CN101922935B - 一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪 - Google Patents

一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种最小互易结构的干涉型全光纤陀螺仪，属于光纤传感技术领域。本发明的陀螺仪包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、保偏光纤环；所述光源耦合器的端口①与所述偏振光源的输出端对轴连接，且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单元连接，所述光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接，所述光环耦合器与所述保偏光纤环对轴连接；其中，所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分路并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振，所述端口①与所述端口③为所述光源耦合器一直通臂上的两个端口。与现有技术相比，本发明节约了成本、减小了光路损耗，而且进一步提高了陀螺仪的精度和稳定性。

Description

一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪
技术领域
本发明涉及干涉型全光纤陀螺仪，尤其涉及一种最小互易结构的干涉型全光纤陀螺仪，属于光纤传感技术领域。
背景技术
陀螺仪是测量惯性空间角速度-角位移的仪表，其历史可以追朔到数千年以前，从山西夏县新石器时代的遗址中，就曾出土了石制的陀螺。机械陀螺仪是第一代陀螺仪，激光陀螺仪和光纤陀螺仪被分别称为第二代陀螺仪和第三代陀螺仪。光纤陀螺仪于1976年问世，20世纪90年代投入批量生产。干涉型全光纤陀螺仪是光纤陀螺仪家族中的重要品种，可广泛应用于导航、制导、定位、自动寻北、列车或舰船摇摆的阻尼、天线-瞄准系统的定向、油井偏斜测量、大型建筑形变或摇摆监测、自动化控制等等领域。
经典的干涉型全光纤陀螺仪的光路结构如附图1所示，其中的光学元件包括：超辐射发光二极管、光电检测二极管、光源耦合器、光环耦合器、起偏振器(或消偏振器)、光纤环(即光纤线圈)，共6个光学元件。这种具有6个光学元件的结构被称为干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构。根据附图1，经典的干涉型全光纤陀螺仪的工作原理是：由超辐射发光二极管1发出的偏振光(椭圆偏振光或圆偏振光)输入光源耦合器3的①端口，并被分成两路偏振光；其中沿直通臂传输并由③端口输出的偏振光输入起偏器4；起偏器4将输入的偏振光变为线偏振光并将该线偏振光输入到光环耦合器5的①端口。光环耦合器5将输入的线偏振光分成两路分别从其③、④端口输出；光环耦合器5的③、④端口输出的线偏振光分别沿光纤环6的顺时针和反时针方向传输，然后从光环耦合器5的③、④端口返回光环耦合器5并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏振光又被光环耦合器5分成两路并分别从光环耦合器5的①、②端口输出。从光环耦合器5的①端口输出的线偏振光中：从①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器5的直通臂和耦合臂各一次；沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合器5的直通臂和耦合臂各一次。因此，从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光返回到光环耦合器5的①端口时所经过的光程是相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光，输出互易光的端口也被称为互易端口。然而，从光环耦合器5的②端口输出的线偏振光中：从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器5的直通臂共两次，而沿反时针方向传输的线偏振光则经过光环耦合器5的耦合臂共两次。因此，从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光到达光环耦合器5的②端口时所经过的光程是不相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪的检测信号使用的。从光环耦合器5的①端口(互易端口)输出的线偏振光经过起偏器4输入到光源耦合器3的③端口，光源耦合器3将③端口输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其②端口输入光电检测器2。当光纤环6静止时，从光环耦合器5的①端口出发，分别沿顺时针、反时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器5的①端口时所经过的光程是相同的；当光纤环6转动时，从光环耦合器5的①端口出发，分别沿顺时针、反时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器5的①端口时所经过的光程是不相同的；在这两种情况下，光电检测器2接收到的光信号强度有所不同，由此则可以计算出光纤环6转动的角速度。自干涉型全光纤陀螺仪问世以来的数十年间，这个“最小互易结构”从未受到过挑战。参考文献：(1)HervéC.Lefèvre，″The Fiber-Optic Gyroscope″，ArtechHouse，Boston，1993.(2)光纤陀螺原理与技术，张桂才 编著，国防工业出版社，2008年。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪。这种新的最小互易结构光纤陀螺仪只需五个光学元件。附图1中的光源耦合器是通常意义的耦合器，它只用于对光信号的分路。本发明依据熔锥型熊猫保偏光纤耦合器的特点，制作或挑选能同时对输入光信号进行分路并对且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振这两项功能的熔锥型熊猫保偏光纤耦合器作为光源耦合器，从而使干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构从6个光学元件减为5个光学元件，省略了起偏振器(或消偏振器)。
