一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试方法与系统

1.本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试方法与系统。


背景技术：

2.光纤陀螺利用光纤成环作为传感单元，并基于sagnac效应实现角速率高精度测量。在光纤陀螺中，除了偏置调制和sagnac效应这两种必要的非互易效应外，其他干扰产生的噪声与非互易性都会在干涉测量中产生误差。光纤环圈作为陀螺中直接敏感sagnac相移的传感元件，同时又对各种物理量极为敏感，光纤环圈内部产生的非互易相位误差，特别是热致非互易相位误差，构成了闭环干涉式光纤陀螺的主要误差源，因此通常光纤环圈的性能直接决定了陀螺的输出精度。
3.光纤环圈中的热致非互易相位误差又称为shupe误差，即当一段光纤环圈中的光纤存在时变的温度扰动时，除非这段光纤位于光纤中点，否则两束反向传播的干涉光波不会同时受到扰动，这种位置不对称的瞬时温度变化引起瞬时折射率变化，进而在两束相向传播的光波之间产生一个热致非互易性相移。该非互易性相移与旋转引起的sagnac相移无法区分，将引起光纤陀螺产生较大的零偏误差。因此，在光纤陀螺科研生产中，光纤环圈要进行严格的温度性能测试与筛选。
4.通常在光纤陀螺的温度性能测试时，都是通过构建一个完整的干涉式闭环光纤陀螺包括光源光、耦合器、探测器、y波导和调制解调线路等，以实现光纤环圈温度性能测试。测试中，仅将光纤环圈单独放入到高低温箱中施加温度激励，其它光学器件和电路部分置于温箱外，将y 波导的两根尾纤与从测试箱中伸出的两根光纤环圈尾纤进行保偏熔接形成完整的陀螺光路，随后设置电路调制解调参数并开启测试箱，以测试全温条件下光纤环圈输出零偏值的变化曲线，最后根据变温曲线来评价光纤环圈的温度性能。这种方法，待测光纤环圈数量与测试硬件套数一一对应，大规模批量化光纤环圈的温度性能测试严重依赖测试硬件的数量。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试系统及方法，通过光开关阵列的排布，可实现通过一套测试硬件时分复用测试多个光纤环圈，且光纤环圈测试数量可随光开关阵列的扩展而倍数增加，大幅降低批量化光纤环圈性能测试对测试硬件数量的依赖。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试方法，其包括如下步骤：s1：将多个待测试光纤环圈按序放置于测试箱内且光纤环圈的尾纤伸出测试箱；s2：将待测试光纤环圈的两个尾纤与光开关阵列尾列的1
×
2光开关双端口按照连接纤序呈上下分区中心对称分布的规则依次连接，光开关阵列首列设置两个1
×
2光开关，
首列两个光开关的单端分别与y波导的两个尾纤连接；s3： 测试箱对光纤环圈施加温度激励，光源发出的光经耦合器传输至y波导起偏与分束，在光纤环圈中形成相向传输的两束光；s4：向光开关阵列发送ttl电平序列切换光路传输通道，选通光纤环圈形成完整的陀螺光路；s5：选通光纤环圈中形成相向传输的两束光遍历整个环圈后，返回y波导形成干涉光信号，干涉光信号经耦合器传递至探测器进行光电转换形成电信号，电信号由调制解调电路解调获得选通光纤环圈的陀螺零偏信号输出而完成选通光纤环圈的测试；s6：重复s4-s5，依次切换选通所有待测光纤环圈，并在测试周期内循环，直至测试周期结束。
7.优化的，由调制解调控制电路板向光开关阵列发送ttl电平序列。
8.进一步，测试方法还包括s7：将获得的陀螺零偏信号输出传输给上位机，绘制成曲线，并通过计算模块将获得的陀螺零偏信号输出取标准差计算出零偏稳定性。
9.优化的，ttl电平序列为：高ttl电平施加在光开关阵列中相应的光开关时，光开关双端中的上端口处于导通状态，低ttl电平施加在光开关阵列中相应的光开关时，光开关双端中的下端口处于导通状态。
