CN115574801B - 一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺 - Google Patents

一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺，通过应用低噪声的波分复用光路及对应的频分复用电路实现陀螺的低噪声，波分复用光路和对应的频分复用电路可以抑制光纤陀螺敏感信号中含有的共模误差，实现光纤陀螺输出的低噪声，提高陀螺的准确性。

Description

一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，具有精度高、全固态、高可靠等优点，广泛应用于飞机、舰艇、战术装备中。
光纤陀螺仪检测的准确相移
Figure 247006DEST_PATH_IMAGE001
和敏感到的转速Ω的关系可表示为：
Figure 616676DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 865255DEST_PATH_IMAGE003
为平均波长，L为光纤环圈长度，D为光纤环圈直径，c表示光速。由上式可 知，通过增加光纤长度L，光纤环圈直径D可提高陀螺的精度，即在相同的可检测的极低的准 确相移
Figure 463726DEST_PATH_IMAGE004
的前提下，敏感到极低的转速输入；同时，在相同L、D的情况下，不同波长对应的同 一转速下的准确相移
Figure 488883DEST_PATH_IMAGE005
也不同。
高精度光纤陀螺由于采用长光纤L、大直径D光纤环圈设计，容易受到外界环境变化的影响，尤其是温度变化带来的影响。温度变化引起的光纤环圈膨胀收缩、光纤应力、消光比变化等导致的误差信号(L、D的变化)与外界输入转速Ω不可区分，增大陀螺噪声，降低陀螺性能。通过其他不同于增大光纤环圈长度L及光纤环圈直径D的方式提高光纤陀螺的精度是亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺，实现对光纤陀螺共模误差的消除，提高光纤陀螺精度和可靠性。
本发明提供一种基于波分频分复用的降低噪声的方法，包括如下步骤：
S1. C+L波段ASE光源发出含有C波段与L波段信息的光信号；
S2. 步骤S1的光信号依次进入光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导；
S3.步骤S2的Y波导输出的两束光信号进入光纤环圈，并在光纤环圈中沿顺、逆时针方向反向传播敏感外界角速度输入形成干涉光信号；
S4.步骤S3的干涉光信号在Y波导中合光，依次传入保偏光纤耦合器、密集波分复用器及C波段探测器及L波段探测器，C波段探测器及L波段探测器将干涉光信号转换为电信号；
S5.将步骤S4中C波段探测器及L波段探测器的电信号由A/D转换模块进行模数转换，转换后进入调制解调模块进行处理；
S6.多频率产生模块生成C波段与L波段的光信号的本征频率，并传递给步骤S5的 调制解调模块，解调出C波段的解调相移
Figure 780187DEST_PATH_IMAGE006
与L波段的解调相移
Figure 250483DEST_PATH_IMAGE007
，并通过公式
Figure 918225DEST_PATH_IMAGE008
得到陀螺实际转速
Figure 305213DEST_PATH_IMAGE009
，
其中，
Figure 501839DEST_PATH_IMAGE010
为C波段光信号平均波长，
Figure 725010DEST_PATH_IMAGE011
为L波段光信号平均波长，L为光纤环圈长 度，D为光纤环圈直径，c表示光速。
根据本发明提供的步骤S6步骤还包括如下步骤：
S601.调制解调模块将C波段的解调相移
Figure 681596DEST_PATH_IMAGE006
与L波段的解调相移
Figure 673822DEST_PATH_IMAGE007
通过反馈信号 的形式输出给D/A转换模块进行数模转换；
S602.步骤S601转换后电压信号输入Y波导模值电压驱动模块，经Y波导模值电压驱动模块处理后，传递给光纤环圈。
根据本发明提供的步骤S602的Y波导模值电压驱动模块处理为滤波和/或放大。
本发明还提供一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，包括波分复用光路及频分复用电路，
所述波分复用光路包括：C+L波段ASE光源、光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导、光纤环圈、密集波分复用器、C波段探测器及L波段探测器，
所述C+L波段ASE光源发出含有C波段光信号及L波段光信号，光信号依次进入光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导，由Y波导输出的两束光信号进入光纤环圈，并在光纤环圈中沿顺、逆时针方向反向传播敏感外界角速度输入形成干涉光信号，干涉光信号在Y波导中合光，依次传入保偏光纤耦合器、密集波分复用器，由C波段探测器及L波段探测器将干涉光信号转换为电信号，
