CN102607551B - 一种消除波长变化对标度因数影响的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除波长变化对标度因数影响的光纤陀螺。光源经第一光纤耦合器和相位调制器中分成两束光，沿正反时针在光纤环中传播后返回至第一光电探测器；光源又经第一、二、三和四光纤耦合器至第一光纤光栅，经第一、二、三和五光纤耦合器至第二光纤光栅，经第一、二和六光纤耦合器至第三光纤光栅，三个波长不同的反射光，分别经第四、五和六光纤耦合器至二、三和四光电探测器将光信号转换为电信号，经前置放大器，A/D转换器在中央处理器中计算出光源的实时中心波长并修正光纤陀螺标度因数，同时中央处理器通过D/A转换器控制相位调制器，产生调制波形和相位反馈，输出陀螺信号。本发明降低了光纤陀螺对环境的要求，拓展其应用范围。

Description

一种消除波长变化对标度因数影响的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，尤其是涉及一种消除波长变化对标度因数影响的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的传感器，通过检测旋转引起的萨格纳克相移，获取角速度信息。光纤陀螺的光源常采用宽谱光源，典型的有半导体超荧光光源(SLD)和光纤光源(FLS)，其中半导体超荧光光源因其体积小，成本低，广泛应用于中低精度光纤陀螺中。

在光纤陀螺众多关键指标之中，光纤陀螺标度因数是一个衡量光纤动态性能的指标。它包括标度因数非线性和标度因数重复性两个方面。理论上，光纤陀螺标度因数受到光纤陀螺的光纤环直径、光纤长度和光源中心波长的影响。其中光源中心波长影响最大，因为光纤环直径和光纤长度随环境的变化相比较小，并且有规律可寻。作为有源器件，光源的中心波长受不同环境因素影响，主要是环境温度因素。特别地，半导体超荧光光源因半导体器件的特性，其温度系数一般在400ppm/℃左右，光纤光源则因为泵浦光源和反馈器件的随温度变化而变化，温度系数在10ppm/℃左右。光源中心波长所发生的变化会直接影响光纤陀螺标度因数，限制了光纤陀螺的应用领域。

为了解决光源变化对光纤陀螺标度因数稳定性的影响，常用的措施有三种：一种是对光源进行恒温和恒流控制，保证光源环境温度稳定，以使其输出稳定的光功率。由于温控精度有限，该方法虽能改善光源中心波长的稳定性，但是仍不能满足标度因数10ppm以内的要求，并且在高低温下启动时间也会受到限制；另一种方法是对光纤陀螺标度因数环境特性进行标定，以便进行软件补偿。但是由于器件的差异性，需要对每个光纤陀螺进行标定，意味着巨大的工作量；还有一种方法是对光纤陀螺光源进行监测，即本专利采用的方法，在不明显增加光纤陀螺体积的前提下，在光源输出耦合的另一端检测光源谱型，得到实时的中心波长值，从而解决光纤陀螺标度因数随光源中心波长变化而变化，系统实现简单，快速有效。

发明内容

针对光纤陀螺标度因数受到光源波长变化的影响，本发明的目的在于提供一种可消除光源波长变化对标度因数影响的光纤陀螺。该种光纤陀螺利用光源输出耦合的一个端口，对光源光谱中三个不同波长光功率进行检测，解算出实时的光源中心波长，进而对光纤陀螺标度因数进行修正。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

