光纤陀螺用Y波导半波电压的测试方法研究_吴衍记

#半导体光电?2005年8月第26卷第4期吴衍记等:??光纤陀螺用Y波导半波电压的测试方法研究

光电器件

光纤陀螺用Y波导半波电压的测试方法研究

吴衍记1,2,彭??昱2,黄显林1

(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090;2.北京自动控制设备研究所,北京100074)

摘??要:??提出了一种基于塞格纳克效应的用于精确测量光纤陀螺用集成Y波导半波电压的方法!!!陀螺开环搜索法。这种方法通过特殊的调制和解调方式使塞格纳克干涉仪工作在开环状态,干涉仪的输出信号中包含有调制信号复位电压与集成Y波导半波电压的信息,利用这些信息调节调制信号复位电压,使之不断逼近集成Y波导的半波电压,最终达到集成Y波导半波电压的精确测量。这种方法利用光纤陀螺本身的光路和电路进行测量,不需搭建专用的测试系统,而且可以实现全自动测量。它比目前广为采用的马赫??泽德干涉仪法更精确、更方便、更有实用价值。

关键词:??多功能集成光学器件;光纤陀螺;Y波导

中图分类号:TN253??文献标识码:A??文章编号:1001-5868(2005)04-0307-03

ResearchonV??MeasurementofYWaveguideUsedinFOG

WUYan??ji1,2,PENGYu2,HUANGXian??lin1

(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,CHN;2.BeijingAuto??controlEquipmentInstitute,Beijing100074,CHN)

Abstract:??AwaytomeasureV??ofmultifunctionintegratedopticalchip(Ywaveguide)usedinfiberopticalgyroscope(FOG)isreported.ThiswayusesthesameprincipleastheFOG.When

thesystemworksatopen??loopstate,V??isaccuratelygotbyspecialmodulatinganddemodulating.ThiswayusesthesystemofFOGtomeasurethecomponentsincludingthesystem,sothiswayismoresuitableforFOGthantheM??Zinterferometer.

Keywords:??fiberopticalgyroscope;fiberopticalrotationsensor;Ywaveguide

1??引言

目前,测量集成Y波导半波电压的主要方法是马赫??泽德(Mach??Zehnder)干涉仪法。但是,在利用这种方法测量集成Y波导的半波电压时,必须采用相干长度较长的激光器,而光纤陀螺中普遍采用的光源是超辐射发光二极管,调制器的半波电压与光源的波长有着密切的关系。所以,用此方法测出的半波电压与实际在陀螺中使用时的半波电压是有差异的。可见,马赫??泽德干涉仪法虽然是测量波导调制器半波电压的最常用方法,但并不是测量光纤陀螺用波导调制器半波电压的最佳方法。

收稿日期:2005-06-02.??

基金项目:总装备部??十五 预先研究项目.

2??塞格纳克干涉仪法

2.1??基本原理

对于塞格纳克干涉仪而言,不论是由于干涉仪相对惯性空间转动所引入的相位差,还是由相位调制器上的调制波形所引入的相位差,在探测器端引起的干涉光强的变化都是等价的。因此,塞格纳克干涉仪不仅可以测量转动角速率,也可以用来测量相位调制器的半波电压。

塞格纳克干涉仪的探测器的输出电压信号为

f+?? s+?? e)]!Vd=KdP0[1+cos(??

(1)

式中:Vd为探测器的输出电压信号,Kd为探测器的转换系数,P0为到达探测器的最大光强,?? f为干

SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS??Vol.26No.4Aug.2005

涉仪中由调制器引入的相位差,?? s为干涉仪中由光纤环圈转动引入的塞格纳克相位差,?? e为干涉仪中固有的非互易相位差。假设在测量半波电压时?? s+?? e=?? 0为常值(这种情况很容易实现),那

么,输出信号Vd是?? f的周期性函数,且周期为2??。

如果在Y波导的调制器上输入一个如式(2)的

调制信号:

+VS,????4n?%t<(4n+2)?,

??????????VT(t)=??????????????????????????????????????n=&,0,1,2,3,&??????????????(2)

-VS,????(4n+2)?%t<4(n+1)?,

式中:?为光纤环度越时间,VS为方波半峰值。此调制信号在顺逆两束光之间产生的相位差可用式(3)描述:

+2KTVS,??????????4n?%t<(4n+1)?

f=[VT(t)-VT(t-??? )]KT=

0,??(4n+1)?%t<(4n+2)?,(4n+3)?%t<4(n+1)?

(3)

-2KTVS,????????(4n+2)?%t<(4n+3)?

??????????????????????????????????????????????????????????????n=0,1,2,3,&式中:KT为调制器电光转换系数,

KdP0[1+cos(2KTVS+?? 0)],????4n?%t<(4n+1)?

Vd=

KdP0[1+cos(?? 0)],??(4n+1)?%t<(4n+2)?,(4n+3)?%t<4(n+1)?KdP0[1+cos(-2KTVS+?? 0)],??(4n+2)?%t<(4n+3)?

????????????????????????????????????????????????????????????????n=0,1,2,3,&可知,当且仅当VS=nV??(n=?1,?2,?3,&)时,

输出波形成一条直线,在VS(nV??时,输出并不是一条直线。

具体的实验方法是由0开始逐渐增大VS,探测器端的输出波形的幅度也逐渐变大;当达到一定高度时,随VS的增大,输出波形的幅度逐渐变小;当输出波形恰好成为一条直线时,则有VS=V??。2.2??分析

塞格纳克干涉仪法所采用的测试光路与全数字闭环光纤陀螺的光路完全一致,消除了在马赫??泽德干涉仪法中由于采用的光源与实际应用情况不一致而引入的误差。这些都是其优点所在。

这种方法也具有如下缺点:首先,VS的改变以及判定输出信号成一条直线都由手动来完成,误差较大;还有,判定点在2n??处,这是干涉仪输出响应曲线上斜率最小,最不灵敏的点,这也影响了判定的精度。

VT(t)=

(4)

路结构与全数字闭环光纤陀螺完全一致,而且测试电路在硬件结构上也与陀螺完全一致,只是通过改变数字处理部分的软件来实现测试半波电压的功能,同时测试结果也通过原来陀螺的输出接口发送给计算机,可以实现全自动的测量。陀螺开环搜索法不仅利用了塞格纳克干涉仪响应曲线的2??周期性,还利用了其偶函数特性将判定点移至??

