基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法

摘要

本发明提供了一种基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，属于光纤萨格奈克干涉仪技术领域。本方法首先关闭光纤萨格奈克干涉仪中的温度闭环调整，通过手动调整温度补偿值使得温漂产生的电压差为零；然后打开光纤萨格奈克干涉仪中的温度闭环调整，测量不同温度下的补偿值A；再通过线性拟合方法获取温度T和补偿值A的线性关系；最后利用得到的线性关系式计算实际温度。本发明基于光纤萨格奈克干涉仪的原有结构，不需要添加额外的温度敏感器件，即可测量光纤萨格奈克干涉仪的温度，且测量范围大，敏感性高，既有较高的可靠性，也降低了光纤萨格奈克干涉仪整体的体积和功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤萨格奈克干涉仪技术领域，具体涉及一种基于Y分支相位调制器温度特 性的集成式闭环温度测量方法。

背景技术

光纤萨格奈克干涉仪是一种高精度的光学测量仪器，利用光线环敏感待测物理量(角速 度、电磁场强度)，产生相位差。这种干涉仪可应用于光纤陀螺、光纤电流互感器、电压互感 器等多种领域。

图1是典型的干涉式光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图，主要包括光源、耦合器、Y分 支相位调制器、光纤环、探测器和信号处理装置。光纤萨格奈克干涉仪的用于精密测量时测 量精度受环境温度影响较大，一般采用温度补偿的方法降低温度对于测量精度的影响。因此 需要在光纤萨格奈克干涉仪中添加必要的温度测量装置，测量光纤环的温度。

目前光线陀螺的温度测量使用独立的温度传感器配合必要的辅助电路实现，常见的传感 器包括铂电阻和DS18B20等。铂电阻温度传感器利用金属铂的电阻值随温度变化的特性测量 温度，常用的测量电路是电桥电路，如图2所示。其中，R₁、R₂、R₃和R₄是定值电阻，R_f是 铂电阻。通过测量R₃两端电压可以测量温度值。在实际应用时，需要在电路板上添加信号调 理电路和AD转换电路。DS18B20是一种数字输出型集成温度传感器，通过分时单线通信与 光纤萨格奈克干涉仪的中心处理器通信，接收指令发送温度值。

使用任何一种温度传感器，都需要将温度敏感元件安装在光纤萨格奈克干涉仪的敏感环 组件上，实现温度测量，但额外的温度传感器造成光纤萨格奈克干涉仪体积和功耗升高，可 靠性降低。

发明内容

本发明针对额外温度传感器造成光纤萨格奈克干涉仪体积和功耗升高、可靠性降低等问 题，提出了一种基于Y分支相位调制器温度特性的光纤萨格奈克干涉仪集成式闭环温度测量 方法。

本发明的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，通过手动调整温 度补偿值使得温漂产生的电压差为零，此时获得温度补偿的初始值A₀；

步骤2：打开光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，测量不同温度下 的补偿值A，其中A＝A₀+ΔA；ΔA为温度补偿的漂移量，由信号处理装置中的温度漂移解调 单元计算得到；

步骤3：温度T和补偿值A的关系表达为：T＝k·A+b，k和b为实数；利用步骤2得到 的温度T和补偿值A，通过线性拟合方法获得k和b；

步骤4：应用时，将得到的补偿值A代入已知k和b的公式T＝k·A+b中，获得实际温 度T。

所述的光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，是指信号处理装置中的 中心处理器解调探测器信号，获取温度漂移，调整补偿值；其中，中心处理器中设置有调制 信号模块，调制信号模块输出调制信号D_m，使得其中是任意 相位值，h是常数，τ表示光线通过干涉仪的光纤环的时间，Ф(t)是t时刻的调制相位。如果 温度保持不变，则探测器的信号为恒定强度信号，当半波电压发生温度漂移时，探测器信号 中观察到出现半波电压温度漂移引起的电压差ΔV，通过解调电压差ΔV，对解调结果积分得 到温度补偿的漂移量ΔA。

本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明基于光纤萨格奈克干涉仪的原有结构，不添 加额外器件即可测量光纤萨格奈克干涉仪的温度；(2)本发明是一种闭环的温度检测方法， 测量范围大，敏感性高；(3)本发明不需要添加额外的温度敏感器件，既有较高的可靠性， 也降低了光纤萨格奈克干涉仪整体的体积和功耗。

