CN100567897C - 基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺，它涉及的是光纤陀螺的技术领域。它是为了克服现有谐振式光纤陀螺存在灵敏度低(0.1度/小时)，而不能满足近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准，特别是不能满足在空间定位和潜艇导航等方面对灵敏度要求很高场所的问题。它的变频激光器(1)的激光输出端通过群速度控制系统(2)、光纤分束器(3)、第一铌酸锂相位调制器(4)、第二铌酸锂相位调制器(5)、第一光纤耦合器(6)、第二光纤耦合器(7)、第三光纤耦合器(10)与色散光纤环形谐振腔(11)相连接。本发明具有很高的灵敏度，其灵敏度达ng倍，ng为群速折射率，并具有造价成本低廉、结构简单、体积小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是光纤陀螺的技术领域。
背景技术
1976年，美国Utah大学的Vali和R.W.Shorthill成功地研制了第一个光纤陀螺，光纤陀螺一问世就以其明显的优点，灵活的结构以及诱人的前景，引起了世界上许多国家大学和科研机构的普遍重视，几十年来获得了很大的进展。目前的谐振式光纤陀螺中的光纤环形谐振腔都是由低损耗的普通光纤材料(高纯度二氧化硅)制成的，光纤环形腔的光纤匝数为12匝左右，半径为10-20cm，通过探测输出端频率差的大小确定旋转速度，陀螺的灵敏度受到限制，目前试验室灵敏度为0.1度/小时，很难通过提高器件性能大幅提高灵敏度。而不能满足近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准，特别是在空间定位和潜艇导航等方面对精度要求很高的场合。
发明内容
本发明是为了克服现有谐振式光纤陀螺存在灵敏度低(0.1度/小时)，而不能满足近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准，特别是不能满足在空间定位和潜艇导航等方面对灵敏度要求很高场所的问题，进而提出了一种基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺。
本发明由变频激光器1、群速度控制系统2、光纤分束器3、第一铌酸锂相位调制器4、第二铌酸锂相位调制器5、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器7、第一探测器8、第二探测器9、第三光纤耦合器10、色散光纤环形谐振腔11、第一信号处理及反馈系统12、第二信号处理及反馈系统13、调制信号发生电路14组成；
色散光纤环形谐振腔11为色散光纤绕制的空心线圈；变频激光器1的激光输出端通过光纤连接群速度控制系统2的光输入端，群速度控制系统2的光输出端通过光纤连接光纤分束器3的输入端，光纤分束器3的一个光输出端通过光纤连接第一铌酸锂相位调制器4的第一光输入输出端，第一铌酸锂相位调制器4的第二光输入输出端通过光纤连接第一光纤耦合器6的第一光输入输出端，第一光纤耦合器6的第二光输入输出端通过光纤连接第三光纤耦合器10的第一光输入输出端，第三光纤耦合器10的第二光输入输出端通过光纤连接第二光纤耦合器7的第一光输入输出端，第二光纤耦合器7的第二光输入输出端通过光纤连接第二铌酸锂相位调制器5的第一光输入输出端，第二铌酸锂相位调制器5的第二光输入输出端通过光纤连接光纤分束器3的另一个光输出端，第二铌酸锂相位调制器5的调制信号输入端连接调制信号发生电路14的信号输出端，第一探测器8的光输入端通过光纤连接第一光纤耦合器6的第三光输入输出端，第一探测器8的信号输出端连接第一信号处理及反馈系统12的信号输入端，第一信号处理及反馈系统12的调制信号输出端连接变频激光器1的调制信号输入端，第二探测器9的光输入端通过光纤连接第二光纤耦合器7的第三光输入输出端，第二探测器9的信号输出端连接第二信号处理及反馈系统13的信号输入端，第二信号处理及反馈系统13的调制信号输出端连接第一铌酸锂相位调制器4的调制信号输入端，色散光纤环形谐振腔11首尾端分别连接第三光纤耦合器10的第三光输入输出端、第四光输入输出端；
所述群速度控制系统2由起偏器2-1、强度调制器2-2、驱动电源2-3组成；
