CN110132253A

CN110132253A - 一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺及激光线宽展宽方法

Info

Publication number: CN110132253A
Application number: CN201910329301.1A
Authority: CN
Inventors: 缪立军; 闫景涛; 黄腾超; 车双良; 舒晓武
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺及激光线宽展宽方法。激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺包括激光光源模块、去偏光纤陀螺光路系统、信号处理电路模块。通过对电光调制器施加电压调制，对输入电光调制器的激光进行外部相位调制，实现激光光谱的展宽，可以同宽谱光源一样有效抑制光纤陀螺中的Kerr效应、背向散射、偏振耦合导致的误差。由于激光波长稳定性好、相对强度噪声小，本发明所述激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺可以实现优于传统宽谱光源的标度因数稳定性和随机噪声，且成本更低，对提高光纤陀螺性能、降低成本具有重要意义。

Description

一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺及激光线宽展宽方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺。

背景技术

干涉式光纤陀螺(IFOG，Interferometric Fiber-Optic Gyroscope)具有体积小、可靠性高、寿命长、启动时间短、动态范围大等优点，被广泛应用于航海和陆地定位定向系统、航空航天的导航控制系统、天体观测望远镜的视轴稳定系统。干涉式光纤陀螺按照敏感环的类型分为保偏光纤陀螺和去偏光纤陀螺。相比于保偏光纤陀螺，去偏光纤陀螺(Depolarized Fiber-Optic Gyroscope)具有抗弯曲性好、抗辐射能力强、磁场灵敏度低、成本低等优点，在小型化、空间和批量化应用中具有独特优势。

传统的去偏光纤陀螺通常采用宽谱光源，以抑制由背向散射引起的噪声和Kerr非线性引起的长期漂移，但一般宽谱光源中心波长稳定性仅为10-100ppm，限制了光纤陀螺标度因数稳定性的提升；其次，宽谱光源的相对强度噪声远高于散粒噪声，是光纤陀螺随机噪声的主要来源，限制了去偏光纤陀螺精度的提高。

发明内容

本发明针对传统宽谱光源去偏光纤陀螺的标度因数稳定性和随机噪声性能局限性，提出了一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺及激光线宽展宽方法，通过对激光进行线宽展宽，从而在保证Kerr效应、背向散射、偏振耦合误差不劣化的前提下，实现优于传统宽谱光源方案的标度因数稳定性和随机噪声性能。

一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，包括激光光源模块、去偏光纤陀螺光路系统、信号处理电路模块：所述的激光光源模块：包括激光器、电光调制器、信号发生器，激光光源模块对激光器输出的光进行外部相位调制以达到激光线宽展宽；所述的去偏光纤陀螺光路系统：包括光耦合器、Y型多功能集成光学器件、第一去偏器、第二去偏器、单模光纤环、光探测器，去偏光纤陀螺光路系统对输入的光进行分束、起偏、去偏、相位调制、合成干涉、光电转换；所述的信号处理电路模块：包括前置放大电路、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器，信号处理电路模块对电信号进行转换放大和模数转换，数字解调得到待测转速信号并输出反馈调制信号；

信号传输过程如下：

1)激光器输出的光进入电光调制器，信号发生器给电光调制器施加调制波形信号对激光器的光进行外部相位调制，经过调制后的光进入光耦合器；

2)光通过光耦合器和Y型多功能集成光学器件后分成两路，一路光经过第一去偏器后以顺时针方向进入单模光纤环，另一路光经过第二去偏器后以逆时针方向进入单模光纤环，顺时针方向光和逆时针方向光以相反方向通过单模光纤环后分别经过第二去偏器和第一去偏器进入Y型多功能集成光学器件，经过Y型多功能集成光学器件重新合成一路光，合成后的光经过光耦合器后进入光探测器，光探测器将接收到的光信号转换成电信号；

3)光探测器输出的电信号通过前置放大电路和模数转换器后进入数字信号处理器，由数字信号处理器解调出待测转速信息，解调出的转速信息一方面用于光纤陀螺输出，另一方面叠加偏置信号通过数模转换器产生调制电压加载到Y型多功能集成光学器件进行闭环反馈和偏置调制。

所述的激光器采用半导体激光器，波长为1550nm或1310nm波段。

所述的电光调制器采用压电晶体或LiNbO₃晶体，半波电压范围为3V-5V，调制带宽大于10GHz。

所述的信号发生器的输出波形具有随机性，输出信号带宽大于10GHz。

所述的信号传输过程，数字信号处理器解调出待测转速信息时施加的偏置信号对应的光相位范围为(π/2,π)。

一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺的激光线宽展宽方法，激光器输出光场即电光调制器输入光场为

