CN102032905A - 一种慢光效应增强的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种慢光效应增强的光纤陀螺，属于通信技术领域。本发明的光纤陀螺包括两种结构，其一为：光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，耦合器1的两输出端分别经一耦合器与一耦合器2的一输入和输出端连接，耦合器2的另一输入和输出端与耦合谐振腔连接，与耦合器1两输出端连接的耦合器分别与一光电检测器连接，用于接收所述耦合谐振腔中的信号；其二为：光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，耦合器1的一输出端与一耦合器2的一输入端连接，耦合器2的一输出端与一光电检测器连接；耦合谐振腔分别与耦合器1的另一输出端、耦合器2的另一输入端连接。与现有技术相比，本发明的光纤陀螺具有价格底、测量精度高等优点。

Description

一种慢光效应增强的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，尤其涉及一种慢光效应增强的光纤陀螺，属于通信技术领域。

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。陀螺仪被广泛的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-optic gyroscope，FOG)。后两者皆为光学陀螺仪。光学陀螺仪有结构紧凑，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，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光产生了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，表达式如下：

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

其中ω为光的频率，c为真空中光速，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。方程(1)说明萨格纳克相移与环路形状和旋转中心位置没有关系，而且与导波介质的折射率也无光。

为了方便分析，我们以图1中的结构为例进行说明。

整个系统的光源S。要求光源的相干长度必须大于光纤线圈长度与精细度的乘积。

谐振式光纤陀螺与干涉式光纤陀螺不同在于：谐振式光纤陀螺的输出响应在零输入角速度时不是自动以一个极值点为中心。光源频率和腔长必须首先与一个方向上的谐振匹配(图1中是使顺时针方向波束在环形腔中谐振)，而在相反方向上检测旋转角速率，检测灵敏度提高一倍。因此，紧随光源后是频移器，其作用就是将光源频率偏移Δf，使顺时针方向的主束在环形腔内产生谐振。

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。

传统谐振式陀螺中，引入萨格奈克(Sagnac)相移的结构通常是一个环形谐振腔，因为其闭合面积可以提供旋转矢量的通量。

传统谐振式陀螺中，旋转所引起的萨格奈克(Sagnac)相移会使得谐振环中顺时针光信号与逆时针光信号的光程发生变化，最终导致谐振频率不同，检测这两个谐振频率之差即可测量旋转的角速度。

$\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}=\frac{D}{\mathrm{n\λ}}\mathrm{\Ω}$

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种慢光效应增强的光纤陀螺。本发明将引入萨格奈克(Sagnac)相移的结构换成了耦合谐振腔，如图2所示。i个耦合谐振腔系统的复传输函数如下：

其中，r_i是第i个谐振腔与第i-1个谐振腔的振幅耦合比。a_i是第i个谐振腔的单圈损耗，无损耗其值为1。

是第i个谐振腔的单圈引入相位。其幅频响应τ_i为

其相频响应

为

互相耦合的谐振腔不仅可以提供多个闭合面积，增大萨格奈克(Sagnac)相移，而且多个谐振腔之间的互相作用还会使得系统的幅频响应更加陡峭，如图3，图4所示，最终提高谐振陀螺的精度。

当相互耦合的谐振腔个数为偶数时，谐振频率的光在互易端口透射出来，这一频率的光信号所经历的折射率大，同时损耗小，从而可以检测输出信号与输入信号的相位差。而单环的环形谐振腔的谐振频率处，没有足够大的输出信号功率可以检测。图5为单个环形谐振腔幅频响应和双环耦合谐振腔的幅频响应的比较。

本发明的技术方案为：

一种慢光效应增强的光纤陀螺，包括光源、两个光电检测器、若干个耦合器、耦合谐振腔；所述光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，所述耦合器1的两输出端分别经一耦合器与一耦合器2的一输入和输出端连接，所述耦合器2的另一输入和输出端与所述耦合谐振腔连接，与所述耦合器1两输出端连接的耦合器，即耦合器3和耦合器4，分别与一所述光电检测器连接，用于接收所述耦合谐振腔中的信号。

