文摘

角随机游走(ARW)是一个典型的陀螺仪的关键噪声组件与偏见与不稳定的噪音。尤其是在短期精度ARW已经占主导地位的影响。的测量不确定性降低恶化ARW导致降低整体陀螺仪精度。许多惯性导航的应用程序中,如卫星控制和陀螺仪需要设备ARW低。干涉型光纤陀螺仪,最低可检测旋转成正比的比例因子传感器和光学带宽成反比的陀螺仪使用的光源。在这项研究中,使用一种新型泵激光闭环控制方法,陀螺仪性能可以显著提高包括信噪比(信噪比)。光纤陀螺仪包括Yb-doped放大自发辐射(ASE)来源广泛的发射光谱的15 nm带宽作为光源,以提高陀螺仪的灵敏度。最后ARW性能大约0.008°/√hr 150 m光纤线圈的长度。

1。介绍

以防丢失导航信息的外部来源如全球导航卫星系统(GNSS),科学家和工程师寻求方法,可以促进自导。在高精度是至关重要的惯性导航系统(INS),对低功耗的需求同样重要。应用程序,如无人机(UAV),无人水下航行器器(UUV),卫星控制系统,陀螺罗经,要求紧凑、高度精确、健壮的INS为了增加操作时间和系统的性能1,2]。加速度计和陀螺仪是惯性传感器主要用于为每个正交轴INS。多年来,环形激光陀螺仪(针对)一直领先陀螺仪技术由于其准确性和温度稳定性。今天,光纤陀螺仪(雾)技术达到终极理论性能和超过针对激光和在市场上获得了一个重要的角色由于其结构紧凑和健壮,不包括移动部件(3,4]。此外,生产低复杂性和广泛使用光纤组件由于电信产业让他们理想的低成本、大规模生产。虽然新的雾技术如布里渊或谐振雾已经发展在过去的几十年里,他们没有取代了雾的干涉技术(5]。需要更精确的和紧凑的INS促使研究人员提高性能的干涉型光纤陀螺(IFOG)。不同的调制技术实现和校准技术在这方面(6- - - - - -8]。此外,低波长IFOGs发达。比例因子(SF)的雾是一个参数决定输入转速和输出之间的关系。这个关系是(3] 在哪里 由于转速相位差, ; 和 分别总纤维线圈长度和直径; 光的速度;和 是光源的中心波长。

波长和灵敏度是成反比的,我们可以看到在1)。因此,设计一个IFOG与更短的波长增加灵敏度。通常情况下,开环调制技术是实现这些应用程序(9,10]。

主要ARW IFOG有限的相对强度噪声(RIN),这噪音是成反比的带宽光学来源。RIN的这个特点是光源选择的主要因素之一。超发光激光二极管(sld)广谱通常用作雾光源;然而,其中心波长对温度变化的敏感性限制了他们的应用程序到一个狭窄的操作温度范围(11]。

放大自发辐射(ASE)来源有很多出色的特性,比如宽带频谱,低相干光功率高,和好的mean-wavelength稳定必不可少的光纤陀螺仪(12]。最常见的稀土元素用于ASE光源作为活性介质(Er)和镱铒(Yb)。Er-doped ASE来源产生光中心波长1550纳米左右,而Yb-doped ASE光源产生约1030海里。Er-doped纤维ASE来源已经彻底调查这些年来,各种新技术的研发,以扩大他们的光谱宽度,增加波长稳定性(13,14]。主要Er-doped ASE来源用于IFOG作为光源。然而,IFOG Er-doped ASE来源达到限制在他们的性能。因此,新技术和来源是强制性的,以进一步提高陀螺仪的性能。例如,IFOG由波长1550纳米的激光源扩大通过相位调制作为新光源是为了最小化开发ARW 3 dB (15,16]。这种技术有一些缺陷,如要求额外的组件,增加规模和复杂性IFOG架构。另一方面,Yb-doped纤维有许多吸引力等特点广泛的增益谱和更高的效率比Er-doped ASE来源(17]。广泛的增益谱产生宽的带宽,而更高的效率使驱动激光二极管的ASE光源较低的电流。这些优势提供更低的能耗。此外,辐射电阻使得Yb ASE光源适合太空任务(18]。此外,灵敏度和噪声性能提高陀螺仪的中心波长减小。考虑所有这些特性,Yb-doped ASE光源适用于低功耗、低ARW,波长和更高的稳定性。

