CN116207594A - 一种基于光纤陀螺仪的光纤光源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤陀螺仪的光纤光源以及其控制方法，光纤光源包括双程前向模块和后向模块；双程前向模块包括光纤环形器、第一波分复用器、第一泵浦源、第一掺铒光纤、第一隔离器和第一光纤光栅；后向模块包括第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二泵浦源、第二隔离器和第二光纤光栅，通过采用双程前向模块和后向模块组合的方式，充分利用双程前向结构高增益和单程后向结构的高稳定性能优点，可以最终获得波长范围可控的C+L波段超宽谱激光光束，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求，有利于提高超高精度光纤陀螺的零偏稳定性，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求。

Description

一种基于光纤陀螺仪的光纤光源及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于光纤陀螺仪的光纤光源及其控制方法。

背景技术

光纤陀螺和以光纤陀螺为核心的惯性测量产品已广泛应用于航海、航空、航天、兵器、能源等各个领域。超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。这两方面误差与光源光谱以及光谱在光纤光路中的传输规律有很大的相关性。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。其中，光纤陀螺仪检测的Sagnac相移Φ_s和输入的转速Ω的关系可表示为：

其中，

为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，C为真空中光速。可以看出，Sagnac相位差与敏感转速的光波长直接相关。

在超高精度的光纤陀螺设计中，为了抑制敏感环路中相干特性的漂移，一般采用低时间相干性的宽谱光源。宽谱光源发出的光中包含了多种波长分量，由(1)式可知，每个波长的光都对应着一个Sagnac相位差，一般来说，最终检测并输出的Sagnac相位差是各波长分量对应的Sagnac相位差的平均值，即：

式(2)中，A_SFO为光纤陀螺的光学标度因数，在光纤陀螺的研究和测试中，一般认为宽谱光源发光的平均波长即为(1)式中的平均波长，宽谱光源的平均波长通过将光谱P(λ)作为加权因子进行加权平均得到，即

再结合(2)可知，平均波长的变化直接影响超高精度光纤陀螺的标度因数。

通常，为了提高超高精度光纤陀螺的零偏稳定性，采用宽谱光纤光源，但宽谱光纤光源随着谱宽的增加，其波长稳定性和谱型不对称性开始恶化，对超高精度光纤陀螺的零偏稳定性和标度产生影响极，使得超高精度光纤陀螺的标度因数性能难以满足使用需求。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤陀螺仪的光纤光源及其控制方法，该光纤光源的波长和谱型实时可控，极大了改善了光纤陀螺仪用的光纤光源的性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于光纤陀螺仪的光纤光源，光纤光源包括双程前向模块和后向模块；

所述双程前向模块包括光纤环形器、第一波分复用器、第一泵浦源、第一掺铒光纤、第一隔离器和第一光纤光栅；所述后向模块包括第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二泵浦源、第二隔离器和第二光纤光栅；

所述第一波分复用器的第一端与所述光纤环形器连接，所述第一波分复用器的第二端与所述第一泵浦源的激发光输出端连接，所述第一波分复用器的第三端与所述第一掺铒光纤的第一端连接，所述第一掺铒光纤的第二端与所述第一隔离器的输入端连接，所述第一隔离器的输出端与所述第一光纤光栅的第一端连接，所述第一光纤光栅的第二端与所述第二掺铒光纤的第一端连接，所述第二掺铒光纤的第二端与所述第二波分复用器的第一端连接，所述第二波分复用器的第二端与所述第二泵浦源的激发光输出端连接，所述第二波分复用器的第三端与所述第二隔离器的输入端连接，所述第二隔离器的输出端与所述第二光纤光栅的第一端连接，所述第二光纤光栅的第二端为激光输出端；所述激光输出端用于输出光纤陀螺仪用的激光光束。

可选的，还包括波长控制模块；所述波长控制模块包括耦合器、F-P可调谐滤波器、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、光电探测器、A/D转化器、控制单元、第一D/A转化器、第二D/A转化器、压电陶瓷驱动单元、F-P滤波驱动单元；所述第一压电陶瓷包覆所述第一光纤光栅的侧壁，所述第二压电陶瓷包覆所述第二光纤光栅的侧壁；

所述耦合器的第一端与所述第二隔离器的输出端连接，所述耦合器的第二端与所述第二光纤光栅的第一端连接，所述耦合器的第三端与所述F-P可调谐滤的光信号输入端连接，所述F-P可调谐滤波器的光信号输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与所述A/D转化器的信号输入端连接，所述A/D转化器的信号输出端与与所述控制单元的信号输入端连接，所述控制单元的第一压电信号输出端与所述第一D/A转化器的输入端连接，所述第一D/A转化器的输出端与所述F-P滤波驱动单元的输入端连接，所述F-P滤波驱动单元的驱动信号输出端与所述F-P可调谐滤波器的驱动信号输入端连接；所述控制单元的第二压电信号输出端与所述第二D/A转化器的输入端连接，所述第二D/A转化器的输出端与所述压电陶瓷驱动单元的输入端连接，所述压电陶瓷驱动单元的驱动信号输出端分别与所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷连接。

