一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试方法及装置

技术领域

本发明属于光学陀螺技术领域，具体涉及一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试方法及装置。

背景技术

随着技术发展和领域拓展，干涉式光纤陀螺逐步向着小型化、低成本方向发展，传统三轴光纤陀螺的小型化、低成本发展面临巨大挑战，主要限制因素在于传统三轴光纤陀螺光路包含11个分立光学器件、多达16个熔点和16段尾纤需要处理，造成中低精度三轴光纤陀螺工序复杂、体积大、成本高、成品率低。

近年来，集成光学芯片取得突破并且在通信领域获得广泛应用，为光纤陀螺实现集成化与小型化提供了新的思路：将传统三轴光纤陀螺中的分立光学器件用集成光学芯片取代，其体积、重量将会大幅降低，成本和功耗也将一定程度改善，因此三轴集成化光纤陀螺成为了陀螺惯性器件的重要发展方向。目前满足光纤陀螺应用需求的三轴光学芯片鲜有报道，除了三轴光学芯片设计、加工等制约因素以外，多通道光路在探测器端的电串扰也将严重制约陀螺精度，具体表现在三轴光学芯片上X、Y、Z轴PIN-FET接收组件在实际工作中，由于绝对时间常数难以与晶振分频时钟完全对应，导致X轴PIN-FET接收组件的尖峰脉冲对Y/Z轴PIN-FET接收组件的平直段产生电压串扰，以此同时，Y、Z轴PIN-FET接收组件也会对X/Z轴和X/Y轴PIN-FET接收组件产生电压串扰，导致三轴集成化光纤陀螺精度严重劣化。目前，对于三轴光纤陀螺用光学芯片的轴间串扰，除了搭建陀螺进行精度测试以外尚无有效的轴间串扰测试方法和装置，而且陀螺精度还受限于其它因素影响。因此，迫切需要针对光学芯片的轴间串扰问题，提出一种便捷、有效的串扰测试方法和装置。

发明内容

本发明旨在提供一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试方法及装置，可迅速获得不同通道间的串扰，便于三轴光学芯片的设计、检测。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试方法，包括如下步骤：

三轴光学芯片通过3个Y波导分别与3个光纤环圈连通，形成对应X轴、Y轴、Z轴的三个通道；

确定三个通道中的一个通道为测试通道；

为测试通道的Y波导施加调制信号，采集三轴光学芯片上测试通道探测器输出的信号作为参考信号，以及其他两个通道探测器输出的信号作为第一待测信号、第二待测信号；

第一待测信号、第二待测信号分别进行滤波，以消除直流分量；

分别开展参考信号与第一待测信号、第二待测信号的相关检测，进行滤波获得串扰数字量；

参考信号开展自相关检测，进行滤波获得自相关数字量；

基于串扰数字量、自相关数字量，计算串扰数字量与自相关数字量比值的对数，获得测试通道对其他两个通道的串扰。

本发明通过在测试通道施加调制信号，检测测试通道对其他通道的串扰影响，通过定量化的表达形式反映光学芯片轴间串扰，便于技术人员根据串扰的数值对芯片进行选型设计，优化陀螺精度。

进一步地，调制信号采用正弦波信号，通过合理调节信号的幅值，可以改善串扰的直观性。

进一步地，所述相关检测为两个信号相乘，所述自相关检测为信号自身相乘，相关检测、自相关检测后的滤波采用低通滤波，去除高频信号。

进一步地，调制信号采用差分调制信号形式施加，可以提高信号抗干扰能力。

进一步地，串扰的计算方法为：

其中，κ

C

C

M,N＝1、2、3，M≠N，1、2、3标记的通道分别对应三轴光学芯片的X轴、Y轴、Z轴通道。

本发明还提供了一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试装置，包括Y波导、光纤环圈、串扰测试模块；3个所述光纤环圈分别连接1个所述Y波导，3个所述Y波导分别与待测三轴光学芯片的三条尾纤连接；所述串扰测试模块包括调制信号输出接口、参考信号输入接口、待测信号输入接口、串扰信号输出接口，所述调制信号输出接口有3个，分别连通3个所述Y波导，所述参考信号输入接口、待测信号输入接口分别与待测三轴光学芯片的一个探测器输出端连接，所述串扰信号输出接口输出串扰信息。

进一步地，所述串扰测试模块用于开展参考信号和待测信号的相关检测，进行滤波获得参考信号对待测信号的串扰数字量，开展参考信号的自相关检测，进行滤波获得自相关数字量，根据串扰数字量、自相关数字量计算串扰。

