基于高靈敏超導探測器的新型脈沖光高精度光纖陀螺技術研究

王 巍，馮文帥，于海成

（1.中國航天科技集團有限公司，北京100048；2.北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

0 引言

光纖陀螺是一種沒有機械轉子的全固態慣性儀表,具有質量小、體積小、功耗低、可靠性高、工作壽命長、啟動速度快、測量范圍大、供電電源簡單、環境適應性較強等諸多優勢。此外,光纖陀螺還具有精度高、適用面廣、適于批量生產及成本低等優點,且其精度可以覆蓋從戰術級到戰略級、從軍用到民用等多種領域。

由于光纖陀螺本身各種誤差源和應用環境的影響,光纖陀螺輸出信號中存在各種隨機誤差項,包括隨機漂移和輸出噪聲。其中,輸出噪聲大小是衡量光纖陀螺精度水平的重要指標。從光纖陀螺敏感輸入到信號檢測,其過程中產生的噪聲包括光信號自身的噪聲、形成干涉后的噪聲及信號檢測中產生的噪聲。信號處理檢測中,探測器光電轉換會產生散粒噪聲、電流-電壓轉換電阻的熱噪聲、信號處理的量化噪聲以及前置放大器的噪聲等。相對光電噪聲而言,光纖陀螺Sagnac效應信號本身卻相對微弱,如輸入角速率0.001（°）/h對應的相位差為0.018μrad,光信號到達探測器的光功率一般小于100μW,經過光電轉換后調制在載波信號上的有用信號幅度通常在微伏（μV）量級,而探測器的輸出噪聲電壓為毫伏（mV）量級［1］。此外,現有陀螺典型工作方案的精度距離理論光學噪聲尚有1倍以上的差距。因此,為了提高光纖陀螺的精度性能,需要對噪聲進行分析和分類,針對高精度光纖陀螺的組成特點,本文提出了一種新型的探測器及其陀螺技術方案。

1 光纖陀螺噪聲機理研究

1.1 高精度光纖陀螺噪聲分析

高精度光纖陀螺的精度極限主要由光纖陀螺檢測噪聲決定,一般可用角隨機游走系數來表征。光纖陀螺的角隨機游走主要由兩部分構成,即光路干涉信號的信噪比和信號處理引入的噪聲。光路噪聲包括光電探測器的熱噪聲、光電轉換的散粒噪聲和光源拍頻引起的相對強度噪聲（Relative Intensity Noise,RIN）；信號處理過程的噪聲取決于信號處理電路多個環節的參數,包括運算放大器的輸入電流噪聲、輸入電壓噪聲、A/D采樣轉換引起的噪聲、D/A轉換器的量化噪聲以及輸出數據的量化噪聲［1］。

總噪聲iN主要包括熱噪聲ither、 散粒噪聲ishot、相對強度噪聲iRIN等光路噪聲,以及運放的輸入電流噪聲iIamp、運放的輸入電壓噪聲iVamp、A/D轉換的噪聲iAD、D/A轉換的噪聲iDA和量化噪聲iQ等電路噪聲。光纖陀螺電路中的各項噪聲比光纖陀螺光路噪聲小1～3個數量級,對光纖陀螺的影響較小［2］。因此,精度極限主要由高精度光纖陀螺的光路噪聲決定。具體的噪聲分布如圖1所示。

圖1 各噪聲在脈沖光高精度光纖陀螺框圖通道中的分布Fig.1 Distribution of various noises in the pulsed light high-precision FOG

（1）熱噪聲

熱噪聲源自于探測器的暗電流和探測器跨阻抗放大器反饋電阻的Johnson熱噪聲,熱噪聲可以表示為

式（1）中,idark為光探測器的暗電流,k=1.38×10-23J/K為Boltzmann常數,T為絕對溫度,RL為探測器的內阻,e=1.6×10-19C為單個電子電量。

