[发明专利]一种光纤萨格奈克干涉仪渡越时间精密测量的方法

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。