CN110319827B - 一种光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置，包括放大自发辐射光源(ASE光源)、Y波导、光纤环、第一探测器、第二探测器、50/50保偏耦合器，第一90/10保偏耦合器、第二90/10保偏耦合器、信号处理模块。通过本发明的技术方案，有效地抑制了RIN对高精度光纤陀螺检测精度的影响，结构简单，适合于工程应用；可实现信号光和参考光功率匹配度的实时检测与闭环控制，确保实际使用条件下，RIN抑制保持最优效果。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种高精度光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速度传感器，具有全固态、成本低、可靠性高、启动速度快等优点，被广泛应用于飞机、潜艇、军舰、导弹、卫星等领域，近年来成为国内外惯性器件的一个研究热点。全数字闭环检测方案是现阶段光纤陀螺的主流方案，具有精度高、动态范围大和标度因数线性度优等特点。
在高精度光纤陀螺中，一般使用基于放大自发辐射(Amplified SpontaneousEmission，ASE)的掺铒光纤光源。ASE光源具有低时间相干性、大功率输出和高波长稳定性等特点，对提高光纤陀螺的零偏稳定性和标度因数精度至关重要。但是，ASE光源的光强输出会受到宽光谱中不同频率分量拍频引起的光强波动的影响。随着光功率的增大，光强度波动随之增大，一般将光强波动与平均光功率的比值定义为光源相对强度噪声(RelativeIntensity Noise，RIN)。由于RIN产生于ASE光源，与光电探测过程中产生的散粒噪声和热噪声不同，因此RIN也被称为额外噪声(Excess noise)。对于光纤陀螺的信号检测过程，通过增加探测光的功率，可有效抑制散粒噪声和热噪声的影响。然而，由于RIN与光功率无关，当到达光电探测器的光功率超过几微瓦时，RIN就成为了限制检测精度的主要噪声源。因此，必须采用专门的RIN抑制方法。
发明内容
本发明的目的是通过抑制高精度光纤陀螺的相对强度噪声，进而有效降低陀螺的随机游走，改善光纤陀螺的检测精度。为实现上述技术目的，本发明提供了一种光纤陀螺光源相对强度噪声的自适应抑制方案，在传统光纤陀螺的光路中加入两个光学元件(两个分光比为90/10的保偏耦合器)，利用信号光路和参考光路的光功率叠加，实现对本征频率及其奇倍频处RIN的抑制。在参考光路中，有一部分参考光连接到光探测器，可以用来监测光路中光功率的实时变化，当光路中信号光和参考光的输出光功率不匹配时，可以调整施加在Y波导的调制深度，改变信号光路的光强，实现光功率匹配。本发明的具体技术方案如下：一种光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置，其特征在于，包括放大自发辐射光源(ASE光源)、Y波导、光纤环、第一探测器、第二探测器、50/50保偏耦合器，第一90/10保偏耦合器、第二90/10保偏耦合器、信号处理模块，其中，
所述ASE光源连接到所述50/50保偏耦合器的第一端口；
所述Y波导的两端与所述光纤环连接组成敏感环路，用于敏感转速信息；
所述Y波导的第三端与所述50/50保偏耦合器的第二端口连接；
所述第一90/10保偏耦合器的第三端口连接到所述第一探测器，所述第二90/10保偏耦合器的90％端口连接到所述第二探测器；
所述第一90/10保偏耦合器的90％端口连接到所述50/50保偏耦合器的第一端口，所述第一90/10保偏耦合器的10％端口通过90度熔接连接到所述第二90/10保偏耦合器的10％端口，所述第二90/10保偏耦合器的第三端口连接到所述50/50保偏耦合器第二端口；
通过光纤连接的所述ASE光源、所述50/50保偏耦合器、所述Y波导、所述光纤环、所述第一90/10保偏耦合器、所述第一探测器构成信号光路；
通过光纤连接的所述ASE光源、所述50/50保偏耦合器、所述第二90/10保偏耦合器、所述第一90/10保偏耦合器和所述第一探测器构成参考光路；
所述第一探测器包含了所述参考光路和所述信号光路的光强信息之和，所述第二探测器包含了所述参考光路的光强信息；
