電壓信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)正弦調(diào)制來(lái)模擬一個(gè)正弦變化的角速率，從而測(cè)得光纖陀螺的幅頻響應(yīng)曲線，進(jìn)而確定其帶寬。通過(guò)集成光學(xué)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)態(tài)測(cè)試方法測(cè)得帶寬方案利用光纖陀螺閉環(huán)檢測(cè)的原理，在反饋階梯波上迭加所需的信號(hào)，用階梯波引起的兩束光之間的相位差來(lái)代替輸入角速度引起的Sagnac相位差。其先后提出了在反饋階梯波上添加階躍信號(hào)、正弦信號(hào)、偽隨機(jī)信號(hào)作為外部信號(hào)3種方案。另外，在反饋階梯波上添加偽隨機(jī)信號(hào)作為外部信·號(hào)再用相關(guān)識(shí)別方法，將數(shù)字閉環(huán)輸出經(jīng)過(guò)小波濾波后的信號(hào)與偽隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后得到陀螺閉環(huán)回路的脈沖響應(yīng)，再通過(guò)傅里葉變換得到陀螺的幅頻特性和相頻特性。結(jié)構(gòu)如圖2所示。閉環(huán)光纖陀螺的工作原理由SLD光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合器后由起偏器起偏，變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在相位調(diào)制器處受到相位調(diào)制。經(jīng)過(guò)光纖環(huán)的兩束光發(fā)生干涉，最后，攜帶相位信息的光由耦合器進(jìn)入Pin探測(cè)器。前置放大電路對(duì)PIN/FET輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時(shí)，輸出一個(gè)方波信號(hào)疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后
施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和±f調(diào)制。根據(jù)以上閉環(huán)光纖陀螺的工作原理，通過(guò)在光纖陀螺反饋階梯波上疊加正弦信號(hào)用于等效外部輸入角速度，對(duì)陀螺解調(diào)輸出信號(hào)按照幅值進(jìn)行判斷得到陀螺帶寬。半實(shí)物仿真測(cè)試方案關(guān)鍵就是兩束相向傳播的光經(jīng)過(guò)擾動(dòng)處得時(shí)間差值為延遲時(shí)間τ，但是延遲時(shí)間τ 一般很小，只有μ s量級(jí)的，在測(cè)量低頻時(shí)，添加的外加信號(hào)頻率小，變化比較慢，在μ s量級(jí)的時(shí)間內(nèi)變化不明顯，由于光纖陀螺光路的互易性，導(dǎo)致低頻時(shí)的擾動(dòng)對(duì)相位變化不明顯，只能靠增大擾動(dòng)的幅值來(lái)改善，所以在低頻段不易等效輸入測(cè)量頻率特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置與方法，本裝置可以測(cè)量光纖陀螺的全帶寬內(nèi)的頻率特性，為光纖陀螺閉環(huán)控制的研究提供驗(yàn)證手段。另外，可以得出已定型產(chǎn)品的光纖陀螺的閉環(huán)帶寬，為光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性的適用范圍提供依據(jù)。一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，包括激勵(lì)電流源、敏感光路和模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路；激勵(lì)電流源包括信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)換放大電路和電流線圈；信號(hào)發(fā)生器生成交變電流信號(hào)，交變電流信號(hào)輸出至轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)換放大電路對(duì)交變電流信號(hào)進(jìn)行交流放大，然后將交變電流輸出至電流線圈，電流線圈纏繞在敏感光路的傳感光纖上，電流線圈中通入交變電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使敏感光路中的傳感光纖感應(yīng)Faraday效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了信號(hào)由激勵(lì)電流源傳遞到敏感光路中；轉(zhuǎn)換放大電路輸出的交變電流經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣電阻后，得到采樣電壓，將采樣電壓輸出至鎖相放大器的參考端口 ；敏感光路包括光源、環(huán)形器、Y波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束器、保偏光纖環(huán)、λ /4波片、傳感光纖、反射鏡和探測(cè)器；光源發(fā)出光，光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器處起偏為線偏振光然后受到相位調(diào)制，調(diào)制后的偏振光輸出至偏振分束器，偏振光由偏振分束器的兩個(gè)尾纖耦合后，注入保偏光纖環(huán)，偏振光分別沿保偏光纖環(huán)的X軸和Y軸傳輸,進(jìn)入λ / 4波片后,在λ/4波片中,偏振光分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖，兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化(F = 2VNI)，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小。