一种干涉式光纤陀螺及其双端口差分噪声抑制方法

摘要

本公开提供一种干涉式光纤陀螺及其双端口差分噪声抑制方法，其中方法包括：接收到第一光电探测器发送的互易端干涉信号，以及第二光电探测器发送的非互易端干涉信号；对互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行功率均衡；对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；对经过噪声补偿后的输出信号进行多谐波解调。本公开提供的双端口差分噪声抑制方法，将光域补偿双偏振干涉式光纤陀螺的互易端干涉信号与非互易端干涉信号在时域进行差分运算，利用补偿后的信号进行多谐波解调，可以达到良好的光源相对强度噪声补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度，具有较低的成本。

权利要求

1.一种干涉式光纤陀螺，其特征在于，包括：光源、第一消偏器、光源端耦合器、环端耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、联合信号解调模块、相位调制单元和光纤环；

所述光源与所述第一消偏器的输入端连接；

所述光源端耦合器的第一端口与所述第一消偏器的输出端连接；所述光源端耦合器的互易端口与所述第一光电探测器的输入端连接；所述光源端耦合器的第三端口与所述环端耦合器的第一端口连接；

所述环端耦合器的非互易端口与所述第二光电探测器的输入端连接；所述环端耦合器的第三端口通过所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；所述环端耦合器的第四端口与所述光纤环的另一端连接；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端均与所述联合信号解调模块的输入端连接；

所述光源输出任意偏振模式的偏振光至所述第一消偏器；所述第一消偏器对所述光源发出偏振光进行功率均衡和消相干，得到两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光；所述光源端耦合器和所述环端耦合器使所述双偏振光经过耦合器的累计相移相同，以保证耦合器互易性；所述环端耦合器将所述双偏振光耦合到所述光纤环内发生干涉，并将所述光纤环内干涉光信号耦合输出；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器将所述干涉光信号转换为电信号输出至所述联合信号解调模块进行双端口差分噪声抑制处理；所述相位调制单元用于提供调制信号；

所述联合信号解调模块进行双端口差分噪声抑制处理，包括：接收到所述第一光电探测器发送的互易端干涉信号，以及所述第二光电探测器发送的非互易端干涉信号；

对所述互易端干涉信号和所述非互易端干涉信号进行功率均衡；

对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

对经过噪声补偿后的所述输出信号进行多谐波解调；

所述对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，包括：采用第一公式对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

第一公式：Iout(t)＝Ir(t)‑ηInr(t)；

其中，Iout(t)表示t时刻的同步差分运算后的输出信号；Ir(t)表示t时刻互易端干涉信号；Inr(t)表示t时刻非互易端干涉信号；η为权重因子，以使两路信号在数字域功率均衡。

2.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述第一消偏器采用Lyot消偏器。

3.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述光纤环为保偏光纤环。

4.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述光纤环为消偏结构的单模光纤环。

5.根据权利要求4所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述环端耦合器的第三端口依次经第二消偏器和所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；

所述环端耦合器的第四端口经第三消偏器与所述光纤环的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述第二消偏器和第三消偏器均采用Lyot消偏器。

7.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述相位调制单元包括信号发生器和PZT相位调制器。

8.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述光源为激光光源或ASE光源。

9.一种权利要求1至8中任一项所述的干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法，其特征在于，包括：接收到所述第一光电探测器发送的互易端干涉信号，以及所述第二光电探测器发送的非互易端干涉信号；

对所述互易端干涉信号和所述非互易端干涉信号进行功率均衡；

对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

对经过噪声补偿后的所述输出信号进行多谐波解调；

所述对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，包括：采用第一公式对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

第一公式：Iout(t)＝Ir(t)‑ηInr(t)；

其中，iout(t)表示t时刻的同步差分运算后的输出信号；Ir(t)表示t时刻互易端干涉信号；Inr(t)表示t时刻非互易端干涉信号；η为权重因子，以使两路信号在数字域功率均衡。

说明书

一种干涉式光纤陀螺及其双端口差分噪声抑制方法

技术领域

[0001] 本公开涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种干涉式光纤陀螺及其双端口差分噪声抑制方法。

