CN112710297B - 一种光纤陀螺及其参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺及其参数确定方法，在光纤陀螺内嵌入光纤布拉格光栅，通过光纤布拉格光栅裁剪掉干涉光的一个波谷，使参与干涉的光的等效平均波长发生变化，当温度变化时，光纤布拉格光栅的中心波长将发生相应移动，导致光纤陀螺参与干涉的光的等效平均波长发生相应移动，使该光纤陀螺的标度因数温度变化率减小，实现了光纤陀螺标度因数温度变化率的调节，提高了光纤陀螺的标度因数温度稳定性。本发明采用在光纤陀螺中嵌入光纤布拉格光栅的方式，根据实际需要制作出不同标度因数温度变化率的光纤陀螺，实现标度因数温度变化率的调控功能。

Description

一种光纤陀螺及其参数确定方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺及其参数确定方法，该光纤陀螺具有标度因数温度变化率调节功能，便于该光纤陀螺的标度因数温度性能调控与改进。

背景技术

光纤陀螺的标度因数温度稳定性是光纤陀螺的重要指标。温度变化环境下，光纤陀螺的标度因数将随温度发生变化，一般情况下，光纤陀螺的标度因数随温度升高而增大，而光纤陀螺的标度因数可以受到光纤环尺寸和光谱平均波长的变化影响。已有研究表明，光纤陀螺的标度因数温度性能主要受光纤环温度性能、光源等效平均波长等因素影响，其中光源等效平均波长影响最大，且光源等效平均波长对标度因数温度性能的影响有规律可寻。

目前人们已经考虑通过光源波长的温度变化抵消一部分的光纤陀螺标度因数变化。但是，因光纤陀螺的标度因数变化率较大，常见的光纤陀螺标度因数温度变化率可达到十几ppm/℃，光源本身的温度变化率不足以充分减缓光纤陀螺标度因数温度变化。一般通过在光纤陀螺的数字信号处理器中增加温度补偿软件模块，对其标度因数受温度的变化进行软件补偿；或在光纤陀螺应用系统的数字信号处理器中进行该标度因数温度补偿，使光纤陀螺的标度因数温度变化率降低到至少小于1ppm/℃。虽然上述温度补偿手段得到了一定的效果，但是仍有一些光纤陀螺因其硬件温度特性不佳而难以通过温度补偿手段实现标度因数的温度性能改善，或改善程度不够。因此，人们一直在研究如何通过光电器件、光电系统等方面的改进来不断提升光纤陀螺的标度因数温度性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤陀螺及其参数确定方法，以解决光纤陀螺标度因数温度性能受光源等效平均波长影响的问题，在光纤环内嵌入光纤布拉格光栅，通过光纤布拉格光栅对光纤陀螺内的干涉光谱等效平均波长进行裁剪，实现光纤陀螺内干涉光等效平均波长的温度自适应调节，改善光纤陀螺标度因数温度性能。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种光纤陀螺，包括光纤环和Y波导；还包光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅内嵌于所述光纤环上，且所述光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置；或者，所述光纤布拉格光栅刻写于所述Y波导的保偏尾纤上。

本发明中，光纤布拉格光栅作为一个独立器件，可以在绕制光纤环的光纤上制作光纤布拉格光栅，再采用该光纤绕制光纤环，使光纤布拉格光栅内嵌于该光纤环上；也可以在Y波导的保偏尾纤上刻写一个光纤布拉格光栅，只要使光纤布拉格光栅的中心波长位于光纤陀螺的3dB～10dB光谱宽度范围内。当光纤陀螺的干涉光光谱经过Y波导或光纤环时，被Y波导或光纤环上的光纤布拉格光栅裁剪掉一个波谷，导致最终参加干涉的光的等效平均波长发生变化；当温度变化时，光纤布拉格光栅的中心波长将发生相应移动，进而导致光纤陀螺参加干涉的光的等效平均波长发生相应移动(实现干涉光等效平均波长的温度自适应调节)，最终使该光纤陀螺的标度因数温度变化规律发生相应变化(标度因数温度变化率增大或减少)，当裁剪后光等效平均波长的温度变化率与光纤陀螺环面积温度变化率相当时，两者相互抵消，使该光纤陀螺的标度因数温度变化率达到最小。因此，将光纤布拉格光栅的中心波长落在光纤陀螺光源光谱的不同区域，可实现光纤陀螺标度因数温度性能的调控，达到改善光纤陀螺标度因数温度性能的目的。

