SLD光源对光纤陀螺性能的影响_王贵甫

位差 , rad。
FOG 系统的输出可表示为
UO =(IS +Id +I′s)G +U off
=(PΨ f K +Id +I′s)G +U off ,
(4)
式中 IS 为功率为 P 的 信号光产生的 光电流 , A;Ψ为 陀螺
的转动角速度 , rad /s;K 为光电 探测器 的积分 灵敏 度 ;Id 为
Ab stract: Cha racteristics o f supe rrad iance ligh t em itting diode ( SLD ) a re introduced and the effec ts on the perform ance o f a fiber optic gyro(FOG ) such a s ou tpu t power, central w ave leng th, full w idth at half m axim um (FW HM ), deg ree of polariza tion(DOP), input current of the SLD are ana lyzed from the po int o f view of theory and app lication, m ethods to so lve these problem s a re given a lso. Expe rim ents re su lts show s that the outpu t pow er con tro l o f the SLD is dom inating to a low-medium accuracy fiber optic gy ro. Fo r high accuracy FOG s, the w ave leng th have to be contro lled besides the ou tpu t pow er should be controlled, the control prec ision is no less than 10 ×10- 6. K ey w ords:fibe r op tic gyro ( FOG ); superradiance light em itting diode ( SLD ); light sou rce; degree o f po la rization(DOP);cen tra l wave leng th
标度因数的变化 , 从而对 FOG 的测试结果 造成影响 。 而 由
式 (1)、式 (2)可以 看出 :SLD 光源 的中 心波 长还影 响系 统
的信噪比 , 波长越长 , 系 统的理 论信噪 比越 高 。 另外 , 对 于
FOG 来说 , 如果光纤线圈 的直径 、长 度和返 回功率都 相等 ,
则由转动导致的相位差将与 SLD 的输出中心波长成反比 。
在不考虑热噪声的 情况下 , 光电 探测器 的输出 的信 噪
比为S NFra bibliotek= 2 eGΔf[
P
2 S
(ηe)2
ηhνe(PS +Pb) +Id]
,
(2)
式中 e为电子 电 量 , C;G 为噪 声 增益 ;Pb 为背 景辐 射 功 率 , W ;Id 为暗电流的平均值 , A 。 由于系统还受到环境温度 的影响 , 故实际输出 的信 噪比由 于热 噪声的 加入 比式 (2)
环节 , 将由光路引起的损耗降到最低 , 使 得最后入射到探测
器上的光功率相对增 加 。
(2)增大 SLD 光源 的输 出 功率 或使 用 大功 率 SLD 光
源 , 不过这可能会增加 系统的 功耗及研 制生产 成本 。 需 要
指出的是 :在增大 SLD 输出功率的同时 要注意 陀螺光 路中
一些器件 , 如 , 现在普 遍使用 的耦合 器 、相 位调制 器及线 圈
于某些标度因数需要 测试得出的 FOG, 光源的 输出功 率的
变化还使得对陀螺 的标度 因数的测 试精度 受到影 响 , 进 而
导致影响陀螺的测试 准确度 。
