用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計的製作方法

2023-05-08 07:46:16

專利名稱：用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波長計，更特別地說，是指一種用於測量光纖陀螺的寬譜光源平均波長的幹涉型波長計。
背景技術：
為了消除光纖陀螺中的偏振效應、Kerr效應以及背向光散射和反射等帶來的非互易相位誤差，光纖陀螺中多採用寬譜光源。光源的平均波長與光纖陀螺的標度因數成正比，因此準確測量寬譜光源的平均波長對於提高光纖陀螺的測量精度有重要的意義。
目前，波長計主要是用於窄譜光源的波長測量。一般窄譜光源是指譜寬小於5nm的光源，寬譜光源是指譜寬大於5nm的光源。為了滿足光纖陀螺中寬譜光源平均波長的測量需要，本發明提供一種可以高精度測量光纖陀螺寬譜光源的波長計。

發明內容
本發明的目的是一種用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，該波長計由光學部分和檢測電路組成。其中光學部分採用由波導調製器實現的馬赫—澤德幹涉儀。被測光源發出的光在調製器內部被分成兩路，在調製器輸出端發生幹涉。檢測電路採用光電探測器組件進行光信號的檢測，經邏輯控制和運算電路，輸出調製電壓加至波導調製器。根據光波長和相位差以及調製器電極加載電壓的確定關係，測算出光波長。
本發明是一種用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，由波導調製器、光電探測器、檢測電路組成；所述波導調製器接收光源輸出的光波I0，光波I0在波導調製器內分為A路光和B路光同時傳播，波導調製器對A路光採用電光效應進行相位延遲處理，經相位延遲處理後的A路光在波導調製器輸出端與B路光發生幹涉，輸出幹涉光Iout；所述光電探測器接收所述波導調製器輸出的幹涉光Iout，並對幹涉光Iout的光強轉換成電壓信號後輸出給所述檢測電路；所述檢測電路由前置放大電路、DSP處理器、D/A轉換器、後置放大電路和電源電路組成；所述電源電路提供所述檢測電路所需電源；所述DSP處理器對前置放大電路處理後的光強電壓信號經邏輯控制和運算處理後，再經D/A轉換器、後置放大電路處理，輸出調製電壓加至波導調製器。
所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其對光纖陀螺使用的寬譜光源進行平均波長的測量，其測量譜寬範圍為5～50nm。
本發明波長計的優點在於(1)採用波導調製器對輸入光波進行相位調製，解決了光纖陀螺中寬譜光源平均波長的測量問題；(2)採用差值比較和閉環反饋提高了測量精度和測量效率；(3)採用彙編語言編寫DSP的控制程序，提高了軟體的運行效率；(4)檢測電路採用DSP處理器使測量實時性好，響應速度快；(5)結構簡單，易於實現，無複雜機械部件和光學鏡頭，部件之間無磨損，長期工作可靠性好。


圖1是本發明波長計的結構框圖。
圖2是檢測電路結構框圖。
圖3是DSP處理器的控制流程框圖。
圖4A是DSP電路原理圖。
圖4B是前置放大電路原理圖。
圖4C是電源電路原理圖。
圖4D是D/A轉換電路和後置放大電路原理圖。
圖5是本發明波長計的一種外部結構圖。
圖中1.殼體 2.光源輸入接口 3.RS232接口 4.顯示屏5.開關鍵 6.復位鍵 7.前置放大電路 8.DSP處理器9.D/A轉換器 10.後置放大電路 11.電源電路具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
在本發明中，用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，由波導調製器、光電探測器、檢測電路組成。
