CN101360969A - 差动式双折射光纤调频连续波萨纳克陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种差动式双折射光纤调频连续波(FMCW)萨纳克陀螺仪，用于测量旋转速度。本陀螺仪利用一个扭转90度的单模双折射光纤线圈作为一个双非平衡光纤FMCW萨纳克干涉仪，并利用来自光纤线圈的两个拍频信号的相位差来确定旋转速度。该陀螺仪可以消除非互易性相位漂移，并提供双倍的分辨率。

Description

差动式双折射光纤调频连续波萨纳克陀螺仪

本发明涉及一种差动式双折射光纤调频连续波(FMCW)萨纳克陀螺仪，用于测量旋转速度。

光学FMCW干涉是一种源自于雷达的新技术，它可以提供比传统的光学零拍干涉更高的测量精度和更大的动态范围，因为光学FMCW干涉自然产生一个动态信号，相位的细分，相位移动方向的判断，和整周期数的计算都相当容易。光学FMCW干涉用于旋转传感不仅可以解决传统光纤陀螺仪存在的问题，例如零敏感点，相位刻度不准确，相移方向判断不明确和π相移限制，而且还可以减小陀螺仪的尺寸和重量，因为光纤FMCW陀螺仪不需要大尺寸的相位调制器或大尺寸的频率调制器。

对于一个光学FMCW萨纳克陀螺仪的基本要求是陀螺仪应该是非平衡的，这样才能得到一个具有合适频率的拍频信号。但是，该要求会使陀螺仪结构复杂，而且环境参数(如温度)变化时还会产生非互易性相位漂移。

本专利公开的差动式双折射光纤FMCW萨纳克陀螺仪利用一个扭转90度的单模双折射光纤线圈作为一个双非平衡光纤FMCW萨纳克干涉仪，并利用来自光纤线圈的两个拍频信号之间的相位差来确定旋转速度。因为这两个拍频信号有相同的非互易性相位漂移和相反的萨纳克相位移动，所以该陀螺仪可以消除非互易性相位漂移(包含激光器的频率漂移)，并提供双倍的分辨率。

如图1所示，所述差动式双折射光纤FMCW萨纳克陀螺仪，包括：一个调频激光器，一个X-型保偏光纤耦合器，一个单模双折射光纤线圈，两个光纤连接器，一个偏振分光镜，和两个光探测器。光纤耦合器的输出光纤与双折射光纤线圈连接并保证偏振方向一致，双折射光纤线圈两端的偏振主轴坐标要旋转90度(或n×180+90度，n为整数)。

FMCW激光束首先被耦合到X-型保偏光纤耦合器的一个输入光纤的两个偏振模中(即，HE₁₁ ^x模和HE₁₁ ^y模)，并分为四束光束沿两个输出光纤传播。然后，这四束光束从双折射光纤线圈的两端被耦合到光纤线圈的两个偏振模中。由于双折射光纤线圈两端的主轴旋转90度，顺时针传播的HE₁₁ ^x模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^y模光束离开双折射光纤线圈后将在一个相同方向振动并产生第一拍频信号；顺时针传播的HE₁₁ ^y模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^x模光束离开双折射光纤线圈后将在另一个正交方向振动并产生第二拍频信号。这两个光学拍频信号自然相互垂直，所以它们可以用偏振分光镜分开。分开后的两个拍频信号由两个光电探测器接收。

当双折射光纤线圈围绕它的垂直轴旋转时，由于萨纳克效应，这两个拍频信号产生相反的相移。因此，比较这两个拍频信号的相位差，陀螺仪的旋转速度就可以确定。例如，如果激光器频率是用锯齿波调制，探测到的拍频信号的强度I(t)在任意一个调制周期内可以表示为

$I\left(t\right)=I_0[1+V\cos (\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\Δvv}}_m\mathrm{OPD}}{c}t+\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{OPD}\±\frac{4\mathrm{\πRL\Ω}}{c{\mathrm{\λ}}_0})],$

这里，I₀是平均强度，V是对比度，Δv是光频调制范围，v_m是调制频率，λ₀是真空中光波的中心波长，OPD是每个拍频信号的两个相干光束之间的原始光程差的绝对值。对比度V由下式给出

$V=\frac{2\sqrt{I_1{I}_2}}{I_1+I_2}\left|\mathrm{Sinc}\left(\frac{\mathrm{\π}}{l_c}\mathrm{OPD}\right)\right|,$

这里，I₁和I₂分别是每个拍频信号的两束相干光的强度，l_c是激光相干长度。OPD可以写为

OPD＝|n_ex-n_ey|L，

这里，n_ex和n_ey分别是HE₁₁ ^x模和HE₁₁ ^y模的有效折射率，L是双折射光纤线圈的总长度。显然，两个拍频信号的相位差Δφ等于

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{8\mathrm{\πRL\Ω}}{{\mathrm{c\λ}}_0}.$

因此，双折射光纤线圈的旋转角速度可以由下式确定

$\mathrm{\Ω}=\frac{c{\mathrm{\λ}}_0}{8\mathrm{\πRL}}\mathrm{\Δ\φ}.$

与传统光纤萨纳克陀螺仪比较，可以看到差动式双折射光纤FMCW萨纳克陀螺仪具有双倍的灵敏度。另外，由于Δφ与OPD无关，本陀螺仪不受由温度或应变造成的光纤线圈长度变化的影响。

