基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法。本方法首先将光纤熔接点和耦合器作为节点，对差分双干涉式光纤陀螺光路上的尾纤与光纤进行分段标识，并获得宽谱光源去相干长度；其次获取两路陀螺主波列、一次及二次偏振交叉耦合波列的幅值及相位；然后将在陀螺输出端具有相同偏振态的波列的相位进行两两相减，获取相位差；最后将相位差转换为光程差，构造不等式组，使得主波间满足相干条件，主波与耦合波列间、耦合波列与耦合波列间满足去相干条件，根据不等式组调整各段光纤和尾纤的长度。本发明实现了差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差的有效抑制，提高了差分双干涉式光纤陀螺的检测精度。

说明书

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及一种基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非 互易误差抑制方法。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势， 如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽； 抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于 各领域。

国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式，即利用一套光路（一个保偏光纤环）的快轴或 者慢轴实现SAGNAC干涉仪，通过分别按照顺时针（CW）、逆时针（CCW）传播的两束主 波列之间的干涉来解算载体转动导致的SAGNAC相移。这种干涉仪虽然结构简单，但是随着 光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出，以现有的技术和 工艺水平，在维持精度的前提下，进一步减小体积、重量很难实现突破，反之亦然。

差分双干涉式光纤陀螺是在一套光路（一个保偏光纤环）中，利用其快轴和慢轴分别实 现一个SAGNAC干涉仪，这两路干涉仪的输出呈现差分形式，经过差分解算以后，SAGNAC 效应得到加倍。由于光路系统中无起偏器，且同时利用保偏光纤的两个偏振态，使得两路干 涉仪的偏振态相互影响，一方面增加了其偏振非互易误差的幅值，另一方面增大了偏振非互 易误差的复杂度，使其产生机理不同于传统光纤陀螺。由于偏振非互易误差随温度变化呈现 波动性，严重影响了陀螺的实际应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述由于偏振非互易误差随温度变化呈现波动性，从而影响陀 螺实际应用的问题，提出一种基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方 法。

本发明的基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法，包括如下步 骤：

步骤1：将光纤熔接点和耦合器作为节点，对差分双干涉式光纤陀螺光路上的尾纤与光 纤进行分段标识，每相邻的两个节点之间一段尾纤或光纤做一个标识；获得宽谱光源去相干 长度L_dc；

步骤2：获取两路陀螺主波列的幅值和相位，获取两路陀螺产生一次及二次偏振交叉耦 合波列的幅值及相位；

步骤3：将在陀螺输出端具有相同偏振态的波列的相位进行两两相减，获取相位差；

对于某路陀螺，陀螺的主波列、产生的二次偏振交叉耦合波列以及另一路陀螺产生的一 次偏振交叉耦合波列具有相同偏振态，将其中具有相同偏振态的任意两个波列的相位相减获 取相位差，获取该路陀螺的一组相位差；

步骤4：将步骤3获得的相位差转换为光程差；

步骤5：构造不等式组，使得主波间满足相干条件，主波与耦合波列间、耦合波列与耦 合波列间满足去相干条件，根据不等式组调整各段光纤和尾纤的长度。

所述的不等式组表示如下：

|ΔOPD_1,2|<L_dc；

|ΔOPD_p,q|>L_dc,，1≤p≤n,1≤q≤n,且p≠q,p=1时q≠2,p=2时q≠1；

其中，ΔOPD_p,q表示第p个波列和第q个波列的光程差，ΔOPD_1,2表示两主波的光程差。

所述的步骤3中，设某路陀螺在输出端共有n（n为正整数）个具有相同偏振态的波列， 则其中第p个波列和第q个波列的相位差为：

1≤p≤n,1≤q≤n,且p≠q

和分别表示第p个波列和第q个波列的相位。

所述的步骤4中，依据下面公式将相位差转换为光程差ΔOPD_p,q：

其中，λ是入射光波的波长。

本发明提供了一种针对差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差的抑制方法，相比现有技 术具有以下如下优点和积极效果：

