CN102393198A - 一种光学陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明的光学陀螺仪包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、起偏器、保偏分合器、光纤环。其中，光源耦合器的第一端口与偏振光源的输出端对轴连接，光源耦合器的第二端口与检测单元连接，光源耦合器的第三端口与光环耦合器对轴连接；光环耦合器还与起偏器的第一端口对轴连接，起偏器的第三端口与保偏分合器的第一端口对轴连接，起偏器的第四端口与保偏分合器的第二端口对轴连接；保偏分合器的第三端口和第四端口分别与光纤环的两个端口对轴连接。本发明的光学陀螺仪具有体积小、结构简单、高灵敏度和高分辨率等优点。此外，与现有的光学陀螺仪相比，对于相同光程来说，采用本发明技术方案还可节省一半的光纤用量。

Description

一种光学陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光学陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。

如图1所示，经典的干涉型全光纤陀螺仪包括以下六个光学元件：偏振光源（超辐射发光二极管）、检测单元（光电检测二极管）、光源耦合器、光环耦合器、起偏器（或消偏振器）、光纤环（即光纤线圈）。这种具有上述六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。如图1所示，这种光学陀螺仪的工作原理可描述如下：

由超辐射发光二极管10发出的偏振光（椭圆偏振光或圆偏振光）输入到光源耦合器30的第一端口31，并被分成两路偏振光，其中的沿直通臂传输并由光源耦合器30的第三端口33输出的偏振光被传输至起偏器40，由起偏器40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的第一端口51。光环耦合器50将输入的线偏振光分成两路，并分别从其第三端口53和第四端口54输出。光环耦合器50的第三端口53和第四端口54输出的线偏振光分别沿光纤环60的顺时针和反时针的方向传输；然后从光环耦合器50的第三端口53和第四端口54返回至光环耦合器50，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50分成两路，并分别从光环耦合器5的第一端口51和第二端口52输出。

对于从光环耦合器50的第一端口51输出的线偏振光来说：从第一端口51出发的沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器50的直通臂和耦合臂各一次；沿反时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器50的直通臂和耦合臂各一次。因此，从光环耦合器50的第一端口51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50的第一端口51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，对于从光环耦合器50的第二端口52输出的线偏振光中来说：从光环耦合器50的第一端口51出发的沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器50的直通臂共两次，而沿反时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器50的耦合臂共两次。因此，从光环耦合器50的第一端口51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50的第二端口52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50的第一端口51（互易端口）输出的线偏振光经过起偏器40输入到光源耦合器30的第三端口33，光源耦合器30将第三端口33输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过光源耦合器30的第二端口32输入光电检测器20。当光纤环60静止时，从光环耦合器50的第一端口51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50的第一端口时所经过的光程是相同的。当光纤环60转动时，从光环耦合器50的第一端口51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50的第一端口51时所经过的光程是不相同的。在这两种情况下，光电检测器20接收到的光信号强度有所不同，由此则可以计算出光纤环60转动的角速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有更高灵敏度和分辨率的光学陀螺仪。

本发明的技术方案如下：

一种光学陀螺仪，包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、起偏器、光纤环；所述光源耦合器的第一端口与所述偏振光源的输出端对轴连接，所述光源耦合器的第二端口与所述检测单元连接，所述光源耦合器的第三端口与所述光环耦合器对轴连接；所述光环耦合器还与所述起偏器的第一端口对轴连接；所述起偏器的第三端口和第四端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接；特别地，

所述光学陀螺仪还包括保偏分合器，所述保偏分合器的第一端口与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述保偏分合器的第二端口与所述起偏器的第四端口对轴连接，所述保偏分合器的第三端口和第四端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接。

进一步地，所述保偏分合器包括第一单模保偏准直器、第二单模保偏准直器、第三单模保偏准直器、第四单模保偏准直器、双折射晶体组、和零级半波片，

所述第一单模保偏准直器与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述第二单模保偏准直器与所述起偏器的第四端口对轴连接，所述第三单模保偏准直器和所述第四单模保偏准直器分别与所述光纤环的两个端口对轴连接；

经所述第一单模保偏准直器射入的线偏振光通过所述双折射晶体组传输至所述第四单模保偏准直器；

经所述第三单模保偏准直器射入的线偏振光通过所述零级半波片，由所述零级半波片将所述线偏振光的偏振态旋转90°后，再经由所述双折射晶体组传输至所述第二单模保偏准直器或者所述第四单模保偏准直器；

