CN104359472A - 一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪，包括光源、耦合器、Y波导、光子带隙光纤环和探测器；光源、探测器分别与Y波导输入端的尾纤通过半透半反膜直接耦合实现分光，Y波导的两个输出端与光子带隙光纤环的两端直接耦合，其中Y波导的输出端端面覆有反射膜。本发明利用传统光纤与光子带隙光纤间的端面反射，实现了陀螺的循环多圈，增强了Sagnac效应；在保证精度的前提下减小了光纤环长度，有利于实现光子带隙光纤陀螺的低成本和小型化，并能有效抑制外界环境变化引起的非互易误差。

Description

一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。

光纤是光纤陀螺中最主要的传输介质。现有光纤陀螺中通常采用的普通的熊猫型保偏光纤，其导波特性对外界温度、电磁等物理场较敏感，因而导致光纤陀螺环境适应性较差。目前针对这一问题主要采取被动防护的措施来解决，如添加防护罩等。这些措施虽然能够在一定程度上提高光纤陀螺的环境适应性，但同时也带来了一些副作用，如体积、重量、功耗和成本的增加。

光子带隙光纤是一种基于光子带隙效应的新型光纤，通过在SiO₂和空气孔周期性排列构成的光子晶体中扩大中心的空气孔制造缺陷来可控制光波在中心空气孔(纤芯)中传播，是一种基于低折射率材料(空气)在高折射率背景材料(SiO₂)中的二维周期性排列而形成的微结构光纤。这种原理与结构上的独特性使得光子带隙光纤具有众多不同于传统光纤的特性，如对温度、电磁场、空间辐射等环境因素的敏感度低，对弯曲不敏感，具备无限单模传输能力等。因此，光子带隙光纤是解决光纤陀螺环境适应性问题的理想选择，是光纤陀螺的未来发展趋势。

受现有生产工艺水平所限，光子带隙光纤的生产成本高，价格昂贵，限制了其在光纤陀螺领域的大规模应用。目前的光子带隙光纤陀螺只在光纤环部分使用光子带隙光纤绕制而成，其他的光学器件依然采用传统光纤作为输入/输出尾纤，因此陀螺光路中会存在光子带隙光纤与传统光纤的接触面。光子带隙光纤和传统光纤的纤芯折射率不同，由菲涅尔反射定律可知二者接触面存在较大的端面反射，其中以Y波导输出尾纤与光子带隙光纤环间的端面反射对陀螺的影响最大。

国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式，即利用一套光路实现一个Sagnac干涉仪，通过解算两束相向传播的主波列间的干涉获得Sagnac相移。这种干涉仪虽然结构简单，但随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，较长的敏感环长度使其容易受到外界环境的影响而引入非互易误差，制约了光纤陀螺精度的提高和发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，利用光子带隙光纤陀螺中Y波导输出尾纤与光子带隙光纤环间存在的端面反射，提出了一种能够实现多圈效应和闭环控制的干涉式闭环光纤陀螺仪。

一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪，包括光源、Y波导、光子带隙光纤环和探测器；

光源、探测器分别与Y波导输入端的尾纤通过半透半反膜直接耦合实现分光，Y波导的两个输出端与光子带隙光纤环的两端直接耦合，其中Y波导的输出端端面覆有反射膜。

本发明的优点在于：

(1)利用传统光纤与光子带隙光纤间的端面反射，实现了陀螺的循环多圈，增强了Sagnac效应；

(2)在保证精度的前提下减小了光纤环长度，有利于实现光子带隙光纤陀螺的低成本和小型化，并能有效抑制外界环境变化引起的非互易误差；

(3)采用光子带隙光纤环，提高了光纤陀螺的环境适应性；

(4)在保持光纤环结构和长度不变的前提下提高了陀螺精度；

(5)实现了陀螺的闭环调制。

附图说明

图1是基于反射的多圈式干涉式闭环光纤陀螺仪结构框图；

图2是Y波导输出尾纤与光子带隙光纤环的接触面示意图；

图3是绕行偶数圈光波的传播路线示意图；

图4是零次光波的传播路线示意图；

图5是宽谱光源相干函数；

图6是Y波导上施加的偏置调制波形；

图7是用于实现闭环的反馈调制波形；

图中：

1-光源              2-耦合器          3-Y波导

4-光子带隙光纤环    5-探测器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪，如图1所示，包括光源1、耦合器2、Y波导3、光子带隙光纤环4和探测器5。