由式 (3)、式 (4)还可以 看出 :陀 螺的输 出信 号不仅 与
陀螺的转动 角速 度有 关 , 还受 环境 背景 、电 路等 因 素的 影
受到待测物理 量的 调制 (强度 的或 相位的 )而 导致 干涉 光
强的变化 , 此干涉光被探 测器接 收并转 换为大 小与干涉 光
场强度有关的电信 号 , 对 该电信 号进行 处理即 可得到被 测
的物理量 。
P IN 光电探测器接 收到的光功率为
P =P S(1 +cos Δ R ) ,
(3)
式中 PS 为光源的 光功 率 , W ;Δ R 为陀 螺旋 转引 起的 相
证陀螺的测试精度 。
1. 2 中心波长与带宽 光源中心波长 λ 的 选择主 要由石 英光 纤的损 耗特 性
c
和陀螺的精度要求等 因素决 定 。 通常 情况下 , 工作 波长 的
选择主要考虑能否找到合适 的元器 件 (如 , 光 源 、相位调 制
器 、探测 器等 )以及元器件的 成本等 问题 [ 1] 。 目前 , 低精 度
的中心波长随着温度的升高有增大的趋势 。
图 1 中心波长与光谱带宽和温度的关系曲线 F ig 1 Relation curve of central wavelength, spectrum
w idth vs tem perture 实际应用中 , 波长的稳定程度与陀螺的精度要求有关 , 陀螺的精度要 求越 高 , 对光 源的 波长 稳定 性 要求 也越 高 。
0 引 言 超辐射发光二极 管 (SLD)是与 半导体激光光源类 似的
一种介于激光二极管 (LD )和 发光二 极管 (LED)之间的 半 导体光源 , 也是目前光纤陀 螺 (FOG )中 普遍采 用的理 想光 源 。 由于不同种类或不同精度 的 FOG 对光源 的谱宽 、功率 及工作波长均有各 自不同 的要求 , 故本 文将从 理论和应 用 的角度分析讨论 SLD 光源对 FOG 性能的影响 , 并介绍相应 的解决办法 。 这对正确选用 SLD 光源 , 确定 SLD 对陀 螺性 能影响的关键因素 , 有针 对性地 设计出 满足陀 螺性能要 求 的光源驱动控制电路 具有重要意义 。 1 SLD光源对 FO G 性能影响的因素 1. 1 SLD光源的输出功率 1. 1. 1 SLD 的输出功率大小对 FOG 的影响
目前使用的 SLD, 其中 心波长 与温 度及 工作电 流都 有
关系 , 平 均随温度 有约 400 ×10- 6 /K 的漂 移 , 随 电流 有 约
40 ×10- 6 /mA 的 变化 。 图 1为 某种 型号 的 SLD 其中 心 波
长及光谱宽度与 温度 的关 系曲 线 。 由 图 1 可以 看到 :SLD
给出的值还要小 。
收稿日期 :2006 - 01 - 26 *基金项目 :江苏省博士后科研计划资助项目
第 6期 王贵甫等 :SLD 光源对光纤陀螺性能的影响 29
由式 (1)、式 (2)可以看 出 :为了 提高探 测器 的输出 信
SLD effect on the perform ance of fiber optic gyro*
WANG Gui-fu, H E An-zhi, L I Zhen-hua, WANG Sheng-w u
(Postd octoralW ork S tation of J iangsu E tern Co. , L td, Shanghai 200233, Ch ina)
理论灵敏度受到散粒 噪声的 限制 。 如 果只考虑 散粒 噪声 ,
忽略其他噪声 , 则探测器的理论输出信噪比为
S N
=2PhνSηΔf
,
(1)
式中 PS 为输入信号光 功率 , W ;h 为 普朗克 常量 , J s;η 为探测器的量子效率 ;Δf为噪声带宽 , H z;ν为输入光频率 ,
H z。
n、直径为 D、长度为 L 的 FOG, 其标度因数的理论计 算公式 为 [ 2]
K S =2πλncLcD ,
(5)
式中 λc 为光源的中心波 长 , m;c 为光在 真空中 传播的 速 度 , m /s;L 为绕制线圈的光纤长度 , m;D 为线圈的直径 , m。