变频激光器1的激光输出端通过光纤连接起偏器2-1的光输入端，起偏器2-1的光输出端通过光纤连接强度调制器2-2的光输入端，强度调制器2-2的光输出端通过光纤连接光纤分束器3的输入端，强度调制器2-2的驱动电源输入端连接驱动电源2-3的输出端。
本发明具有很高的灵敏度，其灵敏度达ng倍，ng为群速折射率，并具有造价成本低廉、结构简单、体积小的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1中群速度控制系统2的电路结构示意图，图3是图1中第一信号处理及反馈系统12的电路结构示意图，图4是图1中第二信号处理及反馈系统13的电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4说明本实施方式，本实施方式由变频激光器1、群速度控制系统2、光纤分束器3、第一铌酸锂相位调制器4、第二铌酸锂相位调制器5、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器7、第一探测器8、第二探测器9、第三光纤耦合器10、色散光纤环形谐振腔11、第一信号处理及反馈系统12、第二信号处理及反馈系统13、调制信号发生电路14组成；
色散光纤环形谐振腔11为色散光纤绕制的空心线圈；变频激光器1的激光输出端通过光纤连接群速度控制系统2的光输入端，群速度控制系统2的光输出端通过光纤连接光纤分束器3的输入端，光纤分束器3的一个光输出端通过光纤连接第一铌酸锂相位调制器4的第一光输入输出端，第一铌酸锂相位调制器4的第二光输入输出端通过光纤连接第一光纤耦合器6的第一光输入输出端，第一光纤耦合器6的第二光输入输出端通过光纤连接第三光纤耦合器10的第一光输入输出端，第三光纤耦合器10的第二光输入输出端通过光纤连接第二光纤耦合器7的第一光输入输出端，第二光纤耦合器7的第二光输入输出端通过光纤连接第二铌酸锂相位调制器5的第一光输入输出端，第二铌酸锂相位调制器5的第二光输入输出端通过光纤连接光纤分束器3的另一个光输出端，第二铌酸锂相位调制器5的调制信号输入端连接调制信号发生电路14的信号输出端，第一探测器8的光输入端通过光纤连接第一光纤耦合器6的第三光输入输出端，第一探测器8的信号输出端连接第一信号处理及反馈系统12的信号输入端，第一信号处理及反馈系统12的调制信号输出端连接变频激光器1的调制信号输入端，第二探测器9的光输入端通过光纤连接第二光纤耦合器7的第三光输入输出端，第二探测器9的信号输出端连接第二信号处理及反馈系统13的信号输入端，第二信号处理及反馈系统13的调制信号输出端连接第一铌酸锂相位调制器4的调制信号输入端，色散光纤环形谐振腔11首尾端分别连接第三光纤耦合器10的第三光输入输出端、第四光输入输出端；所述色散光纤环形谐振腔11的匝数为5匝，直径为10cm；
变频激光器1选用的型号为1550nm、KOHERASC15/E15/Y10，光纤分束器3选用的型号为1×2-1550-50/50，第一铌酸锂相位调制器4、第二铌酸锂相位调制器5选用的型号都为PM-1550，第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器7选用的型号都为1×2-1550-95/5，第一探测器8、第二探测器9选用的型号都为JW3205，第三光纤耦合器10选用的型号为2×2-1550-90/10，调制信号发生电路14的参数为阶梯波信号，实现双频调制，重复频率为2.5KHz，调频量为50KHz与100KHz，FPGA实现，如ALTERA公司的EP2C20，封装是PGE-144。
所述群速度控制系统2由起偏器2-1、强度调制器2-2、驱动电源2-3组成；
变频激光器1的激光输出端通过光纤连接起偏器2-1的光输入端，起偏器2-1的光输出端通过光纤连接强度调制器2-2的光输入端，强度调制器2-2的光输出端通过光纤连接光纤分束器3的输入端，强度调制器2-2的驱动电源输入端连接驱动电源2-3的输出端。
起偏器2-1选用的型号为Fiberlogix-1550，强度调制器选用的型号为MOD21212，驱动电源2-3选用输出为正弦波调制电压，其频率为200Hz。
所述第一信号处理及反馈系统12由第一放大器12-1、第一带通滤波器12-2、第一A/D转换器12-3、第一相关器12-4、第一方波参考信号发生电路12-5、第一平均器12-6、第一I-f转换电路12-7、第一D/A转换器12-8、第一控制电路12-9组成；