背景技术

[0002] 光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，干涉式光纤陀螺作为光纤陀螺技术中最成熟的代表，在导航制导、姿态控制等应用场景中都有着极其广泛的应用。

[0003] 光纤陀螺的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。具体说，在转动的闭合光路中，由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针方向和逆时针方向传输时发生干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向和逆时针方向传输的两束光产生了与旋转角速度成正比的相位差 这个相位差被称作Sagnac相移。由于干涉式光纤陀螺中Sagnac相移非常微弱，极易淹没在沿光纤累积的相位噪声中，需要采取适当的方法提升信噪比。

[0004] 干涉式光纤陀螺的主要性能指标包括零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围和带宽这5个方面。其中，零偏稳定性通常定义为在一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差1σ，由光纤陀螺静态仪输出中的漂移和噪声共同决定；随机游走系数是表征光纤陀螺中白噪声大小的一项重要特征参数，其物理意义为在光纤陀螺中仅有白噪声的情况下，尽管不同带宽要求下测得的陀螺仪输出的1σ不同，但其随机游走系数不变：

[0005]

[0006] 其中，RWC代表随机游走系数，其单位为 σΩ(T)为检测时间T内的标准偏差，Be＝1/T为检测带宽。在一定范围内，光纤陀螺的信噪比越高，随机游走系数越小。

[0007] 互易性条件是光纤陀螺抑制噪声的重要方法之一，其目的是让两束相向传播的光以同样的传播模式在同样的光路中传播，并以同样的偏振状态进行干涉，使它们之间的非互易相位差只包含Sagnac相移。这就是光纤陀螺工作条件中要求的互易性条件：单模互易性、耦合器互易性和偏振互易性。单模互易性要求采用单模光纤来减少光纤传播模式间的交叉耦合及其寄生干涉。耦合器互易性通过采用两个耦合器，保证两束光都经历一次环耦合器的直通臂和交叉臂，干涉时携带同样的耦合器相移。偏振互易性的实现是通过采用起偏器件的方式使得光在入环、传播和出光干涉时都处于同样的偏振模式，以抑制偏振非互易误差。满足这些条件的结构可以输出真实而稳定的旋转运动信息。这样的结构称为光纤陀螺的“最小互易结构”。目前，干涉式光纤陀螺通常采用最小互易结构，这种结构只利用了光纤的一个偏振模式，非互易端口不可用，起偏器造成较大的光路损耗，很难满足高精度光纤陀螺的应用需求。

发明内容

[0008] 本公开的目的是提供一种双偏振干涉式光纤陀螺，以至少解决现有干涉式光纤陀螺的上述缺陷之一。

[0009] 本公开第一方面实施例提供一种干涉式光纤陀螺，包括：

[0010] 光源、第一消偏器、光源端耦合器、环端耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、联合信号解调模块、相位调制单元和光纤环；

[0011] 所述光源与所述第一消偏器的输入端连接；

[0012] 所述光源端耦合器的第一端口与所述第一消偏器的输出端连接；所述光源端耦合器的互易端口与所述第一光电探测器的输入端连接；所述光源端耦合器的第三端口与所述环端耦合器的第一端口连接；

[0013] 所述环端耦合器的非互易端口与所述第二光电探测器的输入端连接；所述环端耦合器的第三端口通过所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；所述环端耦合器的第四端口与所述光纤环的另一端连接；

[0014] 所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端均与所述联合信号解调模块的输入端连接；

[0015] 所述光源输出任意偏振模式的偏振光至所述第一消偏器；所述第一消偏器对所述光源发出偏振光进行功率均衡和消相干，得到两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光；所述光源端耦合器和所述环端耦合器使所述双偏振光经过耦合器的累计相移相同，以保证耦合器互易性；所述环端耦合器将所述双偏振光耦合到所述光纤环内发生干涉，并将所述光纤环内干涉光信号耦合输出；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器将所述干涉光信号转换为电信号输出至所述联合信号解调模块进行双端口差分噪声抑制处理；所述相位调制单元用于提供调制信号。