（2）散粒噪聲

散粒噪聲是光子轉換為電子時產生的隨機噪聲,是沒有辦法消除的噪聲。散粒噪聲與注入探測器的光功率大小有關,其引起的光電流噪聲可以表示為

式（2）中,ipin為探測器的電流。

（3）相對強度噪聲

采用寬帶光源時,探測器上相對強度噪聲引起的電流噪聲可以表示為

式（3）中,Δv為光源的頻譜寬度,它和光源光譜寬度Δλ的關系為

式（4）中,c為光速,λ為光信號波長。

陀螺的噪聲性能取決于信號的信噪比,而理論信噪比為靈敏度與單位帶寬內噪聲比值的平方,忽略熱相位噪聲和量化噪聲,信噪比SNR可以表示為［3-4］

隨機游走系數和信噪比的關系可以表示為

式（5）～式（7）中的參數定義如表1所示。下面舉例高精度光纖陀螺各噪聲對光纖陀螺隨機游走系數的影響,各參數取值如表1所示。

圖2為不同相位偏置下光纖陀螺各噪聲對隨機游走系數的貢獻。由圖2可知,隨著相位偏置的增加,陀螺的隨機游走系數逐漸減小。在高精度光纖陀螺的典型調制深度7π/8下,光源相對強度噪聲、探測器散粒噪聲和熱噪聲導致的光纖陀螺的隨機游走約為 3.4×10-5（°）/h1/2、 1.8×10-5（°）/h1/2和 1.3×10-5（°）/h1/2。當相位偏置進一步降低時,陀螺的隨機游走系數受限于熱噪聲,將無法進一步降低,甚至將出現噪聲增加的情況。

為了進一步提升光纖陀螺的精度,對干涉儀的散粒噪聲、相對強度噪聲和熱噪聲以及電路檢測噪聲均需進行有效地抑制。

表1 高精度光纖陀螺典型設計的參數Table 1 Typical design parameters of high-precision FOG

圖2 不同相位偏置下光纖陀螺各噪聲對隨機游走系數的貢獻Fig.2 Contribution of FOG noises to ARW coefficient under different phase modulation

1.2 光纖陀螺連續光因調制變化引起的尖峰脈沖對陀螺的影響分析

光源發出的連續光在調制信號的階躍處產生周期性的 “尖峰”。干涉光強的 “尖峰”是無用的噪聲信號,在傳統的光纖陀螺信號檢測電路中,“尖峰”信號和攜帶角速度信息的有用信號都被探測器轉換為電壓信號,故探測器輸出的電壓信號中也存在著周期性的 “尖峰脈沖”。

由于尖峰脈沖幅值較大,一般會導致前置放大器的迅速飽和,使前置放大器不能工作在線性放大區。同時,前置放大電路中使用的運算放大器不是理想的器件,其從飽和工作狀態過渡到線性放大工作狀態需要一定的時間,這會導致探測器輸出信號的丟失,進而影響光纖陀螺的精度性能。

“尖峰脈沖”的振鈴效應使得其后端信號產生阻尼振蕩,對光纖陀螺的采樣造成干擾。高低溫下由于光纖環光纖長度以及折射率的變化,“尖峰脈沖”的寬度會發生改變,使得 “尖峰脈沖”對有用信號的影響也隨著溫度變化。離 “尖峰脈沖”越近,這種影響越嚴重［5］,如圖3所示。

圖3 探測器的 “尖峰脈沖”信號輸出Fig.3 The “spike pulses” signal output of detector

試驗結果分析［6］,光纖陀螺連續光因調制變化引起的尖峰脈沖對陀螺精度的影響可達20%以上。因此,需采取有效的抑制措施減小該誤差的影響。

1.3 探測器的噪聲及其檢測電路引入的陀螺誤差分析

噪聲電壓是衡量光電探測器噪聲性能水平的參數,定義為無光輸入情況下光電探測器輸出電壓型號的有效值,高精度光纖陀螺用性能良好的光電探測器的噪聲電壓低于0.3mV。

在有光輸入工作狀態下,光電探測器模塊的噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲、1/f噪聲。熱噪聲來源于載流子的無規則熱運動,隨溫度升高而增加。散粒噪聲包括暗電流散粒噪聲和光子散粒噪聲,前者是由于熱激發作用而隨機產生的電子所造成的擾動,這種噪聲存在于所有光電探測器中；后者是由于每一瞬間到達探測器的光子數是隨機的,光激發載流子產生的起伏散粒噪聲。幾乎所有光電探測器中都存在1/f噪聲,它主要出現在大約1kHz以下的低頻區,與光輻射的調制頻率f成反比,故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。在光纖陀螺中,當達到光電探測器的光功率低于10μW時,散粒噪聲為主要噪聲,光纖陀螺的靈敏度主要受光電探測器散粒噪聲水平的限制［7-8］。

普通光電探測器的噪聲較大以及非理想檢測電路使光纖陀螺的隨機游走系數比光路的理論計算隨機游走劣化1倍以上,故需要采取更高靈敏度的探測檢測方案及陀螺技術方案。

2 基于高靈敏超導探測器的脈沖光工作方法

2.1 脈沖光高精度光纖陀螺超導檢測機理

普通光纖陀螺通常選用的光電探測器組件（PIntrinsic-N-Field Effect Transistor,PIN-FET）或雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode,APD）等探測器的檢測噪聲較大,影響了Sagnac信號的信噪比。超導納米線單光子探測器（Superconducting Nanowires Single Photon Detector,SNSPD）是一種具有極限感知能力的新型探測計數器。SNSPD的核心結構超導納米線蜿蜒覆蓋于幾到幾百平方微米（μm2）的面積上,形成光子接收區。