进一步地，所述光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心±0.5m以外的任意位置。

进一步地，所述光纤布拉格光栅的反射率为90％以上，反射谱宽为0.1nm～0.2nm。

进一步地，所述光纤布拉格光栅在收绕时与光纤环缠绕在一起，使光纤布拉格光栅和光纤环处于同一温度场，从而使光纤布拉格光栅和光纤环的温度响应基本一致。

本发明还提供一种光纤陀螺的参数确定方法，即光纤陀螺中光纤布拉格光栅的参数确定方法，包括以下步骤：

确定所述光纤陀螺的宽谱光源，从而确定所述宽谱光源的光谱宽度范围；

根据所述宽谱光源的光谱宽度范围选择光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，所述中心波长和反射谱宽包括多组；

根据每组中心波长和反射谱宽刻写光纤布拉格光栅，并制作成对应的光纤陀螺；

对每个所述光纤陀螺进行标度因数温度特性试验，确定该光纤陀螺在全温范围内标度因数温度变化率；

以在全温范围内标度因数温度变化率最小所对应的中心波长和反射谱宽作为光纤布拉格光栅的最终参数。

本发明所述参数确定方法确定的最终参数作为光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，并以该中心波长和反射谱宽在光纤陀螺上刻写光纤布拉格光栅，使光纤布拉格光栅内嵌于光纤陀螺内。对于内嵌有光纤布拉格光栅的光纤陀螺，当光纤陀螺的干涉光光谱经过Y波导或光纤环时，被光纤布拉格光栅裁剪掉一个波谷，导致最终参加干涉的光的等效平均波长发生变化；当温度变化时，光纤布拉格光栅的中心波长将发生相应移动，进而导致光纤陀螺参加干涉的光的等效平均波长发生相应移动，使该光纤陀螺的标度因数温度变化率减小，实现了光纤陀螺标度因数温度变化率的调节，提高了光纤陀螺的标度因数温度稳定性。

进一步地，所述光纤布拉格光栅的刻写位置为光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置或Y波导的保偏尾纤。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种光纤陀螺及其参数确定方法，在光纤陀螺内嵌入光纤布拉格光栅，通过光纤布拉格光栅裁剪掉干涉光的一个波谷，使参与干涉的光的等效平均波长发生变化，当温度变化时，光纤布拉格光栅的中心波长将发生相应移动，导致光纤陀螺参与干涉的光的等效平均波长发生相应移动，使该光纤陀螺的标度因数温度变化率减小，实现了光纤陀螺标度因数温度变化率的调节，提高了光纤陀螺的标度因数温度稳定性。本发明采用在光纤陀螺中嵌入光纤布拉格光栅的方式，根据实际需要制作出不同标度因数温度变化率的光纤陀螺，实现标度因数温度变化率的调控功能，同时改善了光纤陀螺标度因数温度性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中光纤陀螺的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例1中光纤陀螺常见宽谱光源光谱图；

图2(b)是本发明实施例1中光纤布拉格光栅反射谱图；

图2(c)是本发明实施例1中光纤布拉格光栅透射谱在宽谱光源光谱上升沿侧示意图；

图2(d)是本发明实施例1中光纤布拉格光栅透射谱在宽谱光源光谱下升沿侧示意图；

其中，1-光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例所提供的一种光纤陀螺，包括光纤环、Y波导以及光纤布拉格光栅(FBG)1。该光纤布拉格光栅1内嵌于光纤陀螺的方式有两种：