[0016] 根据本申请的一些实施方式中，所述第一消偏器采用Lyot消偏器。

[0017] 根据本申请的一些实施方式中，所述光纤环为保偏光纤环。

[0018] 根据本申请的一些实施方式中，所述光纤环为消偏结构的单模光纤环。

[0019] 根据本申请的一些实施方式中，所述环端耦合器的第三端口依次经第二消偏器和所述相位调制单元与所述光纤环的一端连接；

[0020] 所述环端耦合器的第四端口经第三消偏器与所述光纤环的另一端连接。

[0021] 根据本申请的一些实施方式中，所述第二消偏器和第三消偏器均采用Lyot消偏器。

[0022] 根据本申请的一些实施方式中，所述相位调制单元包括信号发生器和PZT相位调制器。

[0023] 根据本申请的一些实施方式中，所述光源为激光光源或ASE光源。

[0024] 本公开第二方面实施例提供一种干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法，包括：

[0025] 接收到所述第一光电探测器发送的互易端干涉信号，以及所述第二光电探测器发送的非互易端干涉信号；

[0026] 对所述互易端干涉信号和所述非互易端干涉信号进行功率均衡；

[0027] 对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

[0028] 对经过噪声补偿后的所述输出信号进行多谐波解调。

[0029] 根据本申请的一些实施方式中，所述对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，包括：

[0030] 采用第一公式对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

[0031] 第一公式：Iout(t)＝Ir(t)‑ηInr(t)；

[0032] 其中，Iiut(t)表示t时刻的同步差分运算后的输出信号；Ir(t)表示t时刻互易端干涉信号；Inr(t)表示t时刻非互易端干涉信号；η为权重因子，以使两路信号在数字域功率均衡。

[0033] 本公开与现有技术相比的优点在于：

[0034] 本公开提供的干涉式光纤陀螺，采用消偏器与耦合器结合实现极简结构的双偏振干涉式光纤陀螺，降低了干涉式光纤陀螺的结构复杂度、整体成本和光路损耗，达到与互易结构等效的稳定输出效果。

[0035] 本公开提供的干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法，将光域补偿双偏振干涉式光纤陀螺的互易端干涉信号与非互易端干涉信号在时域进行差分运算，利用补偿后的信号进行多谐波解调，可以达到良好的光源相对强度噪声补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度，具有较低的成本。

附图说明

[0036] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0037] 图1示出了现有的一种最小互易结构的干涉式光纤陀螺示意图；

[0038] 图2示出了本申请提供的一种干涉式光纤陀螺的示意图；

[0039] 图3示出了现有的一种多谐波解调方案的示意图；

[0040] 图4示出了本公开提供的干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法的流程图；

[0041] 图5示出了在现有多谐波解调方案基础上加入功率均衡和同步差分噪声抑制后的过程示意图；

[0042] 图6示出了本公开光纤陀螺的输出角速度数据分析对比图。

具体实施方式

[0043] 以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

[0044] 在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

[0045] 为了解决上述现有技术中存在的问题，下面结合附图进行说明。

[0046] 图1示出了现有的一种最小互易结构的干涉式光纤陀螺示意图；如图1所示，包括光源、光电探测器、起偏器、环端耦合器、信号发生器和PZT相位调制器、光纤环。根据附图1，最小互易结构的工作原理是：由光源发出的偏振光输入光源耦合器，并被分成两路偏振光，其中沿直通臂传输并输出的偏振光输入起偏器；起偏器将输入的偏振光变为线偏振光并将该线偏振光输入到环端耦合器。环端耦合器将输入的线偏振光分成两路分别从其右侧的两个端口输出；环端耦合器输出的两路线偏振光分别沿光纤环的顺时针和逆时针方向传输，然后返回环端耦合器并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏振光又被环端耦合器分成两路并分别从环端耦合器左侧的两个端口输出。从环端耦合器的左上端口出发的，沿顺时针、逆时针方向传输的线偏振光返回到环端耦合器的左上端口时所经过的光程是相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光，输出互易光的端口也被称为互易端口。然而，从环端耦合器的左下端口出发的，沿顺时针、逆时针方向传输的线偏振光到达环端耦合器的左下端口时所经过的光程是不相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺的检测信号使用的。从环端耦合器的互易端口输出的线偏振光经过起偏器输入到光源端耦合器，光源端耦合器将输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其左下端口输入光电探测器。当光纤环静止时，从环端耦合器的互易端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回环端耦合器的互易端口时所经过的光程是相同的；当光纤环转动时，从环端耦合器的互易端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回环端耦合器的互易端口时所经过的光程是不相同的；在这两种情况下，光电探测器接收到的光信号强度有所不同，由此则可以计算出光纤环转动的角速度。

