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光学陀螺仪研究进展
来源: | 作者:江西寻准智能科技 | 发布时间: 2020-01-14 | 374 次浏览 | 分享到:

 

从准确性、尺寸和/或成本的角度总结了当前三类光学陀螺仪的研究现状,这些陀螺仪的性能均优于最新的光纤陀螺仪(FOG)。第一种方法是用低相干激光器代替FOG中使用的时间不相干掺饵光纤源,该低相干激光器的线宽被由噪声驱动的外部相位调制器加宽到数十吉赫兹。最近,具有3.24 km线圈的FOG上采用了这种光源,产生的噪声和漂移接近战略级性能,并显示出低于1 ppm的光源平均波长稳定性。第二种方法是在FOG的感应线圈中使用空心光纤(HCF)以减少热漂移。使用250 m保偏空心光纤并采用加宽激光得到的FOG,受光纤表面模态引起的反向散射限制,噪声为0.135 (°)/h1/2;受偏振耦合控制,漂移为1.2 (°)/h。第三个研究关于由两个耦合环形谐振器组成的光学陀螺仪,在一个特殊点或其附近工作时,一个谐振器显示损耗,另一个显示增益。时域仿真预测,当在低于阈值的条件下操作并以传统的偏置和读出方案进行查询时,该陀螺仪的旋转灵敏度至少是相同半径(5 mm)和损耗(0.5 dB)的优化单环谐振器的170倍。由于该陀螺仪的足迹明显小于FOG,因此在新一代陀螺仪生产方面具有巨大潜力。

 

关键词

中空光纤;光纤陀螺仪;加宽激光器;相干性;光纤传感器;相位调制;惯性导航;特殊点;奇偶时间对称性

 

   

作为一种商业产品,干涉式光纤陀螺仪(IFOG)已经成功应用了三十年,在汽车、飞机和海底惯性导航、石油钻机稳定与定位等方面发挥了重要作用。先进FOG的稳定性已达到光纤传感器无法比拟的水平,在3 km范围内,稳定在约0.1 ℃,记录的误差漂移小至1.5×10-5 (°)/ h[1]。这代表光沿着3 km光纤积累的与总相位相关的相位误差为2.5×10-20。尽管取得了这些重大成就,但仍需要改进性能、尺寸和成本,从而将其扩展到其它大型市场。而这些改进肯定会需要发明和实施新的原理和/或技术。

 

1为本文涉及的FOG示意图,该图使用了与常规FOG基本相同的元素。由一个光源组成,该光源先馈入光纤环行器,然后馈入一个由Y形结闭合的保偏光纤线圈,形成萨格奈克(Sagnac)干涉仪。在进入线圈之前,光会通过一个高消光比偏振器进行偏振。在线圈中,用一对推挽式相位调制器调制光,从而对干涉仪进行动态偏置,以实现最大的旋转灵敏度。偏振器、Y形结和调制器均在铌酸锂(LiNbO3)多功能集成光学芯片(MIOC)上制造。Y形结将输入光分成顺时针和逆时针两部分信号,这些信号在盘绕的光纤中传播,在Y形结处重组并干涉,并在环行器的第三个端口输出。当线圈旋转时,这两个信号经历与旋转速度成比例的Sagnac相移,幅度相同但信号不同。这种差分相移导致干涉仪输出产生变化,该变化可在输出处测量。

 

由加宽的半导体激光器驱动的光纤陀螺仪示意图

掺饵超荧光光纤源(SFS)提供的宽带(非相干)光通常用于询问FOG,因为它基本上消除了光纤线圈中产生的几种主要相干误差机制,特别是后向散射[2]和偏振耦合[3-4]。这种用法有两个明显的缺点。一是FOG的标度因数(测得的输出信号与旋转速度相关)与SFS的平均波长成反比,而SFS的平均波长不够稳定,结果导致FOG标度因数的稳定性通常为10~100 ppm[5],而飞机导航要求为1~5 ppm[6]。二是SFS驱动的FOG噪声受限于SFS相对较大的过量噪声。另一个限制是FOG感应线圈中的热瞬变,它通过Shupe效应引起相位误差,这会限制零偏稳定性[6]。使用四极线圈绕组,可以大大降低此误差,但并不能满足高精度应用的需求。第四个限制因素是尺寸和成本。由于两者均需要较长的传感光纤,因此,一种通用的解决方案是研发新传感器,该传感器应具有以下特点:1)灵敏度足够高,因此需要少量的光纤;2)可以在集成电路上大批量低成本生产。

