CN101532838B - 一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺。包括光路装置、信号检测电路，光路装置包括激光器、Y分叉相位调制器、两个1×3光纤分束器、六个光纤环行器、三个光纤环谐振腔、三个压电陶瓷管。信号检测电路包括调制信号发生器、信号同步解调器、反馈控制器。三轴一体化谐振式光纤陀螺复用同一个激光器、一个Y分叉相位调制器和信号检测电路。采用压电陶瓷管调谐光纤环谐振腔腔长实现谐振频率锁定的方法，从而可以用光波频率固定的小型化激光器代替价格昂贵的可调谐激光器，减小系统体积、节省成本。采用光纤环形器，避免光纤环谐振腔中的光波返回激光器，影响激光器的稳定，同时避免三轴陀螺光路之间光波的相互干扰。

Description

一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺。

背景技术

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是利用光学Sagnac效应实现转动检测的一种高精度的惯性传感器件^[1]。谐振式光纤陀螺通过检测光纤环谐振腔中反向传输的两束(顺时针和逆时针)光波的谐振频率差来获得物体的旋转角速度。因此，在谐振式光纤陀螺中，将激光器输出光波频率和光纤环谐振腔的谐振频率锁定在一起是一个关键的技术，称之为谐振频率锁定技术。如图3所示，实现谐振频率锁定的通常做法是反馈控制激光器的输出激光频率，使其锁定到谐振腔谐振频率上^[2，3，4]。然而目前的输出光波可调谐的窄线宽光纤激光器的体积较大而且价格昂贵，是谐振式光纤陀螺系统小型化的一个障碍。另一种实现谐振频率锁定的方法是，通过反馈调谐光纤环谐振腔的腔长，从而改变其谐振频率，使谐振腔谐振频率锁定在激光器输出光波频率上^[5]。通过同时反馈调谐激光器输出光波频率和调谐光纤环谐振腔的腔长来实现谐振频率锁定也是可行的方案^[6]。调谐光纤环谐振腔腔长的方法可以通过将构成光纤环谐振腔的敏感光纤线圈缠绕于压电陶瓷管的外壁上，通过电压信号控制调谐压电陶瓷管的外壁直径，从而调谐光纤环谐振腔的腔长，改变谐振腔谐振频率。压电陶瓷的制作工艺成熟、价格低廉，因此可以根据反馈调谐的范围优化合理设计压电陶瓷管的大小。

由于不需要可调谐输出激光频率的窄线宽激光器，可以选择体积更小、价格更低的小型化固定输出光频的窄线宽单频激光器作为谐振式光纤陀螺系统的光源，从而有利于系统的小型化。在应用压电陶瓷管调谐光纤环谐振腔腔长实现谐振频率锁定的基础上，设计三轴谐振式光纤陀螺时，三轴陀螺中的三个陀螺可以共用激光光源和Y分叉相位调制器，以减小系统体积和成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺。

光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺包括光路装置、信号检测电路，光路装置中的激光器与Y分叉相位调制器的输入端相连接；Y分叉相位调制器的两个输出端分别与第一1×3光纤耦合器、第二1×3光纤耦合器的输入端相连接；第一1×3光纤耦合器的三个输出端分别与第一光纤环行器、第二光纤环行器、第三光纤环行器的1端口相连接；第二1×3光纤耦合器的三个输出端分别与第四光纤环行器、第五光纤环行器、第六光纤环行器的1端口相连接；第一光纤环谐振腔的一个端口与第一光纤环行器的2端口相连接，另一端与第四光纤环行器的2端口相连接；第二光纤环谐振腔的一个端口与第五光纤环行器的2端口相连接，另一端与第二光纤环行器的2端口相连接；第三光纤环谐振腔的一个端口与第三光纤环行器的2端口相连接，另一端与第六光纤环行器的2端口相连接；第一光纤环谐振腔、第二光纤环谐振腔、第三光纤环谐振腔的敏感线圈分别缠绕于第一压电陶瓷管、第二压电陶瓷管、第三压电陶瓷管的外壁上；第一光纤环行器、第二光纤环行器、第三光纤环行器、第四光纤环行器、第五光纤环行器、第六光纤环行器的3端口均与光电探测器阵列相连接；光电探测器阵列与信号检测电路相连接；Y分叉相位调制器的两个调制信号输入端均与信号检测电路相连接；第一压电陶瓷管、第二压电陶瓷管、第三压电陶瓷管均与信号检测电路相连接。

