CN112797973A - 一种提高光纤陀螺稳定性的装置及方法 - Google Patents

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闫景涛
黄腾超
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Abstract

本发明公开了一种提高光纤陀螺稳定性的装置及方法，属于光纤传感技术领域。两个不同波长的激光经合波后，将光谱通过外部相位调制技术同步展宽，调制后的光由耦合器进入Y型多功能集成光学器件被一分为二输出，两束光分别按顺时针和逆时针方向在保偏光纤环中传输，最终重新合为一束并发生干涉，分离干涉光信号中的两个波峰，利用两个光电探测器进行同步探测将光信号转化为电信号，数字信号处理单元解调出两路电信号对应的载体转动角速度信息，通过差分处理消除环境因素的影响后输出。本发明相较于传统使用单个宽谱光源的光纤陀螺而言可以显著降低温度扰动等对陀螺精度的影响，同时具有低噪声和高标度因数稳定性，能形成一种高性能光纤陀螺。

Description

一种提高光纤陀螺稳定性的装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体是一种提高光纤陀螺稳定性的装置及方法。
背景技术
作为光纤传感领域的重要成就，光纤陀螺具有全固态、低成本、高理论精度、高可靠性等特点，被世界许多国家作为民用与军用惯性导航中的首选，现已广泛应用航空航天的导航控制系统、航海和陆地定位系统、机器人姿态控制及稳定装置等。随着光纤陀螺应用领域的扩展，复杂的环境和超长的工作时间对光纤陀螺的性能提出了更高的要求。
光纤陀螺的性能除了与自身精度有关之外，还受到辐射、磁场、振动、温度等周围环境的影响，这些因素所导致的非互易性相移会包含在测量结果中无法分离，影响光纤陀螺的精度。通常情况下温度造成的误差最大。干涉式光纤陀螺一般采用几百米至几千米的光纤绕成多匝线圈以提高灵敏度，由于光纤存在着时变温度扰动，两束反向传播的光波在不同时间经过同一段光纤也会经历不同的相移，即Shupe效应。Shupe效应在光纤陀螺中将产生大的偏置误差并限制其应用。因此，亟需一种能够降低甚至彻底消除温度漂移等环境因素的高稳定性光纤陀螺方案，在光纤陀螺的技术提升上具有重要工程意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服光纤陀螺性能受环境因素的影响，提供一种提高光纤陀螺稳定性的装置及方法，通过对两个不同波长的半导体激光器进行光谱展宽后作为光纤陀螺的光源，并对两路干涉信号作独立探测解算及差分处理，能够基本消除环境因素所带来的影响，使光纤陀螺的稳定性得到提升。
一种提高光纤陀螺稳定性的装置，包括两个不同波长的半导体激光器、第一波分复用器、电光相位调制器、放大电路、噪声源、光耦合器、Y型多功能集成光学器件、保偏光纤环、第二波分复用器、第一光探测器、第二光探测器、第一模数转换器、第二模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器；
两个半导体激光器发出的光由第一波分复用器合为一束进入电光相位调制器，噪声源生成的信号经放大电路放大后对电光相位调制器施加驱动从而展宽合束光的光谱，光束经光耦合器后由Y型多功能集成光学器件分为两路在保偏光纤环中传播，最终在Y型多功能集成光学器件中重新合为一束并形成包含两种波长的干涉信号，再次经过光耦合器后由第二波分复用器将二者分离开来，两路干涉信号分别由第一光探测器、第二光探测器、第一模数转换器、第二模数转换器进行探测和转换，之后进入数字信号处理单元中解调出两路转速信息，一方面经差分用于光纤陀螺输出，另一方面通过数模转换器叠加偏置电压于Y型多功能集成光学器件的相位调制器进行偏置调制和闭环反馈。
所述的电光相位调制器、放大电路和噪声源工作频率至少覆盖10MHz~10GHz，噪声源生成的信号为高斯白噪声，噪声信号经放大电路放大后的功率为28dBm以上。
所述的保偏光纤环采用四级对称绕法绕制，长3240m，直径8cm。
所述的第一光探测器与第二光探测器以及第一模数转换器与第二模数转换器之间需要采取屏蔽措施。
与现有技术相比，本发明的高稳定性体现在以下两点：
（1） 本发明采用激光为光纤陀螺光源，相较于传统宽谱光源而言具有高中心波长稳定性和低相对强度噪声，通过高斯白噪声信号驱动下的外部相位调制可在保持该优点的前提下对激光光谱进行展宽，从而使光纤陀螺具有低噪声和优越的标度因数稳定性；
（2） 两个激光的中心波长不同，且同处于一个光纤陀螺系统，因此解调出的转速信息中由环境因素所产生的误差基本相同。通过对两路干涉信号进行同步独立探测和差分处理，能够降低甚至彻底消除温度效应等影响，从而提高光纤陀螺的环境稳定性，在工程应用中具有重要的意义。
附图说明
图1是提高光纤陀螺稳定性的装置结构示意图；
