CN102003960B - 基于多通道反馈的布里渊陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多通道反馈的布里渊陀螺仪，包括窄线宽激光光源、掺铒光纤放大器、第一和第二光隔离器、50:50耦合器、90:10耦合器、多段单模光纤、多模光纤、法布里珀罗滤波器和光电转换器，其中，窄线宽激光光源的输出端经由第一光隔离器与所述掺铒光纤放大器的输入端相连，所述掺铒光纤放大器的输出端经由第二光隔离器与所述50:50耦合器的输入端口相连，50:50耦合器的两个输出端口分别经由光纤连接所述90:10耦合器的两个耦合端口，90:10耦合器的两个直通端口与多段单模光纤和多模光纤相连形成谐振环，50:50耦合器的另一输出端口经由光纤与法布里珀罗滤波器的输入端相连，法布里珀罗滤波器的输出端与光电转换器的输入端相连。

Description

基于多通道反馈的布里渊陀螺仪

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于多通道反馈的布里渊陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测定其所在载体的转动角速度。陀螺仪被广泛应用在各种飞行器及武器的制导，工业及军事的多种精密测量等领域。常见的陀螺仪有三种类型：机械陀螺仪，激光陀螺仪，和光纤陀螺仪(Fiber-opticgyroscope，FOG)。后两者皆为光学陀螺仪。光学陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高等特点，但是稳定度不及一些现代机械陀螺。由于应用的需要，新型的陀螺仪应具有高的灵敏度与稳定度，较低的成本和功耗，以及体积小等特征。

光学陀螺的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路的旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是基于顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光而产生的正比于旋转角速度的相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，其表达式如下：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4\mathrm{\ωA}}{c^2}\mathrm{\Ω}$ 等式(1)

其中ω为光的频率，c为真空中的光速，A是光路所围的面积(或者是与角速度矢量方向垂直的面积投影)，Ω为转动角速度。

光纤陀螺仪通常包括干涉型陀螺仪，谐振型陀螺仪和布里渊光纤陀螺仪，其中布里渊陀螺仪是在谐振型陀螺仪基础上利用布里渊散射机制来实现的，其可以实现超窄线宽和极高的灵敏性。

图1示出了传统的谐振型光纤陀螺仪的一个示例结构。

从光源发出的光所经过的第一个保偏分束器可以采用50:50的保偏耦合器1，功能是将所得到的线偏振光平分到两个分支光路当中去，并保持同方向的线偏振。方向相反的两路主波束是通过耦合器2将能量耦合进环形腔的。这样环形腔中顺时针方向波束与环形腔产生谐振，谐振响应峰再由耦合器2耦合回光纤环中，由上方的耦合器3将谐振响应峰耦合出来由光电检测器接收。环形腔中的逆时针方向波束由于达不到谐振条件不能够产生谐振，波束由耦合器2耦合进光纤环，再由下方的耦合器4将信号耦合出来由下方的光电检测器接收。

环形腔中偏置调制作用是使系统处于谐振尖峰上。产生偏置调制信号所需的“抖动”调制，是通过腔内的压电陶瓷调制器对腔长进行调制实现的。上方的光电检测器接收的信号经解调后作为误差信号，通过调节频移保证系统处于谐振尖峰上。下方光电检测器接收的信号经解调后作为误差信号通过闭环处理电路施加一个附加的频移Δf_R，这个频移值就代表了旋转角速率信号，它对应着两个反相旋转光路之间的谐振频差。

对于传统的谐振型光纤陀螺仪，为了使得输入光可以在光学腔中产生谐振，必须使得输入光的频率范围覆盖谐振腔的自由光谱范围(FSR)，同时输入光的相干长度又要大于光纤谐振腔的长度和精细度的乘积。通常，输入光的线宽越窄，谐振型光纤陀螺仪的灵敏度越高，所以在一般的谐振型光纤陀螺中，需要对输入光进行扫频处理，扫频范围要大于自由光谱范围。

布里渊陀螺仪的工作机制与谐振型陀螺仪的工作机制不同。在布里渊陀螺仪中，输入光是大功率的窄线宽抽运光，因此，在光纤中传输时，由于非线性的布里渊散射(SBS)效应，通常会产生反向的斯托克斯光，斯托克斯光相比输入光存在GHz量级的频移，并且具有一定的展宽。如果斯托克斯光的线宽超过了自由光谱范围，则就会满足谐振条件。如果采用双向输入的方式，也会产生双向的谐振输出，根据Sagnac效应，在旋转的系统中，两个方向的谐振频率不同，检测两个方向输出光的拍频信号，从而可以得到系统的旋转状态。

