基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法.pdf

本发明公开了一种基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明建立了光子晶体光纤陀螺的新型的噪声预测模型，涵盖普通光纤陀螺中的散粒噪声、强度噪声、探测器热噪声、暗电流噪声以及由于光子晶体光纤独特结构而引入的背向散射噪声与背向反射噪声；利用非相干背向散射/反射光强不依赖于调制相位，而信号光强依赖于调制相位的原理，通过加载调制方波，测得前后光束的实际光功率，进而将额外光功率分离出来。本发明完善了光子晶体光纤陀螺的噪声分析模型，实现了光子晶体光纤陀螺的性能优化，提高了光子晶体光纤陀螺的工程化应用的可能性。

1.  一种基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立光子晶体光纤陀螺的噪声预测模型，该模型中包括散粒噪声、强度噪声、探测器热噪声和暗电流噪声，还包括由光子晶体光纤造成的背向反射噪声与背向散射噪声；
背向反射及背向散射引起的额外光功率引起的噪声方差为：
σoffsrt2=2eP0BWη+P02η2BW/Δν]]>
其中，e表示电子电荷量，P₀表示由背向反射与散射光引起的额外光功率，BW表示探测器带宽，η表示探测器的光电转换系数，Δν表示光源带宽；
步骤2，通过控制调制相位，分离计算出背向反射噪声与背向散射噪声；
分别测得在加载调制方波前后光束的实际光功率，设表示调制相位，P_{without_modulation}表示未加载调制方波时测得的光功率，P_{with_modulation}表示加载调制方波后测得的光功率，则得到下式：

其中，P代表有用光信号的光功率；
根据步骤1得到以及光子晶体光纤陀螺的总体噪声方差，从而进行噪声分离。

2.  根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，其特征在于，所述的光纤晶体光纤陀螺的噪声预测模型表述如下：

其中，表示光子晶体光纤陀螺的总体噪声方差，表示散粒噪声方差，表示探测器热噪声方差，表示强度噪声方差，表示暗电流噪声方差，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，R表示探测器负载电阻值，I_d表示探测器的暗电流值。

3.  根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，其特征在于，所述的步骤2中，根据计算得到的P₀和P，得到光子晶体光纤陀螺的总体噪声方差为：

其中由背向反射与散射光引起的额外光功率引起的噪声方差为：

基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法。
背景技术
目前光纤陀螺凭借着其测量精度高、灵敏度高、动态范围大、体积小、重量轻、寿命长、易集成等特点以及其在军事和民用领域的广阔应用前景，成为近年来国内外光纤传感器领域的一个研究热点。但是现阶段的光纤陀螺受非互易误差以及其他多方面的噪声影响，技术发展受到一定的限制。最近，在光纤陀螺领域出现了一种基于光子晶体光纤的光纤陀螺，利用光子晶体光纤作为陀螺中重要的敏感光纤部分，凭借着其独特的光纤结构，能够有效的减少光纤陀螺中的非互易误差。
相对于普通光纤，光子晶体光纤在Shupe效应、法拉第效应影响等各个方面所产生的误差上都有所减少，而且光子晶体光纤对于辐射的敏感度也大大降低，此外其还有着低传输损耗、高折射率等优势，因此光子晶体光纤更适用于使用在光纤陀螺中，对于提高光纤陀螺的性能有着十分重要的推进作用。
然而就目前技术发展而言，在光纤陀螺中使用光子晶体光纤也存在着一定的缺点。在普通光纤陀螺中，普通光纤的传输损耗可以低于0.5dB/km，而且其相位调制器的尾纤与光纤环用光纤是同一种类型，其溶解点处的光纤损耗可以忽略，所以在普通光纤中，噪声的种类仅包含散粒噪声、强度噪声、探测器热噪声、暗电流噪声等常规噪声。在光子晶体光纤陀螺中，光子晶体光纤不仅传输损耗大，会引入量级很大的背向散射光，而且相位调制器尾纤与光纤环用光纤种类不同，由于光在空气-二氧化硅截面的折射率差异以及两种光纤的模态不匹配会引入较多的背向反射光，此外，由于光子晶体光纤本身结构存在的随机分布缺陷，也会产生不容忽视的背向散射光，因此在光子晶体光纤陀螺中，除传统噪声之外，由背向反射与背向散射产生的噪声是不能够被忽略的。这两种由光子晶体光纤独特结构引起的特殊噪声大大消弱了光子晶体光纤陀螺的优势，从而限制了光子晶体光纤陀螺的工程化应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，完善光子晶体光纤陀螺的总体噪声预测模型的功能，提出了一种新型的光子晶体光纤陀螺噪声分离方法。
本发明的基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，实现步骤如下：
步骤1，确定光子晶体光纤陀螺的噪声预测模型，其中包括传统噪声中的散粒噪声、强度噪声、探测器热噪声和暗电流噪声，还包括由光子晶体光纤独特结构造成的背向反射噪声 与背向散射噪声。
背向反射及背向散射引起的额外光功率引起的噪声方差为：
σoffset2=2eP0BWη+P02η2BW/Δν]]>
其中，e表示电子电荷量，P₀表示由背向反射与散射光引起的额外光功率，BW表示探测器带宽，η表示探测器的光电转换系数，Δν表示光源带宽；
步骤2，通过控制调制相位，分离计算出背向反射噪声与背向散射噪声。
分别测得在加载调制方波前后光束的实际光功率，设表示调制相位，P_{without_modulation}表示未加载调制方波时测得的光功率，P_{with_modulation}表示加载调制方波后测得的光功率，则得到下式：