第一种是：光纤布拉格光栅内嵌于光纤环上，且光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置。

将光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置，再用该光纤绕制光纤环，使光纤布拉格光栅内嵌于该光纤环上，制作成光纤陀螺。本实例中，光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心±0.5m以外(即偏离光纤环绕制光纤长度中心0.5m)的任意位置，使光纤布拉格光栅的中心波长位于光纤陀螺3dB～10dB光谱宽度范围内，这样光纤布拉格光栅会对顺、逆时针两个方向的光中的部分光谱反射，两路反射的光也会经由Y波导汇合，但因光纤布拉格光栅的位置不在光纤环绕制光纤长度中心以及附近位置，由此形成的这两路反射光的光程差远大于光源相干长度，因而不会干涉，在光纤陀螺中作为一定量的强度噪声存在。顺、逆时针方向光经由光纤布拉格光栅透射后，仍然构成SAGNAC干涉仪回路，只是其完整光谱被光纤布拉格光栅裁剪掉了一部分。这样，光纤环内嵌光纤布拉格光栅的光纤陀螺将因光纤布拉格光栅光谱与光纤陀螺光源光谱的位置关系，而实现光纤陀螺内光源等效平均波长的自适应温度调控，使该光纤陀螺的标度因数温度变化率减小，实现光纤陀螺标度因数温度变化率的调节，提高光纤陀螺的标度因数温度稳定性。

因为光纤陀螺内的SLD等宽谱光源的等效平均波长随温度变化率约为几十ppm量级，而光纤布拉格光栅的中心波长随温度变化约10pm/℃，这样，在温度变化环境下，光纤布拉格光栅的中心波长随温度升高而升高，被该光栅裁剪后的宽谱光等效平均波长也将随温度升高而升高。经过裁剪后的宽谱光的等效平均波长

可按如下公式得到。

式中，λ_i和P_i分别为裁剪前宽谱光中的一点波长以及其对应的光功率，T_i是光纤布拉格光栅在任意一点波长上的透过率。

光纤布拉格光栅的光谱处于光纤陀螺宽谱光源谱的上升沿或下降沿的不同位置，可能因不同参数与匹配效果，形成裁剪后的宽谱光的等效平均波长的温度漂移速率差异。光纤布拉格光栅的光谱所处位置与宽谱光谱的关系如图2所示。

而光纤陀螺的标度因数一般随温度升高而增加，根据标度因数与波长的反比关系，等效平均波长随温度升高的效应将在一定程度上抑制标度因数的温度变化率。通过理论和实践验证选择光纤布拉格光栅的中心波长与宽谱光谱的位置关系，将得到裁剪后的宽谱光等效平均波长的某种温度变化率恰好有效地抵消标度因数的温度变化，最终实现标度因数的温度变化抑制，保证光纤陀螺标度因数的温度稳定性。

该光纤环内嵌光纤布拉格光栅的光纤陀螺的主要特点是使用了一个光纤布拉格光栅内嵌入光纤环中，通过光纤布拉格光栅的反射谱以及反射谱的温度移动特性，调节光纤陀螺的干涉光的等效平均波长，进而可用于光纤陀螺的标度因数温度变化率的放大或者缩小，达到改善光纤陀螺标度因数温度性能的目的。

第二种是：光纤布拉格光栅刻写于Y波导的一个保偏尾纤上，只要使光纤布拉格光栅的中心波长位于光纤陀螺3dB～10dB光谱宽度范围内即可。

在光纤陀螺宽谱光源的10dB宽度范围内，结合某批次方案下光纤陀螺本身的标度因数温度变化率，对应选择光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，一般要求在光纤陀螺的全温试验范围内(不妨设为-50℃到+70℃)，光纤布拉格光栅的反射谱宽随温度移动，但不应移动经过或覆盖光源中心波长，结合光纤陀螺的标度因数的温度特性，可结合需要选择处于光源光谱上升沿或下降沿，但不能使光纤布拉格光栅的透射谷在工作温度范围内(一般取-40℃到+60℃)移动超过原有宽谱光的平均波长线。特殊情况下，则可专门设计任意位置的反射光谱。为便于设计与生产，设计的光纤布拉格光栅为高反射率，一般在90％以上；光纤布拉格光栅的反射谱宽一般在0.1到0.2nm，根据设计需要可适当调整。

