CN103438880A - 一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，包括：光源，用于向环行器提供光；环行器，用于将光源提供的光传输至多功能集成光路，控制光的传输路径；多功能集成光路，用于对自环行器输入的光进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光输入光纤线圈，在绕线圈传输一周后传输回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光，并将合光后的光传输至环行器；光纤线圈，用于增强线圈中反向传输光之间的萨格奈克相移，并将这两束光传输回多功能集成光路；探测器，用于接收环行器输出的光，检测反向传输光合光干涉以后的光强变化。利用本发明，解决了干涉式光纤陀螺仪光路中的光损耗过大，陀螺信噪比恶化的问题。

Description

一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种使用3端口环行器替代2×2耦合器，从而实现低光路损耗、高信噪比的干涉式光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪(IFOG)是一种新型的具有广阔发展前景的全固态惯性仪表，其潜在精度覆盖了传统机电式陀螺的大部分领域。它是一种转动角速率陀螺，是敏感相对于惯性空间转动角速率的装置。光纤陀螺无运动部件，具有寿命长、质量轻、体积小、功耗小、测量范围大、快速启动、结构设计灵活、生产工艺相对简单等特点，可应用于海、陆、空、天各种导航领域，如导弹、火箭、卫星、太空探测器、飞机、潜艇、车辆、机器人、钻井测斜及天线稳定装置等。

光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类：干涉式光纤陀螺仪(IFOG)、谐振式光纤陀螺仪(RFOG)和受激布里渊式光纤陀螺仪(BFOG)，目前干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化，而谐振式光纤陀螺和受激布里渊式光纤陀螺还处于基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。

IFOG的原理基于萨格奈克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光产生了正比于旋转角速率的相位差，这个相位差被称为萨格奈克相移。具有萨格奈克相移的两束光发生干涉后，通过检测光强变化，就可以测出闭合光路旋转的角速率。IFOG采用较长的光纤绕制成多匝的光纤线圈来增强萨格奈克效应，其萨格奈克相移Δφ如下：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}$

其中，λ为光纤线圈传输光的波长，c为真空中的光速，Ω是旋转角速率，D是光纤线圈直径，L＝NπD是光纤长度，N是匝数。恒定的旋转角速率产生一个常值相位差Δφ。

目前IFOG采用的主流结构如图1所示。光源(可以是激光光源、ASE光源、SLD光源、EDFA光源，波段可以是850nm、1310nm或1550nm波段)发出的光经2×2耦合器(可以是单模耦合器或保偏耦合器)分成两路，其中端口4为空头端，端口3输出的光输入多功能集成光路的端口1，经多功能集成光路起偏、相位调制后，在多功能集成光路的端口2、3分成两路分别沿光纤线圈顺时针、逆时针传播，再回到多功能集成光路端口3、2并合光，接着输入耦合器端口3，经耦合器分光，在耦合器端口2被光电探测器接收。

和其它两波干涉仪一样，IFOG的响应为余弦型，光电探测器检测光功率P为：

P＝P_o[1+cosΔφ]

为了获得较大灵敏度，需要给陀螺顺时针、逆时针传输光提供一个相位偏置Φ，使干涉仪工作在余弦响应曲线斜率较大的地方，此时检测功率为：

P(Δφ)＝P_o[1+cos(Δφ+Φ)]

随着国内IFOG技术的进步，其精度显著提高，0.02°/h～10°/h的中低精度IFOG已经实现了工程化，但是精度优于0.02°/h的中高精度IFOG还存在几个重要关键技术亟需攻克，其中就包括IFOG的散粒噪声、强度噪声、热噪声过大，限制了陀螺信噪比的提高，下面分别进行阐述。

1、和其它无源光学系统一样，IFOG的信噪比受光子散粒噪声限制。光子散粒噪声对应的IFOG信噪比正比于

$\sqrt{\frac{P_O\mathrm{\η}}{2(\mathrm{hc}/\mathrm{\λ}){\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{bw}}}}\sin \frac{\mathrm{\Φ}}{2}$

其中，P_o为探测器接收到的单路光的光功率(光纤线圈中反向传输光相位差为0时，反向传输光合光以后的功率是P_o的2倍)，Δf_bw为计数带宽(也即计数时间的倒数)；η为光电探测器的量子效率；h为普朗克常数；c为真空光速；λ为陀螺光路平均波长，Φ为相位偏置。上式可见IFOG信噪比与功率P_o的平方根成正比，所以增加功率P_o有利于提高散粒噪声对应的信噪比。

