专利名称：一种光纤陀螺本征频率的测量方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤陀螺本征频率的测量方法，可用于惯导级及其以下精度光纤陀螺本征频率的测量。
背景技术：
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，本发明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。

发明内容
本发明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。
本发明采用的技术方案在于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，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。本发明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)所示，具体表达式为Vpd (O = V0{l + cos[么 + Αφηι (O]}
K [! +cos4] kTr < / <kl\r - Tni + r「^ 2F0kTm-Tm+T<t<kTm+TJ2⑷=i r
]ν0[\^φΜ] UTm^rj2<i<krm-T 2 F0kTm+T<t<(k + l)TmC.第三种情况调制频率f；=2倍本征频率fp当调制频率fm等于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3 (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V (t)，其输出为一条直线，如图3 (d)所示，具体表达式为Vpd(t) =V0{I+cos [Φ3+Δ φηι( )]}=2ν0(5)由以上原理可知，当调制频率较低时，增加调制频率光电探测器的输出脉冲就会变窄且幅值变小，减小调制频率探测器的输出脉冲就会变宽且幅值变大；当调制频率较高时，增加调制频率光电探测器的输出脉冲就会变宽且幅值变大，减小调制频率探测器的输出脉冲就会变窄且幅值变小；而当调制频率等于光纤环本征频率的2倍时，光电探测器就会输出一条无脉冲的直线。因此，光纤陀螺本征频率测量的问题就转化成了测量脉冲的问题，可以直接通过示波器观测或数据采集卡测量光电探测器的脉冲输出来确定本征频率。上面是以K = 2，即2倍本征频率方波调制为例，其它偶倍频情况与2倍频情况分析类似。由于实际电路的调制波形都只是近似理想方波，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，基于偶倍本征频率方波调制的测量方法也存在“调制死区”现象，若将观察的范围缩小到本征频率上下一定范围时，当调制频率在此范围内由小到大调节时，从示波器上观察到的脉冲幅值大小并没有一个由大到小，再由小到大的过程，而是由大到小的过程中，在一定频率范围时脉冲大小已经湮没在噪声中，很难区分脉冲和噪声，直到越过这一范围时，才出现再由小到大的过程。调制死区的存在限制了本征频率的测量精度。 对于“调制死区”问题，现在常用的方法是提高光纤陀螺调制方波边缘陡峭的性能。本发明提出一种简单有效的方法，采用方波相位过调制的方法来提高测量精度，与减少上升沿时间和下降沿时间的方法相比，改变方波调制电压幅值实现相位的过调制更简单且容易实现，所以在实际中采用调整方波调制电压幅值是一个好的选择。增加调制相位大小可以减少调制死区，提闻本征频率的检测精度。本发明的基于偶倍频本征频率方波相位过调制的本征频率测量方法优点在于(I)、与现有的方法相比，由于将光纤陀螺本征频率测量的问题转化成了测量脉冲的问题，可以直接通过示波器观测或数据采集卡测量光电探测器的输出来确定本征频率，具有方法简单、低成本、容易实现的优点；(2)、采用方波相位过调制的方法来提高测量精度，与减少上升沿时间和下降沿时间的方法相比，降低了对方波调制信号质量的严格要求，改变方波调制电压幅值实现相位的过调制更简单且容易实现；(3)、该方法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，在合适的方波偏置电压的情况下，本征频率检测精度可以优于±5Hz (1000m光纤环)，这可以满足大多数光纤陀螺的本征频率测量，而本征频率的准确测量可以在不改变硬件配置的前提下进一步提升陀螺的性能。这对于现有大多数光纤陀螺而言更具有重要的实用意义。


图I是本发明中调制频率fm小于2倍本征频率fp时的相位差与探测器输出示意图；图2是本发明中调制频率fm大于2倍本征频率fp时的相位差与探测器输出示意图；图3是本发明中调制频率fm等于2倍本征频率fp时的相位差与探测器输出示意图4是本发明的测量系统构成图；图5是本发明具体实施中的实际测量曲线图；图6是本发明具体实施中不同调制电压情况下探测器输出脉冲幅值的变化曲线。
具体实施例方式下面结合附图以及具体实施方式