[0047] 本申请提供的干涉式光纤陀螺，是对图1所示根据最小互易结构原理工作的干涉式光纤陀螺的改进，本申请使用消偏器将光源发出偏振光处理为两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光，并取消起偏器，让双偏振光两个偏振模式在光纤环内发生干涉，由此，光电探测器检测到的仍然是两个独立、不相干的模式。两个模式经过光强叠加形成最终的检测信号，其光强叠加的过程便实现了光域的偏振误差补偿。同时，由于非互易端口与互易端口仅相差一个固定的耦合非互易误差，可以通过施加固定偏置予以消除，非互易端口可用。

[0048] 图2示出了本申请提供的一种干涉式光纤陀螺的示意图；如图2所示，本申请提供的干涉式光纤陀螺，包括：

[0049] 光源100、第一消偏器200、光源端耦合器300、环端耦合器400、第一光电探测器500、第二光电探测器600、联合信号解调模块700、相位调制单元800和光纤环900；

[0050] 如图2所示：

[0051] 所述光源100与所述第一消偏器200的输入端连接；

[0052] 所述光源端耦合器300的第一端口与所述第一消偏器200的输出端连接；所述光源端耦合器300的互易端口与所述第一光电探测器500的输入端连接；所述光源端耦合器300的第三端口与所述环端耦合器400的第一端口连接；

[0053] 所述环端耦合器400的非互易端口与所述第二光电探测器600的输入端连接；所述环端耦合器400的第三端口通过所述相位调制单元800与所述光纤环900的一端连接；所述环端耦合器400的第四端口与所述光纤环900的另一端连接；

[0054] 所述第一光电探测器500和第二光电探测器600的输出端均与所述联合信号解调模块700的输入端连接。

[0055] 所述光源100，用于输出任意偏振模式的偏振光至所述第一消偏器200；具体的，所述光源可以为激光光源或ASE光源。

[0056] ASE光源(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射光源)是基于掺铒光纤放大自发辐射的一种宽谱光源。

[0057] 所述第一消偏器200，用于对所述光源100发出偏振光进行功率均衡和消相干，得到两个偏振模式功率均衡且不相干的双偏振光；所述第一消偏器200可以采用Lyot消偏器。

[0058] Lyot消偏器对光源发出偏振光进行功率均衡和消相干的具体过程为：

[0059] 根据Lyot消偏器琼斯矩阵计算出，经过Lyot消偏器的偏振光可以写成不相干的两个偏振态的形式，进行光强的归一化之后的简化形式为：

[0060]

[0061] 式中，d是偏振光的偏振度；Δβ是模式双折射，其值是保偏光纤中两个偏振态的传播常数之差。

[0062] 当转角45°的时候，x、y方向光强相等，即Lyot消偏器理想时可以得到d＝0的平衡双偏振光。

[0063] 所述光源端耦合器300和环端耦合器400使所述双偏振光经过耦合器的累计相移相同，以保证耦合器互易性；环端耦合器400将所述双偏振光耦合到所述光纤环900内发生干涉，并将所述光纤环900内干涉光信号耦合输出；

[0064] 具体的，环端耦合器400将非互易端干涉信号耦合输出至第二光电探测器600；光源端耦合器300将互易端干涉信号耦合输出至第一光电探测器500。

[0065] 所述第一光电探测器500，用于将互易端干涉信号转换为电信号，然后进行A/D转换，输出至所述联合信号解调模块700；

[0066] 所述第二光电探测器600，用于将非互易端干涉信号转换为电信号，然后进行A/D转换，输出至所述联合信号解调模块700。

[0067] 所述联合信号解调模块700，用于根据互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行双端口差分噪声抑制处理。

