光通信技术投稿格式参考范文：基于双探测器的光源相对强度噪声抑制方案

　　0 引言

　　高精度光纤陀螺广泛应用于航空航天领域，通常采用大功率宽谱光源，例如放大自发辐射 (ASE) 光源 [1], 以提高检测信噪比。然而，宽谱光源在发光过程中，其各频率分量间的相互作用会引发光源相对强度噪声 (RIN)[2]。RIN 的生成主要依赖于光谱特性，与光功率的绝对值无直接关联。当探测器接收的光功率达到一定阈值时，受 RIN 的限制，即使继续增大光功率，也无法有效提升信噪比。因此，需要采取专门的 RIN 抑制措施来提高光纤陀螺的精度。

　　传统的 RIN 抑制方案主要包括电路消偏抑制方案 [3-5]、光路消偏抑制方案 [6] 和光源处抑制方案 [7] 等。电路消偏抑制方案 [8] 利用耦合器空闲端口输出的光连接到另一个探测器上，该探测器的输出作为参考信号。通过对光路或电路施加适当的延迟，使得参考信号与陀螺仪信号同步，从而在电路中实现模拟或数字相减。此方法虽然简单易行，但由于受到延时控制精度的限制，RIN 抑制效果难以充分实现。光路消偏抑制方案 [9] 通过消偏手段使到达探测器的光成为无偏光。由于无偏光的 RIN 低于偏振光，因此通过消偏降低了 RIN, 但此方案的 RIN 抑制效果有限。光源处抑制方案 [10] 通过将光源发出的光部分反馈至其驱动单元，构建了一个光功率的负反馈机制。这种方法有效地减少了光功率源的波动，同时确保不对后续光路产生影响，但其设计与实现过程相对复杂。

　　目前，基于光路抵消的 RIN 抑制方案较为普遍。该方案原理为：光源发出的光经过起偏器后变为线偏振光，再经过 50/50 耦合器分为 2 束光，一束作为信号光，另一束作为参考光。这 2 束光在 95/5 耦合器处合光后进行强度叠加，合成的光已在本征频率及其奇倍频处实现了 RIN 抑制。将此抑制方案应用于光纤陀螺系统，可以显著提高抑制效果，并且陀螺电路和信号检测无需改动。然而，该方案也有一定的局限性：首先，要求到达探测器的信号光与参考光强度必须保持一致，以达到理想的强度噪声抑制效果，这对光路的设计提出了极高的要求。其次，由于光路在全温下的损耗会发生变化，且保偏耦合器的全温分光比也存在一定的变化，尤其是对于 99/1 耦合器，这种变化更为明显。因此，需要对光学器件在全温下的损耗进行严格限制。

　　综上所述，这些光路抑制方案在常温条件下表现良好，但在全温度范围内的性能却难以保证，这构成了技术上的局限性。鉴于此，本文针对传统及现有抑制 RIN 方案存在的问题，提出一种用于提高光纤陀螺精度的基于双探测器的光源 RIN 抑制方案。

　　1 基于双探测器的光源 RIN 抑制方案

　　1.1 方案构成

　　本文提出的基于双探测器的光源 RIN 抑制方案原理。该方案主要分为光路测试模块和电路调制解调模块两部分。光路测试模块包括 ASE 光源、50/50 耦合器、99/1 耦合器、隔离器、集成相位调制器、光纤环和探测器。ASE 光源发出的光先经过 50/50 耦合器进行偏振分束，其中一路光正常进入光纤环进行干涉，并最终到达探测器 1; 另一路光则经过 99/1 耦合器并通过隔离器进入探测器 2。这 2 路信号光具有相关性并且都包含 RIN。为了便于后续信号处理，设计时需确保探测器 1 和探测器 2 的输入光强保持在一定范围内。电路调制解调模块包括滤波器、模 / 数转换器 (ADC)、现场可编程门阵列 (FPGA) 和数 / 模转换器 (DAC) 等。探测器输出的信号通过参数一致的前置放大和滤波，并经 ADC 采样后转化为数字信号。由于信号光与参考光之间存在时间延迟 τ, 在时序控制中需要先将这两个信号同步，然后进行相减操作。接下来，依次进行转速误差解调、转速误差积分以及阶梯波生成等处理步骤。尽管该方案在原理上与现有的基于光路抵消的 RIN 抑制方法相似，但由于引入了信号数字化处理技术，使后端信号处理过程变得更加简化和高效，从而更有利于实现实时的数字化调节。