由式 (5)可见 , SLD 的 中心波 长的 变化 将导致 陀螺 的
SLD 输出功率的大 小将影 响 FOG 中 光探 测器 的输 出 信噪比 。 目前 , 国内 的 FOG 中 使 用的 光 电探 测 器主 要 是 P IN 光电二极管 , 或是用 将 P IN 光 电二 极管 和 FET 前置 放
大器集成在一起 的 P INFET 模 块 。 对于 FOG 而 言 , 系统 的
FOG 一 般选 择工 作波 长为 850 nm 的光 源 , 而中 高精 度 的
FOG 一般选择工作波长为 1 300 nm 和 1 500 nm 的光源 。
1. 2. 1 中心波长对陀螺性能的影响
中心波长 λc 对陀螺 性能的 影响首 先是 通过引 起陀 螺 的标度因数的变化而体现的 。 对于一个光纤线圈折射率 为
SLD 光源对光纤陀螺性能的影响 *
王贵甫 , 贺安之 , 李振华 , 汪绳武
(江苏永鼎股份有限公司 博士后科研工作站 , 上海 200233)
摘 要 :介绍了超辐 射发光二极管 (SLD)光源的特点和基本 性能参 数 , 从 理论和 应用的 角度较 为系统地 分析了 SLD 光源的输出功率 、中心波长 、半峰 值全带 宽 (FW HM )、偏振 度 (DO P)、工作电 流等参 数对光纤 陀螺 (FOG)性能的影响 , 并介绍了相 应的解决方法 。 分析及实验结 果表明 :对于中低 精度的 FOG, 输出光 功率的控制 是主要的 ;而对于高精度 的 FOG, 除了要 进行光 功率控 制外 , 还要对 输出光 的波长 进行 控制 , 控制精度优 于 10 ×10- 6。 关键词 :光纤陀螺 ;超辐射发光二极管 ;光源 ;偏振度 ;中心波长 中图分类号 :TP212. 14 文献标识码 :A 文章编号 : 1000 - 9787(2006)06 - 0028 - 03
在增大sld输出功率的同时要注意陀螺光路中一些器件如现在普遍使用的耦合器相位调制器及线圈的最大允许输入光功率同时还要考虑光纤因光功率或两路光功率差异过大可能引起的非线性克尔效应不要超过其上限以免造成器件的损坏或性能的下降最终导致陀螺整体性能的降低
DO I 牶牨牥牣牨牫牳牱牫牤j牣牨牥牥牥牠牴牱牳牱牪牥牥牰牣牥牰牣牥牥牴 2 8 传感器与微系统 (T ransduce r and M icrosy stem Technologies) 2006年 第 25卷 第 6期
光电探测器的暗电流 , A;I′s 为 背景环 境产生 的光电 流 , A;
G为电路的增益 ;Uoff为放大器的零偏 , μV。
由式 (3)、式 (4)可 以看 出 :SLD 光 源的 输出功 率与 陀
螺系统输出之间的 关系是 线性的 。 因此 , 任何因 素的变 化
导致的光源功率的改变都将影 响陀螺的整体测试精度 。 对
的最大允许输入光功率 , 同时 , 还要考虑 光纤因光功率或两
路光功率差异过大 可能引 起的非线 性克尔 效应 , 不要超 过
其上限 , 以免造成器件的损坏或性能的下降 , 最终导致陀螺
整体性能的降低 。
1. 1. 2 SLD 输出功率的稳定性对 FOG 的影响
在以干涉光强度 进行测量 的设备 中 , 光源发 出的因 光
噪比 , 必须加大入射到 探测器 上的光功 率 。 解决 的办法 有
2个 :
(1)尽量减 小陀螺 光路 的各 种光 损耗 , 但 这种 方法 的
作用非常有限 , 因为 FOG 的光路结构及有 关器件的特 性使
得光路存在一些固 有的损 耗 , 故实现起 来比较 困难 。 但 即
便如此 , 还是应该对光路进行优化 , 注意 装配过程的每一个
响 。 另外 , 光电探测器性能 的变化 也会影 响陀螺 的整体 输
出 。 因此 , 为了保证 FOG 的测试质 量 , 保持 SLD 光源输 出
功率的稳定是 FOG 设计首先要考虑的 问题 , 必 须根据陀 螺
的性能要求设计一套 稳定光 源输出功 率的驱 动控制 电路 ,
并对上述的误差源进行分析 , 进行相应的补偿和消除 , 以 保
3 0 传 感 器 与 微 系 统 第 25卷