一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源制造技术

本发明专利技术涉及一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，其主要技术特点是：光源驱动电路包括恒流源驱动电路、功率控制电路和温度控制电路；光源光路包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜、隔离器和滤波器，该泵浦激光器与波分复用器相连接，该波分复用器、掺铒光纤、反射镜依次相连接，该波分复用器还通过隔离器、滤波器与光纤陀螺相连接；恒流源驱动电路与泵浦激光器中的热敏电阻相连接，功率控制电路和温度控制电路与泵浦激光器相连接。本发明专利技术设计合理，提高了光源功率的温度稳定性，保证了激光器出光功率和波长稳定性，减小了陀螺的体积和重量，降低了制造成本，将其应用于小型化光纤陀螺仪，可满足系统使用要求。

A High Power Gauss Spectrum ASE Light Source for Fiber Optic Gyroscope

【技术实现步骤摘要】
一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源
本专利技术属于光纤陀螺仪
，尤其是一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源。
技术介绍
光纤陀螺的发展是建立在当代光通信和光电子集成等高新技术基础上的。由于其在航空、航天、航海及兵器领域的重要性，受到世界各国尤其是军方的普遍关注。目前，国内外光纤陀螺已经产品化，在许多领域被广泛应用。这些应用领域包括：卫星姿态控制和定向；舰船、导弹和军、民用飞机的惯性导航；各种运载火箭应用；战术武器制导系统；陆地导航以及定位定向系统；姿态航向基准系统以及汽车导航仪、石油钻井定向、光学罗盘、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。光源是光纤陀螺的关键部件，光纤陀螺的性能优劣与光源的性能是密不可分的。随着惯性导航系统小型化需求的提升，对小型化光纤陀螺也有了更高的要求。在中低精度应用领域，光纤环圈尺寸从原来的Φ120、Φ98已经逐步减小到Φ75、Φ60甚至更小，因此，如何在更小的环圈尺寸下做到更高的精度就成了光纤陀螺亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、体积小且精度高的光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，包括光源驱动电路和光源光路，所述光源驱动电路包括恒流源驱动电路、功率控制电路和温度控制电路；所述光源光路包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜、隔离器和滤波器，该泵浦激光器与波分复用器相连接，该波分复用器、掺铒光纤、反射镜依次相连接，该波分复用器还通过隔离器、滤波器与光纤陀螺相连接；所述恒流源驱动电路与泵浦激光器中的热敏电阻相连接，所述功率控制电路和温度控制电路与泵浦激光器相连接用于采集泵浦激光器的光路反馈信号及温度反馈信号并对泵浦激光器进行驱动控制。所述功率控制电路包括PD探测器、放大变换电路和驱动输出电路，该PD探测器与光源光路相连接采集光路反馈信号，该PD探测器输出偏差信号与控制设定值相加送入到放大变化电路并通过驱动输出电路输出到泵浦激光器对其进行控制。所述温度控制电路包括热敏电阻、放大变换电路、驱动输出电路，热敏电阻对泵浦激光器进行温度采样得到温度偏差信号，该温度偏差信号与控制设定值相加送入到放大变化电路并通过驱动输出电路输出到泵浦激光器表面的Plter制冷器对其进行控制。所述泵浦激光器发出的波长为980nm；所述掺铒光纤产生波长为1550nm的自发辐射光，所述波分复用器输出的波长为1550nm。所述滤波器选择高斯型滤波器。所述探测器将Sagnac旋转相移转换成电信号供后续的调制解调电路进行处理，该探测器的跨阻抗的阻值与相应的光功率进行动态图调整来满足ΔV～0.1V。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术的光源驱动电路采用了光功率反馈控制回路和温度控制回路，提高了光源功率的温度稳定性，保证了激光器出光功率和波长稳定性；同时配合相应的光路器件匹配技术可以提高光纤陀螺输出的信噪比，进一步减小陀螺的体积和重量、降低制造成本，将其应用于小型化光纤陀螺仪，可满足系统使用要求。2、本专利技术的滤波器选择高斯型滤波方案：采用带通滤波的方案，原始的光谱经过带通滤波后，会将主峰保留，将次峰滤去，从而形成类高斯型的光谱，能够显著提升光源的平均波长稳定性。附图说明图1是相对强度噪声、散粒噪声、热噪声和总随机游走系数与到达探测器光功率的关系图；图2是随机游走系数与偏置相位的关系图；图3是两种条件下随机游走系数与偏置相位的关系图。图4是掺铒光纤光源中滤波方式的示意图；图5是本专利技术的整体原理图；图6是本专利技术的光源驱动电路的原理图；图7是本专利技术的光源光路结构示意图；图8是采用AD8591并联提高电路驱动能力。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。本专利技术的设计思路为：大功率ASE光源及光路匹配技术主要涉及大功率高波长稳定性光源制作及陀螺信噪比提升两个方面。