所述频分复用电路包括：A/D转换模块、多频率产生模块、调制解调模块、Y波导模值电压驱动模块、D/A转换模块、数据处理及输出模块，
C波段探测器及L波段探测器转换的含有干涉信号和误差信号的输入电信号由A/D 转换模块进行模数转换，转换后进入调制解调模块进行处理，在多频率产生模块产生C波段 及L波段光信号的本征频率，并传递给调制解调模块，解调出C波段的解调相移
Figure 572508DEST_PATH_IMAGE012
与L波段 的解调相移
Figure 282975DEST_PATH_IMAGE013
，并分别传递给数据处理及输出模块及D/A转换模块，数据处理及输出模块 计算出陀螺实际转速
Figure 276208DEST_PATH_IMAGE009
，D/A转换模块进行数模转换，并将转换后电压信号经Y波导模值电 压驱动模块处理后，传递给光纤环圈。
根据本发明提供的所述数据处理及输出模块通过公式
Figure 122941DEST_PATH_IMAGE014
得到陀螺实际转速
Figure 926949DEST_PATH_IMAGE009
，
其中，
Figure 124712DEST_PATH_IMAGE010
为C波段光信号平均波长，
Figure 154592DEST_PATH_IMAGE011
为L波段光信号平均波长，L为光纤环圈长 度，D为光纤环圈直径，c表示光速。
根据本发明提供的所述C+L波段ASE光源为宽谱光源。
根据本发明提供的所述光纤隔离器为单向隔离器。
根据本发明提供的所述Y波导为宽谱Y波导。
根据本发明提供的所述C波段波长为1545nm，L波段波长为1610nm。
根据本发明提供的所述光纤环圈长度为17.3km，直径为260mm。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明中应用低噪声的波分复用光路及对应的频分复用电路实现陀螺的低噪声，波分复用光路和对应的频分复用电路可以抑制光纤陀螺敏感信号中含有的共模误差，实现光纤陀螺输出的低噪声，提高陀螺的准确性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的波分复用光路示意图；
图2是本发明实施例提供的频分复用电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
本发明提供了一种基于波分频分复用的降低噪声的方法及光纤陀螺。
图1是本发明实施例提供的波分复用光路示意图，如图1所示，该波分复用光路包括：
C+L波段ASE光源：可产生平均波长在C波段和L波段的两种输入光波长。由于C波段和L波段这两个传输窗口的传输损耗最小，所以在密集波分复用器DWDM系统中信号光通常选择C波段和L波段。根据密集波分复用器DWDM和高精密波长探测器的限制，本实施例中C波段平均波长为1545nm，L波段平均波长为1610nm，采用ASE光源采用宽谱ASE光源的3db带宽为80nm；
光纤隔离器，本例中选用单向隔离器：单向导通从C+L波段ASE光源到起偏器方向的光信号，隔离保偏耦合器经过起偏器输入的返回光信号，以保证光源的稳定性及谱纯度，本实施例中隔离度达到了50dB，其它指标如插入损耗(低于0.5 dB)及偏振相关损耗(低于0.2 dB)较小即可；
光纤起偏器：实现全保偏光路的关键器件，将隔离器输出的光信号转换成偏振光，具有极高偏振消光比，确保低噪声光纤陀螺仪具有极高消光比的全保偏光路，抑制光纤陀螺光路偏振相关噪声，本实施例中光纤起偏器的消光比优于28dB；
保偏光纤耦合器：实现全保偏光路的器件，实现偏振光耦合器、分光以及复用，保偏耦合器搭建极高消光比的全保偏光路，抑制光纤陀螺光路偏振相关噪声，实现光纤陀螺低偏振相关噪声，本实施例中保偏光纤耦合器的消光比优于28dB；
Y波导：大尺寸、高消光比Y波导是实现高消光比的全保偏光路的关键，也是高速闭环反馈的反馈通道，本实施例中采用的大尺寸、高消光比Y波导芯片消光比可达到80dB，确保了干涉光路偏振相关噪声的抑制，采用宽谱Y波导以保证C波段和L波段光信号的传输。
采用长光纤大尺寸的光纤环圈：本实施中，光纤环圈L达到17.3km，直径D为260mm；
密集波分复用器(DWDM)：本实施例中，该器件用于分离出C波段平均波长为1545nm，L波段平均波长为1610nm；当然，在其它的实施过程中，选择密集波分可以分离出更多的波长信息，如O波段、S波段、C波段、L波段、U波段波长信息。
波长探测器：本实施例中，两个该类型器件分布将C波段平均波长为1545nm及L波段平均波长为1610nm的含有干涉信息及误差信息的光信号转换为电信号。当然，在其它实施过程中，更加前面密集波分复用输出的不同波长选择不同的波长探测器，本例中选用C波段探测器及L波段探测器。
