关键词：
光纤陀螺集成化
光收发组件
光电探测器
差分放大电路
摘要：
光纤陀螺（IFOG）是一种基于Sagnac效应的光纤角速度传感器,其通过检测输出光干涉强度来获得陀螺角速度信息。光纤陀螺具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小等优点。目前国内光纤陀螺研究已经取得了较大进展,其精度横跨参考级、战略级、导航级、战术级以及民用市场,在各领域均有广泛应用。而现阶段光纤陀螺仪由于各光学器件独立封装的特性以及光纤环的大小等原因,其尺寸重量等很难满足各类轻小型惯性导航系统的应用需求,因此光纤陀螺集成化研究已经逐渐成为该领域的一个重要发展方向。
光纤陀螺集成化需要把光纤陀螺系统划分为光收发组件、干涉光路组件和集成化电路三个部分。光源、探测器和分束器通过集成一体化设计组成陀螺“三合一”前光路组件:Y波导和超细径光纤环通过直接耦合设计组成陀螺“二合一”后光路组件:集成化陀螺电路包括模拟电路和数字电路部分;为减小电路尺寸、提高陀螺可靠性和抗干扰能力,数字电路采用“多合一”（FPGA、AD、DA、运放等）集成电路芯片。目前“三合一”光收发组件研制是光纤陀螺集成化面临的瓶颈问题,其需要将多个分立器件进行集成并对体积进行压缩,本论文就针对光收发组件所需关键技术进行研究,并完成光纤陀螺集成化样机的研制,解决工程性问题,为实现批量化生产打下基础。具体研究内容包括:
（1）实现了复杂空间光路的高效耦合对准。针对光源和硅波导的耦合效率提升,通过Zemax对双透镜耦合系统进行仿真设计,并在仿真中达到75%的耦合效率。此外,在硅波导耦合接收端使用Si O2/Ti O2双层增透膜,探究其增透性能与入射角度、波长等参数之间的关系。最终在实测验证中,综合耦合效率达到72.3%,可以有效满足光纤陀螺集成化需求。
（2）对光学及电磁干扰进行了抑制。使用对照光电二极管进行差分滤噪,改善前测量探测器噪声电压为1.621m V,使用双光电二极管进行差分改善后,测量探测器噪声电压为1.452m V,较之前改善了10.4%,可见通过此种方式滤波可以有效补偿空间杂散光带来的影响,进而提升模块性能。此外,改善电路板设计与布局,将制冷器驱动电路尽可能与其它元件电路分隔开,同时在模块内部加设封装壳以防止噪声传播。经测量改善前测量探测器噪声电压为1.452m V,对电信号干扰进行屏蔽后,测量探测器噪声电压为1.173m V,较之前改善了19.2%。综合来看,将探测器噪声电压降低了27.6%,抑噪效果明显,有效保障了光收发组件性能,有利于集成化设计。
（3）提出一种新型探测器集成化设计方案,并选用光伏工作模式并对信号进行差分处理,同时采用温控的方式抑制暗电流等噪声。试验结果表明,该新型探测器将零位电压全温变化量从50m V降至不大于3m V,噪声电压从0.8m V降至0.5m V,并在实际应用中将光纤陀螺随机游走系数降低了17.3%,全温零偏稳定性减小了32.6%,有效提升了探测器抗干扰能力。
（4）基于以上各项关键技术的研究,实现了将SLD光源、探测器、硅波导三个分立器件集成的光收发组件,减少光纤熔接点,缩小器件体积,并基于此光收发组件完成了光纤陀螺集成化样机的研制,样机精度达到了常温零偏稳定性0.043°/h（100s,1σ）,随机游走系数0.007°/h1/2,与集成化前采用分立器件的光纤陀螺性能相当,验证了本论文的相关关键技术在样机中应用的有效性,为提高集成化光纤陀螺装配效率、实现批量化生产提供基础,对光纤陀螺集成化的研究具有重要意义。
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