專利名稱：基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評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械強度的實用性將成為航天、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，測量運載體的角速度，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，具有無轉(zhuǎn)動部件的全固態(tài)結(jié)·構(gòu)、動態(tài)范圍大、帶寬大、功耗低、抗沖擊振動、體積小、無啟動過程、壽命長等突出優(yōu)點。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發(fā)展趨勢。光纖陀螺的測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，代表著國際國內(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改善閉環(huán)反饋的控制算法來提高動態(tài)特性，反應(yīng)改善動態(tài)特性的一個指標(biāo)是頻率特性增強即帶寬增大。傳統(tǒng)的光纖陀螺動態(tài)特性測試方法是采用突停臺和角振動臺等機械設(shè)備分別測量陀螺的階躍響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線。采用角振動臺測試陀螺帶寬時，角振動臺以正弦交變的角速率運動，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輸入，記錄相應(yīng)的輸入角振動幅值及相位，測量光纖陀螺輸出信號的幅度和相位，便可獲得光纖陀螺的頻率特性。由于一般角振動臺是針對機械陀螺而設(shè)計的，輸出角振動頻率一般的僅有200Hz到300Hz左右，目前國內(nèi)最為先進(jìn)的角振動臺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500Hz，遠(yuǎn)不能滿足數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺動態(tài)特性測試的要求。半實物仿真測試方案都是在光纖陀螺的光纖環(huán)上添加擾動信號，利用兩束相向傳播的光經(jīng)過擾動處得時間不同，差別一個延遲時間τ，從而產(chǎn)生相位差，代替了輸入角速度引起的Sagnac相位差，改變擾動信號的頻率進(jìn)而測出頻率特性。其中以下是具體的實現(xiàn)方案利用PZT施加調(diào)制信號實現(xiàn)頻率特性評估方案根據(jù)光纖陀螺的工作原理，在陀螺光纖環(huán)中引入一個PZT元件，通過給PZT施加一定頻率的正弦調(diào)制來模擬一個正弦變化的角速率，從而測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)過一個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探測器。前置放大電路對PIN/FET輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波后的模擬信號進(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，以輸入數(shù)字信號處理單元進(jìn)行解調(diào)運算，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時，輸出一個方波信號疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)
相位調(diào)制器上實現(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PZT元件，通過給PZT施加一定頻率的正弦電壓信號從而實現(xiàn)正弦調(diào)制來模擬一個正弦變化的角速率，從而測得光纖陀螺的幅頻響應(yīng)曲線，進(jìn)而確定其帶寬。通過集成光學(xué)調(diào)制器實現(xiàn)數(shù)字化動態(tài)測試方法測得帶寬方案利用光纖陀螺閉環(huán)檢測的原理，在反饋階梯波上迭加所需的信號，用階梯波引起的兩束光之間的相位差來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、正弦信號、偽隨機信號作為外部信號3種方案。另外，在反饋階梯波上添加偽隨機信號作為外部信·號再用相關(guān)識別方法，將數(shù)字閉環(huán)輸出經(jīng)過小波濾波后的信號與偽隨機信號進(jìn)行相關(guān)運算后得到陀螺閉環(huán)回路的脈沖響應(yīng)，再通過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)過一個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探測器。前置放大電路對PIN/FET輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波后的模擬信號進(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，以輸入數(shù)字信號處理單元進(jìn)行解調(diào)運算，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時，輸出一個方波信號疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后
施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實現(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，通過在光纖陀螺反饋階梯波上疊加正弦信號用于等效外部輸入角速度，對陀螺解調(diào)輸出信號按照幅值進(jìn)行判斷得到陀螺帶寬。