所述耦合谐振腔包括若干个环形腔，所述环形腔之间分别通过一耦合器连接。

所述光源经一频移器1与所述耦合器1的输入端连接。

所述耦合器1的输出端经一频移器2与所述耦合器3连接，同时与所述耦合器3连接的所述光电检测器依次经谐振控制回路、偏置调制电路与所述频移器1连接；与所述耦合器4连接的所述光电检测器经一反馈回路与所述频移器2连接。

所述偏置调制电路为方波调制。

所述耦合器1为50∶50的保偏耦合器。

一种慢光效应增强的光纤陀螺，包括光源、光电检测器、若干个耦合器、耦合谐振腔；所述光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，所述耦合器1的一输出端与一耦合器2的一输入端连接，所述耦合器2的一输出端与一所述光电检测器连接；所述耦合谐振腔分别与所述耦合器1的另一输出端、所述耦合器2的另一输入端连接。

所述耦合谐振腔包括若干个环形腔，所述环形腔之间分别通过一耦合器连接。

所述耦合器1为50∶50的保偏耦合器。

本发明的积极效果为：

本发明的优势是：即克服了传统干涉式光纤陀螺需要数百米价格昂贵的保偏光纤的缺点，又进一步大大提高了传统谐振式光纤陀螺的精度。因为，多谐振腔不仅可以提供多个闭合面积，增大萨格奈克(Sagnac)相移，而且多个谐振腔之间的互相作用还会使得系统的幅频响应更加陡峭，最终大大提高谐振陀螺的精度。本发明是目前高精度光纤陀螺的新颖而很有发展前途的实现方法。

附图说明

图1传统R-FOG的结构；

图2i个耦合器谐振腔；

图3耦合谐振环相位响应；

(a)单个谐振环时的相位响应曲线，(b)2个谐振环时的相位响应曲线，

图4耦合谐振环等效折射率；

(a)单个谐振环时的等效折射率，(b)2个谐振环时的等效折射率，

图5耦合谐振环幅度-频率响应；

(a)单个谐振环时的幅度-频率响应，(b)2个谐振环时的幅度-频率响应，

图6慢光效应增强的光纤陀螺的最小结构1；

图7慢光效应增强的光纤陀螺的实施方案1；

图8慢光效应增强的光纤陀螺的最小结构2；

图9慢光效应增强的光纤陀螺的实施方案2；

图10实施方案2中相位差

与转速Ω的关系曲线。

具体实施方式

本发明有两种实现方案，下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图6是慢光效应增强的光纤陀螺的最小结构1。输入光经过50∶50耦合器1后分成两束功率相等的光，两束方向相反的主波束由耦合器2进入耦合谐振环，最终方向1与方向2的光经过耦合器3和4耦合出来，再分别由光电检测器接收后进行相干检测，检测到的谐振频率之差反映了旋转角速度的大小。

对于最小结构1，完整的一套实施方案，如图7所示。整个系统的光源S，要求光源的相干长度必须大于光纤线圈长度与精细度的乘积。

谐振式光纤陀螺的输出响应在零输入角速度时光源频率和腔长必须首先与一个方向上的谐振匹配(图7中是使顺时针方向波束在环形腔中谐振)，而在相反方向上检测旋转角速率，检测灵敏度提高一倍。因此，紧随光源后是频移器，其作用就是将光源频率偏移Δf，使光纤陀螺工作时顺时针方向的主波束在环形腔内产生谐振。

为了准确探测谐振频率差，需要对光波频率进行调制解调，以便得到转速信号。常用的调制方法有正弦调制和方波调制两种，方波调制方法的极限灵敏度优于正弦频率调制方法的极限灵敏度，且其输出信号为方波强度调制信号，是实现全数字处理R-FOG的较理想的调制方案。本方案采用方波调制。将方波频率调制信号加在紧随光源后的频移器Δf上，这样该频移器的作用有两个：1.在光纤陀螺工作时，频率偏移Δf后使顺时针方向主波束在环形腔内谐振。2.在频率偏移Δf的基础上，以方波的形式加入“波动”，即加入方波偏置调制。

从光源发出的光经过频移器Δf后，进入第一个保偏分束器，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。