基本IFOG包括光源、耦合器、相位调制器包括三通接头、光纤线圈和探测器,如图1。在这项研究中,Yb-doped ASE光源作为光源。多功能集成光路(MIOC)用作三通接头耦合器,偏振镜和相位调制器。探测器是一种积极的内在消极的场效应晶体管(PINFET)设备。


图1
基本的IFOG示意图。

ARW IFOG的来源包括电噪音(EN),如约翰逊噪声、暗电流噪声、散粒噪声(SN)和光学噪声(即。,相对强度噪声(RIN)),分别如图所示(2)。在典型的调制深度ARW 可以从理论上计算(19] 在哪里 玻尔兹曼常数, 在开尔文温度, 互阻抗放大器的电阻, 是光电二极管的效率, 光电二极管的光功率, 是元电荷, 是黑暗的光电二极管的电流, 中心波长, 带宽是光的来源。

使用(2),占主导地位的噪音可以确定19]。通过减少IFOG的中心波长、科幻和RIN可以减少。因此,可以提高ARW性能通过使用Yb-doped ASE代替Er-doped ASE光源。在图2显示,这种理论改进。这里,横轴是光电二极管的光功率。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
噪声分析(一)1030 nm和雾(b) 1550海里。

EN是主要噪声源类型是否有低光功率光电探测器。RIN限制ARW如果光功率超过10μw在恒光学带宽的配置的情况下,只使用1030 nm ASE光源将改善ARW约100的2倍μ在理论上PINFET W光功率输出。这个值可以通过增加光功率进一步提高因为ARW IFOG使用Er-doped ASE光源是有限的100左右μW光功率,而200年μW光功率会导致更好的IFOG ARW值使用Yb-doped ASE光源。

根据萨尼亚克效应,光纤陀螺仪是一种旋转传感元件之间产生相位差counterpropagating波在光纤线圈。这一阶段变化( )可以使用[计算3] 在哪里 调制信号的区别是水平, 最大信号电平, 相位调制深度, 不相关的噪声在哪里 th调制的水平。

相位差由于旋转可以使用小角度近似计算。

第一项(4)被定义为相位信号,第二项是由于旋转噪声在阶段。简化后,信噪比可以计算使用阶段

噪声( )在光电探测器对应于一个特定的相位噪声水平。这噪音水平限制最低可检测转速。在探测器噪声组件是高度依赖光源的光功率。因此,比率相位差由于旋转和相位噪声水平可以通过控制和优化光功率进行优化。图3显示相位信号是最优的 ,噪声和信噪比的值对应的100μW - 105μW光学PINFET 1030海里。相位信号电平计算出地球自转速度纬度39.93°。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
信噪比分析,1030 nm雾(100年)μ105 W和(b)μ光功率。

5%的光功率变化的最佳信噪比的变化和调制的价值。同样,相信噪比固定调制深度值为0.8π变化约为8.3至9.8。这些结果,应优化和控制光功率信噪比改善值固定的调制深度。

主要四种基本ASE光源配置开发的文献包括单通道向前(SPF)和向后(SPB)和双通向前(DPF)和向后(DPB) [20.]。每个设计都有它的好处的光功率,中心波长稳定性和光学带宽。因此,SPB和广泛的带宽配置实现减少ARW,这是本研究的主要目的。ASE设计由一个泵在976 nm激光二极管(LD)操作,一个波分多路(WDM)结合泵和发射波长,用高浓度Yb-doped纤维,在线隔离器块回反射造成光纤输出。设计如图4。


图4
单通道逆向配置。

如图3,应该优化和控制光功率提高信噪比。拟议的系统包含一个闭环控制系统,优化输出光功率最佳信噪比的理想值,如图4。面临(BF) LD的输出与输出功率系统的监控。监测值和优化使用控制和信号处理单元驱动激光电流。相信噪比可以提高光功率的变化超过10%,5%使用闭环控制的ASE光源。

在这项研究中,提出了一种新颖的IFOG包括一个激光二极管在Yb-doped ASE光源的闭环操作。这样的操作大大提高了信噪比。此外,所有IFOG的优点,如高灵敏度与波长要短,稳定的光源,如放大自发发射源健壮的和全光纤结构设计,低功耗,高稳定性和闭环操作是为了实现一个高性能的系统相结合。