兩束圓偏振光以不同的速度傳輸，輸出至反射鏡，在反射鏡的鏡面處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次穿過(guò)傳感光纖，使兩束圓偏振光產(chǎn)生的相位加倍(2F = 4VNI);兩束圓偏振光再次通過(guò)λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉；攜帶相位信息的光由環(huán)形器進(jìn)入探測(cè)·器，探測(cè)器實(shí)現(xiàn)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出至前置放大電路；模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理單兀、第一 D/A轉(zhuǎn)換電路、第二 D/A轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器；前置放大電路對(duì)探測(cè)器輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波，然后輸出至A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)模擬的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測(cè)電壓信號(hào)，輸出至數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)兩個(gè)相鄰的延遲時(shí)間內(nèi)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相減進(jìn)行解調(diào)，把解調(diào)結(jié)果進(jìn)行累加想成階梯波，同時(shí)，在階梯波上疊加方波信號(hào)，得到疊加信號(hào)，將疊加信號(hào)輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路，第
一D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字的疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號(hào)，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)
閉環(huán)反饋和±f調(diào)制，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理單元還將解調(diào)的結(jié)果輸出至第二 D/A轉(zhuǎn)換電路，第
二D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字解調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬解調(diào)結(jié)果，輸出至鎖相放大器的信號(hào)通道端口進(jìn)行測(cè)量，鎖相放大器測(cè)量幅值與相位差大小，實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)形器后進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器處調(diào)制為線偏振光受到相位調(diào)制；偏振光由偏振分束器的兩個(gè)尾纖耦合后注入保偏光纖環(huán)，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經(jīng)過(guò)λ /4波片后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖；由于激勵(lì)交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖中產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng)，使這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化，(F = 2VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小，)兩束圓偏振光以不同的速度傳輸，在反射鏡處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次穿過(guò)傳感光纖，并經(jīng)歷Faraday效應(yīng)使兩束光產(chǎn)生的相位加倍，2F = 4VNI，兩束光再次通過(guò)λ /4波片后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉；最后，攜帶相位信息的光由環(huán)形器進(jìn)入探測(cè)器，返回探測(cè)器的光只攜帶了由于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差；步驟二 前置放大電路對(duì)光電探測(cè)器輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時(shí)，輸出一個(gè)方波信號(hào)疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)第一 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和土 π/2調(diào)制；同時(shí)，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過(guò)第二D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器的信號(hào)通道端口進(jìn)行測(cè)量；利用鎖相放大器測(cè)量信號(hào)幅值與相位差的大小，改變激勵(lì)電流信號(hào)的頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明應(yīng)用的Faraday效應(yīng)是采用正弦電流激勵(lì)敏感光路產(chǎn)生，其中作為激勵(lì)信號(hào)的正弦信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高頻率輸出，解決了光纖陀螺的頻率特性測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)輸出頻率有限的問(wèn)題，所以可以實(shí)現(xiàn)高帶寬的評(píng)估；(2)本裝置中采用的是對(duì)Faraday效應(yīng)敏感的傳感光路，能夠更好的敏感電流產(chǎn)生Faraday效應(yīng)，提高了敏感信號(hào)的信噪比；(3)本裝置的電路是模擬了光纖陀螺的信號(hào)檢測(cè)電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的前·向增益與反饋增益來(lái)模擬光纖陀螺，從而實(shí)現(xiàn)頻率特性的準(zhǔn)確評(píng)估；(4)本裝置內(nèi)安裝了 4個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖環(huán)，只要通過(guò)跳線即可連接上光纖環(huán)，這樣就可以來(lái)評(píng)估不同長(zhǎng)度光纖環(huán)的光纖陀螺頻率特性，增加了本評(píng)估裝置的適用性；(5)本裝置的評(píng)估方法是采用鎖相放大器，能夠準(zhǔn)確評(píng)估光纖陀螺的帶寬。