（1）可降低对光路系统中光纤熔接点、耦合器等器件参数的要求；

（2）方法简单，易于实现，偏振非互易误差抑制效果显著。

附图说明

图1是差分双干涉式光纤陀螺光路系统原理框图；

图2偏振交叉耦合点及各尾纤示意图；

图3是熔点O₁处光波传输示意图；

图4是光纤对轴熔接示意图；

图5是一次和二次偏振耦合波列产生示意图；

图6是本发明的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑制方法流程示意图；

图7是尾纤匹配前陀螺输出波形；

图8是尾纤匹配后陀螺输出波形；

图中：

1-光源 2-第一耦合器 3-波导 4-第二耦合器 5-双折射相位调制器 6-光纤环 7-偏振分束器 8-输入波列 9-一次耦合波列 10-二次耦合波列 11-主波列  

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

本发明是一种基于差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差的抑制方法，双干涉光纤陀螺 光路系统原理框图如图1所示。

光源1与第一耦合器2的A端以45°熔接于熔点O1，第一耦合器2的C端与波导3的一 端以0°熔接于熔点O₂，波导3的另一端与第二耦合器4的A端以0°熔接于熔点O₃，第二耦 合器4的C端与双折射相位调制器5的A端以0°熔接于熔点O₄，双折射相位调制器5的B 端与光纤环6的一端以0°熔接于熔点O₇，光纤环6的中点O₈为90°对轴熔接，同时光纤环6 的另一端与第二耦合器4的D端以0°熔接于熔点O₉，第一耦合器2的B端与偏振分束器7 的输入端以0°熔接于熔点O₁₀。双折射相位调制器5的A端和尾纤熔接于熔点O5，双折射相 位调制器5的B端和尾纤熔接于熔点O₆。将光纤熔接点和耦合器作为节点，相邻的两个节点 之间的一段尾纤或光纤做一个标识。将图1所示光路简化后，得到如图2所示的偏振交叉耦 合点及各尾纤示意图。图2中的C₁和C₂分别代表第一耦合器2和第二耦合器4。

光路系统中10个光纤熔接点O₁～O₁₀和2个耦合器C₁,C₂将整个光路的光纤和尾纤分为 11部分L₁～L₁₁，其中包括9段尾纤和2段光纤环。如图3所示，在O₁处光波分别沿快轴和 慢轴传输。图4为不同角度熔接光纤的示意图。假设第一路陀螺的入射光波经45°熔接点 O₁后沿保偏光纤的快轴传输，若光纤熔接点存在角度误差、耦合器存在偏振串音，该熔接点 O₁即为一个偏振交叉耦合点，光波传输至该交叉耦合点时，部分光波会耦合至与主波正交的 慢轴中进行传输，由此产生的波列即为一次耦合波列；一次耦合波列经90°熔点O₈后进入 保偏光纤的快轴中传输，而主波经90°熔点O₈后进入保偏光纤的慢轴传输，在此后交叉耦 合点会产生在快轴中传输的一次耦合波列。第一路陀螺的这些一次耦合波列与第二路陀螺的 主波具有相同偏振态，因此可能会与第二路陀螺的主波发生干涉，其干涉相位差与主波干涉 相位差不同，产生偏振非互易误差。如图5所示，为一次和二次偏振耦合波列示意图。

若光波经一次耦合后在下一个偏振交叉耦合点耦合回原偏振态，可能会与自身陀螺的主 波发生干涉，也会产生一个偏振非互易误差。因一次耦合波列的幅值大于二次耦合波列，因 此两路陀螺之间偏振态的相互影响是差分双干涉光纤陀螺偏振非互易误差的主要因素。

如图6所示，为本发明提供的基于尾纤匹配的差分双干涉式光纤陀螺偏振非互易误差抑 制方法的流程示意图，下面结合实例进行具体说明。

步骤1：将光纤熔接点和耦合器作为节点，对差分双干涉式光纤陀螺光路上的尾纤与光 纤进行分段标识，每相邻的两个节点之间一段尾纤或光纤做一个标识；获得宽谱光源去相干 长度L_dc。本发明实施例中，如图2所示，标识了11段光纤和尾纤L₁～L₁₁。

步骤2：获取两路陀螺主波列、一次及二次偏振交叉耦合波列的幅值及相位。

以第一路陀螺为例，沿顺时针、逆时针传播的主波A₁和A₂可分别表示为

其中，k₁、k₂分别表示顺时针、逆时针传播的主波列的幅值系数；E₀表示入射光波的幅 值；分别表示顺时针、逆时针传播的主波列的相位；ω表示光波震动角频率；为光 波初相位；分别为顺时针、逆时针传播的主波列经波导后的相位延迟；表示t时 刻对快轴光波的调制相位，表示t-τ时刻对慢轴光波的调制相位；为光纤陀螺转动 Sagnac相移。

