国防科技大学?光学工程学科专刊：背散——光学陀螺的“阿喀琉斯之踵”_技术资讯_资讯信息

收录于话题

编者按

2023年，国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略，全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果，中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”，并特邀国防科技大学前沿交叉学科学院的谭中奇教授为专刊撰写“光学陀螺背向散射问题综述” 综述文章，文中对光学陀螺中不可忽视的背向散射问题进行了原理解释，对各种光学陀螺的背向散射分析方法、测量手段以及抑制方法一一归纳，并对目前光学陀螺中有关背向散射亟待解决的问题进行总结并展望。

撰稿人：谭中奇

论文题目：光学陀螺背向散射问题综述（特邀）

作者：谭中奇，纪鈜腾，毛元昊，吴耿，蒋小为，管世钰，陈丁博，全豫川

完成单位：国防科技大学前沿交叉学科学院；国防科技大学南湖之光实验室；华惯科技有限公司

导读

惯性导航技术是一种不依赖于外界信息、不向外辐射能量的自主导航技术，在军事、航空、航天领域应用广泛。陀螺仪，作为惯导系统的核心部件，能够提供装载系统的角运动信息。传统的机械陀螺多是基于力学基本原理，其复杂的机械结构使得在恶劣环境下难以达到目标应用要求。为了获得精度更高、动态范围更广、启动速度更快的角运动测量器件，研究人员从光学原理出发，利用萨格纳克效应实现了光学陀螺仪。但由于光学陀螺系统中存在宏观层面下折射率的不均匀性，背向散射成为了制约陀螺测量极限的不良因素之一。对于有源光学陀螺来说，背向散射主要以闭锁效应的形式表现出来，使得陀螺系统在外界转动较小的情况下没有信号输出，而与之对应的无源光学陀螺，背向散射则往往表现为一种寄生噪声，影响陀螺系统的测量精度。

研究背景

1913年，法国科学家萨格纳克设计出一种能够感知旋转的环形干涉仪，并且指出当干涉仪所在惯性系发生转动时，闭合环形光路之中的两束传播方向相反的光束将会出现光程差，这种现象被称为萨格纳克效应。随着1960年激光的问世，其高相干性的特点使得利用萨格纳克效应进行高精度角运动测量成为了可能；从此之后，光学陀螺不断发展成熟，并成长为惯性导航核心元件中不可缺少的一员，在航空航天、军事装备、航海乃至民用领域中均得到了广泛的运用。

图1 萨格纳克干涉仪可以测量物体的角速度

到目前为止，光学陀螺已经从传统的激光陀螺发展出体积更小、质量更轻、功耗更低的光纤和微光等类型陀螺，从其工作方式上可以将其分为两大类，即有源光学陀螺与无源光学陀螺。其中，有源光学陀螺，其本质上是一个环形激光器，通过正/反向光束的拍频来敏感外界的转动；而无源光学陀螺则是利用外界激光器产生的激光，通过正/反闭合光路传播产生相位差或是谐振产生频率差来测量转动。无论是哪一类光学陀螺，其内部运转激光的背向散射将带来陀螺的输出偏置或闭锁效应，都将不可避免地影响其工作精度。因此，在光学陀螺的性能优化研究中，需要深入研究和考虑陀螺内部的背向散射问题。

主要内容

光学陀螺中的背向散射从本质上来讲，是谐振腔中宏观折射率不均匀导致的光波相互耦合问题。这种光波耦合在有源激光陀螺中会导致闭锁效应，即尽管外界存在转动信号，但陀螺无法输出的表征转动的频差信号；而对于无源陀螺来说，背向散射通常以噪声的形式表现出来。

针对不同类型的光学陀螺，背散带来的影响也不尽相同，需根据各个类型光学陀螺的特点，设计出不同的背散抑制方案。

对于激光陀螺来说，由背向散射机制引起的锁定效应通常采用频率偏置来解决，目前常用的偏频方式包括：恒速偏频、机抖偏频以及四频差动三种类型。

干涉式光纤陀螺对于转动信号的测量是基于正/反向光束干涉所产生的相位差。因此，背向散射噪声往往会带来干扰实际测量的寄生相位，主要的解决方式是采用宽光谱光源或是信号调制，但随着对陀螺精度要求的不断提高，技术重点不再停留于环形光纤线圈中的背向散射抑制，而是对陀螺系统进行整体评估。

图 2 (a) 干涉式光纤陀螺中的背向散射；(b) 干涉式光纤陀螺中背向散射导致的相位误差

对于谐振式光纤陀螺，背向散射引起的噪声主要可以分为两个方面：一是背散光束自身的光强，二是背散光束与信号光束之间的干涉光强；前者会引起陀螺输出的非线性，而后者会带来频差测量的噪声。通常来说，采取信号调制解调加上载波抑制的技术手段来克服其不良影响，大多数研究工作也是由此出发进行完善，值得注意的是，利用多激光器、宽光谱光源实现背向散射抑制的方案也被相继提出。比较特殊的是布里渊光纤陀螺，该陀螺工作原理与激光陀螺类似，故通常采用频率偏置与相位调制来克服闭锁效应的影响。