光源发出的宽谱光经第一光纤耦合器，经相位调制器中分成两束相同的光，分别沿顺时针和逆时针在光纤环中传播后，返回至相位调制器，再经第一光纤耦合器耦合至第一光电探测器；第一光电探测器将光信号转换为电信号，经前置放大器放大滤波，A/D转换器转换成数字信号后，中央处理器通过D/A转换器控制相位调制器，产生调制波形和相位反馈，并输出陀螺信号。光源发出的宽谱光分别经第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第四光纤耦合器耦合至第一光纤光栅，经第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第五光纤耦合器耦合至第二光纤光栅，经第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第六光纤耦合器耦合至第三光纤光栅，第一光纤光栅，第二光纤光栅，第三光纤光栅的反射波长不同，相应的反射光，分别经第四光纤耦合器，第五光纤耦合器，第六光纤耦合器耦合至第二光电探测器，第三光电探测器，第四光电探测器；第二光电探测器，第三光电探测器，第四光电探测器将光信号转换为电信号，经前置放大器放大滤波，A/D转换器转换成数字信号后，在中央处理器中计算出光源实时中心波长修正光纤陀螺标度因数。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过对光源光谱中三个波长的光强进行监测，计算出光源实时的中心波长，修正标度因数，消除了波长变化对光纤陀螺标度因数的影响，有效改善光纤陀螺标度因数的稳定性，降低了光纤陀螺对环境的要求，拓展了光纤陀螺的应用范围。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是修正标度因数的流程图。

图3是不同温度下光源的光谱图。

图中：1.光源，2、5、6、7.分别为第一、第二、第三、第四光电探测器，3.光纤环，4.相位调制器，12、13、14、15、16、17.分别为第一、第一、第二、第三、第六、第四、第五光纤耦合器，8.前置放大器，9.A/D转换器，10.中央处理器，11.D/A转换器，18、19、20.分别为第一、第二、第三光纤光栅，其中实线为光路，虚线为电路；21.预标定，22.计算实时中心波长，23.标度因数修正；24.是常温下光源光谱图，25.是39℃时的光源光谱图。

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。

发明原理：

光纤陀螺仪通常采用一个宽谱光源，有益于减小背向散射和偏振误差等误差，其标度因数K如下所示，

$K=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}$

其中L为光纤长度，λ为宽谱光源的中心波长，c为光速，D为光纤环直径。半导体超荧光光源中心波长的温度系数一般在400ppm/℃左右，中心波长的变化随之带来光纤陀螺标度因数的变化。

由于光纤陀螺用宽谱光源的谱型一般是近高斯型，假设光源光谱的峰值为a，标准差为c，中心波长为b，光源的谱型函数f(x)可表示为，

$f\left(x\right)=a{e}^{\frac{-{(x-b)}^2}{c^2}}$

x为光波长，另高斯函数具有以下特点，

${\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(x\right)\mathrm{dx}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{ae}}^{\frac{-{(x-b)}^2}{c^2}}\mathrm{dx}=\mathrm{ac}\sqrt{\mathrm{\π}}$

通过对光谱函数的三个特定波长的光功率进行监测，可解算出中心波长b的实时值，具体检测框图见图1。特定波长的选定可通过选择不同的光纤光栅周期获得。光纤光栅的谱宽大约在0.2nm～0.3nm之间。假设由光纤光栅筛选出特定波长λ₁，λ₂，λ₃的光，检测到的光功率分别为P₁，P₂，P₃，光纤光栅的谱宽相应为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃则光功率有如下近似，

P₁＝α₁α₂α₃α₄Δλ₁·f(λ₁)

P₂＝α₁(1-α₃)α₂·α₅·Δλ₂·f(λ₂)

P₃＝α₁(1-α₂)α₆·Δλ₃·f(λ₃)

α₁、α₂、α₃、α₄分别为耦合器的耦合系数。通过以上三式，中心波长可解算为：

$b=\frac{y({\mathrm{\λ}}_3^2-{\mathrm{\λ}}_1^2)-z({\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^2)}{2y({\mathrm{\λ}}_3-{\mathrm{\λ}}_1)-2z({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}$

其中y，z的具体表达式为，

y＝ln(α₃·α₄·P₂·Δλ₁)-ln[(1-α₃)·α₅·Δλ₂P₁]

z＝ln(α₂·α₃·α₄·P₃·Δλ₁)-ln[(1-α₂)·α₆·Δλ₃P₁]

一般地，耦合器系数α₁≈α₂≈α₃≈α₄≈0.5，Δλ₁≈Δλ₂≈Δλ₃，y，z可简化为：

y＝ln(P₂/P₁)

z＝ln(P₃/2P₁)

