CN101900556A - 双环布里渊光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双环布里渊光纤陀螺。窄谱泵浦光源发出的泵浦光经过光隔离器及偏振控制器后进入耦合器，经过耦合器后的两束泵浦光分别经过耦合器进入第一光纤环和第二光纤环，两个光纤环行腔具有完全相同的静态特性，两个光纤环的相位调制器的安装位置对称，耦合器及第二光纤环的耦合器与稳频电路相连接，稳频电路闭环控制两个光纤环的相位调制器。本发明能够消除布里渊光纤陀螺中的谐振偏离，达到消除布里渊光纤陀螺中的光克尔效应的目的。不仅对布里渊光纤陀螺的实现有重要的价值，而且对布里渊有源光纤环形腔应用的多个领域如窄线激光器，光谱测量，分布式压力及温度传感，光纤移频器等也有深远的意义。

Description

双环布里渊光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，特别涉及一种消除光克尔效应的布里渊光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是惯性导航领域的重要传感器。光纤陀螺在三十年内主要经历了干涉型(IFOG)、谐振型(RFOG)和布里渊型(BFOG)三代的发展历程。其中，IFOG在技术上日趋成熟；RFOG目前处于实验室研究阶段；BFOG作为第三代的光纤陀螺，代表了光纤陀螺高精度和小型化的发展方向，其数字化的频率输出，更适合于捷联式惯导系统，但是由于BFOG对器件的要求以及理论上尚未完善，这种陀螺目前还处于理论摸索的阶段。在国际上麻省理工大学、斯坦福大学和东京大学对BFOG偏振态、锁定、判向、克尔效应及其它噪声源曾进行了一系列的研究，在国内北方交通大学对BFOG的阈值光功率、光偏振度等进行了理论分析，均取得了一定的研究成果。随着近几年光纤通信领域相关技术的发展，窄带抽运源、特种光纤、新型高效耦合器等技术和器件的相继突破给BFOG的发展带来了机遇，因此对这种新型光纤陀螺的研究具有重要的意义。S.Huang曾指出，克尔效应是BFOG的主要误差源。对于光纤陀螺中的克尔效应，国外有相关文献研究了克尔效应对于光纤陀螺的影响，和对BFOG中的克尔效应产生原因进行了基础研究，但是对于克尔效应本身，目前尚未有提出良好的解决方案。由于在同一个布里渊光纤陀螺敏感环中不可避免的存在泵浦游失效应，即由于陀螺在转动时，当谐振频率锁定在一路光的频率时，反方向的光将产生谐振偏离，进而使两束光的光强不一致，最终产生光克尔效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够消除布里渊光纤陀螺中的谐振偏离，达到消除布里渊光纤陀螺中的光克尔效应的目的双环布里渊光纤陀螺。

本发明的目的是这样实现的：

包括布里渊光纤陀螺的窄谱泵浦光源1、光隔离器2、偏振控制器3、2×2的50∶50光纤耦合器4、第一2×2的95∶5光纤耦合器5、第二2×2的95∶5光纤耦合器10、第一光纤环6、第二光纤环9、第一光纤环相位调制器7、第二光纤环相位调制器8、稳频电路11和检测电路12；窄谱泵浦光源1发出的泵浦光经过光隔离器2及偏振控制器3后进入2×2的50∶50光纤耦合器4，经过2×2的50∶50光纤耦合器4后的两束泵浦光分别经过第一2×2的95∶5光纤耦合器5及第二2×2的95∶5光纤耦合器10后进入第一光纤环6及第二光纤环9，两个光纤环行腔具有完全相同的静态特性，第一光纤环相位调制器7及第二光纤环相位调制器8的安装位置对称，2×2的50∶50光纤耦合器4及第二2×2的95∶5光纤耦合器10与稳频电路11相连接，稳频控制电路11闭环控制第一光纤环相位调制器7与及第二光纤环相位调制器8。