可选的，所述F-P可调谐滤波器的透射谱的3dB带宽小于所述第二光纤光栅的反射谱的3dB带宽。

可选的，所述第二掺铒光纤的光纤长度大于所述第一掺铒光纤的光纤长度；所述第二掺铒光纤中铒元素的掺杂浓度大于所述第一掺铒光纤中铒元素的掺杂浓度。

可选的，所述第二泵浦源的光功率大于所述第一泵浦源的光功率。

可选的，所述控制单元还分别与所述第一泵浦源和所述第二泵浦源连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法，用于控制第一方面提供的光纤光源，该控制方法包括：

确定光纤陀螺仪用的第一激光光束的激光参数；所述激光参数包括中心波长和光谱线宽；

根据所述激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出所述第一激光光束；其中，所述泵浦光参数包括泵浦光中心波长和泵浦光功率。

可选的，根据所述激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出所述第一激光光束之后，还包括：

接收光电探测器的输出功率；

根据所述输出功率以及F-P可调谐滤波器透射谱的中心波长驱动模型的对应关系，控制F-P滤波驱动单元调节所述F-P可调谐滤波器的腔长；

当所述F-P可调谐滤波器的透射谱中心波长与所述第二光纤光栅的反射谱中心波长重合时，确定所述第一激光光束的第一中心波长。

可选的，确定所述第一激光光束的第一中心波长之后，还包括：

根据所述第一中心波长与环内中心波长的比较结果，控制激光输出端输出的所述第一激光光束的所述第一中心波长切换至所述环内中心波长；

其中，所述环内中心波长为所述光纤陀螺仪敏感环内的激光光束的中心波长。

可选的，所述波长控制模块还包括温度检测单元，所述温度检测单元与所述控制单元连接；

根据所述第一中心波长与环内中心波长的比较结果，控制激光输出端输出的所述第一激光光束的所述第一中心波长切换至所述环内中心波长之后，还包括：

接收温度检测单元输出的当前工作状态下光纤陀螺仪敏感环的工作温度；

根据所述工作温度和温度补偿模型的比较结果，控制所述激光输出端输出与当前所述工作温度对应的补偿光束；

其中，所述光纤陀螺仪敏感环的输入端与所述激光输出端连接；所述温度补偿模型指的是所述光纤陀螺仪敏感环的工作温度与环内激光光束的中心波长的对应关系。

本发明示例提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源，通过采用双程前向模块和后向模块组合的方式，充分利用双程前向结构高增益和单程后向结构的高稳定性能优点，可以最终获得波长范围可控的C+L波段超宽谱激光光束，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求，有利于提高超高精度光纤陀螺的零偏稳定性，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求。

附图说明

图1是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的结构示意图；

图2是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的模块示意图；

图3是图2提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的结构示意图；

图4是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法示意图；

图5是本申请提供的另一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法示意图；

图6是图3的一种基于光纤陀螺仪用C+L超宽谱光纤光源闭环电路图；

图7是采用C+L波段光纤光源的超高精度光纤陀螺补偿原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的光路示意图。结合图1所示，本发明实施例提供了一种基于光纤陀螺仪的光纤光源，该光纤光源包括双程前向模块10和后向模块20；双程前向模块10包括光纤环形器11、第一波分复用器12、第一泵浦源13、第一掺铒光纤14、第一隔离器15和第一光纤光栅16；后向模块20包括第二掺铒光纤21、第二波分复用器22、第二泵浦源23、第二隔离器24和第二光纤光栅25。

第一波分复用器12的第一端1与光纤环形器11连接，第一波分复用器12的第二端2与第一泵浦源13的激发光输出端连接，第一波分复用器12的第三端3与第一掺铒光纤14的第一端1连接，第一掺铒光纤14的第二端2与第一隔离器15的输入端连接，第一隔离器15的输出端与第一光纤光栅16的第一端1连接，第一光纤光栅16的第二端2与第二掺铒光纤21的第一端1连接，第二掺铒光纤21的第二端2与第二波分复用器22的第一端1连接，第二波分复用器22的第二端2与第二泵浦源23的激发光输出端连接，第二波分复用器22的第三端3与第二隔离器24的输入端连接，第二隔离器24的输出端与第二光纤光栅25的第一端2连接，第二光纤光栅25的第二端3为激光输出端B；激光输出端B用于输出光纤陀螺仪用的激光光束。

