一种高精度光纤陀螺用的相对强度噪声抑制装置的制作方法

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种相对强度噪声抑制装置。

背景技术：

陀螺仪是惯性系统的核心部件，也是惯性技术研究的重点内容之一。光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，它实际上是一个基于sagnac效应的环形干涉仪，通过检测两束反向传播光束之间的相位差，来计算出闭合光路的角速率。由于它具有全固态、低成本、可靠性高、启动速度快等优点被广泛应用于飞机、潜艇、军舰、导弹、卫星等领域，成为近几年来国内外惯性器件的一个研究热点。

在高精度光纤陀螺中，为消除光纤环中的背向反射和散射对检测精度的影响，减小光学克尔效应，一般使用基于放大自发辐射(amplifiedspontaneousemission，ase)的掺铒光纤光源。光源相对强度噪声(relativeintensitynoise，rin)是光纤陀螺宽谱光源的一种特征噪声，产生于光谱中各分量之间的相互作用，表现为各频率分量拍频的结果。

在光纤陀螺系统中热噪声、散粒噪声和相对强度噪声是光纤陀螺的主要噪声。探测器上光电流涨落引起的噪声可以表示为式中，e为电子电荷，be为检测带宽，为探测器平均电流，δv为光源谱宽，式中前一项表示光源散粒噪声，后一项表示相对强度噪声。表明光源相对强度噪声与光功率、检测带宽、光谱谱宽有关。在采用掺铒光纤光源的高精度光纤陀螺中，光功率通常可以达到几十mw，因此相对强度噪声是高精度光纤陀螺光路中的主要噪声源，影响检测信噪比的重要因素。

放大自发辐射光源光谱可以近似高斯形状，由wiener-khinchin定理可知，光强度的功率谱密度与光强度的自相关函数互为傅里叶变换，是光谱归一化自相关的结果。rin功率谱密度可表示为其中，opsd沿频率的分布表示为s(ν)，光谱中各频率分量的总光功率表示为p，ν为光谱中各部分光的频率，f为光源的频率，s(ν+f)为opsd沿频率的分布。rin功率谱密度的宽度与光谱的频率宽度接近，均为10¹²hz量级。对于光纤陀螺用光电探测器，其最大响应频率约为10⁸hz，比rin的频率宽度小10⁴倍。因此，光电探测器只能检测到零频率附近的rin。当光功率在光电探测器处转换成相应的电压时，电压信号中的rin在探测频率范围内具有近似平坦的功率谱密度分布，其分布规律类似于具有恒定功率谱密度的“白噪声”。

在信号检测中，由于光纤陀螺的调制解调是在特定频率处进行的，因此rin的功率谱密度对于检测信噪比十分关键。由于rin是制约高精度光纤陀螺随机游走系数的最主要因素之一，在高精度光纤陀螺中rin的抑制显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决高精度光纤陀螺中采用宽谱光源导致相对强度噪声制约随机游走系数，影响检测信噪比的问题，提出了一种高精度光纤陀螺用的相对强度噪声抑制装置，采用相减补偿技术抑制相对强度噪声，并且通过比较器实时检测信号光和参考光的大小，当信号光和参考光不匹配时，抑制效果下降，通过闭环控制，调整施加在y波导的调制深度，改变信号光路的光强，实现光功率匹配，使相对强度噪声抑制达到最佳效果。本发明的具体技术方案如下：

一种高精度光纤陀螺用的相对强度噪声抑制装置，其特征在于，包括放大自发辐射光源、保偏环形器、99/1保偏耦合器、y波导、光纤环、探测器a、保偏隔离器、探测器b、信号处理模块，其中，