第一光纤环6及第二光纤环9由20米保偏光纤构成。

第一光纤环相位调制器7及第二光纤环相位调制器8为PZT相位调制器。

布里渊光纤陀螺基本光路结构如图1所示。窄谱大功率光源11发出的光，经过光隔离器12及偏振控制器13后在50∶50耦合器14分成的两束泵浦光经过95∶5耦合器15中沿两相反方向在敏感环16中传播，在光纤环中传输的两束背向泵浦光，其强度达到一定程度时就会在光纤环中产生受激布里渊散射，散射光的频率由于受Sagnac效应的影响而随光纤环的旋转角速度发生变化，由光电检测器17检测两束受激布里渊光的拍频，就可以得到敏感环的旋转角速度。经过推导后的光纤环旋转角速度与两束受激布里渊散射光的拍频的关系为：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\mathrm{\λnL}}{4A}\mathrm{\Δv}---\left(1\right)$

其中：λ为泵浦光的波长，L为光纤线圈的长度，n为光纤折射率，A为光纤线圈面积。

克尔效应指的是光纤的折射率n随光强而变化的非线性现象。它的表达式可以表示为：

n＝n₀+αn₂P/A_eff                   (2)

n₀是正常情况下光纤折射率，n₂是非线性指标系数，P是光功率，α是偏振因子(2/3≤α≤1)，表示从圆偏振到线偏振的变化，A_eff指的是光纤的有效截面积。由于克尔效应的存在，BFOG内的的两束受激布里渊散射光使得腔内的光纤折射率发生了轻微的改变。如果两受激布里渊散射光功率不平衡，就会产生折射率的不平衡，根据公式(1)可知陀螺会存在一个附加拍频。

导致BFOG腔内两受激布里渊散射光光强不平衡的原因主要有两方面。一是器件原因。光源的功率需要通过耦合器11分成功率相等的两部分再进入光纤环形腔，如果耦合器11的分光比不是1比1，就会在腔中产生克尔效应误差。这种误差往往比较小，可以通过提高器件的精度来克服。

导致功率不平衡的主要原因来自于BFOG独特的工作原理。为了使BFOG工作在最佳状态，需要使腔内的循环光处于谐振态，这样循环光会与入射光发生干涉而不流出，而两束受激布里渊散射光从腔中流出并产生拍频。由于温度变化等环境因素的影响，实际工作中的BFOG难以在谐振点工作，一般通过腔长控制的方式来实现谐振稳定。在陀螺转动的时候，两束受激布里渊散射光会由于Sagnac效应而发生频率分裂，假设陀螺工作在CCW方向的受激布里渊散射光谐振峰上，那么另一束受激布里渊散射光会由于频率分裂而偏离谐振峰，从而产生了光强差。布里渊光纤陀螺由于Sagnac效应而发生频率分裂示意图如图2所示，图中CCW及CW的两束受激布里渊光由于频率分裂，导致了光强差，最终将带入克尔效应误差。

当BFOG正常工作时，光纤敏感环中存在两束泵浦循环光I_c1和I_c2，以及两束受激布里渊散射光I_B1和I_B2。通过克尔效应，受激布里渊散射光I_B1对应的光纤折射率的非线性系数为：

δn_B1＝αn₂(I_B1+2I_B2+2I_c1+2I_c2)/A_eff                 (3)

上式右边括号的第一项表示自相位调制，其余3项表示交叉相位调制。同理，由于克尔效应，I_B2对应的光线折射率的非线性系数为：

δn_B2＝αn₂(2I_B1+I_B2+2I_c1+2I_c2)/A_eff                 (4)

则两束受激布里渊散射光I_B1和I_B2所对应的折射率变化之差为：

$\mathrm{\δ\Δ}{n}_B={\mathrm{\δn}}_{B1}-{\mathrm{\δn}}_{B2}=\frac{-\mathrm{\α}{n}_2}{A_{\mathrm{eff}}}(I_{B2}-I_{B1})---\left(5\right)$

