基于FRM的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究_张恩康.pdf

引用格式：张恩康，张红伟，李雷，等 基于 的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究 电光与控制，（）：（）：基于 的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究张恩康，张红伟，李 雷，步 鑫（中国直升机设计研究所，天津；陆军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇）摘 要：振动性能是评价高精度直升机载光纤陀螺环境可靠性与性能稳定性的一个重要指标，光源作为直升机载光纤惯导的源头部件，需要保证其在振动条件下性能的稳定输出。针对光源平均波长随振动变化的问题，从基本机理出发，通过建立光路琼斯矩阵模型，深入研究了光纤中传输光的偏振态与偏振相关损耗之间的关系，在不增加光源系统复杂性的情况下提出了一种基于法拉第旋转镜的直升机载光纤惯导用抗振型光源，并实验验证了其抗振动性能。实验表明，提出的方案可以大大提高光源和光纤惯导振动条件下的稳定性，特别是高频振动条件下（），光源的平均波长稳定性提高了 。关键词：光纤陀螺；掺铒光纤光源；抗振型；法拉第旋转镜；平均波长中图分类号：文献标志码：（；）：（）：（）；引言目前，直升机导航与制导、机载武器精确打击等领域对惯性导航系统在复杂环境下的可靠性和精度提出了越来越高的要求，而机载惯导系统的性能主要取决收稿日期：修回日期：作者简介：张恩康（），男，山东德州人，博士，工程师。于其核心器件光纤陀螺。理论上，光纤陀螺具有全固态、体积小、无运动部件等特点，拥有抗冲击、抗振动、对加速度不敏感等优势。然而，由于光纤本身弹光效应的存在，在振动情况下，往往会在光纤与机械结构之间、光纤与光纤之间产生相互的应力作用，使得光纤的折射率和长度发生改变，进而导致在光纤线圈中相向传输的光产生非互易相移误差。当光在光源内部传输时，无源器件尾纤和增益介 第 卷 第 期 年 月 电 光 与 控 制 张恩康等：基于 的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究质掺铒光纤容易受到由机械振动引起的应力作用而发生形变，这种随机的形变将导致光源中传输光偏振态的波动并引起其他一些不利的偏振效应。同时，振动性能是评价高精度光纤陀螺环境可靠性与性能稳定性的一个重要指标，光源作为高精度光纤陀螺的源头部件，需要保证其在振动条件下性能的稳定输出。所以，抗振动光源的设计对光纤陀螺振动性能的研究极为重要。传统掺铒光纤光源内增益介质掺铒光纤、光纤熔接点和无源光器件（平坦器、波分复用器（）、光耦合器、隔离器）尾纤大多数采用注玻璃胶、粘胶带、加环氧胶、滴氰基丙烯酸乙酯等方法固定，上述若干种方法在工程上应用较为广泛，且目前国内市场上可买到的光源也均采用以上方法进行内部光纤的固定，但注玻璃胶、滴氰基丙烯酸乙酯等传统固定方法不仅增加了光源的重量，玻璃胶等胶水的老化、涂抹不均匀造成的光纤挤压也将影响光源内传输光的波动，进而产生光路噪声。针对光源平均波长随振动变化的问题，迄今没有提出一种最优的解决方案来替代传统方法。为了解决上述问题，本文从基本机理出发，通过建立光路琼斯矩阵模型，深入研究了光纤中传输光的偏振态与偏振相关损耗之间的关系，在不增加光源系统复杂性的情况下提出了一种基于法拉第旋转镜的抗振型掺铒超荧光光纤光源（，），并通过实验验证了其抗振动性能，经过测试得到设计的方法在不引入传统光纤固定方法的情况下，提升了光源在振动条件下的稳定性。理论分析与设计 理论分析对于单级光路结构而言，光在单模掺铒光纤前向传输时的琼斯矩阵可以定义为（）式中：为平均偏振增益；，是与光纤中双折射和偏振相关损耗有关的一些复杂值。将总长度为 的增益介质掺铒光纤看成是由 小段掺铒光纤构成的，掺铒光纤总的琼斯矩阵可以表示为 （）（）（）（）（）式中：为第 段掺铒光纤的偏振相关增益；（）为旋转矩阵；和 分别为第 段掺铒光纤延迟片和起偏器的琼斯矩阵；和 分别为第 段掺铒光纤延迟片和起偏器的主方向角。