主波列的幅值系数

$k_1=k_2={\cos }^2{\theta }_2{\cos }^2{\theta }_3\cos {\theta }_4\cos {\theta }_5\cos {\theta }_6\cos {\theta }_7\sin {\theta }_8{\theta }_9{\sqrt{(1-r_1)}}^2{\sqrt{(1-r_2)}}^2$

其中，θ₂,θ₃,…,θ₉分别为熔接点O₂,O₃…,O₉的熔接角度，r₁为第一耦合器2的交叉耦合率， r₂为第二耦合器4的交叉耦合率。

以第一路陀螺的一次耦合波列为例，一次耦合波列的幅值系数k₃、k₄…分别表示为：

$k_3={\cos }^2{\theta }_2{\cos }^2{\theta }_3\cos {\theta }_4\cos {\theta }_5\cos {\theta }_6\cos {\theta }_7\sin {\theta }_8{\theta }_9{\sqrt{(1-r_1)}}^2{\sqrt{(1-r_2)}}^2$

$k_4=\sin {\theta }_2\cos {\theta }_2{\cos }^2{\theta }_3\cos {\theta }_4\cos {\theta }_5\cos {\theta }_6\cos {\theta }_7\sin {\theta }_8{\theta }_9{\sqrt{(1-r_1)}}^2{\sqrt{(1-r_2)}}^2$

…

在得到两路陀螺所有波列的相位和幅值后，将得到第一路陀螺主波产生的一次偏振交叉 耦合波列和第二路陀螺主波产生的二次偏振交叉耦合波列在输出端具有相同偏振态。沿顺时 针传输的某个耦合波列A_iCW和沿逆时针传输的某个耦合波列A_iCCW可表示为如下：

其中，i为正整数，用来标识某一耦合波列；k_i1为沿顺时针传输的耦合波列的幅值系数， k_i2为沿逆时针传输的耦合波列的幅值系数；为沿顺时针传输的耦合波列的相位，为沿逆 时针传输的耦合波列的相位；为沿顺时针传输的耦合波列经波导后的相位延迟，为沿 逆时针传输的耦合波列经波导后的相位延迟；表示t时刻对快轴、慢轴光波的调制相位， 表示t-τ时刻对快轴、慢轴光波的调制相位。

因上可知，偏振非互易误差的大小与光纤熔接点角度误差、耦合器的交叉耦合率有关， 通过降低熔接点的熔接误差和耦合器的交叉耦合率来有效减小偏振非互易误差，但熔接点和 耦合器的参数精度要求非常高，实际中较难实现。因此在耦合波列存在的条件下，若令耦合 波列与主波间满足去相干，可有效减小偏振非互易误差的产生。

步骤3：将在陀螺输出端具有相同偏振态的波列的相位进行两两相减，获取相位差。

对于第一路陀螺，第一路陀螺的主波列、第一路陀螺产生的二次偏振交叉耦合波列以及 第二路陀螺产生的一次偏振交叉耦合波列具有相同偏振态，将这组波列中任意两个波列的相 位相减获取相位差。

同理，对于第二路陀螺，第一路陀螺产生的一次偏振交叉耦合波列、第二路陀螺的主波 列以及第二路陀螺产生的二次偏振交叉耦合波列具有相同偏振态，将这些波列作为一组，将 其中任意两个波列的相位相减以获取相位差。

因两路陀螺光波在光路中传输时经历快、慢轴光程具有对称性，故只需得到其中一组偏 振态波列相位差即可。

设某路陀螺输出端具有n（n为正整数）个相同偏振态波列，则其中第p个波列和第q个 波列的相位差为：

1≤p≤n,1≤q≤n,且p≠q

和分别表示第p个波列和第q个波列的相位。

步骤4：将步骤3获得的相位差转换为光程差。

相位差转换为光程差的公式为：

其中，λ是入射光波的波长。

如图1所示实施例，两主波间光程差ΔOPD₁₂为：

ΔOPD_1,2＝(L₆+L₇+L₈+L₉-L₁₀-L₁₁)(n_s-n_f)