所述信号处理模块包括闭环控制回路和调制深度控制回路，其中，在所述闭环控制回路中，信号经光干涉后，依次通过所述第一探测器、第一模拟放大电路、第一A/D转换器、解调电路、转速积分器、阶梯波生成电路、D/A转换器、模拟驱动电路、相位调制电路，实现光纤陀螺的闭环控制；
在所述调制深度控制回路中，所述第二探测器输出的信号经第二模拟放大电路、第二A/D转换器将模拟信号转换为数字信号即获得所述参考光路的光强信息数字量，输出至第二数字放大电路进行放大，所述第一A/D转换器输出的数字信号为所述参考光路和所述信号光路的光强信息之和的总光强信息数字量，经第一数字放大电路进行放大的总光强信息数字量与经第二数字放大电路进行放大的参考光路的光强信息数字量相减，即可得到的信号光路的光强信息数字量，信号光路的光强信息数字量与经过第二数字放大电路放大的参考光路的光强信息数字量的差值输入至调制深度误差积分器，调制深度误差积分器的输出信号补偿到调制信号初始值。
进一步地，所述光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置中的光纤均为保偏光纤。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述方法通过加入两个90/10保偏耦合器改进了传统的光纤陀螺光学结构，有效地抑制了RIN对高精度光纤陀螺检测精度的影响，结构简单，适合于工程应用；
2.本发明通过闭环控制回路和调制深度控制回路可实现信号光路和参考光路的光功率匹配度的实时检测与闭环控制，确保实际使用条件下，RIN抑制保持最优效果；参考光路中90/10保偏耦合器的输出光还可以进行光功率监测，判断光源是否故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1(a)为ASE光源中光功率谱密度(OPSD)随波长变化的图像；
图1(b)为ASE光源中光功率谱密度(OPSD)随频率变化的图像；
图1(c)为ASE光源中归一化光功率谱密度(OPSD)随频率变化的图像；
图1(d)为ASE光源中RIN功率谱密度(PSDRIN)随频率变化的图像；
图2(a)为光纤陀螺的传统光路结构；
图2(b)为RIN抑制的光纤陀螺光路结构；
图2(c)为本发明改进的RIN抑制光纤陀螺光路结构；
图3为信号处理模块的原理框图；
图4为信号处理模块的工作流程图。
附图标号说明：
1-ASE光源；2-Y波导；3-光纤环；4-第一探测器；5-第二探测器；6-50/50保偏耦合器；7-第一90/10保偏耦合器；8-第二90/10保偏耦合器；91-第一模拟放大电路；92-第一A/D转换器；93-解调电路；94-转速积分器；95-阶梯波生成电路；96-D/A转换器；97-模拟驱动电路；98-相位调制电路；101-第二模拟放大电路；102-第二A/D转换器；103-第一数字放大电路；104-第二数字放大电路；105-调制深度误差积分器；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
通常情况下，ASE光源光谱近似于高斯形状，可以通过光学频谱分析仪(OpticalSpectrum Analyzer，OSA)获得光谱，即光功率谱密度(Optical Power Spectral Density，OPSD)沿波长的分布。RIN的功率谱密度是光谱归一化自相关的结果。RIN功率谱密度为
其中，OPSD沿频率的分布表示为S(ν)，光谱中各频率分量的总光功率表示为P，ν为光谱中各部分光的频率，f为光源的频率，S(ν+f)为OPSD沿频率的分布。
RIN功率谱密度的计算过程如图1所示。首先，由OSA测量得到OPSD随光波长分布的结果，如图1(a)所示。通过横坐标的变换，得到OPSD随着光频率的分布结果，如图1(b)所示。对图1(b)中的光谱进行归一化后(图1(c))，再进行自相关运算，可得到RIN的功率谱密度分布结果(图1(d))。由于自相关运算结果是一个偶函数，图1(d)显示了频率为正的RIN。在图1中，ASE源光谱宽度为典型值10nm，其相应的频率宽度为Δν＝1.2THz。