若预标定时的中心波长b₀和标度因数K₀，根据下式可以计算出实时标度因数的修正值K：

$K=\frac{b_0}{b}{K}_0$

修正后标度因数值消除了波长变化对标度因数的影响。

如图1所示，本发明的系统结构是基于典型的数字闭环相位调制结构的改进。光源1一般选用半导体超荧光光源(SLD)、光纤光源(FLS)等宽谱光源，能有效减小光纤陀螺中的非互易误差；光源1发出的宽谱光经第一光纤耦合器12，经相位调制器4中分成两束相同的光，分别沿顺时针和逆时针在光纤环3中传播后，返回至相位调制器4，相位调制器4作为调制和反馈调制器件，再经第一光纤耦合器12耦合至第一光电探测器2；第一光电探测器2将光信号转换为电信号，经前置放大器8放大滤波，A/D转换器9转换成数字信号后，中央处理器10控制D/A转换器11输出调制波形和反馈信号，相位调制器4将输入的电压信号转换为相应的相位信号加载到光纤传输的光中，中央处理器10将反馈信号作为陀螺信号输出。光纤环3中的光纤可以为保偏光纤或单模光纤，采用保偏光纤使用图1的系统图即可，如果使用单模光纤，还需要在光纤环3和相位调制器4之间加入消偏器，该消偏器一般将两段长度比为1∶2的高双折射光纤的偏振轴以45°角熔接，即构成Lyot消偏器。第一光纤耦合器12，第二光纤耦合器13，第三光纤耦合器14，第六光纤耦合器15，第四光纤耦合器16，第五光纤耦合器17的耦合比一般为1∶1；

光纤耦合器12耦合的另外一端，非传感回路，分别经第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器13、第三光纤耦合器14、第四光纤耦合器16，第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器13、第三光纤耦合器14、第五光纤耦合器17，第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器13、第六光纤耦合器15将光源1发出的宽谱光耦合至三个中心波长不同的第一光纤光栅18，第二光纤光栅19，第三光纤光栅20；此结构中的第一光纤光栅18，第二光纤光栅19，第三光纤光栅20，考虑到对特定波长光功率的探测，选用谱宽偏小的反射式光纤光栅，一般采用谱宽在1～2nm之间布拉格反射式光纤光栅，另外，第一光纤光栅18，第二光纤光栅19，第三光纤光栅20的反射波长的选择需分布在光源中心波长的两边，以提高计算的精度。经第一光纤光栅18，第二光纤光栅19，第三光纤光栅20滤波反射后的三个特定波长的光又分别经第四光纤耦合器16、第五光纤耦合器17、第六光纤耦合器15耦合至相应的第二探测器5，第三探测器6，第四探测器7。第二探测器5，第三探测器6，第四探测器7将光信号转换为电信号，经前置放大器8放大滤波，A/D转换器9转换成数字信号后，在中央处理器10中计算出光源的实时中心波长并修正光纤陀螺标度因数。

图2为修正标度因数的流程图，包括，预标定21：在常温下对光纤陀螺进行标度因数标定，标定采用单轴速率转台，对光纤陀螺输入不同的速率，再将输入速率点与光纤陀螺输出值进行线性拟合，其拟合斜率即为标度因数。将标定结果标度因数K₀和根据中心波长的计算公式计算得到的中心波长b₀存储在中央处理器中；第二步为计算实时中心波长22，正常工作时根据中心波长的计算公式计算实时中心波长b，并完成标度因数修正23。

具体实施举例：

第一光纤光栅18，第二光纤光栅19，第三光纤光栅20的中心波长λ₁，λ₂，λ₃分别为845nm，848nm，855nm，光源1为半导体超荧光光源，谱宽45nm。光纤陀螺在常温下预标定的标度因数K₀为43000LSB/(°/s)，并且三个波长对应的光强分别为1314LSB，2532LSB，2628LSB，光强值为经A/D转换器9转换后的数字量，根据中心波长的计算公式计算得到常温下光源1的中心波长为850nm。如图3所示，在39℃下光源光谱幅值和中心波长均发生变化，此时三个波长对应的光强分别为365LSB，1405LSB，3740LSB，根据中心波长的计算公式计算出此时的光源1的中心波长为852nm，并依此修正光纤陀螺预标定的标度因数K₀，K＝850/852*43000LSB/(°/s)＝42899LSB/(°/s)。对比修正前后，标度因数变化了2000ppm，可以看出该方案有效的消除波长变化对光纤陀螺标度因数的影响，改善了光纤陀螺标度因数的稳定性。

