一種光纖陀螺本征頻率的測量方法技術

本發明專利技術提出一種光纖陀螺本征頻率的測量方法，該方法基于偶倍頻本征頻率方波相位過調制的光纖陀螺本征頻率測量系統，測量系統采用的光路與實際陀螺的光路完全一致，典型光路包括光源、耦合器、Y波導、光纖環、光電探測器。本發明專利技術與現有的方法相比降低了對方波調制信號質量的嚴格要求，具有方法簡單、低成本、容易實現的優點，可以在現有陀螺系統不需要增加硬件的基礎上大幅度提高本征頻率的測量精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光纖傳感
，具體涉及，可用于慣導級及其以下精度光纖陀螺本征頻率的測量。
技術介紹
光纖陀螺的本征頻率是光纖陀螺中的一個非常重要的參數。本征頻率被定義為fp=l/2T，其中τ為光在光纖環中傳播的時間。光纖陀螺一般采用頻率等于本征頻率的方波信號對其進行調制，當調制頻率與本征頻率不相等時會引入調制誤差，這會影響光纖陀螺的工作特性，而調整調制頻率在本征頻率點，則可以有效減少或消除誤差源，這對于提高光纖陀螺特別是高精度光纖陀螺的工作性能而言是非常重要的。光纖陀螺本征頻率的常用測量方式是在靜態常溫下采取手動測試方法。首先根據 光纖環的長度推算出本征頻率的理論值，然后在該值附近改變調制頻率，觀察陀螺輸出。當陀螺輸出的零偏最小時，以此調制頻率作為該光纖陀螺的本征頻率。但該方法受人為因素影響較大，測量結果誤差較大。為了準確測量光纖陀螺本征頻率，周友偉等提出一種基于對稱方波調制的本征頻率測試方法，其原理是采用頻率為光纖環本征頻率的1/2的對稱方波對Y波導進行調制，測量探測器輸出信號的占空比，當占空比為50%時，計算得到本征頻率；北航宋凝芳教授等提出了一種基于任意占空比的不對稱方波作為調制波來測量光纖陀螺本征頻率的方法，并給出測試本征頻率時調制方波占空比的最佳范圍，這種方法的精度為O. IkHz0這兩種方法都需要對光電探測器輸出干擾脈沖的寬度進行采樣，比較相鄰兩個脈沖的寬度，當寬度差為O時即得到光纖環的本征頻率或本征頻率的一半。但是由于實際電路的調制波形都是只能近似理想，其輸出特性受光纖的幾何長度、折射率及信號處理系統中電子元器件性能的影響，同時受波導內部的分布電容、負載阻抗與信號處理電路的匹配程度的影響，進而影響調制方波的對稱性、形狀、上升時間、下降時間等參數，因此這使得精確測量脈沖寬度變得很困難，而這也導致本征頻率測量中存在“調制死區”現象。所謂“調制死區”就是在實際的電路系統中，當調制頻率接近本征頻率到一定范圍內時，用來計算本征頻率的測量信號保持一定值。這些因素的存在導致特征頻率的測量精度很難保證。針對目前本征頻率測量存在的問題，王曦等提出了 2倍本征頻率方波相位調制的測量方法，但其精度較低。在該方法的基礎上，本專利技術提出了一種基于偶倍本征頻率方波相位過調制的新測量方法，這種方法與現有的方法相比降低了對方波調制信號質量的嚴格要求，具有方法簡單、低成本、容易實現的優點，可以在現有陀螺系統不需要增加硬件的基礎上大幅度提高本征頻率的測量精度，這對于現有大多數光纖陀螺而言更具有重要的實用意義。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種基于偶倍本征頻率方波相位過調制的光纖陀螺本征頻率測量方法，可實現慣性級及以下級別光纖陀螺本征頻率的準確測量。