示例性的，以光纤光源输出C波段+L波段的宽光谱激光光束为例，C波段为1530nm～1565nm，L波段为1530nm～1625nm。其中，图1中：

A点左端光路为双程前向受控设计，第一泵浦源13可以采用980nm泵浦光器，产生980nm波段激光光源。第一波分复用器12采用2×1通道波分复用器，第一泵浦源13产生的激光经第一波分复用器12注入第一掺铒光纤14中(前向)及光纤环型器11中(后向)。沿前向的激光通过第一掺铒光纤14产生放大的自发辐射信号，沿后向的激光经光纤环形器11反射后再次通过第一掺铒光纤14放大。其中，光纤环形器11具有全反射镜作用，反射后向激光，可以实现单根光纤内双向光信号传输。第一隔离器15可以单向导通第一掺铒光纤14输出的前向C波段光，起到隔离反射光的作用，因而可以在A点获得高增益激光输出。

A-B之间的光路为单程后向受控设计，第二泵浦激光器23也可以采用980nm泵浦光器，产生980nm波段激光光源。第二波分复用器22采用1×2通道波分复用器，第二泵浦激光器23产生的激光经第二波分复用器22注入第二掺铒光纤21中，在第二掺铒光纤21中，沿前向(从A往B方向)和后向(从B往A方向)2个方向产生放大的自发辐射信号；前向光由第二隔离器24输出，后向光为无用光，由于输出光相对泵浦光是反向的，可以避免光反馈引起的附加噪声。其中，第二隔离器24单向导通第二波分复用器22输出前向光，起到隔离反射光的作用，因而可以在A点获得高稳定性激光输出。

其中，第一泵浦源13和第二泵浦源23包括半导体激光器或光纤激光器，还可以采用1064nm、808nm等波段光源。第一光纤光栅16和第二光纤光栅25均可采用Bragg光纤光栅，在外界应力作用下，第一光纤光栅16的中心波长和应力成线性关系，可以控制C波段光的波长和频率，使得A点输出的C波段光信号符合要求；第二光纤光栅25的中心波长和应力成线性关系，可以控制L波段光的波长和频率，使得B点输出的L波段光信号符合要求。

光纤光栅是圆柱状的波导介质，当其折射率满足传播条件，进入光纤的光波就会沿着特定的方向传播，在满足光纤光栅谐振条件的情况下，光波就会在光纤的栅区进行模式耦合，光纤光栅会使满足光栅布拉格(Bragg)规律的光反射回去，其余波段的光会透射出去，利用该结构特性，可以对进入光纤的光波进行波长选择。由于C波段光信号和L波段光信号的中心波长和频率受光纤光栅控制，通过合理设置第一光纤光栅16和第二光纤光栅25的光栅参数，例如光栅周期，可以实现对A点的C波段光信号的波长选择以及对B点的C波段光信号和L波段光信号的波长选择，最终在B点获得波长范围可控的C+L波段超宽谱激光光束。

综上，本申请实施例提供的基于光纤陀螺仪用的光纤光源，通过采用双程前向模块和后向模块组合的方式，充分利用双程前向结构高增益和单程后向结构的高稳定性能优点，可以最终获得波长范围可控的C+L波段超宽谱激光光束，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求，该光路设置，有利于提高超高精度光纤陀螺的零偏稳定性，满足超高精度光纤陀螺的标度因数性能需求。

图2是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的模块示意图；图3是图2提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的结构示意图。结合图2-图3所示，本发明实施例提供的基于光纤陀螺仪用的光纤光源还包括波长控制模块30；波长控制模块30包括耦合器31、F-P可调谐滤波器32、第一压电陶瓷33、第二压电陶瓷34、光电探测器35、A/D转化器36、控制单元37、第一D/A转化器38、第二D/A转化器39、压电陶瓷驱动单元330、F-P滤波驱动单元320。其中，第一压电陶瓷33包覆第一光纤光栅16的侧壁，第二压电陶瓷34包覆第二光纤光栅25的侧壁。

结合图3所示，耦合器31的第一端1与第二隔离器24的输出端连接，耦合器31的第二端2与第二光纤光栅25的第一端1连接，耦合器31的第三端3与F-P可调谐滤波器32的光信号输入端连接，F-P可调谐滤波器32的光信号输出端与光电探测器35的输入端连接，光电探测器35的输出端与A/D转化器36的信号输入端连接，A/D转化器36的信号输出端与控制单元37的信号输入端连接，控制单元37的第一压电信号输出端与第一D/A转化器38的输入端连接，第一D/A转化器38的输出端与F-P滤波驱动单元320的输入端连接，F-P滤波驱动单元320的驱动信号输出端与F-P可调谐滤波器32的驱动信号输入端连接，控制单元37的第二压电信号输出端与第二D/A转化器39的输入端连接，第二D/A转化器39的输出端与压电陶瓷驱动单元330的输入端连接，压电陶瓷驱动单元330的驱动信号输出端分别与第一压电陶瓷33和第二压电陶瓷34连接。