所述波導調製器接收光源輸出的光波I0，光波I0在波導調製器內分為A路光和B路光同時傳播，波導調製器對A路光通過電光效應進行相位延遲處理，經相位延遲處理後的A路光在波導調製器輸出端與B路光發生幹涉，輸出幹涉光Iout；在本發明中，所述波導調製器內A路光和B路光的相位差依次為π/2和3π/2。
所述光電探測器接收波導調製器輸出的幹涉光Iout，並將幹涉光Iout的光強轉換成電壓信號Uin後輸出給檢測電路；
所述檢測電路由前置放大電路7、DSP處理器8、D/A轉換器9、後置放大電路10和電源電路11組成；所述電源電路11提供所述檢測電路所需電源1.8V、3.3V、-5V、+5V；所述DSP處理器8對前置放大電路7處理後的光強電壓信號經邏輯控制和運算處理後，再經D/A轉換器9、後置放大電路10處理，輸出調製電壓加至波導調製器。所述檢測電路的信息處理步驟是步驟81上電後DSP處理器8在其片上進行初始化；步驟82DSP處理器8根據波導調製器的工作中心波長λ0與工作半波電壓Vπ的數字量Vπd之比獲得波長比例係數K，即K＝λ0/Vπd；同時，設定測量半波數字電壓Uπd的初始值等於工作半波電壓Vπ的數字量Vπd，且所述測量半波數字電壓Uπd經D/A轉換器9、後置放大電路10處理後形成測量半波模擬電壓Uπ；在本發明中，由於測量半波數字電壓Uπd的初始值等於工作半波電壓Vπ的數字量Vπd，因而，測量半波模擬電壓Uπ的初始值等於工作半波電壓Vπ；步驟83DSP處理器8產生第一個數字調製電壓Um1d，且Um1d＝Uπd/2，經D/A轉換器9、後置放大電路10處理後輸出第一個模擬調製電壓Um1，且Um1＝Uπ/2；步驟84DSP處理器8接收第一個由前置放大電路7輸出的第一個模擬光強電壓Uin1，經片內A/D轉換成第一個數字光強電壓Uin1d，並存儲；步驟85DSP處理器8產生第二個數字調製電壓Um2d，且Um2d＝3Uπd/2，經D/A轉換器9、後置放大電路10處理後輸出第二個模擬調製電壓Um2，且Um2＝3Uπ/2；步驟86DSP處理器8接收第二個由前置放大電路7輸出的第二個模擬光強電壓Uin2，經片內A/D轉換成第二個數字光強電壓Uin2d，並存儲；步驟87DSP處理器8對第一個數字光強電壓Uin1d與第二個數字光強電壓Uin2d進行差值比較，(A)當第一個數字光強電壓Uin1d大於第二個數字光強電壓Uin2d時，則增加測量半波電壓數位訊號Uπd，返回步驟83；(B)當第一個數字光強電壓Uin1d小於第二個數字光強電壓Uin2d時，則減小測量半波電壓數位訊號Uπd，返回步驟83；(C)當第一個數字光強電壓Uin1d等於第二個數字光強電壓Uin2d時，則被測光源的波長λ＝KUπd輸出至顯示4；步驟88光源波長自測量結束。
本發明波長計的測量過程能夠通過差值比較和反饋完成檢測電路輸出的調製電壓使波導調製器內A路光和B路光的相位差依次精確為π/2和3π/2，這時的第一個數字光強電壓Uin1d與第二個數字光強電壓Uin2d相等。根據此時的測量半波數字電壓Uπd計算出波長。
在本發明中，所述檢測電路的各管腳聯接為中心處理器U4的16條數據線與D/A轉換器U2的16條數據線聯接，中心處理器U4的第174腳與前置放大電路U1的第1腳聯接，實現前置放大後的電壓信號輸入，中心處理器U4的第140腳與3.3V高電平之間接有電阻R8，實現鎖相環工作有效，中心處理器U4的第40、34腳與埠J1聯接，實現串行數據輸出，中心處理器U4的第76、77腳與晶振電路聯接，為系統提供時鐘信號，中心處理器U4的第84腳與D/A轉換器U2的第26腳聯接，實現D/A轉換器的工作啟動，中心處理器U4的第11腳與地之間接有電容C3，第10腳與地之間接有電容C4，第16腳與地之間接有電阻R10，第12腳接地，第175腳接地，第13腳接3.3V高電平，第10、11、12、16、175腳為片內A/D轉換器提供參考電壓，中心處理器U4的第160腳接復位電路，實現系統復位，中心處理器U4的第159、82、161腳通過電阻R