CN100570280C - 四频差动布里渊光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种四频差动布里渊光纤陀螺。它是由窄线宽光纤激光器(1)、第一隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一泵浦光(4)、第二泵浦光(5)、可调光衰减器(6)、声光移频器(7)、第二隔离器(8)、第二耦合器(9)、第三耦合器(10)、四频差动探测装置(11)、光纤环形腔(12)、第一探测器(13)和闭环反馈电路(14)组成的。本发明的四频差动布里渊光纤陀螺，利用泵浦光的偏频技术解决频率锁定和旋转方向的判断问题，并且利用四频差动检测技术消除了由偏频不稳定给系统带来的误差，从而获得高精度的布里渊光纤陀螺。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种光纤中的陀螺装置，具体是涉及基于受激布里渊散射原理和四频差动检测方法的光纤陀螺仪。
(二)背景技术
光纤陀螺发展经历了第一代干涉型光纤陀螺，第二代谐振腔型光纤陀螺和第三代布里渊光纤陀螺。目前，各种精度的干涉型光纤陀螺已经有商品化的产品，谐振腔型光纤陀螺由于技术上存在一些困难因而仍处在研究阶段。新一代布里渊光纤陀螺因其具有的优点已引起人们的广泛关注。布里渊光纤陀螺具有光纤陀螺所共有的一些优点：启动时间短，体积小，重量轻，功耗低，抗电磁干扰，动态范围大，带宽大，结构简单，可靠性高，免维护等。除此之外布里渊光纤陀螺特有的优点是：布里渊光纤陀螺不需要复杂的信号检测和信号处理系统，输出的拍频信号可以直接处理，因此所需光学和电子部件较少；由于布里渊激光具有极窄的线宽，因此理论上具有非常高的精度；所使用的光纤较短，一般为10～20m，可以降低成本、简化系统。因此，布里渊光纤陀螺是光纤陀螺高精度，低成本，小型化的新方向。目前已近公开报道的光纤陀螺的设计方案较多，例如中立申请号为00104219.X，名称为“环形光纤激光陀螺”等，但关于布里渊光纤陀螺的设计方案的报道并不多。
布里渊光纤陀螺是一种主动式激光陀螺，因此它不可避免地要产生频率锁定现象：即在旋转角速度较小时，输出拍频为零。这是由于环形腔中的背向散射导致频率牵引而产生的。并且输出的拍频信号只与旋转速率有关，因此也无法判断旋转方向。斯坦福大学H.J.Shaw领导的研究小组提出使用推拉相位调制来解决频率锁定和判断旋转方向的方法(S.Huang et al.Synthetic heterodyne detection in a fiber-opticring-laser gyro.Opt.Lett.1993，18：81～83)。但是由于在光纤环形腔中引入两个相位调制器，其波动势必会引起输出布里渊光的频率稳定性，从而为系统引入误差，再者，对光纤环形腔进行深度相位调制以及信号处理都比较困难，因此难以达到实用化要求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决频率锁定和旋转方向的判断等问题，消除偏频不稳定，高精度的四频差动布里渊光纤陀螺。
本发明的目的是这样实现的：包括窄线宽光纤激光器1、第一隔离器2、第一耦合器3、第一泵浦光4、第二泵浦光5、可调光衰减器6、声光移频器7、第二隔离器8、第二耦合器9、第三耦合器10、四频差动探测装置11、光纤环形腔12、第一探测器13和闭环反馈电路14；第一耦合器3、第二耦合器9、第三耦合器10的耦合比为50∶50，窄线宽光纤激光器1输出经第一隔离器2后连接第一耦合器3，第一耦合器3的输出分成两路，即第一泵浦光4和第二泵浦光5，其中第一泵浦光4输入声光移频器7，第二泵浦光5输入可调光衰减器6，出声光移频器7的第一泵浦光4和出可调光衰减器6的第二泵浦光5分别通过第二耦合器9和第三耦合器10连接光纤环形腔12，第一泵浦光4和第二泵浦光5与光纤环形腔12的谐振频率匹配并且功率超过阈值，第二耦合器9和第三耦合器10的两端连接有四频差动探测装置11，四频差动探测系统11分别探测第一泵浦光4和第二泵浦光5产生的拍频以及第一布里渊激光和第二布里渊激光产生的拍频，第一隔离器2后连接有第一探测器13和闭环反馈电路14，闭环反馈电路14连接光纤环形腔12。