10.一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试系统，其包括光源、耦合器、y波导、探测器、调制解调控制电路板、光开关阵列、待测光纤环圈，所述光开关阵列包括多列1
×
2光开关，前一列光开关的双端分别与后一列对应分布的两个光开关的单端连接，光开关阵列首列为两个光开关，首列的两个光开关单端分别为y波导两个尾纤连接，尾列光开关双端分别按顺序与不同的待测光纤环圈连接，并且连接纤序呈上下分区中心对称分布，所述光源与耦合器输入端连接，耦合器输出端与y波导输入端连接，所述探测器输入端与耦合器连接，探测器输出端与调制解调控制电路板输入端口连接，调制解调控制电路板的输出端与y波导连接，调制解调控制电路板的控制端与光开关阵列的每一个光开关端口连接。
11.优化的，探测器为光电探测器。
12.进一步，调制解调控制电路板与上位机连接。
13.优化的，光源为宽带光源。
14.发明的有益效果本发明提供的一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试方法与系统，具有如下优点：本发明基于光开关阵列排布可实现多个光纤环圈采用一套测试硬件时分复用测试，测试效率高，成本低，且光开关阵列层级的扩展可倍数增加环圈测试数量，大幅缓解了规模化、批量化光纤环圈性能测试对测试硬件数量的依赖程度。该测试方法与系统可适用于各种精度水平的干涉型光纤陀螺光纤环圈性能测试。
附图说明
15.图1是本发明的系统结构示意图；图2是光开关功能示意图；图3是光纤环圈的全温性能测试曲线示意图；图中：1. 光源，2. 耦合器，3. y波导，4. 光纤环圈，5. 光开关，6. 光开关阵列，
7. 调制解调控制电路板，8. 上位机，9. 探测器。
具体实施方式
16.一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试方法，其包括如下步骤：s1：将多个待测试光纤环圈按序放置于测试箱内且光纤环圈的尾纤伸出测试箱；测试时，多个待测试光纤环圈放置在测试箱进行温度激励，其余部件位于测试箱外。
17.s2：将待测试光纤环圈的两个尾纤与光开关阵列尾列的1
×
2光开关双端口按照连接纤序呈上下分区中心对称分布的规则依次连接，光开关阵列首列设置两个1
×
2光开关，首列两个光开关的单端分别与y波导的两个尾纤连接；设置一个光开关阵列，光开关的列数可以根据需要进行扩展，由于光开关阵列采用1
×
2光开关，扩展时可倍数增加光圈环圈测试数量，大幅缓解规模化、批量化光纤环圈性能测试对测试硬件数量的依赖程度。
18.其中1
×
2光开关采用机械控制方式可实现光传输路径的选择，光开关功能示意图如图2所示，高ttl电平施加在1
×
2光开关时，p1至p2导通，即光开关双端中的上端口处于导通状态，低ttl电平施加在1
×
2光开关时，p1至p3导通，即光开关双端中的下端口处于导通状态。光开关采用机械控制方式改变光纤反射角度以切换传输路径不影响构建的光纤陀螺sagnac干涉仪的互异性。
19.s3：测试箱对光纤环圈施加温度激励，光源发出的光经耦合器传输至y波导起偏与分束，在光纤环圈中形成相向传输的两束光；s4：向光开关阵列发送ttl电平序列切换光路传输通道，选通光纤环圈形成完整的陀螺光路；s5：选通光纤环圈中形成相向传输的两束光遍历整个环圈后，返回y波导形成干涉光信号，干涉光信号经耦合器传递至探测器进行光电转换形成电信号，电信号由调制解调电路解调获得选通光纤环圈的陀螺零偏信号输出，从而完成选通光纤环圈的测试；每个光纤环圈陀螺信号输出时间可以维持一定时间，例如1s，然后选通下一个光纤环圈，如此往复循环，在整个测试周期内形成每个光纤环圈的全温性能测试曲线。
