基于高靈敏超導(dǎo)探測器的新型脈沖光高精度光纖陀螺技術(shù)研究

王 巍，馮文帥，于海成

（1.中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京100048；2.北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

0 引言

光纖陀螺是一種沒有機(jī)械轉(zhuǎn)子的全固態(tài)慣性儀表,具有質(zhì)量小、體積小、功耗低、可靠性高、工作壽命長、啟動速度快、測量范圍大、供電電源簡單、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等諸多優(yōu)勢。此外,光纖陀螺還具有精度高、適用面廣、適于批量生產(chǎn)及成本低等優(yōu)點,且其精度可以覆蓋從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級、從軍用到民用等多種領(lǐng)域。

由于光纖陀螺本身各種誤差源和應(yīng)用環(huán)境的影響,光纖陀螺輸出信號中存在各種隨機(jī)誤差項,包括隨機(jī)漂移和輸出噪聲。其中,輸出噪聲大小是衡量光纖陀螺精度水平的重要指標(biāo)。從光纖陀螺敏感輸入到信號檢測,其過程中產(chǎn)生的噪聲包括光信號自身的噪聲、形成干涉后的噪聲及信號檢測中產(chǎn)生的噪聲。信號處理檢測中,探測器光電轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生散粒噪聲、電流-電壓轉(zhuǎn)換電阻的熱噪聲、信號處理的量化噪聲以及前置放大器的噪聲等。相對光電噪聲而言,光纖陀螺Sagnac效應(yīng)信號本身卻相對微弱,如輸入角速率0.001（°）/h對應(yīng)的相位差為0.018μrad,光信號到達(dá)探測器的光功率一般小于100μW,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后調(diào)制在載波信號上的有用信號幅度通常在微伏（μV）量級,而探測器的輸出噪聲電壓為毫伏（mV）量級［1］。此外,現(xiàn)有陀螺典型工作方案的精度距離理論光學(xué)噪聲尚有1倍以上的差距。因此,為了提高光纖陀螺的精度性能,需要對噪聲進(jìn)行分析和分類,針對高精度光纖陀螺的組成特點,本文提出了一種新型的探測器及其陀螺技術(shù)方案。

1 光纖陀螺噪聲機(jī)理研究

1.1 高精度光纖陀螺噪聲分析

高精度光纖陀螺的精度極限主要由光纖陀螺檢測噪聲決定,一般可用角隨機(jī)游走系數(shù)來表征。光纖陀螺的角隨機(jī)游走主要由兩部分構(gòu)成,即光路干涉信號的信噪比和信號處理引入的噪聲。光路噪聲包括光電探測器的熱噪聲、光電轉(zhuǎn)換的散粒噪聲和光源拍頻引起的相對強(qiáng)度噪聲（Relative Intensity Noise,RIN）；信號處理過程的噪聲取決于信號處理電路多個環(huán)節(jié)的參數(shù),包括運算放大器的輸入電流噪聲、輸入電壓噪聲、A/D采樣轉(zhuǎn)換引起的噪聲、D/A轉(zhuǎn)換器的量化噪聲以及輸出數(shù)據(jù)的量化噪聲［1］。

總噪聲iN主要包括熱噪聲ither、 散粒噪聲ishot、相對強(qiáng)度噪聲iRIN等光路噪聲,以及運放的輸入電流噪聲iIamp、運放的輸入電壓噪聲iVamp、A/D轉(zhuǎn)換的噪聲iAD、D/A轉(zhuǎn)換的噪聲iDA和量化噪聲iQ等電路噪聲。光纖陀螺電路中的各項噪聲比光纖陀螺光路噪聲小1～3個數(shù)量級,對光纖陀螺的影響較小［2］。因此,精度極限主要由高精度光纖陀螺的光路噪聲決定。具體的噪聲分布如圖1所示。

圖1 各噪聲在脈沖光高精度光纖陀螺框圖通道中的分布Fig.1 Distribution of various noises in the pulsed light high-precision FOG

（1）熱噪聲

熱噪聲源自于探測器的暗電流和探測器跨阻抗放大器反饋電阻的Johnson熱噪聲,熱噪聲可以表示為

式（1）中,idark為光探測器的暗電流,k=1.38×10-23J/K為Boltzmann常數(shù),T為絕對溫度,RL為探測器的內(nèi)阻,e=1.6×10-19C為單個電子電量。