具体的，光电探测器35可以实时监测进入F-P可调谐滤波器32的激光功率，并向A/D转化器36输出携带激光功率的模拟信号。A/D转化器36即模拟数字转换器，或简称ADC，可以将光电探测器35输出的连续的模拟信号转变为离散的数字信号并传输至控制单元37。控制单元37可以采用上位机、控制器、现场可编程逻辑门阵列电路(Field ProgrammableGate Array，FPGA)等，用于实现信号的接收、处理以及控制信号的输出。第一D/A转化器38和第二D/A转化器39即数模转换器，简称DAC，可以将控制单元37输出的数字信号转变成模拟信号，用于驱动压电陶瓷驱动单元330和F-P滤波驱动单元320。其中，第一压电信号和第二压电信号为数字信号。

耦合器31可以采用1×2通道，经第二掺铒光纤2产生的L波段光信号以及A点未激发的C波段光信号经过第二隔离器24、耦合器31后进入第二光纤光栅，部分C+L波段光信号经第二光纤光栅25的第二端2反射后，经耦合器31的第三端3进入F-P可调谐滤波器32，用于激发光的中心波长检测；剩余部分C+L波段光信号经B点输出，作为超高精度光纤陀螺的激光光源。本申请通过合理设置第二光纤光栅25的第二端2的透反比，可以实现部分C+L波段光信号反射，部分C+L波段光信号透射，以满足信号光检测的要求。

其中，F-P可调谐滤波器32即法布里-珀罗滤波器，是一个光学窄带滤波器，可以检测Bragg光纤光栅的中心波长，在宽带光源透射进入F-P腔时，满足相干要求的一定波长的光波干涉最强。F-P腔的腔长受其内部的压电陶瓷控制，本申请通过控制单元37向第一D/A转化器38输出三角波电压信号驱动F-P滤波驱动单元320，从而实现控制F-P可调谐滤波器32的腔长，随着腔长的改变，F-P腔输出波长也会跟着产生变化，相当于F-P可调滤波器32可以对输入进来的光在一定波长范围内扫描。光电探测器35实时采集进入F-P可调谐滤波器32的C+L波段光信号的激光功率，当第二光纤光栅25的反射谱中心波长位置与F-P可调滤波器32的透射谱中心波长位置完全重叠时，F-P可调滤波器32的输出光强达到了最大，光电探测器35采集到最大激光功率，此时F-P可调滤波器32的透射谱中心波长为第二光纤光栅25的反射谱中心波长。

第一光纤光栅15和第二光纤光栅25采用Bragg光纤光栅，Bragg光纤光栅是均匀周期光栅的一种，其对应变有良好的灵敏度。一种中心波长为1530nm的Bragg光纤光栅仿真结果显示，当Bragg光纤光栅在不受应变的情况下，其反射谱为Bragg中心波长1530nm，当光纤光栅受到正方向的轴向应力逐渐变大，其反射光谱会逐渐向右偏移，即反射谱中心波长逐渐增大，当光纤光栅受到负方向的轴向应力逐渐变大，其反射光谱会逐渐向左偏移，即反射谱中心波长逐渐减小。

由于应变作用在光纤光栅上会引起栅格周期发生变化，对光纤光栅的拽拉或者挤压都会让栅区产生形变，会使Bragg光纤光栅的中心波长发生偏移。本申请通过在第一光纤光栅16的侧壁包覆第一压电陶瓷33，第二光纤光栅25的侧壁包覆第二压电陶瓷34，通过控制单元37向第二D/A转化器39输出三角波电压信号驱动压电陶瓷驱动单元330，以控制第一压电陶瓷33作用在第一光纤光栅16的压力，实现对第一光纤光栅16的反射谱中心波长的调节；通过控制单元37向第二D/A转化器39输出三角波电压信号驱动压电陶瓷驱动单元330，以控制第二压电陶瓷34作用在第二光纤光栅25的压力，实现对第二光纤光栅25的反射谱中心波长的调节。

其中，F-P可调谐滤波器32的驱动源的三角波电压信号与其透射光波长之间的关系可预先标定，进而通过测量F-P滤波器32的驱动电压就能计算出这一时刻的第二光纤光栅25的第二端2的反射峰的中心波长。

可选的，继续结合图3所示，控制单元37还分别与第一泵浦源13和第二泵浦源23连接。控制单元37还可以根据第二光纤光栅25的第二端2的反射峰的中心波长控制第一泵浦源13和第二泵浦源23的激光功率。

可选的，继续结合图3所示，设置F-P可调谐滤波器32的透射谱的3dB带宽小于第二光纤光栅25的反射谱的3dB带宽。通常布拉格光纤光栅的反射谱带宽3dB带宽约为0.2nm，由此，设置F-P可调谐滤波器32的透射谱3dB带宽小于0.2nm，通过此设置，能够保证解调精度以及确保光电探测器35可以测量到F-P可调谐滤波器32内的光强。

