CN101825465B - 一种再入式干涉型光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再入式干涉型光纤陀螺仪，属于光纤通信领域。本发明的光纤陀螺仪包括宽带光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探测器、2×2保偏耦合器、相位调制器、两保偏/旋转合/分束器、保偏光纤环；其中2×2保偏耦合器一端口与一保偏/旋转合/分束器的一分束端口连接，且2×2保偏耦合器该侧的另一端口经相位调制器与另一保偏/旋转合/分束器的一分束端口连接；两保偏/旋转合/分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口连接；保偏光纤环中连接有一段保偏光纤，其快慢轴与保偏光纤环的快慢轴具有设定偏角；两保偏/旋转合/分束器的另一分束端口光纤连接。本发明降低了光纤陀螺仪的成本，提高了测量旋转角速度的精度。

Description

一种再入式干涉型光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺仪，尤其涉及一种再入式干涉型光纤陀螺仪，属于光纤通信领域。

背景技术

陀螺仪是一种能够高精度地检测相对空间转动的装置，现在有很多利用转动带来的物理效应研究的陀螺仪类型，如机械陀螺仪、光纤陀螺仪、原子陀螺仪等。光纤陀螺仪是一种结构简单，成本较低，精度高的全固态惯性器件。其在军用和民用领域有着广泛的应用，如战术武器指导、航天定向导航，汽车导航仪，机器人控制等。

光纤陀螺仪的基本原理是基于萨格奈克(sagnac)效应，这是一种相对论效应。简单地说，在一任意形状的闭合光学环路中，从其中任意一点出发，向环路中相对的两个方向发出的光，分别沿环路顺时针和逆时针方向传播。环路在相对空间有转动角速度的时候，两个不同方向的光再回到源点时经过的路径或时间是不同的，表现在光波函数上，有一定的相位差。这种现象称为萨格奈克效应。相位差与旋转角速度有关系，会带来干涉效应，从而能够通过测量干涉效应来推导旋转的速度。

旋转引起的两路光的相对相位变化称为萨格奈克相移，理论上推导得：

${\mathrm{\φ}}_s=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{LD}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}c}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

式中，L为光纤线圈长度，D为光纤线圈直径，λ为信号光的中心波长，c为真空中的光速，Ω为系统转动角速度。由公式(1)可以看出，萨格奈克效应及其相移φ_s大小与介质的折射率无关，且与环长L成正比。

在传统的光纤陀螺方案中，如图1中的最小互易性结构，光纤环中只存在单一的光路径，信号光由光纤环输入端进入后，经过环路后，直接从输出端出来。由于按照公式(1)，萨格奈克相移与环长L成比例。要获取较大萨格奈克相移，需要很长的光纤。为了解决此问题，研究人员提出了无源再入式光纤陀螺仪，但是由于其采用普通耦合器，使得有效环长路径并没有太大的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种再入式干涉型光纤陀螺仪。本发明的光纤陀螺仪在信号进入环的入口处采用特殊的偏振合束/分束器，并在环中加一段有一定角度熔接的保偏光纤，实现了信号光多进少出的效果，从而有效提高了信号光传播路径，增强了萨格奈克效应。从而在同样光纤环长度下，提高了测量精度。本发明提出的再入式干涉型光纤陀螺仪可以使光纤环的有效长度L_eff增加到多倍于环长L的程度，相应比例地提高了萨格奈克效应及其相移，从而更容易和准确地检测物体的转动速度。

本发明的技术方案为：

一种再入式干涉型光纤陀螺仪，其特征在于包括宽带光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探测器、2×2保偏耦合器、相位调制器、两保偏/旋转合/分束器、保偏光纤环；

所述宽带光源的输出端和所述探测器的接收端分别与所述2×2耦合器同一侧的两端口光纤连接；

所述2×2耦合器的另一侧一端口与所述偏振起偏器光纤连接，且所述偏振起偏器与所述2×2保偏耦合器一侧的一端口光纤对轴连接；

所述2×2保偏耦合器另一侧的一端口与一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接，且所述2×2保偏耦合器该侧的另一端口经所述相位调制器与另一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接；

