CN102519447A - 一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，光路部分包括泵浦激光器、掺铒光纤环形谐振腔、第一隔离器、第二隔离器、第一偏振控制器、第一耦合器和探测器，其中掺铒光纤环形谐振腔由波分复用器、掺铒光纤、第二耦合器、偏频器、滤模器、第二偏振控制器和选模器构成；电路部分包括光源驱动电路和信号检测电路。沿逆时针方向传播的激光经过所述选模器后变为Y方向线偏振光，沿顺时针方向传播的激光经过所述选模器后变为X方向线偏振光；所述的偏频器给掺铒光纤环形谐振腔中传播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符号相反的方波相位调制信号。本发明能够避免产生空间烧孔效应和消除闭锁。

Description

一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺仪，特别是一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪。

背景技术

有源谐振型光纤陀螺是一种新型的光学陀螺，它利用稀土掺杂光纤在环形谐振腔的顺、逆时针两个方向上产生激光，补偿了因环形谐振腔传播损耗引起的光波衰减，使谐振腔输出激光的线宽变得极窄，接近量子噪声的极限，利用简单的拍频检测方法就可以得到非常高的频差测量精度。这种陀螺仪主要包括光路部分和电路部分，光路部分包括泵浦激光器、有源环形谐振腔、隔离器、偏振控制器、第一耦合器和探测器，其中有源环形谐振腔由波分复用器、掺铒光纤、第二耦合器、滤模器和偏振控制器构成；电路部分包括光源驱动电路和信号检测电路。这种陀螺仪不需要使用氦氖激光器，可实现全固态结构和高可靠性，具有潜在精度高、耐冲击振动、重量轻和工艺简单等显著特点。这种陀螺仪是光纤陀螺同时实现小型化和较强力学环境适应性的重要技术途径之一。

在有源环形谐振腔内形成稳定的激光时，沿激光的传播方向会形成稳定的驻波，在驻波的波腹处，光强最大，粒子反转数下降的最多；在驻波的波节处，光强为零，粒子反转数基本上没有变化。于是粒子反转数相对于激光的传播方向出现周期性的凹陷，这种现象称为空间烧孔效应，相邻两孔之间的距离为1/2波长。由于在波节处粒子反转数依然很大，所以容易形成另一波长激光的驻波波腹，即形成多纵模激光，这会导致较大的解调误差，甚至导致陀螺失效。

此外，当有源谐振型光纤陀螺仪的旋转角速率小于某一角速率时，有源环形谐振腔中的正反两束激光的频率相同，陀螺仪的输出拍频为零，这种现象被称为闭锁。闭锁的实质是由于正反两束激光模式的相互耦合，引起激光耦合的主要原因是光路中存在背向散射。当一束激光沿谐振腔的顺时针方向传播时，光路的非理想性将引起背向散射，顺时针方向传播激光的背向散射光将变为逆时针方向传播，并耦合到逆时针方向传播的激光中，反之亦然。由于存在这种耦合，当相反方向传播的两束激光的频率之差小到一定程度时，将发生频率牵引，导致两束激光的频率相同，使陀螺仪输出的频差为零。

通过闭锁效应产生的机理可知，减小闭锁的根本方法是减少光路的背向散射，这要求不断优化光路的设计方案和提高光学器件的质量，但是由于光纤中固有的瑞利背向散射及光学器件连接处的反射，很难彻底消除光路中的背向散射。偏频法是解决闭锁效应的有效方法，通过机械抖动偏频来解除锁定的方案已经成功应用于激光陀螺仪中，但是采用机械抖动偏频的方法会使有源谐振型光纤陀螺仪失去小型化和结构简单的优势。此外，可采用“光学抖动法”消除闭锁效应。如在有源环形谐振腔对称的位置上放置两个PZT相位调制器，给调制器分别施加大小相等符号相反的正弦调制信号，使谐振腔中传输的两束光波之间产生非互易的相位差，从而使得该有源谐振型光纤陀螺仪的工作点偏离锁区，即使其在小角速度或者静止的时候也能检测到频差，有效地抑制闭锁。但采用PZT的方法，只能施加正弦调制信号，通过PZT后的光波偏振态成周期性的变化，并产生附加的双折射效应，这将导致陀螺发生漂移。

目前空间烧孔效应和彻底解决闭锁而且不引入其它问题是影响有源谐振型光纤陀螺仪精度和实现工程化的主要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪。

