CN116337033B - 一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺，包括：光源、起偏器、耦合器、两个环形器、延时光纤、四口环形器、两个Y波导、信号发生器、两个偏振分束合束器、光纤环、两个光电探测器和信号联合解调模块；光源发出的光经起偏器过滤后输出线偏振光，再经保偏耦合器分为功率均衡的两路，并分别经环形器、延时光纤、Y波导、偏振分束合束器输入光纤环内发生干涉并输出干涉信号，干涉信号分别接入光电探测器，对探测器检测到的两路信号进行噪声补偿和联合解调。本申请的光纤陀螺，利用四口环形器工作方式与延时光纤相结合，在消除残余相干相位误差的同时，保证了两个正交偏振光的相关性，从而同时改善了光纤陀螺的长时零偏和短时游走性能参数。

Description

一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺

技术领域

本申请涉及陀螺仪技术领域，具体涉及一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺。

背景技术

干涉式光纤陀螺性能参数主要包括零偏不稳定性和角度随机游走。零偏不稳定性定义为输出角速率与实际旋转角速率的偏差，通常由环境变化和偏振非互易误差引起。角度随机游走描述的是陀螺输出中的短时白噪声大小，主要来源有热噪声、光子散粒噪声、光源相对强度噪声。

光纤环是干涉式光纤陀螺的核心部件，是旋转信号检测的传感单元，对光纤陀螺的精度具有重大的影响。光纤环通常由单根光纤绕制而成，它的特征是单通道双端口，两个端口同时作为输入和输出端。现有的光纤环大都采用四极对称绕法，这种方法能很好地降低非互易性影响，而且比较容易实现。

双偏振光纤陀螺使用的也是四极对称绕制的保偏光纤环，两个偏振态分别在光纤快轴和慢轴传输。在双偏振结构中，影响零偏不稳定性的因素主要是偏振非互易误差，其中偏振非互易误差又可分别两种：相干误差和双偏振强度型误差。上述两种误差都是双偏振结构所特有的，当线偏光在光纤环中传输时，不可避免的会产生耦合光，例如从快轴耦合至慢轴，而相干误差就来自于主信号光和耦合光之间的干涉，当在其中一个偏振态中增加光纤延时环并且其长度远远大于光源的自相干长度时，主信号便不会与耦合光发生干涉，相干误差被抑制。双偏振强度型误差来自于耦合光之间的干涉，也会对解算准确的Sagnac相移造成干扰，前人的研究证明了反向调制的方法可以抑制该种噪声。在双偏振结构中，影响角度随机游走的主要噪声来源是光源相对强度噪声，光源相对强度噪声来自于宽谱光源不同频率之间的拍频导致的光功率波动，双偏振光纤陀螺可利用两个正交偏振光中相对强度噪声的强相关性，通过两个正交偏振光信号联合处理的方式加以抑制。

零偏不稳定性和角度随机游走分别表征光纤陀螺的长时和短时性能。通常情况下，不同的应用场景会对光纤陀螺上述两个性能参数有不同的要求，例如惯性导航更加关注长时漂移，而地震监测更加关注短时噪声，但在一些特殊应用中，高精度的光纤陀螺需要同时保证两个性能参数。在之前的双偏振结构中，消除相干相位误差要求耦合光和信号光的相干性低，而光源相对强度噪声抑制需要两个正交偏振主信号光的保持强相关性，因此在此之前的双偏振光纤陀螺结构中难以同时满足上述两点要求，只能够单一保证零偏性能或者游走性能，无法同时优化零偏和游走，成为双偏振光纤陀螺发展的难点。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺，以至少解决现有双偏振光纤陀螺的上述缺陷之一。

本申请实施例提供一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺，包括：

光源、起偏器、耦合器、两个环形器、延时光纤、四口环形器、两个Y波导、信号发生器、两个偏振分束合束器、光纤环、两个光电探测器和信号联合解调模块；

所述光源输出任意偏振状态的光至所述起偏器；

所述起偏器将所述光源输出的任意偏振状态的光转换成线偏振光；

所述耦合器将所述起偏器输出的线偏振光平均分成两路光束，并将两路光束分别耦合到第一环形器和第二环形器；

所述第一环形器将所述耦合器输出的第一路光束通过所述四口环形器输出到第一Y波导；

所述第二环形器将所述耦合器输出的第二路光束通过所述延时光纤及所述四口环形器输出到第二Y波导；

所述信号发生器向两个所述Y波导提供调制信号；

每个所述Y波导将所述环形器输出的光束进行起偏、耦合、调制后经两个偏振分束合束器输出到所述光纤环相应端口，两个Y波导输出的光束在所述光纤环内分别独立正交传输，得到两个偏振态的光学信号，记为第一偏振信号和第二偏振信号；