所述的信号检测电路装置的内部模块连接关系为：调制信号发生器与信号同步解调器相连接，信号同步解调器与反馈电路相连接，调制信号发生器产生的两路调制信号分别与Y分叉相位调制器的两个调制信号输入端相连接，反馈电路的三个输出端分别与第一压电陶瓷管、第二压电陶瓷管、第三压电陶瓷管相连接。

激光器为小型化的窄线宽单频激光器。光电探测器阵列由六个光电探测器组成。光纤环谐振腔是由一个2×2光纤耦合器构成，将其两端的各一个尾纤端口熔接后形成光纤环谐振腔的光纤敏感线圈，以压电陶瓷管的外壁直径作为光纤环谐振腔的直径，将敏感光纤线圈的光纤缠绕于压电陶瓷管的外壁。

本发明具有的有益效果：

1)光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺中的三个陀螺共用同一个激光器和一个Y分叉相位调制器，减小了系统体积，节省成本。

2)采用压电陶瓷管调谐光纤环谐振腔腔长实现谐振频率锁定的方法，从而可以用光波频率固定的小型化激光器代替价格昂贵的可调谐激光器，减小系统体积、节省成本。

3)将构成光纤敏感线圈的光纤缠绕于压电陶瓷管的外壁，将压电陶瓷管的外壁直径做为光纤环谐振腔的直径，可以实现较低的控制电压下实现较大的腔长调谐范围。

4)通过一个信号检测电路同时实现对三轴陀螺中三个陀螺的信号调制和解调，提高了检测电路的集成度，减小系统体积，节省成本。

5)采用光纤环形器，避免光纤环谐振腔中的光波返回激光器，影响激光器的稳定，同时避免三轴陀螺光路之间光波的相互干扰。

附图说明

图1光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺结构图；

图2信号检测电路结构图；

图3反馈调谐激光器输出光波频率实现谐振频率锁定的单轴谐振式光纤陀螺结构图；

图4反馈调谐光纤环谐振腔腔长实现谐振频率锁定的单轴谐振式光纤陀螺结构图；

图5缠绕光纤环谐振腔敏感线圈的压电陶瓷管结构图；

图中：激光器1、Y分叉相位调制器2、第一1×3光纤耦合器3、第二1×3光纤相位调制器4、第一光纤环行器5、第二光纤环行器6、第三光纤环行器7、第四光纤环行器8、第五光纤环行器9、第六光纤环行器10第一光纤环谐振腔11、第二光纤环谐振腔12、第三光纤环谐振腔13、第一压电陶瓷管14、第二压电陶瓷管15、第三压电陶瓷管16、光电探测器阵列17、信号检测电路18。

具体实施方式

图1所示，光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺包括光路装置、信号检测电路，光路装置中的激光器1与Y分叉相位调制器2的输入端相连接；Y分叉相位调制器2的两个输出端分别与第一1×3光纤耦合器3、第二1×3光纤耦合器4的输入端相连接；第一1×3光纤耦合器3的三个输出端分别与第一光纤环行器5、第二光纤环行器6、第三光纤环行器7的1端口相连接；第二1×3光纤耦合器4的三个输出端分别与第四光纤环行器8、第五光纤环行器9、第六光纤环行器10的1端口相连接；第一光纤环谐振腔11的一个端口与第一光纤环行器5的2端口相连接，另一端与第四光纤环行器8的2端口相连接；第二光纤环谐振腔12的一个端口与第五光纤环行器9的2端口相连接，另一端与第二光纤环行器6的2端口相连接；第三光纤环谐振腔13的一个端口与第三光纤环行器7的2端口相连接，另一端与第六光纤环行器10的2端口相连接；第一光纤环谐振腔11、第二光纤环谐振腔12、第三光纤环谐振腔13的敏感线圈分别缠绕于第一压电陶瓷管14、第二压电陶瓷管15、第三压电陶瓷管16的外壁上；第一光纤环行器5、第二光纤环行器6、第三光纤环行器7、第四光纤环行器8、第五光纤环行器9、第六光纤环行器10的3端口均与光电探测器阵列17相连接；光电探测器阵列17与信号检测电路18相连接；Y分叉相位调制器2的两个调制信号输入端均与信号检测电路18相连接；第一压电陶瓷管14、第二压电陶瓷管15、第三压电陶瓷管16均与信号检测电路18相连接。

