CN109282805A - 用有源光谱滤波降低光纤陀螺随机游走系数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用有源光谱滤波降低光纤陀螺随机游走系数的装置和方法。本发明主要包括连接在宽谱光源和光纤耦合器Ⅲ之间的有源光谱滤波器，有源光谱滤波器包括光纤耦合器、光纤和光放大器，宽谱光源和光纤耦合器Ⅰ其中一侧的一端连接，光纤耦合器Ⅰ其中一侧的另一端分别连接到光纤耦合器Ⅱ和光纤耦合器Ⅲ；光纤耦合器Ⅰ另一侧的一端依次经光放大器、光纤Ⅱ连接到光纤耦合器Ⅲ。本发明降低了相对强度噪声和散粒噪声对光纤陀螺随机游走系数的影响，提高了光纤陀螺的测量精度，实现了对光源的相对强度噪声的抑制，对输入光功率具有放大作用，提高了光纤陀螺的探测光功率，降低了散粒噪声对光纤陀螺的随机游走系数的影响。

Description

用有源光谱滤波降低光纤陀螺随机游走系数的装置和方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感技术领域，特别是涉及了一种用有源光谱滤波降低光纤陀螺随机游走系数的装置和方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的光学角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度，并将角速度提供给应用系统，作为导航和控制的输入。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。光纤陀螺作为武器系统的重要传感器，决定了武器系统的导航控制精度。

漂移和随机游走系数是用于评价光纤陀螺的两个主要性能指标，前者对应于光纤陀螺长时间的均值变化，后者对应于光纤陀螺中白噪声的功率谱密度，决定于光纤陀螺的信噪比。在类似导航等需要对角速度长时间积分得到角度方位的应用中，漂移是一个重要的指标参数；而在要求能快速响应的系统稳定、控制应用中，随机游走指标是更重要的参数。典型的如光纤陀螺寻北仪、姿态控制应用，要求光纤陀螺的噪声小，能够快速的响应角速度的变化，从而使具有小的随机游走系数成为更基本的指标要求。宽谱光源的相对强度噪声和光电探测器光电转换过程中的光子散粒噪声降低了光相位测量过程的信噪比，降低光纤陀螺的随机游走性能。

早期光纤干涉精密测量系统，如窄带激光光源，由于激光器具有很好地空间相干性，光纤中由于瑞利散射、端面反射在输出端产生寄生干涉，限制了光纤干涉仪的测量分辨率。宽谱光源的出现完美的解决了寄生干涉问题。由于光源谱宽在40nm以上，其空间相干长度在微米量级，使得寄生干涉现象仅发生在干涉臂中点附近极小的一段光纤中，大大降低了寄生干涉对干涉系统信噪比的影响，但是宽谱光源具有相对强度噪声。相对强度噪声是宽谱光源发光谱中不同频率成分之间随机拍频而成。相对强度噪声在检测电路带宽内可以认为是白噪声，其降低了干涉仪的信噪比，从而降低了干涉仪的分辨率。抑制宽谱光源相对强度噪声对提高光纤陀螺等精密干涉测量系统的分辨率具有很大帮助。

在光电检测过程中，由于光子计数的涨落在检测信号中引入光子散粒噪声。光子散粒噪声对光相位测量的影响随探测光功率的增大而减小。使用无源光谱滤波器，例如无源光纤环形谐振腔，可以实现对光源相对强度噪声的抑制。但是，无源光纤环形谐振腔具有约20dB的插入损耗，极大地减小了探测光功率，增大了光子散粒噪声对光相位测量的影响，使得光纤陀螺的随机游走系数受光子散粒噪声限制得不到有效的降低。

发明内容

针对传统使用无源光纤环形谐振腔抑制光源相对强度噪声的方案中插入损耗过大，且噪声抑制效果较小的问题，本发明提供了一种用有源光谱滤波降低光纤陀螺随机游走系数的装置和方法。

本发明在由两个光纤耦合器构成的无源光纤环形谐振腔中加入光放大器构成有源光纤环形谐振腔，在光纤陀螺中加入有源光纤环形谐振腔，同时降低宽谱光源的相对强度噪声和光电探测器光电转换过程中的光子散粒噪声对于光相位测量的影响，提高测量信噪比，降低随机游走系数，最终提高光纤陀螺的随机游走性能。