附图说明

图1是典型的光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图；

图2是铂电阻温度传感器中采用的电桥电路示意图；

图3是Y分支相位调制器相位调制的原理图；

图4是基于Y分支相位调制器的光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图；

图5中，(a)是第一种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；

图6中，(a)是第二种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；

图7中，(a)是第三种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；

图8是中心处理器的结构示意图；

图9是本发明的集成式闭环温度测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

Y分支相位调制器是光纤萨格奈克干涉仪的固有结构，具有对温度敏感的特性。本发明 利用这种特性实现光纤萨格奈克干涉仪温度测量，不需要任何额外的温度敏感元件或辅助电 路，解决了现有技术中额外温度传感器所带来的问题。

Y分支相位调制器是光纤萨格奈克干涉仪的重要部件，主要作用是对光源发出的光进行 相位调制。Y分支相位调制器的主要特征参数是半波电压V_π/2，即调制相位为π/2时所需的外 部电压，是一个对温度敏感的物理量。图3是Y分支相位调制器相位调制的原理图，其主要 结构铌酸锂晶体是一种常见的电光晶体。

设铌酸锂晶体的长度为L，电场宽度为G，铌酸锂晶体折射率为n_e，线性电光系数为r₃₃， 当波长为λ₀的光线通过铌酸锂晶体时，Y分支相位调制器的半波电压可以表示为：

$V_{\pi /2}=\frac{G}{L}·\frac{{\lambda }_0}{r_{33}{n}_e^3}---\left(1\right)$

半波电压的各项参数均受温度T影响，其中线性电光系数r₃₃的温度敏感系数为500ppm，远 大于其他参数。因此Y分支相位调制器半波电压的温度敏感性可以表示为

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\pi /2}}{V_{\pi /2}\mathrm{dT}}\approx -\frac{{\mathrm{dr}}_{33}}{r_{33}\mathrm{dT}}---\left(2\right)$

线性电光系数与温度成线性关系，且半波电压变化量较小，因此半波电压与温度也有近 似线性的关系，可表示为

$V_{\pi /2}\left(T\right)=-\frac{V_{\pi /2}\left(T_0\right){\mathrm{dr}}_{33}}{r_{33}\left(T_0\right)\mathrm{dT}}·(T-T_0)+V_{\pi /2}\left(T_0\right)---\left(3\right)$

其中T₀表示室温下的某个温度值，V_π/2(T)表示温度为T时的半波电压的大小。

图4中虚线框内部分是光纤萨格奈克干涉仪信号处理单元的结构示意图，中心处理器产生 的数字调制信号D_m经补偿模块输出调制信号D_c，满足关系D_c＝D_m×A，其中A是补偿值。D_c经 过DA转换器生成模拟调制信号V_m，在经过调制驱动电路比例放大后，产生实际调制信号V加 载于Y分支相位调制器的金属电极上，实现相位调制。

$\Phi =\frac{V}{V_{\pi /2}}\times \frac{\pi }{2}=\frac{\pi D_m{\mathrm{AV}}_{\mathrm{REF}}K}{2^{n+1}{V}_{\pi /2}}---\left(4\right)$

其中，Φ表示调制的相位，K表示调制驱动电路的放大倍数，V_REF表示AD转换器的参考电压。

调制系数可表示为

$\Phi {/D}_m=\frac{\pi {\mathrm{AV}}_{\mathrm{REF}}K}{2^{n+1}{V}_{\pi /2}}---\left(5\right)$

在光纤萨格奈克干涉仪工作时，信号处理装置的温度闭环调整功能通过调整A值，使调制系数 不随温度变化，因此在任意温度T下的补偿值A(T)和V_π/2(T)成正比关系，如下：

$V_{\pi /2}\left(T\right)=\frac{\pi V_{\mathrm{REF}}K}{2^{n+1}\Phi /D_m}\times A\left(T\right)---\left(6\right)$

带入(3)可得

$T=-\frac{\pi V_{\mathrm{REF}}K}{2^{n+1}\Phi /D_m}·\frac{r_{33}\left(T_0\right)\mathrm{dT}}{V_{\pi /2}\left(T_0\right){\mathrm{dr}}_{33}}\times A\left(T\right)+[T_0-r_{33}\left(T_0\right)\frac{\mathrm{dT}}{{\mathrm{dr}}_{33}}]---\left(7\right)$