进一步地，所述串扰测试模块包括

调制信号子模块，用于产生调制信号，通过调制信号输出接口输出到一个所述Y波导上；

通道选择子模块，用于确定待测三轴光学芯片的测试通道；

数字滤波子模块，用于待测信号的滤波；

信号解调子模块，用于开展参考信号和待测信号的相关检测，进行滤波获得参考信号对待测信号的串扰数字量，开展参考信号的自相关检测，进行滤波获得自相关数字量；

串扰计算子模块，用于根据串扰数字量、自相关数字量计算串扰数值，输出串扰信息，输出至串扰信号输出接口。

进一步地，所述串扰测试模块还包括电源控制子模块，用于串扰测试模块的供电；

通道选择子模块通过预设测试流程或者输入设定指令确定测试通道。

进一步地，测试时，待测三轴光学芯片工作在标准工作状态，可以采用常规手段实现。为了简化测试操作，三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试装置还包括稳压直流电源、光源驱动/温控模块，所述稳压直流电源为待测三轴光学芯片的PIN-FET接收组件供电，所述光源驱动/温控模块用于待测三轴光学芯片的SLD光源驱动和温度控制，通过将稳压直流电源、光源驱动/温控模块与待测三轴光学芯片引脚连通，控制三轴光学芯片工作状态。

进一步地，光纤环圈的工作波段与待测三轴光学芯片相同，该测试装置可以用于三轴光学芯片批量检测。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明针对三轴光学芯片轴间串扰严重制约陀螺性能提升的突出问题，提出一种基于信号发生、探测和计算的串扰测试方法和装置。通过在装置中设计轴间串扰解调软硬件，迅速求得不同通道间的串扰大小，为三轴光学芯片的设计改进和三轴集成化光纤陀螺的实用化发展奠定基础，本发明具有原理简单、效果显著的突出技术优势。

采用对数对三轴光学芯片的轴间串扰进行表征，能够准确地标识相对串扰大小，而不是其绝对值，为后期光学芯片的设计优化、改进奠定准确的参考基准。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的三轴光学芯片轴间串扰测试装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的串扰测试模块的结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的三轴光学芯片轴间串扰测试原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动而获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试方法，包括如下步骤：

三轴光学芯片通过3个Y波导分别与3个光纤环圈连通，形成对应X轴、Y轴、Z轴的三个通道；

确定三个通道中的一个通道为测试通道；

为测试通道的Y波导施加调制信号，采集三轴光学芯片上测试通道探测器输出的信号作为参考信号，以及其他两个通道探测器输出的信号作为第一待测信号、第二待测信号；

第一待测信号、第二待测信号分别进行滤波，以消除直流分量；

分别开展参考信号与第一待测信号、第二待测信号的相关检测，进行滤波获得串扰数字量；

参考信号开展自相关检测，进行滤波获得自相关数字量；

基于串扰数字量、自相关数字量，计算串扰数字量与自相关数字量比值的对数，获得测试通道对其他两个通道的串扰。

本发明通过在测试通道施加调制信号，检测测试通道对其他通道的串扰影响，通过定量化的表达形式反映光学芯片轴间串扰，便于技术人员根据串扰的数值对芯片进行选型设计，优化陀螺精度。

本发明还提供了一种三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试装置，包括Y波导、光纤环圈、串扰测试模块；3个所述光纤环圈分别连接1个所述Y波导，3个所述Y波导分别与待测三轴光学芯片的三条尾纤连接；所述串扰测试模块包括调制信号输出接口、参考信号输入接口、待测信号输入接口、串扰信号输出接口，所述调制信号输出接口有3个，分别连通3个所述Y波导，所述参考信号输入接口、待测信号输入接口分别与待测三轴光学芯片的一个探测器输出端连接，所述串扰信号输出接口输出串扰信息。

本发明针对三轴光学芯片轴间串扰严重制约陀螺性能提升的突出问题，提出一种基于信号发生、探测和计算的串扰测试方法和装置。通过在装置中设计轴间串扰解调软硬件，迅速求得不同通道间的串扰大小，为三轴光学芯片的设计改进和三轴集成化光纤陀螺的实用化发展奠定基础，本发明具有原理简单、效果显著的突出技术优势。

以测试X轴通道对Y/Z轴通道的串扰影响为例，对上述技术方案进行详细说明。

本实施例中，三轴光纤陀螺用光学芯片轴间串扰测试装置整体结构如图1所示，主要包括光路单元和电路单元，其中三轴光学芯片的管脚定义如表1所示。光路单元包括带尾纤输出的三轴光学芯片、3个Y波导、3个光纤环圈。其中三轴光学芯片实现三通道通光耦合和探测功能，具体包括SLD光源、PIN/FET光接收组件以及多轴耦合器三部分，SLD光源用于输出光，PIN/FET光接收组件用于三轴通道的光探测，多轴耦合器用于三轴通道的光耦合；Y波导实现光的起偏、耦合和相位调制功能；光纤环圈实现角速度敏感功能。电路单元包括稳压直流电源、光源驱动/温控模块、串扰测试模块；其中，稳压直流电源用于为PIN/FET光接收组件±5V供电，光源驱动/温控模块用于SLD光源部分的驱动和温度控制以实现稳定的光功率输出；串扰测试模块主要用于实现调制信号发生、轴间串扰信号解调以及串扰数据输出等功能。