本发明的技术方案如下：

一、一种使用有源光谱滤波器降低光纤陀螺随机游走系数的装置

本发明包括光纤陀螺和宽谱光源，光纤陀螺包括光纤耦合器Ⅲ、调制器、光纤环、光电探测器和信号处理系统，光纤耦合器Ⅲ其中一侧的一端和宽谱光源连接，光纤耦合器Ⅲ其中一侧的另一端经光电探测器与信号处理系统输入端相连，信号处理系统的输出端连接到调制器；光纤耦合器Ⅲ另一侧的一端经调制器与光纤环相连，光纤耦合器Ⅲ另一侧的另一端空置；还包括连接在宽谱光源和光纤耦合器Ⅲ之间的有源光谱滤波器，有源光谱滤波器包括光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤Ⅰ、光纤Ⅱ和光放大器，宽谱光源和光纤耦合器Ⅰ其中一侧的一端连接，光纤耦合器Ⅰ其中一侧的另一端经光纤Ⅰ连接到光纤耦合器Ⅱ其中一侧的一端，光纤耦合器Ⅱ其中一侧的另一端连接到光纤耦合器Ⅲ其中一侧的一端；光纤耦合器Ⅰ另一侧的一端依次经光放大器、光纤Ⅱ连接到光纤耦合器Ⅲ另一侧的一端，光纤耦合器Ⅰ与光纤耦合器Ⅱ另一侧的另一端均空置。

所述光纤耦合器Ⅰ、光放大器和光纤耦合器Ⅱ通过光纤Ⅰ、光纤Ⅱ相连并形成用于提高信噪比、降低随机游走系数的环形谐振腔。

所述光放大器用于实现对光频率的放大，所述光放大器为光纤放大器或半导体光放大器。

所述信号处理系统用于转换和解调输入的电信号。

二、一种使用上述装置降低光纤陀螺随机游走系数的方法

宽谱光源的输出光依次经尾纤Ⅰ、光纤耦合器Ⅰ进入环形谐振腔作为环形谐振腔的输入光，输入光经环形谐振腔周期性滤波后抑制了输入光自由光谱范围1/2处频率的相对强度噪声，通过调节环形谐振腔的参数，使FSR/2处频率与光纤陀螺的特征调制频率相等，从而抑制了特征调制频率的相对强度噪声，降低了光纤陀螺的随机游走系数。

所述周期性滤波的光谱范围为环形谐振腔输入光的自由光谱范围。

由于所述光放大器的存在，环形谐振腔实现了对输入光功率的放大，提高了光功率，从而降低光子散粒噪声对光纤陀螺随机游走性能的影响。

本发明的有益效果：

在无源光纤环形谐振腔中加入光放大器构成有源光纤环形谐振腔，可以用于光纤陀螺中降低随机游走系数，提高随机游走性能。有源光纤环形谐振腔方案克服了无源光纤环形谐振腔方案的插入损耗过大的缺点，同时降低宽谱光源的相对强度噪声和光电探测器光电转换过程中的光子散粒噪声对于光相位测量的影响。

附图说明

图1是有源光谱滤波器。

图2是加入有源光谱滤波器的光纤陀螺。

图3是光纤陀螺输出的噪声谱。

图4是光纤陀螺输出的数据。

图中：有源光谱滤波器(10)、光纤耦合器Ⅰ(101)、光纤耦合器Ⅱ(102)、光纤Ⅰ(103)、光纤Ⅱ(104)、光放大器(105)、宽谱光源输出光(106)、输出光(107)、尾纤Ⅰ(101A)、尾纤Ⅱ(102A)、宽谱光源(201)、光纤耦合器Ⅲ(202)、调制器(203)、光纤环(204)、光电探测器(205)、信号处理系统(206)、光电探测器(205)、光纤环(204)、光纤耦合器Ⅲ(202)、尾纤Ⅲ(202A)、尾纤Ⅳ(202B)、调制器(203)、输入光Ⅰ(203A)、输入光Ⅱ(203B)、返回光Ⅰ(204A)、返回光Ⅱ(204B)、光电探测器(205)、电信号(205A)、信号处理系统(206)、调制信号(207)、转动角速度信息(208)。