其中，P代表有用光信号的光功率；
根据步骤1得到以及光子晶体光纤陀螺的总体噪声方差，从而进行噪声分离。
所述的步骤1中光子晶体光纤陀螺的噪声预测模型表示为：

其中，表示光子晶体光纤陀螺的总体噪声方差，表示散粒噪声方差，表示探测器热噪声方差，表示强度噪声方差，表示暗电流噪声方差，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，R表示探测器负载电阻值，I_d表示探测器的暗电流值。
相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：
(1)将传统光纤的基本探测限制因素以及由于光子晶体光纤特殊结构而引起的背向反射/散射噪声全部考虑在内，采用新型噪声分离方法将背向反射/散射噪声分离计算出来，完善了噪声预测模型的功能；
(2)实现了光子晶体光纤陀螺的性能优化，提高了光子晶体光纤陀螺的工程化应用的可能性。
附图说明
图1是光纤陀螺的最小典型结构图；
图2是光子晶体光纤陀螺中背向反射光传播示意图；
图3是本发明的基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法的总体示意图。
图中：1-光源；2-探测器；3-光纤耦合器；4-多功能集成光路器件；5-敏感光纤环。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为光子晶体光纤陀螺的最小典型结构，图中示例的光源1为宽谱光源(ASE Source)，多功能集成光路器件4(MIOC)中包含相位调制器。敏感光纤环及其尾纤采用光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)，多功能集成光路器件4尾纤及其余各组成部件的光纤均采用普通光纤，例如采用偏振保持光纤(PMF)。
在传统光纤陀螺中，基本噪声源产生的噪声主要包括散粒噪声、探测器热噪声、强度噪声及暗电流噪声。这些噪声的表达式为：
散粒噪声方差为：