本專利技術采用的技術方案在于，該方法基于偶倍頻本征頻率方波相位過調制的光纖陀螺本征頻率測量系統，測量系統采用的光路與實際陀螺的光路完全一致，光路包括光源、耦合器、Y波導、光纖環、光電探測器，其中光源采用的是ASE光纖光源，光電探測器采用的是PIN-FET組件；光源輸出與稱合器端口 A相連,稱合器C端口與Y波導相連,而Y波導與光纖環熔接在一起，耦合器B端口則與光電探測器PIN-FET相連，激光器驅動器為ASE光纖光源提供恒定的驅動，Y波導的調制信號由信號發生器提供，而PIN-FET輸出的信號直接輸入到數字示波器；該方法具體測量步驟如下步驟(I)、按照要求，將測量系統連接好；步驟(2)、首先根據公式fp=l/2 τ和τ =nl/c初步確定光纖環的本征頻率,式中 n ^ I. 5、I為光纖環的長度、c為真空中的光速；步驟(3)、確定方波調制頻率大小，其值為偶倍本征頻率；步驟(4)、根據Y波導的數據資料，得到其半波電壓大小，并確定方波調制電壓幅值為半波電壓的四分之一；步驟(5)、通過信號發生器產生由步驟(3)、步驟(4)確定的方波對Y波導進行調制；步驟(6)、改變方波調制信號的頻率，并利用數字示波器實時測量PIN-FET組件輸出的信號，直到光電探測器輸出一條無脈沖的直線，記錄測量過程中調制頻率值和探測器輸出脈沖幅值大小,并畫成曲線,其中橫坐標為頻率值,縱坐標為脈沖幅值大??；步驟(7)、增大方波調制信號的幅值，重復步驟(6)，直到再增加方波幅值大小，測量的頻率范圍已經不變，此時調制死區最小，得到的調制頻率范圍即為可測量的本征頻率范圍；步驟(8)、考慮到本征頻率測量曲線的對稱性，取步驟(7)中測量曲線的中間位置，即得到最終的本征頻率大小。其中，所述的光纖環的光纖為保偏光纖或其它類型光纖。其中，所述的Y波導為多功能集成光學器件。其中，所述的PIN-FET為光電探測器組件。其中，所述的信號發生器采用的是普通商用多功能信號發生器，示波器采用的是普通商用數字示波器。其中，所述的采用過調制的方法是指通過改變Y波導的調制電壓幅值，使偏置相位大于η/2形成過調制。其中，所述的步驟(3)中偶倍本征頻率選擇為2倍頻。本專利技術的原理在于基于偶倍本征頻率方波調制的測量方法是用頻率為偶數K倍(K = 2，4，8···，常用K = 2)光纖環本征頻率&附近的方波對Y波導進行調制，分析光電探測器的輸出脈沖信號，得到輸出脈沖信號幅值與調制方波頻率的關系，從而并將本征頻率測試轉化成脈沖測試的問題。假設光纖環的本征頻率為fp=l/2 τ，其中τ為光在光纖環中傳播的時間。采用的調制方波的頻率fm=l/Tm，其中調制方波周期為Tm，占空比為50%，調制相位為Om(t)。調制方波通過調制Y波導(多功能集成光學器件)對光纖環中順時針光(Clockwise，簡稱CW光)和逆時針光(Counter-Clockwise，簡稱CCW光)進行相位調制，則得到兩束光的調制相位差表達式(I)Δ φηια) = φ α)-φε α-τ)(I)由光纖陀螺的Sagnac效應可知，兩束相干光經光電探測器后的輸出信號是Vpd(t)=V0{l+cos[ Φ3+Δ Φηι( )]}(2)其中，Vtl是兩束光相位差為O時在探測器產生的光生電壓，Φ3為光纖環繞軸旋轉引起的相位差。這里為分析方便，以K = 2，即2倍本征頻率方波調制為例介紹其工作原理 Α.第一種情況調制頻率< 2倍本征頻率fp當調制頻率fm小于2倍本征頻率fp時，利用此方波對光纖環中的兩束光進行調制，兩束光的相位及相位差關系如圖I (a)、(b)和(C)所示。當光纖環靜止不動時，Φ3=0，可以得到光電探測器的輸出Vpd (t)，如圖I (d)所示，具體表達式為Vpd (O = v0{l + cos [φ8 + Δ4 (O]} ^v0kTm<t<kTm-TJ2+T K [I+ 咖汽Α·/；,-7；/2-γ < I < kTm + Tin 12 (3)= I 2 F0kTm+Tm/2<t<kTm+T 1^；[I+ COS^] kTi;+r<i<{k+ })■/,B.