一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，属于光纤陀螺
技术领域。
【背景技术】
[0002] 光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性 能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长;启动速度快，响应时间短;测量范围大，动态范围 宽;抗冲击、振动，耐化学腐蚀;体积小、重量轻、成本低;适合大批量生产等，已经广泛用于 各领域。光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型光纤，通过在二氧化硅和空气孔周 期性排列构成对光波产生限制的二维光子晶体材料，然后在周期性材料中引入缺陷，使光 波在缺陷中传播，这是一种基于低折射率材料(空气)在高折射率背景材料(二氧化硅）中的 二维周期性排列而形成的微结构光纤。这种原理与结构上的独特性使得光子带隙光纤具有 众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲 不敏感，具备无限单模传输能力等。因此，光子带隙光纤是解决光纤陀螺环境适应性问题的 理想选择，是光纤陀螺的发展趋势。
[0003] 在光子带隙光纤陀螺中，集成光波导的尾纤纤芯为掺杂的二氧化硅，而光子带隙 光纤的纤芯为空气，在二者的熔点上会有较强的菲涅尔反射，形成两个强度较大的背向反 射次波。由于陀螺采用的是宽谱光源，背向散射次波之间无法干涉，不会影响陀螺输出；而 在光子带隙光纤中，纤芯内壁的起伏会引入较大的背向散射，熔点的反射光会和带隙光纤 中的散射光形成干涉，引入额外的误差信号，并严重影响光子带隙陀螺的性能表现。这种由 熔点背向反射和光纤背向散射引起的背向次波干涉误差与陀螺信号难以分别，误差大小难 以测量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相 干误差的装置及方法。
[0005] -种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，包括光源、探测器、耦合 器、集成光学波导、锁相放大器、信号发生器、普通光纤尾纤A、普通光纤尾纤B、光子带隙光 纤A和光子带隙光纤B;所述耦合器的两个输入端分别与光源和探测器的尾纤进行熔接，两 个输出端中，一个输出端与集成光学波导的尾纤进行熔接，另一个输出端作防止端面反射 处理，所述集成光学波导4的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤A和 普通光纤尾纤B分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A和光子带隙光纤B，其中，普通光纤 尾纤A比普通光纤尾纤B长20mm以上，该两段光纤的长度差大于光源的去相干长度，所述的 探测器输出电信号连接锁相放大器，锁相放大器的输出端和集成光学波导之间连接信号发 生器。
[0006] -种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，光源输出的光经过耦合器 和集成光学波导后在熔点A、熔点B分别产生菲涅尔背向反射波WA和WB，在普通光纤尾纤A和 光子带隙光纤B中由于散射点散射同样会产生背向散射波WA1和而1;当散射点AjP 熔点A的光程小于光源的去相干长度时，背向反射波WA会和背向散射波WA1发生干涉，同样 的，散射点出和熔点B的光程差小于光源的去相干长度时，背向反射波W B会和背向散射波WB1 发生干涉;这两组光的干涉光强如下式所示：
[0007]
(1)
[0008] 其中，Ιιη为经过集成光学波导后进入普通光纤尾纤A或B时的光强;αιη为背向传输 的光到达探测器时的损耗;a spllc；ing为普通光纤和带隙光纤的熔接损耗;RA、RB分别为熔点Α、 恪点B的反射系数;Rai、Rbi分别为散射点Αι、散射点Βι的散射系数；约、的是两列次波之间在 干涉时由于环境扰动引入的随机相位；由公式(1)，背向次波分为两组，即：
[0009] Ibsc = Ibsc-a+Ibcs-b (2)
[00?0] 其中，Wa和Wai的背向次波强度Ibcs-a，Wb和Wbi的背向次波强度Ibcs-b，分别表不为：
[0011] (3)
[0012] (4)：
[0013] 其中，为调制相位，调制相位分解为两部分，即阶梯波调制中的方波引起的 相位调制以及锯齿波引起的相位调制