所述放大自辐射光源与所述保偏环形器的第一端口连接；

所述保偏环形器的第二端口与所述99/1保偏耦合器的第三端口连接，所述保偏环形器的第三端口与所述探测器a的输入端连接；

所述99/1保偏耦合器的99％端口与所述y波导的单端连接，所述99/1保偏耦合器的1％端口与所述保偏隔离器连接；

所述y波导的双端与所述光纤环连接；

所述保偏隔离器与所述探测器b的输入端连接；

信号光由所述放大自辐射光源发出经由所述保偏环形器、所述99/1保偏耦合器、所述y波导、所述光纤环，再返回所述y波导经由所述99/1保偏耦合器和所述保偏环形器到达所述探测器a；

参考光由所述放大自辐射光源发出经由所述保偏环形器、所述99/1保偏耦合器、所述保偏隔离器到达所述探测器b；

所述信号处理模块用于对光纤陀螺的信号进行处理和闭环控制，所述探测器a的输出信号分为两路，一路连接至比较器的输入端，另一路经预处理后进入处理器，所述探测器b的输出信号分为两路，一路连接至比较器的参考端，另一路经预处理后进入处理器，所述比较器将所述探测器a的输出信号和所述探测器b的输出信号比较后将结果输入处理器，处理器将信号进行处理后输出至数模转换器，再经驱动电路至所述y波导，实现光纤陀螺的闭环控制。

所述相对强度噪声抑制装置的闭环控制方法包括如下步骤：

s1：光纤陀螺启动后，经耦合器分光后的两路光均含有相对强度噪声且具有相关性，信号光经过光纤环产生一个τ时间的延时，信号光转换为电信号并经模数转换后，信号光的数字信号比参考光的数字信号延时一个τ时间，此时将参考光的数字信号延时一个τ时间，使信号光与参考光处于同一时刻、相位相同，将信号光的数字量与延时后的参考光的数字信号相减；

s2：在每隔一段时间，采集比较器的输出信号，比较器输出为1，表明信号光的光强大于参考光的光强；比较器输出为0则表明信号光的光强小于参考光的光强；s3：根据步骤s2的比较器的输出信号，通过闭环反馈调整光纤陀螺调制深度，比较器输出为1，增大调制深度使信号光的光强减小，再判断下一段时间的比较器输出，比较器输出为0，则减小调制深度，直到比较器的输出达到稳态，表明信号光的光强等于参考光的光强，则相对强度噪声抑制效果最佳。

本发明的有益效果在于：

1.改进了传统的光纤陀螺光学结构和检测模块，能有效抑制rin对高精度光纤陀螺检测精度的影响；

2.通过一个比较器和闭环控制能实现信号光路和参考光路的光功率匹配问题，当外界环境或器件自生因素导致两路光强发生变化，导致不匹配时，通过调整调制深度使两路光强一直匹配，可使光纤陀螺对相对强度噪声一直保持最优的抑制效果；

3.相较于其他rin自适应抑制方案结构简单，更少的分光器件，受外界或自身影响更小，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为归一化高斯光谱示意图；

图2为相对强度噪声功率谱；

图3为光纤陀螺传统光路方案示意图；

图4为本发明采用的光路方案示意图；

图5为本发明采用的电路方案示意图；

图6为本发明采用数字方法对参考光延时示意图；

图7为本发明对信号光光强闭环控制示意图。

附图标号说明：

1-放大自发辐射光源；2-保偏环形器；3-99/1保偏耦合器；4-y波导；5-光纤环；6-探测器a；7-保偏隔离器；8-探测器b；9-信号处理模块；

d-信号光转换成的数字信号；d’-参考光转换成的数字信号；

d1-图中第一个τ时间内信号光转换成的数字量；

d2-图中第二个τ时间内信号光转换成的数字量；

d1’-图中第一个τ时间内参考光转换成的数字量；

d2’-图中第二个τ时间内参考光转换成的数字量；

vin-比较器输入电压(即信号光转换后的电压值)；

vref-比较器参考电压(即参考光转换后的电压值)；

vout-比较器输出值。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

放大自发辐射光源光谱可以近似高斯形状，如图1所示,由wiener-khinchin定理可知，光强度的功率谱密度与光强度的自相关函数互为傅里叶变换，是光谱归一化自相关的结果，rin功率谱密度如图2所示。