[0068] 所述相位调制单元800，用于提供调制信号，对上述双偏振干涉式光纤陀螺进行相位调制。具体的，所述相位调制单元800包括信号发生器和PZT相位调制器。

[0069] PZT相位调制器是一种特制的光纤盘绕压电陶瓷换能器器件，具有相位调制功能，可应用于反射型传感系统中光波相位解调，干涉型传感器模拟，干涉仪系统的相位调制等，通过对PZT调制深度的解调可以获得传感信息。

[0070] 为了使光纤陀螺工作在灵敏度较高的状态，本申请在光纤环的一端加上PZT相位调制器，PZT相位调制器使两束光波在不同时间受到相位调制，产生一个相位差。

[0071] 所述光纤环900可以采用保偏光纤环，也可以采用消偏结构的单模光纤环。

[0072] 当所述光纤环900采用消偏结构的单模光纤环时，在环端耦合器400和光纤环900的两个端口之间增加两个消偏器，分别为第二消偏器和第三消偏器。具体的，所述环端耦合器400的第三端口依次经第二消偏器和所述相位调制单元800与所述光纤环900的一端连接；所述环端耦合器400的第四端口经第三消偏器与所述光纤环900的另一端连接。

[0073] 具体的，所述第二消偏器和第三消偏器均可以采用Lyot消偏器，单模光纤环时在环入口两端分别连接一个Lyot消偏器，用来消除每个偏振模式经过环的非互易成分的相干性。

[0074] 进一步的，可在两个光源端耦合器和环端耦合器之间连接一个Lyot消偏器，用来保证进入光纤环的双偏振光两个偏振模式功率均衡且不相干。

[0075] 值得一提的是，本申请上述连接均通过光纤进行连接。

[0076] 本申请中，将双偏振光耦合到光纤环内发生干涉，并将光纤环内干涉光信号耦合输出至光电探测器，以转换为电信号输出。该干涉信号中两个偏振模式偏振非互易误差反向，光强叠加的过程中便实现了光域的偏振误差补偿，达到与传统互易结构等效的稳定输出效果。

[0077] 最小互易结构干涉式光纤陀螺只利用了光纤的一个偏振模式，采用起偏器抑制偏振非互易误差，非互易端口偏振非互易误差无法消除；本申请提出的干涉式光纤陀螺，为光域补偿双偏振干涉式光纤陀螺，利用了光纤的两个偏振模式，采用光域补偿的方法有效地消除了偏振误差，非互易端口偏振误差与互易端口一致，仅相差固定的耦合非互易误差。

[0078] 互易端口偏振误差引起的相移如下：

[0079]

[0080] 其中，Γ(z)是光源的相干度，zrij是CriCrj*引入的等效双折射光程差，φr23是*CriCrj的相位，ij∈{1，2，3，4}。在理想分光比即偏振度d＝0时 即实现偏振误差补偿。

[0081] 如图2所示，由于光域补偿后的偏振误差引起的相移与互易端口形式一致，互易端口偏振误差引起的相移可表示为：

[0082]

[0083] 其中，Γ(z)是光源的相干度，znrij是CnriCnrj*引入的等效双折射光程差；φnr23是*CnriCnrj的相位，ij∈{1，2，3，4}。同样地，在理想分光比即偏振度d＝0时 即实现偏振误差补偿。

[0084] 本申请中，光源端消偏器采用Lyot消偏器，理想时可以得到d＝0的平衡双偏振光，可以实现非互易端口偏振误差补偿。

[0085] 本公开提供的干涉式光纤陀螺，采用消偏器与耦合器结合实现极简结构的双偏振干涉式光纤陀螺，降低了干涉式光纤陀螺的结构复杂度、整体成本和光路损耗，达到与互易结构等效的稳定输出效果。

[0086] 提高光源输出功率是提高光纤陀螺信噪比、降低RWC(随机游走系数)的有效办法。噪声的主要来源中，热噪声是由光纤的折射率热涨落而引起的相位噪声，与光功率无关，可以通过在光纤陀螺本征频率处进行解调而得到抑制；光子散粒噪声是光子转换为电子时产生的随机噪声，与光功率成正比；光源相对强度噪声是光源输出能量的振荡，是由于宽谱光源各频率分量之间的拍频引起的随机噪声，与光功率平方成正比，也是目前高精度光纤陀螺中最主要的噪声。当光功率增大到一定值时，光源相对强度噪声逐渐成为噪声中的最主要成分。

