CN101949712A - 一种关于光学陀螺效应验证的简易结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陀螺惯性器件，具体是一种关于光学陀螺效应验证的简易结构。本发明解决了现有陀螺惯性器件测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、受温度等环境条件变化影响大、以及不易集成的问题。一种关于光学陀螺效应验证的简易结构包括中空转台、固定于中空转台表面圆心处的环形谐振腔、以及与环形谐振腔耦合的双波导；双波导贯穿中空转台表面，中空转台的上下两侧分别设有三通道光纤旋转互连装置和四通道光纤旋转互连装置。本发明有效解决了现有陀螺惯性器件测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、受温度等环境条件变化影响大、以及不易集成的问题，适于作为惯导***中的核心部件。

Description

一种关于光学陀螺效应验证的简易结构
技术领域
本发明涉及陀螺惯性器件，具体是一种关于光学陀螺效应验证的简易结构。
背景技术
陀螺惯性器件作为惯导***中的核心部件，在国土防空、导航制导、控制技术等领域以及机器人、电子消费品等行业有着广泛的应用，其发展对一个国家的国防事业、基础工业以及高科技产业发展具有重要的战略意义。 现有陀螺惯性器件主要分为传统机械陀螺、微机械（MEMS）陀螺、光学陀螺（光纤陀螺、激光陀螺）等类型。其中，传统机械陀螺普遍存在体积大、启动时间长、存在可动部件等问题，难以实现灵便测量；微机械陀螺近年来发展非常迅速，其性能、精度及可靠性逐步提高，但随着器件的微小化，其质量和动量也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测极限状态；光学陀螺是依据Sagnac效应而设计产生的，其具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，但其需要较为复杂的光电信号处理、成本较高、受温度等环境条件变化影响大、且不易集成。综上所述，现有陀螺惯性器件存在测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、以及不易集成的问题；基于此，有必要发明一种能解决上述问题的新型陀螺惯性器件。
发明内容
本发明为了解决现有陀螺惯性器件测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、受温度等环境条件变化影响大、以及不易集成的问题，提供了一种关于光学陀螺效应验证的简易结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种关于光学陀螺效应验证的简易结构，包括中空转台、固定于中空转台表面圆心处的环形谐振腔、以及与环形谐振腔耦合的双波导；双波导贯穿中空转台表面，中空转台的上下两侧分别设有三通道光纤旋转互连装置和四通道光纤旋转互连装置；其中，三通道光纤旋转互连装置的下部通过双波导与四通道光纤旋转互连装置的下部相连；三通道光纤旋转互连装置的上部通过光纤连接有掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器的输入端通过光纤连接有激光光源；四通道光纤旋转互连装置的上部通过光纤连接有探测器，探测器的输出端连接有信号处理单元；所述双波导为本领域技术人员容易实现的结构，可以有多种结构变形；所述掺铒光纤放大器、三通道光纤旋转互连装置、四通道光纤旋转互连装置、探测器、信号处理单元均为现有公知产品，可由市面购得。
