集成光学器件对光纤陀螺稳定性影响的研究

　　0　引言

　　光纤陀螺作为一种新型的角速率传感器,具有体积小、重量轻、耐冲击、精度高、寿命长等特点,自问世以来便受到广泛的重视,在航空、航天及舰船的控制及导航系统中具有广泛的应用.因此光纤陀螺的研究在一些大学、国家实验室和公司中迅速的开展起来,随着研究的不断深入,对光纤陀螺的精度及稳定性的要求也随之提高,但光纤陀螺的稳定性的问题一直以来是影响光纤陀螺进一步发展的重要因素,特别是陀螺的随环境温度变化的长期稳定性问题,已经严重影响了陀螺在船用导航系统中的应用.

　　以集成铌酸锂集成光学器件(俗称Y波导)为核心的数字闭环光纤陀螺,是目前研制高精度光纤陀螺的重要途径之一.Y波导集光耦合器、光起偏器和电光相位调制器为一体,是数字闭环光纤陀螺中的核心器件,其性能对光纤陀螺的精度及稳定性影响极大[1~5].本文主要分析了Y波导电光相位调制特性对光纤陀螺稳定性的影响,研究了对其不稳定因素进行跟踪补偿的方法,对研究高精度光纤陀螺,提高光纤陀螺稳定性具有重要的意义.

　　1　数字闭环光纤陀螺Y波导调制的基本原理

　　数字闭环光纤陀螺的原理框图如图1,阶梯波调制原理如图2,由图1和图2可看出,此方案的主要特点是通过集成光学器件(Y波导)对Sagnac干涉仪加

入调制信号阶梯波和方波,阶梯波的一个阶梯的宽度等于光在光纤环中的传输时间τ,方波的周期为2τ,阶梯波用于抵消Sagnac相移,从而形成闭环负反馈控制,方波信号做为偏置信号,使Sagnac干涉仪输出的干涉信号与相移信号呈线性关系,则阶梯波的阶梯高度值就是我们所要测量的Sagnac相移,即角速率信号.此方案中除了探测器输出信号、阶梯波和方波驱动信号外,其主要的信号处理过程都是数字信号,避免了电路噪声的影响,提高了系统的测试精度,因此该方案也是中、高精度光纤陀螺信号处理系统的主要方案之一.

　　式中A为干涉信号幅度系数;Φs为Sagnac相移,Φm为阶梯波信号所产生的相移(如图2),Φf为方波信号所产生的相移,Φo为在A/D、D/A和方波信号中所产生的电路噪声所产生的相移.

　　方波信号在正负半周所产生的相移为±π/2,我们将在方波正半周和负半周所检测的信号相减可得

　　由于所加阶梯波信号是用来抵消Sagnac相移Φs的,所以Φs和Φm总是近似相等的,且符号相反,Φo是由电路噪声产生的相移是一个很小的相移,通过滤波可消除,因此Φs+Φm是一个近似为零的相移,则有

　　由式(3)可以看出,要使Φm完全抵消Φs,必须使ΔI≈0,如果ΔI≠0,则表明阶梯波产生的相移,还没有完全抵消角速率产生的相移,应通过闭环控制改变阶梯波的阶梯高度信号,来抵消未被抵消的相移.