第一探测器8的信号输出端连接第一放大器12-1的信号输入端，第一放大器12-1的信号输出端连接第一带通滤波器12-2的信号输入端，第一带通滤波器12-2的信号输出端连接第一A/D转换器12-3的模拟信号输入端，第一A/D转换器12-3的数字信号输出端连接第一相关器12-4的信号输入端，第一方波参考信号发生电路12-5的信号输出端连接第一相关器12-4的方波信号输入端，第一相关器12-4的信号输出端连接第一平均器12-6的信号输入端，第一平均器12-6的信号输出端连接第一I-f转换电路12-7的信号输入端，第一I-f转换电路12-7的信号输出端连接第一D/A转换器12-8的数字信号输入端，第一D/A转换器12-8的模拟信号输出端连接第一控制电路12-9的信号输入端，第一控制电路12-9的调制信号输出端连接变频激光器1的调制信号输入端。
所述第二信号处理及反馈系统13由放大器13-1、带通滤波器13-2、A/D转换器13-3、相关器13-4、方波参考信号发生电路13-5、平均器13-6、I-f转换电路13-7、D/A转换器13-8、控制电路13-9组成；
第二探测器9的信号输出端连接放大器13-1的信号输入端，放大器13-1的信号输出端连接带通滤波器13-2的信号输入端，带通滤波器13-2的信号输出端连接A/D转换器13-3的模拟信号输入端，A/D转换器13-3的数字信号输出连接相关器13-4的信号输入端，方波参考信号发生电路13-5的信号输出端连接相关器13-4的方波信号输入端，相关器13-4的信号输出端连接平均器13-6的信号输入端，平均器13-6的信号输出端连接I-f转换电路13-7的信号输入端，I-f转换电路13-7的信号输出端连接D/A转换器13-8的数字信号输入端，D/A转换器13-8的模拟信号输出端连接控制电路13-9的信号输入端，控制电路13-9的调制信号输出端连接第一铌酸锂相位调制器4的调制信号输入端。
所述第一放大器12-1、放大器13-1选用的型号都为运算放大器AD8041，放大倍数1000，交流耦合；第一带通滤波器12-2、带通滤波器13-2的参数为2.5KHz-25KHz，第一A/D转换器12-3、A/D转换器13-3选用的型号都为AD9223，第一D/A转换器12-8、D/A转换器13-8选用的型号为AD9223；第一信号处理及反馈系统12中的第一相关器12-4、第一方波参考信号发生电路12-5、第一平均器12-6、第一I-f转换电路12-7、第一控制电路12-9及第二信号处理及反馈系统13中的相关器13-4、方波参考信号发生电路13-5、平均器13-6、I-f转换电路13-7、控制电路13-9可由FPGA芯片实现，如ALTERA公司的EP2C20，封装是PGE-144。
工作原理：变频激光器1作为谐振式光纤陀螺光源，变频激光器1发出激光进入群速度控制系统2中的起偏器2-1产生偏振态，起偏器2-1输出的光进入光纤强度调制器2-2进行幅度调制后，再进入分束器3中，将激光分为两束，分别在色散光纤环形谐振腔11中实现慢光顺时针传输和慢光逆时针传输，分别称为顺时针慢光光束和逆时针慢光光束，顺时针光束经第二铌酸锂相位调制器5调频，第二铌酸锂相位调制器5调制信号由调制信号发生电路14产生，调制信号发生电路14采用对应频率为50KHz和100KHz的两种阶梯波，重复频率2.5KHz，可实现双频方波调制，使光频率变为f0+50KHz和f0+100KHz的方波；第二铌酸锂相位调制器5输出的光经第二光纤耦合器7，通过第三光纤耦合器10进入色散光纤环形谐振腔11中，顺时针慢光光束传输后再经第三光纤耦合器10输出，经第一耦合器6进入第一探测器8，由第一信号处理及反馈系统12进行信号处理并反馈到变频激光器1调制信号输入端中，当顺时针光束的谐振频率被锁定时，第一信号处理及反馈系统12输出一直流信号，而当顺时针光束的谐振频率未被锁定时，第一信号处理及反馈系统12输出一方波信号，这样可由反馈到变频激光器1中的反馈信号调节激光器输出频率，使第一信号处理及反馈系统12输出一直流信号，实现顺时针光束的谐振频率的锁定；逆时针光束经第一铌酸锂相位调制器4调频，第一铌酸锂相位调制器4上所加调制信号由第二信号处理及反馈系统13产生，所加调制信号同样采用阶梯波，但对应f2和50KHz+f2两种频率，重复频率2.5KHz，使光频率变为f2和50KHz+f2的方波，第一铌酸锂相位调制器4输出的光经第一光纤耦合器6，通过第三光