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。

如图1所示，有源光谱滤波器10包括光纤耦合器Ⅰ101、光纤耦合器Ⅱ102、光纤Ⅰ103、光纤Ⅱ104和光放大器105，宽谱光源201和光纤耦合器Ⅰ101其中一侧的一端连接，光纤耦合器Ⅰ101其中一侧的另一端经光纤Ⅰ103连接到光纤耦合器Ⅱ102其中一侧的一端，光纤耦合器Ⅱ102其中一侧的另一端连接到光纤耦合器Ⅲ202其中一侧的一端；光纤耦合器Ⅰ101另一侧的一端依次经光放大器105、光纤Ⅱ104连接到光纤耦合器Ⅲ202另一侧的一端，光纤耦合器Ⅰ101与光纤耦合器Ⅱ102另一侧的另一端均空置。

光纤耦合器Ⅰ101、光放大器105和光纤耦合器Ⅱ102通过光纤Ⅰ103、光纤Ⅱ104相连并形成用于提高信噪比、降低随机游走系数的环形谐振腔。

如图2所示，是加入光纤环形谐振腔的光纤陀螺，光纤陀螺包括光纤耦合器Ⅲ202、调制器203、光纤环204、光电探测器205和信号处理系统206，光纤耦合器Ⅲ202其中一侧的一端和宽谱光源201连接，光纤耦合器Ⅲ202其中一侧的另一端经光电探测器205与信号处理系统206输入端相连，信号处理系统206的输出端连接到调制器203；光纤耦合器Ⅲ202另一侧的一端经调制器203与光纤环204相连，光纤耦合器Ⅲ202另一侧的另一端空置。

本发明的原理过程如下：

光纤陀螺的随机游走系数对应于光纤陀螺中的信噪比，要提高光纤陀螺的随机游走系数，必须降低其内部的噪声源，提高系统信噪比。光纤陀螺内部最重要的白噪声源为宽谱光源的相对强度噪声和光电探测器光电转换过程中的光子散粒噪声。光纤陀螺中使用的同步调制技术使得仅特征频率处的噪声会通过解调过程变为输出角速度信号的噪声。

宽谱光源输出光106依次经尾纤Ⅰ101A、光纤耦合器Ⅰ101进入环形谐振腔作为环形谐振腔的输入光，输入光经环形谐振腔周期性滤波后抑制了输入光自由光谱范围1/2FSR/2处频率的相对强度噪声，通过调节环形谐振腔的参数，使FSR/2处频率与光纤陀螺的特征调制频率相等，从而抑制了特征调制频率的相对强度噪声，降低了光纤陀螺的随机游走系数。输入光经光放大器105提高了探测光功率，从而降低了光子散粒噪声。之后经过环形谐振腔的输入光经光纤耦合器Ⅱ102、尾纤Ⅱ102A的输出作为环行谐振腔的输出光107。

环行谐振腔10的输出光107经尾纤Ⅲ202A输入到光纤耦合器Ⅲ202，再经尾纤Ⅳ202B进入调制器203，调制器203将光分为输入光Ⅰ203A和输入光Ⅱ203B，输入光Ⅰ203A在光纤环204中沿顺时针方向传播作为返回光Ⅰ204B输出，输入光Ⅱ203B在光纤环204中沿逆时针方向传播作为返回光Ⅱ204A输出，用于传感转动角速度，返回光Ⅰ204A和返回光Ⅱ204B经调制器203同时输入到光纤耦合器Ⅲ202，并经尾纤Ⅳ202B进入光电探测器205，光电探测器205将光信号转换为电信号205A进入信号处理系统206，信号处理系统206对输入的电信号205A进行转换和解调获得转动角速度信息208输出到应用系统，应用系统具体可以为导航、武器系统和姿态控制系统等；此外，信号处理系统206输出调制信号207用于控制调制器203。

实施例：

对于一个具有典型参数的光纤陀螺，其光源采用1550nm中心波长的宽谱光源，光源谱宽为20nm，光纤环长度为200m，特征频率为0.5MHz。搭建谐振腔长度为200m的有源光纤环形谐振腔进行周期性滤波，其FSR为1MHz，可以实现对FSR/2＝0.5MHz处的相对强度噪声进行抑制。

