CN109883412A - 一种双光程光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光程光纤陀螺仪，光源与耦合器输入端以45°熔接，耦合器输出端与双折射调制器输入端以0°熔接，双折射调制器2个输出端分别与偏振分束器ⅠA端和偏振分束器ⅡA端以0°熔接，偏振分束器ⅠC端和偏振分束器ⅡC端以0°熔接，偏振分束器ⅠB端和偏振分束器ⅡB端分别与保偏光纤环两端以0°熔接，同时保偏光纤环中点为90°对轴熔接，耦合器耦合端与偏振分束器B端以0°熔接，偏振分束器A端和C端分别与光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ熔接。本发明实现光路倍增和Sagnac效应加倍光路差分检测方案。通过采用光纤环中点90°熔接，降低光路固有非互易性；采用宽谱ASE光源，减小由于光源相干长度较长带来的相干噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种双光程光纤陀螺仪，特别是一种在光纤环面积和长度不变的条件下，基于快慢轴差分实现光路倍增和萨格纳克(Sagnac)效应加倍的双光程光纤陀螺仪，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，如启动速度快、响应时间短、测量范围大、动态范围宽；全固态结构、可靠性高、寿命长、抗冲击；体积小、重量轻、成本低等，已广泛用于各个领域。
目前，国际上通用的光纤陀螺仪为单干涉形式，即只利用光纤环的一个轴实现一个Sagnac干涉仪，通过相向传播的两束主波列之间的干涉来解算载体转动导致的Sagnac相移。这种方案虽然结构简单，有许多固有优点，但是随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出。以现有的技术水平，在维持精度的前提下，很难进一步减小体积、重量，实现突破。
双光程光纤陀螺是一种新型光纤陀螺，是在单光程干涉式光纤陀螺的基础上提出的。其在传统单干涉式光纤陀螺基础上，即在一套光路中，利用两个偏振分束器，使偏振光沿光纤环的慢轴和快轴依次传输，使其有效光程和Sagnac效应加倍，精度进一步提高，从而在同等精度下体积更小。
双干涉光纤陀螺是一种新型光纤陀螺，也是在单光程干涉式光纤陀螺的基础上提出的。其在传统单干涉式光纤陀螺基础上，即在一套光路中，同时使用其快轴和慢轴分别实现一个Sagnac干涉仪，这两路干涉仪的输出呈现差分形式，经过差分解算以后，Sagnac效应得到加倍。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种在光纤环面积和长度不变的条件下，基于光纤快慢轴差分，实现光路倍增和Sagnac效应加倍的双光程光纤陀螺仪。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双光程光纤陀螺仪，包括光源、耦合器、双折射调制器、偏振分束器、偏振分束器Ⅰ、偏振分束器Ⅱ、保偏光纤环、光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ；
光源与耦合器的输入端以45°熔接，耦合器的输出端与双折射调制器的输入端以0°熔接，双折射调制器的2个输出端分别与偏振分束器Ⅰ的A端和偏振分束器Ⅱ的A端以0°熔接，偏振分束器Ⅰ的C端和偏振分束器Ⅱ的C端以0°熔接，偏振分束器Ⅰ的B端和偏振分束器Ⅱ的B端分别与保偏光纤环的两端以0°熔接，同时保偏光纤环的中点为90°对轴熔接，耦合器的耦合端与偏振分束器的B端以0°熔接，偏振分束器的A端和C端分别与光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ熔接，其中，偏振分束器、偏振分束器Ⅰ和偏振分束器Ⅱ均为A端和C端等价且A端和C端位于同侧。
本发明还包括：
1.光源输出的偏振光波经过45°熔接点后，均匀耦合到保偏光纤的快轴和慢轴，产生两个幅值相等、偏振方向相互垂直的光波，利用双折射式调制器对不同偏振态光波的不同调制，实现第1路陀螺的闭环检测，同时将这一路陀螺的检测结果利用双折射调制器反馈回第2路陀螺，将第1路的检测结果从第2路的输出信号中减去，此时第2路的解算结果即为完成光路差分后的最终输出。
2.光源为具有高偏振度的宽谱ASE光源。