假设所有的光波都有着相同的本征偏振态模式，并且腔内只发生一阶受激布里渊散射，由功率不平衡导致的附加拍频可以表示为：

$\mathrm{\Δ}{f}_B=\frac{\mathrm{\α}{f}_B{n}_2}{{\mathrm{nA}}_{\mathrm{eff}}}\mathrm{\Δ}{I}_0=\mathrm{\η\Δ}{I}_0---\left(6\right)$

其中η为克尔效应系数，与光纤参数有关，它反映了拍频对于两受激布里渊散射光强差的依赖程度。f_B是两束布里渊散射波的平均频率。随着旋转角速度的增大，谐振偏离会导致腔内光强小于受激布里渊散射的阈值而没有拍频产生，因而限制了BFOG的动态工作范围。

BFOG工作的时候，只要顺逆时针方向的光路通过同一个光纤环，由于需要对一路光路进行稳频处理，克尔效应导致的谐振偏离现象就难以避免。为此本发明构思了一种双环BFOG结构，用来解决谐振偏离的问题。窄谱光源1发出的泵浦光经过光隔离器2及偏振控制器3后，然后进入50∶50耦合器4，经过耦合器4后的两束泵浦光分别经过95∶5的光纤耦合器5及耦合器10后进入光纤环6及光纤环9，这两个光纤环行腔具有完全相同的静态特性，腔内相位调制器7及调制器8的安装位置对称，在陀螺工作的时候，两个环形腔同时通过稳频电路使腔内的光强最大。

双环BFOG在工作的时候，由于两个光纤环行腔的静态特性相同并且平行放置，其中一个腔中只有一束顺时针传播的受激布里渊散射光，另一个腔中只有一束逆时针传播的受激布里渊散射光，这两束受激布里渊散射光感应Sagnac效应而产生的频率改变值大小相等并且一正一负，它们的频差被检测电路所检测。由于采用3dB耦合器，对于两静态相同的光纤环行腔来说，经过稳频处理后的两束出射的受激布里渊散射光的光强相等，这就避免了谐振偏离效应带来的影响。同时，两束受激布里渊散射光的光强均为最大值，容易产生清晰的干涉信号。而且，双环结构可避免单环结构中由于顺、逆信号光共用2×2耦合器而引入的耦合干扰噪声。理想情况下，双环BFOG的拍频可以用公式(1)表示，光纤环旋转角速度与拍频之间具有良好的线性关系。

本发明在对BFOG中的克尔效应进行了理论分析，对BFOG克尔效应误差的产生机理做了深入研究，并探讨了它对陀螺输出拍频以及动态范围的影响的基础上，提出了一种全新的双环BFOG方案，为消除BFOG克尔效应误差提供了一种解决途径。

实现布里渊光纤陀螺关键难题之一即布里渊光纤陀螺中的光克尔效应。通过本发明的双环方案，能够消除布里渊光纤陀螺中的谐振偏离，达到消除布里渊光纤陀螺中的光克尔效应的目的。这一发明不仅对布里渊光纤陀螺的实现有重要的价值，而且对布里渊有源光纤环形腔应用的多个领域如窄线激光器，光谱测量，分布式压力及温度传感，光纤移频器等也有深远的意义。

双环BFOG和单环结构的BFOG相比，在陀螺实际工作时不会出现谐振偏离的现象，完全能够抑制由于克尔效应带来的拍频误差。

附图说明

图1为布里渊型光纤陀螺基本结构图；

图2为腔内两束受激布里渊散射光谐振偏离示意图；

图3为双环布里渊光纤陀螺方案示意图。

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：

如图3所示，本发明包括布里渊光纤陀螺的窄谱泵浦光源1；光隔离器2；偏振控制器3；2×2的50∶50光纤耦合器4；用来耦合第一个光纤环的2×2的95∶5光纤耦合器5及用来耦合第二个光纤环的2×2的95∶5光纤耦合器10；第一个光纤环6及第二个光纤环9，两个光纤环的静态相同，每个光纤环由20米保偏光纤构成；第一个光纤环相位调制器7及第二个光纤环相位调制器8，方案中腔长调制器采用PZT；用于检测泵浦光进行调节腔长的稳频电路11及用于检测布里渊光纤陀螺拍频信号的检测电路12。