本发明包括如下技术方案：

一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪，其特征在于包括光路部分和电路部分；光路部分包括泵浦激光器、掺铒光纤环形谐振腔、第一隔离器、第二隔离器、第一偏振控制器、第一耦合器和探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号检测电路；掺铒光纤环形谐振腔包括波分复用器、掺铒光纤、第二耦合器、选模器、第二偏振控制器、滤模器、偏频器；泵浦激光器由光源驱动电路提供驱动电流；泵浦激光器产生的激光经波分复用器分成在掺铒光纤环形谐振腔沿顺时针方向传播的激光和沿逆时针方向传播的激光；沿逆时针方向传播的激光到达第二耦合器之后被分为输出光波和继续在掺铒光纤环形谐振腔中传播的逆时针方向光波；沿顺时针方向传播的激光到达第二耦合器之后被分为输出光波和继续在掺铒光纤环形谐振腔中传播的顺时针方向光波；第二耦合器输出的一路光波经第一隔离器到达第一耦合器；第二耦合器输出的另一路光波经第二隔离器和第一偏振控制器后到达第一耦合器；到达第一耦合器的两束光发生干涉，然后到达探测器，探测器输出的信号经信号检测电路实现角速度的测量；沿逆时针方向传播的激光经过所述选模器后变为Y方向线偏振光，沿顺时针方向传播的激光经过所述选模器后变为X方向线偏振光；所述的偏频器给掺铒光纤环形谐振腔中传播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符号相反的方波相位调制信号，使之产生非互易的相位差，而且通过此偏频器后的光波偏振态不会发生变化。

所述偏频器包括第一偏振分束器、第一反射镜、第一集成光学相位调制器、第二偏振分束器、第二反射镜和第二集成光学相位调制器。

所述选模器包括第一光纤准直器、第一法拉第旋转器、起偏器、第二法拉第旋转器和第二光纤准直器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的光纤陀螺仪，选用选模器会使沿逆时针方向传播的激光为Y方向线偏振光，沿顺时针方向传播的激光为X方向线偏振光，由于两束偏振方向互相垂直的激光不能发生干涉和模式简并，因此激光在掺铒光纤中传播时不会产生空间烧孔效应。

(2)本发明的光纤陀螺仪，选用偏频器可给掺铒光纤环形谐振腔中传播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符号相反的方波相位调制，使之产生非互易的相位差，而且通过此偏频器后的光波偏振态不会发生变化，从而使得该掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪的工作点偏离锁区，即使其在小角速度或者静止的时候也能检测到频差，有效地抑制闭锁而且未引入其它问题。

附图说明

图1为本发明光纤陀螺仪的组成示意图；

图2为偏频器的组成示意图；

图3为选模器的组成示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明光纤陀螺仪的组成示意图，包括光路部分17和电路部分18，光路部分17和电路部分18之间采用电线连接；光路部分17包括泵浦激光器1、掺铒光纤环形谐振腔、第一隔离器9、第二隔离器10、第一偏振控制器11、第一耦合器12和探测器13，其中掺铒光纤环形谐振腔由波分复用器2、掺铒光纤3、第二耦合器4、偏频器5、滤模器6、第二偏振控制器7和选模器8构成；电路部分18包括光源驱动电路15和信号检测电路14；所述的泵浦激光器1由电路部分提供驱动电流。第一耦合器12的分光比为45∶55～55∶45。第二耦合器4的分光比为90∶10～99∶1。

如图2所示，偏频器5由第一偏振分束器19、第一反射镜20、第一集成光学相位调制器21、第二偏振分束器22、第二反射镜23和第二集成光学相位调制器24构成。

如图3所示，选模器6包括第一光纤准直器25、第一法拉第旋转器26、起偏器27、第二法拉第旋转器28和第二光纤准直器29。

结合图1-3，说明本发明的光纤陀螺仪的工作原理为：

光源驱动电路15驱动泵浦激光器1产生波长为980nm的激光，经波分复用器输入到掺铒光纤环形谐振腔16中，经过掺铒光纤3后实现对光波信号的放大，形成波长为1550nm的激光，该1550nm的激光在掺铒光纤环形谐振腔16中分成两束光波，一束沿顺时针传播(定义从掺铒光纤3沿最小距离到达波分复用器2的方向为顺时针)，另一束沿逆时针传播(定义从掺铒光纤(3)沿最小距离到达第二耦合器4的方向为逆时针)；沿逆时针传播的光波到达第二耦合器4之后被分为两束光波之后，一部分光波(光功率小于10％)被耦合出掺铒光纤环形谐振腔16，另一部分光波(光功率大于90％)继续在掺铒光纤环形谐振腔16中传播，并经选模器8中的第一光纤准直器25，到达第一法拉第旋转器26，该第一法拉第旋转器26使得光波的光矢量被左旋45角(沿选模器中规定的+Z方向看过去来定义光波的旋转方向)，然后该光波经起偏器27变为偏振方向为Y方向的线偏振光，该线偏振光经第二法拉第旋转器28和第二光纤准直器29后从选模器8中输出，并经第二偏振控制器7，到达滤模器6，然后该光波到达偏频器5中的第一偏振分束器19，并沿光路①经第一反射镜20，到达第一集成光学相位调制器21(第一集成光学相位调制器21会对该光波施加一方波相位调制信号)，然后经第二偏振分束器22，返回到掺铒光纤3，被再次放大；同理，沿顺时针传播的光波从反方向依次经过偏频器5、滤模器6、第二偏振控制器7、选模器8中的第二光纤准直器29，到达第二法拉第旋转器28，该第二法拉第旋转器28使得该光波的光矢量被右旋45角，然后该光波在经过起偏器27时，偏振方向为X方向的线偏振光被通过，然后该偏振方向为X方向的线偏振光经第二耦合器4之后被分为两束光波，一部分光波(光功率小于10％)被耦合出掺铒光纤环形谐振腔16，另一部分光波(光功率大于90％)继续在掺铒光纤环形谐振腔16中传播，并回到掺铒光纤3中，继续被放大，其中滤模器6、第二偏振控制器7和第二耦合器4对沿顺时针传播的光波所起的作用与对逆时针传播的光波所起的作用相同；这两束光波会在掺铒光纤环形腔16中循环传播。