主要连接关系如下：稳压直流电源的﹢5V、-5V和地接口分别连接三轴光学芯片的1、2和3引脚，为PIN/FET光接收组件供电；光源驱动/温控模块的温控接口连接三轴光学芯片的4、5、6和7引脚，4、5引脚为热制冷器负、正极，6、7引脚为热敏电阻，驱动接口连接三轴光学芯片的8和9引脚，8、9引脚为SLD正负极；串扰测试模块的差分调制信号接口1连接Y波导1的两个电极，差分调制信号接口2连接Y波导2的两个电极，差分调制信号接口3连接Y波导3的两个电极，GND接口与稳压直流电源的GND接口相连，参考信号端口和待测信号端口分别连接三轴光学芯片的干扰测试通道探测器输出和被干扰通道探测器输出，图1中以测试X轴PIN-FET接收组件对Y轴PIN-FET接收组件的串扰为例，参考信号端口和待测信号端口分别连接12脚PD1和13脚PD2。三轴光学芯片引脚10、引脚11悬空。

表1三轴光学芯片管脚定义

光源驱动/温控模块的组成可以采用现有技术，可参考一种集成化的光源驱动电路和光纤陀螺(CN202222006605.4)，一种光源驱动电路和光纤陀螺(CN202120841247.1)等。

轴间串扰测试模块具体结构如图2所示，具体结构及功能叙述如下：

电源控制模块实现外部电源到内部电源的转换以实现整个串扰测试模块的供电；调制信号模块实现调制信号发生，具体为输出1V峰峰值、100kHz频率正弦波，随后该调制信号进入通道选择模块，通道选择模块接收外部通道设定指令后，将指令输入通道选择模块，如果不设定则通道选择模块默认为首先测试通道1(X轴)对其它通道的串扰，其次是通道2(Y轴)、通道3(Z轴)对其它通道的串扰，同时将目前选择的通道信息传递给串扰计算模块作为通道标识；在串扰信息产生环节，主要是对参考信号和待测信号进行相关检测的过程，待测信号首先进入串扰通道选择模块，根据通道信息确立是测试哪一通道对其它通道的串扰，将待测信号首先经过数字滤波模块，消除直流分量影响。在信号解调模块中进行参考信号和待测信号的数字相关检测，通过低通滤波，得到的是参考信号对待测信号的串扰数字量，另根据参考信号本身得到其自相关数字量，将串扰数字量和自相关数字量输入串扰计算模块，进行数学运算(具体运算过程见公式(5))，即可求得串扰数值，将串扰信息(包括串扰数值及通道信息)输出给外部接口，从而实现不同通道间的串扰测量。

芯片轴间串扰测试原理如图3所示：

通过将调制信号施加到三轴光学芯片的其中1路上(以X轴Y波导1为例)，此时调制信号加载通道的PIN-FET接收组件的PD1上会产生图2中所示的正弦波信号，不可避免串扰到达PD2和PD3上，具体见信号串扰1路和信号串扰2路图示，将加载通道的PD1信号作为参考信号，其强度表示为：

V

其中，V

PD2信号作为串扰信号，其强度表示为：

V

其中，V

在数字相关检测模块中将这两个信号相乘，得到两个频率分别为(ω

由于ω

因此，通过数字相关检测，可以实现参考路对信号串扰路串扰值的检测，即为轴间串扰测试原理。

芯片轴间串扰测试方法步骤如下：

S1，按照图1，将光源驱动/温控模块、稳压直流电源以及串扰测试模块连接三轴光纤陀螺用光学芯片和光路；

S2，稳压直流电源上电，通过SLD光源的温度控制引脚(4-7引脚)使控制温度为25℃±0.1℃，通过SLD光源的驱动电流引脚(8、9引脚)施加工作电流I

S3，串扰测试模块实现对Y波导1调制信号加载，输出1V峰峰值、100kHz频率正弦波，此时根据内部通道切换顺序，信号解调模块输出串扰数字量分别为C

S4，串扰测试模块实现参考信号本身的自相关数字量C

S5，切换为第2通道，重复步骤S3～S4，即可实现通道2对通道1、通道3的串扰测试；

S6，切换为第3通道，重复步骤S3～S4，即可实现通道3对通道1、通道3的串扰测试；

S7，按照公式(1)，计算通道串扰的对数表示：

式中：

κ

C

C

通过判断串扰量是否满足设定阈值，可以判断该三轴光学芯片是否满足设计要求。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

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。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。