圖I是背景技術(shù)中利用PZT的半實(shí)物仿真原理圖；圖2是背景技術(shù)中利用集成光學(xué)調(diào)制器的半實(shí)物仿真原理圖；圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I-激勵(lì)電流源2-敏感光路3-模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路101-信號(hào)發(fā)生器102-轉(zhuǎn)換放大電路 103-電流線圈201-SLD 光源202-環(huán)形器204-Y波導(dǎo)相位調(diào)制器205-偏振分束器206-保偏光纖環(huán)207-λ/4波片208-傳感光纖209-反射鏡210-探測(cè)器301-前置放大電路 302-A/D轉(zhuǎn)換電路 303-數(shù)字信號(hào)處理單元304-第一 D/A轉(zhuǎn)換電路305-第二 D/A轉(zhuǎn)換電路306-鎖相放大器
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，如圖3所示，包括激勵(lì)電流源I、敏感光路2和模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路3。激勵(lì)電流源I為本裝置提供激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)改變激勵(lì)信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)掃頻，完成頻率特性的評(píng)估。激勵(lì)電流源I包括信號(hào)發(fā)生器101、轉(zhuǎn)換放大電路102和電流線圈103。激勵(lì)電流源I是采用三極管交流轉(zhuǎn)換放大。放大基本原理是在輸入信號(hào)為O時(shí)，放大電路在工作在放大狀態(tài)，并且有合適的直流工作點(diǎn)。當(dāng)有交流信號(hào)加入放大電路后，弓I起基極電流在原來(lái)直流的基礎(chǔ)上做相應(yīng)的變化，基極電流變化使得集電極電流隨之成β(β為交流放大倍數(shù))的變化，實(shí)現(xiàn)電流的放大。為了滿足以上交流大電流輸出和長(zhǎng)時(shí)間工作的要求，并且消除交越失真，采用雙電源互補(bǔ)對(duì)稱的推挽式三極管對(duì)管放大的形式，實(shí)現(xiàn)推挽式的兩個(gè)三極管分別在正弦信號(hào)的正負(fù)周期內(nèi)放大，解決了交越失真的問(wèn)題。信號(hào)發(fā)生器101生成交變電流信號(hào)，交變電流信號(hào)的頻率能夠通過(guò)信號(hào)發(fā)生器101調(diào)節(jié)，交變電流信號(hào)輸出至轉(zhuǎn)換放大電路102，轉(zhuǎn)換放大電路102對(duì)交變電流信號(hào)進(jìn)行交流放大，然后將交變電流輸出至電流線圈103，電流線圈103纏繞在敏感光路2的傳感光纖208上，電流線圈103中通入交變電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使敏感光路2中的傳感光纖208感應(yīng)Faraday效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)由激勵(lì)電流源傳遞到敏感光路中。轉(zhuǎn)換放大電路102輸出的交變電流經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣電阻后，得到采樣電壓，將采樣電壓輸出至鎖相放大器305的參考端口。敏感光路2包括SLD光源201、環(huán)形器202、Υ波導(dǎo)相位調(diào)制器204、偏振分束器205、保偏光纖環(huán)206、λ /4波片207、傳感光纖208、反射鏡209、探測(cè)器210。SLD光源201發(fā)出光，光經(jīng)過(guò)一個(gè)單模環(huán)形器202后，進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204，·在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204處起偏為線偏振光后受到相位調(diào)制，調(diào)制后的偏振光輸出至偏振分束器205,偏振光由偏振分束器205的兩個(gè)尾纖稱合后,注入保偏光纖環(huán)206,偏振光分別沿保偏光纖環(huán)206的X軸和Y軸傳輸，進(jìn)入λ /4波片207后，在λ /4波片207中，偏振光分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖208，由于激勵(lì)交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖208中產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng)，使這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化(F = 2VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小)，兩束圓偏振光以不同的速度傳輸，輸出至反射鏡209，在反射鏡209的鏡面處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次穿過(guò)傳感光纖208，并經(jīng)歷Faraday效應(yīng)，使兩束圓偏振光產(chǎn)生的相位加倍(2F = 4VNI)。這兩束圓偏振光再次通過(guò)λ/4波片207后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由單模環(huán)形器202進(jìn)入探測(cè)器210，探測(cè)器210實(shí)現(xiàn)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出至前置放大電路301，本發(fā)明通過(guò)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)由敏感光路2中傳遞到電路中。