[0014] 测试时先熔接光子带隙光纤B和普通光纤尾纤B，光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A 分离，记为状态一;此时通过锁相放大器相干解调得到WB和的背向次波强度Ibcs-b;其中， 当〇 m_SA变化231时，锁相放大器输出信号的极差为IBCS-B中 cos函数系数的两倍，因此得到
[0015]
[0016] (5)
[0017] 其中，Imjt-maxl为状态一下锁相放大器输出信号的最大值，lout-mini为状态一下锁相 放大器输出信号的最小值；
[0018] 此时，再将光子带隙光纤A和普通光纤尾纤A熔接，记为状态二;通过同样的方法得 到Wb和W B1以及WA和WA1的背向次波强度之和;推算出WA和W A1的背向次波强度Ibcs-a的系数，因 此得到系数，即，
[0019]
(6)
[0020] 其中I〇ut-max2为状态二下锁相放大器输出信号的最大值，Iout-min2为状态二下锁相 放大器输出信号的最小值；
[0021] 在次波误差最大时，陀螺的偏置误差表示为：
[0022]
(7)
[0023] 其中，L为光子带隙光纤陀螺光纤环长度，D为光纤环直径，λ为光源波长，c为光速， 为光纤环损耗；因此，将式(5)和式(6)分别代入式(7)，计算出两对背向次波对陀螺产 生误差的大小。
[0024]本发明的优点在于：
[0025] (1)本发明提出了测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的方法，采用相干检 测的方法，测量精度高；
[0026] (2)实验装置简单，易于实现。
【附图说明】
[0027] 图1是测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的测量装置和测量方法原理框 图；
[0028] 图2是本发明中信号发生器加锯齿波调制示意图。
[0029] 图中：
[0030] 1-光源； 2-探测器； 3-耦合器；
[0031] 4-集成光学波导； 5-锁相放大器； 6-信号发生器；
[0032] 7-普通光纤尾纤A; 8-普通光纤尾纤B; 9_光子带隙光纤A;
[0033] 10-光子带隙光纤B。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0035] 本发明首先提供一种测量光子带隙光纤陀螺背向次波相干误差的装置，如图1所 示，所述测量装置包括光源1、探测器2、耦合器3、集成光学波导4、锁相放大器5、信号发生器 6、普通光纤尾纤A 7、普通光纤尾纤B 8、光子带隙光纤A 9和光子带隙光纤B 10;所述耦合 器3的两个输入端分别与光源1和探测器2的尾纤进行熔接，两个输出端中，一个输出端与集 成光学波导4的尾纤进行熔接，另一个输出端作防止端面反射处理，如掐断端面并涂抹光纤 匹配液等。所述集成光学波导4的两个输出端分别耦合普通光纤，对应的两个普通光纤尾纤 A7和普通光纤尾纤B8分别在熔点A和熔点B熔接光子带隙光纤A9和光子带隙光纤B10,其中， 普通光纤尾纤A7比普通光纤尾纤B8长20mm以上，该两段光纤的长度差大于光源1的去相干 长度，所述的探测器2输出电信号连接锁相放大器5,锁相放大器5的输出端和集成光学波导 4之间连接信号发生器6。
[0036] 光源1输出的光经过親合器3进入集成光学波导4,在集成光学波导4中分束以后根 据信号发生器6上产生的阶梯波调制信号进行调制，阶梯波调制信号波形如图2所示，其中 调制方波幅值为2.5V(波导的2JT电压），频率为500kHz，阶梯波由0V变化到10V。一束光在普 通光纤尾纤A 7中散射点也产生背向散射波WB1，在光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A7的熔 点A处产生背向反射波WA;另一束光在光子带隙光纤B 10和普通光纤尾纤B 8的熔点B处产 生背向反射波Wb，在光子带隙光纤B 10中散射点Αι产生背向散射波Wai。其中，背向反射波Wa、 背向反射波Wb，背向散射波Wm、背向散射波而:再次经过集成光学波导4时再经历一次调制， 并干涉形成背向次波。测试时先熔接光子带隙光纤B 10和普通光纤尾纤B 8,光子带隙光纤 A 9和普通光纤尾纤A 7分离，此时通过锁相放大器5相干解调可以得到WB和WB1的背向次波 强度。此时，再将光子带隙光纤A 9和普通光纤尾纤A 7熔接，可以得到WB和WB1以及WA和WA1的 背向次波强度之和。
[0037] 在本