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谐振型光纤陀螺(RFOG)因具有敏感光纤短和体积小等优点而备受关注。分析了激光线宽、光纤环形谐振腔(FRR)及检测技术对RFOG灵敏度的影响。依据RFOG信号检测方法, 推导了受光电检测器灵敏度限制的RFOG灵敏度公式, 并给出了考虑激光线宽和腔内偏振轴90°旋转的RFOG灵敏度修正公式。基于多光束干涉原理,分析了数字调相电压的误差和噪声对灵敏度的影响。仿真结果表明, 为获得高灵敏度, 针对不同的激光线宽应选取不同的FRR腔长, 偏振轴90°旋转熔接的两边长度差应为保偏光纤半拍长的奇数倍, 数字调相电压的噪声方均根值应小于0.22 V。该工作为高精度RFOG的设计提供了理论指导。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Jul
y
谐振型光纤陀螺的灵敏度分析
蒋 治 国
,
胡 宗 福
同济大学电子与信息工程学院
上海
摘要
谐振型光纤陀螺
因具有敏感光纤短和体积 小等 优点而 备受 关注
分析 了激 光线宽
光 纤环 形谐 振
腔
及检测技术对
灵 敏 度 的 影 响
依 据
信 号 检 测 方 法
推 导 了 受 光 电 检 测 器 灵 敏 度 限 制 的
灵敏度公式
并给出了考虑激光线宽和腔内偏振轴
旋转 的
灵敏 度修 正公式
基于 多光 束干涉 原
理
分析了数字调相电压的误差和噪声对灵敏度的影响
仿真结果表明
为获得高 灵敏 度
针对 不同 的激光 线宽 应
选取不同的
腔长
偏振轴
旋转熔接的两边长度差 应为 保偏 光 纤半 拍长 的 奇数 倍
数 字调 相电 压 的噪 声方
均根值应小于
该工作为高精度
的设计提供了理论指导
关键词
光纤光学
光纤陀螺
光纤环形谐振腔
灵敏度
激光线宽
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
Anal
y
sisonSensitivit
y
ofResonantFiberO
p
ticG
y
ro
Colle
g
eo
f
ElectronicsandIn
f
ormationEn
g
ineerin
g
Ton
gj
iUniversit
y
Shan
g
hai
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
上海航天科技创新基金
作者简介
蒋治国
男
博士研究生
主要从事光纤传感方面的研究
导师简介
胡宗福
男
博士
教授
博士生导师
主要从事光纤传感和微波光子学方面的研究
通信联系人
引
言
谐振型光纤陀螺
是实现高精度
小型化和低 成本光纤陀 螺的重要途 径
与干涉型光 纤陀螺
相比
同样灵敏度下的
光纤长度仅为几米至几十米
热致非互易性得到大幅降低
高精度
亟
待突破的关键技术包 括 窄 线 宽 低 相 位 噪 声 光 源
单 偏 振 态 高 精 细 度 环 形 腔
和 高 精 度 调 制 与 解 调 技
术
光纤陀螺的零偏稳定性和随机游走系数
是突破关键技术中需改善的两个重要指标
随机游走系数
在工程上可表征陀螺角速度输出白噪声的大小
白噪声的大小决定了陀 螺的灵敏度
从某种意义 上讲
随
机游走系数体现了陀螺仪的灵敏度水平
因此
研究光源
环形腔和检测技术的 特性
对研究陀螺 灵敏度的
中
国
激
光
影响机理至关重要
的光路和光电检测过程中均会产生 噪声
从而影响 灵 敏度
本文分析 了 光源线宽
环形腔偏 振
轴
旋转熔接
相位调制器的误差以及噪声对光纤陀螺灵敏度的影响
给出了
的灵敏度与光电检测
器灵敏度
光纤环形谐振腔
的特性
光源线宽
偏振轴
旋转熔接
数字相位调制信号误差以及噪声
之间的关系
的特性
的结构示意图如图
所示
的带阻
或带通
特性如图
所示
图中
R
为自由光谱宽
度
R
τ
设构成
的耦合器的耦合系数
环程插入损耗和环程时间分别为
K
γ
和
τ
假设输入
光为理想的单频激光
则光波场可表示为
E
t
=
E
ω
t
+
φ
( )
式中
E
ω
和
φ
分别为激光的幅值
角频率和初相位
不计光纤的传输损耗
则具有带阻与带通特性的
端口的输出
E
t
和
E
t
可分别表示为
E
t
=
E
ω
t
+
φ
( )
γ
-
K
+
γK
-
ω
τ
+
( )[ ]
+
γK γ
-
K
-
ω
τ
+
( )[ ]
+
{
γK
γ
-
K
[ ]
-
ω
τ
+
( )[ ]
+
}
E
t
=
E
γK
ω
t
+
φ
+
( )
+
γ
-
K
ω
τ
( )
+
γ
-
K
[ ]
-
ω
τ
( )
+
{
γ
-
K
[ ]
-
ω
τ
( )
+
的
端口输出的光强度
I
和
I
可分别表示为
I
=
γ
-
K
-
γ
-
γ
-
K
[ ]
+
γ
-
K
ω
τ
{ }
I
=
γK
-
γ
-
K
[ ]
+
γ
-
K
ω
τ
的有效精细度
F
可表示为
F
=
γ
-
K
-
γ
-
K
设
中
的腔长为
L
自由光谱范围
υ
=
c
nL
n
为光纤折射率
c
为真空中光速
则
的
带宽
υ
=
c
nLF
图
结构示意图
的带阻
或带通
特性
光电检测器限制的灵敏度公式
通常
的信号检测方法是将顺时针
或逆 时针
方向光锁定 在
谐振频率上
检
测另一方向
或
的谐振频率
最后根据
与
谐振频率差计算转动角速度
采用双频调制
实现
谐振频率的检测
即对
和
输入光进行 双频数字相 位斜波调制
对于闭环
假
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