其中，在光学通信应用中，常用的光谱宽度指定方法是半宽度，这是相同的约定使用的带宽，定义为功率下降不到一半的频率范围(最多为-3dB)。精细度指的是F-P可调谐滤波器的波长分辨能力，其值约等于自由光谱范围值除以透射光谱3dB带宽值。精细度的值越大，说明F-P可调谐滤波器的波长分辨能力越强，设置F-P可调谐滤波器精细度大于或者等于100000，F-P可调谐滤波器的波长调谐范围约30nm。

掺铒光纤指的是掺杂了少量稀土元素铒的光纤，由于L波段光信号的发射和吸收系数小于C波段光信号的发射和吸收系数，可选的，设置第二掺铒光纤21的光纤长度大于第一掺铒光纤14的光纤长度，第二掺铒光纤21中铒元素的掺杂浓度大于第一掺铒光纤14中铒元素的掺杂浓度。

一种可行的实施方式，为了提高L波段光信号的激发效率，设置第二掺铒光纤21的光纤长度为L2＞2L1，第一掺铒光纤14的光纤长度为L1，L2＞2L1；第二掺铒光纤21中铒元素的掺杂浓度为N2，第一掺铒光纤14中铒元素的掺杂浓度为N1，N2＞2N1.

为了进一步提高L波段光信号的激发效率，可选的，设置第二泵浦源23的光功率大于第一泵浦源13。优选的，设置第一泵浦源13的光功率为P1，第二泵浦源23的光功率为P2，P2＞2P1。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法，用于控制上述实施例提供的光纤陀螺仪用的光纤光源。图4是本申请提供的一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法示意图。结合图1和图4所示，本发明实施例提供的控制方法包括：

S101、确定光纤陀螺仪用的第一激光光束的激光参数。

激光参数包括中心波长和光谱线宽。其中，光谱线宽指的是辐射频谱分布曲线上的两上半最大强度点之间的频率宽度，称为谱线宽度或半值宽度，简称谱宽，谱宽所放射的谱量值是其最大值的规定的百分比的波长区。

具体的，结合图1所示，根据光纤陀螺仪的使用要求，确定光纤光源在B点输出的第一激光光束的激光参数，如超高精度光纤陀螺仪采用C+L波段超宽谱范围的第一激光光束，其波长范围为1530nm-1625nm。

S102、根据激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出第一激光光束。

其中，泵浦光参数包括泵浦光中心波长和泵浦光功率。

具体的，结合图1所示，C+L波段光产生过程如下：

控制第一泵浦源13提供的980nm波段泵浦光，第一掺铒光纤14吸收980nm波段泵浦光后在A点产生C波段光信号，经第一隔离器15隔离、经第一光纤光栅16选波后，C波段光信号作为诱导光进入第二掺铒光纤21中。

控制第二泵浦源23提供的980nm波段泵浦光，第二掺铒光纤21吸收980nm波段泵浦光后，产生C波段光信号，此时A点产生的部分C波段光信号与第二掺铒光纤21产生的C波段光信号一起再被第二掺铒光纤21吸收，产生L波段光信号，经第二隔离器24隔离、经第二光纤光栅25选波后，双程前向模块10在A点产生的剩余部分C波段光信号和后向模块20产生的L波段光在B点(激光输出端)输出C+L波段超宽谱激光光束。

在光纤陀螺仪的使用中，通过调控第一泵浦源13和第二泵浦源23的泵浦光中心波长和泵浦光功率以及改变第一光纤光栅16和第二光纤光栅25的光栅参数等，可以调控B点输出的C+L波段超宽谱激光光束的激光参数，如功率大小、波长范围等，使其满足超高精度光纤陀螺仪的使用要求。

在上述实施例的基础上行，结合图2和图3所示，本发明实施例提供的基于光纤陀螺仪用的光纤光源还包括波长控制模块30；波长控制模块30包括耦合器31、F-P可调谐滤波器32、第一压电陶瓷33、第二压电陶瓷34、光电探测器35、A/D转化器36、控制单元37、第一D/A转化器38、第二D/A转化器39、压电陶瓷驱动单元330、F-P滤波驱动单元320。其中，第一压电陶瓷33包覆第一光纤光栅16，第二压电陶瓷34包覆第二光纤光栅25。

图5是本申请提供的另一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法示意图；图6是图3的一种基于光纤陀螺仪用的闭环电路图。结合图2、图3、图5和图6所示，本发明实施例还提供一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法包括：

S201、确定光纤陀螺仪用的第一激光光束的激光参数。

继续结合上述实施例中的图1和图4所述。

S202、根据激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出第一激光光束。

继续结合上述实施例中的图1所述，在A点产生的C波段光信号，作为诱导光进入第二掺铒光纤21中；第二掺铒光纤21在泵浦激光器作用下产生C波段光信号，与A点产生的部分C波段光信号一起再被第二掺铒光纤21吸收，产生L波段光信号，L波段光信号的波长和频率受第二光纤光栅25控制，在B点最终可获得受控的C+L波段超宽谱光纤光源。

