干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
N=length(y0); y=y0; NL=N;
for k=1:inf
sigma(k,1)=sqrt(1/(2*(NL-1))*sum([y(2:NL)-y(1:NL-1)].^2)); tau(k,1)=2^(k-1)*tau0; Err(k,1)=1/sqrt(2*(NL-1)); NL=floor(NL/2); if NL<3 break; end
y=1/2*(y(1:2:2*NL)+y(2:2:2*NL)); end
figure(1)
plot(0.1*[1:N],y0);grid on
xlabel('\\itt\\rm/s');ylabel('\\ity'); figure(2)
loglog(tau,sigma);grid on
xlabel('\\itt\\rm/s');ylabel('\\it\\sigma_A\\rm(\\tau)');
4 干涉式光纤陀螺光学部分方案
4.1 I-FOG结构
图4.1所示的I-FOG结构，它包括了采用Y型多功能集成光路的耦合器与全数字闭环处理电路。
图4.1 I-FOG结构
4.2 光源
4.2.1 1.55um宽带超荧光掺铒光纤光源（SFS）
对于在1.55um的长波区工作的光纤陀螺来说，在该波长区里能够减少高能辐射照
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后的光纤传输恢复时间。对于波长得到相应的光学带宽为如下：
量级。
谱宽的SFS来说，根据公式：
(4.1)
采用1.55um宽带超荧光掺铒光纤光源（SFS）作为高精度光纤陀螺的光源优点具体（1）输出功率高 SFS与SLD相比，提供了很高的放大增益，无需腔反馈，可以获得大功率的带宽辐射。
（2）宽谱 光纤陀螺仪的光源宽谱有利于减小散射、相干误差，使光纤陀螺保持有稳定的零偏，检测误差小。
（3）无偏振辐射 宽带光纤光源射出的往往是非偏振光，这有利于减少双折射引起的偏振非互易性，同时允许人们采用一般的单模光纤耦合器作为光纤陀螺的光源耦合器。
（4）工作时间长 使用时间比目前广泛使用的SLD的寿命长，这已经成为选SFS作为光纤陀螺的光源的重要原因。 4.2.2 超发光二极管（SLD）
对于SLD来说优点是体积小、输出功率适中、光谱较宽等，在中低精度光纤陀螺中获得广泛应用，但相比于SFS仍从在如下缺点：
（1）SLD的发散角较大，光功率不能有效地耦合进单模光纤中，因而输出功率较低，出纤功率通常限制在1mW以下，这限制了光纤的精度。
（2）这种超发光二极管的寿命有限，对于卫星等长寿命应用来说显然不够。 （3）由于半导体材料的固有问题，大多数SLD的平均波长变化较大，未加制冷器时的典型变化为温度必须控制在速率的检测误差。
量级，加制冷器后的典型变化为
量级，这意味着
，才能实现1ppm的光谱稳定性目标，增加了系统复杂性和成本。
由于光纤陀螺的标度因数是用光源的平均波长决定的，温度引起的波长漂移会造成旋转
4.3 光纤耦合器
4.3.1保偏光纤耦合器
保偏光纤耦合器为熔融型3dB光纤耦合器，用于将返回的光波信号引导至探测器。熔融型保偏光纤耦合器较磨抛型保偏光纤耦合器更具有更高的机械可靠性，这项技术目前已经成熟，在
的温度范围内偏振消光比优于20dB，光学损耗小于
0.3dB，分光比可以控制在（503）%的范围内。同时，保偏光纤耦合器抑制光源强度噪声时，确保两端探测器是同一种偏振模式。
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4.3.2光学环形器
采用光学环行器与保偏光纤耦合器相比，功能结构与电子环行器接近。光学环行器是三端口器件，光只能沿一个方向传播。信号若从端口1输入，则从端口2输出；而信号从端口2输入，则将从端口3输出，其输出损耗都很小。但是，光从端口2输入时，从端口1输出时损耗很大，同样光从端口3输入时，从端口1，2中输出时损耗也很大。光学环行器是不可逆光学器件，意味着穿过该设备引起的光的任何性质改变，当光反向输入时并不会得到相反的结果。由于其隔离性高，插入损耗小，光纤环行器广泛用在先进通信系统中，例如分插复用器，双向泵浦系统和色散补偿装置。
由于光学环形器的成本较保偏光纤耦合器高很多，最终决定采用保偏光纤耦合器。
4.4 光纤线圈
4.4.1 保偏光纤原理
保偏光纤的原理是产生一个强双折射，使在普通单模光纤中简并的偏振模式能够在保偏光纤中分开。在光纤陀螺中，这种偏振保持特性提供了互易性主波的大部分功率，避免了信号衰减。只有少量功率转化为交叉的非互易性光波，另外，当采用宽带光源时，这种交叉的非互易性偏振光波的传播速度与主偏振模式不同，因而得以消偏。