其中，第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、第一波分复用器3、电光相位调制器4、放大电路5、噪声源6、光耦合器7、Y型多功能集成光学器件8、保偏光纤环9、第二波分复用器10、第一光探测器11、第二光探测器12、第一模数转换器13、第二模数转换器14、数字信号处理单元15、数模转换器16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明，以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1，一种提高光纤陀螺稳定性的装置，包括第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、第一波分复用器3、电光相位调制器4、放大电路5、噪声源6、光耦合器7、Y型多功能集成光学器件8、保偏光纤环9、第二波分复用器10、第一光探测器11、第二光探测器12、第一模数转换器13、第二模数转换器14、数字信号处理单元15、数模转换器16；
两个半导体激光器1与2发出的光由第一波分复用器3合为一束进入电光相位调制器4，噪声源6生成的信号经放大电路5放大后对电光相位调制器4施加驱动从而展宽合束光的光谱，光束经光耦合器7后由Y型多功能集成光学器件8分为两路在保偏光纤环9中传播，最终在Y型多功能集成光学器件8中重新合为一束并形成不同波长的干涉信号，再次经过光耦合器7后由第二波分复用器10将二者分离开来，两路干涉信号分别由第一光探测器11、第二光探测器12、第一模数转换器13、第二模数转换器14进行探测和转换，之后进入数字信号处理单元15中解调出两路转速信息，一方面经差分用于光纤陀螺输出，另一方面通过数模转换器16叠加偏置电压于Y型多功能集成光学器件8的相位调制器进行偏置调制和闭环反馈。
其中，电光相位调制器4、放大电路5和噪声源6工作频率至少覆盖10MHz~10GHz，噪声源6生成的信号为高斯白噪声，噪声信号经放大电路5放大后的功率为28dBm以上；保偏光纤环9采用四级对称绕法绕制，长3240m，直径8cm；第一光探测器11与第二光探测器12以及第一模数转换器13与第二模数转换器14之间需要采取屏蔽措施。在对两路光的干涉信号进行闭环探测时，由于共用一套光纤陀螺系统的缘故，二者可以视作受到同样的环境因素影响，因此测得的相移中包含相等的环境误差，通过差分运算即可消除该项，将环境因素的影响降至最低。
本发明主要采用两个不同波长的半导体激光作为光纤陀螺光源。一方面相较于传统宽谱光源而言，激光具有高中心波长稳定性和低相对强度噪声，通过外部相位调制对激光光谱进行展宽后使光纤陀螺具有低噪声和优越的标度因数稳定性；另一方面，由于激光的中心波长不同而又同处于一个光纤陀螺系统，因此由环境因素对两路干涉信号造成的误差基本相同，通过对二者进行同步独立探测和差分处理，能够降低甚至彻底消除温度效应等影响，大幅提高光纤陀螺的环境稳定性，在工程应用中具有重要的意义。
以上所述实施例只是本发明的技术构思及一种较优的方案，并不能限制此发明的保护范围。有关技术领域的普通技术人员根据本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种等效变换或修饰。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高光纤陀螺稳定性的装置，其特征在于，包括第一半导体激光器（1）、第二半导体激光器（2）、第一波分复用器（3）、电光相位调制器（4）、放大电路（5）、噪声源（6）、光耦合器（7）、Y型多功能集成光学器件（8）、保偏光纤环（9）、第二波分复用器（10）、第一光探测器（11）、第二光探测器（12）、第一模数转换器（13）、第二模数转换器（14）、数字信号处理单元（15）、数模转换器（16）；
第一半导体激光器（1）、第二半导体激光器（2）发出的光由第一波分复用器（3）合为一束进入电光相位调制器（4），噪声源（6）生成的信号经放大电路（5）放大后对电光相位调制器（4）施加驱动从而展宽合束光的光谱，光束经光耦合器（7）后由Y型多功能集成光学器件（8）分为两路在保偏光纤环（9）中传播，最终在Y型多功能集成光学器件（8）中重新合为一束并形成包含两种波长的干涉信号，再次经过光耦合器（7）后由第二波分复用器（10）将二者分离开来，一路干涉信号由第一光探测器（11）、第二模数转换器（14）进行探测和转换，另一路干涉信号由第二光探测器（12）、第一模数转换器（13）进行探测和转换，之后进入数字信号处理单元（15）中解调出两路转速信息，一方面经差分用于光纤陀螺输出，另一方面通过数模转换器（16）叠加偏置电压于Y型多功能集成光学器件（8）的相位调制器进行偏置调制和闭环反馈。
2.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺稳定性的装置，其特征在于，所述的电光相位调制器（4）、放大电路（5）和噪声源（6）工作频率至少覆盖10MHz~10GHz，噪声源（6）生成的信号为高斯白噪声，噪声信号经放大电路（5）放大后的功率为28dBm以上。
3.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺稳定性的装置，其特征在于，所述的保偏光纤环（9）采用四级对称绕法绕制，长3240m，直径8cm。
4.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺稳定性的装置，其特征在于，所述的第一光探测器（11）与第二光探测器（12）以及第一模数转换器（13）与第二模数转换器（14）之间采取屏蔽措施。
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