2、除了散粒噪声，频宽为Δf的宽谱光的所有不相关的频率分量之间的随机拍频将引起强度噪声。强度噪声对应的IFOG信噪比正比于

$\sqrt{\frac{\mathrm{\Δf\η}}{(\mathrm{hc}/\mathrm{\λ}){\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{bw}}}}\tan \frac{\mathrm{\Φ}}{2}$

其中，该信噪比虽然和光功率P_o无关，但是随着相位偏置Φ的增大而增大，在Φ接近π时，信噪比趋向无穷大。当然在实际中，相位偏置Φ不可能接近π，因为光电探测器和放大器的热噪声在相位偏置Φ接近π时会大幅增加。

3、光电探测器和放大器存在的热噪声对应的IFOG信噪比正比于

$\frac{P_o\sin \mathrm{\Φ}}{\sqrt{4k{T}_{a}R{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{bw}}}}$

其中，R为放大器电阻，k为波耳兹曼常数，T_a为绝对开尔文温度。上式可见IFOG信噪比与功率P_o成正比，所以增加功率P_o有利于提高热噪声对应的信噪比。此外，相位偏置Φ接近π时，热噪声对应的信噪比趋向于0，而强度噪声对应的信噪比趋向无穷大，所以通过调节相位偏置Φ来提高热噪声对应的信噪比和强度噪声对应的信噪比互相矛盾。

目前提高中高精度IFOG信噪比的解决方案是提高光源光功率从而提高光电探测器接收到的光功率P_o，使散粒噪声和热噪声减小，同时使偏置相位Φ向π接近(这时散粒噪声小幅减小，强度噪声急剧减小，热噪声增大)，直至热噪声增大到超过了散粒噪声和强度噪声，这时对应的Φ记为Φ_o，即为最佳相位偏置点，这就是过调制技术。以上分析可见，P_o的大小决定了最佳相位Φ_o，进而决定了散粒噪声、强度噪声、热噪声的大小，以及IFOG信噪比。

但是光源光功率的提高是有限的。首先，光功率的提高受诸多因素限制，比如受载流子饱和效应影响，SLD、EFDA泵源激光器输出最大光功率有限；其次光功率太大，会严重缩短光源组件的工作寿命；最后光源功率大，发热也多，IFOG是一个温度敏感器件，光源的发热会严重恶化IFOG性能。

因此，对于中高精度IFOG来说，其光路功率预算是比较紧张的，然而在光源最大功率受限，总体光功率预算紧张的情况下，IFOG结构中的2×2耦合器却引入了6dB光功率附加损耗：光源、多功能集成光路、光电探测器分别和耦合器的端口1、3、2相连。光从光源经耦合器到多功能集成光路时，端口4是空头端，会产生3dB损耗，从多功能集成光路经耦合器到光电探测器时，端口1是空头端，也会产生3dB损耗，因此总共产生了6dB附加光损耗。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，以解决目前干涉式光纤陀螺仪光路中因耦合器而产生的光损耗过大，陀螺信噪比恶化的技术问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，该干涉式光纤陀螺仪包括：光源，用于向环行器提供光；环行器，用于将光源提供的光传输至多功能集成光路，控制光的传输路径；多功能集成光路，用于对自环行器输入的光进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光输入光纤线圈，并分别沿顺时针方向和逆时针方向反向传输，反向传输光在绕线圈传输一周后传输回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光，并将合光后的光传输至环行器；光纤线圈，用于增强线圈中反向传输光之间的萨格奈克相移，并将这两束光传输回多功能集成光路；探测器，用于接收环行器输出的光，检测反向传输光合光干涉以后的光强变化。

上述方案中，所述光源是激光光源、放大自发辐射(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)光源、超辐射发光二极管(Super luminescentDiode，SLD)光源或掺铒放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)光源，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

上述方案中，所述环行器是单模环行器或保偏环行器，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。所述环行器具有第一端口、第二端口和第三端口，具有非互易性，从环行器的第一端口输入的光从环行器的第二端口输出，从环行器的第二端口输入的光从环行器的第三端口输出，从环行器的第三端口输入的光从环行器的第一端口输出。

上述方案中，所述多功能集成光路是相位调制波导或幅度调制波导，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

所述多功能集成光路具有第一端口、第二端口和第三端口，自环行器输入的光经第一端口进入多功能集成光路，被多功能集成光路进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光分别自第二端口和第三端口输出至光纤线圈，自第二端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿顺时针方向传播，自第三端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿逆时针方向传播，这两束光在光纤线圈中传输一周后，分别沿第三端口、第二端口返回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光后经第一端口传输至环行器。