3.双折射调制器为Ti扩散集成光学调制器。
4.耦合器为保偏耦合器。
本发明有益效果：
(1)实现了一种基于快慢轴差分的双光程光纤陀螺仪的光路倍增和Sagnac效应加倍的光路差分检测方案。
(2)通过采用光纤环中点90°熔接，降低光路固有非互易性；
(3)采用宽谱ASE光源，减小由于光源相干长度较长带来的相干噪声。
附图说明
图1是基于快慢轴差分的双光程光纤陀螺仪的结构框图；
图2是光纤对轴熔接示意图和光波示意图；
图3是光纤环中光波传播示意图；
图4是调制器上施加的调制波形；
图5是光电探测器1处的干涉光强与调制相位关系；
图6是光电探测器2处干涉光强与调制相位关系。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明是一种基于快慢轴差分的双光程光纤陀螺仪，本发明实现了双干涉式——双光程光纤陀螺的光路倍增和Sagnac效应加倍的差分方案，降低了光纤陀螺的非互易误差；同时为了避免激光光源强相干特性导致的各种杂散波干涉而带来的强噪声，采用了相干特性很弱的宽谱ASE光源。光路因将两个偏振分束器接入光路而使得在双干涉光纤陀螺在保偏光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现光路加倍。光路因加入45°熔接点并使用双折射调制器和2个光电探测器，使得双光程光纤陀螺可以通过2个光路进行闭环检测，并对信号进行差分处理得到加倍的Sagnac信号。如图1所示，包括光源1、耦合器2、双折射调制器3、偏振分束器7、偏振分束器Ⅰ4、偏振分束器Ⅱ5、保偏光纤环6、光电探测器Ⅰ8和光电探测器Ⅱ9，其中，偏振分束器、偏振分束器Ⅰ和偏振分束器Ⅱ均为A端和C端等价且A端和C端位于偏振分束器同侧，B端位于另一侧。
光源1与耦合器2的输入端以45°熔接于熔点O1，耦合器2的输出端与双折射调制器3的输入端以0°熔接于熔点O2，双折射调制器3的两个输出端分别与偏振分束器Ⅰ4的A端和偏振分束器Ⅱ5的A端以0°熔接于熔点O3和熔点O4，偏振分束器Ⅰ4和偏振分束器Ⅱ5的C端以0°熔接于熔点O5，偏振分束器Ⅰ4和偏振分束器Ⅱ5的B端分别与保偏光纤环6的两端以0°熔接于熔点O6和熔点O7，同时保偏光纤环6的中点O8为90°对轴熔接，耦合器2的耦合端与偏振分束器7的B端以0°熔接于熔点O9，偏振分束器7的A端和C端分别与光电探测器Ⅰ8和光电探测器Ⅱ9熔接。具体光纤对轴熔接如图2所示，图1中，1-光源，2-耦合器，3-双折射调制器，4-偏振分束器Ⅰ，5-偏振分束器Ⅱ，6-保偏光纤环，7-偏振分束器，8-光电探测器Ⅰ，9-光电探测器Ⅱ。
光源为具有高偏振度的宽谱ASE光源，光源输出的偏振光波经过45°熔接点交叉耦合后，均匀耦合到保偏光纤的快轴和慢轴，产生了两个幅值相等、偏振方向相互垂直的光波输出；在光纤环输入端的双折射调制器允许两个轴的光波同时通过，但对两个轴的光波具有不同的调制系数。利用双折射式调制器对不同偏振态光波的不同调制，实现第1路陀螺的闭环检测，同时将这一路陀螺的检测结果利用双折射调制器反馈回第2路陀螺，将第1路的检测结果从第2路的输出信号中减去，此时第2路的解算结果即为完成光路差分后的最终输出。通过光路差分检测，可以消除存在的固有相位差及其环境漂移，同时，通过采用光纤环中点的90°对轴熔接，大大减小了非互易相移，一定程度上降低光路噪声水平。光路因将两个偏振分束器接入光路而使得在双干涉光纤陀螺在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现光路加倍。光路因加入45°熔接点并使用双折射调制器和2个光电探测器，使得双光程光纤陀螺可以通过2个光路进行闭环检测，并对信号进行差分处理得到加倍的Sagnac信号。
光源1输出偏振光。在熔接点O1处由于45°对轴熔接，输入的偏振光产生了幅值相等、偏振方向相互垂直的两个波列X和Y，如图2右侧所示，当波列X和波列Y经过双折射调制器3进入保偏光纤环6时，在保偏光纤环6的两端各自都存在两个偏振方向的光波，这4束光波相向传输。由于本发明中的保偏光纤环6采用了中点O8处90°熔接，所以当光传输经过保偏光纤环6的中点O8时会改变其传输轴，具体的光波传输路径和光波经过双折射调制器3时所处的偏振态如图3所示。在保偏光纤环6的输出端，只有同轴的光可以发生干涉，形成快轴和慢轴两个陀螺，并且相向传输的4束光波在保偏光纤环6中的相位累计以及每个陀螺的干涉输出相位如下表所示(其中λ是光波波长，φs是转动引起的Sagnac相移，L1是偏振分束器1到中点O8的光纤长度，L2是中点O8到偏振分束器2的光纤长度，L3是偏振分束器1到偏振分束器2的光纤长度；Δn＝nY-nX，L1>>L3，L2>>L3)。