（2）散粒噪聲

散粒噪聲是光子轉(zhuǎn)換為電子時產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲,是沒有辦法消除的噪聲。散粒噪聲與注入探測器的光功率大小有關(guān),其引起的光電流噪聲可以表示為

式（2）中,ipin為探測器的電流。

（3）相對強(qiáng)度噪聲

采用寬帶光源時,探測器上相對強(qiáng)度噪聲引起的電流噪聲可以表示為

式（3）中,Δv為光源的頻譜寬度,它和光源光譜寬度Δλ的關(guān)系為

式（4）中,c為光速,λ為光信號波長。

陀螺的噪聲性能取決于信號的信噪比,而理論信噪比為靈敏度與單位帶寬內(nèi)噪聲比值的平方,忽略熱相位噪聲和量化噪聲,信噪比SNR可以表示為［3-4］

隨機(jī)游走系數(shù)和信噪比的關(guān)系可以表示為

式（5）～式（7）中的參數(shù)定義如表1所示。下面舉例高精度光纖陀螺各噪聲對光纖陀螺隨機(jī)游走系數(shù)的影響,各參數(shù)取值如表1所示。

圖2為不同相位偏置下光纖陀螺各噪聲對隨機(jī)游走系數(shù)的貢獻(xiàn)。由圖2可知,隨著相位偏置的增加,陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)逐漸減小。在高精度光纖陀螺的典型調(diào)制深度7π/8下,光源相對強(qiáng)度噪聲、探測器散粒噪聲和熱噪聲導(dǎo)致的光纖陀螺的隨機(jī)游走約為 3.4×10-5（°）/h1/2、 1.8×10-5（°）/h1/2和 1.3×10-5（°）/h1/2。當(dāng)相位偏置進(jìn)一步降低時,陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)受限于熱噪聲,將無法進(jìn)一步降低,甚至將出現(xiàn)噪聲增加的情況。

為了進(jìn)一步提升光纖陀螺的精度,對干涉儀的散粒噪聲、相對強(qiáng)度噪聲和熱噪聲以及電路檢測噪聲均需進(jìn)行有效地抑制。

表1 高精度光纖陀螺典型設(shè)計的參數(shù)Table 1 Typical design parameters of high-precision FOG

圖2 不同相位偏置下光纖陀螺各噪聲對隨機(jī)游走系數(shù)的貢獻(xiàn)Fig.2 Contribution of FOG noises to ARW coefficient under different phase modulation

1.2 光纖陀螺連續(xù)光因調(diào)制變化引起的尖峰脈沖對陀螺的影響分析

光源發(fā)出的連續(xù)光在調(diào)制信號的階躍處產(chǎn)生周期性的 “尖峰”。干涉光強(qiáng)的 “尖峰”是無用的噪聲信號,在傳統(tǒng)的光纖陀螺信號檢測電路中,“尖峰”信號和攜帶角速度信息的有用信號都被探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號,故探測器輸出的電壓信號中也存在著周期性的 “尖峰脈沖”。

由于尖峰脈沖幅值較大,一般會導(dǎo)致前置放大器的迅速飽和,使前置放大器不能工作在線性放大區(qū)。同時,前置放大電路中使用的運算放大器不是理想的器件,其從飽和工作狀態(tài)過渡到線性放大工作狀態(tài)需要一定的時間,這會導(dǎo)致探測器輸出信號的丟失,進(jìn)而影響光纖陀螺的精度性能。

“尖峰脈沖”的振鈴效應(yīng)使得其后端信號產(chǎn)生阻尼振蕩,對光纖陀螺的采樣造成干擾。高低溫下由于光纖環(huán)光纖長度以及折射率的變化,“尖峰脈沖”的寬度會發(fā)生改變,使得 “尖峰脈沖”對有用信號的影響也隨著溫度變化。離 “尖峰脈沖”越近,這種影響越嚴(yán)重［5］,如圖3所示。

圖3 探測器的 “尖峰脈沖”信號輸出Fig.3 The “spike pulses” signal output of detector

試驗結(jié)果分析［6］,光纖陀螺連續(xù)光因調(diào)制變化引起的尖峰脈沖對陀螺精度的影響可達(dá)20%以上。因此,需采取有效的抑制措施減小該誤差的影響。

