一种光纤陀螺本征频率的测量方法技术

本发明专利技术提出一种光纤陀螺本征频率的测量方法，该方法基于偶倍频本征频率方波相位过调制的光纤陀螺本征频率测量系统，测量系统采用的光路与实际陀螺的光路完全一致，典型光路包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器。本发明专利技术与现有的方法相比降低了对方波调制信号质量的严格要求，具有方法简单、低成本、容易实现的优点，可以在现有陀螺系统不需要增加硬件的基础上大幅度提高本征频率的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及，可用于惯导级及其以下精度光纤陀螺本征频率的测量。
技术介绍
光纤陀螺的本征频率是光纤陀螺中的一个非常重要的参数。本征频率被定义为fp=l/2T，其中τ为光在光纤环中传播的时间。光纤陀螺一般采用频率等于本征频率的方波信号对其进行调制，当调制频率与本征频率不相等时会引入调制误差，这会影响光纤陀螺的工作特性，而调整调制频率在本征频率点，则可以有效减少或消除误差源，这对于提高光纤陀螺特别是高精度光纤陀螺的工作性能而言是非常重要的。光纤陀螺本征频率的常用测量方式是在静态常温下采取手动测试方法。首先根据 光纤环的长度推算出本征频率的理论值，然后在该值附近改变调制频率，观察陀螺输出。当陀螺输出的零偏最小时，以此调制频率作为该光纤陀螺的本征频率。但该方法受人为因素影响较大，测量结果误差较大。为了准确测量光纤陀螺本征频率，周友伟等提出一种基于对称方波调制的本征频率测试方法，其原理是采用频率为光纤环本征频率的1/2的对称方波对Y波导进行调制，测量探测器输出信号的占空比，当占空比为50%时，计算得到本征频率；北航宋凝芳教授等提出了一种基于任意占空比的不对称方波作为调制波来测量光纤陀螺本征频率的方法，并给出测试本征频率时调制方波占空比的最佳范围，这种方法的精度为O. IkHz0这两种方法都需要对光电探测器输出干扰脉冲的宽度进行采样，比较相邻两个脉冲的宽度，当宽度差为O时即得到光纤环的本征频率或本征频率的一半。但是由于实际电路的调制波形都是只能近似理想，其输出特性受光纤的几何长度、折射率及信号处理系统中电子元器件性能的影响，同时受波导内部的分布电容、负载阻抗与信号处理电路的匹配程度的影响，进而影响调制方波的对称性、形状、上升时间、下降时间等参数，因此这使得精确测量脉冲宽度变得很困难，而这也导致本征频率测量中存在“调制死区”现象。所谓“调制死区”就是在实际的电路系统中，当调制频率接近本征频率到一定范围内时，用来计算本征频率的测量信号保持一定值。这些因素的存在导致特征频率的测量精度很难保证。针对目前本征频率测量存在的问题，王曦等提出了 2倍本征频率方波相位调制的测量方法，但其精度较低。在该方法的基础上，本专利技术提出了一种基于偶倍本征频率方波相位过调制的新测量方法，这种方法与现有的方法相比降低了对方波调制信号质量的严格要求，具有方法简单、低成本、容易实现的优点，可以在现有陀螺系统不需要增加硬件的基础上大幅度提高本征频率的测量精度，这对于现有大多数光纤陀螺而言更具有重要的实用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于偶倍本征频率方波相位过调制的光纤陀螺本征频率测量方法，可实现惯性级及以下级别光纤陀螺本征频率的准确测量。本专利技术采用的技术方案在于，该方法基于偶倍频本征频率方波相位过调制的光纤陀螺本征频率测量系统，测量系统采用的光路与实际陀螺的光路完全一致，光路包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器，其中光源采用的是ASE光纤光源，光电探测器采用的是PIN-FET组件；光源输出与稱合器端口 A相连,稱合器C端口与Y波导相连,而Y波导与光纤环熔接在一起，耦合器B端口则与光电探测器PIN-FET相连，激光器驱动器为ASE光纤光源提供恒定的驱动，Y波导的调制信号由信号发生器提供，而PIN-FET输出的信号直接输入到数字示波器；该方法具体测量步骤如下步骤(I)、按照要求，将测量系统连接好；步骤(2)、首先根据公式fp=l/2 τ和τ =nl/c初步确定光纤环的本征频率,式中 n ^ I. 5、I为光纤环的长度、c为真空中的光速；步骤(3)、确定方波调制频率大小，其值为偶倍本征频率；步骤(4)、根据Y波导的数据资料，得到其半波电压大小，并确定方波调制电压幅值为半波电压的四分之一；步骤(5)、通过信号发生器产生由步骤(3)、步骤(4)确定的方波对Y波导进行调制；步骤(6)、改变方波调制信号的频率，并利用数字示波器实时测量PIN-FET组件输出的信号，直到光电探测器输出一条无脉冲的直线，记录测量过程中调制频率值和探测器输出脉冲幅值大小,并画成曲线,其中横坐标为频率值,纵坐标为脉冲幅值大小；步骤(7)、增大方波调制信号的幅值，重复步骤(6)，直到再增加方波幅值大小，测量的频率范围已经不变，此时调制死区最小，得到的调制频率范围即为可测量的本征频率范围；步骤(8)、考虑到本征频率测量曲线的对称性，取步骤(7)中测量曲线的中间位置，即得到最终的本征频率大小。其中，所述的光纤环的光纤为保偏光纤或其它类型光纤。其中，所述的Y波导为多功能集成光学器件。其中，所述的PIN-FET为光电探测器组件。其中，所述的信号发生器采用的是普通商用多功能信号发生器，示波器采用的是普通商用数字示波器。其中，所述的采用过调制的方法是指通过改变Y波导的调制电压幅值，使偏置相位大于η/2形成过调制。其中，所述的步骤(3)中偶倍本征频率选择为2倍频。