光纤陀螺角随机游走降低技术：基于光强切换的创新方法

作者及发表信息
本研究的核心团队来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，包括Qin Xuexin、Zhang Chunxi、Xu Hongjie、Li Lijing和Zheng Yue（通讯作者）。研究成果发表于光学工程领域权威期刊《Journal of Lightwave Technology》2024年1月15日出版的第42卷第2期，论文标题为《Angular-Random-Walk Reduction for Fiber Optic Gyroscopes Using Light-Intensity Switching》。

学术背景与研究目标

科学领域
研究聚焦于光纤陀螺（Fiber Optic Gyroscope, FOG）的性能优化，属于惯性导航与精密光学传感交叉领域。光纤陀螺基于萨格纳克干涉仪（Sagnac interferometer）原理，通过测量两束反向传播光波的相位差实现角速度检测，其核心性能指标角随机游走（Angular Random Walk, ARW）直接反映测量噪声水平。

研究动机
传统FOG中，调制过程产生的瞬态光强尖峰（intensity spikes）易导致光电探测器饱和，限制了可探测光强的提升，进而制约ARW的降低。尽管已有研究尝试通过后置电子门控消除尖峰，但无法解决光路中的饱和问题。本研究提出一种前置光强切换（light-intensity switching）技术，从光学源头消除尖峰，突破探测器饱和限制。

关键技术挑战
1. 尖峰与有用信号共存，传统方法无法选择性抑制
2. 马赫-曾德尔强度调制器（Mach-Zehnder intensity modulator）的实际误差（半波电压漂移、工作点偏移）需实时补偿
3. 需在提升光强的同时维持干涉仪灵敏度与动态范围

研究方法与流程

1. 光强切换技术设计

创新装置
在光源输出端插入马赫-曾德尔强度调制器，通过同步调制实现尖峰选择性阻断：
- 同步时序控制：调制器相位差在尖峰出现时段（约纳秒级）设为π，使输出光强归零；在有用信号时段设为0，保持光强无损传输。
- 调制深度优化：通过理论模型（公式1-2）计算不同光强i₀下的最佳调制深度φₘₒₚ，平衡噪声抑制与信号灵敏度。

理论验证
通过建立ARW与光强的数学模型（公式1），证明在消除尖峰后，探测器饱和阈值由尖峰幅值转为光源功率决定（图3）。当i₀从130 μW提升至500 μW时，理论预测ARW可降低48.4%。

2. 闭环误差补偿系统

调制器误差建模
实际应用中，调制器存在半波电压漂移（系数a≠1）和工作点偏移（δφₘᵢ_ᵦ），需通过特殊调制序列（图5a）实现误差分离：
- 八态调制序列：设计周期为8τ（τ为光波通过光纤线圈时间）的相位差序列，包含±φ₁、±φ₂四种状态。
- 多频解调技术：在1/(4τ)、1/(8τ)、1/(2τ)频率下分别解调半波电压误差、工作点偏移和旋转速率信号（公式8），避免频谱干扰。

闭环控制架构（图6）
- 半波电压校准：通过积分反馈动态调整DAC参考电压
- 工作点稳定：向调制序列注入补偿偏置电压
- 旋转速率解耦：保留传统萨格纳克闭环控制环路

3. 实验验证

实验配置
- FOG参数：600米光纤线圈，20 kΩ跨阻放大器，可调谐掺铒光纤光源（0-100 mW）
- 对比方案：传统尖峰检测模式 vs 光强切换模式

关键步骤
1. 尖峰消除验证：示波器观测光电探测器输出电压，确认尖峰消除后最大入射光强从130.32 μW提升至465.42 μW（图8a）。
2. ARW测量：通过艾伦方差分析，光强切换模式下ARW从1.76×10⁻³°/√h降至1.10×10⁻³°/√h（降低37.5%），与理论趋势一致（图9）。
3. 误差影响评估：对比有无调制器时FOG的零偏稳定性与标度因数误差，证实闭环系统可将附加误差控制在0.01°/h以内（表II）。

核心结果与逻辑链条

1. 光强提升机制：消除尖峰后，有用信号光强占比从30%提升至95%以上（图3b），探测器饱和限制解除。
   
2. 噪声抑制效果：光强提升3.57倍，使散粒噪声（∝1/√i₀）和热噪声（∝1/i₀）显著降低（公式1）。
   
3. 调制深度自适应：实验测得最佳调制深度φₘₒₚ随i₀增加从0.82π增至0.91π（表I），验证理论模型（图1a）。
   
4. 闭环系统有效性：半波电压误差补偿精度达0.1%，工作点漂移抑制至±0.005 rad（图5c-d）。

研究价值与创新点

科学价值
1. 提出首个光学域尖峰消除方案，突破FOG噪声极限的物理限制
2. 建立ARW与光强/调制深度的定量关系模型，为高精度FOG设计提供理论工具

工程意义
1. 无需改造光纤线圈：通过光路优化实现性能提升，兼容现有FOG架构
2. 简化电子处理：降低后端电路动态范围要求，减少脉冲衰减不稳定导致的解调误差

技术亮点
1. 原创性光强切换：通过马赫-曾德尔调制器实现纳秒级光路开关，时序同步精度 ns
2. 多参数解耦控制：首次在FOG中实现调制器误差与旋转信号的频分复用解调
3. 普适性应用：技术可扩展至其他干涉型光学传感器（如激光陀螺、量子重力仪）

局限性与展望

1. 调制器体积限制：未来可探索集成光学方案（如铌酸锂波导）实现微型化
   
2. 光谱形变影响：需进一步研究强度调制对光源相对强度噪声（RIN）的潜在影响
   
3. 极端环境适应性：高温/振动条件下的长期稳定性待验证
   

本研究为FOG性能提升提供了新范式，其核心思想”光学域噪声抑制”可启发其他精密光学测量系统的设计创新。