本发明还可以包括：
1、所述的光纤环形腔12由第四耦合器12-1、光纤环12-2、第一布里渊激光12-3、第二布里渊激光12-4和相位调制器12-5连接组成，闭环反馈电路14连接光纤环形腔12的相位调制器12-5。
2、所述的四频差动探测装置11由第五耦合器11-1、第六耦合器11-2、第二探测器11-3、第三探测器11-4和差分电路11-5组成，第五耦合器11-1连接第二探测器11-3，第六耦合器11-2连接第三探测器11-4，第二探测器11-3和第三探测器11-4连接差分电路11-5。
3、所述的闭环反馈电路14由前置放大电路14-1、滤波电路14-2、A/D转换器14-3、主控单片机14-4、D/A转换器14-5和相位调制器驱动电路14-6组成，第一探测器13连接前置放大电路14-1，前置放大电路14-1连接滤波电路14-2，滤波电路14-2经A/D转换器14-3连接主控单片机14-4，主控单片机14-4的输出由D/A转换器14-5连接相位调制器驱动电路14-6，相位调制器驱动电路14-6的输出连接光纤环形腔12中的相位调制器12-5。
布里渊光纤陀螺的原理是在光纤环形腔中，以受激布里渊散射(SBS)作为增益构成两个布里渊光纤环形激光器，然后再使两束布里渊激光干涉形成拍频构成陀螺。SBS可以看成是泵浦光和介质中的受激声波场相互作用产生后向散射光的非线性效应。后向散射光称之为Stokes光，其频率相对于泵浦光下移2v/λ，其中v是介质中的声速，λ是泵浦光在介质中的波长。泵浦光和反向的Stokes光干涉产生运动的驻波，通过电致伸缩作用产生受激声波场。使用光纤环形谐振腔，可以实现低阈值布里渊激光。由于SBS具有增益方向敏感性，这使得在同一环形腔中可以独立运行两束反向的布里渊激光，其增益来自反向泵浦的泵浦光产生的布里渊增益。
本发明的窄线宽光纤激光器1输出的激光经第一隔离器2后由第一耦合器3分成两路。其中一路的第一泵浦光4经声光移频器7后频率下移若干个纵模间隔，约为几十MHz，以获得较大偏频。第一泵浦光4和第二泵浦光5分别通过第二耦合器9和第三耦合器10进入光纤环形腔12，当第一泵浦光4和第二泵浦光5与光纤环形腔12的谐振频率匹配并且功率超过阈值时，就会分别产生第一布里渊激光和第二布里渊激光，最后由四频差动探测系统11分别探测第一泵浦光4和第二泵浦光5产生的拍频以及第一布里渊激光和第二布里渊激光产生的拍频，两者相减就可以得到由于旋转产生的拍频信号，此方法可以消除由于声光移频器7引起的第一泵浦光4和第二泵浦光5的偏频不稳定，由于引入固有频差可以消除频率锁定产生的死区，并且通过比较陀螺输出信号的拍频与固有频差的大小来判断旋转方向。
本发明的四频差动布里渊光纤陀螺，利用泵浦光的偏频技术解决频率锁定和判断旋转方向的问题，并且利用四频差动检测技术消除了偏频不稳定从而获得高精度的布里渊光纤陀螺。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是闭环反馈电路的构成框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本实施方式的四频差动布里渊光纤陀螺由窄线宽光纤激光器1、第一隔离器2、第一耦合器3、第一泵浦光4、第二泵浦光5、可调光衰减器6、声光移频器7、第二隔离器8、第二耦合器9、第三耦合器10、四频差动探测装置11、光纤环形腔12、第一探测器13和闭环反馈电路14组成，窄线宽光纤激光器1输出的激光与第一隔离器2的输入端连接，第一隔离器2的输出端与第一耦合器3的第一端口连