S203、接收光电探测器的输出功率。

具体的，结合图2、图3、图5所示，C+L波段光控制过程如下：

光电探测器35实时监测F-P可调谐滤波器32的光信号输出端的光功率信号，并将光功率信号传输至A/D转化器36，A/D转化器36将光电探测器35输出的连续的模拟信号转变为离散的数字信号，并将数字信号传输至控制单元37，控制单元37对接收到的光功率信号解析、存储和处理，其中，控制单元37采用FPGA数字处理电路。

S204、根据输出功率以及F-P可调谐滤波器透射谱的中心波长驱动模型的对应关系，控制F-P滤波驱动单元调节F-P可调谐滤波器的腔长。

其中，F-P可调谐滤波器透射谱的中心波长驱动模型指的是F-P可调谐滤波器的驱动源三角波电压与其透射光波长之间的关系。

控制单元37根据接收到的光功率信号实时输出三角波电压信号，经第一D/A转化器38信号转化后驱动F-P滤波驱动单元320，以控制F-P可调谐滤波器32的腔长，随着腔长的改变，F-P腔输出波长也会跟着产生变化，相当于F-P可调滤波器32可以对输入进来的光在一定波长范围内扫描。

S205、当F-P可调谐滤波器的透射谱中心波长与第二光纤光栅的反射谱中心波长重合时，确定第一激光光束的第一中心波长。

光电探测器35实时采集进入F-P可调谐滤波器32的C+L波段光信号的激光功率，当第二光纤光栅25的反射谱中心波长位置与F-P可调滤波器32的透射谱中心波长位置完全重叠时，光电探测器35探测到的从F-P可调谐滤波器32的输出功率达到最大，此时光电探测器35中的光电二极管的感应电流也最大，由于可以预先设置F-P可调谐滤波器的驱动源三角波电压与其透射光波长之间的关系，通过测量F-P滤波器的驱动电压就能计算出这一时刻的光栅反射峰的中心波长，从而确定激光输出端(B点)输出的第一激光光束的第一中心波长。即此时F-P可调滤波器32的透射谱中心波长为第二光纤光栅25的反射谱中心波长。

可选的，在步骤S204之前，驱动方法还包括：

建立F-P可调谐滤波器的驱动源三角波电压与其透射光波长之间的关系。

S206、根据第一中心波长与环内中心波长的比较结果，控制激光输出端输出的第一激光光束的第一中心波长切换至环内中心波长。

其中，环内中心波长为光纤陀螺仪敏感环内的预设激光光束的中心波长。

在光纤陀螺仪敏感环工作中，本发明实施例提供的光纤光源可以实时闭环控制输出的波长和谱型，使得光纤陀螺仪敏感环内的激光光束的中心波长可控。图6是图3的一种基于光纤陀螺仪用C+L超宽谱光纤光源闭环电路图。结合图3和图6所示，光电探测器35实时转换F-P可调谐滤波器32的输出光强，传入AD转换器进行模数转换，转换后的信号交由FPGA数字处理电路进行处理，FPGA数字处理电路按要求产生驱动第一压电陶瓷33和第二压电陶瓷34所需的三角波信号，第一压电陶瓷33在外界三角波信号的驱动下产生应力，使第一光纤光栅16的中心波长、谱型改变；第二压电陶瓷34在外界三角波信号的驱动下产生应力，使第二光纤光栅25的中心波长、谱型改变。

当第二光纤光栅25的反射谱中心波长与F-P可调谐滤波器32中心波长位置重叠时，F-P可调谐滤波器32输出光强最大。FPGA数字处理电路可计算出当前B点处光纤光源输出的第一激光光束的第一中心波长和谱型，如果不满足预设值要求，则实时调整三角波信号改变第一压电陶瓷33和第二压电陶瓷34的压电陶瓷驱动，从而改变光纤光栅的中心波长和谱型，控制激光输出端(B点)输出的第一激光光束的第一中心波长切换至环内中心波长，F-P可调谐滤波器32检测改变后的光纤光源的中心波长和谱型；当与预设值一致，则不再进行调整。

本申请实施例提供的光纤光源，通过实时闭环控制激光输出端输出的中心波长和谱型，在压电陶瓷施加的应力作用下，Bragg光纤光栅的中心波长、反射光谱、透射光谱会发生偏移。通过F-P可调谐滤波器对Bragg光纤光栅反射谱进行扫描检测，闭环控制压电陶瓷输出以控制Bragg光纤光栅在C波段、L波段的中心波长和谱型，使得超高精度光纤陀螺用C+L超宽谱光纤光源的波长和谱型实时可控，极大了改善了光纤光源的性能。