${\mathrm{\Δf}}_R=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}=\frac{D}{\mathrm{n\λ}}\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

其中，A为光纤环所围面积，n为光纤折射率，L为光纤环周长，D为光纤环直径，λ为真空中光的波长。

布里渊陀螺仪具有结构简单，精度高等特点，1989年麻省理工大学F.Zarinetchi研究小组第一次完成了实验验证，所测得的实验结构为最大3KHz的拍频。然而，由于测量的灵敏度不够，在低转速下，目前的布里渊陀螺仪通常会发生两方向频差突变为零的死锁现象。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种布里渊陀螺仪，在该布里渊陀螺仪中，在光纤谐振腔中加入一段多模光纤，从而使得谐振腔输出光的线宽进一步被压窄，同时提高谐振腔的色散，由此在相同的转速下增强Sagnac效应，进而增大两个方向拍频信号的频率差，从而可以消除在低转速下的死锁现象，提高布里渊陀螺仪的灵敏度和精度。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多通道反馈的布里渊陀螺仪，包括窄线宽激光光源、掺铒光纤放大器、第一和第二光隔离器、50:50耦合器、90:10耦合器、多段单模光纤、多模光纤、法布里珀罗滤波器和光电转换器，其中，所述窄线宽激光光源的输出端经由第一光隔离器与所述掺铒光纤放大器的输入端相连，所述掺铒光纤放大器的输出端经由第二光隔离器与所述50:50耦合器的输入端口相连，所述50:50耦合器的两个输出端口分别经由光纤连接所述90:10耦合器的两个耦合端口，所述90:10耦合器的两个直通端口与多段单模光纤和多模光纤相连形成谐振环，所述50:50耦合器的另一输出端口经由光纤与所述法布里珀罗滤波器的输入端相连，所述法布里珀罗滤波器的输出端与所述光电转换器的输入端相连。

此外，在所述多模光纤包括多段多模光纤时，所述单模光纤和多模光纤是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式连接的。

此外，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm，长度为5m。

此外，所述单模光纤的长度为30m。

此外，根据本发明的布里渊陀螺仪还可以包括第一和第二可调衰减器，其中，所述第一可调衰减器设置在所述第二光隔离和50:50耦合器的输入端口之间，以及所述第二可调衰减器设置在所述法布里珀罗滤波器的输出端与所述光电转换器的输入端之间。

有益效果

利用根据本发明的布里渊陀螺仪，由于在谐振环中引入例如多模光纤的多通道波导，从而增加了环路通道的数目，增大了整个谐振腔的自由光谱范围。此外，利用环路之间传输函数的相互迭加，可以进一步压缩输出光的线宽，从而提高陀螺仪的灵敏度。

此外，将多模光纤引入谐振环中，还可以进一步增加谐振腔的结构色散，由此增强Sagnac效应，使得系统的低转速也能带来高的拍频，从而克服“死锁现象”。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是示出传统的谐振型光纤陀螺仪的一个示例结构的示图；

图2是示出布里渊散射效应的示图；和

图3是示出根据本发明实施例的基于多通道反馈的布里渊陀螺仪的结构的示图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施例

在参照附图对根据本发明的实施例进行描述之前，首先介绍一下本发明的基本原理。

对于一个单通道谐振腔，比如单模光纤环，它的自由光谱范围为

因此谐振峰的线宽和谐振腔的回路损耗相关。然而，对于多通道谐振腔，比如多模光纤，则可以认为是具有多个谐振腔，该多个谐振腔共同决定输出的谐振点和谐振峰的线宽。假设每个谐振腔的环长为L₁，L₂，L₃，...，L_k，则多腔自由光谱范围为

其中L′是L₁，L₂，L₃，...，L_k的最小公倍数。

假设在谐振腔中可以有效传播的模式个数为m，则将2段“单模光纤-多模光纤-单模光纤”结构级联起来时，所产生不同通路个数有m*m个。这样，将n段“单模光纤-多模光纤-单模光纤”结构级联起来时，独立的通路数为mⁿ个，会随着级联段数急剧增加。若将该级联结构环起来形成环形谐振腔，将产生mⁿ个独立谐振回路。若将该级联结构两端加上反射镜，即形成线腔激光器结构，将产生mⁿ*mⁿ＝m²ⁿ个独立谐振回路。当谐振腔中存在增益介质，形成激光器时，所产生激光需要同时满足所有谐振腔的限制条件，从而所获得的激光具有极窄的线宽。

