CN114942035A - 一种基于光谱演化补偿的光纤陀螺标度因数误差抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，步骤为：1、采用被动锁模光纤激光器替换高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源，作为时间拉伸色散傅里叶变换技术的测量基础；2、搭建时间拉伸色散傅里叶变换测量系统；3、利用时间拉伸色散傅里叶变换测量系统，对光纤陀螺全光路光谱演化情况分别进行实时测量、长期稳定性测量和变温测量，并根据测量结果构建光谱演化曲线；4、将光谱演化曲线作为可调滤波器参数输入到光纤陀螺的可调滤波器对ASE光源谱形进行整形优化，实现对全光路光谱变化的补偿；5、补偿后的光纤陀螺标度因数综合误差进行测量。本发明提高了光纤陀螺全光路光谱的对称性和稳定性，从而提高了光纤陀螺的标度因数长期稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术研究领域，特别涉及一种基于光谱演化补偿的光纤陀螺标度因数误差抑制方法。
背景技术
相对于GPS等卫星导航系统对空间卫星的依赖性，惯性导航系统依靠自身搭载的惯性元件完成导航和定位功能，采用相对独立的位置解算技术，并且只与载体自身的运动有关，惯性导航技术具有隐蔽性好、覆盖范围广、短期精度高、自主性强等优点。惯性导航系统能够实时、连续地提供载体的方向和位置信息，它的核心部件是陀螺仪和加速度计，其中加速度计主要负责测量线运动，而陀螺仪用于感知载体的角运动，通过硬件电路解调出角速率信号，然后利用导航计算机开展一系列的数学运算和坐标变换，最终计算出载体运动的方向、速度和当前时刻的位置。随着技术水平的提高、光电子元器件性能的提升以及制造工艺的成熟，惯性导航系统已经广泛应用于航海、航空以及航天领域，在陆用兵器领域也得到大量推广，其中一个典型应用是作为战略级核潜艇的高精度长航时自主导航设备，保障战略级核潜艇长时间在海底潜行，具有极大的战略威慑作用。
惯性导航系统的核心部件是陀螺仪，陀螺仪的测量精度直接决定了惯导系统的导航精度，陀螺仪包括：机电陀螺、光学陀螺(主要是激光陀螺、光纤陀螺)。传统机电陀螺技术已经相当成熟，但是它具有运动部件，抗振性不高，激光陀螺的测量精度高，但其需要严格的气体密封，部件需要精密加工，装配工艺复杂。与机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件，体积小，抗振动能力强，与激光陀螺相比，光纤陀螺的器件不需要超高精度的光学加工，装配简单，不需气体密封，没有防止自锁的机械抖动装置，成本低。因此光纤陀螺技术发展迅猛，成为当前惯性导航领域的主流元件。
光纤陀螺是一种以Sagnac效应为工作原理的角速率传感器，目前受到广泛研究和应用推广的光纤陀螺主要是干涉式光纤陀螺和谐振式光纤陀螺，其中干涉式光纤陀螺的精度提升手段简单，依靠增加敏感环圈的长度和直径已经将其应用精度提高至0.00001°/h量级，谐振式光纤陀螺的解调原理相对复杂，技术实现难度大，虽然理论精度较高，但是依靠现有的技术手段，尤其是谐振腔制作水平，难以突破0.01°/h，因此现阶段高精度光纤陀螺主要是采用干涉式方案。
目前，高精度光纤陀螺误差主要包括标度因数误差和输出噪声误差，高精度光纤陀螺对标度因数的指标要求是1ppm以内，而影响标度因数指标的因素包括光纤环圈的热胀冷缩、多重闭环控制的参数变化以及光谱传输误差等。光谱的变化导致平均波长的改变，直接导致光纤陀螺的标度因数发生偏移，此外光源光谱以及光谱在光纤陀螺光路中的传输规律对高精度光纤陀螺输出噪声误差也会产生影响。因此通过开展光谱演化补偿技术研究从而抑制高精度光纤陀螺的标度因数误差具有重要的研究意义和应用价值，有望显著提高高精度光纤陀螺性能，满足高精度长航时惯性导航系统应用需求。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于光谱演化补偿的光纤陀螺标度因数误差抑制方法。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采用被动锁模光纤激光器替换高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源，作为时间拉伸色散傅里叶变换技术的测量基础；