光隔离器2用于隔离背向反射光对泵浦光源的影响，因为泵浦光的质量及稳定性直接影响到受激布里渊散射光的稳定性，进而对布里渊光纤陀螺的精度产生影响；光隔离器2后接入的是偏振控制器3，偏振控制器3用来控制泵浦光的偏振特性，以保证光路中光的偏振稳定；泵浦光经2×2的50∶50光纤耦合器4的4_1端口进入耦合器4，耦合器4的4_3端口出射的泵浦光由耦合器5的5_1端进入耦合器5，大部分泵浦光耦合进第一个光纤环6；另一束泵浦光由耦合器的4_4端口出射由耦合器10的10_1端口进入，经过95∶5的光纤耦合器10将大部分泵浦光耦合进第二个光纤环9；当光纤环6及光纤环9处于谐振状态时，光纤环6内的光与耦合器5入射的泵浦光将发生强烈的干涉，则耦合器5的5_2端的出射泵浦光为0，同理，耦合器10的10_2端的出射泵浦光也为0，通过检测耦合器5的5_2端的出射泵浦光强及耦合器10的10_2端的出射泵浦光强是否为0可以判定两个光纤环是否处于谐振状态，通过稳频电路11进行闭环控制相位调制器7及相位调制器8，腔内的两个相位调制器的安装位置对称可以使两个光纤环保持工作在谐振状态下。第一个光纤环6中的泵浦光在光纤环中激发出与泵浦光传播方向相反的受激布里渊光，经耦合器5的5_1端口输出；第二个光纤环9中的泵浦光在光纤环中激发出与泵浦光传播方向相反的另一束受激布里渊光，经耦合器10的10_1端口输出；两束受激布里渊光在耦合器4处进行干涉拍频，拍频信号由检测电路12进行检测并解算出布里渊光纤陀螺的旋转角速度。

Claims (3)

1.一种双环布里渊光纤陀螺，其特征是：包括布里渊光纤陀螺的窄谱泵浦光源(1)、光隔离器(2)、偏振控制器(3)、2×2的50∶50光纤耦合器(4)、第一2×2的95∶5光纤耦合器(5)、第二2×2的95∶5光纤耦合器(10)、第一光纤环(6)、第二光纤环(9)、第一光纤环相位调制器(7)、第二光纤环相位调制器(8)、稳频电路(11)和检测电路(12)；窄谱泵浦光源(1)发出的泵浦光经过光隔离器(2)及偏振控制器(3)后进入2×2的50∶50光纤耦合器(4)，经过2×2的50∶50光纤耦合器(4)后的两束泵浦光分别经过第一2×2的95∶5光纤耦合器(5)及第二2×2的95∶5光纤耦合器(10)后进入第一光纤环(6)及第二光纤环(9)，两个光纤环行腔具有完全相同的静态特性，第一光纤环相位调制器(7)及第二光纤环相位调制器(8)的安装位置对称，2×2的50∶50光纤耦合器(4)及第二2×2的95∶5光纤耦合器(10)与稳频电路(11)相连接，稳频电路(11)闭环控制第一光纤环相位调制器(7)与及第二光纤环相位调制器(8)。

2.根据权利要求1所述的双环布里渊光纤陀螺，其特征是：第一光纤环(6及第二光纤环(9)由20米保偏光纤构成。

3.根据权利要求1或2所述的双环布里渊光纤陀螺，其特征是：第一光纤环相位调制器(7)及第二光纤环相位调制器(8)为PZT相位调制器。

Images