光子公司在光纤陀螺技术方面的最新发展

我们叙述了在干涉式光纤陀螺（Ｉ－ＦＯＧ）技术方面所做的工作；改进的大工作范围样机（ＦＯＧ５０）的最新结果，采用单光源的三轴组件（ＴＡＣｓ）的研制；采用掺饵光纤光源的高性能Ｉ－ＦＯＧ（ＦＯＧ１２５）的研究，还介绍了波长的控制方法。     

光纤陀螺SLD光源的驱动控制研究

光纤陀螺（FOG）作为一种新型角速度传感器正在飞速发展，SLD光源的稳定性对光纤陀螺的性能有极其重要的影响，本文从分析SLD的特性及FOG对其驱动控制的要求出发，提出几种驱动控制实现方案，并对其可行性进行验证。     

基于SLD光源变流驱动的光纤陀螺快速启动研究

光纤陀螺的快速启动技术是应急武备系统、随动控制系统等特殊应用场合的首要要求。提出了一种通过变流调节模式来驱动光纤陀螺SLD光源的方法,建立了变流调节模型并计算了模型参数。通过辅助制冷器控制光源发光芯片温度,可使SLD光源输出光功率迅速达到稳定值。试验结果表明,高低温极限温度条件下SLD光源的启动时间可缩短为恒流模式的一半,特别是在低温启动时避免了SLD光源输出光功率的瞬间过冲带来的光纤陀螺中光电探测器的致盲效应。同时,光纤陀螺在极限高低温下的启动时间缩短1s,实现了光纤陀螺的快速启动。研究结果对光纤陀螺在高低温极限环境条件下的启动提供了有益的参考。     

可替代机械陀螺的光纤速率陀螺

光纤陀螺在两个方面正在取代机械陀螺：一是新设计的应用，二是已有的应用陀螺场合。光学陀螺所具有的高可靠性、对重力g的不敏感性和对振动、冲击的容限，使其特别适合于车辆、军事上的应用。基于Sagnac干涉效应，如环形激光陀螺、光纤陀螺的概论已有十十年之久了。它有闭环和开环两种结构，但由于闭环结构成本较高，目前只利用开环光纤陀螺取代机械速率陀螺。我们开发了一系列低成本光纤陀螺，它们基于全光结构，采用椭芯的保偏光纤、方向耦合器和偏振器。开环光纤陀螺是以最小结构的形式构成的。激光光束在光纤敏感相向传输，它们是完全互逆的。早期的形式采用方向耦合器隔离激光光源和光探测器，一个偏振器用来确保一个模式分布，而第二个耦合器作为与光纤环的接入口，在光纤环的一端加上一个压电陶瓷相位调制器以进行调制，以便同步检测干涉仪的输出。光源探测器处的耦合器不属于最小结构中的一部分，它可以通过用光源的反向的探测器取消。目前许多激光光源被用于这样一个探测光输出的探测器，由于陀螺转动信号是调制信号，很容易与恒定的激光输出信号分开。我们这种结构的FOG为简化最小结构（RMC），比较两种开环结构可以看出：两者之间没有明显的区别，但从性质上分，在RMC结构中，激光器工作在接近阈值的点，因而在光谱上比较窄。在光陀螺中希望有一个宽带的光谱，可以避免由于绕环导致的偏振起伏，从而引起偏置的不稳定性。这也就限定了RMC结构在一些高精度的陀螺应用。光纤陀的特性可以通过选择光纤的长度、环的直径和激光功率在一个比较大的范围内调整，以适应不同的应用要求，而不需要改变其结构。光纤陀螺从本性上为宽带的，其输出谱特性可以由简单的模拟滤波器、扩展伺服回路的动态特性加以控制。与简单的机械陀螺相比，这一宽带特性可以扩展为非常低的频率，从而改善定位精度。我们已生产了1000多套这两种结构的光纤陀，本文将提供Allan变化，随温度变化的偏置、刻度因数的线性数据，典型的特性参数如下：也许光纤陀螺应用最大的限制为刻度系数，因为Sagnac干涉仪的灵敏度领先光纤长度乘以直径，并且几何尺寸和在敏感轴垂直平面上投影使光纤陀螺改型应用的困难得以克服。在带宽限制范围内，光纤陀螺可以在众多的系统中应用。     

光纤速率陀螺

本文报导研制超小型光纤速率陀螺的进展,提供使用低成本元件的独特ＩＦＯＧ设计,组装体积包括电路不足两立方英寸。这样的设计能满足－５７－＋７１℃温度范围内的工作性能要求,而功率在３瓦以内。ＩＦＯＧ电路包括１．３μｍＥＬＥＤ光源、非保偏光源／接触器多路复用电路（使用标准的熔融双锥形耦合器）、韧化的质子互换集成光它螺芯片“和ＰＭ敏感线圈。陀螺电子线路已简化成一块ＭＣＭ板。本文对设计参数,元件要求和试验数据     

