一种光纤萨格奈克干涉仪渡越时间精密测量的方法

摘要

本发明公开了一种光纤萨格奈克（Sagnac）干涉仪渡越时间精密测量的方法。在光纤萨格奈克干涉仪耦合器第四条尾纤处连接第二个光电探测器；集成相位调制器引入的调制相位差固定，改变光源的光功率，两个光电探测器分别将经光纤环返回的光强和光源直接输出的光强转换成电信号，用基于同一时钟的两个模数转换器分别对两个光电探测器的输出信号进行采样；对所得的两组采样序列进行相关处理，得到两序列之间的时间延迟，并结合采样率计算出光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。本发明能够有效的精密测量光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间，为系统准确地选择调制信号周期提供依据，抑制因渡越时间偏差造成的偏移和误差，提高光纤萨格奈克干涉仪的长期稳定性和精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤萨格奈克干涉仪信号的处理方法，尤其是涉及一种光纤萨格奈克干涉仪渡越时间精密测量的方法。

背景技术

1913年法国人萨格奈克(G.Sagnac)发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解成为两束，让它们在同一个环形光路内沿相反的方向传播一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，这就是萨格奈克效应。基于萨格奈克效应的干涉仪叫做光学萨格奈克干涉仪，这其中最具代表性的就是光纤萨格奈克干涉仪仪。

渡越时间为光在具有互易性的光路中传播一周所需要的时间。中高精度光纤萨格奈克干涉仪主要采用数字闭环的方案，首先通过集成相位调制器对光学系统进行调制，然后通过模数转换转换器将光纤萨格奈克干涉仪的信号转换为数字量，通过控制器进行调制解调处理。当集成相位调制器调制信号的半周期和光纤萨格奈克干涉仪渡越时间不相等时，系统会产生和该误差相关的偏移；该偏移在环境变化时相应地变化，从而在光纤萨格奈克干涉仪出信号上叠加一个漂移的误差分量，降低了系统的静态精度和分辨率，并且削弱了性能稳定性。只有精确地测量出实际的光纤萨格奈克干涉仪渡越时间，然后根据测量结果用于设定调制信号周期，才能最大限度改善光纤萨格奈克干涉仪的漂移性能。

光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间对不同的光学系统是不同的数值，其具体大小决定于互易光路中的光路长度和折射率，在绕制光纤萨格奈克干涉仪光纤环的生产过程中，可以得到光纤长度精度的估计值在10米左右，该估计值精度约为50纳秒量级。在高精度光纤萨格奈克干涉仪中，需要更精确的数值，并且由于生产工艺的原因，在光纤萨格奈克干涉仪的生产过程中避免不了光纤的焊接，也会造成渡越时间的数值变化，所以精密测量光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间是十分必要的。

发明内容

针对目前高精度光纤萨格奈克干涉仪研究中对精密测量光纤萨格奈克干涉仪渡越时间的需求，而又缺少简单有效方法的现状，本发明的目的在于提供一种精密测量光纤萨格奈克干涉仪渡越时间的方法。

发明原理：

光纤萨格奈克干涉仪在集成相位调制器的调制下输出信号为：

I₁(t)＝I₀{1+cos[Δφ_m(t)]}    (3)

在本测量方法中，集成相位调制器的调制相位差设定为零，有Δφ_m(t)＝0，由(3)式可得到：

I₁(t)＝I₀{1+cos[Δφ_m(t)]}＝I₀[1+cos(0)]＝2I₀    (4)

这是所述第一个光电探测器探测到的光强。

第二个光电探测器直接探测光源输出的光功率，假设耦合器分束比为1∶1，则其探测到的光强为：

I₂(t)＝2I₀＝I₁(t)    (5)

这是所述第二个光电探测器探测到的光强。

下面通过对两个探测器电信号的获取及处理以精密测量光纤萨格奈克干涉仪渡越时间的方法做一个简要的论述。

假设所述光源输出变化的光强信号，那么第一个光电探测器和第二个光电探测器分别探测到的光强信号I₁(t)和I₂(t)也随之改变，与之相对应的探测器输出电信号为S₁(t)和S₂(t)。从理论上讲，S₁(t)和S₂(t)是两个存在某一固定延时的信号，该延时即为光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。对探测器输出的电信号进行模数转换，采样率为f_s，得到两组采样序列S₁(n)和S₂(n)。在信号相关处理理论中可知，通过求取两信号的相关积分可以测算出两信号之间的时间延迟。