接，所述第一耦合器3的耦合比为50∶50，由第一耦合器3均分窄线宽光纤激光器1输出的激光形成第一泵浦光4和第二泵浦光5，通过第一耦合器3的第四个端口把第一泵浦光4连接到声光移频器7的输入端，所述声光移频器7的作用是把第一泵浦光4进行偏频，声光移频器7的输出端与第二隔离器8的输入端连接，第二隔离器8的输出端与第二耦合器9的第一端口连接，所述第二耦合器9的耦合比为50∶50，它把第一泵浦光4均分成两部分，其中一部分通过第二耦合器9的第四端口连接到四频差动探测系统11的输入端11-2-1，另一部分通过第二耦合器9的第三端口连接到光纤环形腔12的输入端12-1-1，在光纤环形腔12中产生的第一布里渊激光12-3返回到第二耦合器9的第三端口，从第二耦合器9的第二端口输出，然后连接到四频差动探测系统11的输入端11-1-1，通过第一耦合器3的第三个端口把第二泵浦光5连接到可调光衰减器6的输入端，所述可调光衰减器6的作用是调节到达光纤环形腔12时第二泵浦光5的功率与到达光纤环形腔12的第一泵浦光4的功率相等，可调光衰减器6的输出端与第三耦合器10的第一端口连接，所述第三耦合器10的耦合比为50∶50，它把第二泵浦光5均分成两部分，其中一部分通过第三耦合器10的第四端口连接到四频差动探测系统11的输入端11-2-2，另一部分通过第三耦合器10的第三端口连接到光纤环形腔12的输入端12-1-3，在光纤环形腔12中产生的第二布里渊激光12-4返回到第三耦合器10的第三端口，从第三耦合器10的第二端口输出，然后连接到四频差动探测系统11的输入端11-1-2，所述第一泵浦光4在进入光纤环形腔12后会有一部分光通过12-1-3端口进入第三耦合器10的第三端口，然后通过可调光衰减器6和第一耦合器3进入第一探测器13，第一探测器13的输出端与闭环反馈电路14的输入端连接，闭环反馈电路14的输出端与光纤环形腔12中的相位调制器12-5连接，所述闭环反馈电路14的作用是使光纤环形腔12能稳定工作达到谐振状态。所述窄线宽光纤激光器1的输出波长为1550nm，采用的型号为Koheras Adjustik C15(KOHERAS公司，丹麦)。
光纤环形腔12由第四耦合器12-1、光纤环12-2、第一布里渊激光12-3、第二布里渊激光12-4和相位调制器12-5组成。第一泵浦光4由第四耦合器12-1的第一端口进入光纤环形腔12，当第一泵浦光4的频率与光纤环形腔12谐振频率匹配，并且第一泵浦光4达到布里渊光纤环形激光器阈值时，就会在背向产生第一布里渊激光12-3并从第四耦合器12-1的第一端口输出，第二泵浦光5由第四耦合器12-1的第三端口进入光纤环形腔12，当第二泵浦光5的频率与光纤环形腔12谐振频率匹配，并且第二泵浦光5达到布里渊光纤环形激光器阈值时，就会在背向产生第二布里渊激光12-4并从第四耦合器12-1的第三端口输出，相位调制器12-5由闭环反馈电路14控制使环形腔的谐振频率始终与泵浦光匹配。所述第四耦合器12-1的耦合比为98∶2～95∶5，相位调制器12-5的型号为FPS-001(General Photonics公司，美国)。
四频差动探测装置11由第五耦合器11-1、第六耦合器11-2、第二探测器11-3、第三探测器11-4和差分电路11-5组成。第一泵浦光4和第二泵浦光5分别从第六耦合器11-2的第一端口和第二端口进入第六耦合器11-2，然后由第六耦合器11-2的第三端口输出并由第三探测器11-4探测第一泵浦光4和第二泵浦光5之间的固有频差导致的拍频，在光纤环形腔12中产生的第一布里渊激光12-3和第二布里渊激光12-4分别从第五耦合器11-1第一端口和第二端口进入第五耦合器11-1，然后由第五耦合器11-1的第三端口输出并由第二探测器11-3探测第一布里渊激光12-3和第二布里渊激光12-4产生的拍频，第二探测器11-3和第三探测器11-4的输出信号由差分电路11-5处理，就可以减去第一泵浦光4和第二泵浦光5之间的固有频差得到由于旋转产生的拍频，此方法可以消除第一泵浦光4和第二泵浦光5的偏频不稳定。所述第五耦合器11-1和第六耦合器11-2的耦合比均为50∶50。