延迟片和部分起偏器的琼斯矩阵 和 可以分别表示为 （）（）式中：，为延迟度；为共轭转置符号；为偏振相关损耗。从式（）和式（）中可以看出，部分偏振器的琼斯矩阵 为单位阵，当外部扰动作用于掺铒光纤时，延迟片的延迟度、偏振器将会发生变化，即，和 将发生变化，而光纤中的偏振相关损耗 几乎不发生任何变化，可以将式（）中的偏振相关增益 看作常数，因此有 （）通过式（）可以看出，其行列式 为常数，且可以归一化为单位阵 。当掺铒光纤中不存在偏振相关损耗时，式（）矩阵为酉矩阵而非单位阵，即 ，。同样可以定义后向传输光经过掺铒光纤时的琼斯矩阵为，并使用与前向传播光相同的坐标系，后向传输光的延迟片和部分偏振器 和 的琼斯矩阵与前向光是相同的，不同的是，后向传输光的琼斯矩阵为各个矩阵的反向乘积，即（）（）（）（）。（）由于（）（），并且（），式（）为式（）的转置矩阵。当坐标系随光传播方向发生变化时必须进行坐标变换，坐标变换的转换矩阵为法拉第旋转镜（）中光反射镜的琼斯矩阵，即。因此光在掺铒光纤中后向传播时的琼斯矩阵 可以表示为 。（）如图 所示，法拉第旋转镜由一个法拉第旋转器和一个普通的旋转镜（）组成，是一种可以旋转光偏振态的磁光装置，磁场方向通常与光束传输方向相同或相反。如果传播光是某一个方向上的线偏振光，则光通过法拉第旋转器时光的偏振方向不断发生变化，产生的旋转角度 为 （）式中：为材料的维尔德常数，维尔德常数与波长 密切相关，波长越长，维尔德常数越小；为磁通量；为法拉第旋转器的长度。传播光偏振方向的变化只与磁 第 期场方向和维尔德常数的正负有关。对于图 所示的 而言，如果线偏振光先通过法拉第旋转器、普通 后再一次通过法拉第旋转器，那么光偏振方向的旋转角度为单次通过法拉第旋转器时旋转角度的 倍，而不是相互抵消，与波片和偏振器的工作性质不同。图 内部结构图 要理解偏振态旋转的物理意义，可以将线偏振光看成两个圆偏振光的叠加形式。法拉第旋转器中的磁场使两个圆偏振光产生相速度差，而相对相移则对应于线偏振光方向的变化。当前向光经过法拉第旋转器时，光纤中光的偏振态将在输入端方向看过去时顺时针旋转了角度，随后前向光到达光纤反射镜后被反射，反射的后向光再一次经过法拉第旋转器，光的偏振态再一次被顺时针旋转角度。最终可以在 的输入端得到偏振态旋转角度 的前向光，法拉第旋转器的旋转矩阵是一个单位阵，可以表示为 。（）本文选用了一个 的，其由一个普通的 和一个 的法拉第旋转器组成，（）表示前向（后向）传播光经过 法拉第旋转器的旋转矩阵，普通 的琼斯矩阵可以表示为。（）联立式（）和式（），可以得到 的琼斯矩阵为 （）式中，为 的固有损耗，则光路中传输光经过波分复用器、掺铒光纤、法拉第旋转器、偏振无关光隔离器后的琼斯矩阵为 。（）由式（）可以看出，与外部扰动相关的值，都被消去了，这意味着光源光路中传输光的偏振态与光纤双折射和偏振相关损耗无关，则可以补偿由偏振相关损耗、偏振模式色散、偏振烧孔效应以及不利偏振相关增益等偏振效应引起的光源输出光平均波长不稳定。设计图（）为提出的抗振型掺铒超荧光光纤光源光路结构图，与图（）采用相同的单级双程后向结构光路不同的是，在抗振型掺铒光纤光源光路中，使用 代替普通的光纤反射镜。泵浦二极管发出中心波长 的泵浦光经过 波分复用器后到达一段 的掺铒光纤抽运，泵浦光被掺铒光纤中的稀土元素铒离子吸收后发生放大的自发辐射现象产生 超荧光，产生的 光一部分经过光隔离器、平坦器输出到光纤陀螺 个敏感轴上；另一部分 光经过 普通 后再一次经过掺铒光纤进行二次泵浦，大大提高了光源的光电转换效率。图（）中 的引入可以减小甚至消除由外部扰动引起的光源内传输光波动和一些不利的偏振效应，进而提高光纤光源输出光的平均波长振动稳定性。对于单级双程后向结构而言，需要在输出尾纤加一个光隔离器，不仅可以防止掺铒光纤光源内部自激振荡产生激光，更重要的是可以消除高精度陀螺反馈信号引起的源头不稳定。由于本文研究的是振动情况下光源的输出特性，所以没有考虑平坦器对光源的影响，使用长周期光纤光栅滤波器作为该光源的平坦器得到更加平坦的光谱。