本专利技术的原理在于基于偶倍本征频率方波调制的测量方法是用频率为偶数K倍(K = 2，4，8···，常用K = 2)光纤环本征频率&附近的方波对Y波导进行调制，分析光电探测器的输出脉冲信号，得到输出脉冲信号幅值与调制方波频率的关系，从而并将本征频率测试转化成脉冲测试的问题。假设光纤环的本征频率为fp=l/2 τ，其中τ为光在光纤环中传播的时间。采用的调制方波的频率fm=l/Tm，其中调制方波周期为Tm，占空比为50%，调制相位为Om(t)。调制方波通过调制Y波导(多功能集成光学器件)对光纤环中顺时针光(Clockwise，简称CW光)和逆时针光(Counter-Clockwise，简称CCW光)进行相位调制，则得到两束光的调制相位差表达式(I)Δ φηια) = φ α)-φε α-τ)(I)由光纤陀螺的Sagnac效应可知，两束相干光经光电探测器后的输出信号是Vpd(t)=V0{l+cos[ Φ3+Δ Φηι( )]}(2)其中，Vtl是两束光相位差为O时在探测器产生的光生电压，Φ3为光纤环绕轴旋转引起的相位差。这里为分析方便，以K = 2，即2倍本征频率方波调制为例介绍其工作原理 Α.第一种情况调制频率< 2倍本征频率fp当调制频率fm小于2倍本征频率fp时，利用此方波对光纤环中的两束光进行调制，两束光的相位及相位差关系如图I (a)、(b)和(C)所示。当光纤环静止不动时，Φ3=0，可以得到光电探测器的输出Vpd (t)，如图I (d)所示，具体表达式为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.第二种情况调制频率> 2倍本征频率fp当调制频率fm大于2倍本征频率fp时，利用此方波对光纤环中的两束光进行调制，两束光的相位及相位差关系如图2 (a)、(b)和(C)所示。当光纤环静止不动时，Φ3=0，可以得到光电探测器的输出Vpd (t)，如图2 (d)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于：该方法基于偶倍频本征频率方波相位过调制的光纤陀螺本征频率测量系统，测量系统采用的光路与实际陀螺的光路完全一致，这部分光路包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器，其中光源采用的是ASE光纤光源，光电探测器采用的是PIN？FET组件；光源输出与耦合器端口A相连，耦合器C端口与Y波导相连，而Y波导与光纤环熔接在一起，耦合器B端口则与光电探测器PIN？FET相连，激光器驱动器为ASE光纤光源提供恒定的驱动，Y波导的调制信号由信号发生器提供，而PIN？FET输出的信号直接输入到数字示波器；该方法具体测量步骤如下：步骤（1）、按照要求，将测量系统连接好；步骤（2）、首先根据公式fp=1/2τ和τ=nl/c初步确定光纤环的本征频率，式中n≈1.5、l为光纤环的长度、c为真空中的光速；步骤（3）、确定方波调制频率大小，其值为偶倍本征频率；步骤（4）、根据Y波导的数据资料，得到其半波电压大小，并确定方波调制电压幅值为半波电压的四分之一；步骤（5）、通过信号发生器产生由步骤（3）、步骤（4）确定的方波对Y波导进行调制；步骤（6）、改变方波调制信号的频率，并利用数字示波器实时测量PIN？FET组件输出的信号，直到光电探测器输出一条无脉冲的直线，记录测量过程中调制频率值和探测器输出脉冲幅值大小，并画成曲线，其中横坐标为频率值，纵坐标为脉冲幅值大小；步骤（7）、增大方波调制信号的幅值，重复步骤（6），直到再增加方波幅值大小，测量的频率范围已经不变，此时调制死区最小，得到的调制频率范围即为可测量的本征频率范围；步骤（8）、考虑到本征频率测量曲线的对称性，取步骤（7）中测量曲线的中间位置，即得到最终的本征频率大小。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于该方法基于偶倍频本征频率方波相位过调制的光纤陀螺本征频率测量系统，测量系统采用的光路与实际陀螺的光路完全一致，这部分光路包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器，其中光源采用的是ASE光纤光源，光电探测器采用的是PIN-FET组件； 光源输出与稱合器端口 A相连,稱合器C端口与Y波导相连,而Y波导与光纤环熔接在一起，耦合器B端口则与光电探测器PIN-FET相连，激光器驱动器为ASE光纤光源提供恒定的驱动，Y波导的调制信号由信号发生器提供，而PIN-FET输出的信号直接输入到数字示波器； 该方法具体测量步骤如下 步骤(I)、按照要求，将测量系统连接好； 步骤(2)、首先根据公式fp=l/2 τ和τ =nl/c初步确定光纤环的本征频率，式中n ^ I. 5、I为光纤环的长度、c为真空中的光速； 步骤(3)、确定方波调制频率大小，其值为偶倍本征频率； 步骤(4)、根据Y波导的数据资料，得到其半波电压大小，并确定方波调制电压幅值为半波电压的四分之一； 步骤(5)、通过信号发生器产生由步骤(3)、步骤(4)确定的方波对Y波导进行调制； 步骤(6)、改变方波调制信号的频率，并利用数字示波器实时测量PIN-FET组件输出的信号，直到光电探测器输出一条无...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明伟，杨远洪，汪磊，索鑫鑫，吴长莘，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：