光纖陀螺寬譜光源相對強度噪聲的定量評估

光纖陀螺寬譜光源相對強度噪聲的定量評估

1寬譜光柵的噪聲特性蔡氏電氣表是一種用于測量旋轉角速度的柔性技術傳感器。它具有高靈敏度、無旋轉部件、體積小、壽命長、啟動快、動態(tài)范圍廣等優(yōu)點。主要性能參數(shù)包括隨機旅行、零偏穩(wěn)定性和標度因數(shù)。在應用于光纖陀螺系統(tǒng)的各種光源中,使用寬譜光源可以有效減小背向瑞利散射、背向反射、偏振交叉耦合、克爾效應以及各種環(huán)境噪聲所帶來的系統(tǒng)相干誤差,因此,超熒光光纖光源(SFS)和超發(fā)光二極管(SLD)被普遍應用于干涉型光纖陀螺系統(tǒng)中。隨著國內(nèi)外對光纖陀螺研究的不斷深入,寬譜光源的相對強度噪聲(RIN)成為限制高精度光纖陀螺最小檢測靈敏度的主要原因。光源RIN的表現(xiàn)形式為白噪聲,在陀螺性能指標中用隨機游走系數(shù)(RWC)來表征。陀螺的主要性能參數(shù)中,RWC是由白噪聲產(chǎn)生的隨時間增加而增加的陀螺儀輸出誤差系數(shù),反映陀螺系統(tǒng)的噪聲水平,代表光纖陀螺的精度。Morkel等測試了寬譜光源的RIN,給出了光源RIN的計算模型;Yurek等研究了光纖光學系統(tǒng)用寬譜光源的RIN特性,指出系統(tǒng)的測量極限由光源RIN決定;Burns等實驗研究了不同寬譜光源的RIN特性并將噪聲理論模型應用于光纖陀螺隨機游走的計算中,結果表明理論計算值和實驗值之間存在較大誤差。寬譜光源的強度噪聲與光源光譜特性密切相關,然而目前對不同類型、不同光譜形狀寬譜光源RIN特性的研究還不夠深入,相關模型尚不能準確地用來評估不同寬譜光源的RIN特性,因此需要對寬譜光源RIN的評估方法及其對陀螺性能的影響進行深入研究,建立嚴格準確的噪聲計算模型,進而確定光源噪聲對光纖陀螺的影響機理。本文全面分析了寬譜光源的噪聲特性,設計了直接噪聲測試方法實現(xiàn)了寬譜光源RIN的測試,測試光源包括一種部分偏振超輻射發(fā)光二極管和三種不同輸出譜型的超熒光光纖光源。測試結果表明,RIN與光源譜寬、光譜形狀和偏振特性密切相關,綜合這些因素,提出了基于光源功率加權平均譜寬的RIN計算模型,該模型能比較準確地描述不同寬譜光源的RIN特性。將這4種寬譜光源應用于相同參數(shù)的閉環(huán)光纖陀螺,分別測量并利用上述噪聲計算模型計算了陀螺系統(tǒng)的RWC,計算結果與實際測試值吻合較好。2單光譜和帶寬資源的特性光源強度噪聲源于光源的附加噪聲,這種附加噪聲由寬譜光源各傅里葉分量之間拍頻引起,可表示為式中α2為光源偏振度,〈i〉為到達探測器的平均光電流,Δf為信號帶寬,Δνeff為光源有效的光譜帶寬。當寬譜光源應用于光纖陀螺時,附加噪聲以RIN的形式影響陀螺的噪聲性能,即RWC。由(1)式,寬譜光源RIN可以表示為式中為光源的平均波長,Δλeff為光源的有效譜寬,c為真空中的光速。為了測量光源的RIN,設計搭建了如圖1所示的噪聲直接測量裝置。測試系統(tǒng)中,待測光源由低噪聲直流驅動源驅動,輸出光通過衰減器進入集成光電探測器;衰減器用于調節(jié)到達探測器的光功率參數(shù),避免探測器飽和或響應度非線性。