一种同时改善双偏振光纤陀螺噪声和漂移的装置及方法

本发明涉及了一种改善陀螺噪声和漂移的装置，涉及光纤陀螺，具体涉及一种改善双偏振光纤陀螺噪声和漂移的装置及方法。

背景技术：

1、光纤陀螺仪是一种基于萨格纳克效应的角速度传感器，是实现姿态测量和惯性导航的关键器件，具有理论精度高、全固态、使用寿命长等优点，广泛应用于航空、航天、航海等惯性测量领域。为了抑制背向反射，背向散射和偏振交叉耦合引入的寄生干涉，确保光纤陀螺仪的长期稳定性，宽谱光源尤其是放大自发辐射光源被广泛运用于高精度干涉式陀螺中。然而，宽谱光源的各种频率分量会随机跳动，产生随机强度波动，称为相对强度噪声。当探测器接收到的平均光功率为几十微瓦时，光源相对强度噪声远大于散粒噪声和探测器热噪声，成为限制光纤陀螺仪角度随机游走的主要噪声，该参数反映了陀螺的短期测量精度和灵敏度。

2、近些年来，为了提高光纤陀螺仪角度随机游走，双偏振光纤陀螺被提出来，即光纤环中两个偏振方向的光同时进行角速度传感，有高度相关性，通过反相位调制使得两路信号的相对强度噪声极性相反。但是该方案下的偏振耦合波偏振方向与多功能集成光路中起偏器起偏方向一致，无法被抑制，与主波同时被探测器接收，引入较大的偏振非互异性误差，影响双偏振光纤陀螺的长期漂移，而长期漂移在导航尤为重视。

3、现有的补偿方法利用相对强度噪声有高相关性和相反的极性，可以大幅抑制相对强度噪声。但是双偏振光纤陀螺系统存在较大的偏振非互异性误差，偏振耦合波间的干涉通过反相位调制变为常数项，在信号解调中不影响信号项。但是偏振耦合波和主波的干涉项仍会影响信号解调，可以通过引入延时线或者用两个独立的光源来抑制，旨在降低偏振耦合波和主波的相干性，但是这与抑制相对强度噪声相矛盾，因为相对强度噪声相减需要两路光相对强度噪声的特性和分布相同，即需要保证两路光起源于同一光源，且经历相同的时间延迟。为了解决这一矛盾，可以在双偏振光纤陀螺中加入一个四端口环形器和延时线，在保证了相对强度噪声相关性的同时，降低主波和偏振耦合波的相干性。但是该方法无疑会增加双偏振光纤陀螺的光路复杂性，体积，成本等，且降低环境适应性。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种改善双偏振光纤陀螺噪声和漂移的装置及方法。本发明克服现阶段双偏振光纤陀螺中偏振非互易性误差较大的缺陷，在光路中引入适当长度延时线来降低偏振耦合影响，结合数字信号处理技术得以同时改善双偏振光纤陀螺短期噪声和长期漂移性能。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种同时改善双偏振光纤陀螺噪声和漂移的装置，包括：

4、双偏振光纤陀螺，用于利用两垂直偏振态的信号光同时对角速度信息进行探测，双偏振光纤陀螺中包括用于使光束产生时延从而使得光束的偏振耦合波和主波互不干涉的光纤延时线；光纤延时线可以降低光束的偏振耦合波和主波之间的时间相干性。

