CN114322976B - 光纤陀螺及其相对强度噪声光学抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种光纤陀螺及其相对强度噪声光学抑制方法，所述陀螺包括光源、耦合器、探测器、集成光学调制器和光纤环，所述光源的尾纤上设有偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴与集成光学调制器偏振通过主轴平行；所述耦合器的死端处设有Sagnac反射器，Sagnac反射器将反射光与光纤陀螺主光自相关强度叠加，杜绝相干效应对噪声抑制的影响。本发明利用全光纤器件设计，在不改变电路、算法的情况下，低成本的实现了光源相对强度噪声的抑制，实现陀螺信噪比的提升。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺及其相对强度噪声光学抑制方法。
背景技术
陀螺用于敏感载体旋转角速度，三轴正交安装的光纤陀螺可以用于建立运动的空间坐标系，是运动测量与控制的基础。根据其工作原理，陀螺可分为机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。光纤陀螺基于Sagnac干涉仪，利用顺逆两束光的干涉实现旋转角速度的测量，无活动部件。其光路如图1所示，光源发出的光经过耦合器，其中一臂的光经过集成光学调制器（起偏、调制、分光），被分成顺逆两束光，该两束光在光纤环中传播（传播时间称为渡越时间τ），两束光在集成光学调制器处干涉，干涉后的光强经耦合器到达探测器。光纤陀螺由于其全固态、高精度、高可靠、低成本、高带宽等优点，已成为惯性导航、姿态控制的主要传感器，在军民多项涉及运动控制、测量的领域有广泛的应用。
随机游走用于评价光纤陀螺的信噪比，是光纤陀螺的主要指标之一。它决定了陀螺的极限精度。提升陀螺精度的最有效手段便是抑制噪声。光纤陀螺中的噪声主要有探测器散粒噪声、热噪声和光源相对强度噪声。当陀螺中光较弱时，散粒噪声占主要部分，抑制散粒噪声的最有效方案是提升光源光功率，但随着光源光功率的提升，光源相对强度噪声逐渐凸显，当探测器功率超过30uW时，相对强度噪声大约是散粒噪声的10倍，热噪声的50倍，因此抑制散粒噪声成为提升陀螺精度的关键。
相对强度噪声是光源光谱中不相关的频率分量之间的随机拍频引起光源的功率涨落，这种噪声在光源输出功率较大时比较明显。相对强度噪声的幅值正比于光功率，所以称为相对强度噪声。
与其它噪声不同，相对强度噪声有一个重要特性，将光束利用耦合器或其它分光器分开，分开光的相对强度噪声与原始光是同相相关的，如图2所示，这就给噪声的抑制提供了前提与条件。
目前已有的方法是：
（1）利用半导体光放大器（SOA）饱和吸收，但SOA体积大，价格昂贵。
（2）在耦合器死端增加探测器，对光源噪声的涨落直接进行探测，并从算法解算的方法实现相对强度噪声抑制。但此方案需要增加探测器及采集装置，并从算法上增加解调模块，增加了算法的复杂性。
（3）在耦合器死端增加法拉第旋转反射镜以及光衰减器，将两束光平衡实现相对强度噪声抑制，但法拉第旋转反射镜同样存在尺寸大，价格昂贵的问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光纤陀螺及其相对强度噪声光学抑制方法，以实现光源相对强度噪声的抑制。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种光纤陀螺，包括光源、耦合器、探测器、集成光学调制器和光纤环，所述光源的尾纤上设有偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴与集成光学调制器偏振通过主轴平行；所述耦合器的死端处设有Sagnac反射器，Sagnac反射器将反射光与光纤陀螺主光自相关强度叠加，杜绝相干效应对噪声抑制的影响。
进一步地，Sagnac反射器的保偏光纤端面之间采用90°熔接。
进一步地，Sagnac反射器由保偏耦合器制作而成，保偏耦合器的两根输出尾纤90°熔接。
进一步地，所述偏振滤波器采用集成棱镜式偏振器熔接入光纤陀螺的光路；或由在该光源的尾纤上通过侧抛镀金属，拉锥引入双折射晶体组成；或为刻写在尾纤上的45°倾斜光栅。