Newfocus1544-A探測器為低噪聲大帶寬探測器,集成光電探測和前放功能,探測器跨阻增益R為1000V/A,帶寬為12GHz;Agilent34401A高精度數(shù)字電壓表用來檢測探測器輸出的平均直流(DC)電壓信號,AgilentN9020A頻譜分析儀用來檢測探測器輸出的信號噪聲頻譜。圖1噪聲測試系統(tǒng)中,探測器輸出的噪聲實際包含熱噪聲、散粒噪聲和光源強度噪聲,輸出噪聲功率為單位帶寬內(nèi)噪聲相對平均光電流平方的比值可表示為式中〈i〉為探測器上的平均光電流信號,〈Δi2th〉、〈Δi2sh〉、〈Δi2RIN〉分別表示熱噪聲、散粒噪聲和強度噪聲,〈V〉表示數(shù)字電壓表檢測到的平均直流電壓信號,ΔV表示頻譜分析儀檢測到的噪聲電壓信號,Δf為信號帶寬。研究表明:對于一個頻率線寬為Δυ的寬譜光源,當?shù)竭_探測器光功率較小(〈i〉<2eΔυ,e為電子電量)時,熱噪聲和散粒噪聲在系統(tǒng)測試噪聲中占主導地位;當?shù)竭_探測器光功率大于微瓦量級(〈i〉>2eΔυ)時,光源強度噪聲在系統(tǒng)測試噪聲中占主導地位。這樣,圖1所示的噪聲測試系統(tǒng),在保證達到探測器上的光功率足夠大的條件下,測得的噪聲相對平均光電流平方的比值將為光源RIN,可得式中Sp1為光源經(jīng)測試系統(tǒng)后的噪聲功率譜,Sp2為測試系統(tǒng)本底噪聲功率譜;Δf為頻譜儀的測試帶寬,在微弱信號的檢測中,較低的測試帶寬可以提高信號測量精度,實驗系統(tǒng)中設置測試帶寬為100kHz;R為頻譜儀輸入電阻,實驗系統(tǒng)R為50Ω。目前,光纖陀螺中使用的寬譜光源種類較多,實驗中選用3種不同譜型SFS光源和1種部分偏振SLD光源作為研究對象進行了RIN特性測試。圖2為4種光源的輸出光譜,由光譜分析儀YokogawaAQ6370測量得出,其主要特征參數(shù)如表1所示。表1中4種寬譜光源的偏振度由實驗測得,測量過程中分別將4種寬譜光源接入偏振分析儀ThorlabsPAX5710,得到3種SFS光源的偏振度均為0.01,SLD光源偏振度為0.4。噪聲測試過程中,調節(jié)衰減器使4種寬譜光源到達探測器的光功率均約為50μW,此時熱噪聲和散粒噪聲的影響可以忽略,分別記錄頻譜分析儀檢測到的不同寬譜光源噪聲譜S和數(shù)字電壓表檢測到的平均直流電壓〈V〉,由(5)式可得到寬譜光源RIN譜。如圖3所示,在低頻范圍內(nèi),頻譜儀輸出噪聲主要受“1/f”噪聲影響,顯示值較大,頻率大于2MHz后,光源噪聲譜平坦,頻譜曲線反映光源的RIN特性。4種寬譜光源RIN的測試值如表1所示。SFS(a)光源和SLD(d)譜寬較寬,RIN較小。3譜寬和功率加權平均pw譜寬由于強度噪聲是由寬譜光源各傅里葉分量之間拍頻引起的附加噪聲,理論上,光源中任何影響光譜分量間拍頻強度的特征參量均會對強度噪聲造成影響。(1)式中,α2表示了光源偏振度對強度噪聲的貢獻,文獻從理論上研究了光譜形狀對RIN的影響,但由于實際的光源譜型不會是理想的高斯、三角或矩形,文獻中的理論模型需要進一步統(tǒng)一。