环形腔中顺时针方向主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，由耦合器3将谐振响应峰耦合出来由光电检测器接收。光电检测器接收的信号经解调后作为误差信号，通过调节频移器Δf保证系统处于谐振尖峰上。

环形腔中的逆时针方向主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，再由耦合器4将信号耦合出来由光电检测器接收。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(反馈回路)施加一个附加的频移Δf_R，令环形腔中的逆时针方向波束也在环形腔中谐振。这个频移值同时也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。

本发明的实施步骤表述如下：

1.连接光路及检测仪器如图7。

2.静止时设定激光器输出频率f。静止时，两个方向上的透明频率相同。估计每个谐振腔的谐振频率，在次频率附近调节激光器的输出频率，检测器检测到的功率最大时，频率调节停止。

3.陀螺旋转时，由反馈回路输出附加的频移Δf_R，这个频移值同时反映了旋转角速率信号，经计算可得到旋转角速度。

图8是慢光效应增强的光纤陀螺的最小结构2。输入光经过50∶50耦合器1后分成两束功率相等的光。一路作为参考光，一路经过耦合谐振环，最终两路光在耦合器2处干涉得到传输函数的相位信息。

检测得到的干涉信号的形式为，

其中I₁是经过耦合谐振环的信号的功率，I₀是参考光的功率，

是两路信号的相位差，可认为是耦合谐振环输入输出信号的相位差

可以表示成

当输入信号光的频率为静止时耦合谐振腔的透明频率时，

耦合谐振腔的输入输出信号相位差为

转动后，

输入输出信号相位差变化如图3(b)。

此时检测到的相位差

是转速Ω的函数。如图10所示。

对于最小结构2，完整的一套实施方案，如图9所示，实施步骤表述如下：

1.连接光路及检测仪器如图9。

2.静止时设定激光器输出频率f。估计每个谐振腔的谐振频率，在次频率附近调节激光器的输出频率，检测器检测到的功率最大时，频率调节停止。

3.连接3，4端口，检测干涉信号

其中

即为由萨格奈克(Sagnac)相移引入的耦合谐振环系统的输入输出信号相位差。

4.根据公式(*)和

即可计算出

对应的转速Ω。

Claims (9)

1.一种慢光效应增强的光纤陀螺，包括光源、两个光电检测器、若干个耦合器、耦合谐振腔；所述光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，所述耦合器1的两输出端分别经一耦合器与一耦合器2的一输入和输出端连接，所述耦合器2的另一输入和输出端与所述耦合谐振腔连接，与所述耦合器1两输出端连接的耦合器，即耦合器3和耦合器4，分别与一所述光电检测器连接，用于接收所述耦合谐振腔中的信号。

2.如权利要求1所述的光纤陀螺，其特征在于所述耦合谐振腔包括若干个环形腔，所述环形腔之间分别通过一耦合器连接。

3.如权利要求1所述的光纤陀螺，其特征在于所述光源经一频移器1与所述耦合器1的输入端连接。

4.如权利要求3所述的光纤陀螺，其特征在于所述耦合器1的输出端经一频移器2与所述耦合器3连接，同时与所述耦合器3连接的所述光电检测器依次经谐振控制回路、偏置调制电路与所述频移器1连接；与所述耦合器4连接的所述光电检测器经一反馈回路与所述频移器2连接。

5.如权利要求4所述的光纤陀螺，其特征在于所述偏置调制电路为方波调制。

6.如权利要求1或3或4所述的光纤陀螺，其特征在于所述耦合器1为50∶50的保偏耦合器。

7.一种慢光效应增强的光纤陀螺，包括光源、光电检测器、若干个耦合器、耦合谐振腔；所述光源与一耦合器1的输入端通过光纤连接，所述耦合器1的一输出端与一耦合器2的一输入端连接，所述耦合器2的一输出端与一所述光电检测器连接；所述耦合谐振腔分别与所述耦合器1的另一输出端、所述耦合器2的另一输入端连接。

8.如权利要求7所述的光纤陀螺，其特征在于所述耦合谐振腔包括若干个环形腔，所述环形腔之间分别通过一耦合器连接。

9.如权利要求7所述的光纤陀螺，其特征在于所述耦合器1为50∶50的保偏耦合器。

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