12與3.3V高電平聯接；電源電路U5的第25、24、23腳通過電阻R13及電感L1與電感L2分別輸出1.8V數字模擬電源電壓，電源電路U5的第19、18、17腳通過電阻R9及電感L3與電感L4分別輸出3.3V數字模擬電源電壓，電源電路U5的第5、6、11、12腳與+5V電源聯接；前置放大電路U1的第1腳輸出前置放大後的電壓信號至中心處理器U4的第174腳，第1腳與第2腳之間串聯有電阻R2，實現放大信號負反饋，前置放大電路U1的第2腳與光電探測器之間接有電阻R1，實現光電探測器電壓信號輸入，前置放大電路U1的第3腳與地之間接有電阻R3，
前置放大電路U1的第4腳接-5V電壓，前置放大電路U1的第8腳接+5V電壓；D/A轉換器U2的第25腳接+5V電壓，D/A轉換器U2的第23腳通過電容C1與第22、23腳聯接，D/A轉換器U2的第16腳與地之間接有電容C2，D/A轉換器U2的第20腳與地之間接有電阻R4，且通過電阻R5與後置放大電路U3的第2腳聯接；後置放大電路U3的第1腳與波導調製器連接，輸出調製電壓信號，後置放大電路U3的第1腳電阻R6與第2腳聯接，實現放大信號負反饋，後置放大電路U3的第3腳與地之間接有電阻R7，後置放大電路U3的第4腳接-5V電壓，後置放大電路U3的第8腳接+5V電壓；在本發明中，片內供電由電源電路U5提供1.8V和3.3V數字模擬電源電壓，原始電源輸入為±5V和地GND。
在本發明中，波導調製器選取MOD22212型號調製器、光電探測器採用武漢電信器件公司的PIN/FET光電探測器組件，型號為PFTM91-1、DSP處理器選取TMS320F2812型號、D/A轉換器選取LTC1668型號、電源晶片選取TPS73HD301、運算放大器選取AD8066ARM型號。
本發明用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計能夠實現對光纖陀螺使用的寬譜光源進行平均波長的測量，其測量譜寬範圍為5～50nm。
權利要求
1.一種用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在於由波導調製器、光電探測器、檢測電路組成；所述波導調製器接收光源輸出的光波I0，光波I0在波導調製器內分為A路光和B路光同時傳播，波導調製器對A路光採用電光效應進行相位延遲處理，經相位延遲處理後的A路光在波導調製器輸出端與B路光發生幹涉，輸出幹涉光Iout；所述光電探測器接收所述波導調製器輸出的幹涉光Iout，並對幹涉光Iout的光強轉換成電壓信號後輸出給所述檢測電路；所述檢測電路由前置放大電路(7)、DSP處理器(8)、D/A轉換器(9)、後置放大電路(10)和電源電路(11)組成；所述電源電路(11)提供所述檢測電路所需電源；所述DSP處理器(8)對前置放大電路(7)處理後的光強電壓信號經邏輯控制和運算處理後，再經D/A轉換器(9)、後置放大電路(10)處理，輸出調製電壓加至波導調製器。
2.根據權利要求1所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在於所述檢測電路的信息處理步驟是，步驟81上電後DSP處理器(8)初始化；步驟82DSP處理器(8)根據波導調製器的工作中心波長λ0與工作半波電壓Vπ的數字量Vπd之比獲得波長比例係數K，即K＝λ0/Vπd；同時，設定測量半波數字電壓Uπd的初始值等於工作半波電壓Vπ的數字量Vπd，且所述測量半波數字電壓Uπd經D/A轉換器(9)、後置放大電路(10)處理後形成測量半波模擬電壓Uπ；步驟83DSP處理器(8)產生第一個數字調製電壓Um1d，且Um1d＝Uπd/2，經D/A轉換器(9)、後置放大電路(10)處理後輸出第一個模擬調製電壓Um1，且Um1＝Uπ/2；步驟84DSP處理器(8)接收第一個由前置放大電路(7)輸出的第一個模擬光強電壓Uin1，經片內A/D轉換成第一個數字