干涉式光纖陀螺中Shupe效應與Sagnac效應的分離

周柯江，胡國棟，劉樹俊，胡科可

(浙江大學信息與電子工程學系，浙江杭州 310027)

干涉式光纖陀螺中Shupe效應與Sagnac效應的分離

周柯江，胡國棟，劉樹俊，胡科可

(浙江大學信息與電子工程學系，浙江杭州 310027)

熱引入的零偏漂移即Shupe效應是提高光纖陀螺精度面臨的最大難題。基于Shupe效應與光纖陀螺的Sagnac效應具有本質的不同特性，即Sagnac效應引起的相移只與幾何尺寸有關，而與光傳播的介質特性無關，提出了一種新型的不受溫度梯度影響的光纖陀螺。利用兩個偏振模式在光纖陀螺環中交替或同時傳播可以將Sagnac相移與Shupe誤差相移分離開來，基于兩種偏振模式分時傳播實驗，初步驗證了該理論的可行性。并且提出了一種新型的偏振交替干涉式光纖陀螺模型以改進其性能。

Shupe效應;Sagnac效應;干涉式光纖陀螺

1 引 言

干涉式光纖陀螺(IFOG)是一種基于Sagnac效應用來測量干涉光路之間相位差變化的光纖干涉儀。由于旋轉會使同一個光纖傳感環中兩束方向相反的光產生相位差，干涉式光纖陀螺就是通過測量順時針和逆時針傳播的兩束光之間的干涉，從而得到正比于旋轉角速度的Sagnac相移。在高精度干涉式光纖陀螺儀中，偏置穩定性是最重要的參數。當寄生偏振誤差［1］被有效抑制后，最主要的誤差來自于光纖環周圍溫度的變化。這個現象是Shupe首先描述的［2］，被稱為Shupe效應。為了盡可能抑制Shupe效應，一般多采用四極對稱繞環法［3］和熱屏蔽法。為了修正誤差，人們已經提出了許多熱模型［4］。然而，在現實世界中，由于光纖環周圍隨時間變化的溫度場不可能被精確描述，所以干涉式光纖陀螺儀的輸出總是Sagnac相移和Shupe誤差相移的和。

2 基本原理

在1999年，就注意到Sagnac相移與Shupe效應的根本區別:Sagnac相移只與光路的幾何尺寸有關，而與光傳播的介質特性無關［6－7］;而Shupe效應與光傳播的介質特性有關。可以利用光纖中的兩個模式光在環中交替或者同時傳播來將Sagnac相移與Shupe誤差相移分離開來，具體方案可以有許多種。先假設可以得到兩個測量值x和y，這兩個值分別對應于兩個光纖傳播模式x模式和y模式輸出。那么可以得到:

對應于i模式的Shupe誤差可以表示為［2］:

這里T(z，t)是指環上坐標為z處在時間為t時的溫度;L是環的長度;α是線性膨脹系數;βi，υi分別是i模式的傳播常數和群速度。對于二氧化硅制成的光纖，由于式(2)中第一個括號內的第二項比前一項小一個數量級，可以將式(2)簡化為:

式中，ni是有效折射率;λ為光源波長;c為光在真空中的速度。由式(1)和式(3)可以推出精確的轉速為:

也可以由式(4)和式(5)相加推導出雙倍靈敏度檢測方案:

3 實驗的初步驗證［9］

為了初步驗證以上思想的可行性，同時考慮到易操作性，采用在相同變溫條件下，分時測量在兩個不同模式傳播時光纖陀螺輸出，然后再根據上面推導的理論對Sagnac相移進行修正。

實驗原理圖如圖1所示，與普通陀螺類似，采用鎖相檢測技術。光纖環采用500 m保偏光纖繞在最大外徑為98 mm的環形鋁支架上，為了增強Shupe效應，光纖環不加蓋子，直接裸露在溫箱中。陀螺的其他部分放在溫箱之外，環與LiNbO3的兩個輸出端通過保偏跳線由法蘭盤相連。將兩個法蘭盤上的螺絲拆除，每個法蘭盤的分成可以相對轉動的兩半，利用旋轉法蘭盤分別至0°或者90°來實現兩個偏振模式在環中分時傳輸。實驗中我們采取同樣的溫控程序控制溫度變化趨勢，其趨勢如圖2所示。第一次實驗采用兩個法蘭盤都置為0°，將LiNbO3的兩個輸出端同光纖環相連，從而實現x模式光的傳輸，得到數據如圖3所示。第二次實驗，我們將法蘭盤置為兩個90°，將LiNbO3輸出的x模式光轉換為y模式的光在光纖環中傳輸，得到數據如圖4所示。圖中出現的尖峰、毛刺是由于尾纖的抖動產生的。