式(1)中，E₀为激光器输出激光振幅，υ₀为激光器输出激光中心频率，为激光器输出激光的相位噪声；

电光调制器上施加的相位调制函数为

式(2)中，为通过电光调制器施加的相位调制；

激光通过电光调制器后输出为

电光调制器输出光场的功率谱密度为

S_out(υ)＝S_in(υ)gA(υ) (4)

式中，S_in(υ)为输入光场的功率谱密度，A(υ)为相位调制函数的功率谱密度。

本发明的有益效果：

本发明利用了激光光源的高中心波长稳定性和低相对强度噪声的特点，通过对激光光源施加随机外部相位调制，对激光进行线宽展宽，在保证Kerr效应、背向散射、偏振耦合误差不劣化的前提下，大幅提高了去偏光纤陀螺标度因数稳定性和随机噪声性能，同时降低了成本，相比于传统宽谱光源方案具有更优的性能和更强的市场竞争力。

附图说明

图1是激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺的结构示意图；

图2是激光线宽展宽原理示意图；

其中，激光器1、电光调制器2、信号发生器3、光耦合器4、Y型多功能集成光学器件5、第一去偏器6、第二去偏器7、单模光纤环8、光探测器9、前置放大电路10、模数转换器11、数字信号处理器12、数模转换器13。

具体实施方式

如图1，一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，主要包括三大模块：

激光光源模块：包括激光器1、电光调制器2、信号发生器3，模块功能是对激光器1输出的光进行外部相位调制以达到激光线宽展宽的目的；

去偏光纤陀螺光路系统：包括光耦合器4、Y型多功能集成光学器件5、第一去偏器6、第二去偏器7、单模光纤环8、光探测器9，系统功能是对输入的光进行分束、起偏、去偏、相位调制、合成干涉、光电转换。

信号处理电路模块：包括前置放大电路10、模数转换器11、数字信号处理器12、数模转换器13，模块功能是对电信号进行转换放大和模数转换，数字解调得到待测转速信号并输出反馈调制信号。

信号传输过程如下：

1)激光器1输出的光进入电光调制器2，信号发生器3给电光调制器2施加调制波形信号对激光器1的光进行外部相位调制，经过外部调制后的激光进入耦合器4；

2)光通过光耦合器4和Y型多功能集成光学器件5后分成两路，一路光经过第一去偏器6后以顺时针方向进入单模光纤环8，另一路光经过第二去偏器7后以逆时针方向进入单模光纤环8，顺时针方向光和逆时针方向光以相反方向通过单模光纤环8后分别经过第二去偏器7和第一去偏器6进入Y型多功能集成光学器件5，经过Y型多功能集成光学器件5重新合成一路光，合成后的光经过光耦合器4后进入光探测器9，光探测器9将接收到的光信号转换成电信号；

3)光探测器9输出的电信号通过前置放大电路10和模数转换器11后进入数字信号处理器12，由数字信号处理器12解调出待测转速信息，解调出的转速信息一方面用于光纤陀螺输出，另一方面叠加偏置信号通过数模转换器13产生调制电压加载到Y型多功能集成光学器件5进行闭环反馈和偏置调制。

其中激光器1采用半导体激光器，波长为1550nm或1310nm波段，对应光纤的两个长波低损耗窗口，长波长对应高的光纤陀螺灵敏度。电光调制器2采用压电晶体或LiNbO₃晶体，半波电压范围为3V-5V，与信号处理器12端口电压一致，利于调制信号生成，调制带宽大于10GHz，信号发生器3的输出波形应具有随机性，输出信号带宽大于10GHz,电光调制器2和信号发生器3的10GHz以上带宽基本保障了从电光调制器2输出的激光具有足够的展宽线宽满足Kerr效应、背向散射、偏振耦合误差抑制的需要。由于激光器1光强较大，数字信号处理器12施加的偏置信号对应的光相位范围为(π/2,π)，使去偏光纤陀螺工作在过调制状态，提高去偏光纤陀螺信噪比，进一步优化光纤陀螺噪声性能。

激光驱动数字闭环驱动光纤陀螺成功应用的关键是激光线宽展宽，假设激光器1输出光场即电光调制器2输入光场为

式中，E₀为激光器1输出激光振幅，υ₀为激光器1输出激光中心频率，为激光器1输出激光的相位噪声。

电光调制器2上施加的相位调制函数为

式中，为通过电光调制器施加的相位调制。

激光通过电光调制器2后输出为

根据维纳-欣钦定理，功率谱密度与自相干函数是一对互逆的傅里叶变换，结合傅里叶变换的时域频域卷积性质，则电光调制器2输出光场的功率谱密度为

S_out(υ)＝S_in(υ)gA(υ) (4)