　　1.2 试验过程及结果分析

　　实验采用了具备双路处理能力的光纤陀螺主板，该主板的 2 路硬件配置一致，均使用 ASE 光源的峰值波段 (中心波长为 1530nm), 光纤长度约为 1800m, 探测器的跨阻为 20kΩ。RIN 的抑制通过 2 个探测器输出信号的同步差分来实现。为了探究所提方案在抑制光源 RIN 方面的效果，本文进行了相关的实验，并得到了在 3 种技术状态下的测量精度。

　　实验过程如下:

　　首先，在调制深度为 7π/8 的情况下，使用双探测器噪声相减的方法来测试 RIN 抑制效果下的陀螺测量精度;

　　其次，将 2 路探测器的直流信号调整至基本相同的状态，并保证输入光功率的一致性，在调制深度为 3π/4 的条件下测试输出精度;

　　最后，在调制深度约为 3π/4 的情况下，仅对光电探测器 1 输入的干涉信号进行调制解调，即在关闭 RIN 抑制算法后测试输出。

　　可以看出，采用了基于双探测的光源 RIN 抑制方案后，光纤陀螺的测量精度较高，在调制深度为 3π/4 时，测量精度达到 0.0032377°/h, 证明该方案有效。然而，由于目前在试验系统中的条件限制，选用的各器件性能尚不完善，特别是探测器，选用了光迅和鹰谷 2 家公司的不同型号，可能导致对消效果受到一定影响。

　　由于调制深度的准确性对陀螺性能有着显著影响，因此本文将调制深度设置为 3π/4, 以确保 2 个探测器输入光功率一致。随后，对光纤陀螺进行了全温 (-40~70℃) 测试，其输出标度因数。可以看出，标度因数受温度影响引入的非线性误差较小。

　　相较于传统单探测器抑制 RIN 的方法，采用双探测器技术的光纤陀螺仪能够有效减少温度变化引起的光路损耗，避免输出信号功率的不一致，进而提高系统的温度稳定性和测量精度。

　　1.3 未来的方案改进思路

　　基于双探测器的光源 RIN 抑制方案目前仍存在一些问题，尤其是要求进入探测器 1 的信号光与进入探测器 2 的参考光在信号强度上保持一致。为此，本文提出了一种改进思路，改进后的方案原理框图。具体措施如下：在探测器 1 和探测器 2 的输出端，采用信号采样技术，利用一个双路 ADC 对信号进行同步采集。随后，通过精确对比信号光与参考光之间的强度差异，对光纤陀螺的调制深度进行实时在线调整，以确保信号通道的光强能够持续与参考信号强度相匹配。这一改进措施在理论上被预期为能够有效解决当前 RIN 抑制技术在不同温度环境下应用时所面临的难题。

　　2 结束语

　　本文提出了一种基于双探测器的光源 RIN 抑制方案。经过测试验证，该方案能够有效抑制光源强度噪声，显著提升光纤陀螺的测量精度。该方案不仅与高精度光纤陀螺的数字闭环处理技术相得益彰，更展现出卓越的稳定性。

　　高精度光纤陀螺的 RIN 抑制是提升其测量精度的关键环节之一，尤其在不同环境条件下，对 RIN 的变化及其有效抑制提出了更高的要求。尽管本文提出的方案在实际应用中展现出良好的效果，但仍存在一定的局限性，即要求信号光与参考光的信号强度保持一致。为此，本文进一步提出了一种改进措施，即通过实时采集信号光与参考光的强度信息，并动态调整调制深度，以实现 2 路信号的稳定匹配。这一创新技术理论上能够克服现有 RIN 抑制技术在温度变化环境下应用的难题。接下来，本文作者将致力于优化选用器件的指标参数，完善具有信号功率自动调节功能的技术方案，并进行严格的验证测试，进一步提升高精度光纤陀螺的性能和稳定性。

黄 怡;王夏霄;徐宏杰;孔令海,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院;北京控制与电子技术研究所,202406