图 两种不同掺铒超荧光光纤光源光路结构图 实验过程与结果 实验过程光纤陀螺在实际工作环境中受到的振动形式大多第 卷电 光 与 控 制张恩康等：基于 的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究数为随机频率振动，例如，直升机上惯性测量元件受气流和发动机的颠簸、舰船甲板上惯性器件受发动机影响产生的高频振动等都属于随机频率振动。结合直升机载光纤惯导的实际应用环境，陀螺在正常工作时容易受到直升机发动机产生的随机振动影响，所以设置振动台实验类型为随机振动模式。随机振动过程最明显的特点就是其非规律性，瞬时值无法估计和预测，即加速度和振幅在任意时间点的大小和方向都是不确定的，但并不是无规律性，而是表现出统计规律性。根据光纤陀螺测试细则规定，光纤陀螺的最高振动频率取 ，但实际应用环境应该低于。但是，如果陀螺需要 以上的随机振动频率，通常需要以施加外界噪声的方法进行处理。结合直升机载陀螺环境可靠性测试标准，对光源陀螺随机振动实验条件范围的选择分为 种情况：隔振条件（振动）、低频随机振动（）、中低频随机振动（）、中高频随机振动（）、高频随机振动（）。功率谱密度是指单位频率上的能量，功率谱密度的频谱形式（加速度谱密度的频谱形式）是指振动能量在整个频率范围内的分布。设置光源的随机振动功率谱密度为 。振动实验时间就是进行随机振动所持续的时间长短，振动实验通常分为强度（耐振）和功能（性能）两种。对于直升机载光纤惯导而言，耐久振动实验的时间通常为功能实验的好几倍，同时设置光源陀螺的随机振动实验时间（耐振实验时间）为。随机振动频率条件设置完成后，将抗振型光纤光源和普通光纤光源分别用夹具固定在垂直振动台的台面上，并准备在室温环境（）下进行振动实验。光源系统采用 外部直流电源供电，采用 公司型号 采集光源的输出光谱，设置 的波长范围为 ，分辨率为 ，并通过通用串行总线连接到外部计算机上，实现输出光谱的实时采集以便后续的数据处理。首先将抗振型光源用夹具固定在振动台的台面上（如图 所示），给抗振型光源通电的同时暂不开启振动台，光源的输出尾纤通过光纤适配器连接到 的输入端口，通过 进行 与计算机之间的光谱数据接收与采集。采用美国 公司的电磁式振动台进行振动实验，电磁式振动台主要由励磁电源、功率放大器、信号发生器、振动台面、反馈控制系统几个部分组成，这种电磁式振动台面具有应用范围广、适用面宽、实验效果显著、可靠性高等优点，适用于航空、航天、兵器国防等军事领域。图 电磁式振动台结构框图 实验结果与分析设置完成随机振动实验参数后，将控制传感器安装在光源附近，在光源 陀螺随机振动实验中，将控制传感器安装在距离待测产品 处的振动台台面上进行控制。图（）和图（）分别给出了抗振型光源和传统光源在 种随机振动频率条件下平均波长随时间的变化趋势，其中，橙色点实线、蓝色点虚线、粉色圆圈实线、红色圆圈虚线、绿色菱形实线分别表示两种光源在隔振条件（频率）、随机振动频率 （频率）、随机振动频率 （频率）、随机振动频率 （频率）以及随机振动频率 （频率）条件下的平均波长变化趋势。图 不同光源在 种振动频率下的平均波长变化 如图（）所示，无论选取的随机振动频率大小如何，抗振型光源始终保持较好的平均波长稳定性。这是由于单模掺铒光纤作为掺铒光纤光源中增益介质的双折射较小，但是在振动环境下，这种较小的双折射会发生变化，引起光纤中光的偏振态波动并引发其他一些不 第 期利偏振噪声，而 的引入可以消除光纤中的偏振态波动，得到振动条件下波长稳定的光纤光源。传统光源在 种不同随机振动频率条件下的平均波长变化量明显不同，如图（）所示，传统光源在隔振条件下（频率）表现出与其他 种随机振动频率明显不同的平均波长变化，尤其对中高频（频率）和高频（频率）随机振动而言。由于传统光源中掺铒光纤的尾端连接的是一个普通的光纤反射镜，普通光纤反射镜不能有效地消除由光纤中传播光偏振态波动引起的偏振误差和其他偏振噪声，导致光纤在振动条件下的偏振态波动比隔振条件下的偏振态波动明显，进而引起光源输出光平均波长不稳定。表 给出了两种光源在不同振动频率下的具体数值，当两种光源同时处于静止状态时，