步骤2、搭建时间拉伸色散傅里叶变换测量系统；
步骤3、利用时间拉伸色散傅里叶变换测量系统，对光纤陀螺全光路光谱演化情况分别进行实时测量、长期稳定性测量和变温测量，并根据测量结构构建光谱演化曲线；
步骤4、将光谱演化曲线作为可调滤波器参数输入到光纤陀螺的可调滤波器对ASE光源谱形进行整形优化，实现对全光路光谱变化的补偿；
步骤5、补偿后的光纤陀螺标度因数综合误差进行测量。
进一步的：步骤1中，被动锁模光纤激光器括波分复用器WDM、掺铒光纤、980nm泵源、基于二维材料的可饱和吸收体、单向滤波器、偏振控制器、耦合器和单模光纤；
泵源发出的光输入到波分复用器WDM后被分为两路，第一路光传输给掺铒光纤，第二路光传输给基于二维材料的可饱和吸收体，经二维材料的可饱和吸收体输出的光，先后通过单向滤波器和偏振控制器，分别进行滤波和内偏振态的调整，然后第一路光和第二路光通过耦合器后，最后通过单模光纤输出给光纤陀螺。
进一步的：步骤2中，时间拉伸色散傅里叶变换测量系统包括被动锁模光纤激光器光源、第一耦合器、Y波导、光纤环圈、第二耦合器、第三耦合器、自相关仪、第四耦合器；色散补偿光纤；光谱仪；高速示波器；被动锁模光纤激光器光源发出的光经第一耦合器后输出给Y波导，Y波导输出给光纤环圈，经过光纤环圈后输出的光通过第二耦合器后分为两路，其中，第一路光通过第三耦合器后再分为两路，分别为第三路光和第四路光，第三路光输出给自相关仪，第四路光通过第四耦合器后再分为两路，分别为第五路光和第六路光，第五路光输出给光谱仪，第六路光输出给高速示波器，同时，第二路光通过色散补偿光纤后也输出给高速示波器。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明利用时间拉伸色散傅里叶变换测量技术对光纤陀螺全光路光谱演化进行测量，通过实时、长期稳定性和变温测量确定光纤陀螺光路光谱的演化规律，并将光谱演化曲线作为滤波参数对光纤陀螺掺铒光纤光源进行谱型整形和优化，以此提高光纤陀螺全光路光谱的对称性和稳定性，从而提高了光纤陀螺的标度因数长期稳定性。
附图说明
图1是本发明时间拉伸色散傅里叶变换测量系统使用的被动锁模光纤激光器光源结构示意图；
图2是本发明时间拉伸色散傅里叶变换测量系统结构示意图；
图3是本发明光谱的平均波长变化曲线图；
图4是本发明基于光谱演化补偿的光纤陀螺结构示意图；
图5是本发明光纤陀螺标度因数测量系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
一种基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，请参见图1-5，其发明点为，包括如下步骤：
步骤1、采用被动锁模光纤激光器替换高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源，作为时间拉伸色散傅里叶变换技术的测量基础；
被动锁模光纤激光器光源1结构如图1所示，包括波分复用器WDM1.1；掺铒光纤1.2； 980nm泵源1.3；基于二维材料的可饱和吸收体1.4，可采用黑磷、石墨烯、二硫化钼等；单向滤波器1.5，用于实现激光器的单向运转；偏振控制器1.6，用于激光腔内偏振态的调整；耦合器1.7，实现信号光的输出；单模光纤1.8，将输出光导入光纤陀螺。泵源发出的光输入到波分复用器WDM，WDM一端与掺铒光纤相连接，利用泵浦光驱动掺饵光纤产生1550nm波长的光脉冲，WDM另一端与基于二维材料的可饱和吸收体相连从而形成激光谐振腔，经二维材料的可饱和吸收体输出的光，先后通过单向滤波器和偏振控制器，分别进行滤波和内偏振态的调整，从而形成稳定的脉冲光，最后通过单模光纤输出给光纤陀螺。