在实际中，如不采用保偏光纤需加一个消偏器，采用消偏器不如采用保偏光纤的效果好，采用消偏器的主要优势是光纤线圈的成本，而对整个系统来说，由于附加消偏器增加了其复杂性，成本节省并不太明显。 4.4.2 保偏光纤优点
采用保偏光纤构成的敏感线圈能够获得最佳的性能。
（1）为了限制线圈的体积，光纤的尺寸应尽可能小。典型包层直径为80um的陀螺专用光纤，要取代包层直径为125um的通信用标准单模光纤。保护涂覆层也应尽可能薄。必须使微弯最小，以避免产生损耗或削弱偏振保持，这实际上限制了涂覆层的最小厚度。
（2）为了避免军用或空间应用中光纤衰减在辐射条件下增大，最好工作在长波长（1.33um或1.55um）上。
（3）光纤的可靠性。在绕制线圈过程中，光纤表面收到张力，引起的形变等于光纤直径与线圈直径之比。为了确保好的可靠性，整个光纤长度必须在高形变水平下接受检测。
4.4.3 保偏光纤应力结构
光纤陀螺中常用的大多数保偏光纤均基于光纤包层中附加的应力结构引起的线性双折射。通常采用两种方法实现大的内部应力双折射：一种是采用非对称的区域掺杂以改变热膨胀系数；另一种是采用一个椭圆包层。前者称为应力双折射保偏光纤，后者称为几何双折射保偏光纤。应力结构不同，保偏光纤的类型也不同，产生内部双折射的效
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率也不同。常见的光纤结构有椭圆包层型、领结型和熊猫型，如图4.2所示。
图4.2三种保偏光纤的应力结构
保偏光纤的折射率分布具有双峰，它支持两个非简并的正交偏振模式，内部双折射率的量级一般用两个偏振模式的拍长表征，。保偏光纤的拍长典型值在1mm-5mm范围内，意味着当激发其中一个本征偏振态时，保偏光纤能够在光纤陀螺所需的典型传播距离（50m-500m）上很好地保持这种偏振。
4.5 多功能集成光路
4.5.1 多功能集成光路结构
多功能集成光路由Y分支、相位调制器和较理想的偏振器组成。其中Y分支作为线圈分支器，一个在线光纤接头或光纤耦合器作为光源分束器，其尾纤充当空间滤波器。其中偏振器的作用，光在输入时被滤波，在输出端，经过该偏振器返回的两束光波完全同相。
Y型接头或Y型耦合器结构中，其中线圈分束器是一个集成光学Y分支，光源分束器是一个全光纤的3dB接头。互易性所需的空间滤波通过连接在Y分支基波导上的尾纤就可实现，利用3dB接头把50%的返回功率送到探测器，且附加损耗很低。相位调制器制作在Y分支的两个臂上，可以用一个调制器作为偏置调制，另一个调制器作为闭环处理器所需的反馈调制。倘若用于分束功能，并不是非要一个3dB单模耦合器。经Y分支的输入尾纤返回的光已经发生干涉，信号由强度调制携带。因此，这种耦合器可用一个3dB的分接头代替，它有一个单模输出端口，比耦合器容易制作。
最佳的多功能陀螺芯片的典型尺寸是：厚度为1mm，宽度为几毫米，长20-35mm。它由一个Y分支构成，两臂间隔约200-300um，以便与光纤线圈的两端连接。在两臂上制作推挽式相位调制器，金属被覆在偏振器制作的基波导上，或直接采用质子交换法获得的偏振抑制。陀螺芯片呈平行四边形，以避免集成光路和光纤界面的背向反射。
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4.5.2 多功能集成光路技术指标
工作波长 1310nm 插入损耗 ?4.5dB（典型值4dB） 47/53?53/47（全温范围内分束比 45/55?55/45） 尾纤偏振串音 ?-30dB 半波电压 ?5V 背向反射 ?-50dB 芯片偏振消光比 ?60dB 工作温度 -55?C?+70?C 生产能力 1000只／年 外形尺寸 30mm×18mm×5mm 1550nm ?5.0dB（典型值4.5dB） 47/53?53/47(%)（全温范围内45/55?55/45） ?-30dB ?5V ?-50dB ?60dB -55?C?+70?C 700只／年 35mm×18mm×5mm 表4.1 Y型集成光路的指标对比
4.5.3 多功能集成光路实物图与外观尺寸
图4.3 Y型集成光路的实物图与尺寸
4.6 探测器
采用跨阻抗放大器的高灵敏度PIN-FET光接收元件，用来探测旋转引起的光强变换。探测器通常安装在电路板上，使光二极管与其前方离得近些，从而减少光相位调制引起的串扰和接地不良产生的误差，对于1.33um或1.55um长波长来说，InGaAs最合适。
4.7 波长控制方案
在研制高性能光纤陀螺必须解决的问题当中，波长控制有关的内容文章不是很多。与互易性光学结构问题、采用宽带光源的各种噪声和漂移问题或采用偏置调制和相位反馈的信号处理方案相反，对这个问题还没有一个明确的答案。与其说是一个可以公开发表的基本理论分析，不如说是一个工程问题，其解决方案通常保密。波长控制方案的稳定参考：一个稳定的参考滤波器，稳定的参考波长，或稳定的参考分光计。
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