分析光功率的提升对光纤陀螺噪声的影响，并准确评估陀螺的性能，需要对光纤陀螺建立相应的随机噪声模型，通过分析陀螺的统计特性，获得表征不同噪声特性的系数。光纤陀螺随机游走系数的模型是建立在陀螺物理模型和统计模型的基础上。首先要确定物理模型中的增益分布以及各个环节引入的噪声源。对于采用本征方波调制解调的闭环光纤陀螺，角速率的输出噪声通常由随机游走系数来表征，随机游走系数的定义是由白噪声产生的随时间积累的陀螺仪输出误差系数，随机游走系数的表达式为：结合某型陀螺的具体参数，仿真结果如图1所示。在建立了随机游走系数的模型后，需要通过变量的参数优化，选取合适的偏置相位，跨阻抗的值以及输入光功率，使噪声水平满足要求。选取光源的光功率分别为10mW，30mW，60mW和100mW，对于固定的光纤环圈，整个光路的损耗约为23dB，此时对应的到达探测器的光功率分别为50、150、200和500μW，如图2所示。绘制不同光功率下随机游走系数与偏置相位(调制深度)φb的关系曲线可以看出：1)当光功率一定时，随机游走系数随着调制深度的加深而降低，存在一个与偏置光功率对应的最佳调制深度，超过该值，随机游走系数又会迅速变大；2)对于较大的光功率，最佳调制深度更接近π，随机游走系数也进一步降低。在调制深度小于2.8rad时，仅仅提高光功率对随机游走系数的提升非常有限；3)另一方面，由于存在背景噪声，调制深度接近π时噪声会迅速增加，同时调制深度过深还会影响陀螺的动态性能，因此仅仅靠提高光功率和施加过调制可能还不足以达到预期的精度目标。在实际的工程应用中，还应考虑探测器的跨阻抗匹配问题，即探测器的上的直流电平抬高量ΔV＝RfηDI0(1+cosφb)/2。在光纤陀螺中，ΔV通常被设定为0.1V。该值过高的话会引起探测器热噪声变大；该值过小时，背景噪声开始显现。仍然选取上述四种光功率水平，绘制出随机游走系数在Rf恒定和Rf满足ΔV＝0.1V时与偏置相位的关系(如图3所示)，主要考察探测器跨阻抗匹配对光纤陀螺性能的影响。可以看出：1)光功率一定时，在采取跨阻抗匹配技术后，比Rf恒定时能够继续降低随机游走系数；2)采取跨阻抗匹配技术后，光功率越大噪声降低的潜力越大。此外，在保证ΔV＝0.1V且I0一定时，由ΔV＝RfηDI0(1+cosφb)/2可知，探测器的跨阻抗Rf会随着调制深度的加深而变大。因此，选取合适的调制深度时，提高光功率能更加凸显跨阻抗匹配技术的优势。由此可见，对于中低精度的光纤陀螺来说，提升光源的光功率可以有效地降低随机游走系数。对于ASE光源，采用双程后向的结构来提升光功率和平均波长稳定性。在确定了光源的整体结构后，还需要对光路中的滤波器进行设计，经滤波后的光谱，其平均波长稳定性会大大提升。滤波的原理是设计与掺铒光纤光源原始光谱增益相反的谱线，以此对光谱整形后获得所需要的谱型。滤波的方式根据滤波后谱型的不同通常分为两种，一是矩形(平坦)滤波，另一种是高斯(钟形)滤波，如图4所示。其中高斯型滤波又根据滤波的方式分为带通滤波和参数定制滤波。基于上述设计思想，本专利技术光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，如图5所示，包括光源驱动电路和光源光路，所述光源驱动电路包括恒流源驱动电路、功率控制电路和温度控制电路。所述光源光路包括泵浦激光器、波分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，包括光源驱动电路和光源光路，其特征在于：所述光源驱动电路包括恒流源驱动电路、功率控制电路和温度控制电路；所述光源光路包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜、隔离器和滤波器，该泵浦激光器与波分复用器相连接，该波分复用器、掺铒光纤、反射镜依次相连接，该波分复用器还通过隔离器、滤波器与光纤陀螺相连接；所述恒流源驱动电路与泵浦激光器中的热敏电阻相连接，所述功率控制电路和温度控制电路与泵浦激光器相连接用于采集泵浦激光器的光路反馈信号及温度反馈信号并对泵浦激光器进行驱动控制。

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，包括光源驱动电路和光源光路，其特征在于：所述光源驱动电路包括恒流源驱动电路、功率控制电路和温度控制电路；所述光源光路包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜、隔离器和滤波器，该泵浦激光器与波分复用器相连接，该波分复用器、掺铒光纤、反射镜依次相连接，该波分复用器还通过隔离器、滤波器与光纤陀螺相连接；所述恒流源驱动电路与泵浦激光器中的热敏电阻相连接，所述功率控制电路和温度控制电路与泵浦激光器相连接用于采集泵浦激光器的光路反馈信号及温度反馈信号并对泵浦激光器进行驱动控制。2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ASE光源，其特征在于：所述功率控制电路包括PD探测器、放大变换电路和驱动输出电路，该PD探测器与光源光路相连接采集光路反馈信号，该PD探测器输出偏差信号与控制设定值相加送入到放大变化电路并通过驱动输出电路输出到泵浦激光器对其进行控制。3.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：马骏，林毅，陈馨，张贵材，郑志胜，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12