2。实验结果

SPB配置,Yb-doped纤维注入前进的方向。输出是WDM的观察通过第二个输入。Angled-physical接触(APC)是用来阻止背反射活性纤维。

一个特殊的点纤维操作在1左右μ米波长作为IFOG的核心。点型纤维有降低涂层直径165μm。因此,可以获得较小的体积相比,纤维与标准250μ米涂层。点纤维伤口约150使用四极绕组技术创建一个对称的结构,降低温度变化的影响(3,21]。线圈直径45毫米。这张照片的纤维线圈如图5。


图5
点为1030纳米纤维,长度150米。

1030海里IFOG主要由Yb-doped ASE光源,陀螺仪传感器,检测部分和阅读电子如图6(22]。来自ASE光源输出光指向MIOC和点纤维线圈。这里,点光纤线圈传感元件,MIOC作用相耦合,偏振调制。此外,闭环信号指示MIOC。光信号的传感元件输出使用PINFET雾检测。目前PINFET的输出转换为电压信号通过一个模拟数字转换器(ADC)。主要电子卡片包括处理单元(CPU)负责数据采集、信号处理、传感器控制和输入/输出的沟通管理。数学计算的闭环雾中实现数字信号处理(DSP)模块。调制信号的和偏置调制集干涉仪工作点和速度控制回路反馈调制null的相移干涉仪由于萨尼亚克效应。


图6
Yb ASE IFOG的功能方案。

3所示。结果

Yb-doped ASE光源的输出光功率、光谱特征。中心波长的ASE光源1030.0 nm和光学带宽约15海里。光学频谱分析仪用于光谱测量。日月光半导体发射的光谱输出如图7。


图7
光谱Yb-doped ASE光源的输出。

光功率测量Yb-doped ASE光源功率进行使用光功率计。结果显示在图8。


图8
Yb-doped ASE光源的光功率输出。

为了实现类似的功率与Er-doped ASE光源,激光二极管电流应该几乎翻了一倍。0.5激光二极管电流和电压5 V操作,2.5 W的权力。此外,降低激光二极管电流增加了激光二极管寿命(即。、平均故障间隔时间(MTBF)) (23]。

角随机游走(ARW)是一种不相关的和高频噪声对光纤陀螺仪组件。光纤陀螺的ARW短期业绩的主要噪声源。ARW参数不同的光功率在PINFET决心使用阿伦方差分析。ARW结果显示在图中9。直线的斜率的切向行1/2艾伦偏差曲线为10,110和120μW(分别为蓝色、红色和绿色)。的交集τ= 1人力资源和外推线决定了阿伦方差ARW参数图形。


图9
阿伦方差分析结果对不同的光功率。

1030纳米的ARW价值雾与理论分析具有良好的协议。110年μW - 120μW, ARW值大约0.00831°/人力资源和0.00827°/√√人力资源即光学依赖ARW仍可观察到的。这种依赖性也显示10μW光功率测量已ARW 0.0130°/√人力资源的价值。系统优化的ARW性能。偏见不被认为是稳定。电子产品的散热和力学创建在长期漂移。因此,进一步提高机械设计和温度校正可以提高偏见稳定性能。

4所示。结论

在这项研究中,一种新型的闭环操作激光二极管内部ASE光源IFOG的实现。新技术提高信噪比通过控制光源的输出功率最优功率。相信噪比可以提高光功率的变化超过10%,5%。全光纤光纤陀螺闭环1030海里。第一次Yb-doped ASE光源与广泛的带宽是发达的减少主要来源ARW主导的相对强度噪声和提高陀螺仪的比例因子。全光纤结构允许操作一个健壮的系统。效率高的增益介质操作允许低操作电流导致低功耗为空间应用十分重要。旋转速度敏感性增加了2倍,比例因子的增加相比常见的ASE 1550海里的来源。除了增加灵敏度,ARW性能也得到改善。这改进的结果相比,更好的陀螺仪性能类似的陀螺仪在1550海里。 Different techniques such as a laser broadened by phase modulation are used to enhance ARW performance. In literature, 3 dB performance increase is demonstrated. Yb-doped ASE source can be combined with phase broadening method to achieve 4-fold ARW performance. Moreover, one can decrease the device volume by designing smaller gyroscope coil with shorter fiber length for a desired ARW value. Addition to low power consumption and low volume, radiation resistant of Yb-doped ASE source makes such design suitable for space missions. Finally, SNR is optimized by monitoring and controlling power output of the ASE source.

数据可用性

数据是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。