步骤2、采用被动锁模光纤激光器替换高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源，搭建时间拉伸色散傅里叶变换测量系统；
时间拉伸色散傅里叶变换测量系统见示意图2，
包括被动锁模光纤激光器光源1；第一耦合器2；Y波导3；光纤环圈4；第二耦合器5；第三耦合器6；自相关仪7；第四耦合器8；色散补偿光纤9；光谱仪10；高速示波器11。被动锁模光纤激光器光源发出的光经第一耦合器后输出给Y波导，Y波导输出给光纤环圈，经过光纤环圈后输出的光通过第二耦合器后分为两路，其中，第一路光通过第三耦合器后再分为两路，分别为第三路光和第四路光，第三路光输出给自相关仪，自相关仪用于观察脉冲光的脉冲宽度，第四路光通过第四耦合器后再分为两路，分别为第五路光和第六路光，第五路光输出给光谱仪，通过光谱仪测得宽带光源全光路光谱对称性的提高情况，第六路光输出给高速示波器，同时，第二路光通过色散补偿光纤后也输出给高速示波器，所述高速示波器的作用是：将陀螺全光路光谱变化映射成时间变化，实现在线实时测量，实现时间拉伸色散傅里叶变换，从而获取陀螺全光路的光谱变化参数。
步骤3、利用时间拉伸色散傅里叶变换测量系统，对光纤陀螺全光路光谱演化情况分别进行实时测量、长期稳定性测量和变温测量，并根据测量结果构建光谱演化曲线，见图3。
步骤4、将光谱演化曲线作为可调滤波器参数输入到光纤陀螺的可调滤波器对ASE光源谱形进行整形优化，包括光谱平坦度的、不同波长位置处光能量的改善等，实现对全光路光谱变化的补偿，其中滤波参数主要包括陀螺光路光谱传输变化和掺铒光纤宽谱光源原始谱型数据。
图3是基于光谱演化补偿的光纤陀螺结构示意图，主要包括980nm泵源12；波分复用器 WDM13；掺铒光纤14；反射镜15；滤波器16；隔离器17；耦合器18；Y波导19；光纤环圈20；探测器21；全光路光谱演化曲线22；逻辑线路23。光从泵源输出后，通过波分复用器进入掺饵光纤，利用反射镜形成双程后向宽谱光，利用可调滤波器对光源谱型进行整形优化，然后通过隔离器进入陀螺光路，首先进入耦合器，通过耦合器输出端进入Y波导，并在光纤环圈中分束形成干涉光信号，并再次通过Y波导和耦合器进入探测器，实现光谱演化补偿的光纤陀螺转速测量。
步骤5、对补偿后的光纤陀螺标度因数综合误差进行测量。测量系统包括带转台的温箱 24；光纤陀螺25；测试系统26、信号传输线缆27。
本发明所述的时间拉伸色散傅里叶变换技术，原理简单、操作方便，适合高精度光纤陀螺光谱演化测量。色散傅里叶变换技术的原理是：
式中，u是光脉冲的电场强度，ω0/2π是光脉冲的中心频率，z是传播距离，即色散补偿光纤的长度，β2是二阶色散系数，T是脉冲参考系中群速度传播的时间。通过色散傅里叶变换可以在频域与时域之间建立一一对应的映射关系，从而获取光纤陀螺全光路光谱的实时演化信息。
将光纤陀螺的掺铒ASE光源替换成被动锁模光纤激光器，在陀螺光路中输入脉冲光束，将光纤环圈一端与Y波导连接，另一端与光谱测量系统连接，分别根据光纤陀螺标度因数长期稳定性要求对陀螺全光路光谱开展实时、长期和变温测量。
将光纤陀螺光谱演化曲线作为滤波参数对掺铒光纤光源谱形进行整形和优化，通过光源谱形预补偿降低陀螺光路对光谱传输的影响，提高光信号在光纤环圈以及返回探测器之前的光谱对称性。光纤陀螺标度因数误差公式：
式中，
和Δλ分别表示光源平均波长及其变化量，L和D分别表示光纤环圈长度和直径。光源平均波长以功率谱密度作为加权因子，定义为：
通过光谱演化补偿技术可以提高光信号的对称性，从而提高光信号平均波长的稳定性，继而抑制光纤陀螺标度因数误差。