从相关处理的计算公式(1)可知，不同的Δn值对应有一个特定的相关累加值R(Δn)，渡越时间附近范围内[0，N_d]所有延迟数据点Δn对应的相关累加值R(Δn)组成一个A(R)，在这个序列中有一个极大值R_m，它对应的Δn_m即为两组采样序列相关性最强的时间点，Δn_m/f_s也就是延迟时间，即光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。为了提高渡越时间的测量精度，可以提高采样率f_s，当采样率f_s设定为1GHz时，本发明对应的渡越时间测量精度可以达到1ns。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

包括光纤萨格奈克干涉仪，其特征在于该方法的步骤如下：

1)在光纤萨格奈克干涉仪耦合器的第四条尾纤处连接另一个光电探测器，集成相位调制器引入的调制相位差固定，改变光源输出光功率，两个光电探测器将光强信号转换成电信号；

2)对步骤1)中两个光电探测器的输出信号用基于同一时钟的模数转换器进行采样，得到两组采样序列；

3)对步骤2)中两组采样序列进行相关处理，得到两组采样序列相关性最大时所对应的延迟点，根据采样率计算出光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。

所述集成相位调制器引入的相位差固定；所述改变光源输出光功率的实现方式，是光源加电瞬间至稳定输出光功率的过程或光源输出随外加调制信号变化光功率的过程。

所述基于同一时钟，采样率为f_s的两个模数转换器分别对各自光电探测器输出电信号进行模数转换，得到两组采样序列S₁(n)和S₂(n)；

对所述的两组采样序列S₁(n)和S₂(n)进行相关处理，公式如下：

$>R\left(\mathrm{\Delta n}\right)={\Sigma }_0^{N_s}{S}_2\left(n\right)S_1(n+\mathrm{\Delta n})---\left(1\right)$>

其中，N_s为采样序列长度，Δn为两组采样序列的延迟点，取值范围为[0，N_d]，(N_d/f_s＞τ_估，其中τ_估为光纤萨格奈克干涉仪渡越时间的估计值)，得到对应累加值R(Δn)组成的序列，该序列的最大值用R_m表示，其对应的Δn为两组采样序列相关性最大的延迟点，记为Δn_m，此时光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间τ通过下述公式来计算：

τ＝Δn_m/f_s    (2)

从上式可知，光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间τ测量精度依赖于采样率f_s，提高采样率f_s可提升渡越时间的测量精度。

本发明具有的有益效果是：

本发明能够有效的精密测量光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间，为系统准确地选择调制信号周期提供依据，抑制因渡越时间偏差造成的偏移和误差，提高光纤萨格奈克干涉仪的长期稳定性和精度。

附图说明

图1是所述精密测量光纤萨格奈克干涉仪渡越时间方法的系统原理框图。

图2是对两组采样序列进行相关处理得到渡越时间的算法流程图。

图3是两组采样序列和相关处理后的结果曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括光源C1、分束比为1∶1的耦合器C2、集成相位调制器C3、光纤环C4、第一探测器C5、第二探测器C6、第一模数转换通道C7、第二模数转换通道C8、时钟C9、相关处理算法C10和渡越时间C11；分束比为1∶1的耦合器C2的第一和第三条尾纤分别和光源C1以及第一探测器C5相连，分束比为1∶1的耦合器C2的第三和第四条尾纤分别和集成相位调制器C3以及第二探测器C6相连；集成相位调制器C3的输出端与光纤环C4相连；第一探测器C5经第一个数转换器C7后得到采样序列S₁(n)；第二探测器C6经第二模数转换器C8后得到采样序列S₂(n)，基于计算机的相关处理算法C10对S₁(n)和S₂(n)进行处理，得到两组采样序列相关性最大时对应的时间延迟点，然后根据采样率计算得到光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间C11。

该方法的步骤如下：

1)在光纤萨格奈克干涉仪耦合器的第四条尾纤处连接另一个光电探测器，集成相位调制器引入的调制相位差固定，改变光源输出光功率，两个光电探测器将光强信号转换成电信号；

2)对步骤1)中两个光电探测器的输出信号用基于同一时钟的模数转换器进行采样，得到两组采样序列；

3)对步骤2)中两组采样序列进行相关处理，得到两组采样序列相关性最大时所对应的延迟点，根据采样率计算出光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。