第二種情況調制頻率> 2倍本征頻率fp當調制頻率fm大于2倍本征頻率fp時，利用此方波對光纖環中的兩束光進行調制，兩束光的相位及相位差關系如圖2 (a)、(b)和(C)所示。當光纖環靜止不動時，Φ3=0，可以得到光電探測器的輸出Vpd (t)，如圖2 (d)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光纖陀螺本征頻率的測量方法，其特征在于：該方法基于偶倍頻本征頻率方波相位過調制的光纖陀螺本征頻率測量系統，測量系統采用的光路與實際陀螺的光路完全一致，這部分光路包括光源、耦合器、Y波導、光纖環、光電探測器，其中光源采用的是ASE光纖光源，光電探測器采用的是PIN？FET組件；光源輸出與耦合器端口A相連，耦合器C端口與Y波導相連，而Y波導與光纖環熔接在一起，耦合器B端口則與光電探測器PIN？FET相連，激光器驅動器為ASE光纖光源提供恒定的驅動，Y波導的調制信號由信號發生器提供，而PIN？FET輸出的信號直接輸入到數字示波器；該方法具體測量步驟如下：步驟（1）、按照要求，將測量系統連接好；步驟（2）、首先根據公式fp=1/2τ和τ=nl/c初步確定光纖環的本征頻率，式中n≈1.5、l為光纖環的長度、c為真空中的光速；步驟（3）、確定方波調制頻率大小，其值為偶倍本征頻率；步驟（4）、根據Y波導的數據資料，得到其半波電壓大小，并確定方波調制電壓幅值為半波電壓的四分之一；步驟（5）、通過信號發生器產生由步驟（3）、步驟（4）確定的方波對Y波導進行調制；步驟（6）、改變方波調制信號的頻率，并利用數字示波器實時測量PIN？FET組件輸出的信號，直到光電探測器輸出一條無脈沖的直線，記錄測量過程中調制頻率值和探測器輸出脈沖幅值大小，并畫成曲線，其中橫坐標為頻率值，縱坐標為脈沖幅值大?。徊襟E（7）、增大方波調制信號的幅值，重復步驟（6），直到再增加方波幅值大小，測量的頻率范圍已經不變，此時調制死區最小，得到的調制頻率范圍即為可測量的本征頻率范圍；步驟（8）、考慮到本征頻率測量曲線的對稱性，取步驟（7）中測量曲線的中間位置，即得到最終的本征頻率大小。...

【技術特征摘要】
1.一種光纖陀螺本征頻率的測量方法，其特征在于該方法基于偶倍頻本征頻率方波相位過調制的光纖陀螺本征頻率測量系統，測量系統采用的光路與實際陀螺的光路完全一致，這部分光路包括光源、耦合器、Y波導、光纖環、光電探測器，其中光源采用的是ASE光纖光源，光電探測器采用的是PIN-FET組件； 光源輸出與稱合器端口 A相連,稱合器C端口與Y波導相連,而Y波導與光纖環熔接在一起，耦合器B端口則與光電探測器PIN-FET相連，激光器驅動器為ASE光纖光源提供恒定的驅動，Y波導的調制信號由信號發生器提供，而PIN-FET輸出的信號直接輸入到數字示波器； 該方法具體測量步驟如下 步驟(I)、按照要求，將測量系統連接好； 步驟(2)、首先根據公式fp=l/2 τ和τ =nl/c初步確定光纖環的本征頻率，式中n ^ I. 5、I為光纖環的長度、c為真空中的光速； 步驟(3)、確定方波調制頻率大小，其值為偶倍本征頻率； 步驟(4)、根據Y波導的數據資料，得到其半波電壓大小，并確定方波調制電壓幅值為半波電壓的四分之一； 步驟(5)、通過信號發生器產生由步驟(3)、步驟(4)確定的方波對Y波導進行調制； 步驟(6)、改變方波調制信號的頻率，并利用數字示波器實時測量PIN-FET組件輸出的信號，直到光電探測器輸出一條無...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊明偉，楊遠洪，汪磊，索鑫鑫，吳長莘，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：