纤耦合器10进入色散光纤环形谐振腔11中，逆时针传输后再经第三光纤耦合器10输出，经第二光纤耦合器7进入第二探测器9，由第二信号处理及反馈系统13进行信号处理并反馈到第一铌酸锂相位调制器4，当逆时针光束的谐振频率被锁定时，第二信号处理及反馈系统13输出一直流信号，而当逆时针光束的谐振频率未被锁定时，第二信号处理及反馈系统13输出一方波信号，这样可由反馈到第一铌酸锂相位调制器4的反馈信号调节f2，使第二信号处理及反馈系统13输出一直流信号，实现顺时针光束的谐振频率的锁定；这样即可得到顺逆时针传输的两光束的谐振频差，即f2，这个频差f2与群速度折射率成正比，而在慢光传输时群速度折射率很大，这样在相同旋转角速度情况下，本发明产生的频差远远大于普通的谐振式光纤陀螺，即灵敏度达ng倍，ng为群速折射率，而大幅提升了灵敏度。
第一信号处理及反馈系统12的工作原理：第一探测器8的探测信号经第一放大器12-1将信号放大，第一放大器12-1的放大倍数为1000，第一放大器12-1的输出信号进入第一带通滤波器12-2滤除噪声信号，第一带通滤波器12-2的带宽为2.5KHz-25KHz，然后将第一带通滤波器12-2输出信号进行A/D转换，第一A/D转换器12-3的输出信号进入第一相关器12-4与第一相关器12-4输出的频率为2.5KHz的方波参考信号相关后，进入第一平均器12-6中将信号平均，然后第一平均器12-6输出信号进入第一I-f转换电路12-7中得到相应的频差，经第一D/A转换器12-8后进入第一控制电路12-9，第一控制电路12-9输出直流电压控制变频激光器1输出变频激光。
第二信号处理及反馈系统13的工作原理：第二探测器9的探测信号经放大器13-1将信号放大，放大器13-1的放大倍数为1000，放大器13-1的输出信号进入带通滤波器13-2滤除噪声信号，带通滤波器13-2的带宽为2.5KHz-25KHz，然后将带通滤波器13-2输出信号进行A/D转换，A/D转换器13-3的输出信号进入相关器13-4与相关器13-4输出的频率为2.5KHz的方波参考信号相关后，进入平均器13-6中将信号平均，然后平均器13-6输出信号进入I-f转换电路12-7中得到相应的频差，经D/A转换器13-8后进入控制电路13-9，控制电路13-9输出阶梯波信号控制第一铌酸锂相位调制器4对激光进行频率调制。
Claims (4)
1、基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺，它由变频激光器(1)、群速度控制系统(2)、光纤分束器(3)、第一铌酸锂相位调制器(4)、第二铌酸锂相位调制器(5)、第一光纤耦合器(6)、第二光纤耦合器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、第三光纤耦合器(10)、色散光纤环形谐振腔(11)、第一信号处理及反馈系统(12)、第二信号处理及反馈系统(13)、调制信号发生电路(14)组成；
其特征在于色散光纤环形谐振腔(11)为色散光纤绕制的空心线圈；变频激光器(1)的激光输出端通过光纤连接群速度控制系统(2)的光输入端，群速度控制系统(2)的光输出端通过光纤连接光纤分束器(3)的输入端，光纤分束器(3)的一个光输出端通过光纤连接第一铌酸锂相位调制器(4)的第一光输入输出端，第一铌酸锂相位调制器(4)的第二光输入输出端通过光纤连接第一光纤耦合器(6)的第一光输入输出端，第一光纤耦合器(6)的第二光输入输出端通过光纤连接第三光纤耦合器(10)的第一光输入输出端，第三光纤耦合器(10)的第二光输入输出端通过光纤连接第二光纤耦合器(7)的第一光输入输出端，第二光纤耦合器(7)的第二光输入输出端通过光纤连接第二铌酸锂相位调制器(5)的第一光输入输出端，第二铌酸锂相位调制器(5)的第二光输入输出端通过光纤连接光纤分束器(3)的另一个光输出端，第二铌酸锂相位调制器(5)的调制信号输入端连接调制信号发生电路(14)的信号输出端，第一探测器(8)的光输入端通过光纤连接第一光纤耦合器(6)的第三光输入输出端，第一探测器(8)的信号输出端连接第一信号处理及反馈系统(12)的信号输入端，第一信号处理及反馈系统(12)的调制信号输出端连接变频激光器(1)的调制信号输入端，第二探测器(9)的光输入端通过光纤连接第二光纤耦合器(7)的第三光输入输出端，第二探测器(9)的信号输出端连接第二信号处理及反馈系统(13)的信号输入端，第二信号处理及反馈系统(13)的调制信号输出端连接第一铌酸锂相位调制器(4)的调制信号输入端，色散光纤环形谐振腔(11)首尾端分别连接第三光纤耦合器(10)的第三光输入输出端、第四光输入输出端，所述群速度控制系统(2)由起偏器(2-1)、强度调制器(2-2)、驱动电源(2-3)组成；