圖1 利用法蘭盤實現不同模式光在光纖陀螺中傳輸

圖2 溫度變化趨勢圖

圖3 x模式光傳輸時陀螺輸出

圖4 y模式光傳輸時陀螺輸出

利用上述理論，對x和y進行修正，得到數據如圖5所示。

圖5 修正之后的陀螺輸出

考慮到實驗是在分時的情況下進行的，而且降溫過程中尾纖的抖動也比較厲害，這在本實驗中不屬于Shupe效應。對20℃到40℃的升溫過程進行采樣分析。由以上實驗數據可以看出，x模式光單獨傳輸時，恒溫20℃時輸出平均角速度為7.973°/h，變溫過程出現最大角速度為15.416°/h，平均角速度為12.954°/h;而y模式光單獨傳輸時，恒溫20℃時輸出平均角速度7.967°/h，變溫過程出現最大角速度為 15.537°/h，平均角速度為12.552°/h。經過本方案修正后變溫過程中角速度輸出最大值為 13.376°/h，平均角速度為11.028°/h。由以上數據分析可知，在利用兩種偏振模式交替傳輸方案修正之后，Shupe效應所引起的相位誤差得到了較為明顯的抑制，同時最終輸出數據也呈現出較為平坦的趨勢，而且尖峰也得到一定的消除。

4 雙偏振交替光纖陀螺方案［5］

由于以上實驗是在分時的條件下進行的，無法保證完全同步，很多因素都會引起實驗結果的不準確。在此，提出一種新型雙偏振交替傳輸光纖陀螺模型。

圖6顯示的是帶有偏振轉換器以及雙信號處理電路［10］改進后的干涉式光纖陀螺儀框圖。這個陀螺儀在傳感環與傳統的LiNbO3芯片之間集成了偏振轉換器。偏振轉換器能夠用一個周期為τ的方波的驅動來同時改變順時針光與逆時針光的偏振面，τ為光在光纖環中傳播的時間。在方波的前τ/2半個周期里電路1工作，此時陀螺的輸出信號為x。在后 τ/2半個周期，由于方波的調制，偏振轉換器將改變LiNbO3輸出的順時針光和逆時針光的偏振面，此時陀螺輸出的信號為y。這里的τ是兩種偏振模式的平均渡越光纖環的時間。根據Lefevre的電路框圖，這兩個信號處理單元將輸出x與y，再用數字信號處理芯片按式(6)計算出準確的Sagnac相位值。TE TM偏振轉換器是一個關鍵技術，需要用鈦擴散工藝制作Ti:LiNbO3波導，這已經有了成功的案例［11］，在設計時的考慮要點應包括電極位置、中心波長、帶寬以及轉換效率。

圖6 帶有偏振轉換以及雙線路的干涉式光纖陀螺儀框圖

5 總結

本文首先提出了一種新穎的利用兩個模式在光纖環中交替或者同時傳播來得到光纖陀螺精確轉速的方法，去除了時變溫度梯度引入的Shupe誤差，初步驗證了該原理的可能性。最后提出了帶有偏振轉換器和雙信號處理電路模型的干涉式陀螺儀結構，應用這種結構在原則上就可以得到完全不受Shupe效應的影響的準確轉速。這也可以使人們在制作光纖陀螺環時，不用將大量的時間浪費在繁瑣的四極對稱繞環法上。

致 謝:江蘇華富電子有限公司幫助完成了部分實驗。

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周柯江.偏振交替光纖陀螺［P］.中國，No.99118027.5.

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Separation of Shupe effect and Sagnac effect in interferometric fiber-optic gyroscope

ZHOU Ke-jiang，HU Guo-dong，LIU Shu-jun，HU Ke-ke
(Department of Information Science＆Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Thermally-induced bias drift，i.e.Shupe effect is one of the challenges that improve the accuracy of interferometric fiber-optic gyroscope(IFOG).A thermally-bias-free scheme for an IFOG is presented，which is based on the different characteristic between the Sagnac effectand the Shupe effect that the Sagnac phase is related only to geometric layout of the sensing loop and is independent of themedium’s characteristic of light propagation.This paper exploits light propagations along two eigen-axes of the polarization maintaining fiber of IFOG to separate the rotation phase from the error phase.An experiment is designed based on two polarization mode propagates alternately in the sensing loop，and the feasibility of the theory is preliminarily verified.Meanwhile a detection scheme is also proposed that polarization mode changes alternately to improve the thermal performance of fiber optic gyroscope.

Shupe effect;Sagnac effect;interferometric fiber-optic gyroscope

TN253;V241.5

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.017

1001-5078(2014)04-0429-04

周柯江(1962－)，男，教授，博士生導師，博士，主要從事光纖陀螺，光纖光源和微弱信號檢測的研究工作。E-mail:ekjzhou @zju.edu.cn

2013-12-03

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