光纤陀螺用高稳定抗辐射光纤光源

光纤陀螺用高稳定抗辐射光纤光源
杨远洪
(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京，100191)
摘要：为满足空间用高精度光纤陀螺和光纤传感器对高稳定抗辐射光纤光源（SFS）的需求，提出了一种本征稳定的双程SFS方案，研究揭示了器温度、辐射影响机理，采用变参数智能控制技术，保持有源光纤中泵浦光能量稳定，得到了高稳定抗辐射SFS。

关键词：光纤陀螺；抗辐射；光纤光源
SFS是一种基于掺铒光纤自发辐射的宽谱光源，是惯性级光纤陀螺的核心器件。

但掺铒光纤（EDF）必须通过掺入铒离子和其它辅助元素才能实现有效的发光，严重影响了掺铒光纤光源的抗辐射性能，如何提高掺铒光纤光源的抗辐射能力和保证其温度稳定性一直是影响惯性级光纤陀螺空间应用的“瓶颈”技术。

在SFS中，所有光学器件都集成在一个有限的空间，光纤的曲率半径很小，而且存在由热引起的损耗和特性变化，光源输出功率和波长温度变化没有确定的关系。

提出了一种输出采样定值控制技术，使输出规律变化，并获得了解析的组合数学模型，为输出参数的智能控制奠定了理论基础。

通过大量的理论和实验研究，发现辐射对EDF的影响是一个动态过程，即由辐射引起损耗的变化，同时也存在辐射的自动恢复或被动恢复(褪色)过程。

在光纤光源中，辐射致损耗除了与辐射总剂量有关外，还与辐射剂量率有关，辐射引起的损耗还具有波长相关性。

在光纤光源工作时，由于存在较强的泵浦和信号光能量，其“光褪色”效应相当明显。

试验研究表明，980nm泵浦光的辐射损耗是引起SFS辐射变化的主要因素。

本文总结形成了辐射致损耗和“光褪色”增益模型，为抗辐射设计提供了实验和理论基础。

图1 抗辐射掺铒光纤光源结构图2 辐射特性测试及对比采用的变结构和变参数智能控制系统如图1所示，其中实线方框内为光路部分，为一种本征稳定的双程后向结构。

虚线方框为控制部分，为基于SOC（System on Chip）单片机的数字控制系统。

与传统的反馈控制不同，反馈光信号为光纤中残余的980nm泵浦光能量，通过波分复用器从前向输出光中提取。

参数辨识指通过定值控制实验获得特征模型的系数，该系数通过接口装入控制处理器，用于计算特征轨迹，探测器组件输出的功率信号与参考轨迹数据同时输入电流控制器，采用变结构和变参数的增量PID控制技术，产生激光器驱动电流，以保持有源光纤中泵浦光能量稳定，实现SFS 的输出稳定。

基于上述技术，研制出SFS产品，在－45℃～＋70℃的温度范围内，输出功率稳定性为0.54％，平均波长稳定性为24.3ppm，为国际范围内公开报道的最好水平。

如图2所示，在50Krad累积剂量情况下，采用抗辐射技术的20100205、20100106号SFS的光功率变化分别为8.7%和9.5%，未采用
辐射加固技术的20100110号SFS光功率衰减很快，证明所采用理论和技术的有效性。