基于多模光纤的多通道谐振腔激光器在压窄输出线宽上的效果，已经在本研究小组的实验中得到了验证，采用“单模光纤-多模光纤-单模光纤”的连接模式，选择四段或七段外径为125μm、内径为100μm且长度为5m的多模光纤嵌入谐振腔中，激光器的线宽可以被压窄到100Hz以下。实验表明，采用不同芯径和不同长度的多模光纤，对于激光器的输出光的线宽的压窄都会有影响。多模光纤芯径越大，连接多模光纤的段数越多，其中传播的模式越多，压窄线宽的效果越明显。

一般的理论认为，Sagnac效应与光介质的材料特性无关，然而在最近的耦合谐振腔中高色散慢光效应的研究表示，虽然介质的材料色散与Sagnac效应无关，但是谐振腔的结构色散却可以影响Sagnac效应。对于耦合谐振腔来说，高结构色散可以增强Sagnac效应，而多通道光波导的引入，大大提高了谐振环的色散，从而增加了Sagnac效应。理论计算表明，在10m长的单模光纤谐振环中加入一段5m长的多模光纤，就可以把谐振腔的群色散指数提高10³倍以上，相应的陀螺精度也会提高。

本发明的主要原理就是在谐振腔中加入光学多通道波导(例如，多模光纤)，压窄输出光的线宽，同时提高谐振腔的色散，增强Sagnac效应，消除死锁现象，从而大大提高布里渊光纤陀螺仪的灵敏度。

图3示出了根据本发明实施例的基于多通道反馈的布里渊陀螺仪300的结构的示图。

如图3所示，布里渊陀螺仪300包括窄线宽激光光源310、第一光隔离器315、掺铒光纤放大器320、第二光隔离器325、50:50耦合器330、90:10耦合器335、多段单模光纤340、多模光纤345、法布里珀罗滤波器350和光电转换器360。

所述窄线宽激光光源310的输出端经由第一光隔离器315与所述掺铒光纤放大器320的输入端相连，所述掺铒光纤放大器320的输出端经由第二光隔离器325与所述50:50耦合器330的输入端口A相连。

所述50:50耦合器的两个输出端口C和D分别经由光纤连接所述90:10耦合器335的两个耦合端口b和d，所述90:10耦合器的两个直通端口a和c与多段(图中示出为两段)单模光纤340和多模光纤345相连形成谐振环，其中所述单模光纤340和多模光纤345按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式连接。例如，优选地，在本例中，采用两段单模光纤和一段多模光纤，多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm，长度为5m。单模光纤的长度为30m。很显然，还可以采用更多的单模光纤和多模光纤。此外，多模光纤的外芯直径、内芯直径以及长度也可以采用其它值。根据实验可知，串联的多模光纤段数越多，压缩线宽效果越好。

所述50:50耦合器的另一输出端口B经由光纤与所述法布里珀罗滤波器350的输入端相连，所述法布里珀罗滤波器350的输出端与所述光电转换器360的输入端相连。

此外，根据本发明的布里渊陀螺仪300还可以包括第一和第二可调衰减器(未示出)，其中，所述第一可调衰减器设置在所述第二光隔离器和50:50耦合器330的输入端口之间，以及所述第二可调衰减器设置在所述法布里珀罗滤波器350的输出端与所述光电转换器360的输入端之间。第一可调衰减器的作用是调节进入光路的光功率，第二可调衰减器的作用是调节进入光电转换器的光功率，从而被探测的光功率太大，超出光电转换器的测量范围。

在工作时，从窄线宽激光光源(例如，窄线宽激光器)产生的激光通过第一光隔离器315进入掺铒光纤放大器(EDFA)320进行功率放大。在本例中，窄线宽激光光源是中心波长为1550nm的窄线宽激光器(Laser)，其输出光的线宽为2kHz，输出功率范围为0.0mW～11.6mW。为了得到较高的抽运光功率，将激光器输出光功率控制在7mW～10mW之间。经过EDFA 320放大后，激光的功率变为2w。这里，在激光器310的输出端设置第一光隔离器315，是为了保证光路中的反射光不会进入激光器，对激光器造成损害。