C+L波段ASE光源发出含有C波段及L波段信息的光信号，光信号依次进入光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导，由Y波导输出的两束光信号进入光纤环圈，并在光纤环圈中沿顺、逆时针方向反向传播敏感外界角速度输入形成干涉光信号，干涉光信号在Y波导中合光，依次传入保偏光纤耦合器、密集波分复用器，由C波段探测器及L波段探测器将干涉光信号转换为电信号。
图2是本发明实施例提供的频分复用电路示意图，如图2所示，该频分电路包括：
A/D转换模块：将2个波长探测器转换的C波段1545nm及L波段1610nm含有干涉信息和误差信息的模拟电信号转换为数字信号，本实施例中，该模块含有2个高速并行A/D转换模块AD9245；
多频率产生模块：本实施实例中，由于采用C波段1545nm及L波段1610nm两个波段，只参数该波段下光纤陀螺对应的本征频率即可。
实际实施过程中，可通过相关本征频率测试方法获得不同波长下准确的本征频率，并由多频率产生模块产生对应的本征频率。
调制解调模块接收A/D转换模块及多频率产生模块的信号，本实施例中，在C波段、 L波段对应的本征频率下进行调制与解调，获得C波段调制相移
Figure 121411DEST_PATH_IMAGE006
和L波段调制相移
Figure 361899DEST_PATH_IMAGE007
，生 成反馈信号
Figure 30647DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 116415DEST_PATH_IMAGE016
输入给D/A转换模块进行数模转换后由Y波导进行调制，同时将C波段 调制相移
Figure 937740DEST_PATH_IMAGE006
和L波段调制相移
Figure 349130DEST_PATH_IMAGE007
传递数据处理及输出模块。
D/A转换模块，本实施例中，在本征频率下进行反馈信号的数模转换。
Y波导模值电压驱动模块，本实施例中，本模块实现两个本征频率下两个频率、两 种幅度(不同波长下2π电压不同)调制信号生成，实现反馈信号
Figure 6638DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 896097DEST_PATH_IMAGE018
的光路反馈，陀螺 闭环。
共模误差去除方法：在数据处理及输出模块中，得到由调制解调模块输出的C波段 调制相移
Figure 571929DEST_PATH_IMAGE019
和L波段调制相移
Figure 403488DEST_PATH_IMAGE013
，C波段准确相移
Figure 797560DEST_PATH_IMAGE020
含有C波段共模误差相移
Figure 490709DEST_PATH_IMAGE021
信息及C波 段调制相移
Figure 755469DEST_PATH_IMAGE019
， L波段准确相移
Figure 262323DEST_PATH_IMAGE022
含有L波段共模误差相移
Figure 143691DEST_PATH_IMAGE023
信息及L波段调制相移
Figure 640532DEST_PATH_IMAGE013
。
Figure 290956DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 198738DEST_PATH_IMAGE025
。
由于C波段共模误差相移
Figure 301823DEST_PATH_IMAGE026
与L波段共模误差相移
Figure 336775DEST_PATH_IMAGE027
产生的时间和环境相同，故
Figure 858018DEST_PATH_IMAGE028
，将C波段与L波段的准确相移相减，去掉共模误差，并通过公式
Figure 421854DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 277815DEST_PATH_IMAGE029
为准确相移，
Figure 116458DEST_PATH_IMAGE030
为平均波长，L为光纤环圈长度，D为光纤环圈直径，c表示光 速。
Figure 725162DEST_PATH_IMAGE031
Figure 991059DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 68736DEST_PATH_IMAGE010
为C波段平均波长，
Figure 711070DEST_PATH_IMAGE011
为L波段平均波长，Ω为陀螺实际转速。通过上述公 式便可以得到陀螺的实际转速。
本发明中应用低噪声的波分复用光路及对应的频分复用电路实现陀螺的低噪声，波分复用光路和对应的频分复用电路可以抑制光纤陀螺敏感信号中含有的共模误差，实现光纤陀螺输出的低噪声，提高陀螺的准确性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于波分频分复用的降低噪声的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. C+L波段ASE光源发出含有C波段与L波段信息的光信号；
