研究目的
研究一种下一代中空芯光纤陀螺仪(FOG)的性能,该陀螺仪通过采用保偏中空芯光纤(HCF)、将HCF线圈的尾纤直接连接至多功能集成光学芯片(MIOC)的输出端,并利用展宽激光器对HCF FOG进行询问,从而推进了技术前沿。
研究成果
本出版物描述了下一代中空芯光纤陀螺仪的性能表现,该陀螺仪通过采用保偏中空芯光纤、将中空芯光纤线圈尾纤直接连接至多路集成光学芯片输出端,并采用展宽激光器进行信号检测,从而推进了技术前沿。当由超窄线宽光源驱动时,该中空芯光纤陀螺仪的角随机游走为2.12微弧度/√赫兹(受限于过剩噪声),漂移量为0.38微弧度——较先前报道的中空芯光纤陀螺仪提升3.4倍。当采用展宽激光器驱动时,其角随机游走为6微弧度/√赫兹,漂移量为0.88微弧度。该漂移量受限于偏振耦合现象,并验证了光纤供应商提供的该光纤保持参数(10^-3米^-1)。通过测量窄线宽激光器驱动下的中空芯光纤陀螺仪损耗谱和角随机游走谱发现:中空芯光纤支持密集的高散射表面模式频谱(约70个模式/纳米)。
研究不足
展宽激光驱动的空芯光纤光纤陀螺的ARW极有可能受限于与高散射表面模式耦合所介导的背向散射。漂移则受限于偏振耦合。与表面模式的耦合会随弯曲半径减小而显著增强。
1:实验设计与方法选择:
HCF光纤陀螺由光源连接至PM环形器的输入端口,该环形器尾纤为125微米PANDA光纤。环形器输出端口熔接至铌酸锂基片上制造的MIOC尾纤输入端,该MIOC包含高消光比(约70dB)偏振器、Y型分束器及两个用于动态偏置的推挽式电光相位调制器。MIOC的光纤尾纤直接连接至250米长的PM空心光纤线圈(NKT Photonics公司的HC-1550-PM-01光纤)。从MIOC返回的光经环形器导向光电探测器,该探测器连接至锁相放大器(LIA)。函数发生器以环路合适频率的正弦波驱动MIOC中的推挽相位调制器,并为LIA提供参考信号。LIA输出连接至数据采集系统,输出数据存储于计算机。
2:样品选择与数据来源:
线圈以四极方式绕制在2英寸直径线轴上。制造商提供的1.55微米波段光纤损耗约为15dB/公里。往返损耗(从光源至探测器测量)根据熔接质量、所用光源及MIOC使用年限不同,介于25dB至30.5dB之间。
3:55微米波段光纤损耗约为15dB/公里。往返损耗(从光源至探测器测量)根据熔接质量、所用光源及MIOC使用年限不同,介于25dB至5dB之间。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:PM环形器(尾纤125微米PANDA光纤)、铌酸锂基片MIOC、250米PM空心光纤线圈(NKT Photonics HC-1550-PM-01)、光电探测器(New Focus 1811)、锁相放大器(SRS SR844)、函数发生器(HP 33120A)。
4:1)、光电探测器(New Focus 1811)、锁相放大器(SRS SR844)、函数发生器(HP 33120A)。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:采用三种光源测试HCF光纤陀螺:SFS光源、线宽8kHz的可调谐激光器(HP 81682A)及展宽至22.5GHz线宽的激光器。将陀螺置于旋转台并使线圈轴向垂直于光学平台,以已知速率旋转并测量输出电压进行响应校准。通过保持线圈静止相同方向记录LIA输出电压数分钟至数小时,计算该输出信号艾伦偏差来确定噪声与漂移。
5:5GHz线宽的激光器。将陀螺置于旋转台并使线圈轴向垂直于光学平台,以已知速率旋转并测量输出电压进行响应校准。通过保持线圈静止相同方向记录LIA输出电压数分钟至数小时,计算该输出信号艾伦偏差来确定噪声与漂移。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:通过计算输出信号的艾伦偏差确定光纤陀螺的噪声与漂移特性。
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PM hollow-core fiber
HC-1550-PM-01
NKT Photonics
Used as the sensing coil in the FOG.
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Lock-in amplifier
SRS SR844
SRS
Amplifies the electrical signal from the photoreceiver and provides a reference for the function generator.
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PM circulator
125-μm PANDA fiber
Directs light from the input port to the output port and from the output port to the return port.
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MIOC
Contains a polarizer with a very high extinction ratio (~70 dB), a Y junction, and two push-pull electro-optic phase modulators for dynamic biasing.
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Photoreceiver
New Focus 1811
New Focus
Converts the optical signal returning from the MIOC into an electrical signal.
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Function generator
HP 33120A
HP
Drives the push-pull phase modulators in the MIOC with a sine wave at the loop’s proper frequency, and provides a reference for the LIA.
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