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        高精度光纖陀螺相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制技術(shù)

        2022-02-19 09:20:06胡旭東吉世濤洪偉董拉加陳一銘
        關(guān)鍵詞:光路高精度陀螺

        胡旭東 吉世濤 洪偉 董拉加 陳一銘

        (1、中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第十六研究所,陜西 西安 710100)

        (2、大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部,遼寧 大連 116081)

        1 概述

        經(jīng)過四十多年的發(fā)展,光纖陀螺及其應(yīng)用系統(tǒng)已逐步拓展到戰(zhàn)略級(jí),已逐步成為裝備應(yīng)用市場(chǎng)的主角[1,2]。目前,中、低精度光纖陀螺已經(jīng)進(jìn)入了工程應(yīng)用階段[3]。但是因?yàn)楣饫w陀螺的工作原理及結(jié)構(gòu)等方面的原因,一般存在著較大的噪聲[4],高精度光纖陀螺采用基于放大自發(fā)輻射(ASE) 效應(yīng)的摻鉺光纖光源,有著輸出功率高、波長穩(wěn)定性好、相干性好,壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5],但是較大的光功率導(dǎo)致光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN) 成為影響陀螺精度的主要噪聲源,這制約高精度光纖陀螺的性能提高和工程應(yīng)用,同時(shí)抑制RIN 也成為高精度光纖陀螺的研究熱點(diǎn)之一。

        增加調(diào)制深度是最常見的方法,但是這種方法在高精度光纖陀螺中抑制效果十分有限,而且調(diào)制深度過大,會(huì)對(duì)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍、沖擊性和熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此,適當(dāng)?shù)倪^調(diào)制僅作為RIN 抑制一種輔助手段,若想達(dá)到更優(yōu)的抑制效果,還需借助其他抑制方法。目前采用的各種RIN 抑制方法,根據(jù)其特點(diǎn),可分為光源處噪聲抑制法、電路噪聲相減法、光路噪聲相加法三種,本文通過梳理不同的RIN 抑制方法,對(duì)各類RIN 抑制方法進(jìn)行綜述。

        2 光源噪聲抑制法

        由于RIN 與光源的輸出光譜相關(guān),因此在光源處抑制RIN 也成為一種主要方法。

        由于RIN 的大小與光源光譜譜寬成反比,因此,增加光源譜寬能夠直接減小RIN,這種方法無需陀螺的光路做任何改變,簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn),但是譜寬過大會(huì)對(duì)光源輸出光譜穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,此外,寬光譜光源的中心波長穩(wěn)定性也會(huì)降低,從而導(dǎo)致標(biāo)度因數(shù)劣化。

        2001 年,Moeller 和Patrick 采用光功率大于200mW 光源,提出了一種低RIN 的光路方案,其光源及光路方案如圖1 所示[6],該方案通過耦合器(PM tap) 從光源處提取少量輸出光,通過相對(duì)強(qiáng)度探測(cè)器(RIN detector) 使輸出形成負(fù)反饋至光源的調(diào)制器(modulator),這樣便可使輸出光的波動(dòng)部分形成負(fù)反饋來抑制波動(dòng),從而達(dá)到抑制RIN 的目的。這種方法能夠從光源處對(duì)RIN 進(jìn)行抑制,不需要改變陀螺的其他光路結(jié)構(gòu),更不需要改變電路。

        圖1 采用光強(qiáng)反饋抑制RIN 的光路方案

        除了上述兩類方法,在光源輸出端后面進(jìn)行濾波,也能達(dá)到抑制RIN 的目的。一般所用的濾波器為半導(dǎo)體光放大器(SOA),SOA 的特性如圖2 所示,當(dāng)輸入功率增大到一定程度時(shí),SOA 進(jìn)入增益飽和區(qū),此時(shí)即使輸入功率波動(dòng)較大,其輸出功率的波動(dòng)也會(huì)急劇減小,這為高精度光纖陀螺采用的大功率ASE 光源提供了穩(wěn)定的輸出功率。

        圖2 SOA 放大特性示意圖

        2012 年,Jia 等人在光源處增加半導(dǎo)體光放大器(SOA),利用SOA 的非線性放大特性實(shí)現(xiàn)了RIN 抑制,使RIN 降低了20dB 以上[7]。由于采用SOA 的光源方案實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單,具有較高的可靠性,眾多研究者開始用這種方法抑制高精度光纖陀螺RIN。2013 年,Hakimi 和Moores 采用如圖3 所示的光路方案使陀螺角度隨機(jī)游走系數(shù)降低了12dB,其測(cè)試結(jié)果如圖4 所示[8]??梢钥闯?,相比于不采用RIN 抑制方案的光源,在采用SOA 方案后,角度隨機(jī)游走隨著光源功率的增大呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。

        圖3 采用SOA 光放大器的RIN 抑制光路

        圖4 不同探測(cè)器接收光功率的角度隨機(jī)游走

        綜上所述,采用SOA 抑制RIN 的方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,僅需在光源后增加SOA 濾波器即可實(shí)現(xiàn),可靠性高。但是SOA 本身作為一個(gè)濾波器,光源光波在通過SOA 時(shí),輸出的波長與功率穩(wěn)定性、光譜形狀等會(huì)受到影響,從而導(dǎo)致標(biāo)度因數(shù)性能發(fā)生劣化,這在一定程度上限制了SOA 方案的應(yīng)用。