5、信号处理系统，用于接收双偏振光纤陀螺中的两光电探测器传输的两垂直偏振态的信号光并进行补偿解调。

6、所述的双偏振光纤陀螺包括光源、起偏器、1×2保偏耦合器、第一光学环形器、第一光电探测器、第一多功能集成光路、第一偏振分束器、光纤延时线、可调光衰减器、第二光环形器、第二光电探测器、第二多功能集成光路、第二偏振分束器和光纤传感环，光源的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与1×2保偏耦合器合束端连接，1×2保偏耦合器分束端的一侧与第一光环形器的第一端连接，第一光环形器的第二端与第一多功能集成光路的合束端连接，第一光环形器的第三端与第一光电探测器的输入端连接；1×2保偏耦合器分束端的另一侧与光纤延时线的输入端连接，光纤延时线的输出端可调光衰减器的输入端相连接，可调光衰减器的输出端与第二光环形器的第一端连接，第二光环形器的第二端与第二多功能集成光路的合束端连接，第二光环形器的第三端与第二光电探测器的输入端连接；第一多功能集成光路的分束端的两侧分别与第一偏振分束器和第二偏振分束器的分束端的a侧连接，第二多功能集成光路的分束端的两侧分别与第一偏振分束器和第二偏振分束器的分束端的b侧连接；第一偏振分束器的合束端和第二偏振分束器的合束端分别与光纤传感环连接；第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与信号处理系统的输入端连接；在信号处理系统中完成对第一光电探测器和第二光电探测器输出的光信号的补偿处理；信号处理系统的输出端分别与第一多功能集成光路和第二多功能集成光路的电输入端连接。

7、所述光纤传感环为保偏光纤传感环。

8、所述的第一多功能集成光路的分束端的一侧连接的光纤的尾部与第一偏振分束器的分束端的a侧连接的光纤的尾部进行90°熔接后形成第一光纤90°熔接点，第一多功能集成光路分束端的另一侧连接的光纤的尾部与第二偏振分束器的分束端的a侧连接的光纤的尾部进行90°熔接后形成第二光纤90°熔接点。

9、所述的光纤延时线为保偏光纤，光纤延时线的长度大于光源的去相干长度。

10、所述的信号处理系统包含第一采样电路、第二采样电路、运算电路和控制电路，第一光电探测器的输出端与第一采样电路的输入端连接，第二光电探测器的输出端与第二采样电路的输入端连接，第一采样电路和第二采样电路的输出端与运算电路的输入端连接，运算电路的输出端与控制电路的输入端连接，控制电路的输出端分别与第一多功能集成光路和第二多功能集成光路的电输入端连接。

11、二、一种同时改善双偏振光纤陀螺噪声和漂移的装置的调制解调方法，包括：

12、所述的双偏振光纤陀螺的光源发出光束后经过起偏器变为线偏振光，然后经过1×2保偏耦合器后分为上光束和下光束，上光束依次经过第一光学环形器和第一多功能集成光路后分束为第一上分束光和第二上分束光，第一上分束光依次经过第一光纤90°熔接点和第一偏振分束器后进入光纤传感环进行顺时针传播，第一上分束光的主波经光纤传感环后依次经第二偏振分束器和第二光纤90°熔接点后返回第一多功能集成光路，第一上分束光经光纤传感环产生的偏振耦合波经第二偏振分束器传输至第二多功能集成光路；第二上分束光依次经过第二光纤90°熔接点和第二偏振分束器后进入光纤传感环进行逆时针传播，第二上分束光的主波经光纤传感环后依次经第一偏振分束器和第一光纤90°熔接点后返回第一多功能集成光路，第二上分束光经光纤传感环产生的偏振耦合波经第一偏振分束器传输至第二多功能集成光路；下光束依次经过光纤延时线、可调光衰减器、第二光学环形器和第二多功能集成光路后分束为第一下分束光和第二下分束光，第一下分束光经第一偏振分束器后进入光纤传感环进行顺时针传播，第一下分束光的主波经光纤传感环后再经第二偏振分束器返回第二多功能集成光路，第一下分束光经光纤传感环产生的偏振耦合波再依次经第二偏振分束器和第二光纤90°熔接点后传输至第一多功能集成光路；第二下分束光经第二偏振分束器后进入光纤传感环进行逆时针传播，第二下分束光的主波经光纤传感环后再经第一偏振分束器后返回第二多功能集成光路，第二下分束光经光纤传感环产生的偏振耦合波再依次经第一偏振分束器和第一光纤90°熔接点后传输至第一多功能集成光路；第一多功能集成光路将传输来的光束进行合束并发生干涉后再经第一光学环形器输入第一光电探测器，第二多功能集成光路将传输来的光束进行合束并发生干涉后再经第二光学环形器输入第二光电探测器。