结合图2，闭环反馈电路14由前置放大电路14-1、滤波电路14-2、A/D转换器14-3、主控单片机14-4、D/A转换器14-5和相位调制器驱动电路14-6组成。前置放大电路14-1对第一探测器13探测的信号进行放大，由滤波电路14-2滤除高频噪声，然后经A/D转换器14-3转换成数字信号送到主控单片机14-4进行判断此时环形腔失谐的位置，主控单片机14-4判断后给出下一步的驱动信号，此驱动信号再由D/A转换器14-5转换成模拟信号，最后经由相位调制器驱动电路14-6放大加载到光纤环形腔12中的相位调制器12-5上。
Claims (4)
1、一种四频差动布里渊光纤陀螺，包括窄线宽光纤激光器(1)、第一隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一泵浦光(4)、第二泵浦光(5)、可调光衰减器(6)、声光移频器(7)、第二隔离器(8)、第二耦合器(9)、第三耦合器(10)、四频差动探测装置(11)、光纤环形腔(12)、第一探测器(13)和闭环反馈电路(14)；其特征是：第一耦合器(3)、第二耦合器(9)、第三耦合器(10)的耦合比为50∶50，窄线宽光纤激光器(1)输出经第一隔离器(2)后连接第一耦合器(3)，第一耦合器(3)的输出分成两路，即第一泵浦光(4)和第二泵浦光(5)，其中第一泵浦光(4)输入声光移频器(7)，第二泵浦光(5)输入可调光衰减器(6)，出声光移频器(7)的第一泵浦光(4)和出可调光衰减器(6)的第二泵浦光(5)分别通过第二耦合器(9)和第三耦合器(10)连接光纤环形腔(12)，第一泵浦光(4)和第二泵浦光(5)与光纤环形腔(12)的谐振频率匹配并且功率超过阈值，第二耦合器(9)和第三耦合器(10)的两端连接有四频差动探测装置(11)，四频差动探测装置(11)分别探测第一泵浦光(4)和第二泵浦光(5)产生的拍频以及第一布里渊激光和第二布里渊激光产生的拍频，第一隔离器(2)后连接有第一探测器(13)和闭环反馈电路(14)，闭环反馈电路(14)连接光纤环形腔(12)。
2、根据权利要求1所述的四频差动布里渊光纤陀螺，其特征是：所述的光纤环形腔(12)由第四耦合器(12-1)、光纤环(12-2)、第一布里渊激光(12-3)、第二布里渊激光(12-4)和相位调制器(12-5)连接组成，闭环反馈电路(14)连接光纤环形腔(12)的相位调制器(12-5)。
3、根据权利要求1所述的四频差动布里渊光纤陀螺，其特征是：所述的四频差动探测装置(11)由第五耦合器(11-1)、第六耦合器(11-2)、第二探测器(11-3)、第三探测器(11-4)和差分电路(11-5)组成，第五耦合器(11-1)连接第二探测器(11-3)，第六耦合器(11-2)连接第三探测器(11-4)，第二探测器(11-3)和第三探测器(11-4)连接差分电路(11-5)。
4、根据权利要求1所述的四频差动布里渊光纤陀螺，其特征是：所述的闭环反馈电路(14)由前置放大电路(14-1)、滤波电路(14-2)、A/D转换器(14-3)、主控单片机(14-4)、D/A转换器(14-5)和相位调制器驱动电路(14-6)组成，第一探测器(13)连接前置放大电路(14-1)，前置放大电路(14-1)连接滤波电路(14-2)，滤波电路(14-2)经A/D转换器(14-3)连接主控单片机(14-4)，主控单片机(14-4)的输出由D/A转换器(14-5)连接相位调制器驱动电路(14-6)，相位调制器驱动电路(14-6)的输出连接光纤环形腔(12)中的相位调制器(12-5)。
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