        3 電路噪聲相減法

        圖5 Honeywell 公司Allan 方差測(cè)試結(jié)果

        噪聲相減法的前提是干涉信號(hào)光與參考光之間的偏振態(tài)、信號(hào)延遲、幅度等參數(shù)需要很高的一致性,若兩束光一致性較差,還會(huì)導(dǎo)致噪聲不降反增的現(xiàn)象,這也是該方法研究與應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

        4 光路噪聲相加法

        該方法與電路噪聲相減法類似,需要將光源發(fā)出的光進(jìn)行分光得到的含有轉(zhuǎn)速信息的信號(hào)光和不經(jīng)過光纖環(huán)的參考光,不同的是,該方法一般通過光路設(shè)計(jì),將信號(hào)光與參考光進(jìn)行強(qiáng)度相加來實(shí)現(xiàn)對(duì)特定的解調(diào)頻率(一般為光纖陀螺的本征頻率)處的光源RIN 抑制。該方法最早于2000 年由德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的Polvnkin 等人提出[18],從Polvnkin 等人的試驗(yàn)結(jié)果(圖6)可以看出,該方法能夠使RIN 顯著降低。

        圖6 Polvnkin 等人光路噪聲相加法測(cè)試結(jié)果

        2014 年,法國iXBlue 公司介紹了一種RIN 抑制方法,光路圖方案如圖7 所示[19],該方案延續(xù)之前信號(hào)光和參考光相加的思路,在參考光路中用90°的保偏光纖對(duì)準(zhǔn)角實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度相加,完全通過光路調(diào)整實(shí)現(xiàn)了噪聲相加,光路結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。此外,iXBlue 僅采用了一個(gè)探測(cè)器,節(jié)約了空間應(yīng)用成本;沒有較強(qiáng)的調(diào)制深度,保證了良好的動(dòng)態(tài)范圍;通過伺服系統(tǒng)控制調(diào)制深度,可以動(dòng)態(tài)調(diào)整功率平衡。從其Allan 方差測(cè)試結(jié)果(圖8)可以看出,iXBlue 采用該方案使陀螺角度隨機(jī)游走降低了4 倍。

        圖7 iXBlue 公司RIN 抑制方案

        圖8 iXBlue 公司Allan 方差測(cè)試結(jié)果

        由于光纖環(huán)的插入損耗,會(huì)使光路方案在最終進(jìn)行強(qiáng)度相加時(shí),信號(hào)光和參考光之間的強(qiáng)度不具有完全一致性,需要根據(jù)采用的光纖環(huán)長來調(diào)節(jié)保偏耦合器的分光比來實(shí)現(xiàn),90°熔接點(diǎn)的不理想也會(huì)一定程度地影響RIN 抑制效果,另外,該方案在光路中增加了保偏耦合器(PM coupler) 和光隔離器(isolator) 等器件,由于器件本身對(duì)光譜的濾波作用,會(huì)使整個(gè)方案對(duì)RIN 抑制的有效性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。以上幾點(diǎn)也是該方案研究和應(yīng)用的主要點(diǎn)。

        5 結(jié)論

        本文以國外公開發(fā)表文獻(xiàn)為參考,對(duì)高精度光纖陀螺中相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制方法進(jìn)行了分類,介紹了各種RIN 抑制方法的原理及抑制效果,分析了不同RIN 抑制方法的特點(diǎn),綜合上述材料可以得到以下結(jié)論:

        5.1 過調(diào)制技術(shù)與增加光譜譜寬在一定程度上能夠抑制RIN,但是調(diào)制深度過大、光譜過寬會(huì)對(duì)陀螺性能產(chǎn)生較大影響,這兩種抑制方法可以作為輔助手段,與其他方法組合使用;基于SOA 的抑制方法因?yàn)榫哂腥菀讓?shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),有著較為廣泛的應(yīng)用,國內(nèi)外也有相繼報(bào)道;

        5.2 電路噪聲相減法對(duì)兩束光之間的時(shí)間延遲一致性以及兩個(gè)探測(cè)器之間的一致性有著較高的要求,且兩束光之間的時(shí)間延遲、幅值、偏振態(tài)等的一致性實(shí)現(xiàn)較困難;

        5.3 光路噪聲相加發(fā)從光路入手實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺本征頻率處的RIN 抑制,這與高精度光纖陀螺的全數(shù)字閉環(huán)處理技術(shù)項(xiàng)契合,且該方案穩(wěn)定性好。但是在應(yīng)用中也需要注意控制兩束光的強(qiáng)度一致性,減少光器件影響等。

        高精度光纖陀螺的相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制是提高光纖陀螺信噪比及隨機(jī)游走系數(shù)的研究熱點(diǎn)之一,另外部分應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)高精度光纖陀螺的環(huán)境適用性提出了更高的要求,在不同環(huán)境下相對(duì)強(qiáng)度噪聲的變化及其抑制也顯得尤為重要,需要進(jìn)一步探索。

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