进一步地，所述Sagnac反射器损耗可调且偏振正交旋转。
相应地，本发明实施例还提供了一种光纤陀螺的相对强度噪声光学抑制方法，包括：
步骤1：在光源尾纤上加入偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴应与集成光学调制器偏振通过主轴平行，以保证主光路光强最强；
步骤2：在耦合器死端处安装Sagnac反射器，Sagnac反射器将反射光与陀螺主光自相关强度叠加，实现光源相对强度噪声的抑制。
进一步地，所述Sagnac反射器的保偏光纤端面之间采用90°熔接。
进一步地，所述Sagnac反射器由保偏耦合器制作而成，保偏耦合器的两根输出尾纤90°熔接。
进一步地，所述偏振滤波器采用集成棱镜式偏振器熔接入光纤陀螺的光路；或由在该光源的尾纤上通过侧抛镀金属，拉锥引入双折射晶体组成；或为刻写在尾纤上的45°倾斜光栅。
进一步地，所述Sagnac反射器损耗可调且偏振正交旋转。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用全光纤、高可靠的方案实现光纤陀螺相对强度噪声抑制。
2、本发明所使用的关键器件，Sagnac反射器易于制作，不引入其它材料，具有低成本、小体积的特点。
3、本发明通过偏振模转换器的引入，实现偏振转换反射器制作，低成本的消除干涉对相对强度噪声抑制的影响。
4、本发明通过反射器分光比的调节，可以低成本的实现反射光强度的调节，以实现两路光的光强平衡。
5、本发明结构紧凑，稳定性高，易于装配，且可应用于多种波长系统和多种光源。
附图说明
图1是现有技术的光纤陀螺的光路示意图。
图2是现有技术的光纤陀螺的相对强度噪声分光示意图。
图3是本发明实施例的Sagnac反射器的示意图。
图4是本发明实施例的反射光强随分光比的变化图。
图5是本发明实施例的光纤陀螺的光路示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参照图5，本发明实施例的光纤陀螺包括光源、耦合器、探测器、集成光学调制器和光纤环。
光源的尾纤上设有偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴与集成光学调制器偏振通过主轴平行。本发明在光源尾纤上加装偏振滤波器，并使偏振通过方向与集成光学调制器滤波方向相同，从而使本方案适用于低偏、高偏、非偏等所有偏振度的光源。
耦合器的死端处设有Sagnac反射器，Sagnac反射器将反射光与光纤陀螺主光自相关强度叠加，杜绝相干效应对噪声抑制的影响。本发明在光纤陀螺的耦合器死端上设计损耗可调且偏振正交旋转的Sagnac反射器，在探测器上将反射光与陀螺主光相关强度叠加，在本征频率调制下，在不改变陀螺解算算法的情况下，可实现光源相对强度噪声的抑制，从而实现陀螺信噪比的提升。
作为一种实施方式，Sagnac反射器损耗可调且偏振正交旋转。本发明在光纤陀螺耦合器死端上设计损耗可调且偏振正交旋转的Sagnac反射器，在探测器上将反射光与陀螺主光自相关强度叠加，在本征频率调制下，在不改变陀螺解算算法的情况下，可实现光源相对强度噪声的抑制。根据主光路损耗情况，可适应性调整Sagnac反射器的分光比，以实现两光路的强度平衡。作为一种实施方式，在Sagnac反射器中可制作偏振模转换器，以将入射的偏振模式转换为正交模式，消除干涉导致的光谱涨落对相对强度噪声相关性的影响。
本发明利用光纤陀螺耦合器的死端设计反射光路，利用低成本全光纤器件实现光源相对强度噪声的全光抑制。本发明利可适用于SLD超辐射发光二极管，及ASE光纤光源等可适用于光纤陀螺的宽谱光源，本发明利适用于830nm，850nm，1310nm，1550nm等光纤陀螺可用的波段。
依据Sagnac干涉仪相关工作原理，如图3所示，入射光经过耦合器分成两束光，顺时针光通过耦合器的直通臂，经延迟光纤回到耦合器被分为直通光和耦合光，逆时针光通过耦合器的耦合臂，经延迟光纤回到耦合器被分为直通光和耦合光，此四束光在直通口和耦合口两个端口分别两两干涉，根据耦合原理，耦合臂与直通臂相位差π/2,对于直通和耦合两个端口，相位差分别为：