表1 陀螺的干涉输出相位
由于使用了两个偏振分束器，即偏振分束器Ⅰ4、偏振分束器Ⅱ5并采用了保偏光纤环6中点O8处90°的对轴熔接，使得固有光程差2πΔnL3/λ较传统的差分式干涉光纤陀螺小很多，因此只需采用谱宽较宽的ASE光源即可使同轴的相向传播的光波发生干涉。
本发明中使用的双折射调制器3为Ti扩散集成光学调制器，其同时允许X、Y两个轴的光波通过，但是对两个轴有不同的调制系数。4束光波相向传输，在耦合器2的输出端口处发生同轴干涉，产生X轴、Y轴两个干涉光路信号，经过偏振分束器7分束后分别进入两个光电探测器，即光电探测器Ⅰ8和光电探测器Ⅱ9，其输出的干涉光强I1，I2分别如下式所示：
I1＝I0cos(Φ0+Φm1+Φm2+Φs) I2＝I0cos(Φ0+Φ′m1+Φ′m2-Φs)
其中I0为到达光电探测器Ⅰ8和光电探测器Ⅱ9的直流光强，Φ0为固有相位差，Φm1和Φ′m1为方波调制引入的调制相位，Φm2和Φ′m2为直流调制引入的调制相位，Φs为转动引起的Sagnac相位信号。
为了方便解算Sagnac相移Φs，利用X轴陀螺的输出信号即光电探测器Ⅰ8的输出信号实现闭环，利用Y轴陀螺的输出信号即光电探测器Ⅱ9的输出信号实现相移解调。借鉴传统单干涉式光纤陀螺的闭环原理，通过在双折射调制器3上施加以叠加了一定直流偏置的周期性的方波，对两个相互垂直轴向的陀螺进行调制，如图4所示，其中调制相位Φm1＝±π/2实现如传统陀螺中的±π/2偏置调制；调制相位Φm2＝-Φ0-Φs，即光电探测器Ⅰ8上的干涉信号，用于实现第1路陀螺的闭环。同时将其从第2路陀螺输出，即光电探测器Ⅱ9上信号中减去，实现光路的差分。此时第1路陀螺的干涉波形如图5所示，对于第2路陀螺，其工作点在-2Φs±π/2，其干涉波形如图6所示。通过对其解调即可解算出2Φs，从而在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现了Sagnac效应倍增。
Claims (5)
1.一种双光程光纤陀螺仪，其特征在于：包括光源、耦合器、双折射调制器、偏振分束器、偏振分束器Ⅰ、偏振分束器Ⅱ、保偏光纤环、光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ；
光源与耦合器的输入端以45°熔接，耦合器的输出端与双折射调制器的输入端以0°熔接，双折射调制器的2个输出端分别与偏振分束器Ⅰ的A端和偏振分束器Ⅱ的A端以0°熔接，偏振分束器Ⅰ的C端和偏振分束器Ⅱ的C端以0°熔接，偏振分束器Ⅰ的B端和偏振分束器Ⅱ的B端分别与保偏光纤环的两端以0°熔接，同时保偏光纤环的中点为90°对轴熔接，耦合器的耦合端与偏振分束器的B端以0°熔接，偏振分束器的A端和C端分别与光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ熔接，其中，偏振分束器、偏振分束器Ⅰ和偏振分束器Ⅱ均为A端和C端等价且A端和C端位于同侧。
2.根据权利要求1所述的一种双光程光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源输出的偏振光波经过45°熔接点后，均匀耦合到保偏光纤的快轴和慢轴，产生两个幅值相等、偏振方向相互垂直的光波，利用双折射式调制器对不同偏振态光波的不同调制，实现第1路陀螺的闭环检测，同时将这一路陀螺的检测结果利用双折射调制器反馈回第2路陀螺，将第1路的检测结果从第2路的输出信号中减去，此时第2路的解算结果即为完成光路差分后的最终输出。
3.根据权利要求1所述的一种双光程光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源为具有高偏振度的宽谱ASE光源。
4.根据权利要求1所述的一种双光程光纤陀螺仪，其特征在于：双折射调制器为Ti扩散集成光学调制器。
5.根据权利要求1所述的一种双光程光纤陀螺仪，其特征在于：耦合器为保偏耦合器。
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