图 3 基于单正弦相位调制的波导型谐振陀螺光路结构

目前，小尺寸、低功耗的微型光学陀螺也是一个很有价值的研究方向。微型光学陀螺可以视为是谐振式光纤陀螺以及布里渊光纤陀螺在片上集成的延续，目前发展较为成熟的方案多是基于波导型、回音壁型微环形谐振腔构建的实验系统。相较于光纤谐振腔，其制造工艺更加精细，但硅基材料中折射率的不均匀性仍然会带来背向散射。因此，在分析背向散射问题的方法上微型光学陀螺与光纤陀螺并没有太大的区别。值得注意的是，得益于微型谐振腔中受激布里渊散射阈值的降低，片上布里渊陀螺可以自发产生具有较大频差的斯托克斯光，从而从根本上解决闭锁效应。

图 4 (a) 基于SiO₂微环形谐振腔的布里渊激光陀螺的光路结构；(b) Vahala课题组第一代微型布里渊陀螺样机；(c) Vahala课题组第二代微型布里渊陀螺样机

研究前景与展望

目前对于不同的光学陀螺，研究内容普遍集中于利用各类调制手段，实现对背向散射不良影响的有效抑制，以期趋近陀螺的极限信噪比，但仍然存在一些尚未解决的问题：

一是对光学陀螺中背向散射的微观精确测量问题。目前针对光学陀螺中的背向散射测量，更多的是着眼于谐振腔宏观上表现出来的频率漂移或是闭锁阈值，得到的多是整体上的背向散射表征。

二是如何通过合理设计加工尽可能减小光学陀螺中的背向散射量级的问题。当前许多研究工作大多是围绕着调制手段的设计而开展，但如何从根本上减小陀螺谐振腔中的非均匀性，对于普遍降低背向散射影响具有重要意义。

三是如何巧妙利用背向散射的特性、推动其在精密计量和测量等方面的应用问题。譬如受激布里渊散射，对于普通干涉型光纤陀螺、谐振型光纤陀螺来说，其同背向散射一样是一种噪声源，而利用该效应制成的布里渊陀螺则实现了有源谐振式陀螺的集成化。

作者及团队简介

谭中奇，教授，湖南省光学学会常务理事，湖南省科技进步奖创新团队成员，国防科大高层次创新人才培养对象，《红外与激光工程》编委。主要从事先进光学制造与检测、新型激光光谱、光电惯性与传感等技术研究工作，先后主持和参与国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等5项，其它类型项目数十项。

团队介绍：

国防科技大学激光陀螺研究团队是我国激光陀螺研究的主力军，引领了我国激光陀螺研发方向。既是我国激光陀螺创新研究和发展应用的重要基地，同时也是我国国防工业部门激光陀螺生产及应用的技术源头。经过五十多年的建设和发展，具有完整的学科支撑面和多学科交叉融合优势，形成了以光学、光电技术、激光技术、电子技术和惯性导航技术为学科基础，以光学元件加工、薄膜光学与技术、微弱光电信号检测技术、激光陀螺技术、激光陀螺在惯性导航系统中的应用、新型光电惯性器件研制为主要研究内容的专业领域特色，形成了两大系列多种型号激光陀螺全闭环研制生产能力，使我国成为世界上第三个具有激光陀螺规模化生产能力的国家。

文章信息

谭中奇, 纪鈜腾, 毛元昊, 吴耿, 蒋小为, 管世钰, 陈丁博, 全豫川. 光学陀螺背向散射问题综述[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20230181

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230181（阅读原文）

End

banner 推广

转载/投稿/合作，请联系微信ivan_413598663

免责声明

本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除。邮箱：liuxingwang@csoe.org.cn

点击“在看”发现更多精彩！

阅读原文

文章转载自微信公众号：光电e+

• 前沿 \| 电磁增强和化学增强协同工作新策略实现	• Nature photonics：9平方毫米的芯片级高能无源
• 前沿 \| 超快激光微纳制造——助力高性能水系锌	• 前沿 \| 真空紫外（λ<200 nm）探测器阵列
• 热烈祝贺：PhotoniX 3位主编、13位编委和编辑入	• 前沿 \| 具有长焦深和高分辨率的光学相干层析血
• Nature photonics：直接发射线偏振光的钙钛矿电	• 前沿 \| 部分相干矢量光场相干结构调控——助力
• 封面：光电量子器件研究进展	• 封面：2 μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展