本发明的技术方案为：
一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪，其特征在于包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、保偏光纤环；所述光源耦合器的端口①与所述偏振光源的输出端对轴连接，且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单元连接，所述光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接，所述光环耦合器与所述保偏光纤环对轴连接；其中，所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分路并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振，所述端口①与所述端口③为所述光源耦合器一直通臂上的两个端口。
进一步的，所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比≥20dB。
进一步的，所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。
进一步的，所述光源耦合器为2×2或1×2结构的耦合器。
进一步的，所述光环耦合器为2×2或1×2结构结构的耦合器。
进一步的，所述偏振光源为超辐射发光二极管。
进一步的，所述检测单元为光电检测二极管。
进一步的，所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。
相对于干涉型全光纤陀螺仪的现有“最小互易结构”，本发明的干涉型全光纤陀螺仪是更小的最小互易结构，该最小互易结构包括：超辐射发光二极管；光电检测二极管；光源耦合器；光环耦合器；光纤环共5个光学元件，如附图2所示，连接方式为：
超辐射发光二极管1(输出的是椭圆偏振光或圆偏振光)与光源耦合器3的①端口相连接，光电检测二极管2与光源耦合器3的②端口相连接，光源耦合器3的③端口与光环耦合器4的①端口相连接，光源耦合器4的④端口空闲不用，光环耦合器4的③、④端口分别与光纤环5的两个端口相连接；光环耦合器4的②端口是非互易端口，空闲不用。
其中光源耦合器3具有以下特点：它的直通臂对光信号具有分光和起偏振两项功能；它的耦合臂对光信号仅具有分光功能。现有陀螺仪结构中的光源耦合器则只用作分光，分光后输出的光通过起偏器起偏振；本发明中的光源耦合器也不同于偏振分束器，它的直通臂和耦合臂分别传输偏振面相互垂直的线偏振光，即能对圆偏振光和椭圆偏振光信号起偏振，但不能对线偏振光进行分光。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明将光纤陀螺仪的最小结构由传统的6光学元件结构改进为5光学元件结构，这样，不仅降低了干涉型全光纤陀螺仪的结构复杂度、降低了生产成本，而且提高了陀螺仪的可靠性，同时由于减小了熔接点，省略了起偏器，减小了光路损耗，从而进一步提高了陀螺仪的精度。
附图说明
图1是经典的干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构光路示意图；
其中：1-超辐射发光二极管；2-光电检测二极管；3-光源耦合器；4-起偏器；5-光环耦合器；6-光纤环。光源耦合器3的①-③、②-④为直通臂，具有分光功能；①-④、②-③为耦合臂，具有分光功能。
图2是本发明的光路结构示意图；
其中：1-超辐射发光二极管；2-光电检测二极管；3-光源耦合器；4-光环耦合器；5-保偏光纤环。光源耦合器3的①-③、②-④为直通臂，对线偏振光具有分光功能，对圆偏振光和椭圆偏振光具有起偏振功能；①-④、②-③为耦合臂，仅具有分光功能。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细地说明本发明。
如附图2所示，本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪包括：超辐射发光二极管1、光电检测二极管2、光源耦合器3、光环耦合器4和保偏光纤环5共五个光学元件。
超辐射发光二极管1可以输出圆偏振光、椭圆偏振光或线偏振光信号，然后将超辐射发光二极管1输出的偏振光输入到光源耦合器3的①、②、③或④端口中的任意一个端口，本实施例中选取①端口为输入端口，如图2所示。光源耦合器3将输入的光信号分为两路并分别从①、②或③、④端口输出；从①或②端口输入则从③、④端口输出；从③或④端口输入则从①、②端口输出，本实施例中选取同一侧的③、④端口作为输出端口，如图2所示。其中，与输入端口直通的端口输出的光信号是线偏振光(偏振消光比≥20dB)，与输入端口不直通的端口输出的光信号是椭圆偏振光或圆偏振光。椭圆偏振光或圆偏振光闲置不用，线偏振光则输入光环耦合器4的①、②、③或④端口中的任意一个端口，本实施例中选取①端口为输入端口，如图2所示。下面以光源耦合器3的①端口接超辐射发光二极管1的信号输出端口为例进行说明，如图2所示。