由(4)式可见，选择宽带的相位调制函数，可实现激光线宽加宽的效果，随机信号是最理想的宽带信号源，激光线宽展宽原理如图2。

本发明针对传统宽谱光源去偏光纤陀螺的局限性，利用了激光光源的高中心波长稳定性和低相对强度噪声的特点，通过对激光光源施加随机外部相位调制，对激光进行线宽展宽，在保证Kerr效应、背向散射、偏振耦合误差不劣化的前提下，大幅提高了去偏光纤陀螺标度因数稳定性和随机噪声性能，同时降低了成本。

实施例

激光器采用宽带DFB激光，电光调制器采用LiNbO3晶体，半波电压为4.7V，调制带宽为12GHz，信号发生器产生一个3dB带宽为11GHz的宽带高斯白噪声信号。光纤陀螺光纤环长约为1000米，多功能光学集成调制器加载一个0.8π过调制的本征频率方波偏置信号。干涉光由一个125MHz的探测器探测，信号处理器采用DSP。

Claims

1.一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，其特征在于，包括激光光源模块、去偏光纤陀螺光路系统、信号处理电路模块：

所述的激光光源模块：包括激光器（1）、电光调制器（2）、信号发生器（3），激光光源模块对激光器（1）输出的光进行外部相位调制以达到激光线宽展宽；

所述的去偏光纤陀螺光路系统：包括光耦合器（4）、Y型多功能集成光学器件（5）、第一去偏器（6）、第二去偏器（7）、单模光纤环（8）、光探测器（9），去偏光纤陀螺光路系统对输入的光进行分束、起偏、去偏、相位调制、合成干涉、光电转换；

所述的信号处理电路模块：包括前置放大电路（10）、模数转换器（11）、数字信号处理器（12）、数模转换器（13），信号处理电路模块对电信号进行转换放大和模数转换，数字解调得到待测转速信号并输出反馈调制信号；

信号传输过程如下：

1）激光器（1）输出的光进入电光调制器（2），信号发生器（3）给电光调制器（2）施加调制波形信号对激光器（1）的光进行外部相位调制，经过调制后的光进入光耦合器（4）；

2）光通过光耦合器（4）和Y型多功能集成光学器件（5）后分成两路，一路光经过第一去偏器（6）后以顺时针方向进入单模光纤环（8），另一路光经过第二去偏器（7）后以逆时针方向进入单模光纤环（8），顺时针方向光和逆时针方向光以相反方向通过单模光纤环（8）后分别经过第二去偏器（7）和第一去偏器（6）进入Y型多功能集成光学器件（5），经过Y型多功能集成光学器件（5）重新合成一路光，合成后的光经过光耦合器（4）后进入光探测器（9），光探测器（9）将接收到的光信号转换成电信号；

3）光探测器（9）输出的电信号通过前置放大电路（10）和模数转换器（11）后进入数字信号处理器（12），由数字信号处理器（12）解调出待测转速信息，解调出的转速信息一方面用于光纤陀螺输出，另一方面叠加偏置信号通过数模转换器（13）产生调制电压加载到Y型多功能集成光学器件（5）进行闭环反馈和偏置调制。

2.根据权利要求1所述的激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，其特征在于，所述的激光器（1）采用半导体激光器，波长为1550nm或1310nm波段。

3.根据权利要求1所述的激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，其特征在于，所述的电光调制器（2）采用压电晶体或LiNbO₃晶体，半波电压范围为3V-5V，调制带宽大于10GHz。

4.根据权利要求1所述的激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，其特征在于，所述的信号发生器（3）的输出波形具有随机性，输出信号带宽大于10GHz。

5.根据权利要求1所述的激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺，其特征在于，所述的信号传输过程，数字信号处理器（12）解调出待测转速信息时施加的偏置信号对应的光相位范围为(π/2,π)。

6.一种激光驱动数字闭环去偏光纤陀螺的激光线宽展宽方法，其特征在于，激光器输出光场即电光调制器输入光场为

（1）

式（1）中，为激光器输出激光振幅，为激光器输出激光中心频率，为激光器输出激光的相位噪声；

电光调制器上施加的相位调制函数为

（2）

式（2）中，为通过电光调制器施加的相位调制；

激光通过电光调制器后输出为

（3）

电光调制器输出光场的功率谱密度为

（4）

式中，为输入光场的功率谱密度，为相位调制函数的功率谱密度。