未在光纤陀螺中加入有源光纤环形谐振腔时的噪声功率谱如图3中S1所示，光纤陀螺输出数据如图4中D1所示，探测光功率为10uW，此时随机游走系数为0.005°/h^1/2；在光纤陀螺中加入有源光纤环形谐振腔时的噪声功率谱如图3中S2所示，光纤陀螺输出数据如图4中D2所示，探测光功率为50uW，此时随机游走系数为0.0005°/h^1/2。加入有源光纤环形谐振腔将探测光功率放大了5倍，将随机游走系数降低了一个数量级。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用有源光谱滤波器降低光纤陀螺随机游走系数的装置，包括光纤陀螺和宽谱光源(201)，光纤陀螺包括光纤耦合器Ⅲ(202)、调制器(203)、光纤环(204)、光电探测器(205)和信号处理系统(206)，光纤耦合器Ⅲ(202)其中一侧的一端和宽谱光源(201)连接，光纤耦合器Ⅲ(202)其中一侧的另一端经光电探测器(205)与信号处理系统(206)输入端相连，信号处理系统(206)的输出端连接到调制器(203)；光纤耦合器Ⅲ(202)另一侧的一端经调制器(203)与光纤环(204)相连；

其特征在于：还包括连接在宽谱光源(201)和光纤耦合器Ⅲ(202)之间的有源光谱滤波器(10)，有源光谱滤波器(10)包括光纤耦合器Ⅰ(101)、光纤耦合器Ⅱ(102)、光纤Ⅰ(103)、光纤Ⅱ(104)和光放大器(105)，宽谱光源(201)和光纤耦合器Ⅰ(101)其中一侧的一端连接，光纤耦合器Ⅰ(101)其中一侧的另一端经光纤Ⅰ(103)连接到光纤耦合器Ⅱ(102)其中一侧的一端，光纤耦合器Ⅱ(102)其中一侧的另一端连接到光纤耦合器Ⅲ(202)其中一侧的一端；光纤耦合器Ⅰ(101)另一侧的一端依次经光放大器(105)、光纤Ⅱ(104)连接到光纤耦合器Ⅲ(202)另一侧的一端，光纤耦合器Ⅰ(101)与光纤耦合器Ⅱ(102)另一侧的另一端均空置。

2.根据权利要求1所述的使用有源光谱滤波器降低光纤陀螺随机游走系数的装置，其特征在于：所述光纤耦合器Ⅰ(101)、光放大器(105)和光纤耦合器Ⅱ(102)通过光纤Ⅰ(103)、光纤Ⅱ(104)相连并形成用于提高信噪比、降低随机游走系数的环形谐振腔。

3.根据权利要求1所述的使用有源光谱滤波器降低光纤陀螺随机游走系数的装置，其特征在于：所述光放大器(105)用于实现对光频率的放大，所述光放大器为光纤放大器或半导体光放大器。

4.根据权利要求1所述的使用有源光谱滤波器降低光纤陀螺随机游走系数的装置，其特征在于：所述信号处理系统(206)用于转换和解调输入的电信号。

5.一种使用权利要求1-4所述装置降低光纤陀螺随机游走系数的方法，其特征在于：宽谱光源输出光(106)依次经尾纤Ⅰ(101A)、光纤耦合器Ⅰ(101)进入环形谐振腔作为环形谐振腔的输入光，输入光经环形谐振腔周期性滤波后抑制了输入光自由光谱范围1/2(FSR/2)处频率的相对强度噪声，通过调节环形谐振腔的参数，使自由光谱范围1/2(FSR/2)处频率与光纤陀螺的特征调制频率相等，从而抑制了特征调制频率的相对强度噪声，降低了光纤陀螺的随机游走系数。

6.根据权利要求5所述的降低光纤陀螺随机游走系数的方法，其特征在于：

所述周期性滤波的滤波周期为环形谐振腔输入光的自由光谱范围(FSR)。

7.根据权利要求5所述的降低光纤陀螺随机游走系数的方法，其特征在于：由于所述光放大器(105)的存在，放大了环形谐振腔的输入光功率，从而降低光子散粒噪声对光纤陀螺随机游走性能的影响。