 

针对上述问题,本文研究了三种通用解决方案。第一个是新型半导体激光器,其线宽扩大到数十吉赫兹,可以替代SFS。这种时间不相干光源最显著的优点是它的平均波长可稳定到优于0.15 ppm[7],并且与SFS相比,多余的噪声可忽略不计。这样的光源可能更便宜并具有更高的转换效率。

 

第二种解决方案是采用空心光纤代替传感线圈中的常规实芯光纤。与传统的实芯光纤不同,在空心光纤中,基本模态几乎完全受限于空心光纤中包含的空气。与二氧化硅相比,空气对温度的依赖指数要低得多。因此,在使用空心光纤线圈的FOG中,残余Shupe效应会大大降低[8]

 

第三种解决方案是共同开发新一代旋转传感器。谐振陀螺仪之所以具有吸引力,是因为它们多次循环光(而不是像Sagnac干涉仪那样一次),因此,会累积更大的Sagnac总相位。当检测给定的旋转速度时,需要的光纤长度更短。谐振式光纤陀螺仪(RFOG)是谐振陀螺仪中最先进的,优势明显并具有出色的性能,但它们仍然相对复杂,且需要数十米用于惯性导航的光纤。由于奇偶时间对称耦合谐振器在其特殊点工作时,谐振频率对扰动(如旋转)极为敏感,因此,需朝着紧凑型、高灵敏度旋转传感的方向继续发展[9-10]

 

半导体激光器驱动的3.24 km FOG

对于使用1 km传统保偏光纤的FOG,为实现飞机导航级性能,后向散射系数约为-68 dB/m,偏振保持参数为10-5 m-1,询问光的带宽应大于10 GHz[4]。因为常规电信半导体激光器可实现的最大带宽约为100 MHz [11],高性能FOG通常会被掺铒SFS询问,掺铒SFS可提供几个THz的光学带宽。这远远超过了将不需要的相干效应降低到可以忽略的程度所严格需要的,但如前所述,这种选择会导致高过量噪声和不稳定平均波长。

为克服这些缺点,使用外部随机相位调制技术,用线宽大于10 GHz的激光测试3.24 kmFOG。该激光器是1550 nm朗讯D2525P激光器,取决于驱动电流,其标称FWHM2~10 MHz。用iXblue截止频率约为10 GHz3 dB Vπ相位调制器对激光器进行展宽,并将电压噪声信号转换成光的相位噪声。由50 Ω终端器中的热噪声产生扰乱激光输出相位的随机电压信号,并由六个Minicircuits ZX60-14012L前置放大器放大。噪声由Minicircuits ZX75HP147高通滤波器过滤,以降低1/f前置放大器的噪声。最后,信号被两个高功率放大器(SHF 100 CPSHF 100 CPP)放大到约28 dBm。该加宽激光器的带宽约为27 GHz,与未加宽激光器的带宽无关。为了获得最佳的相位噪声统计特性,该技术有效地将相干源的光学相干度破坏40 dB以上[7]FOG的配置如图1所示,带有3.24 km的保偏线圈。它是在开环配置下运行,为最大化信噪比,此时多功能集成光学芯片与方波调制偏差约为7π/8。为了将Shupe效应引起的漂移降至最低,将FOG放在保温盒中,从而使其温度保持在-0.025 ℃~ +0.025 ℃

 

FOG在静止状态下测得的稳定性如图2所示。虚线表示由未展宽的朗讯D2525P激光器驱动的FOG性能。加宽10 MHz激光使FOG的噪声(由τ-1/2曲线的系数确定)从约0.01 (°)/h1/2降低到约0.00045 (°)/h1/2,比SFS驱动的FOG30%。经过进一步研究,发现这种激光驱动FOG的噪声,主要由方波偏差调制的有限上升和下降时间的尖峰引起的[12]。在受到光电探测器跨阻放大器中的热噪声限制时,通过选通加宽激光器驱动FOG中的这些尖峰,可将噪声减小到低于0.0001 (°)/h1/2。展宽也可将漂移(从Allan偏差最小值推断)从0.440 (°)/h降低到0.0055 (°)/h,仅比SFS询问的同一FOG漂移高34%。角度随机游走不仅满足飞机导航的要求(<0.005 (°)/h1/2),而且还超过了战略级运行的要求(<0.0003 (°)/h1/2[13];漂移超过飞机导航的要求(<0.01 (°)/h),并且接近战略级要求(<0.001 (°)/h)。对于激光驱动的FOG,以上数据是最低的噪声和漂移。这项工作确立了半导体激光器用于飞机惯性导航FOG的可行性。