本实施例中，光纤布拉格光栅在收绕时与光纤环体缠绕在一起，使光纤布拉格光栅和光纤环处于同一温度场，从而使光纤布拉格光栅和光纤环的温度响应基本一致。但是，该光纤布拉格光栅缠绕时，不应产生弯曲、扭转等非预期应力，以防光纤布拉格光栅出现啁啾或光谱异常，确保其反射光谱整齐并在不同温度变化下能够保持光谱谱型整齐、规范、一致。

本实施例采用光纤布拉格光栅，其反射光谱整齐，便于分析和应用。

本实施例还提供一种光纤陀螺的参数确定方法，即光纤陀螺中光纤布拉格光栅的参数确定方法，该参数包括中心波长和反射谱宽，具体参数确定方法包括以下步骤：

1、确定光纤陀螺的宽谱光源，从而确定宽谱光源的光谱宽度范围。

2、根据宽谱光源的光谱宽度范围选择光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，中心波长和反射谱宽包括多组。

本实施例中选择三组光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，所选择的光纤布拉格光纤的中心波长落在宽谱光源的10dB光谱宽度范围内。

3、根据每组中心波长和反射谱宽刻写光纤布拉格光栅，并制作成对应的光纤陀螺。三组光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽对应有三个光纤陀螺。

光纤布拉格光栅的刻写位置为光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置或Y波导的保偏尾纤。

4、对每个光纤陀螺进行标度因数温度特性试验，确定该光纤陀螺在全温试验范围内标度因数温度变化率。标度因数温度特性试验为现有技术。

5、以在全温试验范围内标度因数温度变化率最小所对应的中心波长和反射谱宽作为光纤布拉格光栅的最终参数。按照最终参数，在光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置或Y波导的保偏尾纤上刻写光纤布拉格光栅，制作成光纤陀螺，该内嵌有光纤布拉格光栅的光纤陀螺的标度因数温度变化率小，标度因数温度稳定性高。

光纤布拉格光栅需要与光纤陀螺宽谱光源光谱配套使用，因此，光纤布拉格光栅参数的获取需要在已有光纤陀螺宽谱光源光谱的基础上，估计在光栅反射裁剪后的光源等效平均波长的变化规律基本符合设计需要。完成了光纤布拉格光栅的设计后，研制的光纤布拉格光栅与光纤环、Y波导组装成为光纤陀螺后，测量光纤陀螺的标度因数温度变化率是否符合设计要求(降低变化率或增大变化率，以便标度因数温度补偿)。需要时，还可更换不同光谱的光源，调整该光纤陀螺的标度因数温度变化率。

实施例2

以宽谱光源光谱为准高斯型为例来说明本实施例光纤陀螺。

准高斯型宽谱光源光谱的谱宽一般在10nm左右。若在光纤陀螺没有内嵌光纤布拉格光栅，则该SAGNAC干涉仪中干涉的两路光的光谱分别为由光源分光后合光的两路准高斯型光谱，形成零光程差干涉。

若在光纤陀螺内采用实施例1的方式内嵌一个光纤布拉格光栅，一般的光纤布拉格光栅的光谱宽度在0.2nm左右。该SAGNAC干涉仪内将形成四路返回光：有两路分别透过光纤布拉格光栅，光谱被光栅裁剪掉一部分的宽谱光，仍然符合SAGNAC干涉仪要求，完成零光程差干涉；另有两路光分别为光纤布拉格光栅的双向反射光，它们光谱相似但反射光程差远远大于相干长度，因此返回汇聚后也不发生干涉，也不会和被裁剪光谱的两路光发生干涉。该光纤布拉格光栅主要起到了裁剪干涉的宽谱光光谱的作用。