1.3 探測器的噪聲及其檢測電路引入的陀螺誤差分析

噪聲電壓是衡量光電探測器噪聲性能水平的參數(shù),定義為無光輸入情況下光電探測器輸出電壓型號的有效值,高精度光纖陀螺用性能良好的光電探測器的噪聲電壓低于0.3mV。

在有光輸入工作狀態(tài)下,光電探測器模塊的噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲、1/f噪聲。熱噪聲來源于載流子的無規(guī)則熱運動,隨溫度升高而增加。散粒噪聲包括暗電流散粒噪聲和光子散粒噪聲,前者是由于熱激發(fā)作用而隨機(jī)產(chǎn)生的電子所造成的擾動,這種噪聲存在于所有光電探測器中；后者是由于每一瞬間到達(dá)探測器的光子數(shù)是隨機(jī)的,光激發(fā)載流子產(chǎn)生的起伏散粒噪聲。幾乎所有光電探測器中都存在1/f噪聲,它主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻區(qū),與光輻射的調(diào)制頻率f成反比,故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。在光纖陀螺中,當(dāng)達(dá)到光電探測器的光功率低于10μW時,散粒噪聲為主要噪聲,光纖陀螺的靈敏度主要受光電探測器散粒噪聲水平的限制［7-8］。

普通光電探測器的噪聲較大以及非理想檢測電路使光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)比光路的理論計算隨機(jī)游走劣化1倍以上,故需要采取更高靈敏度的探測檢測方案及陀螺技術(shù)方案。

2 基于高靈敏超導(dǎo)探測器的脈沖光工作方法

2.1 脈沖光高精度光纖陀螺超導(dǎo)檢測機(jī)理

普通光纖陀螺通常選用的光電探測器組件（PIntrinsic-N-Field Effect Transistor,PIN-FET）或雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode,APD）等探測器的檢測噪聲較大,影響了Sagnac信號的信噪比。超導(dǎo)納米線單光子探測器（Superconducting Nanowires Single Photon Detector,SNSPD）是一種具有極限感知能力的新型探測計數(shù)器。SNSPD的核心結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線蜿蜒覆蓋于幾到幾百平方微米（μm2）的面積上,形成光子接收區(qū)。

SNSPD的基本原理為：由于超導(dǎo)Cooper對能隙僅兆電子伏特（MeV）量級,故單個光子就能破壞大量超導(dǎo)Cooper對,光子信號則被高靈敏地轉(zhuǎn)換放大成脈沖電壓信號。SNSPD的較高靈敏度可實現(xiàn)單光子的檢測,SNSPD比APD探測器的靈敏度提升超過20dB,極大地提高了光纖陀螺探測器在微弱信號上的檢測能力。超導(dǎo)探測器實現(xiàn)較高的靈敏度檢測,其工作溫度在絕對零度量級且建立在脈沖光基礎(chǔ)上。若陀螺使用連續(xù)的光信號,將使其高靈敏的檢測能力下降。

因此,本文提出的脈沖光高精度光纖陀螺技術(shù)方案將光纖陀螺中連續(xù)的強(qiáng)光轉(zhuǎn)換為脈沖光,采用超導(dǎo)單光子探測器實現(xiàn)超高靈敏的脈沖光探測,大幅降低了干涉儀的熱噪聲等。同時,避免了不同本征周期間因探測器輸出電信號中 “尖峰脈沖”引起的誤差,進(jìn)一步提高了電路的檢測水平。

2.2 高精度光纖陀螺脈沖光高靈敏同步檢測方法

為了實現(xiàn)高精度光纖陀螺的脈沖光信號高靈敏檢測,本文提出了基于同步脈沖控制的陀螺全數(shù)字閉環(huán)處理方案,如圖4所示。

圖4 脈沖光高精度光纖陀螺信號處理電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of pulsed light high-precision FOG signal processing circuit structure

由陀螺FPGA控制陀螺脈沖光調(diào)制、超導(dǎo)探測器的開啟與關(guān)閉、A/D采集、信號解調(diào)和調(diào)制等。

光纖陀螺光源的脈沖光高速調(diào)制及超導(dǎo)探測時序控制如圖5所示,具體時序控制過程如下：

1）陀螺FPGA發(fā)出同步信號控制光源,產(chǎn)生符合探測器高靈敏檢測要求的脈沖光；

2）陀螺FPGA發(fā)出同步信號控制相位調(diào)制器（通常為Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件）,產(chǎn)生相位調(diào)制電壓信號,脈沖光經(jīng)過陀螺光路后產(chǎn)生帶有角速率信息的干涉光脈沖信號；