半實物仿真測試方案關(guān)鍵就是兩束相向傳播的光經(jīng)過擾動處得時間差值為延遲時間τ，但是延遲時間τ 一般很小，只有μ s量級的，在測量低頻時，添加的外加信號頻率小，變化比較慢，在μ s量級的時間內(nèi)變化不明顯，由于光纖陀螺光路的互易性，導(dǎo)致低頻時的擾動對相位變化不明顯，只能靠增大擾動的幅值來改善，所以在低頻段不易等效輸入測量頻率特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評估裝置與方法，本裝置可以測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估裝置，包括激勵電流源、敏感光路和模擬光纖陀螺信號處理檢測電路；激勵電流源包括信號發(fā)生器、轉(zhuǎn)換放大電路和電流線圈；信號發(fā)生器生成交變電流信號，交變電流信號輸出至轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)換放大電路對交變電流信號進(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)生的磁場使敏感光路中的傳感光纖感應(yīng)Faraday效應(yīng),實現(xiàn)了信號由激勵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)過一個采樣電阻后，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、反射鏡和探測器；光源發(fā)出光，光經(jīng)過環(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·器，探測器實現(xiàn)由光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出至前置放大電路；模擬光纖陀螺信號處理檢測電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理單兀、第一 D/A轉(zhuǎn)換電路、第二 D/A轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器；前置放大電路對探測器輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波，然后輸出至A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對模擬的待測電壓信號進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測電壓信號，輸出至數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元對兩個相鄰的延遲時間內(nèi)的數(shù)字信號進(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，在階梯波上疊加方波信號，得到疊加信號，將疊加信號輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路，第
一D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字的疊加信號轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，實現(xiàn)
閉環(huán)反饋和±f調(diào)制，同時，數(shù)字信號處理單元還將解調(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通道端口進(jìn)行測量，鎖相放大器測量幅值與相位差大小，實現(xiàn)了頻率特性評估。一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評估方法，包括以下幾個步驟步驟一由光源發(fā)出的光經(jīng)過一個環(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；由于激勵交變電流產(chǎn)生磁場，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)入探測器，返回探測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 前置放大電路對光電探測器輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波后的模擬信號進(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，以輸入數(shù)字信號處理單元進(jìn)行解調(diào)運算，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時，輸出一個方波信號疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號經(jīng)過第一 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實現(xiàn)閉環(huán)反饋和土 π/2調(diào)制；同時，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過第二D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器的信號通道端口進(jìn)行測量；利用鎖相放大器測量信號幅值與相位差的大小，改變激勵電流信號的頻率進(jìn)而實現(xiàn)了頻率特性評估。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明應(yīng)用的Faraday效應(yīng)是采用正弦電流激勵敏感光路產(chǎn)生，其中作為激勵信號的正弦信號可以實現(xiàn)高頻率輸出，解決了光纖陀螺的頻率特性測試的激勵信號輸出頻率有限的問題，所以可以實現(xiàn)高帶寬的評估；(2)本裝置中采用的是對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)，提高了敏感信號的信噪比；(3)本裝置的電路是模擬了光纖陀螺的信號檢測電路，可以通過調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的前·向增益與反饋增益來模擬光纖陀螺，從而實現(xiàn)頻率特性的準(zhǔn)確評估；(4)本裝置內(nèi)安裝了 4個不同長度的光纖環(huán)，只要通過跳線即可連接上光纖環(huán)，這樣就可以來評估不同長度光纖環(huán)的光纖陀螺頻率特性，增加了本評估裝置的適用性；(5)本裝置的評估方法是采用鎖相放大器，能夠準(zhǔn)確評估光纖陀螺的帶寬。


圖I是背景技術(shù)中利用PZT的半實物仿真原理圖；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-激勵電流源2-敏感光路3-模擬光纖陀螺信號處理檢測電路101-信號發(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-探測器301-前置放大電路 302-A/D轉(zhuǎn)換電路 303-數(shù)字信號處理單元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