[0087] 在使用宽谱光源的高精度光纤陀螺中，噪声主要来自于光子散粒噪声和光源相对强度噪声，根据公式(1)，可将等式近似为：

[0088]

[0089] 其中，σshot表示光子散粒噪声标准差，σRIN表示光源相对强度噪声，h为普朗克常量，P为探测器接收到的光功率。表1是偏置工作点处探测器接收光功率大小与光纤陀螺检测灵敏度受噪声种类限制的关系，超辐射发光二极管(SLD)是一种通过电流注入发射宽带光的半导体器件。

[0090] 表1.光纤陀螺检测精度噪声受限情况

[0091]

[0092] 目前，导航级别的光纤陀螺使用的宽谱光源，其输出光功率通常大于>10mW，即使考虑到光路上的损耗，达到光电检测器的功率仍大于10μW，因此抑制光源相对强度噪声对高精度光纤陀螺的灵敏度提高具有非常重要的意义。

[0093] 在高精度光纤陀螺的光源相对强度噪声抑制办法中，通常采用光路或电路两种办法进行补偿，利用耦合器另一端的参考信号提取出光源噪声信息，与原测量信号进行抵消运算，从而抑制测量信号中的光源相对噪声成分，如图3所示，其特点是光纤陀螺采用闭环结构并采用方波调制，能较好地降低光源相对强度噪声的影响，但也造成了较高的成本，在较高精度的开环陀螺中无法很好应用和推广。

[0094] 针对现有的光源相对强度噪声抑制办法多用于闭环方波调制的陀螺中的现状，本公开提供一种开环正弦波调制光纤陀螺中的双端口差分噪声抑制方法，采用本方案后的开环光纤陀螺能较好地提高检测灵敏度，且复杂度较低。

[0095] 对根据图2(双偏振)原理工作的干涉式光纤陀螺，使用PZT相位调制器，陀螺输出干涉信号含有两个偏振模式，采用双耦合器，双端口检测，其互易端与第一光电检测器相连，非互易端与第二光电检测器相连，由于双端口干涉信号的相关性，将两信号做差分运算，可以较好地补偿掉光源相对强度噪声。

[0096] 图4所示为本公开提供的干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法的流程图，该方法应用于图2所示的联合信号解调模块700，如图4所示，该方法包括如下步骤：

[0097] 步骤S101：接收到所述第一光电探测器发送的互易端干涉信号，以及所述第二光电探测器发送的非互易端干涉信号；

[0098] 步骤S102：对所述互易端干涉信号和所述非互易端干涉信号进行功率均衡；

[0099] 步骤S103：对功率均衡后的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行同步差分运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号；

[0100] 步骤S104：对经过噪声补偿后的所述输出信号进行多谐波解调。

[0101] 具体的，PZT相位调制器的调制信号为正弦波调制信号。

[0102] 本公开提出的双端口差分噪声抑制方法，互易端干涉信号和非互易端干涉信号经过联合信号解调模块进行双端口差分噪声抑制，其联合输出信号较好地消除了光源相对强度噪声，提高了检测灵敏度。

[0103] 本公开中，联合信号解调模块在原有公知的多谐波解调方案(如图3所示)基础上加入了功率均衡和同步差分噪声抑制的过程(如图5所示)，具体过程如下：

[0104] 步骤S102中，首先对接收到的互易端干涉信号和非互易端干涉信号进行功率均衡。

[0105] 具体的，光源产生的强度噪声为ni(t)，则光强可以表示为Ιs(t)＝Ι0+ni(t)，第一光电探测器在互易端口和第一光电探测器在非互易端口检测到的两路信号Ιr(t)和Ιnr(t)可以写为：

[0106] Ιr(t)＝αr[Ι0+ni(t)][1+krcos(φ+φp)]  公式(3)