所述第一Y波导将所述第一光学信号经所述四口环形器及所述延时光纤输出到所述第二环形器；

所述第二Y波导将所述第二光学信号经所述四口环形器输出到所述第一环形器；

两个所述环形器将两路所述Y波导回传的光学信号分别输出到两个所述光电探测器上；

两个所述光电探测器分别将两个所述环形器输出的光学信号转换为电信号，并输出至所述信号联合解调模块；

所述信号联合解调模块对两个所述光电探测器输出的两路电信号进行噪声补偿和联合解调。

一种可能的实现方式中，所述信号发生器给两个所述Y波导提供的调制信号幅值相等，相位相反。

一种可能的实现方式中，所述环形器采用单模环形器。

一种可能的实现方式中，所述环形器采用保偏环形器。

一种可能的实现方式中，两个所述Y波导性能相近且具有高消光比。

一种可能的实现方式中，所述延时光纤采用保偏光纤。

一种可能的实现方式中，所述信号联合解调模块采用相对强度噪声抑制方法以及开环光纤陀螺多谐波解调方法。

一种可能的实现方式中，所述光源采用激光光源或ASE光源。

本申请与现有技术相比的优点在于：

利用四口环形器特有的工作方式与特定长度的延时光纤相结合，让一路光信号进入光纤环前先经过延时光纤，另一路光信号不通过延时光纤，这样两路信号光之间的相关性大大降低，从而在光纤环中产生的耦合光与主信号光之间的相关性大大降低，便可以消除相干误差，而当两路信号光分别经过光纤环和Y波导回到四端口环形器时，原先经过一次延时光纤的并不会在此经过延时光纤，而之前未经过延时光纤的会通过一次延时光纤，这样就能够保证两个主信号光之前的光程近似相等，保证了两个正交偏振光的相关性，而在光纤环中发生的耦合光，其分为两种情况：一种是从未经过延时光纤，一种是经过两次延时光纤。因此耦合光与信号光始终存在一个延时光纤长度的光程差，就可以避免耦合光与主信号光之间的干涉。而耦合光之间的干涉因为反向调制的存在会被抑制，并不会对主信号光的解调造成干扰。因此使用本发明提出的四口环形器的双偏振光纤陀螺，同时改善光纤陀螺的长时零偏不稳定性和短时随机游走性能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了现有的一种双偏振光纤陀螺的示意图；

图2示出了本申请提供的一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺的示意图；

图3示出了典型的开环光纤陀螺解调模块的流程示意图；

图4示出了本申请提供的改进的开环光纤陀螺联合解调模块的流程示意图；

图5示出了采用双光源的双偏振干涉式光纤陀螺结构的示意图；

图6示出了多种光纤陀螺仪输出角速度数据的误差分析对比图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本申请的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

图1示出了现有的一种双偏振光纤陀螺的示意图。如图1所示，现有的双偏振光纤陀螺一般包括光源、起偏器、耦合器、两个环形器(环形器1和环形器2)、两个Y波导(Y波导1和Y波导2)、信号发生器、两个偏振分束合束器(偏振分束合束器1和偏振分束合束器2)、两个光电探测器(光电探测器1和光电探测器2)和光纤环。

图1所示的双偏振光纤陀螺结构中只能实现两个正交偏振光的噪声强相关性，但是无法消除耦合光和主信号光之间的相关性，因此存在非常严重的偏振非互易误差，从而制约了长时性能的提升。为了解决这一现状，本申请实施例提供一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺，采用本方案后的开环光纤陀螺在消除相干相位误差的同时，保证了两个正交偏振光的相关性，从而同时改善光纤陀螺的长时和短时性能参数。

图2示出了本申请提供的一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺的示意图，如图2所示，本申请提供的双偏振光纤陀螺，包括：光源10、起偏器20、耦合器30、两个环形器(环形器41、环形器42)、延时光纤50、四口环形器60、两个Y波导(Y波导71、Y波导72)、信号发生器80、两个偏振分束合束器(偏振分束合束器91、偏振分束合束器92)、光纤环100、两个光电探测器(光电探测器210、光电探测器220)和信号联合解调模块(未示出)。Y波导是指集成光学多功能光波导调制器。

本实施例中，耦合器30为保偏耦合器。环形器41、环形器42均为三口环形器。四口环形器60具有四个端口，设置在两个环形器和两个Y波导之间。

本实施例中，延时光纤50的长度根据光源和光纤环确定，延时光纤使用保偏光纤。

上述双偏振光纤陀螺中，光源发出的光经起偏器过滤后输出线偏振光，再经保偏耦合器分为功率均衡的两路，并分别经环形器、延时光纤、Y波导、偏振分束合束器输入光纤环内，传输一圈后再次经过器件输出两路信号，两路光信号分别接入光电检测器，对探测器检测到的两路信号进行噪声补偿和联合解调，噪声补偿后的输出信号解调模式为典型的开环光纤陀螺多谐波解调。