直通端口：
直通+耦合
耦合+直通；相位差φ=0
耦合端口：
耦合+耦合
耦合+直通；相位差φ=π
直通端口光的干涉
耦合端口光的干涉
其中
为分光比，
为输入光强，
为顺逆两束光的相位差。
当分光比为0.5时，
=1，
=0 ，即所有的光被反射到直通臂，因此称为Sagnac反射
器，可以通过调节分光比，调节反射光的比例，如图4所示。
Sagnac反射器为全光纤器件，不引入新的材料，具有易制作、小体积、低成本、高可靠的优点。
可在如图1所示的光纤陀螺光路中，耦合器死端的位置熔接或在线制作Sagnac反射器，调整反射器分光比，使反射光与主光路到达探测器的光强平衡，本发明优化后的光路如图5所示。
一般来说光纤环的长度为200m~5km，而器件尾纤的长度可以小于0.5m,而对于宽谱光源，相对强度噪声一般在低频段强度较高。因此，光在器件中经过的时间与光纤环的时间延迟相比可以忽略不计。由此可以得到，反射光路与主光路到达探测器的时间快光纤环的渡越时间τ。为了抑制相对强度噪声，两束光必须来自于同一时刻，即应该无延迟。
光纤陀螺一般采用本征频率调制，即频率为1/(2τ)，在解调过程中前半周期光强减去后半周期光强。
则对于主波的相对强度噪声有：
其中，T为任意时刻，Im为主波强度，R为每周期的相对强度噪声，而由于反射光的时间优先渡越时间τ，则
Ib为反射波强度，R为每周期的相对强度噪声；
探测器上的噪声为两束波噪声的叠加，由此可见，当主波与反射波强度相等时，
，即相对强度噪声得到了抑制。
介于窄带积分效应，主波与反射光的相干会导致光谱的变化，从而降低相对强度噪声抑制效果。因此可将光源起偏成线偏振光，在Sagnac反射器中间加装偏振模转换器，使反射光与主波偏振正交，使相干叠加变为强度叠加，杜绝相干效应对噪声抑制的影响。
本发明实施例的光纤陀螺的相对强度噪声光学抑制方法，包括：
步骤1：在光源尾纤上加入偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴应与集成光学调制器偏振通过主轴平行，以保证主光路光强最强；
步骤2：在耦合器死端处安装Sagnac反射器，Sagnac反射器将反射光与陀螺主光自相关强度叠加，实现光源相对强度噪声的抑制。
本发明的光路如图5所示。
首先在光源尾纤上加入偏振滤波器，将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴应与集成光学调制器偏振通过主轴平行，以保证主光路光强最强。该偏振滤波器可选用集成棱镜式偏振器熔接入光路，亦可在该段光纤上通过侧抛镀金属，拉锥引入双折射晶体，或在线刻写45°倾斜光栅的方式完成，消光比应优于30dB，为避免偏振退化，陀螺器件尾纤及光纤环应选用保偏光纤。
在耦合器死端处，安装Sagnac反射器。该反射器可由保偏耦合器制作而成，将保偏耦合器的两根输出尾纤熔接，即形成如图3所示的Sagnac反射器。
耦合器的分光比可据主光路的损耗依式（1）计算而得。应使反射光路与主光路的光强差异控制在10%以内。
当调制为3/4π时，主光路的插损约为18dB，计算可得应选用99：1的耦合器。
当调制为1/2π时，主光路损耗约为13dB，计算可得分光比应为95：5。
为抑制干涉效应，应在反射器上增加偏振模转换器，实现线偏振光的正交偏振转换，该偏振模转换器可由90°熔接简单制成。由于采用了保偏光纤，如图5所示，90°熔接是一种采用光纤熔接的方式，将一个保偏光纤的快轴（慢轴）与另一个保偏光纤的慢轴（快轴）对接耦合起来；此外，为保证90°熔接后的Sagnac反射器中的顺逆两束光的相位平衡，熔接点位置应在反射器中点。
Sagnac反射器对旋转有微弱的敏感性，因此，在制作反射器时应使环形光纤长度小于0.5m。对于一般陀螺的光纤环长度为500m，该Sagnac反射器所带来的标度因数影响小于5ppm。为进一步减弱该影响，在陀螺装配过程中，可将此环与光纤环正交安装。
本发明将反射光与主光路返回光进行自相关强度叠加。反射光与主光路相差的时延为光在光纤环中的渡越时间，光纤陀螺一般采用本征频率调制，其解调周期恰为此渡越时间，解调中的差分解算实现了相对强度噪声的自消除。本发明利用全光纤器件设计，在不改变电路、算法的情况下，低成本的实现了光源相对强度噪声的抑制，实现陀螺信噪比的提升。