参考图1(d)，RIN功率谱密度的宽度与光谱的频率宽度接近，均为1012Hz量级。对于光纤陀螺用光电探测器，其最大响应频率约为108Hz，比RIN的频率宽度小104倍。因此，光电探测器只能检测到零频率附近的RIN。当光功率在光电探测器处转换成相应的电压时，电压信号中的RIN在探测频率范围内具有近似平坦的功率谱密度分布，其分布规律类似于具有恒定功率谱密度的“白噪声”。将f＝0代入式计算得到零频率下的RIN功率谱密度(PSDRIN)，结果为
因此，光电探测器探测带宽内的RIN功率谱密度可近似用频率宽度的倒数来定量计算得到。
RIN本质上是一个确定寄生信号，不是散粒噪声和热噪声这样的随机噪声。RIN功率谱密度可以通过光谱的自相关结果唯一地确定。如果改变光谱的形状，RIN也会相应地改变。通常情况下，在光纤陀螺中，在Y波导上施加方波信号进行调制，方波频率为光纤线圈的本征频率(fm＝1/(2τ)，fm为光纤线圈的本征频率，τ为光在光纤环中的渡越时间)。解调也在本征频率下进行，以获取转速大小。因此，只有与本征频率(及其奇倍频)非常接近的噪声分量才会影响光纤陀螺的检测精度，只需要抑制本征频率下的RIN。在光纤陀螺中，可利用光源2×2耦合器的空头端的光作为参考光，将经过光纤敏感环的信号光和参考光的光功率进行叠加，由于两束光之间相差了渡越时间τ，频率分量为fm＝1/(2τ)及其奇倍频处的两束光相差相位π，互为反相，在两束光的功率匹配时，本征频率及其奇倍频处的RIN相加后变为零。
本发明提供了一种改进的光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方案，在传统的光纤陀螺中加入两个分光比为90/10的保偏耦合器，利用信号光路和参考光路的光功率叠加，抑制本征频率处的RIN，如图2(c)所示。
图2(a)为光纤陀螺的传统光学结构，图2(b)为传统的光纤陀螺抑制本征频率处RIN的光路配置，与无RIN抑制的光纤陀螺光路结构相比，在光路中增加了一个分光比为99/1的保偏耦合器；50/50单模耦合器被50/50保偏耦合器取代。实验表明，RIN得到了有效地抑制，随机游走显著降低；对于99/1保偏耦合器，当光纤环长度继续增加时，为实现信号光路和参考光路的光强匹配，分光比可能更加悬殊，甚至达到99.5/0.5。此种类型的保偏耦合器在制作过程中分光比很难精确保证且容易随着时间和温度发生变化，导致信号光路和参考光路的功率不匹配，影响RIN的抑制效果。因此，本发明中的光纤陀螺光学结构，在光路中用两个分光比为90/10的保偏耦合器代替99/1保偏耦合器，而且增加光功率实时检测部分；在制作工艺保证器件分光比准确且稳定的基础上，增加光功率匹配的自适应调节回路，确保在温度、长时间工作等条件下，RIN实现最优抑制效果。
如图2(c)所示，信号光经50/50保偏耦合器6进入第一90/10保偏耦合器7的90％端口，参考光经第二90/10保偏耦合器8的10％端口进入第一90/10保偏耦合器7的10％端口，两束光功率叠加之后，有效地消除了本征频率处的RIN。另外，参考光有一部分从第二90/10保偏耦合器8的90％端口输出，连接到第二探测器5，可以用来检测参考光强的变化情况，实现光源相对强度噪声的自适应调整，保证抑制效果最优化。
为了实现RIN的抑制，光路中必须只有一个RIN。由于RIN与偏振方向有关，将ASE光源1输出的光在50/50保偏耦合器6处起偏，并在其他光学元件中使用保偏光纤。为了使RIN抑制效果最优，必须保证信号光和参考光的功率增加，此时信号光和参考光的偏振态需正交，可以通过第一90/10保偏耦合器7的10％端口与第二90/10保偏耦合器8的10％端口之间的90度熔接来实现。
在图2(b)所示的光路中，如果来自信号光路的光强与参考光路的光强恰好匹配，则需满足
其中， 
为信号光路的损耗，α10代表信号光路中除去光干涉的损耗，α20代表参考光路的损耗，α为信号光路的光强与参考光路的光强恰好匹配时参考光路和信号光路的损耗，
为闭环误差且稳定工作中近似为零，为调制方波的振幅，τ为光经过光纤环的相位延迟，t为时间。对于信号光路中除去光干涉的损耗α10，有α10＝A1×50％×50％×99％，其中，A1为信号光路除去50/50保偏耦合器和99/1保偏耦合器的其他光路部分的损耗。对于参考光路的损耗α20，有α20＝A2×50％×1％，其中，A2为参考光路除去50/50保偏耦合器和99/1保偏耦合器部分的损耗。通过在调制深度最佳范围内合理调整调制方波的振幅