下面结合图2对上述双偏振光纤陀螺进行详细介绍。

如图2所示，光源10输出任意偏振状态的光至起偏器20。具体的，光源10可以采用激光光源或ASE光源。ASE光源(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射光源)是基于掺铒光纤放大自发辐射的一种宽谱光源。

起偏器20将光源10输出的任意偏振状态的光转换成线偏振光，耦合器30将起偏器20输出的线偏振光平均分成两路光束，并将两路光束分别耦合到第一环形器41和第二环形器42。具体的，这里的两个环形器可以使用单模环形器，也可以使用保偏环形器，保偏环形器抑制偏振非互易误差效果更佳。

第一环形器41将耦合器30输出的第一路光束通过四口环形器60输出到第一Y波导71；第二环形器42将耦合器30输出的第二路光束通过延时光纤50及四口环形器60输出到第二Y波导72。具体的，这里的两个Y波导应性能相近且具有高消光比。例如，两个Y波导集成光学器件的插入损耗和偏振串音等主要的性能参数相同或相近。

信号发生器80向两个Y波导(71、72)提供调制信号，信号发生器给两个Y波导提供的调制信号幅值相等，相位相反。

每个Y波导将环形器输出的光束进行起偏、耦合、调制后经两个偏振分束合束器输出到光纤环端口，两个Y波导输出的光束在光纤环内分别独立传输，得到两个偏振态的光学信号，分别记为第一光学信号和第二光学信号；第一Y波导71将第一光学信号经四口环形器60及延时光纤50输出到第二环形器42；第二Y波导72将第二光学信号经四口环形器60输出到第一环形器41。两个偏振分束合束器，让两束偏振光经光纤环的两个正交轴相向传播然后回到对应的Y波导。

上述具体过程为：

光源发出的光经起偏器过滤后输出线偏振光，线偏振光经耦合器分为功率均衡的两路，其中一路经环形器41后直接进入四口环形器1端口，从四口环形器2端口输出，经Y波导71和两个偏振分束合束器的1端(2端)，从合束端进入光纤环100快轴(慢轴)传输，光信号从分束端回到Y波导71，经Y波导71回传至四口环形器2端口，从四口环形器3端口输出，经延时光纤50和环形器42被光电探测器220接收并转换成电信号；另外一路经环形器42及延时光纤50后进入四口环形器3端口，从四口环形器4端口输出，经Y波导72和两个偏振分束合束器的2端(1端)，从合束端进入光纤环100慢轴(快轴)传输，光信号从分束端回到Y波导72，经Y波导72回传至四口环形器4端口，从四口环形器1端口输出，经环形器41被光电探测器210接收并转换成电信号。

可见，本申请中利用四口环形器的特殊工作方式，让一路光信号进入光纤环前先经过延时光纤，另一路光通过光纤环后再经过延时光纤，而在光纤环中发生的耦合光，其分为两种情况：一种是从未经过延时光纤，一种是经过两次延时光纤。因此耦合光与信号光始终存在一个延时光纤长度的光程差，就可以避免耦合光与主信号光之间的干涉，同时保证了两个正交偏振光的相关性，后文将对原理进行介绍。

光电探测器210连接于环形器41，光电探测器220连接于环形器42，两个环形器将两个Y波导回传的光学信号分别输出到两个光电探测器；两个光电探测器分别将两个环形器输出的光学信号转换为电信号，并输出至信号联合解调模块。

信号联合解调模块对两个光电探测器输出的两路电信号进行噪声补偿和联合解调，对输出的两路信号进行联合解调抑制相对强度噪声的具体过程为：

根据图3的开环光纤陀螺解调模块进行改进，本申请改进的开环光纤陀螺联合解调模块如图4所示，此时，两个光电探测器上的输出为：

I₁＝α₁I₀{1+cos[φ_s1+φ_m1(t)]} 公式(1)；

I₂＝α₂I₀{1+cos[φ_s2+φ_m2(t)]} 公式(2)；

其中，I₀是光源的光强，可以表示为 表示相对强度噪声，φ_s1，2是两个偏振态上的Sagnac相位，φ_s1＝φ_s2＝φ_s。陀螺上的调制相位φ_m1，2(t)是幅度相同、相位相反的正弦信号：