光強電壓Iin1d，並存儲；步驟85DSP處理器(8)產生第二個數字調製電壓Um2d，且Um2d=3Uπd/2，經D/A轉換器(9)、後置放大電路(10)處理後輸出第二個模擬調製電壓Um2，且Um2＝3Uπ/2；步驟86DSP處理器(8)接收第二個由前置放大電路(7)輸出的第二個模擬光強電壓Uin2，經片內A/D轉換成第二個數字光強電壓Uin2d，並存儲；步驟87DSP處理器(8)對第一個數字光強電壓Uin1d與第二個數字光強電壓Uin2d進行差值比較，(A)當第一個數字光強電壓Uin1d大於第二個數字光強電壓Uin2d時，則增加測量半波電壓數位訊號Uπd，返回步驟83；(B)當第一個數字光強電壓Uin1d小於第二個數字光強電壓Uin2d時，則減小測量半波電壓數位訊號Uπd，返回步驟83；(C)當第一個數字光強電壓Uin1d等於第二個數字光強電壓Uin2d時，則被測光源的波長λ＝KUπd輸出至顯示(4)；步驟88光源波長自測量結束。
3.根據權利要求2所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在於步驟82中測量半波數字電壓Uπd的初始值等於工作半波電壓Vπ的數字量Vπd，因而，測量半波模擬電壓Uπ的初始值等於工作半波電壓Vπ。
4.根據權利要求1所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在于波導調製器內A路光和B路光的相位差依次為π/2和3π/2。
5.根據權利要求1所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在於所述檢測電路的各管腳聯接為，中心處理器U4的16條數據線與D/A轉換器U2的16條數據線聯接，第174腳與前置放大電路U1的第1腳聯接，第140腳與3.3V高電平之間接有電阻R8，第40、34腳與埠J1聯接，第76、77腳與晶振電路聯接，第84腳與D/A轉換器U2的第26腳聯接，第11腳與地之間接有電容C3，第10腳與地之間接有電容C4，第16腳與地之間接有電阻R10，第12腳接地，第175腳接地，第13腳接3.3V高電平，第160腳接復位電路，第159、82、161腳通過電阻R12與3.3V高電平聯接；電源電路U5的第25、24、23腳通過電阻R13及電感L1與電感L2分別輸出1.8V數字模擬電源電壓，第19、18、17腳通過電阻R9及電感L3與電感L4分別輸出3.3V數字模擬電源電壓，第5、6、11、12腳與+5V電源聯接；前置放大電路U1的第1腳輸出前置放大後的電壓信號至中心處理器U4的第174腳，第1腳與第2腳之間串聯有電阻R2，第2腳與光電探測器之間接有電阻R1，第3腳與地之間接有電阻R3，第4腳接-5V電壓，第8腳接+5V電壓；D/A轉換器U2的第25腳接+5V電壓，第23腳通過電容C1與第22、23腳聯接，第16腳與地之間接有電容C2，第20腳與地之間接有電阻R4，且通過電阻R5與後置放大電路U3的第2腳聯接；後置放大電路U3的第1腳與波導調製器連接，第1腳電阻R6與第2腳聯接，第3腳與地之間接有電阻R7，第4腳接-5V電壓，第8腳接+5V電壓。
6.根據權利要求1所述的用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，其特徵在於對光纖陀螺使用的寬譜光源進行平均波長的測量，其測量譜寬範圍為5～50nm。
全文摘要
本發明公開了一種用於測量光纖陀螺寬譜光源的波長計，由波導調製器、光電探測器、檢測電路組成。所述波導調製器接收光源輸出的光波I
文檔編號G01C19/72GK1912555SQ20061011266
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月29日 優先權日2006年8月29日
發明者徐宏傑, 梁生, 李彥, 張春熹 申請人:北京航空航天大學