所述的保偏光纖環(huán)206中設(shè)有4個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖環(huán),分別為570m、350m、100m和200m，當(dāng)需要使用其中一個(gè)長(zhǎng)度的光線環(huán)時(shí)，將選中的光線環(huán)通過(guò)跳線分別與偏振分束器205、λ /4波片207連接，組成保偏光纖環(huán)206，這樣就可以來(lái)評(píng)估不同長(zhǎng)度光纖環(huán)的光纖陀螺頻率特性，增加了本評(píng)估裝置的適用性。模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路3包括前置放大電路301、A/D轉(zhuǎn)換電路302、數(shù)字信號(hào)處理單元303、第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304、第二 D/A轉(zhuǎn)換電路305和鎖相放大器306。前置放大電路301對(duì)探測(cè)器210輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波，然后輸出至A/D轉(zhuǎn)換電路302，A/D轉(zhuǎn)換電路302對(duì)模擬的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測(cè)電壓信號(hào)，輸出至數(shù)字信號(hào)處理單元303，數(shù)字信號(hào)處理單元303對(duì)兩個(gè)相鄰的延遲時(shí)間內(nèi)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相減進(jìn)行解調(diào)，把解調(diào)結(jié)果進(jìn)行累加想成階梯波，同時(shí)，在階梯波上疊加方波信號(hào)，得到疊加信號(hào)，將疊加信號(hào)輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304,第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304將數(shù)字的疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號(hào)，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和
±士調(diào)制，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理單元303還將解調(diào)的結(jié)果輸出至第二 D/A轉(zhuǎn)換電路305，第二
D/A轉(zhuǎn)換電路305將數(shù)字解調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬解調(diào)結(jié)果，輸出至鎖相放大器306的信號(hào)通道端口進(jìn)行測(cè)量，鎖相放大器306測(cè)量幅值與相位差大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。激勵(lì)電流源I與敏感光路2之間的連接是通過(guò)把線圈纏繞在傳感光纖208上實(shí)現(xiàn)，在敏感光路2與模擬光纖陀螺信號(hào)處理的檢測(cè)電路3的連接是通過(guò)光電探測(cè)器210實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是采用的頻率可調(diào)的交流電流激勵(lì)磁敏感光路產(chǎn)生Faraday效應(yīng)，F(xiàn)araday效應(yīng)產(chǎn)生的相位差替代Sagnac效應(yīng)的相位差，因?yàn)榻涣鞯恼译娏骺梢詫?shí)現(xiàn)高頻輸出，通過(guò)檢測(cè)Faraday效應(yīng)的相位差就可以實(shí)現(xiàn)了低頻和高頻段內(nèi)的頻率特性評(píng)估測(cè)試，尤其是實(shí)現(xiàn)高頻段的評(píng)估，即解決了傳統(tǒng)方法評(píng)估頻率有限的缺點(diǎn)和半實(shí)物仿真方案的在低頻段的反應(yīng)不明顯的缺陷。本發(fā)明能夠測(cè)量光纖陀螺的頻率特性，也就能夠測(cè)出陀螺的帶寬。其意義一、通過(guò)課題的研究，可以為光纖陀螺閉環(huán)控制算法的研究提供驗(yàn)證手段。二、通過(guò)對(duì)算法的評(píng)估測(cè)試，可以得出已定型產(chǎn)品的光纖陀螺的閉環(huán)帶寬，為光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性的適用范圍提供依據(jù)?！け景l(fā)明是一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一由SLD光源I發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)單模環(huán)形器202后由光纖起偏器203起偏，變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204，在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204處受到相位調(diào)制。偏振光由偏振分束器205的兩個(gè)尾纖耦合后注入保偏光纖環(huán)206，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經(jīng)過(guò)λ/4波片207后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖208。由于激勵(lì)交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖208中產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng),使這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化(F = 2VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小)并以不同的速度傳輸，在反射鏡209處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換,再次穿過(guò)傳感光纖208，并經(jīng)歷Faraday效應(yīng)使兩束光產(chǎn)生的相位加倍(2F =4VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小)。這兩束光再次通過(guò)λ/4波片207后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由單模環(huán)形器202進(jìn)入探測(cè)器210。