在光纤陀螺的研究和测试中发现，在超高精度光纤陀螺敏感环圈受到外界温度变化时，会导致敏感环圈性能发生改变，如温度导致环圈平均波长、透射谱型的变化。研究表明，温度导致的环圈平均波长的变化和温度具有强相关性，结合公式2所示，由于光纤陀螺敏感的角速度Φ和平均波长相关，可以通过建立温度-平均波长模型，主动控制光纤光源输出的平均波长，对模型进行补偿，从而提升陀螺标度因数和零偏性能。图7是采用C+L波段光纤光源的超高精度光纤陀螺补偿原理图。结合图3和图7所示，可选的，波长控制模块还包括温度检测单元(图中未示出)，温度检测单元与控制单元连接，在步骤S205之后，驱动方法还包括：

S207、接收温度检测单元输出的当前工作状态下光纤陀螺仪敏感环的工作温度。

具体的，工作温度即外界温度，在光纤陀螺仪敏感环工作中，温度检测单元实时监测超高精度光纤陀螺敏感环圈当前工作状态下的外界温度，并将监测到的外界温度传输至控制单元，控制单元对接收到的当前工作状态下的外界温度进行处理和存储。

S208、根据工作温度和温度补偿模型的比较结果，控制激光输出端输出与当前工作温度对应的补偿光束。

其中，光纤陀螺仪敏感环的输入端与光纤光源的激光输出端连接；温度补偿模型指的是光纤陀螺仪敏感环的工作温度与环内激光光束的中心波长的对应关系。

具体的，由于外界温度的变化可导致敏感环圈中光纤及环圈中填充胶体的产生形变，导致光纤折射率变化，使得在敏感环圈中传输的光波的平均波长和谱型发生改变，结合公式(2)所示，由于光纤陀螺敏感的角速度Φ和平均波长相关，本申请可通过利用温度及温度变化率参数设定C+L波段光纤光源中F-P滤波器的透射谱中心波长的参数，利用该设定参数，调整C+L波段光纤光源的平均波长输出，补偿敏感环圈温度输入导致的平均波长变化，来提升超高精度光纤陀螺性能。

结合图3和图7所示，例如，敏感环圈的初始工作温度为T₀，敏感环圈入射端的激光入射中心波长为λ₀，而随着外界温度的变化，敏感环圈的工作温度T发生变化，此时光纤陀螺敏感的角速度Φ成正相关变化，入射激光中心波长λ₀不能满足敏感环圈的激光中心波长的要求。

此时，控制单元37基于温度模型的平均波长FPGA补偿逻辑，根据获取到的当前工作状态下的外界温度与已存储的光纤陀螺仪敏感环的工作温度与环内激光光束的中心波长的对应关系，结合F-P可调谐滤波器输出的激光以及保偏光纤光电探测器采集的激光功率，分别调整第一压电陶瓷33和第二压电陶瓷34所需的三角波信号，第一压电陶瓷33和第二压电陶瓷34在外界三角波信号的驱动下产生应力，改变第一光纤光栅16和第二光纤光栅25的中心波长和谱型，使得光纤陀螺敏感的角速度Φ得到补偿后输出，经过温度补偿后，使得光纤光源输出的补偿光束中心波长λ满足当前工作温度对应的中心波长要求，本发明实施例提供的光纤光源本身闭环控制，可提高全温波长稳定性，从而提高陀螺标度因数和零偏性能。

可选的，在步骤S208之前，控制方法还包括：

预先进行光纤陀螺试验测试，获得光纤陀螺仪敏感环的工作温度与环内激光光束的中心波长的对应关系，建立温度补偿模型。

本申请中控制单元可以采用FPGA数字处理电路作为控制核心，控制单元37还分别与第一泵浦源13和第二泵浦源23连接。光纤光源实时闭环控制电路和光纤光源驱动电路相对独立，FPGA数字处理电路通过控制光纤光源驱动电路，控制泵浦激光器的输出功率，控制光纤光源的中心波长和谱型。光纤光源驱动电路分为温度控制部分和功率控制部分，在FPGA数字处理电路的控制下分别对泵浦激光器的温度和输出功率进行控制，以控制光纤光源输出激光的激光参数。

通过上述实施例中对C+L波段超宽谱光纤光源的闭环控制，一方面可以提高光纤光源的性能；另一方面，通过对超高精度光纤陀螺敏感环圈受到温度变化导致的性能变化进行建模，利用C+L波段超宽谱光纤光源闭环控制功能，从光源端积极补偿敏感环圈的性能变化，从而极大的提升了光纤光纤陀螺的标度因数和零偏稳定性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于光纤陀螺仪的光纤光源，其特征在于，包括双程前向模块和后向模块；

所述双程前向模块包括光纤环形器、第一波分复用器、第一泵浦源、第一掺铒光纤、第一隔离器和第一光纤光栅；所述后向模块包括第二掺铒光纤、第二波分复用器、第二泵浦源、第二隔离器和第二光纤光栅；

