高精度光纖陀螺相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制技術(shù)

胡旭東 吉世濤 洪偉 董拉加 陳一銘

（1、中國(guó)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(zhǎng)穩(wěn)定性好、相干性好，壽命長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(guó)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(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)保偏耦合器的分光比來(lái)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(guó)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(guó)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。