如图4-图5所示，一种高精度光纤陀螺用的相对强度噪声抑制装置，其特征在于，包括放大自发辐射光源1、保偏环形器2、99/1保偏耦合器3、y波导4、光纤环5、探测器a6、保偏隔离器7、探测器b8、信号处理模块9，其中，

放大自辐射光源1与保偏环形器2的第一端口连接；

保偏环形器2的第二端口与99/1保偏耦合器3的第三端口连接，保偏环形器2的第三端口与探测器a6的输入端连接；

99/1保偏耦合器3的99％端口与y波导4的单端连接，99/1保偏耦合器3的1％端口与保偏隔离器7连接；

y波导4的双端与光纤环5连接；

保偏隔离器7与探测器b8的输入端连接；

信号光由放大自辐射光源1发出经由保偏环形器2、99/1保偏耦合器3、y波导4、光纤环5，再返回y波导4经由99/1保偏耦合器3和保偏环形器2到达探测器a6；

参考光由放大自辐射光源1发出经由保偏环形器2、99/1保偏耦合器3、保偏隔离器7到达探测器b8；

信号处理模块9用于对光纤陀螺的信号进行处理和闭环控制，探测器a6的输出信号分为两路，一路连接至比较器的输入端，另一路经预处理后进入处理器，探测器b8的输出信号分为两路，一路连接至比较器的参考端，另一路经预处理后进入处理器，比较器将探测器a6的输出信号和探测器b8的输出信号比较后将结果输入处理器，处理器将信号进行处理后输出至数模转换器，再经驱动电路至y波导4，实现光纤陀螺的闭环控制。

本发明的相对强度噪声抑制装置，的闭环控制方法包括如下步骤：

s1：光纤陀螺启动后，经耦合器3分光后的两路光均含有相对强度噪声且具有相关性，信号光经过光纤环5产生一个τ时间的延时，信号光转换为电信号并经模数转换后，信号光的数字信号比参考光的数字信号延时一个τ时间，即图6中信号光中第二个τ时间内的数字量d2与参考光中第一个τ时间内的数字量d1’相对强度噪声相同，此时将参考光的数字信号延时一个τ时间，使信号光与参考光处于同一时刻、相位相同，将信号光的数字量与延时后的参考光的数字信号相减；

s2：在每隔一段时间，采集比较器的输出信号，比较器输出为1，表明信号光的光强大于参考光的光强；比较器输出为0则表明信号光的光强小于参考光的光强；s3：根据步骤s2的比较器的输出信号，通过闭环反馈调整光纤陀螺调制深度，比较器输出为1，增大调制深度使信号光的光强减小，再判断下一段时间的比较器输出，比较器输出为0，则减小调制深度，直到比较器的输出达到稳态，即输出0，1，0，1……，表明信号光的光强等于参考光的光强，则相对强度噪声抑制效果最佳。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

以一个l＝3800m，d＝120cm的高精度光纤陀螺为例，采用如图3所示的传统光路方案，通过测量其零偏稳定性(即精度)为0.01°/h，通过本发明采用的光路方案和电路方案进行rin抑制，其零偏稳定性可达到0.0075°/h左右，精度能提升25％。

本发明的技术方案可以实现自适应抑制相对强度噪声，即由于外界环境或器件自生因素导致两路光强发生变化，导致不匹配时，相对强度噪声抑制效果变差；通过调整调制深度使两路光强一直匹配，可使光纤陀螺对相对强度噪声一直保持最优的抑制效果。同时，本发明的技术方案采用了更少的分光器件，因此受外界或器件自身影响因素更小(分光器件受温度或自身性能退化会导致分光比偏离理想值)，成本更低。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。