两所述保偏/旋转合/分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口光纤对轴连接；

所述保偏光纤环中连接有一段保偏光纤，该段保偏光纤两端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴分别具有设定的偏角；

两所述保偏/旋转合/分束器的另一分束端口之间光纤对轴连接。

进一步的，所述保偏光纤环的正中位置连接有该段保偏光纤。

进一步的，该段保偏光纤的一端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴以偏角α熔接，该段保偏光纤的另一端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴以偏角β熔接。

进一步的，所述偏角β＝-α。

进一步的，所述偏角0°＜α≤10°。

进一步的，所述偏角α＝5°。

进一步的，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。

图2为本发明提出的基于偏振转换的再入式干涉型保偏光纤陀螺仪方案。光源采用ASE宽带光源。发出的信号光经过耦合器后，由起偏器起偏到保偏光纤的快轴或慢轴上。耦合器2为3db保偏耦合器，光纤环为保偏光纤环。假设信号光被起偏于快轴上，从而经过保偏耦合器2后分别沿顺时针和逆时针方向传播。在耦合器2某一分光路上加上铌酸锂相位调制器，实现相位调制。快轴上的光经过2×1保偏/旋转合束器后，被转换到慢轴上，进入光纤线圈。保偏/旋转合/分束器示意图如图3所示。线圈正中位置接入一段保偏光纤，其两端与保偏光纤环的正交快慢轴以偏角α熔接，如图4所示，所接入的保偏光纤慢轴上的光被分解到所熔接的保偏光纤的两个轴上进行传播，在经过另一端的熔接处，再次经过二次分解。总的来说，实现了光在两个轴上的分解，在原来慢轴上的光强占比为cos²α，快轴上光强占比为sin²α。继续传播到另一端的偏振保偏/旋转分束器后，在慢轴的cos²α占比的光被分到环光路中继续传播，通过入端的偏振保偏/旋转合束器进入光纤环路中，进行如上所述的多圈重复传输；而快轴的占比为sin²α的光经过偏振保偏/旋转分束器后被分到另一支路上，再经过耦合器2出来进行干涉。此时，偏振保偏/旋转分束器实现的是偏振分束的功能。顺时针和逆时针方向都是按照上述路径传播，且容易看出，能够保证整个光路的互易性。

由于采用宽带光源，如对50nm带宽、中心波长为1550nm的信号光，其干涉长度约为48μm，相比于光纤环长来说很短，所以只有经过相同圈数的光才能够干涉。下面来计算有效环长。传统的单圈传输结构的有效环长对应的萨格奈克相移如公式(1)所示。在环中绕n圈出来的信号光的能量占刚从耦合器2进入线圈时信号光能量的比例为：

$\frac{P\left(n\right)}{P_0}={\sin }^2\mathrm{\α}{\cos }^{2(n-1)}\mathrm{\α}---\left(2\right)$

由于所转圈数越大，相应的信号光能量越小，设第N圈之后的信号光传输作用可以忽略，每一圈的等效萨格奈克相移为相应的圈数n和光能量比例的乘积，设对轴偏角α＝5°，如图5所示。

总体的有效萨格奈克相移为

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eff}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P\left(n\right)}{P_0}{\mathrm{n\φ}}_s=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n\sin }^2\mathrm{\α}{\cos }^{2(n-1)}{\mathrm{\α\φ}}_s=\frac{1-{\cos }^{2N}\mathrm{\α}}{{\sin }^2\mathrm{\α}}{\mathrm{\φ}}_s---\left(3\right)$

有效的萨格奈克相移与圈数N的关系如图6所示，当N很大时，可以看出

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{{\sin }^2\mathrm{\α}}{\mathrm{\φ}}_s---\left(4\right)$