S2. 步骤S1的光信号依次进入光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导；
S3.步骤S2的Y波导输出的两束光信号进入光纤环圈，并在光纤环圈中沿顺、逆时针方向反向传播敏感外界角速度输入，形成干涉光信号；
S4.步骤S3的干涉光信号在Y波导中合光后，依次传入保偏光纤耦合器、密集波分复用器及C波段探测器及L波段探测器，C波段探测器及L波段探测器将干涉光信号转换为电信号；
S5.将步骤S4中C波段探测器及L波段探测器的电信号由A/D转换模块进行模数转换，转换后进入调制解调模块进行处理；
S6.多频率产生模块生成C波段与L波段的光信号的本征频率，并传递给步骤S5的调制解调模块，解调出C波段的解调相移
Figure QLYQS_1
与L波段的解调相移
Figure QLYQS_2
，并通过公式
Figure QLYQS_3
得到陀螺实际转速
Figure QLYQS_4
，
其中，
Figure QLYQS_5
为C波段光信号平均波长，
Figure QLYQS_6
为L波段光信号平均波长，L为光纤环圈长度，D为光纤环圈直径，c表示光速。
2.根据权利要求1所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的方法，其特征在于，步骤S6步骤还包括如下步骤：
S601.调制解调模块将C波段的解调相移
Figure QLYQS_7
与L波段的解调相移
Figure QLYQS_8
通过反馈信号的形式输出给D/A转换模块进行数模转换；
S602.步骤S601转换后电压信号输入Y波导模值电压驱动模块，经Y波导模值电压驱动模块处理后，传递给光纤环圈。
3.根据权利要求2所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的方法，其特征在于，步骤S602的Y波导模值电压驱动模块处理为滤波和/或放大。
4.一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，包括波分复用光路及频分复用电路，
所述波分复用光路包括：C+L波段ASE光源、光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导、光纤环圈、密集波分复用器、C波段探测器及L波段探测器，
所述C+L 波段ASE 光源发出含有C 波段光信号及L 波段光信号，光信号依次进入光纤隔离器、光纤起偏器、保偏光纤耦合器、Y波导，由Y波导输出的两束光信号进入光纤环圈，并在光纤环圈中沿顺、逆时针方向反向传播敏感外界角速度输入形成干涉光信号，干涉光信号在Y波导中合光，依次传入保偏光纤耦合器、密集波分复用器，由C波段探测器及L波段探测器将干涉光信号转换为电信号，
所述频分复用电路包括：A/D转换模块、多频率产生模块、调制解调模块、Y波导模值电压驱动模块、D/A转换模块、数据处理及输出模块，
C波段探测器及L波段探测器转换的含有干涉信号和误差信号的输入电信号由A/D转换模块进行模数转换，转换后进入调制解调模块进行处理，在多频率产生模块产生C波段及L波段光信号的本征频率，并传递给调制解调模块，解调出C波段的解调相移
Figure QLYQS_9
与L波段的解调相移
Figure QLYQS_10
，并分别传递给数据处理及输出模块及D/A转换模块，数据处理及输出模块计算出陀螺实际转速
Figure QLYQS_11
，D/A转换模块进行数模转换，并将转换后电压信号经Y波导模值电压驱动模块处理后，传递给光纤环圈，所述数据处理及输出模块通过公式
Figure QLYQS_12
得到陀螺实际转速
Figure QLYQS_13
，
其中，
Figure QLYQS_14
为C波段光信号平均波长，
Figure QLYQS_15
为L波段光信号平均波长，L为光纤环圈长度，D为光纤环圈直径，c表示光速。
5.根据权利要求4所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，所述C+L波段ASE光源为宽谱光源。
6.根据权利要求4所述的种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，所述光纤隔离器为单向隔离器。
7.根据权利要求4所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，所述Y波导为宽谱Y波导。
8.根据权利要求4所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，所述C波段光信号的波长为1545nm，L波段光信号的波长为1610nm。
9.根据权利要求4所述的一种基于波分频分复用的降低噪声的光纤陀螺，其特征在于，所述光纤环圈长度为17.3km，直径为260mm。
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