考虑到除T和A外其他值变化均较小或为恒定值，将表示为参数k， 用参数b表示则上式可表示为：

T＝k·A+b   (8)

其中，k和b均为实数。

根据萨格奈克干涉仪的原理，设光线通过干涉仪的光纤环的时间为τ，则在不考虑其他效 应(萨格奈克效应，法拉第效应等)的情况下，t时刻探测器探测到的光强度I为

其中，Ф(t)是t时刻的调制相位，可通过公式(4)计算获得，I₀是与光源光强度相关的光强， 不受其他条件影响。如果设计一种调制信号D_m，保证不随时间变化，即 其中是任意的一个相位值，h是常数。

当调制信号满足为常数时，如果温度保持不变，则探测器的信号为 恒定强度信号。当半波电压发生温度漂移时，探测器信号不再是恒定强度，而是可以观察到 半波电压温度漂移引起的电压差，进而可以检测温度漂移。以下描述三种调制信号均满足 为常数，图5、图6、图7分别是三种调制信号的典型情况。

第一种调制波形包括两个状态，一种状态是调制相位以的速率匀速变化，另一种状 态是调制相位直接跳变至2hπ。在跳变的位置，如果有温度漂移，则可以观察到探测器信号 的变化。如图5的(a)所示，信号每经过一段相等的时间出现周期性跳变，跳变的值是-2π，即 h＝-1情况，跳变的周期是如图5的(b)所示，当有温度漂移时，可观察到温度漂 移引起的电压差ΔV。

第二种调制波形是一种每过时间τ变化一次的阶梯状信号，每次变化的值是有 温度漂移时，如果相邻两次变化的值不相等，则可以观察到探测器信号的变化。例如，在图 6中，信号每次增大或减小即h＝0或h＝-1，如果相邻两次均变化探测器信号 强度不变，前一次增大后一次减小则可从探测器观察到电压差ΔV。

第三种调制波形是一种以2τ为周期的周期性信号，单个周期内的信号分为4个时间长度 相等阶段，每个阶段长度为τ/2。其中第一阶段和第三阶段的相位差为第二阶 段和第四阶段的相位差为或第一阶段和第三阶段的相位差为第 二阶段和第四阶段的相位差为有温度漂移时，探测器的能够探测到周期性的 信号。图7所示的信号是h＝0的情况。

当温度发生改变时，调制信号D_m不变的情况下，由于调制系数随温度漂移，在探测器探 测到的光强信号中可以检测到温度漂移产生的电压差ΔV，如图5～图7中的(b)所示。电 压差ΔV表征的是当前的补偿值与准确的补偿值之间的偏差。

中心处理器内部结构如图8所示。调制信号D_m由调制信号模块生成。中心处理器一般为 FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。温度漂移解调单元解调温度 漂移产生的电压差ΔV，对解调结果积分可得相对于初始温度A₀的漂移量ΔA。调制补偿值A 由两部分组成，包括初始值A₀和漂移量ΔA，即A＝A₀+ΔA。漂移量ΔA与初始值A₀相加，再 与原始调制信号D_m相乘，得到实际的调制数字量D_c。信号处理单元可以使用DSP等微型处 理器代替。

本发明提供的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，如图8的所 示，包括如下步骤：

步骤1：获得温度补偿的初始值A₀，具体是：关闭光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置 对温度的闭环调整，通过手动调整温度补偿值，使得温漂产生的电压差为零，此时得到的温 度补偿值就是所要获取的初始值A₀。

本步骤中，关闭中心处理器对温度的闭环调整，可认为温度补偿的漂移量ΔA恒定为0。 当某温度T下如果补偿值A符合公式(6)，则电压差ΔV为零。

步骤2：开启光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度补偿值自动调整，将光纤萨格 奈克干涉仪置于若干个不同恒定温度的环境中，记录每个温度对应的补偿值A；

本步骤中设定若干个不同的温度值，然后计算各温度下对应的补偿值通过中心处理器中 温度漂移解调单元，得到对应温度下的漂移量ΔA，进一步得到对应温度下的温度补偿值。

步骤3：利用步骤2得到的温度T和补偿值A，通过线性拟合方法计算公式(8)中k和 b的值；

步骤4：在中心处理器内添加温度和补偿值的计算模块。在应用时，将得到的补偿值代 入已知k和b的公式(8)中，获得实际温度T。