光纤陀螺的误差分析

光纤陀螺仪的误差分析目前光纤陀螺的研究和应用中还存在着一些关键技术需要作进一步的深入研究。最突出的问题就是存在许多难以解决的误差源。

一、光纤陀螺仪的分类

光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类：

1、干涉式光纤陀螺（IFOG）

2、谐振式光纤头陀螺（RFOG）

3、受激布里渊散射式光纤陀螺（BFOG）

其中干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化，而谐振式光纤陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处于基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。

所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。

二、干涉式光纤陀螺原理

干涉式光纤陀螺的主体是一个萨格奈克（Sagnac）干涉仪，由宽带光源（如超发光二极管或光纤光源）、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤线圈组成，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束广波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差：

式中：R为光纤线圈的半径；L为光纤长度；为光源平均波长；c为真空中的光速。

图1 干涉式光纤陀螺的机构组成

三、光纤陀螺的噪声来源

由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源的影响，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。为了减少光纤陀螺的误差并提高其精度，需要对其进行性能评价，辨识出影响其精度的主要误差源，以便进一步采取措施消除相关的随机误差。

在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应，它们都将引起陀螺输出漂移和标度因数的不稳定性，从而影响光纤陀螺的性能。

主要误差源

1.光源噪声

光源是干涉仪的关键组件，光源的波长变化、频谱分布变化、输出光功率的波动、返回光的干扰，都将直接影响干涉的效果。另外，返回到光源的光直接干扰了它的发射状态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，并引起发光强度和波长的波动。

(1)光源的波长变化的影响

可通过信号处理的方法加以解决。若波长变化是由温度变化引起，则可直接测量温度而校正波长，否则，必须测量波长进行校正。

(2)返回光的影响

可采用光隔离器、信号衰减器、或选用超发光二极管(SLD)之类的低相干光源，

来降低反射光与信号光的干涉效果，抑制瑞利背向散射噪声。光源性能的好坏直接影响到后续光学器件的性能，对于干涉型的光纤陀螺而言，应用宽光谱光源，可以得到很好的零位路径差(null path difference)干涉对比。如果采用超发光二极管作为光纤陀螺的光源，则必须采取功控和温控措施，甚至在系统中引入光反馈措施，以减少光功率波动引起的陀螺噪声，并通过二倍频、四倍频信号处理电路来消除光功率波动的影响。

2.检测电路噪声

光电探测器本身的噪声、调制频率噪声、前置放大器噪声和散粒噪声都是重要的噪声源。通过优选调制频率可减少l/f噪声分量，用电子学方法可减少放大器噪声，而散粒噪声只能通过选择尽可能大的光源功率和低损耗的光纤通路来增强光信号，提高信噪比。

3.光纤环噪声

在光纤干涉仪中，光纤线圈是敏感萨格纳克相移的传感元件，同时又对各种物理量极为敏感。光纤的瑞利背向散射效应、双折射效应、克尔效应、法拉第效应以及温度效应等都将使光纤线圈传输的光信息发生变化，引起陀螺噪声，这是光纤陀螺最大的噪声源。

(1)光纤的瑞利后向散射效应，起因于光纤内部介质的不均匀性、光纤通路中的焊接点以及与器件的耦合点，它是光纤陀螺的一项主要噪声源。在光纤通路中，这种背向散射光被强加于传输光上。当光纤中的背向散射光与主光束相干叠加时，对主光束将产生相位影响，形成相位误差。为了抑制此项噪声，通常采用两种办法：一是采用短相干光源。瑞利背向散射引起的相位噪声大小依赖于光源的相干长度，若采用短相干光源，则散射光对主光束的相干度很小，主光束的相位基本上不受散射光的影响，可有效抑制瑞利散射引起的相位噪声。二是在光纤线圈的一端进行相位调制，选择合适的调制频率，使左右旋转的两束瑞利散射光的偏振调制相位正好相差180，二者的光强相互抵消，可消除返回光源的光信号的附加幅度调制噪声。

(2)光纤的双折射效应主要是指光纤在应力作用下引起传输偏振态变化，造成干涉信号波动，使陀螺产生漂移。通常采用保偏光纤绕制光纤线圈，并在光纤光路中引入高消光比的偏振器或偏振控制器，可较好地解决双折射效应问题。

(3)克尔效应是一种电感应双折射，是极为快速的非线性效应，它与光纤的有效折射率和传输的光强有关。当沿光纤线圈左右旋传输的两束光波强度不等时，就会产生两束光的传播常数不同，带来非互易的相位误差。通常，抑制的办法是：一、光源采用占空比50%的方波调制；二、选用宽频谱光源；三、使用分束比差少且稳定的定向耦合器作为光路的分束/合束器件。

(4)法拉第效应是一种磁感应旋光性，即在磁场作用下产生的旋光效应。光纤线圈中的法拉第效应会产生偏振相位误差，它的大小和方向与磁场的强度、方向及光纤的双折射有关。因此，磁场作用将引起干涉信号失调，产生漂移，对此，可采用高双折射的保偏光纤，并对光纤线圈加以磁屏蔽。

(5)温度效应一方面表现在环境温度变化时光纤线圈的面积发生变化，引起标度因数的不稳定性。通过测量环境温度信息可对转动速率测量值进行校正。此外，把光纤精心绕制在一个热膨胀系数与光纤材料相近的骨架上，减少骨架与光纤之间的热应力，也是减少噪声的有效措施。另一方面，温度效应表现在热辐射造成光纤线圈局部的温度梯度，引起左右旋光路光程的不等，产生附加相移，故通常采用沿光纤长度方向以中心对称方式绕制的光纤线圈，并用导热性好的金属箔片加隔热层对光纤线圈进行热屏蔽，可减少热辐射的影响。另外，光纤线圈绕制过程中会给光纤带来附加应力，应力的存在将使系统传播光波的状态发生变化，影响输出的稳定，因此采用恒张力绕制光纤也是一项重要措施。

4.光路器件噪声

为了构成光纤干涉光路，保证光路互易性以及灵敏度的最优化，在光路中引入了各种器件。然而，由于这些器件的性能不佳以及器件引入后与光纤的对接所带来的光轴不对准、接点缺陷引起的附加损耗和散射等，将产生破坏互易性的新