由于發(fā)生干涉的兩束光，在光路傳輸過(guò)程中，分別都經(jīng)過(guò)了保偏光纖的X軸和Y軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時(shí)間上略有差別，因此返回探測(cè)器210的光只攜帶了由于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差。步驟二 前置放大電路301對(duì)光電探測(cè)器210輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路302進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字信號(hào)處理單元303進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，信號(hào)處理單元303把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時(shí)，輸出一個(gè)方波信號(hào)疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和土 π /2調(diào)制。同時(shí)，信號(hào)處理單元303把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過(guò)第二 D/A轉(zhuǎn)換電路305轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器306的測(cè)試端口進(jìn)行測(cè)量。利用鎖相放大器305測(cè)量信號(hào)幅值與相位差的大小，改變激勵(lì)電流信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。
權(quán)利要求
1.一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，其特征在于，包括激勵(lì)電流源、敏感光路和模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路； 激勵(lì)電流源包括信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)換放大電路和電流線圈；信號(hào)發(fā)生器生成交變電流信號(hào)，交變電流信號(hào)輸出至轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)換放大電路對(duì)交變電流信號(hào)進(jìn)行交流放大，然后將交變電流輸出至電流線圈，電流線圈纏繞在敏感光路的傳感光纖上，電流線圈中通入交變電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使敏感光路中的傳感光纖感應(yīng)Faraday效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)由激勵(lì)電流源傳遞到敏感光路中；轉(zhuǎn)換放大電路輸出的交變電流經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣電阻后，得到采樣電壓，將采樣電壓輸出至鎖相放大器的參考端口； 敏感光路包括光源、環(huán)形器、Y波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束器、保偏光纖環(huán)、λ/4波片、傳感光纖、反射鏡和探測(cè)器；光源發(fā)出光，光經(jīng)過(guò)環(huán)形器后，進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器處起偏為線偏振光后受到相位調(diào)制，調(diào)制后的偏振光輸出至偏振分束器，偏振光由偏振分束器的兩個(gè)尾纖耦合后，注入保偏光纖環(huán)，偏振光分別沿保偏光纖環(huán)的X軸和Y軸傳輸，進(jìn)入λ/4波片后，在λ/4波片中，偏振光分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖，兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化，F(xiàn) = 2VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小，兩束圓偏振光以不同的速度傳輸，輸出至反射鏡，在反射鏡的鏡面處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次穿過(guò)傳感光纖，使兩束圓偏振光產(chǎn)生的相位加倍2F = 4VNI ;兩束圓偏振光再次通過(guò)λ /4波片后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉；攜帶相位信息的光由環(huán)形器進(jìn)入探測(cè)器，探測(cè)器實(shí)現(xiàn)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出至前置放大電路； 模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理單兀、第一 D/A轉(zhuǎn)換電路、第二 D/A轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器；前置放大電路對(duì)探測(cè)器輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波，然后輸出至A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)模擬的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測(cè)電壓信號(hào)，輸出至數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)兩個(gè)相鄰的延遲時(shí)間內(nèi)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相減進(jìn)行解調(diào)，把解調(diào)結(jié)果進(jìn)行累加想成階梯波，同時(shí)，在階梯波上疊加方波信號(hào)，得到疊加信號(hào)，將疊加信號(hào)輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路，第一D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字的疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號(hào)，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和±f調(diào)制，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理單元還將解調(diào)的結(jié)果輸出至第二 