和2

处,这里是干涉仪响应曲线斜率的最大点,从2

而实现对半波电压的灵敏测量。

其原理如下,由陀螺电路产生的调制波形VT(t)用式(5)描述:

0,??????8n?%t<(8n+1)?VS/2,??(8n+1)?%t<(8n+2)?VS,??(8n+2)?%t<(8n+3)?3VS/2,??(8n+3)?%t<(8n+4)?0,????(8n+4)?%t<(8n+5)?3VS/2,??(8n+5)?%t<(8n+6)?VS,??(8n+6)?%t<(8n+7)?VS/2,??(8n+7)?%t<(8n+8)?

????????????????n=&,0,1,2,3,&

(5)

式中:?为光纤环度越时间。此调制信号在顺逆两束光之间产生的相位差可用式(6)描述:

3??陀螺开环搜索法

3.1??基本原理

陀螺开环搜索法是塞格纳克干涉仪法的一种改进方法,也是利用具有互易性结构的塞格纳克干涉仪来测量集成Y波导半波电压。这种方法不仅光

?

#半导体光电?2005年8月第26卷第4期吴衍记等:??光纤陀螺用Y波导半波电压的测试方法研究

?? f=[VT(t)-VT(t-?)]KT=-KTVS/2,??????8n?%t<(8n+1)?+KTVS/2,??(8n+1)?%t<(8n+2)?+KTVS/2,??(8n+2)?%t<(8n+3)?+KTVS/2,??(8n+3)?%t<(8n+4)?-3KTVS/2,??(8n+4)?%t<(8n+5)?+3KTVS/2,??(8n+5)?%t<(8n+6)?-KTVS/2,????(8n+6)?%t<(8n+7)?-KTVS/2,??(8n+7)?%t<(8n+8)?????????????????n=&,0,1,2,3,&式中:KT为调制器电光转换系数。

+1,??n=8k

+1,??n=8k+10,????n=8k+2

DM(n)=

0,????n=8k+3-1,??n=8k+4-1,??n=8k+50,????n=8k+6

0,????n=8k+7

??????????????????????k=&,0,1,2,3,&

(7)(6)

由式(8)可得,解调后的输出信号J与VS和半波电压V??之间的差异??V成正比。将J作适当处理后,作为反馈量去调整VS的大小,形成一个负反馈过程,最终必然有VS=V??,而VS可以利用D/A转换器的转换系数计算得到,也就达到了测量半波电压V??的目的。3.2??分析

这种测量方法是直接利用光纤陀螺的光路和电路对Y波导集成光学器件的半波电压进行精确测量,在测量过程中,陀螺工作在开环状态,检测灵敏度高。由于这种方法实际上是用陀螺的原理来测量其中器件的参数,所以,测量结果更具有实用性。

4??结论

目前,测量集成Y波导半波电压的主要方法是马赫??泽德(Mach??Zehnder)干涉仪法。这种方法必须采用相干长度较长的激光器作为光源,而不是光纤陀螺中应用的超辐射发光二极管,会给半波电压的测试带来较大的误差。

塞格纳克干涉仪法所采用的测试光路与全数字闭环光纤陀螺的光路完全一致,消除了在马赫??泽德干涉仪法中由于采用的光源与实际应用情况不一致而引入的误差。但这种方法也有一些缺点:首先,VS的改变以及判定输出信号成一条直线都由手动来完成,误差较大;还有,判定点在2n??处,这是陀螺响应曲线上斜率最小,最不灵敏的点,影响了判定的精度。因此,它并不是测试光纤陀螺用集成Y波导半波电压的最佳方法。

陀螺开环搜索法是塞格纳克干涉仪法的一种改进方法,这种方法不仅光路结构,而且测试电路的硬件结构也与全数字闭环光纤陀螺完全一致,只要改变数字处理部分的软件就可以实现测试半波电压的功能,可以实现全自动的测量,其测量结果更具有实用性。

作者简介:

吴衍记(1966-),男,1990年获北京理工大学硕士学位,现为研究员,哈尔滨工业大学在职博士研

=(8)

究生,主要从事光纤陀螺技术研究。E??mail:8liuyc@http://wendang.chazidian.com

为了从探测器输出信号中得到与半波电压相关的误差信号,用式(7)所给出的周期性信号对经过A/D转换后的探测器输出进行解调。

设VS与半波电压V??之间的差异为??V,即VS

=V??+??V。则经过解调后的输出为

0)+??????J=KA/DKdP0[cos(-KTVS/2+??

??cos(KTV

S

/2+?? 0)-cos(-3KTVS/2+

?? 0)-cos(3KTVS/2+?? 0)]=??????KA/DKdP0cos-cos

T0+-+??

22

+T+?? T0-cos--+

2222+T+?? 00?? -cos

22

-2KA/DKdP0cos(?? 0))

sin

TT+sin22

T+2

T2

=

当?? 0和??V都较小时,上式可近似为J?-2KA/DKdP0

-4KA/DKdP0KT??V??????????????式中:KA/D为A/D转换器的转换系数。