上述方案中，所述光纤线圈是保偏光纤线圈，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。所述探测器是半导体光电二极管、光电倍增管或雪崩二极管，其材料是Si、InGaAs或InP，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，通过3端口环行器的非互易特性，可有效解决2×2耦合器的空头端光功率损耗问题，从而大大提高了光电探测器接收光功率P_o，减小了散粒噪声、强度噪声、热噪声的影响，提高了IFOG信噪比，并减小耦合器空头端散射光对IFOG的影响。

2、本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，具有结构简单、成本低、体积小、组装方便等特点，是中高精度陀螺进一步降低噪声，提高信噪比的有效手段。

附图说明

图1为现有IFOG的系统结构示意图；

图2为本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪的结构示意图；

图3为本发明实施例1所提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪的结构示意图；

图4为本发明实施例2所提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

首先，对环行器的原理进行概括描述。环行器的特点是非互易性，从环行器的第一端口1输入的光从环行器的第二端口2输出，从环行器的第二端口2输入的光从环行器的第三端口3输出，从环行器的第三端口3输入的光从环行器的第一端口1输出。

基于上述环行器的实现原理，图2示出了本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪的结构示意图，该干涉式光纤陀螺仪包括光源、环行器、多功能集成光路、光纤线圈和探测器，其中，光源用于向环行器提供光；环行器用于将光源提供的光传输至多功能集成光路，控制光的传输路径，保持光偏振态不变；多功能集成光路用于对自环行器输入的光进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光输入光纤线圈，并分别沿顺时针方向和逆时针方向反向传输，反向传输光在绕线圈传输一周后传输回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光，并将合光后的光传输至环行器；光纤线圈用于增强线圈中反向传输光之间的萨格奈克相移，并将这两束光传输回多功能集成光路；探测器用于接收环行器输出的光，检测反向传输光合光干涉以后的光强变化。

在本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪中，光源可以是激光光源、放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)光源、超辐射发光二极管(Super luminescent Diode，SLD)光源或掺铒放大器(Erbium-Doped FiberAmplifier，EDFA)光源，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。环行器可以是单模耦合器或保偏耦合器，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。环行器具有第一端口、第二端口和第三端口，具有非互易性，从环行器的第一端口输入的光从环行器的第二端口输出，从环行器的第二端口输入的光从环行器的第三端口输出，从环行器的第三端口输入的光从环行器的第一端口输出。多功能集成光路可以是相位调制波导或幅度调制波导，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。多功能集成光路具有第一端口、第二端口和第三端口，自环行器输入的光经第一端口进入多功能集成光路，被多功能集成光路进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光分别自第二端口和第三端口输出至光纤线圈，自第二端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿顺时针方向传播，自第三端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿逆时针方向传播，这两束光在光纤线圈中传输一周后，分别沿第三端口、第二端口返回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光后经第一端口传输至环行器。光纤线圈可以是保偏光纤线圈，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。萨格奈克相移是沿相同的闭合光路反向传输的两束光之间的相位差，光在真空反向传输时也存在萨格奈克相移，光纤线圈的作用是通过绕制多匝线圈的方式增大该相位差。探测器可以是半导体光电二极管、光电倍增管、雪崩二极管、光电三极管或光敏电阻等，其材料是Si、InGaAs或InP，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

下面再参照图2，对本发明提供的高信噪比IFOG光信号传输流程进行概括描述。来自光源的光从左到右传播，与环行器的第一端口1(或环行器的第二端口2或环行器的第三端口3)连接，由于环行器的非互易性(多功能集成光路和光纤线圈组成的系统光路仍是互易的，因此环行器的非互易性对陀螺精度没有影响)，光全部从环行器的第二端口2(或环行器的第三端口3或环行器的第一端口1)输出，并经多功能集成光路分光，分别由多功能集成光路的第二端口2、多功能集成光路的第三端口3进入光纤线圈，沿顺时针和逆时针两路传播，并由多功能集成光路的第三端口3、多功能集成光路的第二端口2回到多功能集成光路合光，并通过多功能集成光路的第一端口1进入环行器的第二端口2(或环行器的第三端口3或环行器的第一端口1)，由于环行器的非互易性，光全部从环行器的第三端口3(或环行器的第一端口1或环行器的第二端口2)输出，并由光电探测器接收。

