高精度光纖陀螺相對強度噪聲抑制技術

胡旭東 吉世濤 洪偉 董拉加 陳一銘

（1、中國航天科技集團公司第九研究院第十六研究所，陜西 西安 710100）

（2、大連理工大學運載工程與力學學部，遼寧 大連 116081）

1 概述

經過四十多年的發展，光纖陀螺及其應用系統已逐步拓展到戰略級，已逐步成為裝備應用市場的主角[1,2]。目前，中、低精度光纖陀螺已經進入了工程應用階段[3]。但是因為光纖陀螺的工作原理及結構等方面的原因，一般存在著較大的噪聲[4]，高精度光纖陀螺采用基于放大自發輻射(ASE) 效應的摻鉺光纖光源，有著輸出功率高、波長穩定性好、相干性好，壽命長等優點[5]，但是較大的光功率導致光源相對強度噪聲(RIN) 成為影響陀螺精度的主要噪聲源，這制約高精度光纖陀螺的性能提高和工程應用，同時抑制RIN 也成為高精度光纖陀螺的研究熱點之一。

增加調制深度是最常見的方法，但是這種方法在高精度光纖陀螺中抑制效果十分有限，而且調制深度過大，會對光纖陀螺的動態范圍、沖擊性和熱穩定性產生影響，因此，適當的過調制僅作為RIN 抑制一種輔助手段，若想達到更優的抑制效果，還需借助其他抑制方法。目前采用的各種RIN 抑制方法，根據其特點，可分為光源處噪聲抑制法、電路噪聲相減法、光路噪聲相加法三種，本文通過梳理不同的RIN 抑制方法，對各類RIN 抑制方法進行綜述。

2 光源噪聲抑制法

由于RIN 與光源的輸出光譜相關，因此在光源處抑制RIN 也成為一種主要方法。

由于RIN 的大小與光源光譜譜寬成反比，因此，增加光源譜寬能夠直接減小RIN，這種方法無需陀螺的光路做任何改變，簡單、易實現，但是譜寬過大會對光源輸出光譜穩定性產生影響，此外，寬光譜光源的中心波長穩定性也會降低，從而導致標度因數劣化。

2001 年，Moeller 和Patrick 采用光功率大于200mW 光源，提出了一種低RIN 的光路方案，其光源及光路方案如圖1 所示[6]，該方案通過耦合器(PM tap) 從光源處提取少量輸出光，通過相對強度探測器(RIN detector) 使輸出形成負反饋至光源的調制器(modulator)，這樣便可使輸出光的波動部分形成負反饋來抑制波動，從而達到抑制RIN 的目的。這種方法能夠從光源處對RIN 進行抑制，不需要改變陀螺的其他光路結構，更不需要改變電路。

圖1 采用光強反饋抑制RIN 的光路方案

除了上述兩類方法，在光源輸出端后面進行濾波，也能達到抑制RIN 的目的。一般所用的濾波器為半導體光放大器(SOA)，SOA 的特性如圖2 所示，當輸入功率增大到一定程度時，SOA 進入增益飽和區，此時即使輸入功率波動較大，其輸出功率的波動也會急劇減小，這為高精度光纖陀螺采用的大功率ASE 光源提供了穩定的輸出功率。

圖2 SOA 放大特性示意圖

2012 年，Jia 等人在光源處增加半導體光放大器（SOA），利用SOA 的非線性放大特性實現了RIN 抑制，使RIN 降低了20dB 以上[7]。由于采用SOA 的光源方案實現過程簡單，具有較高的可靠性，眾多研究者開始用這種方法抑制高精度光纖陀螺RIN。2013 年，Hakimi 和Moores 采用如圖3 所示的光路方案使陀螺角度隨機游走系數降低了12dB，其測試結果如圖4 所示[8]。可以看出，相比于不采用RIN 抑制方案的光源，在采用SOA 方案后，角度隨機游走隨著光源功率的增大呈現明顯的降低趨勢。