功率可以很好地实现匹配。
在本发明中的图2(c)所示的光路中，采用两个分光比为90/10的保偏耦合器7、8和一个分光比为50/50的保偏耦合器6，对于信号光路中除去光干涉的损耗α1，有α1＝A1'×50％×50％×90％，其中，A′1为本发明光学结构中信号光路除去50/50保偏耦合器6和第一99/10保偏耦合器7的其他光路部分的损耗。而对于参考光路的损耗α2，有α2＝A'2×50％×10％×10％，其中，A′2为本发明光学结构中参考光路除去50/50保偏耦合器6和第二90/10保偏耦合器8的其他光路部分的损耗。通过合理选择调制深度，光路中使用50/50保偏耦合器6和两个90/10保偏耦合器7、8可以使信号光与参考光达到匹配。
为实现相对强度噪声的最优抑制效果，信号处理模块增加了调制深度控制回路，实时控制信号光大小，实现与参考光的匹配。信号处理模块包括闭环控制回路和调制深度控制回路，如图3所示，图中的实线模块与箭头组成光纤陀螺闭环控制回路，图中的虚线模块和箭头组成调制深度控制回路。
在闭环控制回路中，信号经光干涉后，依次通过第一探测器4、第一模拟放大电路90、第一A/D转换器92、解调电路93、转速积分器94、阶梯波生成电路95、D/A转换器96、模拟驱动电路97、相位调制电路98，实现光纤陀螺的闭环控制；经相位调制电路98反馈回系统中产生的反馈相位差为Δφf，Δφf与旋转引起的相位差Δφs大小相等，符号相反，使得总相位差Δφe＝Δφs+Δφf被控制在零附近。在这种闭环方法中，光纤陀螺的测量角速度信号就是反馈相位差Δφf，Δφf与返回的光功率和前向通道的增益无关，这样可以获得良好的线性响应。
在调制深度控制回路中，第二探测器5输出的信号经第二模拟放大电路101、第二A/D转换器102将模拟信号转换为数字信号即获得参考光路的光强信息数字量，输出至第二数字放大电路104进行放大，第一A/D转换器92输出的数字信号为参考光路和信号光路的光强信息之和的总光强信息数字量，经第一数字放大电路103进行放大的总光强信息数字量与经第二数字放大电路104进行放大的参考光路的光强信息数字量增益相等，二者相减，即可得到的信号光路的光强信息数字量，信号光路的光强信息数字量与经过第二数字放大电路104放大的参考光路的光强信息数字量的差值输入至调制深度误差积分器105，调制深度误差积分器105的输出信号补偿到调制信号初始值，改变施加到调制深度误差积分器的调制深度后，信号光路的光强会发生变化。信号处理模块连续工作，即可保证信号光路的光强与参考光路的光强匹配。
具体地，先将ASE光源1的输出光强度记作I，光源发出的光进入第一探测器4，经过放大后进行数字量化编码，总光强对应的数字量为
其中，K0为第一探测器4前向通道的增益，α1代表信号光路中除去光干涉的损耗，α2代表参考光路的损耗，为闭环误差且稳定工作中近似为零，
为调制方波的振幅，τ为光经过光纤环的相位延迟，t为时间。
第二探测器5的输出信号经过放大后进行数字量化编码，参考光强对应的数字量为D2(t)＝α3K'0I(t)，其中，K0′为第二探测器5前向通道的增益，α3代表光依次通过50/50保偏耦合器6和第二90/10保偏耦合器8进入第二探测器5的损耗。
通过第一数字放大电路103和第二数字放大电路104分别处理总光强数字量和参考光路的光强数字量使它们的增益相等，即满足α2K0K1＝α3K'0K2，其中，K1、K2分别为对总光强数字量和参考光路的光强数字量的放大倍数，进而得到信号光路的光强数字量为：
下面分析信号光和参考光的匹配对RIN抑制效果的影响。将ASE光源1的相对强度噪声(RIN)记作IN(t)，则此时信号光路的相对强度噪声可描述为
参考光路的相对强度噪声可描述为IN2(t)＝α2IN(t)，与IN3(t)相比，参考光路的光没有相位延迟τ。
(1)如果来自信号光路的光强与参考光路的光强恰好匹配，即满足
则第一探测器4处得到的总相对强度噪声IN1(t)为：
上述表达恰好是延迟线滤波器的形式。当处在光纤环3的本征频率时，有ωτ＝2πfm＝2π/2τ，fm为光纤环3的本征频率，此时相对强度噪声为IN1(ωτ)＝α[IN(ωτ)+IN(ωτ)exp(-jωττ)]＝αIN(ωτ)[1+exp(-jπ)]＝0，j为虚数单位。同理，对于本征频率的奇数倍频率，RIN均为零；在本征频率的偶数倍频率处，相对强度噪声幅值为极大值。由于解调过程仅发生在本征频率及其奇倍频处，即相对强度噪声的影响可被有效地抑制。