变频激光器(1)的激光输出端通过光纤连接起偏器(2-1)的光输入端，起偏器(2-1)的光输出端通过光纤连接强度调制器(2-2)的光输入端，强度调制器(2-2)的光输出端通过光纤连接光纤分束器(3)的输入端，强度调制器(2-2)的驱动电源输入端连接驱动电源(2-3)的输出端。
2、根据权利要求1所述的基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺，其特征在于所述色散光纤环形谐振腔(11)的匝数为5匝，直径为10cm。
3、根据权利要求1所述的基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺，其特征在于所述第一信号处理及反馈系统(12)由第一放大器(12-1)、第一带通滤波器(12-2)、第一A/D转换器(12-3)、第一相关器(12-4)、第一方波参考信号发生电路(12-5)、第一平均器(12-6)、第一I-f转换电路(12-7)、第一D/A转换器(12-8)、第一控制电路(12-9)组成；
第一探测器(8)的信号输出端连接第一放大器(12-1)的信号输入端，第一放大器(12-1)的信号输出端连接第一带通滤波器(12-2)的信号输入端，第一带通滤波器(12-2)的信号输出端连接第一A/D转换器(12-3)的模拟信号输入端，第一A/D转换器(12-3)的数字信号输出端连接第一相关器(12-4)的信号输入端，第一方波参考信号发生电路(12-5)的信号输出端连接第一相关器(12-4)的方波信号输入端，第一相关器(12-4)的信号输出端连接第一平均器(12-6)的信号输入端，第一平均器(12-6)的信号输出端连接第一I-f转换电路(12-7)的信号输入端，第一I-f转换电路(12-7)的信号输出端连接第一D/A转换器(12-8)的数字信号输入端，第一D/A转换器(12-8)的模拟信号输出端连接第一控制电路(12-9)的信号输入端，第一控制电路(12-9)的调制信号输出端连接变频激光器(1)的调制信号输入端。
4、根据权利要求1所述的基于慢光群速度的高灵敏度的谐振式光纤陀螺，其特征在于所述第二信号处理及反馈系统(13)由放大器(13-1)、带通滤波器(13-2)、A/D转换器(13-3)、相关器(13-4)、方波参考信号发生电路(13-5)、平均器(13-6)、I-f转换电路(13-7)、D/A转换器(13-8)、控制电路(13-9)组成；
第二探测器(9)的信号输出端连接放大器(13-1)的信号输入端，放大器(13-1)的信号输出端连接带通滤波器(13-2)的信号输入端，带通滤波器(13-2)的信号输出端连接A/D转换器(13-3)的模拟信号输入端，A/D转换器(13-3)的数字信号输出连接相关器(13-4)的信号输入端，方波参考信号发生电路(13-5)的信号输出端连接相关器(13-4)的方波信号输入端，相关器(13-4)的信号输出端连接平均器(13-6)的信号输入端，平均器(13-6)的信号输出端连接I-f转换电路(13-7)的信号输入端，I-f转换电路(13-7)的信号输出端连接D/A转换器(13-8)的数字信号输入端，D/A转换器(13-8)的模拟信号输出端连接控制电路(13-9)的信号输入端，控制电路(13-9)的调制信号输出端连接第一铌酸锂相位调制器(4)的调制信号输入端。
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| 调相谱检测技术下谐振式光纤陀螺实验研究. 张旭琳等.传感技术学报，第19卷第3期. 2006 |
| 调相谱检测技术下谐振式光纤陀螺实验研究. 张旭琳等.传感技术学报，第19卷第3期. 2006 * |
| 谐振式光纤陀螺调相检测分析. 张旭琳等.中国激光，第32卷第11期. 2005 |
| 谐振式光纤陀螺调相检测分析. 张旭琳等.中国激光，第32卷第11期. 2005 * |
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