[发明专利]一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构

说明书

本发明提出一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构，包括保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及光电探测器。本发明的保偏ASE光源为偏振输出，输出的光经过1×2保偏耦合器后保持偏振特性输入法拉第旋转器，经过滤光片，95％的光透射、5％的光反射，反射光与输入光的偏振方向相同，二者叠加，实现源相对强度噪声对消。透射光经法拉第晶体后，偏振方向旋转45°输出，经保偏光纤环后形成干涉光，干涉光通过1×2保偏耦合器进入探测器。本发明实现了光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消，结构设计合理，复杂度较低，可容易利用成熟的光学元件实现。

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，特别涉及一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声抑制方案。

背景技术

光纤陀螺中最基本的噪声包括散粒噪声、相对强度噪声和热噪声，散粒噪声是由光电流的不平滑和不连续引起的，为光子量子性的表现，相对强度噪声是指光源输出能量的振荡，而热噪声是由于光纤折射率随环境的温度变化热涨落而引起的相位噪声。这三种噪声决定了光纤陀螺的极限精度。三种噪声的影响表示为：

其中，ΔΩ表示光纤陀螺精度变化，λ₀为中心波长，D为光纤直径，L为光纤长度，e为电子电荷，P_d为光信号功率，R为跨阻阻值，R_L为负载电阻，t为时间变量，Φ_m为光纤陀螺调制深度，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，Δλ为谱线宽度，c为光速。该公式等号后面括号中的三项分别对应为散粒噪声、热噪声和相对强度噪声。

降低光纤陀螺中的噪声，提高信噪比是提高光纤陀螺检测灵敏度的重要方式，散粒噪声和热噪声随着光功率的增加而减小，而相对强度噪声只与光谱宽度有关。对于高精度光纤陀螺，由于ASE(放大自发辐射)光源功率较大、谱宽较窄等特点，成为主要光源。当ASE光源较小时，光纤陀螺精度主要受到散粒噪声和热噪声的限制，但当功率逐渐增加时，相对强度噪声的影响将超过热噪声和散粒噪声，成为高精度光纤陀螺精度最主要的噪声源。

表征光纤陀螺的性能指标主要包括零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围以及带宽。零偏稳定性为一定平均时间下陀螺输出角速率的标准差，由静态输出中漂移和噪声共同决定。随机游走系数为陀螺中表征白噪声的重要特征参数，当陀螺仅有白噪声的情况下，不同带宽下标准差不同，但随机游走系数不变。根据公式(1)，虽然通过增加光源的光谱宽度可以减小相对强度噪声的影响，但会影响调制的线性度和标度因数的稳定性，若无其他措施，只能通过改变光纤环的长度和光纤直径来降低噪声。强度噪声抑制技术可抵消掉一部分相对强度噪声，在不改变光纤环的情况下使陀螺精度提高，因此，抑制相对强度噪声成为进一步提高光纤陀螺精度的关键。

针对于抑制相对强度噪声，国内外专利提出了一些方案，如一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，通过将参考信号通道和陀螺信号通道探测器采集到的电压相减的方式对相对强度噪声进行抑制，增加了电路元器件，诸如此类电路方式抑制相对强度噪声，结构复杂，有可能叠加电学噪声，实施难度大，限制了应用。而对于一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法这种抑制相对强度噪声抑制方案，在耦合器的一端增加了光电探测器通道，当两通道中探测器部完全相同时，可能会叠加探测器噪声，增加了抑制噪声的复杂性，限制了应用。

发明内容

针对于现有抑制相对强度噪声技术中存在的结构复杂、可能叠加电学噪声增加抑制噪声复杂性等不足，本发明提供了一种设计合理，结构复杂度较低，利用成熟的光学元件，实现一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声对消结构。

本发明提供的一种光纤陀螺仪中光源相对强度噪声的对消结构，包括保偏ASE光源、1×2保偏耦合器、法拉第旋转器、Y波导集成光学器件、保偏光纤环以及光电探测器。其中，保偏ASE光源的输出端连接1×2保偏耦合器的输入端；1×2保偏耦合器的一个输出端连接法拉第旋转器，另一个输出端连接探测器。