然后，将放大后的激光经由第二光隔离器325进入50:50耦合器330的端口A，经过50:50耦合器330后，所输入的激光被对称地分为功率相等的两束，分别从端口C和D输出。这里，第一光隔离器315和第二光隔离器325分别设置在窄线宽激光光源310和大功率掺铒光纤放大器320的输出端，用来保护激光器和放大器不被光路中的反射光损害。

从端口C和D输出的光沿着两个相反的方向进入90:10耦合器335的端口b和d，从而沿两个方向进入由90:10耦合器335的两个端口a和c通过两段单模光纤340和一段多模光纤345连接而成的谐振环。随后，沿两个方向进入谐振环的光在环中发生布里渊散射，从而产生两个方向的斯托克斯光，这两个方向的斯托克斯光在环中发生谐振后从90:10耦合器335的两个端口b和d输出，返回到50:50耦合器的端口B。

对于90:10耦合器335而言，a和c是直通臂，b和d是直通臂，从b端口和d端口输入的光，只有10％进入谐振腔中，谐振腔的耦合系数为0.9，顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)的光分别产生反向的斯托克斯光，即逆时针方向(CCW)和顺时针方向(CW)的斯托克斯光。

斯托克斯光在谐振腔中经过多通道的选频作用，最后的输出光是被压窄的谐振峰。对于旋转系统，Sagnac效应的存在使得顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)斯托克斯光的谐振峰的中心频率会有一个频差Δf，根据前面的分析，由于多模光纤带来的谐振腔的高色散，Sagnac效应被增强，Δf也会增大。

顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)的光从90:10耦合器的b端口和d端口回到50:50的耦合器的C端口和D端口，耦合到B端口，进入光电转换器(PD)检测。

两束光的拍频信号经过法布里珀罗滤波器350，由法布里珀罗滤波器350对输出光进行滤波，并分离出输入的抽运光和布里渊散射的斯托克斯光。

这是因为进入光电转换器的光实际上有四束：两个方向的经过谐振腔的入射光和两个方向的经过谐振腔的斯托克斯光。入射光的光功率要远大于斯托克斯光，它们自己的拍频是接近零频率的低频信号，它们和斯托克斯光之间的拍频是10GHz量级的高频信号，而Sagnac效应引起的两束谐振后的斯托克斯光产生的拍频信号在kHz～MHz附近。因此，为了检测这个拍频信号，需要利用法布里珀罗滤波器350对光电转换器的接受信号进行带通滤波，把低频成分和高频成分都滤掉。在本例中使用的滤波器是法布里珀罗滤波器。在替换实例中，也可以使用光纤光栅滤波器。

然后，由光电转换器360接收滤波后的光信号并进行光电转换，从而获取电信号来进行信号处理，从而实现转动角速度的测量。

如上参照图3描述了根据本发明的实施例的基于多通道反馈的布里渊陀螺仪。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于多通道反馈的布里渊陀螺仪，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (4)

1.一种基于多通道反馈的布里渊陀螺仪，包括窄线宽激光光源、掺铒光纤放大器、第一和第二光隔离器、50：50耦合器、90：10耦合器、多段单模光纤、多模光纤、法布里珀罗滤波器和光电转换器，

其中，所述窄线宽激光光源的输出端经由第一光隔离器与所述掺铒光纤放大器的输入端相连，所述掺铒光纤放大器的输出端经由第二光隔离器与所述50:50耦合器的输入端口相连，所述50:50耦合器的两个输出端口分别经由光纤连接所述90：10耦合器的两个耦合端口，所述90:10耦合器的两个直通端口与多段单模光纤和多模光纤相连形成谐振环，所述50:50耦合器的另一输出端口经由光纤与所述法布里珀罗滤波器的输入端相连，所述法布里珀罗滤波器的输出端与所述光电转换器的输入端相连，

其中，所述多模光纤包括多段多模光纤，所述单模光纤和多模光纤是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式连接，并且每一段多模光纤单独位于两段单模光纤之间。

2.如权利要求1所述的布里渊陀螺仪，其中，所述多模光纤中的每段多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm，长度为5m。

3.如权利要求1所述的布里渊陀螺仪，其中，所述单模光纤的长度为30m。

4.如权利要求1所述的布里渊陀螺仪，还包括第一和第二可调衰减器，其中，所述第一可调衰减器设置在所述第二光隔离器和50:50耦合器的输入端口之间，以及所述第二可调衰减器设置在所述法布里珀罗滤波器的输出端与所述光电转换器的输入端之间。

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