13、第一光电探测器和第二光电探测器分别经第一采样电路和第二采样电路进行采样后输入至运算电路进行补偿解调，同时控制电路输出幅值相反的方波电压信号并分别施加在第一多功能集成光路和第二多功能集成光路上进行调制，使得第一多功能集成光路和第二多功能集成光路的调制相位相反，使得第一光电探测器和第二光电探测器中的相对强度噪声极性相反，使得可以通过补偿算法来消除相对强度噪声。

14、所述的下光束经过光纤延时线后进行传输，下光束传播至光纤传感环生成的偏振耦合波与上光束的主波有时延差，两者在时间上不相干，不发生干涉，第一多功能集成光路合束后输出的光束最终被第一光电探测器接收；下光束的主波与上光束传播至光纤传感环生成的偏振耦合波有时延差，两者在时间上不相干，不发生干涉，第二多功能集成光路合束后输出的光束最终被第二光电探测器接收。

15、所述的上光束自第一多功能集成光路传输至光纤传感环中的光束的主波和下光束自第二多功能集成光路传输至光纤传感环中的光束的主波为两垂直偏振态的信号光。

16、由于主波和偏振耦合波间的时间相干性很低，所以基本不干涉，主波基本不受源于偏振耦合波的偏振串扰影响，即主波和偏振耦合波间的干涉项趋近于零，大大改善了漂移性能。

17、所述的运算电路中安装有补偿解调算法，已经利用光学延时来消除偏振非互易性误差，补偿解调算法引入电学延迟来抵消光学延迟，确保相对强度噪声的抑制效果；补偿解调算法具体如下：

18、调制半周期中仅部分采样点参与补偿解调算法中；在第一多功能集成光路和第二多功能集成光路进行调制时，将调制半周期中第一采样电路和第二采样电路的采样点总数均记为n，光纤传感环的本征频率与调制频率不匹配导致的脉冲尖峰对应的采样点数记为nsp，光纤延时线对应t秒的时延，相应的采样点数记为nt；则对于第二光电探测器，从第nsp+1个采样点到第n-nt个采样点，共取n-nsp-nt个点，而对于第一光电探测器，从第nsp+nt+1个采样点到第n个采样点，也取n-nsp-nt个点，第一光电探测器和第二光电探测器的两组n-nsp-nt个采样点没有时间延迟，即用电学上的延时来抵消光学延时，确保了第一光电探测器和第二光电探测器的光信号中相对强度噪声的高度相关性；将第一光电探测器和第二光电探测器的两组n-nsp-nt个采样点相减补偿并作解调，可以大幅抑制相对强度噪声，提高双偏振光纤陀螺的灵敏度，实现补偿解调。

19、本发明通过在光路上通过引入适当长度的光纤延时线，来降低偏振耦合波与主波间的时间相干性，进而抑制偏振非互异性误差，改善长期漂移；同时在算法上采用延时采样来抵消光路上延时线带来的光学延时，使得两光电探测器相同时刻的信号进行相减补偿，通过电学延时来确保源于两光电探测器的相对强度噪声的相关性，通过补偿算法来抑制相对强度噪声，在不增加光路复杂性的基础上，同时改善双偏振光纤陀螺短期噪声和长期漂移，促进了其在导航方面的应用。本发明利用光路延时和电路延时配合的方法，在保证了相对强度噪声抑制效果的基础上，可以大大降低偏振非互易性误差，即同时改善了双偏振光纤陀螺短期噪声和长期漂移性能，促进了其在导航上的应用。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明引入适当长度的光纤延时线，很大程度上抑制了偏振非互易性误差，改善了双偏振光纤陀螺的长期漂移，促进了其在导航上的应用。

22、2、本发明在改善漂移的基础上，同时有效抑制相对强度噪声，改善了双偏振光纤陀螺的角度随机游走，提高了双偏振光纤陀螺的短期测量精度和灵敏度。

23、3、本发明在基本不增加光路系统复杂度的基础上，实现了同时改善短期噪声和长期漂移的效果，大大拓展了双偏振光纤陀螺的应用场景。