根据宽谱光源的平均波长公式：

宽谱光被部分裁剪后，将造成光谱等效平均波长的变化。

根据式(1)可以计算出被裁剪后的宽谱光的等效平均波长

温度变化环境下，光纤陀螺的标度因数将随温度发生变化，一般情况下，光纤陀螺的标度因数随温度升高为增大。而光纤陀螺的标度因数可以受到光纤环尺寸和光谱平均波长的变化影响。实际上，已经考虑通过光源波长的温度变化抵消一部分的光纤陀螺标度因数变化。但是，因光纤陀螺的标度因数变化量较大，光源本身的温度变化量不足以充分减缓光纤陀螺标度因数温度变化。因此，利用光纤布拉格光栅的温度变化特性，可进行光源平均波长的大幅度温度调谐，进而将在一定程度上减缓光纤陀螺的标度因数温度变化程度。

光纤布拉格光栅的中心波长随温度升高而升高。一般的光纤布拉格光栅的中心波长的温度变化率约为10pm/℃。若将光纤布拉格光栅的中心波长选择在光纤陀螺宽谱光源谱的左侧上，且在全温变化内，光纤布拉格光栅的波长谱移动范围不超过光纤陀螺宽谱光源谱的左侧部分，则当温度变化时，被裁剪的宽谱光谱的平均波长将随温度增加而增加。这将进一步增大光源平均波长对标度因数的调制效率。

具体应用中，将通过光谱裁剪效果仿真来设计选择具体宽谱光源所配置的光纤布拉格光栅光谱形状(即中心波长和反射谱宽，具体见实施例1的参数确定方法)，结合两者温度变化规律，得到理想的随温度变化的平均波长变化规律，进而将有助于改善光纤陀螺标度因数的温度变化程度，尽可能减小标度因数的温度变化率。

此外，也可专门设计光纤布拉格光栅的光谱在宽谱光源光谱上的其他位置，这将得到宽谱光源谱的平均波长的其他效果调制。比如某些特殊类别的平均波长温度变化规律不单调的宽谱光源，可通过特殊设计，改善其变化规律，也可放大或缩小其温度变化规律，得到一些其他效应。光纤布拉格光栅内嵌光纤环，只要不造成干涉，总是可以为光纤陀螺标度因数变化提供多样的规律效果。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤陀螺的参数确定方法，即光纤陀螺中光纤布拉格光栅的参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定所述光纤陀螺的宽谱光源，从而确定所述宽谱光源的光谱宽度范围；

根据所述宽谱光源的光谱宽度范围选择光纤布拉格光栅的中心波长和反射谱宽，所述中心波长和反射谱宽包括多组；

根据每组中心波长和反射谱宽刻写光纤布拉格光栅，并制作成对应的光纤陀螺；所述光纤布拉格光栅的刻写位置为光纤环绕制光纤长度中心范围以外的任意位置或Y波导的保偏尾纤；

对每个所述光纤陀螺进行标度因数温度特性试验，确定该光纤陀螺在全温范围内标度因数温度变化率；

以在全温范围内标度因数温度变化率最小所对应的中心波长和反射谱宽作为光纤布拉格光栅的最终参数。

2.如权利要求1所述的光纤陀螺的参数确定方法，其特征在于：所述光纤布拉格光栅刻写于光纤环绕制光纤长度中心±0.5m以外的任意位置。

3.如权利要求1所述的光纤陀螺的参数确定方法，其特征在于：所述光纤布拉格光栅的反射率为90%以上，反射谱宽为0.1nm~0.2nm。

4.如权利要求1~3中任一项所述的光纤陀螺的参数确定方法，其特征在于：所述光纤布拉格光栅在收绕时与光纤环缠绕在一起。

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