图4是光纤陀螺标度因数测量系统示意图。将光纤陀螺仪通过安装夹具固定在温箱内速率转台上，设置角速率档如下：0°/s、±0.1°/s、±1°/s、±5°/s、±10°/s、±50°/s、±100°/s、±150°/s、±200°/s、±250°/s、±300°/s。正反转遍历所有设定速率档位，每个档位待输出角速率稳定后，利用测试系统记录陀螺仪输出，计算光纤陀螺标度因数综合误差。
为了抑制光纤陀螺的标度因数误差，通常的技术手段包括：提高光源的平均波长稳定性、优化光纤陀螺总成工艺(光纤环固化胶吸收、光纤环尺寸变化、采用激光焊接环圈组件)。本发明提出的基于光谱演化补偿的光纤陀螺标度因数误差抑制技术，是在传统技术手段的研究基础之上，从光纤陀螺全光路的角度出发，深层次地提高光纤陀螺标度因数品质，本方法也有助于针对光源相对强度噪声的变化建立准确可量化的描述模型。本发明所述的光谱演化测量补偿方法融合了光谱动力学、陀螺工程光学等新技术手段，在光纤陀螺研究领域具有重要的应用价值。
综上，本发明提出一种降低高精度光纤陀螺标度因数综合误差的新技术，通过对光纤陀螺全光路光谱传输变化及其影响因素建立的标度因数模型研究，提高全光路光谱的对称性，以增强标度因数的长期稳定性，使船用高精度长航时光纤陀螺的标度因数误差小于1ppm。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (3)
1.一种基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采用被动锁模光纤激光器替换高精度光纤陀螺的掺铒光纤光源，作为时间拉伸色散傅里叶变换技术的测量基础；
步骤2、搭建时间拉伸色散傅里叶变换测量系统；
步骤3、利用时间拉伸色散傅里叶变换测量系统，对光纤陀螺全光路光谱演化情况分别进行实时测量、长期稳定性测量和变温测量，并根据测量结构构建光谱演化曲线；
步骤4、将光谱演化曲线作为可调滤波器参数输入到光纤陀螺的可调滤波器对ASE光源谱形进行整形优化，实现对全光路光谱变化的补偿；
步骤5、补偿后的光纤陀螺标度因数综合误差进行测量。
2.根据权利要求1所述的基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，其特征在于：步骤1中，被动锁模光纤激光器括波分复用器WDM、掺铒光纤、980nm泵源、基于二维材料的可饱和吸收体、单向滤波器、偏振控制器、耦合器和单模光纤；
泵源发出的光输入到波分复用器WDM后被分为两路，第一路光传输给掺铒光纤，第二路光传输给基于二维材料的可饱和吸收体，经二维材料的可饱和吸收体输出的光，先后通过单向滤波器和偏振控制器，分别进行滤波和内偏振态的调整，然后第一路光和第二路光通过耦合器后，最后通过单模光纤输出给光纤陀螺。
3.根据权利要求1所述的基于光谱演化补偿技术的光纤陀螺标度因数误差抑制方法，其特征在于：步骤2中，时间拉伸色散傅里叶变换测量系统包括被动锁模光纤激光器光源、第一耦合器、Y波导、光纤环圈、第二耦合器、第三耦合器、自相关仪、第四耦合器；色散补偿光纤；光谱仪；高速示波器；被动锁模光纤激光器光源发出的光经第一耦合器后输出给Y波导，Y波导输出给光纤环圈，经过光纤环圈后输出的光通过第二耦合器后分为两路，其中，第一路光通过第三耦合器后再分为两路，分别为第三路光和第四路光，第三路光输出给自相关仪，第四路光通过第四耦合器后再分为两路，分别为第五路光和第六路光，第五路光输出给光谱仪，第六路光输出给高速示波器，同时，第二路光通过色散补偿光纤后也输出给高速示波器。
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| CN114942035B (zh) | 2024-06-21 |
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