CN103438881A - 一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法 - Google Patents

一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，利用Y波导将信号幅度值为的输入光波均分为信号幅度值为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和信号幅度值为的两束输出光波，在Y波导的一条尾纤与光纤环之间设有一信号相位调制器，调节信号相位调制器，使所述信号相位调制器所产生的方波调制信号满足条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；并且：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。本发明能够有效地减小或消除光纤环中间段背向散射引起的非互易性误差（噪声），从而进一步提高光纤陀螺仪的精度。

Description

一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种抑制光纤陀螺仪中的光纤环中间段背向散射噪声的方法。
 
背景技术
光纤陀螺仪由于其具有全固态、无运动部件、可靠性高、响应快、结构灵活、潜在精度高、测量范围宽、使用寿命长等优点，被广泛应用在各个技术领域。
在光纤陀螺中，光纤环由成百上千米的光纤绕制而成，由于光纤本身材料和制作过程的不完善，使得光波在光纤环中传输时存在背向散射，背向散射波之间或者背向散射波与信号主波之间有可能发生干涉，这些干涉光强会不可避免的叠加到萨格奈克光强（Sagnac），即信号光强之上，这给信号检测带来了非互易性误差，从而使得光纤陀螺仪的精度受到极大的影响。宽谱SLD光源的出现和采用大大降低了光纤环中背向散射噪声和其他光学噪声，然而这种方法对于光纤环中点相干长度(光纤环中间段)的背向散射引起的噪声是无法消除的。因此，消除或减小光纤环中间段背向散射噪声对于开发高精度水平的光纤陀螺仪具有重要的意义。
 
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，能够有效地减小或消除光纤环中间段背向散射引起的非互易性误差（噪声），从而进一步提高光纤陀螺仪的精度。 
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，其特征在于：利用Y波导将信号幅度值为                                               
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE002
的输入光波均分为信号幅度值为
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE004
和信号幅度值为
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE006
的两束输出光波，Y波导的两条尾纤与光纤环的两端相连，从而使信号幅度值为
Figure 569862DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 205374DEST_PATH_IMAGE004
的输出光波分别沿顺时针和逆时针方向绕光纤环一周后回到Y波导；
在Y波导的一条尾纤与光纤环之间设有一信号相位调制器，从该尾纤输出的信号幅度值为的输出光波经信号相位调制器进行相位调制后进入光纤环，绕光纤环一周后回到Y波导，从另一尾纤输出的信号幅度值为
Figure 733624DEST_PATH_IMAGE006
的输出光波绕光纤环一周后进入信号相位调制器，经信号相位调制器进行相位调制后回到Y波导； 
调节信号相位调制器，使所述信号相位调制器所产生的方波调制信号满足条件：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE008
；
并且：；
式中：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE012
为t时刻的调制信号的幅度值；
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE014
为调制信号的半周期；为光纤环的渡越时间；为调制信号在前半周期的幅度值，
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE020
为调制信号在后半周期的幅度值；
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE022
和为自然数。
进一步地，为了使信号的灵敏度最大，所述信号相位调制器所产生的方波调制信号的幅度值满足条件：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE026
。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过调节调制信号的幅度和频率，使得顺时针和逆时针的两束背向散射光波之间干涉相消，并且两束背向散射波与两束信号主波的干涉相消，从而能够有效地减小或消除光纤环中间段背向散射引起的非互易性误差（噪声），从而进一步提高光纤陀螺仪的精度。 
 