图2所示，信号检测电路18的内部模块中调制信号发生器与信号同步解调器相连接，信号同步解调器与反馈电路相连接，调制信号发生器产生的两路调制信号分别与Y分叉相位调制器2的两个调制信号输入端相连接，反馈电路的三个输出端分别与第一压电陶瓷管14、第二压电陶瓷管15、第三压电陶瓷管16相连接。

激光器为小型化的窄线宽单频激光器。光电探测器阵列20由六个光电探测器组成。光纤环谐振腔是由一个2×2光纤耦合器构成，将其两端的各一个尾纤端口熔接后形成光纤环谐振腔的光纤敏感线圈，将其缠绕于压电陶瓷管的外壁。以压电陶瓷管的外壁直径作为光纤环谐振腔的直径，可以实现较低的控制电压下实现较大的腔长调谐范围。

本发明由激光器发出的激光经Y分叉相位调制器等分成两束，Y分叉相位调制器中的两个相位调制器分别对这两束激光进行相位调制；Y分叉相位调制器输出的两束激光分别被第一1×3光纤耦合器和第二1×3光纤耦合器各自等分成三束，总共六束光波；这六束光波中经过第一光纤环形器、第三光纤环形器、第五光纤环形器的三束光波，分别进入第一光纤环谐振腔、第三光纤环谐振腔、第二光纤环谐振腔各自形成顺时针(Clockwise，CW)谐振光波，这三束谐振光波各自耦合出光纤环谐振腔后，分别通过第四光纤环形器、第六光纤环形器、第二光纤环形器的3端口输出到光电探测器阵列；这六束光波中经过第四光纤环形器、第六光纤环形器、第二光纤环形器的三束光波，分别进入第一光纤环谐振腔、第三光纤环谐振腔、第二光纤环谐振腔各自形成逆时针(CounterClockwise，CCW)谐振光波，这三束谐振光波各自耦合出光纤环谐振腔后，分别通过第一光纤环形器、第三光纤环形器、第五光纤环形器的3端口输出到光电探测器阵列；从光电探测器阵列输出的三束逆时针光波的探测信号，经过信号检测电路中的信号同步解调器进行同步解调，提取各自逆时针光路的谐振频率偏差，通过反馈电路分别调谐控制第一压电陶瓷管、第二压电陶瓷管、第三压电陶瓷管分别调谐第一光纤环谐振腔、第二光纤环谐振腔、第三光纤环谐振腔的腔长，将其逆时针光路的谐振频率均锁定在激光器的输出激光频率；从光电探测器阵列输出的三束顺时针光波的探测信号，经过信号检测电路中的信号同步解调器进行同步解调，解调提取各自顺时针光路的谐振频率偏差，谐振频率偏差转换成电压信号，即给出了三轴陀螺的三个开环转动信号。

图4给出了反馈调谐光纤环谐振腔腔长实现谐振频率锁定的单轴谐振式光纤陀螺结构图；

图5给出了缠绕光纤环谐振腔敏感线圈的压电陶瓷管结构图，压电陶瓷管的内外半径分别为r₁和r₂。将敏感线圈的光纤均匀紧密缠绕在压电陶瓷管的外柱形表面，将压电陶瓷管的外壁直径作为光纤环谐振腔的直径。由于PZT管壁的厚度远小于内径(r₁＞＞r₂-r₁)，当施加电压V于压电陶瓷管的内外壁时，可以认为压电陶瓷管的径向电场均匀分布，因此电场可以表示为：

$E=\frac{V}{r_e\ln (r_2/r_1)}---\left(1\right)$

其中，r_e＝(r₂+r₁)/2。

电压信号加于压电陶瓷管内外壁时，改变缠绕于其外壁的光纤长度和折射率，引入的相位变化量为^[6]：

其中，n为光纤的有效折射率，L为缠绕于PZT管的光纤总长度，λ为光波波长，k_c表示由于光纤滑动产生的比例系数，d₃₃、d₃₁为压电系数，p₁₁、p₁₂为光纤的光弹系数。