光源耦合器3的①端口与超辐射发光二极管1的信号输出端口对轴连接；光源耦合器3对输入的偏振光具有分路并对且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振的功能，经光源耦合器3的输出端口③输出的光为线偏振光，光源耦合器3的端口③与光环耦合器4的端口①对轴连接，光环耦合器4将输入的线偏振光信号分为功率相等的两路线偏振光，并分别从③、④端口输出。光环耦合器4的③、④端口输出的光信号分别从保偏光纤环5的两个端口输入并沿顺时针和反时针方向传输。两路沿保偏光纤环5相对传输的线偏振光经过光纤环5传输后又返回到光环耦合器4，并在光环耦合器4内实现相干叠加。相干叠加后的光信号分又为两路线偏振光，并分别从光环耦合器4的①、②端口输出。其中，从光环耦合器4的①端口输出的线偏振光中：从光环耦合器4的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光信号经过光环耦合器4的直通臂和耦合臂各一次，沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合器4的直通臂和耦合臂各一次。因此，从光环耦合器4的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光返回到光环耦合器4的①端口时所经过的光程是相同的，无差别，可互易。所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光，输出互易光的端口也被称为互易端口。然而，从光环耦合器4的②端口输出的线偏振光中：从光环耦合器4的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器4的直通臂共两次，沿反时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器4的耦合臂共两次，因此从光环耦合器4的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光到达光环耦合器4的②端口时所经过的光程是不相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪检测信号使用，因此闲置不用，互易光信号则输入光源耦合器3的③端口。光源耦合器3将③端口输入的光信号分为两路，其中一路经过光源耦合器3的②端口输入光电检测二极管并形成干涉型全光纤陀螺仪的接收信号。该接收信号经过解调、放大和信号处理，则可得到干涉型全光纤陀螺仪的输出角速度。
由附图2可知，本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪只有5个光学元件。
本发明涉及的光源耦合器3是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器，其特征在于：若光源耦合器3的输入光信号为偏振光(线偏振、圆偏振或椭圆偏振)，则其直通臂输出的光信号为线偏振光(偏振消光比≥20dB)，而耦合臂输出的光信号为椭圆偏振光或圆偏振光。光源耦合器3可以通过现有的熔锥型熊猫保偏光纤耦合器的制备方法进行制备，也可以对现有的光源耦合器进行检测，选取适合的(即同时对输入光信号进行分路并对且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振)耦合器作为本发明的光源耦合器。
本发明涉及的光环耦合器4是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器，其特征在于：若光环耦合器4的输入光信号为线偏振光信号，其两路输出光信号都是线偏振光
本发明涉及的光纤环5是采用熊猫保偏光纤绕制的光纤线圈，当然也可以采用其他保偏光纤绕制的光纤线圈。

Claims (8)

1.一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪，其特征在于包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、保偏光纤环；所述光源耦合器的端口①与所述偏振光源的输出端对轴连接，且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单元连接，所述光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接，所述光环耦合器与所述保偏光纤环对轴连接；其中，所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分路并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振，所述端口①与所述端口③为所述光源耦合器一直通臂上的两个端口。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比≥20dB。
3.如权利要求1或2所述的陀螺仪，其特征在于所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。
4.如权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于所述光源耦合器为2×2或1×2结构的耦合器。
5.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于所述光环耦合器为2×2或1×2结构结构的耦合器。
6.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于所述偏振光源为超辐射发光二极管。
7.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于所述检测单元为光电检测二极管。
8.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。
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