為了解決這個問題,本文采用目前使用較多的3種光源譜寬定義,即3dB譜寬、均方根(RMS)譜寬和功率加權平均(PWA)譜寬分別計算4種樣品光源的譜寬,并以計算的譜寬代入(2)式估算RIN,以尋求其中的相關性。3dB譜寬為光源功率譜中半極大值點所對應的光譜寬度,是應用中最普遍的定義;RMS譜寬為一種以特定高斯或洛倫茲譜型為目標擬合的譜寬;在光纖陀螺系統(tǒng)中通常采用PWA譜寬來描述光源的光譜特性。RMS譜寬稱作光源的均方根譜寬,計算公式為光源PWA譜寬考慮到光源光譜各細分波段的功率權重,計算公式為式中中心波長λc=∑Pi×λi/∑Pi;Pi,λi,Δλi分別表示寬譜光源功率譜上第i個光譜細分波段對應的功率、波長和譜寬?；趫D2中不同光源的光譜測試數(shù)據(jù),分別計算了4種光源3dB譜寬、RMS譜寬和PWA譜寬,利用(2)式計算得到各種譜寬下的光源RIN值,如表2所列。從表2中可看出,在考慮4種寬譜光源的偏振度、有效譜寬的情況下,采用PWA譜寬時,RIN的計算值與測試值吻合得較好。這表明,在寬譜光源RIN的計算中,采用PWA譜寬作為光源有效譜寬結合光源的偏振度值,可以準確地評估寬譜光源的RIN特性。4種寬譜光源中,SLD光源具有最寬的PWA譜寬,然而由于其發(fā)出的光是部分偏振光,不同光譜成分相拍的強度較高,因此,盡管SLD光源PWA譜寬最寬(59.8nm),其RIN的測量值仍略大于無偏振的SFS光源(譜寬45.9nm)。這可能是光纖陀螺中采用高偏SLD光源難以獲得高精度的原因之一。4光電分離式高精度光纖螺栓rwc實驗系統(tǒng)在高精度光纖陀螺中,到達探測器的光功率均在幾十微瓦量級,陀螺噪聲由光源RIN決定。定義噪聲等效角速度為陀螺的噪聲極限,將光源RIN計算模型(2)式應用于陀螺RWC計算模型中,陀螺RWC修正模型可表示為式中fRWC為陀螺角度RWC,單位為為寬譜光源的平均波長,L為光纖環(huán)長度,D為光纖環(huán)直徑,KB為玻爾茲曼常數(shù),T為熱力學溫度,R′為探測器跨阻,η為探測器響應度,φ0為陀螺偏置相位,I0為到達探測器的光功率。為了測試4種光源RIN對光纖陀螺RWC的影響,搭建了光電分離式高精度光纖陀螺實驗系統(tǒng),如圖4所示。實驗系統(tǒng)分為敏感環(huán)路組件和光電組件,這兩部分通過光電混合纜連接;其中敏感環(huán)路組件包括光纖環(huán)和Y波導調制器,光纖環(huán)直徑為12cm,光纖環(huán)長度為1km;光電組件包括寬譜光源、探測器(PIN)、耦合器和全數(shù)字閉環(huán)檢測電路,探測器響應度為0.92A/W,跨阻為200kΩ。實驗系統(tǒng)所用光源為4種寬譜光源,光纖傳感環(huán)路光反饋不會對光源輸出特性造成影響;實驗中,設定偏置相位φ0=π/2,4種光源分別以光纖熔接的方式接入陀螺光路,通過控制熔接損耗,調節(jié)到達探測器光功率I0約為50μW。測試采樣間隔1s,待陀螺穩(wěn)定后記錄零偏數(shù)據(jù),有效測試時間2h,采用Allan方差分析方法計算了光纖陀螺的隨機游走,RWC測試值和基于(8)式的估算值如表3所示。由表3可以看出陀螺RWC的估算值與實驗值吻合較好,修正模型能比較準確地