SNSPD的基本原理為：由于超導Cooper對能隙僅兆電子伏特（MeV）量級,故單個光子就能破壞大量超導Cooper對,光子信號則被高靈敏地轉換放大成脈沖電壓信號。SNSPD的較高靈敏度可實現單光子的檢測,SNSPD比APD探測器的靈敏度提升超過20dB,極大地提高了光纖陀螺探測器在微弱信號上的檢測能力。超導探測器實現較高的靈敏度檢測,其工作溫度在絕對零度量級且建立在脈沖光基礎上。若陀螺使用連續的光信號,將使其高靈敏的檢測能力下降。

因此,本文提出的脈沖光高精度光纖陀螺技術方案將光纖陀螺中連續的強光轉換為脈沖光,采用超導單光子探測器實現超高靈敏的脈沖光探測,大幅降低了干涉儀的熱噪聲等。同時,避免了不同本征周期間因探測器輸出電信號中 “尖峰脈沖”引起的誤差,進一步提高了電路的檢測水平。

2.2 高精度光纖陀螺脈沖光高靈敏同步檢測方法

為了實現高精度光纖陀螺的脈沖光信號高靈敏檢測,本文提出了基于同步脈沖控制的陀螺全數字閉環處理方案,如圖4所示。

圖4 脈沖光高精度光纖陀螺信號處理電路結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of pulsed light high-precision FOG signal processing circuit structure

由陀螺FPGA控制陀螺脈沖光調制、超導探測器的開啟與關閉、A/D采集、信號解調和調制等。

光纖陀螺光源的脈沖光高速調制及超導探測時序控制如圖5所示,具體時序控制過程如下：

1）陀螺FPGA發出同步信號控制光源,產生符合探測器高靈敏檢測要求的脈沖光；

2）陀螺FPGA發出同步信號控制相位調制器（通常為Y波導集成光學器件）,產生相位調制電壓信號,脈沖光經過陀螺光路后產生帶有角速率信息的干涉光脈沖信號；

3）陀螺FPGA發出同步信號開啟超導探測器,實現對陀螺的干涉光信號高靈敏檢測,完成檢測后關閉超導探測器,以保持探測器下一次高靈敏的檢測狀態。

圖5 光纖陀螺光源的脈沖光高速調制及超導探測時序Fig.5 Pulsed light high-speed modulation and superconducting detection timing of FOG

2.3 高精度光纖陀螺低RIN的脈沖光產生方法

為了進一步降低光纖陀螺的隨機游走系數,考慮到光源相對強度噪聲（RIN）占陀螺光路噪聲的比例較大,故本文實現的脈沖光為基于低RIN的脈沖光,其較低的RIN是通過半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）來實現的。

半導體光放大器在結構和原理上與半導體激光器類似：結構上,兩者都由有源區和無源區構成；原理上,兩者都是基于受激輻射或受激散射原理來實現入射光信號放大的一種器件,但半導體光放大器沒有光學界面反饋,不構成激光放大所需的諧振腔。半導體光放大器的光學增益通過泵浦電流在有源區產生載流子粒子數反轉建立。目前,大多數半導體光學放大器基于P-N雙異質結結構,主要用于現代光纖通信系統中的光開關、波長轉換和在線放大器等方面。

半導體光放大器通過受激發射對輸入光進行放大。當增加輸入光功率時,由于輸入光受激發射的消耗,半導體光放大器中的載流子密度下降,從而導致半導體光放大器增益下降。這種增益下降也就是半導體光放大器的增益飽和,它引起了放大特性的非線性［9］。

通常的半導體光放大器抑制光源相對強度噪聲方案如圖6所示。在光源和光纖陀螺其他光路之間增加半導體光放大器,通過調整光源輸入光功率、半導體光放大器的驅動電流、溫控工作點使SOA工作在飽和放大區,降低光源進入光纖陀螺的相對強度噪聲。選擇合適的工作點,可以降低相對強度噪聲10dB以上［2］。

圖6 常見的半導體光放大器抑制光纖陀螺相對強度噪聲方案Fig.6 A common scheme of SOA to suppress the RIN of FOG