谐振式光纤陀螺用光源模块实验研究

基于多光源结构的谐振式光纤陀螺(R-FOG)是一种小型、高精度惯性传感器。研究了谐振式光纤陀螺的光源模块方案,选用小型可调谐的窄线宽半导体激光器,并对光源中心波长、光功率进行测量,以建立光源的最优工作区域,在此基础上对光源之间的拍频进行静态测试,测试过程中的频率最小值为53Hz、最大值为25.9225MHz。该方案具有分辨率高与动态范围大的潜在优势,在拍频测试中,陀螺测量分辨率和动态范围分别可达9.13×10^(-4)(°)/h、±4.56×10~7(°)/h。     

基于SOA的光纤陀螺相对强度噪声抑制研究

为进一步提高光纤陀螺精度,抑制掺铒光纤光源的相对强度噪声(RIN),在利用半导体光放大器(SOA)对光源相对强度噪声进行抑制的基础上,实现了SOA光源一体化方案。经过原理分析并设计实验方案,对比实验前后的测试数据可以看出:处于增益饱和状态的半导体光放大器对光源相对强度噪声起到了抑制作用,抑制后陀螺的零偏稳定性由之前的千分之一提高到万分之五左右,精度提高1倍,随机游走系数减小到56%;另一方面,一体化方案的实现,使利用SOA抑制强度噪声的方案更易实现,操作更简单,有利于该项技术的进一步工程应用。     

低成本光纤陀螺的研究

为了满足低精度光纤陀螺应用需求，利用廉价的单模光纤及退偏技术组成一开环光纤陀螺是一种比较适合的方案。本论文对开环退偏光纤陀螺中的退偏器特性及由此组成的开环光纤陀螺作了工程应用研究。研制的光纤陀螺具有低成本的优势，产品的一致性较高，精度达到2／h左右。     

基于波长控制的光纤陀螺标度因数温度性能提高方法

光纤陀螺的标度因数与光纤环的长度、直径及光源的平均波长有关。在温度条件下,光纤环的长度、直径及光源的平均波长均会发生变化,进而导致光纤陀螺在高低温下的标度因数不同,影响温度环境下的光纤陀螺标度因数的重复性。提出了一种基于光纤陀螺波长控制的标度因数温度性能提高方法,该方法在光源驱动电路的桥式回路中增加了铂电阻组件,从而可自动调节光纤陀螺光源的管芯温度,进而控制光源平均波长的变化,以抵消光纤环有效面积因温度变化而对标度因数产生的影响,提高温度环境下光纤陀螺的标度因数重复性。试验表明,该方法将未补偿情况下光纤陀螺全温范围内的标度因数重复性(1σ)由271×10-6~280×10-6减小到了32.5×10-6~43.5×10-6,标度因数重复性误差减小了84%~88%,并验证了该方法的有效性。     

光收发组件驱动电路集成化技术研究

本文对干涉式光纤陀螺用光收发组件的驱动电路集成化技术进行了研究.分析了光源输出光功率稳定性对光纤陀螺精度的影响.建立了光源驱动电路的理论模型.设计了相对简单、集成化程度高的光源驱动电路.对所研制的电路进行了全温测试.实现了光源驱动电路的高精度、集成化和小型化.     

保偏光纤的偏振特性测试和研究

当前，干涉型光纤传感器的发展，使得保偏光纤的需求显得相当迫切，随之而来拉制单模保偏光纤的技术愈来愈普遍且已相当成熟。在光纤陀螺研制过程中保偏光纤起着举足轻重的作用。它可使光纤陀螺中传输的偏振光状态保持稳定的模式，从而，可减少由偏振光不稳定性的干涉带来的陀螺漂移的影响。因此研究保偏光纤的偏振传输特性和其参数测量就显得相当重要。我们可以从光纤陀螺（ＦＯＧ）的输出特性表达看出光偏振因素的影响，Ｓａｇｎａ     

双通道光纤陀螺捷联惯导的设计与实现

针对光纤陀螺惯导精度和动态性能相互矛盾的问题,从实际应用需求出发,提出了一种高精度和大量程的双通道光纤陀螺捷联惯导系统.介绍了设计的基本原理和系统组成,并详细阐述了大小光纤陀螺设计、双通道加速度计设计和软件算法设计等关键技术,最后研制了一套原理样机.通过系统级标定试验、量程和陀螺精度试验、高动态振动环境试验和动态跑车试验等对样机进行验证,结果表明该技术方案具有可行性,为其他光纤陀螺惯导系统提供了新的设计思路.     