φ_m1(t)＝φ₀sin(2πf_mt) 公式(3)；

φ_m2(t)＝-φ₀sin(2πf_mt) 公式(4)；

其中，φ₀是调制信号的幅度，也就是调制深度，f_m是调制频率。经上式代入通过Bessel函数展开，可以得到：

公式(5)；

公式(6)；

其中，J_n是n阶第一类Bessel函数。光纤陀螺的输出可以通过谐波解调法得到。将两路信号进行功率均衡，即α₁＝α₂，相减相加的结果分别为

公式(7)中，只留下了调制频率的奇次谐波。在相减之后的结果I_odd(t)中，直流项和调制频率的偶次谐波都被减掉了，所以相对强度噪声被消除到很小。在解调过程中，调制频率处的信号幅度从I_odd(t)中得到，2、4次谐波的幅度从I_even(t)中得到，用于光源光强和调制深度的反馈。可见，双偏振光纤陀螺中的相对强度噪声可以被消除。

以下述器件搭建开环光纤陀螺为例：采用波长为1550nm、谱宽40nm的ASE光源，所用光纤陀螺的2进2出光纤环长为2km，直径为148mm，调制频率在250kHz，调制深度为2.7rad。如图2所示的四口环形器双偏振光纤陀螺结构记为结构1，如图1所示双偏振光纤陀螺结构记为结构2，在图5所示采用双光源的双偏振光纤陀螺结构记为结构3，如图6所示为以上多种光纤陀螺仪输出角速度数据的误差分析对比图。可以看到，结构2双端口有很强的相关性，短时噪声改善明显，但是由于缺少延时环，耦合光与主信号光产生干涉，相干噪声影响明显，长时噪声参数较差；结构3采用双光源消除相干噪声，改善了长时噪声参数，但是双端口相关性变差，短时噪声参数较差；采用本申请结构1后光纤陀螺的短时和长时性能对比自身端口1即PD1(光电探测器210)、结构2和结构3都有明显提升。

本申请提供的双偏振光纤陀螺，在双偏振光纤陀螺结构上增加四口环形器和一段延时光纤，利用四口环形器工作方式与延时光纤相结合，让一路光信号干涉前经过延时光纤，消除相干相位误差，另一路光干涉后经过延时光纤，保证了两个正交偏振光的相关性，因此，本申请双偏振光纤陀螺在消除相干相位误差的同时，保证了两个正交偏振光的相关性，从而同时改善了光纤陀螺的长时和短时性能参数。

为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本申请的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本申请的范围。本申请的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本申请的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本申请的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于四口环形器的双偏振光纤陀螺，其特征在于，包括：光源、起偏器、耦合器、两个环形器、延时光纤、四口环形器、两个Y波导、信号发生器、两个偏振分束合束器、光纤环、两个光电探测器和信号联合解调模块；

所述光源输出任意偏振状态的光至所述起偏器；

所述起偏器将所述光源输出的任意偏振状态的光转换成线偏振光；

所述耦合器将所述起偏器输出的线偏振光平均分成两路光束，并将两路光束分别耦合到第一环形器和第二环形器；

所述第一环形器将所述耦合器输出的第一路光束通过所述四口环形器输出到第一Y波导；

所述第二环形器将所述耦合器输出的第二路光束通过所述延时光纤及所述四口环形器输出到第二Y波导；

所述信号发生器向两个所述Y波导提供调制信号；

每个所述Y波导将所述环形器输出的光束进行起偏、耦合、调制后经两个偏振分束合束器输出到所述光纤环相应端口，两个Y波导输出的光束在所述光纤环内分别独立正交传输，得到两个偏振态的光学信号，记为第一光学信号和第二光学信号；

所述第一Y波导将所述第一光学信号经所述四口环形器及所述延时光纤输出到所述第二环形器；

所述第二Y波导将所述第二光学信号经所述四口环形器输出到所述第一环形器；

两个所述环形器将两路所述Y波导回传的光学信号分别输出到两个所述光电探测器上；

两个所述光电探测器分别将两个所述环形器输出的光学信号转换为电信号，并输出至所述信号联合解调模块；

所述信号联合解调模块对两个所述光电探测器输出的两路电信号进行噪声补偿和联合解调。

2.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述信号发生器给两个所述Y波导提供的调制信号幅值相等，相位相反。

3.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述第一和第二环形器采用单模环形器。

4.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述第一和第二环形器采用保偏环形器。

5.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，两个所述Y波导性能相近且具有高消光比。

6.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述延时光纤采用保偏光纤。

7.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述信号联合解调模块采用相对强度噪声抑制方法以及开环光纤陀螺多谐波解调方法。

8.根据权利要求1所述的双偏振光纤陀螺，其特征在于，所述光源采用激光光源或ASE光源。