其中，n_s表示光纤快轴折射率，n_f表示光纤慢轴折射率。

主波与耦合波列间光程差如下：

$\left(\begin{array}{c}\Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,3}}=(L_2+L_{10}+L_{11}-L_6-L_7-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,4}}=(L_2+L_3+L_{10}+L_{11}-L_6-L_7-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,5}}=(L_2{+L}_3+L_4+L_{10}+L_{11}-L_6-L_7-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,6}}=(L_2+L_3+L_4+L_5+L_{10}+L_{11}-L_6-L_7-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,7}}=(L_2+L_3+L_4+L_5+L_{10}+L_{11}-L_7-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,8}}=(L_2+L_3+L_4+L_5+L_{10}+L_{11}-L_8-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,9}}=(L_2+L_3+L_4+L_5+L_{10}+L_{11}-L_9)(n_s-n_f)\\ \Delta {\mathrm{OPD}}_{\mathrm{1,10}}=(L_2+L_3+L_4+L_5{+L}_{10}+L_{11})(n_s+n_f)\\ ...\end{array}\right)$

上述主要列出了主波1与顺时针耦合波列间的光程差，因耦合波列的个数较多，可按不 同规律进行排序编号，上述所列式子仅是一个示例。

步骤5：构造不等式组，使得主波间满足相干条件，主波与耦合波列间、耦合波列与耦 合波列间满足去相干条件，根据不等式组调整各段光纤和尾纤的长度。

对于某路陀螺，构建如下不等式组：

ΔOPD_1,2<L_dc；

ΔOPD_p,q>L_dc,，1≤p≤n,1≤q≤n,且p≠q,p=1时q≠2,p=2时q≠1；

令主波间光程差小于去相干长度，即ΔOPD_1,2<L_dc，使得主波间满足相干条件；令主波 与一次耦合波列、主波与二次耦合波列、一次耦合波列与二次耦合波列间光程差大于去相干 长度，即ΔOPD_p,q>L_dc(p≠q,p=1时q≠2,p=2时q≠1)，使得主波与耦合波列间满足去相干条 件，耦合波列与耦合波列间满足去相干条件。将构成的一列不等式组整理简化，得到所有尾 纤与光纤的长度应满足的一组不等式，通过调整光纤和尾纤的长度来完成长度匹配，通过尾 纤长度匹配可有效减小双干涉光纤陀螺偏振非互易误差。

本发明实施例中通过调整各段尾纤L₁～L₁₁的长度，使得满足上述不等式，从而可有效减 小耦合次波对主干涉光强的影响，即实现了减小差分双干涉光纤陀螺偏振非互易误差的目的。

下面通过尾纤长度匹配前后差分双干涉光纤陀螺静态实验说明本发明偏振非互易误差抑 制方法的效果。

如图1所示差分双干涉光纤陀螺测试系统，将其置于实验室常温环境中进行静态输出测 试。光源采用中心波长为1550nm，谱宽为7nm的ASE光源；耦合器选用保偏耦合器，型号 为深圳朗光公司的PMC-X-2*2-1550-50/50-0-4X型保偏耦合器；光纤环选用保偏光纤环；偏 振分束器为天津峻烽科技有限公司的PBS-1*2-1550-S-N型偏振分束器；探测器为武汉电信器 件有限公司的PFTM901-001型光电探测器；双折射相位调制器为Ti扩散集成光学调制器。 尾纤长度匹配前后各尾纤及光纤环长度分别为:

（1）尾纤长度匹配前：L₁=0.4m，L₂=0.6m，L₃=2m，L₄=0.5m，L₅=0.8m，L₆=0.7m，L₇=1.5m， L₈=297m，L₉=299m，L₁₀=1m，L₁₁=0.9m。

（2）尾纤长度匹配后：L₁=0.4m，L₂=0.8m，L₃=51.2m，L₄=12.8m，L₅=25.6m，L₆=1.6m， L₇=3.2m，L₈=269.6m，L₉=293.6m，L₁₀=6.4m，L₁₁=1m。

图7为尾纤长度匹配前差分双干涉光纤陀螺静态输出，输出波动幅值较大，因偏振非互 易误差随温度变化会呈正余弦波动，故此时陀螺的偏振非互易误差很大；图8为尾纤长度匹 配后差分双干涉光纤陀螺静态输出，输出波形较平稳，此时陀螺的偏振非互易误差得到有效 抑制，陀螺的精度较高。

实验结果表明，采用特定关系的尾纤长度匹配可有效抑制差分双干涉光纤陀螺的偏振非 互易误差，从而提高差分双干涉光纤陀螺的检测精度。