 

由未展宽和展宽的10 MHz激光器或SFS驱动FOG测得的Allan偏差

 

采用保偏空心光纤的FOG

第一代空心光纤FOG使用了Blaze Photonics235 m非保偏近单模7孔空心光纤(HC-1550-02)。将空心光纤末端以90°劈开,然后与多功能集成光学芯片的80 μm实芯光纤尾纤的斜切面对接[8]。在SFS的驱动下,该陀螺仪的实测角度随机游走为0.022 (°)/h1/2,漂移为0.94 (°)/h。漂移可能受限于对接耦合光纤的连接稳定性[8]

 

本文报道的第二代产品中,实现了两项关键改进。首先,空心光纤直接固定在多功能集成光学芯片的角度输出面上,这样可以减少Fresnel反射,增加透射率,并提高机械稳定性和坚固性。其次,空心光纤是保偏7孔光纤(NKT PhotonicsHC-1550-PM-01)。保偏光纤的使用减小了偏振耦合误差[14],并消除了上一代空心光纤FOG中为防止信号衰落,而使用有源偏振控制。这种新空心光纤 FOG按照图1的配置进行操作,将长度为250 m的光纤盘绕在4 cm的线轴上,正弦波偏置在1.84 rad的相位偏置下以获得最大灵敏度。为了与商用(实芯)FOG进行基线比较,首先对空心光纤FOG进行了SFS询问。它的实测角度随机游走为0.048 (°)/h1/2,实测漂移为0.51 (°)/h1/2。角度随机游走受SFS的过多噪声限制,可与之前的空心光纤FOG的角度随机游走相当[8]。该漂移比以前的空心光纤FOG报告的漂移低3.4倍。

 

3a为采用22.5 GHz增宽激光器询问的空心光纤FOG1 h测试内获得的Allan偏差。从该曲线推断出角度随机游走为0.135 (°)/h1/2,测得的漂移为1.2 (°)/h1/2,其中,漂移受极化耦合的限制。根据文献[4]开发的模型,考虑到多功能集成光学芯片输入端保偏接头的角度未对准公差,该漂移确定了NKT提供的保持参数(10-3 m-1)和双折射(Δn> 2×10-4)。

加宽激光器驱动的空心光纤FOG的角度随机游走受耦合到高散射、窄线宽表面模态的限制。通过扫描8 kHz可调激光器(HP 81682A)的波长,对1543.78 nm附近的空心光纤FOG损耗谱进行高分辨率(0.1 pm)测量,如图3b的实线所示。被视为尖峰的表面模态比非保偏空心光纤的预测要密集得多[15],每纳米约70个表面模态。如图3b所示,激光光谱变宽,与大量表面模式重叠。由于后向散射噪声与光纤散射系数的平方根成正比,与光线宽的平方根成反比,因此,当对FOG采用加宽激光时,耦合到这些表面模态很可能造成后向散射噪声。

 

3 a1 h运行加宽激光驱动的空心光纤FOG测得的Allan偏差;

b8 kHz可调激光器测得的空心光纤FOG的往返损耗谱,以及加宽激光在1543.78 nm附近测得的归一化强度谱

本文证明了采用传统宽带光源或加宽激光器驱动时,保偏空心光纤FOG的机械稳定性得到改善,并且比以前使用空心光纤FOG的漂移更低。测试表明,该空心光纤中存在密集的表面模态,可能会引起明显的噪声。改进的光纤设计可消除这些表面模态,降低FOG的角度随机游走。由于冻结毛细管波的表面散射是空心光纤中损耗和后向散射的主要原因,因此,减少基本模态与核心区域膜之间的重叠也会减少后向散射噪声[16]。可通过将核心尺寸从7个单元增加到19个单元,实现减小基本模态在膜上的场强[17]。为了减少加宽激光器驱动的空心光纤FOG的漂移,还必须改善空心光纤的偏振保持特性。更大的核心保偏空心光纤,如来自OFSPRISM光纤[18],可能是下一代空心光纤FOG的合适候选者。