本发明可应用于SLD超辐射发射二极管、ASE掺铒光纤光源等多种光源，并可应用于830nm、850nm、1310nm、1550nm多种波长系统。本发明实现了光纤陀螺信噪比的有效提升。本发明还可为光纤电流互感器、光纤水听器等其它光纤传感器的研制，提供有力支撑。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (6)
1.一种光纤陀螺，包括光源、耦合器、探测器、集成光学调制器和光纤环，探测器连接耦合器，集成光学调制器连接耦合器和光纤环，其特征在于，所述光源的尾纤上设有偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴与集成光学调制器偏振通过主轴平行；所述耦合器的死端处设有Sagnac反射器，耦合器的死端的光经由Sagnac反射器进行偏振正交转换后，沿原路径反射并通过耦合器到达探测器，与主光路信号光强度叠加，杜绝相干效应对噪声抑制的影响；
Sagnac反射器的保偏光纤端面之间采用90°熔接；
Sagnac反射器由保偏耦合器制作而成，保偏耦合器的两根输出尾纤90°熔接。
2.如权利要求1所述的光纤陀螺，其特征在于，所述偏振滤波器采用集成棱镜式偏振器熔接入光纤陀螺的光路；或由在该光源的尾纤上通过侧抛镀金属，拉锥引入双折射晶体组成；或为刻写在尾纤上的45°倾斜光栅。
3.如权利要求1所述的光纤陀螺，其特征在于，所述Sagnac反射器损耗可调且偏振正交旋转。
4.一种光纤陀螺的相对强度噪声光学抑制方法，其特征在于，包括：
步骤1：在光源尾纤上加入偏振滤波器，偏振滤波器将任意偏振态的输入光转化为线偏振光，该线偏振光的主轴应与集成光学调制器偏振通过主轴平行，以保证主光路光强最强；其中，所述光纤陀螺包括光源、耦合器、探测器、集成光学调制器和光纤环，探测器连接耦合器，集成光学调制器连接耦合器和光纤环，
步骤2：在耦合器死端处安装Sagnac反射器，耦合器的死端的光经由Sagnac反射器进行偏振正交转换后，沿原路径反射并通过耦合器到达探测器，与主光路信号光强度叠加，实现光源相对强度噪声的抑制；
所述Sagnac反射器的保偏光纤端面之间采用90°熔接；
所述Sagnac反射器由保偏耦合器制作而成，保偏耦合器的两根输出尾纤90°熔接。
5.如权利要求4所述的光纤陀螺的相对强度噪声光学抑制方法，其特征在于，所述偏振滤波器采用集成棱镜式偏振器熔接入光纤陀螺的光路；或由在该光源的尾纤上通过侧抛镀金属，拉锥引入双折射晶体组成；或为刻写在尾纤上的45°倾斜光栅。
6.如权利要求4所述的光纤陀螺的相对强度噪声光学抑制方法，其特征在于，所述Sagnac反射器损耗可调且偏振正交旋转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Osno Industry Co.,Ltd. Address before: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: Shenzhen osno Navigation Technology Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Unit 607-2, Unit 2, No. 2515 Huandao North Road, Hengqin New District, Zhuhai City, Guangdong Province, 519000 Patentee after: Guangdong Osno Industry Co.,Ltd. Address before: 518000 Unit 4 401, Huamei Industrial Zone, Dongfang Community, Songgang Street, Baoan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee before: Shenzhen Osno Industry Co.,Ltd. |