引言
基于萨格纳克效应的闭环光纤陀螺调制信号频率与光纤环长度密切相关，调制周期通常为2τ（τ为渡越时间），此时陀螺软件以2τ为周期对探测器输出信号进行解调，从而获取外部输入角速度。以采取方波调制的某型光纤陀螺为例，其光纤环长度约220m,渡越时间1.1us,陀螺软件的调制周期为2.2us（即455kHz），在进行温循试验中发现其在某固定温度点会出现噪声明显增加的情况，本文将对该现象产生的机理进行分析，并通过实验对分析结果进行验证。
工作原理
式中I0是入射光的强度。
从式2可知到达探测器的光强是Φs的周期性偶函数，从光强变化上无法区别光纤环旋转方向，确定角速率的符号，而且当角速率趋近于零时光纤陀螺输出对旋转角速率的敏感度趋于零。为解决这两个问题，需要引入相位偏置将静态工作点进行平移。在闭环光纤陀螺中，相位偏置调制是通过在Y波导两个臂上施加方波相位偏置调制电压来实现的，调制方波的频率为光纤环的本证频率(f0=1/2τ),调制方波见图1，（a）为顺时针传播的光收到的相位调制波形
光源温控电路原理
光纤陀螺SLD光源温控电路通常采用PWM控制器+H桥电路+π型滤波的方案，根据热敏电阻提供的温度误差信号产生驱动温差电制冷制冷组件（TEC，又称帕尔贴）的温控电流信号，最终实现将SLD光源管芯温度控制在某一基准温度点的功能。PWM控制器能够根据温度误差信号产生PWM控制信号，用于控制H桥的的通断时间；H桥由四个功率MOS管组成，两个一组，一组可以对正极导通实现上拉，另一组对负极导通实现下拉；π型滤波电路实现温控PWM信号的整形滤波功能。光源温控电路形式如图 2所示。
图2 H桥式TEC驱动电路原理
要使TEC中有电流通过，必须使对角线上的一对MOS管导通，并使另一对角线上的MOS管截止。当OUT1、OUT2 为低电平，OUT3、OUT4为高电平时，则Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，H桥中形成从左至右的电流。当OUT1、OUT2为高电平，OUT3、OUT4为低电平时，Q2、Q3导通，Q1、Q4截止，H桥中形成从右至左的电流。通过控制OUT1～OUT4的逻辑电平高低，就能够控制通过TEC的电流方向；通过控制OUT1～OUT4的逻辑电平的占空比就能够控制通过TEC的电流大小（图3），从而达到精确控制TEC制冷或加热功率的目的。
图3 温控电流信号示意图
耦合机理分析
闭环光纤陀螺内部存在调制信号、探测器输出梳状波信号、温控电流信号等三种周期信号，其中方波调制信号和探测器输出梳状波信号的周期相同，均为两倍渡越时间，温控电流信号周期由PWM控制器开关频率决定。
闭环光纤陀螺工作时，内部的高速AD会对梳状波信号进行高速采样，然后根据解调算法得到外部角速度信息。为了降低噪声，需对梳状波信号进行多点采样（图4），假设每个方波前、后半周期各采样2次，每个采样值为，根据式（5）可得到的陀螺单周期开环输出：
由图4可知，温控电流信号为开关信号，在经过π型滤波器后被整形为接近直流特性的电流信号，但其微观状态下仍然是周期性的波动信号（图4中），该信号周期取决于PWM开关频率。由于SLD光源输出功率与温度之间存在强相关关系，温控电流会将其自身的周期性波动调制到SLD光源的输出光信号中，即光信号中会携带一个与温控电流有关的周期性噪声信号。此外，温控电流信号、PWM开关信号等周期性波动信号也会通过地线传导、空间辐射等方式耦合进入SLD光源的驱动电流中，进一步加强了输出光信号中的周期性噪声信号（图4）。
图4 光纤陀螺AD采样时刻示意图
根据公式6和图4可知，当PWM开关信号频率远大于调制解调频率时，由PWM开关信号产生的周期光强噪声信号为高频噪声信号，将被解调为一个均值接近零的误差信号；当PWM开关信号频率与调制解调频率相近或（低于）时，由PWM开关信号产生的周期性光强噪声信号将被解调为一个均值不为零的误差信号，与萨格奈克相移Φs一起被当做作角速度测量结果输出，造成测量误差，最终以附加噪声的形式体现在陀螺输出曲线。
实验验证
以某型220m环长的光纤陀螺为试验对象，将其SLD光源温控电路PWM开关频率设置为500kHz和1000kHz进行对比试验，试验结果见图5。当PWM开关频率为500kHz时，由于该频率值与陀螺的调制解调频率（455kHz）接近因PWM开关电路频率存在较大的温度漂移现象，导致在变温过程中某个温度点下PWM开关频率会与陀螺的调制解调频率同频，引起陀螺输出信号中叠加一个较大的附加噪声（见图5（b））。当PWM开关频率为1000kHz，整个变温过程中PWM开关频率均与陀螺的调制解调频率错开，则不会导致陀螺输出信号中叠加额外噪声（图5（d））。
图5 某型光纤陀螺不同开关频率温度循环试验数据曲线
结论
本文针对光纤陀螺输出与SLD光源温控电路之间的干扰耦合机理进行了分析，并通过实验验证了理论分析结论，确认温控电路PWM开关频率干扰会引起陀螺附加噪声，导致陀螺性能劣化。
参考文献：
[1] 张维叙.《光纤陀螺及其应用》.北京：国防工业出版社，2008.
[2] 《光纤陀螺捷联惯导系统在线对准及标定技术研究》.曹通.哈尔滨：哈尔滨工程大学博士学位论文；2012.