应用压电陶瓷管调谐光纤环谐振腔的腔长，将光纤环谐振腔的谐振频率锁定在激光器的输出光波频率上，要求压电陶瓷管调谐光纤环谐振腔中传输光波的相位范围在一个2π以上。因此由(1)(2)式可得，加于压电陶瓷管内外壁的最小电压可以表示为：

$V=\frac{2\mathrm{\π}(r_2+r_1)\·\mathrm{\λ}\·\ln (r_2/r_1)}{4\mathrm{\πn}{k}_{c}L\{1-\frac{n^2}{2}[(p_{11}+p_{12})\frac{d_{33}}{d_{31}}+p_{12}\left]\right\}{d}_{31}}---\left(3\right)$

信号检测电路中的调制信号发生器产生两路调制信号用于驱动Y分叉相位调制器，对其输出的两路光波进行相位调制。通过信号检测电路中的同步信号解调器实现对光电探测器阵列转换的六路光电信号进行同步解调，对其中的三束逆时针光路的信号进行同步解调，通过反馈电路输出调谐驱动压电陶瓷管分别调谐三个光纤环谐振腔的腔长，将其逆时针光路的谐振频率锁定到激光器输出激光频率上，对其中的三束顺时针光路的信号进行同步解调，解调输出信号即给出三个陀螺的转动信号。

Claims (4)

1.一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺，其特征在于包括光路装置、信号检测电路，光路装置中的激光器(1)与Y分叉相位调制器(2)的输入端相连接；Y分叉相位调制器(2)的两个输出端分别与第一1×3光纤耦合器(3)、第二1×3光纤耦合器(4)的输入端相连接；第一1×3光纤耦合器(3)的三个输出端分别与第一光纤环行器(5)、第二光纤环行器(6)、第三光纤环行器(7)的1端口相连接；第二1×3光纤耦合器(4)的三个输出端分别与第四光纤环行器(8)、第五光纤环行器(9)、第六光纤环行器(10)的1端口相连接；第一光纤环谐振腔(11)的一个端口与第一光纤环行器(5)的2端口相连接，另一端与第四光纤环行器(8)的2端口相连接；第二光纤环谐振腔(12)的一个端口与第五光纤环行器(9)的2端口相连接，另一端与第二光纤环行器(6)的2端口相连接；第三光纤环谐振腔(13)的一个端口与第三光纤环行器(7)的2端口相连接，另一端与第六光纤环行器(10)的2端口相连接；第一光纤环谐振腔(11)、第二光纤环谐振腔(12)、第三光纤环谐振腔(13)的敏感线圈分别缠绕于第一压电陶瓷管(14)、第二压电陶瓷管(15)、第三压电陶瓷管(16)的外壁上；第一光纤环行器(5)、第二光纤环行器(6)、第三光纤环行器(7)、第四光纤环行器(8)、第五光纤环行器(9)、第六光纤环行器(10)的3端口均与光电探测器阵列(17)相连接；光电探测器阵列(17)与信号检测电路(18)相连接；Y分叉相位调制器(2)的两个调制信号输入端均与信号检测电路(18)相连接；第一压电陶瓷管(14)、第二压电陶瓷管(15)、第三压电陶瓷管(16)均与信号检测电路(18)相连接；所述的信号检测电路(18)的内部模块连接关系为：调制信号发生器与信号同步解调器相连接，信号同步解调器与反馈电路相连接，调制信号发生器产生的两路调制信号分别与Y分叉相位调制器(2)的两个调制信号输入端相连接，反馈电路的三个输出端分别与第一压电陶瓷管(14)、第二压电陶瓷管(15)、第三压电陶瓷管(16)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺，其特征在于所述的激光器为小型化的窄线宽单频激光器。

3.根据权利要求1所述的一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺，其特征在于所述的光电探测器阵列(20)由六个光电探测器组成。

4.根据权利要去1所述的一种光路复用的三轴一体化谐振式光纤陀螺，其特征在于所述的光纤环谐振腔是由一个2×2光纤耦合器构成，将其两端的各一个尾纤端口熔接后形成光纤环谐振腔的光纤敏感线圈，以压电陶瓷管的外壁直径作为光纤环谐振腔的直径，将敏感光纤线圈的光纤缠绕于压电陶瓷管的外壁。

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