3）陀螺FPGA發(fā)出同步信號開啟超導(dǎo)探測器,實現(xiàn)對陀螺的干涉光信號高靈敏檢測,完成檢測后關(guān)閉超導(dǎo)探測器,以保持探測器下一次高靈敏的檢測狀態(tài)。

圖5 光纖陀螺光源的脈沖光高速調(diào)制及超導(dǎo)探測時序Fig.5 Pulsed light high-speed modulation and superconducting detection timing of FOG

2.3 高精度光纖陀螺低RIN的脈沖光產(chǎn)生方法

為了進(jìn)一步降低光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù),考慮到光源相對強(qiáng)度噪聲（RIN）占陀螺光路噪聲的比例較大,故本文實現(xiàn)的脈沖光為基于低RIN的脈沖光,其較低的RIN是通過半導(dǎo)體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）來實現(xiàn)的。

半導(dǎo)體光放大器在結(jié)構(gòu)和原理上與半導(dǎo)體激光器類似：結(jié)構(gòu)上,兩者都由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成；原理上,兩者都是基于受激輻射或受激散射原理來實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件,但半導(dǎo)體光放大器沒有光學(xué)界面反饋,不構(gòu)成激光放大所需的諧振腔。半導(dǎo)體光放大器的光學(xué)增益通過泵浦電流在有源區(qū)產(chǎn)生載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)建立。目前,大多數(shù)半導(dǎo)體光學(xué)放大器基于P-N雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),主要用于現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換和在線放大器等方面。

半導(dǎo)體光放大器通過受激發(fā)射對輸入光進(jìn)行放大。當(dāng)增加輸入光功率時,由于輸入光受激發(fā)射的消耗,半導(dǎo)體光放大器中的載流子密度下降,從而導(dǎo)致半導(dǎo)體光放大器增益下降。這種增益下降也就是半導(dǎo)體光放大器的增益飽和,它引起了放大特性的非線性［9］。

通常的半導(dǎo)體光放大器抑制光源相對強(qiáng)度噪聲方案如圖6所示。在光源和光纖陀螺其他光路之間增加半導(dǎo)體光放大器,通過調(diào)整光源輸入光功率、半導(dǎo)體光放大器的驅(qū)動電流、溫控工作點使SOA工作在飽和放大區(qū),降低光源進(jìn)入光纖陀螺的相對強(qiáng)度噪聲。選擇合適的工作點,可以降低相對強(qiáng)度噪聲10dB以上［2］。

圖6 常見的半導(dǎo)體光放大器抑制光纖陀螺相對強(qiáng)度噪聲方案Fig.6 A common scheme of SOA to suppress the RIN of FOG

高精度光纖陀螺使用的半導(dǎo)體光放大器典型產(chǎn)品如INPHENIX公司的工作波長為1550nm的IPSAD1501-5110型半導(dǎo)體光放大器,實物如圖7所示。

圖7 半導(dǎo)體光放大器實物圖Fig.7 Physical picture of SOA

在半導(dǎo)體光放大器實際使用中,低偏的摻鉺光纖光源（消光比＜0.1dB）經(jīng)由SOA放大后,光源消光比通常達(dá)1dB～3dB,光譜也發(fā)生了一定的變化,故在使用過程中需對陀螺光路進(jìn)行消偏與光譜整形［2］。根據(jù)IPSAD1501-5110型SOA器件的測試結(jié)果和理論計算,光源相對強(qiáng)度噪聲抑制效果可超過12dB。

3 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺精度仿真結(jié)果

3.1 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術(shù)方案

基于上述理論分析結(jié)果,本文提出的基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術(shù)方案如圖8所示。在經(jīng)典的混偏式光纖陀螺中增加了半導(dǎo)體光放大器及其控制電路,即實現(xiàn)脈沖光的工作方式,顯著降低了陀螺的光源相對強(qiáng)度噪聲。技術(shù)方案中使用了超導(dǎo)探測器進(jìn)行脈沖光的高靈敏檢測,降低了陀螺的熱噪聲,并避免了連續(xù)光因調(diào)制變化引起的尖峰脈沖對陀螺信號的影響。