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評估裝置，如圖3所示，包括激勵電流源I、敏感光路2和模擬光纖陀螺信號處理檢測電路3。激勵電流源I為本裝置提供激勵信號，通過改變激勵信號的頻率實現(xiàn)掃頻，完成頻率特性的評估。激勵電流源I包括信號發(fā)生器101、轉(zhuǎn)換放大電路102和電流線圈103。激勵電流源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為O時，放大電路在工作在放大狀態(tài)，并且有合適的直流工作點。當(dāng)有交流信號加入放大電路后，弓I起基極電流在原來直流的基礎(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，實現(xiàn)電流的放大。為了滿足以上交流大電流輸出和長時間工作的要求，并且消除交越失真，采用雙電源互補對稱的推挽式三極管對管放大的形式，實現(xiàn)推挽式的兩個三極管分別在正弦信號的正負(fù)周期內(nèi)放大，解決了交越失真的問題。信號發(fā)生器101生成交變電流信號，交變電流信號的頻率能夠通過信號發(fā)生器101調(diào)節(jié)，交變電流信號輸出至轉(zhuǎn)換放大電路102，轉(zhuǎn)換放大電路102對交變電流信號進(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)生的磁場使敏感光路2中的傳感光纖208感應(yīng)Faraday效應(yīng)，實現(xiàn)了信號由激勵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)過一個采樣電阻后，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、探測器210。SLD光源201發(fā)出光，光經(jīng)過一個單模環(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，由于激勵交變電流產(chǎn)生磁場，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)入探測器210，探測器210實現(xiàn)由光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出至前置放大電路301，本發(fā)明通過光電探測器實現(xiàn)了信號由敏感光路2中傳遞到電路中。所述的保偏光纖環(huán)206中設(shè)有4個不同長度的光纖環(huán),分別為570m、350m、100m和200m，當(dāng)需要使用其中一個長度的光線環(huán)時，將選中的光線環(huán)通過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，這樣就可以來評估不同長度光纖環(huán)的光纖陀螺頻率特性，增加了本評估裝置的適用性。模擬光纖陀螺信號處理檢測電路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對探測器210輸出的待測電壓信號進(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對模擬的待測電壓信號進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測電壓信號，輸出至數(shù)字信號處理單元303，數(shù)字信號處理單元303對兩個相鄰的延遲時間內(nèi)的數(shù)字信號進(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，在階梯波上疊加方波信號，得到疊加信號，將疊加信號輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304,第一 D/A轉(zhuǎn)換電路304將數(shù)字的疊加信號轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器204，實現(xiàn)閉環(huán)反饋和
±士調(diào)制，同時，數(shù)字信號處理單元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的信號通道端口進(jìn)行測量，鎖相放大器306測量幅值與相位差大小，進(jìn)而實現(xiàn)了頻率特性評估。激勵電流源I與敏感光路2之間的連接是通過把線圈纏繞在傳感光纖208上實現(xiàn)，在敏感光路2與模擬光纖陀螺信號處理的檢測電路3的連接是通過光電探測器210實現(xiàn)的。本發(fā)明是采用的頻率可調(diào)的交流電流激勵磁敏感光路產(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，因為交流的正弦電流可以實現(xiàn)高頻輸出，通過檢測Faraday效應(yīng)的相位差就可以實現(xiàn)了低頻和高頻段內(nèi)的頻率特性評估測試，尤其是實現(xiàn)高頻段的評估，即解決了傳統(tǒng)方法評估頻率有限的缺點和半實物仿真方案的在低頻段的反應(yīng)不明顯的缺陷。本發(fā)明能夠測量光纖陀螺的頻率特性，也就能夠測出陀螺的帶寬。其意義一、通過課題的研究，可以為光纖陀螺閉環(huán)控制算法的研究提供驗證手段。二、通過對算法的評估測試，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估方法，包括以下幾個步驟步驟一由SLD光源I發(fā)出的光經(jīng)過一個單模環(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。由于激勵交變電流產(chǎn)生磁場，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)入探測器210。由于發(fā)生干涉的兩束光，在光路傳輸過程中，分別都經(jīng)過了保偏光纖的X軸和Y軸和傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時間上略有差別，因此返回探測器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對光電探測器210輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波后的模擬信號進(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，以輸入數(shù)字信號處理單元303進(jìn)行解調(diào)運算，信號處理單元303把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時，輸出一個方波信號疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號經(jīng)過第一 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上實現(xiàn)閉環(huán)反饋和土 π /2調(diào)制。同時，信號處理單元303把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過第二 D/A轉(zhuǎn)換電路305轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器306的測試端口進(jìn)行測量。利用鎖相放大器305測量信號幅值與相位差的大小，改變激勵電流信號進(jìn)而實現(xiàn)了頻率特性評估。