该光纤陀螺仪的优点包括：(1)得益于光学FMCW干涉，本陀螺仪没有零敏感点、相位刻度不准确、相移方向判断不明确和π相移限制的问题。因此，它可以提供更高的分辨率和更大的动态范围。(2)得益于差动式干涉仪结构，本陀螺仪中不希望的非互易性相位漂移，甚至光源的频率漂移，可以自动消除。另外，陀螺仪的分辨率提高两倍。(3)由于是全光纤和全被动结构，本陀螺仪非常稳定和紧凑。

本陀螺仪中，90度扭转的双折射光纤线圈可以是X-型保偏光纤耦合器的一个输出光纤的一部分(如图2所示)；或者X-型保偏光纤耦合器和90度扭转的双折射光纤线圈可以是由同一条双折射光纤做成(如图3所示)；或者X-型保偏光纤耦合器由一个X-型集成光学耦合器代替(如图4所示)；或者X-型保偏光纤耦合器由两个Y-型保偏光纤耦合器或两个Y-型集成光学耦合器代替(如图5所示)。

Claims (18)

1、一种用于测量旋转速度的差动式双折射光纤FMCW萨纳克陀螺仪，包括：一个调频激光器，一个X-型50/50保偏光纤耦合器，一个单模双折射光纤线圈，两个光纤连接器，一个偏振分光镜，和两个光电探测器，其特征在于，所述光纤耦合器的两个输出光纤与所述双折射光纤线圈连接并保证偏振方向一致，所述光纤线圈的两端的偏振主轴坐标要旋转90度(或n×180+90度，n为整数)。

2、如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于从所述调频激光器发出的FMCW激光束均等地耦合到所述光纤耦合器的一个输入光纤的HE₁₁ ^x模和HE₁₁ ^y模中，从所述光纤耦合器传出的四束偏振光束耦合到所述双折射光纤线圈的两端的两个偏振模中，由顺时针传播的HE₁₁ ^x模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^y模光束产生的光学拍频信号和由顺时针传播的HE₁₁ ^y模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^x模光束产生的光学拍频信号被所述偏振分光镜分开，并被所述两个光电探测器接收，测量这两个拍频信号的相位差来确定旋转速度。；

3、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于所述光纤耦合器的输出光纤与所述光纤线圈相连接并保证偏振方向一致，光纤线圈两个输出端的偏振主轴坐标要旋转90度(或n×180+90度，n为整数)。

4、如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述90度扭转的双折射光纤线圈可以是所述X-型保偏光纤耦合器的一个输出光纤的一部分。

5、如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述X-型保偏光纤耦合器和所述90度扭转的双折射光纤线圈可以是由同一条单模双折射光纤做成。

6、如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述X-型保偏光纤耦合器可以是X-型集成光学耦合器。

7、如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述X-型保偏光纤耦合器可以是由两个Y-型保偏光纤耦合器或两个Y-型保偏集成光学耦合器构成。

8、如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述双折射光纤线圈至少可以是椭圆芯双折射光纤，或熊猫型双折射光纤。

9、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于所述调频激光器至少可以是单模半导体激光器。

10、如权利要求1或权利要求2或权利要求9所述的陀螺仪，其特征在于所述调频激光器包括一个偏振器，耦合透镜，一个温控系统和/或一个稳频系统，和电流驱动电路。

11、如权利要求1或权利要求2或权利要求9所述的陀螺仪，其特征在于，所述调频激光器至少可以以锯齿波信号、三角波信号、正弦波信号、或矩形波信号调制。

12、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，所述光电探测器至少可以是p-i-n光电二极管，或雪崩光电二极管。

13、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，包括信号发生和处理电路，或基于微型计算机的数字信号发生和处理系统。

14、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，萨纳克相移和旋转速度是由比较所述两个拍频信号之间的相位差来确定。

15、如权利要求1或权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，萨纳克相移和旋转速度是由比较所述拍频信号之一与一个同频标准参考信号之间的相位差来确定。

16、如权利要求1或权利要求2或权利要求14或权利要求15所述的陀螺仪，其特征在于所述两个拍频信号的相位差至少可以是通过比较他们最强谐波的相位差而得到，或通过比较所述两个信号在每个调制周期内某一瞬间的相对强度而得到。

17、一种用于测量旋转速度的方法，其特征在于，将一束调频激光均等地耦合到所述90度(或n×180+90度，n为整数)扭转的双折射光纤线圈的两端的两个偏振模中，由顺时针传播的HE₁₁ ^x模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^y模光束产生的拍频信号和由顺时针传播的HE₁₁ ^y模光束和逆时针传播的HE₁₁ ^x模光束产生的正交拍频信号被分开，并被接收，比较这两个拍频信号的相位差来确定旋转速度。

18、一种用于测量旋转速度的方法，其特征在于将一束偏振调频激光均等地耦合到所述扭转90度(或n×180+90度，n为整数)的双折射光纤线圈两端的不同偏振模中，接收双折射光纤线圈中的这两束光产生的拍频信号，通过比较该拍频信号与一个同频标准参考信号之间的相位差来确定旋转速度。

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