Claims (1)

1.一种消除波长变化对光纤陀螺标度因数影响的方法，该方法的光纤陀螺的结构是：光源(1)发出的宽谱光经第一光纤耦合器(12)，经相位调制器(4)中分成两束相同的光，分别沿顺时针和逆时针在光纤环(3)中传播后，返回至相位调制器(4)，再经第一光纤耦合器(12)耦合至第一光电探测器(2)；第一光电探测器(2)将光信号转换为电信号，经前置放大器(8)放大滤波，A/D转换器(9)转换成数字信号后，中央处理器(10)通过D/A转换器(11)控制相位调制器(4)，产生调制波形和相位反馈，并输出陀螺信号；光源(1)发出的宽谱光分别经第一光纤耦合器(12)，第二光纤耦合器(13)，第三光纤耦合器(14)，第四光纤耦合器(16)耦合至第一光纤光栅(18)，经第一光纤耦合器(12)，第二光纤耦合器(13)，第三光纤耦合器(14)，第五光纤耦合器(17)耦合至第二光纤光栅(19)，经第一光纤耦合器(12)，第二光纤耦合器(13)，第六光纤耦合器(15)耦合至第三光纤光栅(20)，第一光纤光栅(18)，第二光纤光栅(19)，第三光纤光栅(20)的反射波长不同，相应的反射光，分别经第四光纤耦合器(16)，第五光纤耦合器(17)，第六光纤耦合器(15)耦合至第二光电探测器(5)，第三光电探测器(6)，第四光电探测器(7)；第二光电探测器(5)，第三光电探测器(6)，第四光电探测器(7)将光信号转换为电信号，经前置放大器(8)放大滤波，A/D转换器(9)转换成数字信号后，送至中央处理器(10)；其特征在于：消除波长变化对光纤陀螺标度因数影响的方法，是通过第二光电探测器(5)，第三光电探测器(6)，第四光电探测器(7)对第一光纤光栅(18)，第二光纤光栅(19)，第三光纤光栅(20)的反射光λ₁，λ₂，λ₃进行监测，检测到的光功率分别为P₁，P₂，P₃，解算中心波长b的实时值，所述的第一光纤光栅(18)，第二光纤光栅(19)，第三光纤光栅(20)的谱宽相应为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，则光功率有如下近似，

P₁＝α₁α₂α₃α₄Δλ₁·f(λ₁)

P₂＝α₁(1-α₃)α₂·α₅·Δλ₂·f(λ₂)

P₃＝α₁(1-α₂)α₆·Δλ₃·f(λ₃)

α₁、α₂、α₃、α₄分别为第一光纤耦合器(12)，第二光纤耦合器(13)，第三光纤耦合器(14)，第五光纤耦合器(17)的耦合系数，通过以上p₁、p₂和p₃三个求解式，中心波长解算为：

$b=\frac{y({\mathrm{\λ}}_3^2-{\mathrm{\λ}}_1^2)-z({\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^2)}{2y({\mathrm{\λ}}_3-{\mathrm{\λ}}_1)-2z({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}$

其中y，z的具体表达式为，

y＝ln(α₃·α₄·P₂·Δλ₁)-ln[(1-α₃)·α₅·Δλ₂P₁]

z＝ln(α₂·α₃·α₄·P₃·Δλ₁)-ln[(1-α₂)·α₆·Δλ₃P₁]

简化为：

y＝ln(P₂/P₁)

z＝ln(P₃/2P₁)

预标定时的中心波长b₀和标度因数K₀，根据下式修正实时标度因数K：

$K=\frac{b_0}{b}{K}_0$

消除了波长变化对标度因数的影响。