光源1、探测器5分别与Y波导3输入端的尾纤通过半透半反膜直接耦合，半透半反膜实现耦合器2的分光功能；Y波导3的两个输出端与光子带隙光纤环4的两端直接耦合，其中Y波导3的输出端端面覆有反射膜，可以控制其与光子带隙光纤接触面的端面反射，实现具有一定比例的透射/反射功能(反射比0.5～0.6)，如图2所示。无论从Y波导3还是光子带隙光纤环4到达接触面，都会有一部分光穿过反射膜进入另一介质传播，另一部分光返回原介质传播。

光源为宽谱光源，其输出光经直接耦合进入Y波导起偏，经Y波导分光后进入光子带隙光纤环相向传播，绕行一周后到达光纤环另一端；一部分光回到Y波导，经Y波导汇合生成干涉信号，经耦合器到达探测器，另一部分光反射回光子带隙光纤环，继续在光纤环中传播。

本发明具体工作过程为：

光源1输出光经耦合器2后进入Y波导3起偏，Y波导3的两个输出端处的光波分别沿光子带隙光纤环4的顺时针和逆时针方向相向传播，绕行一周后到达光纤环另一端；一部分光穿过反射膜进入Y波导3汇合，经耦合器2后由探测器输出，另一部分光被反射回光纤环，反向绕行一周后到达光子带隙光纤环4与Y波导3的接触面，再次被反射膜分光，此时穿过反射膜的透射光波经由Y波导3的同一臂离开敏感环部分，如图3所示。两束相向传播的光波间的固有相位差

其中：n为Y波导3输出尾纤的折射率，L₁和L₂为Y波导3两段输出尾纤的长度。

为了避免零次光波(绕行圈数为零，即没有进入光纤环就被反射)引入的偏置误差，如图4所示，需要对Y波导3的两段输出尾纤长度进行控制，使零次光波间的光程差大于光源的相干长度，即

其中：L_c为光源的相干长度。

结合式(1)和(2)可以看到，绕行偶数圈的两束相向光波间的固有光程差大于光源的相干长度，因此二者经Y波导3汇合后不能发生干涉，即只有绕行奇数圈后返回Y波导3的光波间能够发生干涉。

最终陀螺的输出信号是奇数圈光波干涉信号的叠加，可以得到加倍的转动信号，在保持光纤环结构长度不变的情况下提高了陀螺精度；同时可采用与传统陀螺相似的技术方法完成信号的调制解调与反馈，从而实现陀螺的闭环调制，达到较高的精度要求。

宽谱光源1的相干函数如图5所示。图中横坐表示光程差，单位为μm，纵坐标表示归一化相干度。从图中曲线可以看出，随着光程差的增加，归一化相干度逐渐减小。

Y波导3上施加的调制信号是偏置信号和反馈信号的叠加，其波形分别如图6和图7所示。

本发明中采用Φ_m(t)＝±(π/4)的方波信号作为偏置调制，如图6所示。方波的调制频率为光纤环的本征频率f₀＝1/(2τ)，其中τ是光通过光纤环的传输时间。由此可以产生一个ΔΦ(t)＝±π/2的偏置调制，即光纤陀螺交替工作在±π/2点上，此时具有最大检测灵敏度。

本发明采用的闭环信号处理方法是阶梯波反馈的数字闭环方案，如图7所示。阶梯波的台阶高度Φs由解调值决定，即台阶高度与旋转引起的SAGNAC相移大小相等，而台阶的持续时间等于光纤环的传输时间τ。将阶梯波信号与方波偏置信号进行同步数字叠加后施加到Y波导3上即可实现光纤陀螺的全数字闭环。

Claims (1)

1.一种基于反射的多圈式光子带隙光纤陀螺仪，包括光源、Y波导、光子带隙光纤环和探测器；

光源、探测器分别与Y波导输入端的尾纤通过半透半反膜直接耦合实现分光，Y波导的两个输出端与光子带隙光纤环的两端直接耦合，其中Y波导的输出端端面覆有反射膜。