權(quán)利要求
1.一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評估裝置，其特征在于，包括激勵電流源、敏感光路和模擬光纖陀螺信號處理檢測電路； 激勵電流源包括信號發(fā)生器、轉(zhuǎn)換放大電路和電流線圈；信號發(fā)生器生成交變電流信號，交變電流信號輸出至轉(zhuǎn)換放大電路，轉(zhuǎn)換放大電路對交變電流信號進(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)生的磁場使敏感光路中的傳感光纖感應(yīng)Faraday效應(yīng)，實現(xiàn)了信號由激勵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)過一個采樣電阻后，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、反射鏡和探測器；光源發(fā)出光，光經(jīng)過環(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)入探測器，探測器實現(xiàn)由光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出至前置放大電路； 模擬光纖陀螺信號處理檢測電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理單兀、第一 D/A轉(zhuǎn)換電路、第二 D/A轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器；前置放大電路對探測器輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波，然后輸出至A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路對模擬的待測電壓信號進(jìn)行離散、量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測電壓信號，輸出至數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元對兩個相鄰的延遲時間內(nèi)的數(shù)字信號進(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，在階梯波上疊加方波信號，得到疊加信號，將疊加信號輸入第一 D/A轉(zhuǎn)換電路，第一D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字的疊加信號轉(zhuǎn)換為模擬的疊加信號，輸出至Y波導(dǎo)相位調(diào)制器，實現(xiàn)閉環(huán)反饋和±f調(diào)制，同時，數(shù)字信號處理單元還將解調(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通道端口進(jìn)行測量，鎖相放大器測量幅值與相位差大小，實現(xiàn)了頻率特性評估。
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估裝置，其特征在于，通過信號發(fā)生器調(diào)節(jié)交變電流信號的頻率。
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估裝置，其特征在于，所述的保偏光纖環(huán)中設(shè)有4個不同長度的光纖環(huán),分別為570m、350m、IOOm和200m,當(dāng)需要使用其中一個長度的光線環(huán)時，將選中的光線環(huán)通過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估方法,包括以下幾個步驟步驟一由光源發(fā)出的光經(jīng)過一個環(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；由于激勵交變電流產(chǎn)生磁場，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)入探測器，返回探測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 前置放大電路對光電探測器輸出的待測電壓信號進(jìn)行放大濾波后的模擬信號進(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，以輸入數(shù)字信號處理單元進(jìn)行解調(diào)運算，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果累加形成階梯波的同時，輸出一個方波信號疊加在數(shù)字階梯波上，疊加信號經(jīng)過第一 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后施加在Y波導(dǎo)相位調(diào)制器上實現(xiàn)閉環(huán)反饋和 土 n/2調(diào)制；同時，信號處理單元把解調(diào)結(jié)果輸出經(jīng)過第二 D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出，進(jìn)入鎖相放大器的測試端口進(jìn)行測量；利用鎖相放大器測量信號幅值與相位差的大小，改變激勵電流信號進(jìn)而實現(xiàn)了頻率特性評估。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Faraday效應(yīng)的光纖陀螺頻率特性評估裝置，激勵電流源包括信號發(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、反射鏡和探測器；模擬光纖陀螺信號處理檢測電路包括前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理單元、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敏感光路產(chǎn)生，其中作為激勵信號的正弦信號可以實現(xiàn)高頻率輸出，解決了光纖陀螺的頻率特性測試的激勵信號輸出頻率有限的問題，所以可以實現(xiàn)高帶寬的評估。
文檔編號G01C25/00GK102788595SQ201210264008
公開日2012年11月21日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學(xué)