对本发明进一步说明。—种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如图4所示，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。测量系统中，采用的光纤为保偏光纤，其长度大约1000米，Y波导的半波电压为3. 2伏，PIN-FET的响应度为O. 9A/W，信号发生器采用的是Agilent3320A多功能信号发生器，示波器采用的是Tektronix 2024数字示波器。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 ^ 1.5, I为光纤环的长度、c为真空中的光速；根据实际测量光路的参数，计算得渡越时间约为4. 78 μ S，则本征频率约为104. 6ΚΗζ ；步骤(3)、确定方波调制频率大小，其值为偶倍本征频率左右，这里选择2倍频，即频率为本征频率2倍即209ΚΗζ±2ΚΗζ左右；步骤(4)、根据Y波导的数据资料，得到其半波电压3. 2伏，并确定方波调制电压幅值为半波电压的四分之一即O. 8伏(峰峰值为I. 6伏)；步骤(5)、通过Agilent3320A多功能信号发生器产生频率为209KHz±2KHz、幅值为O. 8伏的方波对Y波导进行调制；步骤(6)、改变方波调制信号的频率从207KHZ到211KHz由小到大均匀变化时可以明显地从示波器上观察到探测器输出产生的尖峰脉冲幅值先由大到小，再由小到大的变化过程。具体测试结果如图5所示。图5(a)表示当调制方波的频率不等于2倍本征频率且相差较大时探测器的输出信号，此时调制方波频率fp=207. 469kHz，探测器脉冲幅值大小约为1.06V;图5(b)表示当调制方波的频率不等于2倍本征频率且相差变小时探测器的输出信号，此时调制方波频率fp=208. 469kHz，探测器脉冲幅值大小约为436. 8mV ;图5(c)表示当调制方波的频率非常接近2倍本征频率时探测器的输出信号，此时调制方波频率fp=209. 08kHz，探测器输出已近似成一条直线。从图5可以明显看出，随着调制方波的频率与2倍本征频率的差值变小，探测器输出的脉冲幅值也变小，当两者非常接近时，探测器输出近似成一条直线。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；图6为具体测试结果，表示的是不同调制电压情况下探测器输出尖峰脉冲幅值的变化曲线，其中横坐标表示调制频率大小，纵坐标表示探测器尖峰脉冲幅值的大小。从图6可以发现，在不同的方波调制信号幅值时即不同的调制相位情况下，本征频率的测量均存在所谓的“调制死区”，在此区域，改变调制频率的大小，探测器输出的尖峰脉冲幅值大小不再改变。但通过增加调制电压可以有效减小“调制死区”的大小，当调制信号幅值为2V时“调制死区”最小，本征频率的测量精度已为10Hz，这已经可以满足大部分光纤陀螺的要求，如果再增加调制方波幅值大小，“调制死区”的大小已不再变化，即本征频率的测量精度已不在改变。根据测试结果表明该光纤陀螺的本征频率大小在104. 535KHz和104. 545KHz之间。步骤(8)、由于从图6发现其曲线近似以本征频率左右对称，根据这种对称性，得到测量的本征频率为104. 54KHz，因此测量精度为±5Hz。本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变·化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
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。
2.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于所述的光纤环的光纤为保偏光纤或其它类型光纤。
3.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于所述的Y波导为多功能集成光学器件。
4.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于所述的PIN-FET为光电探测器组件。
5.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于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。
6.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于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。
7.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺本征频率的测量方法，其特征在于所述的步骤(3)中偶倍本征频率选择为2倍频。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01C25/00GK102840869SQ20121034558
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者杨明伟, 杨远洪, 汪磊, 索鑫鑫, 吴长莘 申请人:北京航空航天大学