实施例1

本实施例具体描述本发明技术方案的一种优选方案。

如图3所示，该优选方案所涉及的高信噪比IFOG包括：

1310nmSLD光源，给IFOG提供输入光；

1310nm波段保偏环行器，控制IFOG输入输出光的传输路径，并保持光偏振态不变；

1310nm波段多功能集成光路，光路起偏、相位偏置、分光、合光；

1310nm波段光纤线圈，增强萨格奈克相移。

来自SLD光源的1310nm波段光从左到右传播，输入1310nm波段保偏环行器的第一端口1，从环行器的第二端口2输出，并经1310nm波段多功能集成光路分光，分别由多功能集成光路的第二端口2、多功能集成光路的第三端口3进入1310nm波段光纤线圈，沿顺时针和逆时针两路传播，并由多功能集成光路的第三端口3、多功能集成光路的第二端口2回到多功能集成光路合光，通过多功能集成光路的第一端口1进入1310nm波段环行器的第二端口2，并从环行器的第三端口3输出，由1310nm波段光电探测器接收。

实施例2

本实施例具体描述本发明技术方案的另一种优选方案。

如图4所示，该优选方案所涉及的高信噪比IFOG包括：

1550nm波段EDFA光源，给IFOG提供输入光；

1550nm波段单模环行器，控制IFOG输入输出光的传输路径；

1550nm波段多功能集成光路，光路起偏、相位偏置、分光、合光；

1550nm波段光纤线圈，增强萨格奈克相移。

来自EDFA光源的1550nm波段光从左到右传播，输入1550nm波段单模环行器的第三端口3，从环行器的第一端口1输出，并经1550nm波段多功能集成光路分光，分别由多功能集成光路的第二端口2、多功能集成光路的第三端口3进入1550nm波段光纤线圈，沿顺时针和逆时针两路传播，并由多功能集成光路的第三端口3、多功能集成光路的第二端口2回到多功能集成光路合光，通过多功能集成光路的第一端口1进入1550nm波段环行器的第一端口1，并从环行器的第二端口2输出，由1550nm波段光电探测器接收。

从上述实施例可以看出，本发明提供的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，由于使用了三端口环行器，消除了耦合器的空头端光功率损耗问题，所以探测器接收到的光功率提高了约6dB。实验测试数据表明，在光源功率不变的情况下，本发明技术方案配合过调制技术能使IFOG信噪比提高40％左右。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，该干涉式光纤陀螺仪包括：

光源，用于向环行器提供光；

环行器，用于将光源提供的光传输至多功能集成光路，控制光的传输路径；

多功能集成光路，用于对自环行器输入的光进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光输入光纤线圈，并分别沿顺时针方向和逆时针方向反向传输，反向传输光在绕线圈传输一周后传输回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光，并将合光后的光传输至环行器；

光纤线圈，用于增强线圈中反向传输光之间的萨格奈克相移，并将这两束光传输回多功能集成光路；

探测器，用于接收环行器输出的光，检测反向传输光合光干涉以后的光强变化。

2.根据权利要求1所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述光源是激光光源、放大自发辐射光源、超辐射发光二极管光源或掺铒放大器光源，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

3.根据权利要求1所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述环行器是单模环行器或保偏环行器，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

4.根据权利要求3所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述环行器具有第一端口、第二端口和第三端口，具有非互易性，从环行器的第一端口输入的光从环行器的第二端口输出，从环行器的第二端口输入的光从环行器的第三端口输出，从环行器的第三端口输入的光从环行器的第一端口输出。

5.根据权利要求1所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述多功能集成光路是相位调制波导或幅度调制波导，其波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

6.根据权利要求5所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述多功能集成光路具有第一端口、第二端口和第三端口，自环行器输入的光经第一端口进入多功能集成光路，被多功能集成光路进行光路起偏、相位偏置及分光处理，得到的两束光分别自第二端口和第三端口输出至光纤线圈，自第二端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿顺时针方向传播，自第三端口输出至光纤线圈的光在光纤线圈中沿逆时针方向传播，这两束光在光纤线圈中传输一周后，分别沿第三端口、第二端口返回多功能集成光路，多功能集成光路对这两束光进行合光后经第一端口传输至环行器。

7.根据权利要求1所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述光纤线圈是保偏光纤线圈，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

8.根据权利要求1所述的高信噪比的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述探测器是半导体光电二极管、光电倍增管、雪崩二极管、光电三极管或光敏电阻，其材料是Si、InGaAs或InP，其工作波段为850nm、1310nm或1550nm波段。

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