附图说明
图1为本发明所采用的方法的系统框图。
 
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1，一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，利用Y波导将信号幅度值为
Figure 844580DEST_PATH_IMAGE002
的输入光波均分为信号幅度值为
Figure 900261DEST_PATH_IMAGE004
和信号幅度值为
Figure 464710DEST_PATH_IMAGE006
的两束输出光波，Y波导的两条尾纤与光纤环的两端相连，从而使信号幅度值为和
Figure 787424DEST_PATH_IMAGE004
的输出光波分别沿顺时针和逆时针方向绕光纤环一周后回到Y波导；
在Y波导的一条尾纤与光纤环之间设有一信号相位调制器，从该尾纤输出的信号幅度值为
Figure 30318DEST_PATH_IMAGE004
的输出光波经信号相位调制器进行相位调制后进入光纤环，绕光纤环一周后回到Y波导，从另一尾纤输出的信号幅度值为
Figure 271943DEST_PATH_IMAGE006
的输出光波绕光纤环一周后进入信号相位调制器，经信号相位调制器进行相位调制后回到Y波导； 
调节信号相位调制器，使所述信号相位调制器所产生的方波调制信号满足条件：
Figure 609384DEST_PATH_IMAGE008
；
并且：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE028
；
式中：
Figure 65904DEST_PATH_IMAGE012
为t时刻的调制信号的幅度值；
Figure 463387DEST_PATH_IMAGE014
为调制信号的半周期；
Figure 5358DEST_PATH_IMAGE016
为光纤环的渡越时间；为调制信号在前半周期的幅度值，
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE030
为调制信号在后半周期的幅度值。
本方法首先对信号调制下背向散射噪声进行分析：
在光纤陀螺中，Y波导的两根尾纤与光纤环熔接，光纤环中间段由于光纤本身材料或制造工艺等方面的原因，存在背向散射，如图1所示，此时在Y波导汇合的光波有4列，可表示成下列形式：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE032
。……（1）
式中：
Figure 534481DEST_PATH_IMAGE006
为顺时针光波的信号幅度；
Figure 306128DEST_PATH_IMAGE004
为逆时针光波的信号幅度；
Figure 69816DEST_PATH_IMAGE002
为Y波导输入光波的信号幅度；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为萨格奈克相移；
Figure 827688DEST_PATH_IMAGE012
为t时刻的调制信号的幅度值；
Figure 242489DEST_PATH_IMAGE016
为光纤环的渡越时间；
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE036
为顺时针光波信号在中间段背向散射信号幅度；
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE038
为逆时针光波信号在中间段背向散射信号幅度；
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE040
为总的背向散射信号幅度。
这样在Y波导汇合干涉产生的干涉光强信号(输出信号)为：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE042
。……（2）
式中：< >表示取平均，由于光频远大于目前所有探测器的响应时间，因此取平均表示在探测器响应时间量级上取平均。
将公式（1）中4列光波代入公式（2）可得：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE044
。……（3）
由公式(3)易得，由于实际光纤中背向散射(
Figure 932840DEST_PATH_IMAGE040
)的存在为信号解调(解算萨格奈克相移)带来了干扰，因此第一项为信号项，后面两项为噪声项。
从而得到抑制光纤环中间段背向散射噪声方法：
选择合适的调制信号幅度值和频率，可以使后面大括号内和为零，这样可以消除由于背向散射引起的噪声。
对于实际应用中，调制信号一般采用周期信号调制。并且光纤陀螺实际制作和生产中多数是采用周期方波调制(简称方波调制)，因此本发明对方波调制进行了分析。
对于一般的方波调制信号可以用下面的公式表示：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE046
；……………………（4）
Figure 183823DEST_PATH_IMAGE014
为调制信号的半周期。
为了消除背向散射噪声，同时使得信号能够进行解调和解算，方波调制信号需要满足以下条件：
             
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE048
。..........................................(5)
即调制信号的半周期等于光纤环的渡越时间，这种调制也称为本征调制。这也就限制了调制信号的周期(频率)所要满足的条件。
对于方波本征调制信号可以表示为以下形式：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE050
；........................................（6）
则易得：
Figure 2013103638912100002DEST_PATH_IMAGE052
。…………（7）
将其带入公式(3)，并令a-b=Φ，a+b=Ψ有：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
。…（8）
对于方波本征调制，解调信号为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
。……………（9）
将公式(8)带入并整理得：
。………（10）
对于公式(10)进行分析，可知当第二项中小括号内为零时，即使存在背向散射
Figure 417490DEST_PATH_IMAGE040
，其也不会对信号解调产生影响，即可以消除背向散射引起的非互易性误差(噪声)。但同时要保证有信号输出，即第一项不能为零。
即要求下式成立：
；………………（11）
由数学易求解(9)的解为：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
。…………………（12）
满足(12)要求的方波本征调制信号均可以消除由于光纤环中间段背向散射所引起的非互易性误差。
具体实施过程中，若要求灵敏度最大，即
Figure DEST_PATH_IMAGE064
最大，则使上述信号相位调制器所产生的方波调制信号的幅度值满足条件： 
Figure 768355DEST_PATH_IMAGE026
；........(13）
取特殊情况，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
有：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，其特征在于：利用Y波导将信号幅度值为                                                
Figure 2013103638912100001DEST_PATH_IMAGE001
的输入光波均分为信号幅度值为和信号幅度值为的两束输出光波，Y波导的两条尾纤与光纤环的两端相连，从而使信号幅度值为
Figure 975059DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 630163DEST_PATH_IMAGE002
的输出光波分别沿顺时针和逆时针方向绕光纤环一周后回到Y波导；
在Y波导的一条尾纤与光纤环之间设有一信号相位调制器，从该尾纤输出的信号幅度值为
Figure 25372DEST_PATH_IMAGE002
的输出光波经信号相位调制器进行相位调制后进入光纤环，绕光纤环一周后回到Y波导，从另一尾纤输出的信号幅度值为
Figure 290611DEST_PATH_IMAGE003
的输出光波绕光纤环一周后进入信号相位调制器，经信号相位调制器进行相位调制后回到Y波导； 
调节信号相位调制器，使所述信号相位调制器所产生的方波调制信号满足条件：
Figure 50756DEST_PATH_IMAGE004
；
并且：；
式中：
Figure 255473DEST_PATH_IMAGE006
为t时刻的调制信号的幅度值；
Figure 2013103638912100001DEST_PATH_IMAGE007
为调制信号的半周期；
Figure 392056DEST_PATH_IMAGE008
为光纤环的渡越时间；
Figure 2013103638912100001DEST_PATH_IMAGE009
为调制信号在前半周期的幅度值，
Figure 434836DEST_PATH_IMAGE010
为调制信号在后半周期的幅度值；
Figure 2013103638912100001DEST_PATH_IMAGE011
和为自然数。
2.根据权利要求1所述的一种抑制光纤环中间段背向散射噪声的方法，其特征在于：调节信号相位调制器，使所述信号相位调制器所产生的方波调制信号的幅度值满足条件：
。
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