所述第一波分复用器的第一端与所述光纤环形器连接，所述第一波分复用器的第二端与所述第一泵浦源的激发光输出端连接，所述第一波分复用器的第三端与所述第一掺铒光纤的第一端连接，所述第一掺铒光纤的第二端与所述第一隔离器的输入端连接，所述第一隔离器的输出端与所述第一光纤光栅的第一端连接，所述第一光纤光栅的第二端与所述第二掺铒光纤的第一端连接，所述第二掺铒光纤的第二端与所述第二波分复用器的第一端连接，所述第二波分复用器的第二端与所述第二泵浦源的激发光输出端连接，所述第二波分复用器的第三端与所述第二隔离器的输入端连接，所述第二隔离器的输出端与所述第二光纤光栅的第一端连接，所述第二光纤光栅的第二端为激光输出端；所述激光输出端用于输出光纤陀螺仪用的激光光束。

2.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于，还包括波长控制模块；所述波长控制模块包括耦合器、F-P可调谐滤波器、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、光电探测器、A/D转化器、控制单元、第一D/A转化器、第二D/A转化器、压电陶瓷驱动单元、F-P滤波驱动单元；所述第一压电陶瓷包覆所述第一光纤光栅的侧壁，所述第二压电陶瓷包覆所述第二光纤光栅的侧壁；

所述耦合器的第一端与所述第二隔离器的输出端连接，所述耦合器的第二端与所述第二光纤光栅的第一端连接，所述耦合器的第三端与所述F-P可调谐滤的光信号输入端连接，所述F-P可调谐滤波器的光信号输出端与所述光电探测器的输入端连接，所述光电探测器的输出端与所述A/D转化器的信号输入端连接，所述A/D转化器的信号输出端与所述控制单元的信号输入端连接，所述控制单元的第一压电信号输出端与所述第一D/A转化器的输入端连接，所述第一D/A转化器的输出端与所述F-P滤波驱动单元的输入端连接，所述F-P滤波驱动单元的驱动信号输出端与所述F-P可调谐滤波器的驱动信号输入端连接；所述控制单元的第二压电信号输出端与所述第二D/A转化器的输入端连接，所述第二D/A转化器的输出端与所述压电陶瓷驱动单元的输入端连接，所述压电陶瓷驱动单元的驱动信号输出端分别与所述第一压电陶瓷和所述第二压电陶瓷连接。

3.根据权利要求2所述的光纤光源，其特征在于，所述F-P可调谐滤波器的透射谱的3dB带宽小于所述第二光纤光栅的反射谱的3dB带宽。

4.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于，所述第二掺铒光纤的光纤长度大于所述第一掺铒光纤的光纤长度；所述第二掺铒光纤中铒元素的掺杂浓度大于所述第一掺铒光纤中铒元素的掺杂浓度。

5.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于，所述第二泵浦源的光功率大于所述第一泵浦源的光功率。

6.根据权利要求2所述的光纤光源，其特征在于，所述控制单元还分别与所述第一泵浦源和所述第二泵浦源连接。

7.一种基于光纤陀螺仪的光纤光源的控制方法，用于控制权利要求1-6任一项所述的光纤光源，其特征在于，所述控制方法包括：

确定光纤陀螺仪用的第一激光光束的激光参数；所述激光参数包括中心波长和光谱线宽；

根据所述激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出所述第一激光光束；其中，所述泵浦光参数包括泵浦光中心波长和泵浦光功率。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据所述激光参数，分别控制第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦光参数，以使激光输出端输出所述第一激光光束之后，还包括：

接收光电探测器的输出功率；

根据所述输出功率以及F-P可调谐滤波器透射谱的中心波长驱动模型的对应关系，控制F-P滤波驱动单元调节所述F-P可调谐滤波器的腔长；

当所述F-P可调谐滤波器的透射谱中心波长与第二光纤光栅的反射谱中心波长重合时，确定所述第一激光光束的第一中心波长。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，确定所述第一激光光束的第一中心波长之后，还包括：

根据所述第一中心波长与环内中心波长的比较结果，控制激光输出端输出的所述第一激光光束的所述第一中心波长切换至所述环内中心波长；

其中，所述环内中心波长为所述光纤陀螺仪敏感环内的激光光束的中心波长。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述波长控制模块还包括温度检测单元，所述温度检测单元与所述控制单元连接；

根据所述第一中心波长与环内中心波长的比较结果，控制激光输出端输出的所述第一激光光束的所述第一中心波长切换至所述环内中心波长之后，还包括：

接收温度检测单元输出的当前工作状态下光纤陀螺仪敏感环的工作温度；

根据所述工作温度和温度补偿模型的比较结果，控制所述激光输出端输出与当前所述工作温度对应的补偿光束；

其中，所述光纤陀螺仪敏感环的输入端与所述激光输出端连接；所述温度补偿模型指的是所述光纤陀螺仪敏感环的工作温度与环内激光光束的中心波长的对应关系。

Images