20.由于批量化测试的光纤环圈是同等规格的，测试系统可以实现时分复用，测试过程中无需调整除了ttl电平序列以外的其他任何参数，操作方便且测试效率比较高。
21.s6：重复s4-s5，依次切换选通所有待测光纤环圈，并在测试周期内循环，直至测试周期结束。
22.进一步，测试方法还包括s7：将获得的陀螺零偏信号输出传输给上位机，绘制成曲线，并通过计算模块将获得的陀螺零偏信号输出取标准差计算出零偏稳定性。
23.由于光纤环圈的水平决定陀螺的精度水平，陀螺精度由零偏稳定性指标表征，比如低精度的陀螺是1
°
/h ，中精度陀螺为0.01
°
/h，高精度的陀螺为0.001
°
/h。零偏稳定性是对陀螺零偏输出信号取标准差计算而来。因此将测试出的陀螺零偏信号输出取标准差计算出零偏稳定性数值如果高于陀螺要求的精度数值，则光纤环圈不合格，若低于陀螺要求的精度数值则光纤环圈合格，通过计算模块将获得的陀螺零偏信号输出取标准差计算出零偏稳定性，在上位机显示器上可以直接显示出陀螺零偏信号输出曲线及零偏稳定性数值，光纤环圈是否合格测试者可以一目了然。这里对陀螺零偏信号输出取标准差的方法为现有技
术，不做赘述。
24.优化的，由调制解调控制电路板向光开关阵列发送ttl电平序列，可以实现向光开关阵列发送ttl电平序列的自动控制。
25.优化的，ttl电平序列为：高ttl电平施加在光开关阵列中相应的光开关时，光开关双端中的上端口处于导通状态，低ttl电平施加在光开关阵列中相应的光开关时，光开关双端中的下端口处于导通状态。
26.具体地，以光开关阵列光开关为两列为例，其测试系统示意图如图1所示，其光纤环圈的选通与ttl电平序列的对应关系可以如表一所示：表一光纤环圈选通与ttl电平序列对应关系四个光纤环圈的全温性能测试结果如图3所示，图中的虚线表示光纤环圈的温度变化，实线为光纤环圈全温特性曲线。测试结果可充分体现出同等规格批量化光纤环圈温度响应的一致性，同时也能够观测到每个光纤环圈性能的细微差异。该测试系统有效降低了规模化、批量化光纤环圈性能测试对硬件数量的依赖程度。
27.一种基于光开关阵列的光纤环圈性能测试系统，其包括光源1、耦合器2、y波导3、探测器9、调制解调控制电路板7、光开关阵列6、待测光纤环圈4，所述光开关阵列包括多列1
×
2光开关5，前一列光开关的双端分别与后一列对应分布的两个光开关的单端连接，光开关阵列首列为两个光开关，首列的两个光开关单端分别为y波导两个尾纤连接，尾列光开关双端分别按顺序与不同的待测光纤环圈连接，并且连接纤序呈上下分区中心对称分布，所述光源与耦合器输入端连接，耦合器输出端与y波导输入端连接，所述探测器输入端与耦合器连接，探测器输出端与调制解调控制电路板输入端口连接，调制解调控制电路板的输出端与y波导连接，调制解调控制电路板的控制端与光开关阵列的每一个光开关端口连接，便于向光开关阵列发送ttl电平序列。
28.优化的，探测器为光电探测器，干涉光信号经耦合器可以传递至光电探测器，光电探测器能够将光信号转换成电信号传输给调制解调电路。
29.进一步，调制解调控制电路板与上位机8连接，这样可以直接将测试结果显示在上位机显示器上，光纤环圈是否合格测试者可以一目了然。
30.优化的，光源为宽带光源，有助于测试系统实现较低的噪声水平。
31.综上所述，本发明提出的一种基于可扩展光开关阵列的光纤环圈性能测试系统，基于光开关阵列排布可实现多个环圈复用一套测试硬件，且光开关阵列层级可根据需要扩展，扩展时可倍数增加环圈测试数量，大幅缓解了规模化、批量化光纤环圈性能测试对测试硬件数量的依赖程度，测试结果能够直接显示，被测光纤环圈是否合格一目了然，并且该测试方法与系统适用于各种精度水平的干涉型光纤陀螺光纤环圈性能测试。
32.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。