D/A轉(zhuǎn)換電路，第二D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字解調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬解調(diào)結(jié)果，輸出至鎖相放大器的信號(hào)通道端口進(jìn)行測(cè)量，鎖相放大器測(cè)量幅值與相位差大小，實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，其特征在于，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)交變電流信號(hào)的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，其特征在于，所述的光源為SLD光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，其特征在于，所述的保偏光纖環(huán)中設(shè)有4個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖環(huán),分別為570m、350m、IOOm和200m,當(dāng)需要使用其中一個(gè)長(zhǎng)度的光線環(huán)時(shí)，將選中的光線環(huán)通過(guò)跳線分別與偏振分束器、λ/4波片連接，組成保偏光纖環(huán)。
5.—種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估方法,包括以下幾個(gè)步驟步驟一由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)形器后進(jìn)入Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器處調(diào)制為線偏振光受到相位調(diào)制；偏振光由偏振分束器的兩個(gè)尾纖耦合后注入保偏光纖環(huán)，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經(jīng)過(guò)λ /4波片后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，并進(jìn)入傳感光纖；由于激勵(lì)交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，在傳感光纖中產(chǎn)生Faraday磁光效應(yīng)，使這兩束圓偏振光的相位發(fā)生變化，F(xiàn) = 2VNI，其中，F(xiàn)為Faraday效應(yīng)相位差，V為Verdet常數(shù)，N為纏繞導(dǎo)線的匝數(shù)，I為電流大小，并以不同的速度傳輸，在反射鏡處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換，再次穿過(guò)傳感光纖，并經(jīng)歷Faraday效應(yīng)使兩束光產(chǎn)生的相位加倍，2F = 4VNI，兩束光再次通過(guò)λ /4波片后，恢復(fù)為線偏振光，然后兩束線偏振光發(fā)生干涉；最后，攜帶相位信息的光由環(huán)形器進(jìn)入探測(cè)器，返回探測(cè)器的光只攜帶了由于Faraday效應(yīng)產(chǎn)生的非互易相位差； 步驟二 前置放大電路對(duì)光電探測(cè)器輸出的待測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時(shí)，輸出一個(gè)方波信號(hào)疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)第一 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和 土 n/2調(diào)制；同時(shí)，信號(hào)處理單元把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過(guò)第二 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器的測(cè)試端口進(jìn)行測(cè)量；利用鎖相放大器測(cè)量信號(hào)幅值與相位差的大小，改變激勵(lì)電流信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了頻率特性評(píng)估。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評(píng)估裝置，激勵(lì)電流源包括信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)換放大電路和電流線圈。敏感光路包括光源、環(huán)形器、Y波導(dǎo)相位調(diào)制器、偏振分束器、保偏光纖環(huán)、λ/4波片、傳感光纖、反射鏡和探測(cè)器；模擬光纖陀螺信號(hào)處理檢測(cè)電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理單元、第一D/A轉(zhuǎn)換電路、第二D/A轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器；本發(fā)明應(yīng)用的Faraday效應(yīng)是采用正弦電流激勵(lì)敏感光路產(chǎn)生，其中作為激勵(lì)信號(hào)的正弦信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)高頻率輸出，解決了光纖陀螺的頻率特性測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)輸出頻率有限的問(wèn)題，所以可以實(shí)現(xiàn)高帶寬的評(píng)估。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102788595SQ201210264008
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者于佳, 馮秀娟, 張晞, 張猛, 李傳生, 李立京, 王夏霄, 鄔戰(zhàn)軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)