探测器热噪声方差为：

强度噪声方差为：
σthermal2=4kTBW/R---(3)]]>
暗电流噪声方差为：
σdark2=2eIdBW---(4)]]>
其中，e代表电子电荷量，P代表有用光信号的光功率，表示调制相位，BW表示探测器带宽，η表示探测器的光电转换系数，Δν表示光源带宽，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，R表示探测器负载电阻值，I_d表示探测器的暗电流值。
光纤陀螺的基本噪声模型可以表示为：
σfundamental2=σshot2+σexcess2+σthermal2+σdark2---(5)]]>
其中，表示基本噪声方差。
本发明提供的基于光子晶体光纤陀螺的新型噪声分离方法，包括两部分：(1)建立光子晶体光纤陀螺的噪声预测模型；(2)通过控制调制相位，分离计算出背向反射噪声与背向散射噪声。
首先，说明光子晶体光纤陀螺的噪声预测模型。
在光子晶体光纤陀螺中，除了传统光纤陀螺的基本噪声外，还存在着由于光子晶体光纤独特结构引起的背向反射噪声与背向散射噪声。
在光子晶体光纤陀螺中，使用熔接法将光子晶体光纤环用于陀螺敏感部位，由于相位调制器尾纤与光纤环用光纤类型不同，所以在熔接点处会产生较大熔接损耗。不同光纤之间模态的不匹配及折射率的不同，也会使熔接点处产生较大的背向反射光；此外，由于光子晶体光纤本身结构存在的随机分布缺陷，也会产生不容忽视的背向散射光。因此背向反射光与背向散射光所产生的噪声也就成为了光子晶体光纤陀螺噪声的主要组成部分之一。
正常信号光返回时会在干涉点发生干涉，引起相移，进而引起探测器检测光强的变化，为了避免上下两处背向反射光返回干涉点处发生干涉而引起额外相移，实际陀螺使用相干长度较短的光源，并调整与光子晶体光纤环连接的上下两段尾纤的长度L₁和L₂的差大于光源的相干长度L_相干，如图2所示，L₁-L₂≥L_相干，使得回程的两束背向反射光因光程差大于相干长度而无法发生干涉，而正反两束信号光的光程差不受此影响，可以发生正常的干涉，进而信号光干涉后被Y波导的调制信号进行调制，这样没有发生干涉的背向反射光就仅产生一直流光强量，与调制相位无关，但是到达探测器的光束中混杂有信号光与背向反射光，会引起光强上的叠加。由于背向散射光本身就是独立于调制相位的，因而也会在探测器中引起一个额外的直流光强量。所以，在光子晶体光纤陀螺中，探测器中检测到的信号中包括了独立于调制相位的背向反射光、背向散射光引起的额外光强与依赖于调制相位的有用光信号干涉引起的光强。
将由背向反射及背向散射光引起的额外光功率转换为陀螺中的噪声，再加上基本噪声项，即构成光子晶体光纤陀螺的总体噪声
光子晶体光纤陀螺的总体噪声可以表示为：

其中，P₀表示由背向反射与散射光引起的额外光功率，简称为额外光功率，P表示有用光光功率。
为背向反射及背向散射引起的额外光功率引起的噪声方差项：
σoffset2=2eP0BWη+P02η2BW/Δν---(7)]]>
背向散射/反射光功率的测量通常可以使用光频域反射计(OFDR)来进行，但是光纤陀螺光源发出的信号光也会返回光源，同样能够被OFDR探测到并返回其光功率，OFDR处所测光功率存在混叠现象，因此OFDR不能直接测量出背向散射光及背向散射光的光功率。
下面说明本发明分离计算出背向反射噪声与背向散射噪声的实现技术。
本发明提出一种新型噪声分离方法，利用非相干背向散射/反射光强不依赖于调制相位，而信号光强依赖于调制相位的原理，将额外光功率通过控制调制相位而分离出。
本发明实施例中通过探测器测得在没有方波调制下光束的实际光功率以及加有方波调制的实际光功率，根据如下表达式：

可分别求得信号光功率与补偿光功率。
其中，P_{without_modulation}表示不加方波调制时的光功率，P_{with_modulation}表示加方波调制时的光功率，表示调制相位。可得：

那么就可以得到光子晶体光纤陀螺的总体噪声的最终表达式：

其中额外光功率引起的噪声项为：

其中，加载调制方波是光纤陀螺信号处理中最常用的调制方法之一，是为了将光纤陀螺的检测点拉至最敏感处。一般利用铌酸锂波导电压-相位的特性，将方波通过Y波导加载到光信号中并对其进行相位调制。