[0107] Ιnr(t)＝αnr[Ι0+ni(t)][1‑knrcos(φ+φc+φp)]  公式(4)

[0108] 其中，αr，αnr分别是两路信号的衰减；kr,knr分别是两路信号的衬比度；φ＝φs+φm包括Sagnac相移和调制相移；φc是耦合非互易性导致的两路信号之间的相位差；φp是由光路震动、Faraday效应、Shupe效应等引起非互易相位波动。

[0109] 上述两路信号是指互易端干涉信号和非互易端干涉信号。

[0110] 请参考图5，将非互易端干涉信号接入系数为η的乘法器，因此，功率均衡后输出的信号分别为Ιr(t)和ηΙnr(t)。

[0111] 步骤S103中，对功率均衡后的两路信号进行同步差分运算。

[0112] 具体的，请参考图5，将功率均衡后输出的两路信号接入减法器，其输出信号为：

[0113] Ιout(t)＝Ιr(t)‑ηΙnr(t)＝(αr‑ηαnr)[Ι0+ni(t)]+ΙDcos(φ+φN)  公式(5)[0114] 公式(5)中的ΙD和φN可借助中间参数表示为：

[0115]

[0116]

[0117] A1＝αrkrcos(φp)，A2＝αnrknrcos(φc+φp)

[0118] A3＝αrkrsin(φp)，A4＝αnrknrsin(φc+φp)

[0119] 调整η使得(αr‑ηαnr)＝0时，有：

[0120] Ιout(t)＝ΙDcos(φ+φN)  公式(8)

[0121] 在步骤S104中，对经过噪声补偿后的上述输出信号进行多谐波解调。

[0122] 具体的，在使用标准的正弦调制解调方法的时候，交流分量中的光源强度噪声不会直接影响陀螺的检测结果，因为各次谐波做比值的时候会约去光强，因而消除了光强不稳定的影响。但是直流分量中的强度噪声是有害的，因为它对各次谐波贡献的噪声是随机的，因而无法在解调过程中约去。对比公式(3)、(4)、(8)不难发现，加入了功率均衡和同步差分噪声后，干涉信号直流分量上所叠加的光源强度噪声被抑制。

[0123] 以开环光纤陀螺为例：采用波长为1550nm、谱宽70nm的ASE光源，光纤环使用消偏4
结构的单模环，环长为2000m，直径为0.14m，消偏器所用保偏光纤的折射率差Δn＝5×10 ，光纤环端第二消偏器和第三消偏器LAB分别是2m和8m，光源端的第一消偏器LAB为32m。实验环境为15～25℃的室温环境，实验中的数据采样间隔为0.35s，测试30min，地球自转角速度理论值为9.667°/h，η＝0.5时获得最佳抑制效果。光纤陀螺仪输出角速度数据分析对比图如图6所示。可以看到，采用本公开提出的双端口差分噪声抑制方法后光纤陀螺的性能有明显提升。

[0124] 图6示出了本公开的光纤陀螺输出角速度数据分析对比图。

[0125] 图6中左图示出了光纤陀螺输出角速度值的时域比较图，其中包括互易端口单路解调结果、非互易端口单路解调结果、双端口差分抑制解调结果。图中横轴为测量数据的时间，纵轴是测量得到的角速度值，单位为度/小时。

[0126] 图6中右图示出了角速度时域数据的Allan方差分析图，其中包括互易端口单路解调结果、非互易端口单路解调结果、双端口差分抑制解调结果。从图中可知，互易端口的随‑3 ‑3机游走系数为6.6×10 ，非互易端口的随机游走系数为7.0×10 ，双端口差分抑制的随机‑3
游走系数为4.8×10 ，可见，本公开实施例的双端口差分抑制的随机游走系数最小，随机游走特性有明显改善，提高了光纤陀螺的检测精度。

[0127] 本公开提供的干涉式光纤陀螺的双端口差分噪声抑制方法，将光域补偿双偏振干涉式光纤陀螺的互易端干涉信号与非互易端干涉信号在时域进行差分运算，利用补偿后的信号进行多谐波解调，可以达到良好的光源相对强度噪声补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度，具有较低的成本。

[0128] 以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。