工作时，激光光源通过光纤和掺铒光纤放大器将功率放大的激光引入三通道光纤旋转互连装置，双波导将三通道光纤旋转互连装置的下部和四通道光纤旋转互连装置的下部连接形成光通路，三通道光纤旋转互连装置内的激光经此光通路引入四通道光纤旋转互连装置，最终通过光纤引入探测器，探测器将激光转换为电信号送至信号处理单元；在此过程中，中空转台进行旋转，三通道光纤旋转互连装置的上部和四通道光纤旋转互连装置的上部均固定不动，三通道光纤旋转互连装置的下部和四通道光纤旋转互连装置的下部则随中空转台、以及安装于中空转台上的环形谐振腔一起进行旋转；与此同时，双波导与环形谐振腔进行耦合，在环形谐振腔内产生沿顺时针和逆时针两个方向传播的光，两光分别在环形谐振腔的传出口处产生拍频后，经双波导和光纤传至两个探测器；环形谐振腔旋转时，其相对腔周长会发生改变，因而在环形谐振腔内沿顺时针和逆时针两个方向传播的光的谐振频率会各自发生不同的变化，基于此，通过两探测器分别对沿两个方向传播的光进行检测，具体检测过程为：锁定沿顺时针（逆时针）方向传播的光，使其始终处于谐振状态，通过两探测器检测沿逆时针（顺时针）方向传播的光与沿顺时针（逆时针）传播的光之间的频差，所得频差转换为电信号进入信号处理单元，由信号处理单元计算出中空转台的转动角速度；与现有陀螺惯性器件相比，本发明所述的一种关于光学陀螺效应验证的简易结构具有以下优点：一、本发明采用的激光光源在进入耦合***之前经过了掺铒光纤放大器放大，使得光功率得到增强，更易检测到陀螺效应；二、本发明采用光纤旋转互连装置作为光互连的中间介质，从而大大降低了把自由光耦合到光波导中所带来的光损耗，为检测陀螺效应提供了可靠的保障；三、本发明采用的核心敏感元件为环形谐振腔，与传统光纤陀螺所采用的光纤环相比，环形谐振腔具有体积小、结构简单、易于集成应用、高抗过载等优点，因而更适用于高灵敏度测量领域；综上所述，本发明所述的一种关于光学陀螺效应验证的简易结构彻底解决了现有陀螺惯性器件测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、受温度等环境条件变化影响大、以及不易集成的问题。
本发明有效解决了现有陀螺惯性器件测量不灵便、灵敏度和分辨率难以进一步提高、成本高、受温度等环境条件变化影响大、以及不易集成的问题，适于作为惯导***中的核心部件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的双波导与环形谐振腔的耦合示意图。
图中：1-激光光源，2-掺铒光纤放大器，3-三通道光纤旋转互连装置，4-双波导，5-环形谐振腔，6-中空转台，7-四通道光纤旋转互连装置，8-探测器，9-信号处理单元。
具体实施方式
一种关于光学陀螺效应验证的简易结构，包括中空转台6、固定于中空转台6表面圆心处的环形谐振腔5、以及与环形谐振腔5耦合的双波导4；双波导4贯穿中空转台6表面，中空转台6的上下两侧分别设有三通道光纤旋转互连装置3和四通道光纤旋转互连装置7；其中，三通道光纤旋转互连装置3的下部通过双波导4与四通道光纤旋转互连装置7的下部相连；三通道光纤旋转互连装置3的上部通过光纤连接有掺铒光纤放大器2，掺铒光纤放大器2的输入端通过光纤连接有激光光源1；四通道光纤旋转互连装置7的上部通过光纤连接有探测器8，探测器8的输出端连接有信号处理单元9；双波导4为锥形光纤，双波导4的锥形部分与环形谐振腔5耦合，如图2所示，工作时，双波导4的锥形部分与环形谐振腔5的间距为耦合效率最大处；具体实施时，双波导4的材料为Si，其几何形状采用细长方体，细长方体宽为1-2um，厚度为0.75-1um；环形谐振腔5采用通过MEMS加工技术在SOI材料的Si层上加工而成的平面环形微腔，其材料为Si，半径为20-25um，环厚度为1-2um；中空转台6采用中空型精密转台。

Claims (2)

1.一种关于光学陀螺效应验证的简易结构，其特征在于：包括中空转台（6）、固定于中空转台（6）表面圆心处的环形谐振腔（5）、以及与环形谐振腔（5）耦合的双波导（4）；双波导（4）贯穿中空转台（6）表面，中空转台（6）的上下两侧分别设有三通道光纤旋转互连装置（3）和四通道光纤旋转互连装置（7）；其中，三通道光纤旋转互连装置（3）的下部通过双波导（4）与四通道光纤旋转互连装置（7）的下部相连；三通道光纤旋转互连装置（3）的上部通过光纤连接有掺铒光纤放大器（2），掺铒光纤放大器（2）的输入端通过光纤连接有激光光源（1）；四通道光纤旋转互连装置（7）的上部通过光纤连接有探测器（8），探测器（8）的输出端连接有信号处理单元（9）。
2.根据权利要求1所述的一种关于光学陀螺效应验证的简易结构，其特征在于：双波导（4）为锥形光纤，双波导（4）的锥形部分与环形谐振腔（5）耦合。
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