圖8 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術(shù)方案Fig.8 Technical scheme of FOG based on pulsed light

3.2 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺精度仿真分析

（1）超導(dǎo)探測器對熱噪聲的抑制效果分析

在暫不考慮探測器檢測信噪比的影響且其余參數(shù)選擇同表1一致的前提下,對普通探測器在室溫（303K）和超導(dǎo)探測器在絕對零度附近（10K）條件下的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖9所示。

圖9 使用超導(dǎo)探測器后陀螺隨機(jī)游走系數(shù)的變化Fig.9 Difference of ARW coefficient after using superconducting detector

由圖9可知,基于超導(dǎo)探測器的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)指標(biāo)得到進(jìn)一步減小,隨機(jī)游走系數(shù)最小值從 3.53×10-5（°）/h1/2降低到 2.52×10-5（°）/h1/2,減小了約28.6%。

（2）使用半導(dǎo)體光放大器方案的RIN抑制效果分析

在使用上述超導(dǎo)探測器的仿真研究基礎(chǔ)上,通過半導(dǎo)體光放大器可降低光源的相對強(qiáng)度噪聲（RIN）,理論上光源相對強(qiáng)度噪聲抑制效果可超過12dB。本文結(jié)合目前報道的試驗結(jié)果［2］,將相對強(qiáng)度噪聲的抑制比選取為3dB,其余參數(shù)選擇同表1一致。如圖10所示,使用普通探測器（303K）和超導(dǎo)探測器（10K）作為對比曲線,使用超導(dǎo)探測器+低RIN光源為本次仿真曲線。

圖10 采用低RIN光源的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)對比圖Fig.10 Comparison of ARW coefficients with low RIN pulsed light

由圖10可知,使用超導(dǎo)探測器+低RIN光源的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)指標(biāo)在不同相位偏置下均有明顯減小,隨機(jī)游走系數(shù)最小值降低至2.0×10-5（°）/h1/2, 減小了約 20.6%。

（3）使用基于超導(dǎo)探測器+低RIN脈沖光方案的陀螺噪聲抑制效果分析

在上述超導(dǎo)探測器+低RIN光源的仿真分析基礎(chǔ)上,將光源的連續(xù)光改變?yōu)槊}沖光,避免了尖峰脈沖誤差的影響,結(jié)合采用高靈敏、低噪聲的超導(dǎo)探測器及其檢測電路,顯著降低了電路檢測誤差。根據(jù)理論分析與典型試驗驗證［6］,可使光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)進(jìn)一步降低約20%,其余參數(shù)選擇同表1一致。如圖11所示,使用普通探測器（303K）、超導(dǎo)探測器（10K）和超導(dǎo)探測器+低RIN光源作為對比曲線,使用超導(dǎo)探測器+低RIN脈沖光為本次仿真曲線。

圖11 采用低RIN脈沖光+超導(dǎo)探測器方案的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)對比圖Fig.11 Comparison of ARW coefficient using low RIN pulsed light and superconducting detector

由圖11可知,使用超導(dǎo)探測器+低RIN脈沖光方案的陀螺隨機(jī)游走系數(shù)最小值降低至1.6×10-5（°）/h1/2,減小了20%。考慮到本仿真分析使用的半導(dǎo)體光放大器降低了光源相對強(qiáng)度噪聲,選取的抑制比僅3dB,后續(xù)仍有較大的提升空間,陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)極限可進(jìn)一步地降低。

4 結(jié)論

通過對高精度光纖陀螺的噪聲進(jìn)行分析,對影響高精度光纖陀螺隨機(jī)游走系數(shù)檢測極限的熱噪聲、檢測噪聲、尖峰脈沖以及相對強(qiáng)度噪聲進(jìn)行了誤差分析與仿真研究。采用基于高靈敏超導(dǎo)探測器的新型脈沖光高精度光纖陀螺技術(shù)方案,可將光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)檢測極限從3.53×10-5（°）/h1/2降低到 1.6×10-5（°）/h1/2, 減小了約54.7%。本技術(shù)方案對超高精度光纖陀螺的檢測精度極限進(jìn)行了有重要參考意義的技術(shù)探索,為后續(xù)超高精度光纖陀螺的技術(shù)發(fā)展提出了研究方向。