所述集成相位调制器引入的相位差固定；所述改变光源输出光功率的实现方式，是光源加电瞬间至稳定输出光功率的过程或光源输出随外加调制信号变化光功率的过程。

所述基于同一时钟，采样率为f_s的两个模数转换器分别对各自光电探测器输出电信号进行模数转换，得到两组采样序列S₁(n)和S₂(n)；

对所述的两组采样序列S₁(n)和S₂(n)进行相关处理，公式如下：

$>R\left(\mathrm{\Delta n}\right)={\Sigma }_0^{N_s}{S}_2\left(n\right)S_1(n+\mathrm{\Delta n})---\left(1\right)$>

其中，N_s为采样序列长度，Δn为两组采样序列的延迟点，取值范围为[0，N_d]，(N_d/f_s＞τ_估，其中τ_估为光纤萨格奈克干涉仪渡越时间的估计值)，得到对应累加值R(Δn)组成的序列，该序列的最大值用R_m表示，其对应的Δn为两组采样序列相关性最大的延迟点，记为Δn_m，此时光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间τ通过下述公式来计算：

τ＝Δn_m/f_s    (2)

从上式可知，光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间τ测量精度依赖于采样率f_s，提高采样率f_s可提升渡越时间的测量精度。

如图2所示，是对两组采样序列进行相关处理并计算出渡越时间的算法流程图，P1中Δn为两序列的延迟点，其取值范围为0-N_d的整数，其中N_d必须满足N_d/f_s＞τ_估；P2中n为两组采样序列的序号，其取值范围为0-N_s，其中N_s＝tf_s，t为模数转换时间；P3中S₂(n)S₁(n+Δn)为两组采样序列存在Δn延时的条件下在n时刻的乘积；P4为累加值R，累加n＝0，1，...，N_s总共N_s+1个S₂(n)S₁(n+Δn)乘积值；P5为判断n是否等于N_s，若是则结束当前循环，若不是则继续循环直到n＝N_s；P6为将累加值R插入序列的过程，不同的Δn对应一个R值；P7为查询Δn是否等于N_d，若是则结束当前循环，若不是则继续循环直到Δn＝N_d；P8为一个遍历算法，找出A(R)中的最大值R_m，根据序号可知道其对应的时间点Δn_m；P9中Δn_m/f_s计算出的值即为光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。

如图3所示，是两组采样序列和相关处理后的结果曲线图。从图中可知，当两组采样序列进行相关处理后，得到的归一化相关系数曲线图在第50个时间点有最大值，而此时间点正好是序列2和序列1的延迟点，除以采样率f_s即为两组信号的延迟时间，在测试系统中就是光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。

按图1所示原理图搭建测试系统，在光源加电前开启其他系统模块的电源，两个探测器正常工作，模数转换正常工作；然后光源加电，由于光源自身的工作特性，在加电一瞬间至输出稳定光功率的过程需要一定的时间，通常为几百毫秒至数秒之间，在该时间段内，其输出光功率和时间存在一定的函数关系，这就满足了改变光源输出光功率的要求，这是最简单的方法；第一个光电探测器探测到的光强信号绕光纤环传播了一周，所以它与第二个光电探测器探测到的光强信号相比存在一个固定的延时，该延时即为光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间；光源加电前模数转换器已经开始工作，能够采集到光源加电至输出稳定整个过程中探测器输出的全部信号，模数转换获取的两组采样序列通过计算机设计相关处理算法，计算出光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。

结合公式(1)，不同的Δn值对应有一个特定的相关累加值R(Δn)，渡越时间附近范围内[0，N_d]所有延迟数据点Δn对应的相关累加值R(Δn)组成一个A(R)，在这个序列中有一个极大值R_m，它对应的Δn_m即为两组采样序列相关性最强的时间点，Δn_m/f_s也就是延迟时间，即光纤萨格奈克干涉仪的渡越时间。为了提高渡越时间的测量精度，可以提高采样率f_s，当采样率f_s设定为1GHz时，本发明对应的渡越时间测量精度可以达到1ns。