有效萨格奈克相移提高了1/sin²α倍，如偏角α＝5°时增大了132倍，因此可以极大地提高灵敏度。实际中考虑到接入损耗，在每一圈传播中引起功率的损耗，灵敏度会有一定的降低。

下面讨论采用一种正弦波相位调制波形的信号调制方法。如图2所示，在耦合器2后的一分支光路上加上铌酸锂相位调制器。可精确测量环路此时的渡越时间τ。

采用正弦波方式调制，t时刻调制相位为φ(t)＝φ_mcosωt。那么转n圈出来干涉的两束光由正弦波调制引起的相位差为

$\mathrm{\Δ\φ}(t,n)={\mathrm{\φ}}_m\cos \mathrm{\ωt}-{\mathrm{\φ}}_m\cos \mathrm{\ω}(t-\mathrm{n\τ})$

$={2\mathrm{\φ}}_m\sin \frac{\mathrm{\ωn\τ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\ωn\τ}}{2})$

$={2A}_n\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)---\left(5\right)$

其中， $A_n={\mathrm{\φ}}_m\sin \frac{\mathrm{\ωn\τ}}{2},$ ${\mathrm{\θ}}_n=\frac{\mathrm{\ωn\τ}}{2}$

t时刻耦合器2出来的干涉的信号包含重复了n＝1，2，3，…圈后出来的光信号，考虑干涉信号光的交流项，对第n圈，其干涉功率为

P(n，t)＝P₀sin²αcos^2(n-1)αcos(Δφ(t，n)+nφ_s)

       ＝P₀sin²αcos^2(n-1)αcos(2A_nsin(ωt+θ_n)+nφ_s)     (6)

由于只有经过相同圈数的顺时针和逆时针信号光才能进行干涉，则总功率为

$P\left(t\right)=P_0[1+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2\mathrm{\α}{\cos }^{2(n-1)}\mathrm{\α}\cos ({2A}_n\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)+{\mathrm{n\φ}}_s)]---\left(7\right)$

用滤波器滤波，得到干涉信号的一次、二次和四次谐波分别为：

一次谐波： $P_1=P_0\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\α}\cos }^{2(n-1)}{\mathrm{\αJ}}_1\left(A_n\right)\sin \left({\mathrm{n\φ}}_s\right)---\left(8\right)$

二次谐波： $P_2=P_0\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\α}\cos }^{2(n-1)}{\mathrm{\αJ}}_2\left(A_n\right)\cos \left({\mathrm{n\φ}}_s\right)---\left(9\right)$

四次谐波： $P_4=P_0\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\α}\cos }^{2(n-1)}{\mathrm{\αJ}}_4\left(A_n\right)\cos \left({\mathrm{n\φ}}_s\right)---\left(10\right)$

由于

精确测量确定τ，通过选定调制频率ω＝π/τ，使得J_i(A_n)＝J_i(A_n+2)，i＝1，2，4；当n为奇数时，有

，当n为偶数时，有J_i(A_n)＝0。

这样，通过二次谐波和四次谐波之比，得到P₂/P₄＝J₂(φ_m)/J₄(φ_m)，求出φ_m的值；由于φ_s很小，在环长约100m条件下，φ_s约为10^-6量级，sin(nφ_s)≈nφ_s，cos(nφ_s)≈1。那么一次谐波为

$P_1=P_0{J}_1\left({\mathrm{\φ}}_m\right)\frac{1+{\cos }^4\mathrm{\α}}{(1-{\cos }^4\mathrm{\α})(1+{\cos }^2\mathrm{\α})}{\mathrm{\φ}}_s---\left(11\right)$

二次谐波为

$P_2=P_0{J}_2\left({\mathrm{\φ}}_m\right)\frac{1}{1+{\cos }^2\mathrm{\α}}---\left(12\right)$

两式相除，可以求出萨格奈克相移φs，并利用方程(1)求出旋转角速度。在本例中，有效萨格奈克相移提高了约65倍。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