 

在特殊点附近工作的损耗增益陀螺

特殊点是指某些光子谐振设备中的特殊工作点,处于特殊点时,谐振频率对外部扰动(如旋转)变得极为敏感。如图4所示的PT对称耦合环陀螺仪是陀螺仪中实现特殊点的几种可能方式之一[9]。它由两个半径相等且传播常数相等的环形谐振器耦合在一起。第一环表现出γ1的损失率,第二环含有一个泵浦增益介质,显示出γ2的增益率。当环之间的耦合率k等于γ1+γcγc是由于输入耦合器导致的第一个环的附加损耗)和γ2的平均值时,得到特殊点。


用外部激光器探测的损耗增益耦合环形谐振器的总体示意图

通过仿真预测到超过激光阈值(图4无激光输入信号),且忽略增益饱和,当在特殊点工作时,该传感器会产生Sagnac频移(旋转响应会发生多少谐振位移),比单环谐振器大约10-8(以地球速度的0.1%旋转)[9]。为了利用这种增强,文献[9]提出了一种在竞争激光模态之间测量拍频的方法。由于至少在一个快速照明陀螺仪中,频移得到了极大增强,但这种增强并不会导致更高的旋转灵敏度[19]。因此,需要进一步仿真以确定这种增强的Sagnac频移是否可以用来生产更灵敏的旋转传感器。

 

为更完整的评估这种传感器指标,在最近的工作中,模拟了传感器在不同条件下的运行情况,即低于激光阈值以及当它受耦合到损耗环的探测激光器发出的窄线宽光的询问时,放置在输入波导另一端的检测器以类似于RFOG的操作方式,测量旋转引起的检测功率变化[20]。灵敏度定义为

Pin-1 dPout/dΩ,其中Pin是输入功率、Pout是检测到的功率、Ω为旋转速率。为简化复杂的时域仿真,选择传感器参数,尤其是增益、损耗和输入探头功率,以使增益环中的循环功率足够小,不会使增益饱和。仿真结果表明,当在其特殊点运行,各种传感器参数特别是输入耦合率γc和探头频率ω得到优化后(如图4所示),对于5 mm环半径和0.5 dB损耗的损耗增益耦合环陀螺仪,其旋转灵敏度是和具有相同环半径和损耗的单环谐振器灵敏度的110[21]。因此,受限于检测器噪声,该陀螺仪的最小可检测旋转速度(或等效的角度随机游动)被预测为小110倍(或者更好)。正如大多数其它传感器的行为所预期的,低于阈值的特殊点处的谐振频移仍具有极大的余量(是地球速度的0.1%,约108量级),但旋转灵敏度却提高了很多。可能原因是因为光学传感器的灵敏度通常不能仅通过谐振频移来表征。有趣的是,参数优化搜索显示,当此传感器在特殊点上操作时,不会出现最大旋转灵敏度;但是通过调整环间耦合实现环与特殊点过度耦合11%时,旋转灵敏度比优化的单环谐振器提高170倍。损耗增益耦合环形谐振器的增强旋转灵敏度(在阈值以下工作)取代的是谐振器中存在的增益(与特殊点的存在相反)。谐振器可以获得增益以补偿其部分损耗,从而产生较小的净损耗和较大的灵敏度[22]。损耗增益谐振器可使用增益补偿来增强灵敏度。净损失越小,结构中的光循环次数就越多,因此,总的Sagnac相移也会累积,尽管这并不是提高灵敏度的唯一原因。

 

研究表明,当使用成熟的偏置技术和读出方案进行操作时,损耗增益耦合陀螺仪将显示出巨大的前景,有望彻底改变旋转传感领域。通过使用较大的增益值并允许循环功率变得尽可能大,可以期望最小可检测转速得到增强甚至达到上述报告的170倍。这项技术很可能会在不久的将来生产出一种惯性级光学陀螺仪,该陀螺仪使用大规模生产的芯片技术制造,仅为几平方厘米。


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