圖3 采用SOA 光放大器的RIN 抑制光路

圖4 不同探測器接收光功率的角度隨機游走

綜上所述，采用SOA 抑制RIN 的方案實現簡單，僅需在光源后增加SOA 濾波器即可實現，可靠性高。但是SOA 本身作為一個濾波器，光源光波在通過SOA 時，輸出的波長與功率穩定性、光譜形狀等會受到影響，從而導致標度因數性能發生劣化，這在一定程度上限制了SOA 方案的應用。

3 電路噪聲相減法

圖5 Honeywell 公司Allan 方差測試結果

噪聲相減法的前提是干涉信號光與參考光之間的偏振態、信號延遲、幅度等參數需要很高的一致性，若兩束光一致性較差，還會導致噪聲不降反增的現象，這也是該方法研究與應用中的關鍵點之一。

4 光路噪聲相加法

該方法與電路噪聲相減法類似，需要將光源發出的光進行分光得到的含有轉速信息的信號光和不經過光纖環的參考光，不同的是，該方法一般通過光路設計，將信號光與參考光進行強度相加來實現對特定的解調頻率（一般為光纖陀螺的本征頻率）處的光源RIN 抑制。該方法最早于2000 年由德克薩斯農工大學的Polvnkin 等人提出[18]，從Polvnkin 等人的試驗結果（圖6）可以看出，該方法能夠使RIN 顯著降低。

圖6 Polvnkin 等人光路噪聲相加法測試結果

2014 年，法國iXBlue 公司介紹了一種RIN 抑制方法，光路圖方案如圖7 所示[19]，該方案延續之前信號光和參考光相加的思路，在參考光路中用90°的保偏光纖對準角實現強度相加，完全通過光路調整實現了噪聲相加，光路結構更穩定。此外，iXBlue 僅采用了一個探測器，節約了空間應用成本；沒有較強的調制深度，保證了良好的動態范圍；通過伺服系統控制調制深度，可以動態調整功率平衡。從其Allan 方差測試結果(圖8)可以看出，iXBlue 采用該方案使陀螺角度隨機游走降低了4 倍。

圖7 iXBlue 公司RIN 抑制方案

圖8 iXBlue 公司Allan 方差測試結果

由于光纖環的插入損耗，會使光路方案在最終進行強度相加時，信號光和參考光之間的強度不具有完全一致性，需要根據采用的光纖環長來調節保偏耦合器的分光比來實現，90°熔接點的不理想也會一定程度地影響RIN 抑制效果，另外，該方案在光路中增加了保偏耦合器(PM coupler) 和光隔離器(isolator) 等器件，由于器件本身對光譜的濾波作用，會使整個方案對RIN 抑制的有效性和穩定性產生影響。以上幾點也是該方案研究和應用的主要點。

5 結論

本文以國外公開發表文獻為參考，對高精度光纖陀螺中相對強度噪聲抑制方法進行了分類，介紹了各種RIN 抑制方法的原理及抑制效果，分析了不同RIN 抑制方法的特點，綜合上述材料可以得到以下結論：

5.1 過調制技術與增加光譜譜寬在一定程度上能夠抑制RIN，但是調制深度過大、光譜過寬會對陀螺性能產生較大影響，這兩種抑制方法可以作為輔助手段，與其他方法組合使用；基于SOA 的抑制方法因為具有容易實現、穩定性好的特點，有著較為廣泛的應用，國內外也有相繼報道；

5.2 電路噪聲相減法對兩束光之間的時間延遲一致性以及兩個探測器之間的一致性有著較高的要求，且兩束光之間的時間延遲、幅值、偏振態等的一致性實現較困難；

5.3 光路噪聲相加發從光路入手實現對光纖陀螺本征頻率處的RIN 抑制，這與高精度光纖陀螺的全數字閉環處理技術項契合，且該方案穩定性好。但是在應用中也需要注意控制兩束光的強度一致性，減少光器件影響等。

高精度光纖陀螺的相對強度噪聲抑制是提高光纖陀螺信噪比及隨機游走系數的研究熱點之一，另外部分應用場合對高精度光纖陀螺的環境適用性提出了更高的要求，在不同環境下相對強度噪聲的變化及其抑制也顯得尤為重要，需要進一步探索。