諧振光纖陀螺信号檢測的新方法設計和驗證
20世紀80年代,EZEKIEL等在研究中第一次提出了諧振式光纖陀螺模型,該研究吸引了大量學者關注,并參與到R⁃FOG的研究中,形成了一系列研究成果｡在後來的研究中發現了R⁃FOG結構的應用價值,可用于檢測旋轉導緻的Sagnac效應,而在檢測時一般需要對光纖環形諧頻腔内的兩相反方向諧振頻率之差進行确定｡
但在FRR内含有較多的光學噪聲,噪聲因素的存在直接影響到了檢測結果的準确性，而且FRR中的噪聲往往不是孤立的,結合上述問題進行了分析,設計了一種雙光纖環形諧振腔的R⁃FOG結構,在此基礎上設計了單側信号檢測方法,介紹了該方法的基本原理以及流程｡
針對該方法的應用效果進行測試分析,将其與傳統的檢測方法進行對比,采用仿真方法檢驗了對于熱緻偏振噪聲的抑制效果,該方法的應用有助于減小對于R⁃FOG精度的不利影響｡
一、實驗裝置
在結構上,新型雙腔R⁃FOG系統總體可以劃分為兩個部分,具體的内容如下所示:1)首先是光路,進一步将其劃分為多個部分,主要包括1個相位調制器､2個光學耦合器､1個馬赫-曾德爾幹涉儀和4個光纖環形器,除此之外還包括2個FRR;
其次是電路,該部分需要實作多個功能,例如生成調制信号､PI控制器雷射器頻率鎖定以及陀螺信号輸出等｡對于上述兩部分信号的轉換則依賴于專用的光電探測器｡首先窄線寬雷射器發射的光需要進入到環形諧振腔中,在此過程中需要通過MZI進行處理,使得兩光波方向出現周期性的變化｡
FRR1内的光波經過處理之後進入PD内,并實作了光､電信号的轉換,在此基礎上進行鎖相同步解調,然後對雷射器輸出中心頻率進行調整｡另外,FRR2中傳輸的光波在解調之後即為R⁃FOG的輸出｡
對于傳統R⁃FOG結構而言,一般隻是有一個FRR,并在其中同時對順､逆時針方向的光路進行傳播,兩路光波分别實作不同的功能,分别進行頻率鎖定與解調輸出｡
結合現有研究可知,背向散射光會對另一路的光波形成一定的幹擾,是以,背向散射噪聲的存在必然會影響到傳統R⁃FOG的精度｡在本文研究中設計了一種雙環腔結構,該結構的基本特征如下所示:在相同的時間,在一個FRR中傳播的光波僅有一路｡該結構的優勢在于能夠有效地抑制背向散射噪聲,這與結構中的兩個諧振腔直接相關,二者尺寸一緻,并且使用完全相同的光纖,上下水準疊放設計,進而滿足噪聲壓制的要求｡
二、信号檢測方法研究
在本文研究中分析了偏振噪聲對于傳統R⁃FOG信号檢測産生的影響,首先對傳統檢測方法的基本原理進行介紹｡本文基于三角波頻率調制進行分析,通過PM實作對光信号的等效移頻,移頻量大小為±2fm,其中,fm為調制載波的頻率｡
采用閉環回報方式,将中心頻率f0鎖定CW方向的諧振頻率,根據FRR敏感角速率進行分析,如果取值為零,則CW,CCW兩方向的諧振頻率是一緻的,而f0+2fm和f0-2fm的光強同樣保持一緻,在這種情況下,光電探測器将會形成水準的電壓信号,并且幅值保持較高的穩定性｡
但是在FRR相對慣性空間旋轉的情況下,則f0+2fm和f0-2fm的光強出現一定的差異性,此時将輸出方波電壓,其幅度在某個範圍内和頻移Δf表現為線性相關性,在此基礎上即可擷取到對應的旋轉角速率｡
如果處于理想條件下,在保偏光纖内傳輸的光波應該屬于線偏振光,然而受到諸多因素的影響會出現部分偏振光,一方面與溫度等外部因素的變化有關,另一方面可能與器件中的偏振軸對軸誤差相關｡
除了上述因素之外,在偏振軸折射率出現變化的情況下,可能會出現偏振波動問題,此時本征偏振态間的相位差ΔβL會出現變化｡根據目前的研究可知,R⁃FOG性能會受到偏振波動的影響｡在溫度改變,并且兩本征偏振态諧振中心頻率間隔基本等于零的情況下,總諧振曲線出現顯著的扭曲現象,最終降低了R⁃FOG檢測的精度｡
針對是否存在偏振波動的諧振曲線進行仿真研究,各個參數設定如下:耦合系數設定為kc=0.06,耦合器偏振軸熔接角度誤差為6°,耦合器損耗αc=0.12 dB,ΔβL=π/60,雷射器中心波長λ=1550 nm,光纖環長L=10 m。
在存在偏振波動的情況下,諧振深度和對稱度相對于理想條件均會出現一定的變化｡根據R⁃FOG調相譜檢測動态特性分析可知,Δf<<2fm,用f0+2fm和f0-2fm分别檢測諧振曲線的兩端｡在光纖陀螺相對慣性空間保持靜止的情況下,諧振曲線形态顯著變化,f0+2fm與f0-2fm的光強出現變化,二者難以保持一緻｡
在存在偏振波動的情況下,偏振曲線兩側變化不同,隻是對諧振曲線的一側産生顯著的影響,導緻曲線形态出現較大變化,難以檢測信号｡但是,另外一側并未受到影響,是以依然能夠進行信号檢測,根據該現象為信号檢測提供了一種新的思路｡