另外，当信号光路的光强与参考光路的光强恰好匹配时，忽略ASE光源1的光强随时间的变化，则在调制深度误差积分器105处的信号值DND(t)为：
(2)由于时间和温度的影响，光路中的相关参数会发生变化，从而导致α1、α2以及α3发生变化，使来自信号光路的光强与参考光路的光强不匹配，设此时α1、α2和α3分别变为α′1、α′2和α′3，则有总光强对应的数字量变为：
参考光路的光强对应的数字量为D'2(t)＝α'3K'0I(t)，在调制深度控制回路中，满足α'2K0K1＝α'3K'0K2，进而得到信号光路数字量为：
此时调制深度误差积分器处的信号值为
表示了信号光强与参考光强的不匹配误差，此时此时，需要调节调制深度，使功率达到匹配，即满足
由于原来的功率匹配时满足
则调制深度的改变量为通过调制深度误差积分器105，将改变量进行积分来不断调整调制深度，使信号光路的光强与参考光路的光强最终达到匹配，相对强度噪声的影响可被有效地抑制。
具体的信号处理模块的工作流程如图4所示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
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。
Claims (2)
1.一种光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置，其特征在于，包括放大自发辐射光源、Y波导、光纤环、第一探测器、第二探测器、50/50保偏耦合器，第一90/10保偏耦合器、第二90/10保偏耦合器、信号处理模块，其中，
所述放大自发辐射光源连接到所述50/50保偏耦合器的第一端口；
所述Y波导的两端与所述光纤环连接组成敏感环路，用于敏感转速信息；
所述Y波导的第三端与所述50/50保偏耦合器的第二端口连接；
所述第一90/10保偏耦合器的第三端口连接到所述第一探测器，所述第二90/10保偏耦合器的90％端口连接到所述第二探测器；
所述第一90/10保偏耦合器的90％端口连接到所述50/50保偏耦合器的第一端口，所述第一90/10保偏耦合器的10％端口通过90度熔接连接到所述第二90/10保偏耦合器的10％端口，所述第二90/10保偏耦合器的第三端口连接到所述50/50保偏耦合器第二端口；
通过光纤连接的所述ASE光源、所述50/50保偏耦合器、所述Y波导、所述光纤环、所述第一90/10保偏耦合器、所述第一探测器构成信号光路；
通过光纤连接的所述放大自发辐射光源、所述50/50保偏耦合器、所述第二90/10保偏耦合器、所述第一90/10保偏耦合器和所述第一探测器构成参考光路；
所述第一探测器包含了所述参考光路和所述信号光路的光强信息之和，所述第二探测器包含了所述参考光路的光强信息；
所述信号处理模块包括闭环控制回路和调制深度控制回路，其中，在所述闭环控制回路中，信号经光干涉后，依次通过所述第一探测器、第一模拟放大电路、第一A/D转换器、解调电路、转速积分器、阶梯波生成电路、D/A转换器、模拟驱动电路、相位调制电路，实现光纤陀螺的闭环控制；
在所述调制深度控制回路中，所述第二探测器输出的信号经第二模拟放大电路、第二A/D转换器将模拟信号转换为数字信号即获得所述参考光路的光强信息数字量，输出至第二数字放大电路进行放大，所述第一A/D转换器输出的数字信号为所述参考光路和所述信号光路的光强信息之和的总光强信息数字量，经第一数字放大电路进行放大的总光强信息数字量与经第二数字放大电路进行放大的参考光路的光强信息数字量相减，即可得到的信号光路的光强信息数字量，信号光路的光强信息数字量与经过第二数字放大电路放大的参考光路的光强信息数字量的差值输入至调制深度误差积分器，调制深度误差积分器的输出信号补偿到调制信号初始值。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置，其特征在于，所述光纤陀螺光源相对强度噪声自适应抑制装置中的光纤均为保偏光纤。
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