在光纤陀螺仪中，通过利用偏振特性实现信号光在光纤环中多次重复传输，提高了有效萨格奈克相移，提高了测量旋转角速度的精度，降低了光纤陀螺仪的成本。

附图说明

图1是传统最小互易性保偏光纤陀螺仪结构；

图2是基于偏转旋转的再入式干涉型光纤陀螺仪结构图；

图3是保偏/旋转合/分束器示意图；

图4是光纤环中保偏光纤的熔接图；

图5是α＝5°时第n圈的等效萨格奈克相移；

图6是α＝5°时N圈的有效萨格奈克相移。

具体实施方式

采用ASE宽谱光源，中心波长为1550nm，带宽约为50nm。经过3db2×2耦合器1后，被起偏器起偏到快轴上。再经过一3db2×2保偏耦合器2，分为等功率的在快轴上传播的两束光。其中一分支光路上要连接上铌酸锂相位调制器。保偏耦合器2输出端的保偏尾纤要与偏振保偏/旋转合/分束器的保偏支路对轴熔接。保偏/旋转合/分束器的合端尾纤可与保偏光纤环对轴熔接。在光纤环正中位置，以一定的旋转角度如5°与一小段保偏光纤熔接，然后保偏光纤再以-5°的偏转角度与下一段光纤环熔接。保偏光纤环另一端与出口处的保偏/旋转合/分束器的合端尾纤对轴熔接。这里描述的出口和入口时相对的，因为从反方向传播的光来看，出入口位置刚好相反。

准确测量环路的τ可以采用脉冲相位调制方式。在恒定转速下，无相位调制时，出口处的干涉光是没有变化的。假设在铌酸锂相位调制器上加上具有一定时间间隔的脉冲相位调制，则出来的干涉光也出现相应的两个脉冲，测量这两个脉冲之间的时间间隔，即为2τ。这样就可以得到准确的τ。

利用铌酸锂相位调制器进行正弦波相位调制，调制频率设置为ω＝π/τ。

在耦合器1的端口用光电转换器接受干涉信号，并通过NI采集卡进行数据采集，并用LabView对采集的数据进行频谱分析，找出其中的一倍频、二倍频和四倍频。采用如发明内容部分所述的方法进行分析，求得转动角速度。

Claims (3)

1.一种再入式干涉型光纤陀螺仪，其特征在于包括宽带光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探测器、2×2保偏耦合器、相位调制器、两保偏/旋转合/分束器、保偏光纤环；

所述宽带光源的输出端和所述探测器的接收端分别与所述2×2耦合器同一侧的两端口光纤连接；

所述2×2耦合器的另一侧一端口与所述偏振起偏器光纤连接，且所述偏振起偏器与所述2×2保偏耦合器一侧的一端口光纤对轴连接；

所述2×2保偏耦合器另一侧的一端口与一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接，且所述2×2保偏耦合器该侧的另一端口经所述相位调制器与另一所述保偏/旋转合/分束器的一分束端口光纤对轴连接；

两所述保偏/旋转合/分束器的合束端口分别与所述保偏光纤环的两端口光纤对轴连接；

所述保偏光纤环中的正中位置连接有一段保偏光纤，该段保偏光纤两端的快慢轴与所述保偏光纤环的快慢轴分别具有设定的偏角；其中，该段保偏光纤的一端的快轴与所述保偏光纤环的快轴以偏角α熔接，该段保偏光纤的另一端的快轴与所述保偏光纤环的快轴以偏角β熔接；偏角β＝-α，偏角0°＜α≤10°；

两所述保偏/旋转合/分束器的另一分束端口之间光纤对轴连接；

所述保偏/旋转合/分束器为能够使两个分束端口中，一端口输入的快轴上的线偏振光偏转90°，同时使另一端口输入的快轴上的线偏振光偏振不变，从而合束端口输出双偏振光，两垂直分量分别沿快轴和慢轴传播；反向传播时，合束端口分别向两分束端口输出偏振分束后的线偏光。

2.如权利要求1所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述偏角α＝5°。

3.如权利要求1所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。

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