方波调制干涉式光纤陀螺中的温度相位噪声研究.pdf

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1、方波调制干涉式光纤陀螺中的温度相位噪声研究张拄才(航天I‘业总公司13所北京100854)1引言在高精度(惯性级和精密级)干涉式光纤陀螺(1FOG)的设计中，最小可检测相移是人们关注的焦点问题之。过去通常认为，光纤陀螺的检测灵敏度是受散粒噪声(SN)阳制的。近年来，国内外许多学者对光纤陀螺中的另一类噪声一温度丰H位噪声(TPN)作了大量理论和实验研究。根据光学奈奎斯特定律，当温度在绝对零度以上时．光纤折射率会产生热涨落，弓I起光纤中的相位变化。特别是随着光纤长度的增加，这种温度相位噪声甚至超过散粒噪声，最终限制高精度光纤陀螺的检测阂值。温度相

2、位噪声通常还与光纤陀螺的偏置调制方案有关．本文首次对方波调制干涉式光纤陀螺中的温度相位噪声进行了理论分析，讨论了方波调制频率、光纤结构参数及长度等对陀螺最小可检测相移的影响。2理论分析2l方波调制千涉式光纤陀螺的输出响应图1光纤陀螺的结构简图方波调制干涉式光纤陀螺的“最小互易性”光学结构如图I所示，从光源发出的光，经光纤耦合器和Y分支集成光路后分成两束，分别按顺时针和逆时针方向沿光纤线圈传播，并在Y分支的合光点上发生干涉．之后到达探测器。在Y分支的一臂上施加频率为国。、振幅为九的方波调制信号eft)时，探测器的输出电流响应可表示为：m)=誓{

3、l+cos陋+≯，(f)+≯(f)一≯(f—f)】}(1)式中厶是与探测器接收功率B有关的常值，氐(f)是温度引起的相位扰动，f是光纤线圈的传输时间，藏是旋转引起的Sagnac相移。选择适当的采样点在每个周期上对该方波进行采样，其幅值给出陀螺的开环输出信号：J，=睾sin≠o·sin≯；(2)考虑陀螺静止的情况<即≯，=0)，由f噪声项妒。(t)实际上报小，(1)式变为，(f)；争{1+．厂(f)一≯Ⅳ(f)g(啊(3)其中，(f)=cos【吠，)一烈f—f)]，g(r)=sin[≯(O一≯(卜r)I2．2温度相位噪声frPN)的谱分析和最小

4、可检测相移一497—当方波调制频率m。≠∞。(=口／z)时，时／(f)和g(，)进行Fourie,=r级数展开并代入(3)式，根据Fom-h*变换，我们得到方波调制光纤陀螺的频域输出表达式：№)；,ot{l一鲥安!堕业18(0)lL‘w—rJ+(1-COS¨薹击出斯卜剖。[6(ro+2no”o)删o)-2nWo)]岫叫。薹杀面cos炉蝴一剖卜。[co+(2n-

5、)coo]一△妒”f棚一(2一+1)吐，。】}(4)式中J(m)为狄拉克6函数。由(4)式可以看出，陀螺的频域输出中共含有三项内容：第一项是直流分量，与调制．_：[作点的偏置光功率有关

6、：第一项是调制频率的偶次谐波分量(信号幅值)；第三项是奇次向上和向rF频率转换的噪声谱。为了计算I：述噪声谱的绝对值，我们只考虑(4)式中的噪声项进行分析。由于4-q目]频率的两个随机变量在统计学上是独立的，因此噪声电流的均方系综平均为j胁I=(枇)，Ⅳ(甜))卅sin‰‘喜{志“”一引，一剖}。{(△妒；。，【。+(2n～1)o。])+(△矿；。。【m一(2n一1)co。]))(5)掌其中温度引起的相位噪声谱密度为：(瞒一m))=等(万dr／，ff⋯∥。)．1n+——。。f蚪1＼u／l式中钆为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，L为光纤长度，疗盯为

7、纤芯的有效折射率，2为光波长，u为光纤‘f·的光速，w。和d分别为光纤的模场半径和包层直径。此外，r、口L和D分别是光纤中的热导、线胀系数和热扩散系数，cI}锄／d71是光纤折射率的温度系数。使(2)式所示的输出信与电流等r(5)式的温度相位噪声分量、得到最小可检测相移为：‰。：．⋯m)r可2～百i万同时为了便于比较，我们给出散粒噪声(sN)引，屋的最小可检测相移鱼一f～!丝r污一12riP,,sin九j(8)其中4，是检测带宽，珂是探测器的响应度，h为普朗克常数。3仿真结粜和讨论本文利用E述推导和实际光纤的典型数值对方波调制干涉式光纤陀螺中

8、的温度相位噪声进行了理论仿真．讨论了方渡调制频率、光纤结构参数及光纤环长度等对光纤陀螺最小可检测相移的影响。这项1二作对于中高精度光纤陀螺的系统设计具有参考价值。——498㈥雨方波调制干涉式光纤陀螺中的温度相位噪声研究作者：张桂才作者单位：工业总公司13所(北京)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_82026.aspx