利特夫公司提高了光纤陀螺的精度

利特夫公司(利顿公司在德国的一家子公司)在光纤陀螺(FOG)和集成光学技术研究方面的进展已使研制小型导航系统成为可能。与机械陀螺和环形激光陀螺比,精度一直是光纤陀螺的薄弱环节。但随着其精度的提高和成本的显著降低,光纤陀螺从现在仅用于姿态基准在向低精度导航系统的方向发展。利特夫公司预测,旋转质量陀螺将在几年内被淘汰,而光纤陀螺将在5～10年内代替环形激光陀螺。     

光纤陀螺中的非互易偏振误差研究

本文利用琼斯矩阵建立光纤陀螺的矩阵光学模型，假定光纤线圈和电光调制器尾纤等均为保偏光纤，推导出光纤陀螺与偏振有关的输出表达式。针对激光二极管和超发光二极管两种光源，就光纤线圈的偏振交叉耦合、偏振器的有限消光比，以及器件尾纤连接时偏振轴之间的对准角度误差等引起的非互易偏振误差进行了理论估算，指出了减少该类误差应采取的技术措施。     

以市场为导向推动光纤陀螺技术新发展

干涉型光纤陀螺（ＩＦＯＧ）自进入９０年代中期以来,在技术进步及市场开拓两方面都有重大进展,本文重点介绍开环光纤陀螺的应用,以及闭环型战术级,导航级光纤陀螺及精密级光纤陀螺的技术进展及市场开发,并对整个光纤陀螺技术的未来展望做了进一步描述。     

光纤陀螺信号处理中SLD驱动电路设计

光纤陀螺用光源要求输出功率高、相干性低、稳定性好，超辐射发光二极管（SLD）是能满足这些要求的理想光源。目前国内光纤陀螺用的光源基本上主要选择超辐射发光二极管（SLD），本文从工程实际应用出发，介绍超辐射发光二极管（SLD）驱动电路设计。     

掺铒光纤光源辐照致有源区损耗研究及其抗辐照设计

在辐照环境下,掺铒光纤光源谱宽、平均波长稳定性及功率稳定性与光纤陀螺精度直接相关。为研究高性能、抗辐照掺铒光纤光源,研究了掺铒光纤光源辐射致有源区损耗特性。利用Er³⁺的本征荧光光谱作为光源原始输出光谱,结合“多重光褪色”和“980nm泵浦功率闭环控制技术”,提出了一种高性能、抗辐照掺铒光子晶体光纤光源设计方案。结果表明,在50krad照射剂量下,光源谱宽大于40nm,平均波长稳定性约5.4×10^-7/krad,输出功率衰减小于0.1dB。该宽谱光源在辐射环境下具有良好的综合性能,特别适用于战略级高精度干涉式光纤陀螺。     

再入式光纤陀螺实用化技术研究

再入式光纤陀螺（Re—FOG）使相互干涉的两路光循环进入光纤环，通过缩短光纤长度克服温度和应力引起的误差。本文研究了再入武光纤陀螺实用化的相关技术；提出了一种采用脉冲相位调制的信号检测方法；设计了专门的数据通讯模块。实验结果表明：所提出的信号检测方法可分离出所需循环次数的信号并解算出陀螺转速；所设计的通讯模块能保证实现陀螺与导航计算机之间的快速、稳定、准确的数据传送。再入式光纤陀螺可成为实用化的新型光纤陀螺。     

激光器驱动干涉型光纤陀螺光源相位调制技术研究

激光器驱动干涉型光纤陀螺的优点是潜在精度高、标度因数稳定性好等,在飞机、舰船惯性导航以及其他高性能领域具有广泛的应用前景。当然,干涉型光纤陀螺采用高相干光源面临诸多技术挑战,如相干瑞利散射、Kerr效应、偏振交叉耦合、Faraday效应等引起的漂移和噪声。采用宽线宽激光器可以抑制这些误差。针对激光器驱动干涉型光纤陀螺中加宽激光器线宽、降低激光器相干性的几种相位调制技术以及线宽加宽抑制噪声的效果进行了理论分析和评估。     

基于应力强度干涉理论和薄弱环节分析的光子晶体光纤陀螺寿命评估

在空间飞行环境中,航天器承受着各种环境的作用,而每种环境因素都在一定程度上影响着航天器的工作寿命。光子晶体光纤是一种新型光纤,其比传统保偏光纤更耐辐照,是长寿命光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)的首选,可以满足长寿命卫星的应用需要。将光纤陀螺特征寿命定义为强度,将热、辐照和振动等环境因素定义为应力,运用应力强度分析理论,采用最坏情况分析方法,分析了在常见应力联合作用下光纤陀螺的薄弱环节,评估了光纤陀螺的在轨工作寿命,验证了光子晶体光纤陀螺在某长寿命通信卫星上的适应性。分析结果表明,热和辐照是影响光子晶体光纤陀螺的重要因素。研究结论可用于有针对性地进行改进设计,为长寿命高可靠卫星提供技术支撑,具有显著意义。