被从掺铒光纤环形腔16中耦合出来的光波，其中一束光波经第一隔离器9到达第一耦合器12，另一束光波经第二隔离器10以及第一偏振控制器11(该偏振控制器11使此两束光波的偏振方向相同)后到达第一耦合器12，到达第一耦合器12的两束光发生干涉，然后到达探测器13，并实现光电信号转换，最后经信号检测电路14实现角速度的测量；信号检测电路14的工作原理具体可以参见兵器工业出版社《光电惯性技术》1999年9月第一版P89～94中关于判向与计数处理电路的相关介绍。

偏振控制器7可用来控制光波的功率，使在掺铒光纤环形谐振腔16传播的两束光波的功率基本相等。滤模器6用来降低光谱的宽度，增加光波的稳定性，避免跳模的发生。

沿逆时针传播的光波经过偏频器5之前，只有Y方向偏振光，该光波到达偏频器5中的第一偏振分束器19，并沿光路①经第一反射镜20，到达第一集成光学相位调制器21(第一集成光学相位调制器21会对该光波施加一方波相位调制信号)，然后经第二偏振分束器22输出。沿顺时针传播的光波在经过偏频器5之前，含有X方向和Y方向两个偏振方向，此两个偏振方向的光波会在偏频器5中分别沿光路①的反方向和光路②传播输出，偏振方向为X方向的光波经过第二集成光学相位调制器2时会被施加一个与给偏振方向为Y方向的光波所施加的大小相等，但方向相反的方波相位调制信号，以达到使此两束光波之间产生一个非互易相位差的目的，而偏振方向为Y方向的光波到达选模器8后被滤除。

通过掺铒光纤环形谐振腔中的偏频器，给掺铒光纤环形谐振腔中传播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符号相反的方波相位调制，使之产生非互易的相位差，而且通过此偏频器后的光波偏振态不会发生变化，从而使得该掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪的工作点偏离锁区，即使其在小角速度或者静止的时候也能检测到频差，有效地抑制闭锁而且未引入其它问题。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪，其特征在于包括光路部分(17)和电路部分(18)；光路部分(17)包括泵浦激光器(1)、掺铒光纤环形谐振腔(16)、第一隔离器(9)、第二隔离器(10)、第一偏振控制器(11)、第一耦合器(12)和探测器(13)；电路部分(18)包括光源驱动电路(15)和信号检测电路(14)；掺铒光纤环形谐振腔(16)包括波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、第二耦合器(4)、选模器(8)、第二偏振控制器(7)、滤模器(6)、偏频器(5)；泵浦激光器(1)由光源驱动电路(15)提供驱动电流；泵浦激光器(1)产生的激光经波分复用器(2)分成在掺铒光纤环形谐振腔(16)沿顺时针方向传播的激光和沿逆时针方向传播的激光；沿逆时针方向传播的激光到达第二耦合器(4)之后被分为输出光波和继续在掺铒光纤环形谐振腔(16)中传播的逆时针方向光波；沿顺时针方向传播的激光到达第二耦合器(4)之后被分为输出光波和继续在掺铒光纤环形谐振腔(16)中传播的顺时针方向光波；第二耦合器(4)输出的一路光波经第一隔离器(9)到达第一耦合器(12)；第二耦合器(4)输出的另一路光波经第二隔离器(10)和第一偏振控制器(11)后到达第一耦合器(12)；到达第一耦合器(12)的两束光发生干涉，然后到达探测器(13)，探测器(13)输出的信号经信号检测电路(14)实现角速度的测量；沿逆时针方向传播的激光经过所述选模器(8)后变为Y方向线偏振光，沿顺时针方向传播的激光经过所述选模器(8)后变为X方向线偏振光；所述的偏频器(5)给掺铒光纤环形谐振腔(16)中传播的不同偏振方向的光波施加大小相等、符号相反的方波相位调制信号，使之产生非互易的相位差，而且通过此偏频器(5)后的光波偏振态不会发生变化。

2.根据权利要求1所述的一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪，其特征在于：所述偏频器(5)包括第一偏振分束器(19)、第一反射镜(20)、第一集成光学相位调制器(21)、第二偏振分束器(22)、第二反射镜(23)和第二集成光学相位调制器(24)。

3.根据权利要求1所述的一种消除闭锁的掺铒光纤环形谐振腔光纤陀螺仪，其特征在于：所述选模器(8)包括第一光纤准直器(25)、第一法拉第旋转器(26)、起偏器(27)、第二法拉第旋转器(28)和第二光纤准直器(29)。

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