高精度光纖陀螺使用的半導體光放大器典型產品如INPHENIX公司的工作波長為1550nm的IPSAD1501-5110型半導體光放大器,實物如圖7所示。

圖7 半導體光放大器實物圖Fig.7 Physical picture of SOA

在半導體光放大器實際使用中,低偏的摻鉺光纖光源（消光比＜0.1dB）經由SOA放大后,光源消光比通常達1dB～3dB,光譜也發生了一定的變化,故在使用過程中需對陀螺光路進行消偏與光譜整形［2］。根據IPSAD1501-5110型SOA器件的測試結果和理論計算,光源相對強度噪聲抑制效果可超過12dB。

3 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺精度仿真結果

3.1 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術方案

基于上述理論分析結果,本文提出的基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術方案如圖8所示。在經典的混偏式光纖陀螺中增加了半導體光放大器及其控制電路,即實現脈沖光的工作方式,顯著降低了陀螺的光源相對強度噪聲。技術方案中使用了超導探測器進行脈沖光的高靈敏檢測,降低了陀螺的熱噪聲,并避免了連續光因調制變化引起的尖峰脈沖對陀螺信號的影響。

圖8 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺技術方案Fig.8 Technical scheme of FOG based on pulsed light

3.2 基于脈沖光工作方法的光纖陀螺精度仿真分析

（1）超導探測器對熱噪聲的抑制效果分析

在暫不考慮探測器檢測信噪比的影響且其余參數選擇同表1一致的前提下,對普通探測器在室溫（303K）和超導探測器在絕對零度附近（10K）條件下的陀螺隨機游走系數進行仿真分析,結果如圖9所示。

圖9 使用超導探測器后陀螺隨機游走系數的變化Fig.9 Difference of ARW coefficient after using superconducting detector

由圖9可知,基于超導探測器的陀螺隨機游走系數指標得到進一步減小,隨機游走系數最小值從 3.53×10-5（°）/h1/2降低到 2.52×10-5（°）/h1/2,減小了約28.6%。

（2）使用半導體光放大器方案的RIN抑制效果分析

在使用上述超導探測器的仿真研究基礎上,通過半導體光放大器可降低光源的相對強度噪聲（RIN）,理論上光源相對強度噪聲抑制效果可超過12dB。本文結合目前報道的試驗結果［2］,將相對強度噪聲的抑制比選取為3dB,其余參數選擇同表1一致。如圖10所示,使用普通探測器（303K）和超導探測器（10K）作為對比曲線,使用超導探測器+低RIN光源為本次仿真曲線。

圖10 采用低RIN光源的陀螺隨機游走系數對比圖Fig.10 Comparison of ARW coefficients with low RIN pulsed light

由圖10可知,使用超導探測器+低RIN光源的陀螺隨機游走系數指標在不同相位偏置下均有明顯減小,隨機游走系數最小值降低至2.0×10-5（°）/h1/2, 減小了約 20.6%。

（3）使用基于超導探測器+低RIN脈沖光方案的陀螺噪聲抑制效果分析

在上述超導探測器+低RIN光源的仿真分析基礎上,將光源的連續光改變為脈沖光,避免了尖峰脈沖誤差的影響,結合采用高靈敏、低噪聲的超導探測器及其檢測電路,顯著降低了電路檢測誤差。根據理論分析與典型試驗驗證［6］,可使光纖陀螺的隨機游走系數進一步降低約20%,其余參數選擇同表1一致。如圖11所示,使用普通探測器（303K）、超導探測器（10K）和超導探測器+低RIN光源作為對比曲線,使用超導探測器+低RIN脈沖光為本次仿真曲線。

圖11 采用低RIN脈沖光+超導探測器方案的陀螺隨機游走系數對比圖Fig.11 Comparison of ARW coefficient using low RIN pulsed light and superconducting detector

由圖11可知,使用超導探測器+低RIN脈沖光方案的陀螺隨機游走系數最小值降低至1.6×10-5（°）/h1/2,減小了20%。考慮到本仿真分析使用的半導體光放大器降低了光源相對強度噪聲,選取的抑制比僅3dB,后續仍有較大的提升空間,陀螺的隨機游走系數極限可進一步地降低。

4 結論

通過對高精度光纖陀螺的噪聲進行分析,對影響高精度光纖陀螺隨機游走系數檢測極限的熱噪聲、檢測噪聲、尖峰脈沖以及相對強度噪聲進行了誤差分析與仿真研究。采用基于高靈敏超導探測器的新型脈沖光高精度光纖陀螺技術方案,可將光纖陀螺的隨機游走系數檢測極限從3.53×10-5（°）/h1/2降低到 1.6×10-5（°）/h1/2, 減小了約54.7%。本技術方案對超高精度光纖陀螺的檢測精度極限進行了有重要參考意義的技術探索,為后續超高精度光纖陀螺的技術發展提出了研究方向。