所述第一单模保偏准直器的尾纤、第二单模保偏准直器的尾纤、第三单模保偏准直器的尾纤、第四单模保偏准直器的尾纤采用相同的对准方式。

进一步地，所述对准方式包括平行于所述光纤环的快轴和平行于所述光纤环的慢轴两种。

进一步地，所述保偏分合器包括保偏分束器和保偏合束器，

所述保偏分束器的第一输出端口与所述保偏合束器的第一输入端口对轴连接，且所述保偏分束器的第一输出端口的尾纤与所述保偏合束器的第一输入端口的尾纤采用相同的对准方式；

所述保偏分束器的第二输出端口与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述保偏合束器的第二输入端口与所述起偏器的第四端口对轴连接；

所述保偏分束器的输入端口与所述保偏合束器的输出端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接，且所述保偏分束器的输入端口的尾纤与所述保偏合束器的输出端口的尾纤之间的对准方式相互垂直。

进一步地，所述对准方式包括平行于所述光纤环的快轴和平行于所述光纤环的慢轴两种。

本发明的有益效果是：

本发明的光学陀螺仪具有体积小、结构简单、高灵敏度和高分辨率等优点。此外，与现有的光学陀螺仪相比，对于相同光程来说，采用本发明技术方案还可节省一半的光纤用量。

附图说明

图1为本现有技术中光学陀螺仪的构成示意图；

图2为本发明光学陀螺仪的构成示意图；

图3为本发明中保偏分合器的第一种实现方式的构成示意图；

图4为本发明中保偏分合器的第二种实现方式的构成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示，本发明的光学陀螺仪包括偏振光源10、检测单元20、光源耦合器30、光环耦合器40、起偏器50、保偏分合器70、光纤环60（由保偏光纤弯转形成）。其中，光源耦合器30的第一端口31与偏振光源10的输出端对轴连接，光源耦合器30的第二端口32与检测单元20连接，光源耦合器30的第三端口33与光环耦合器40对轴连接；光环耦合器40还与起偏器50的第一端口51对轴连接，起偏器50的第三端口53与保偏分合器70的第一端口71对轴连接，起偏器50的第四端口54与保偏分合器70的第二端口72对轴连接；保偏分合器70的第三端口73和第四端口74分别与光纤环60的两个端口对轴连接。

本发明技术方案在现有的光纤陀螺仪最小互易结构的基础上，增加了一个保偏分合器70，这样就可以使线偏振光两次通过光纤环60，在使用相同长度光纤的情况下，本发明的陀螺仪就可增加一倍的光程，从而可提高陀螺仪的灵敏度和精准度。或者是，若使得现有的陀螺仪与本发明的陀螺仪具有相同的灵敏度和精准度，则本发明陀螺仪的光纤用量为现有陀螺仪的光纤用量的一半，从而可达到节约成本的效果。

如图3所示，作为本发明中的保偏分合器的第一种实现方式，保偏分合器可包括第一单模保偏准直器81、第二单模保偏准直器82、第三单模保偏准直器83、第四单模保偏准直器84、双折射晶体组85、和零级半波片86。其中，第一单模保偏准直器81与起偏器50的第三端口53对轴连接，第二单模保偏准直器82与起偏器50的第四端口54对轴连接，第三单模保偏准直器83和第四单模保偏准直器84分别与光纤环60的两个端口对轴连接。经第一单模保偏准直器81射入的线偏振光通过双折射晶体组85传输至第四单模保偏准直器84。经第三单模保偏准直器83射入的线偏振光通过零级半波片86，由零级半波片86将线偏振光的偏振态旋转90°后，再经由双折射晶体组85传输至第二单模保偏准直器82或者第四单模保偏准直器84。进一步地，第一单模保偏准直器81内部的尾纤、第二单模保偏准直器82内部的尾纤、第三单模保偏准直器83内部的尾纤、第四单模保偏准直器84内部的尾纤都采用相同的对准方式。也就是说，四个单模保偏准直器内的尾纤均与光纤环采用相同的对准方式，可以采用平行于光纤环60的快轴的对准方式，也可以采用平行于光纤环60的慢轴的对准方式。

下面以起偏器50的第三端口53向保偏分合器输入线偏振光为例，对保偏分合器的第一种实现方式的工作过程进行简单描述。

首先，若经由第三端口53传输至第一单模保偏准直器81的为常光O，则通过双折射晶体组85射出后仍为常光O，O光沿直线传播，并通过第四单模保偏准直器84射出，第一次进入光纤环60传播。

其次，O光通过光纤环60后入射到第三单模保偏准直器83，并由零级半波片86改变光的偏振态，将常光O旋转90°变成非常光E，再通过双折射晶体组85射出传输至第四单模保偏准直器84，并经由第四单模保偏准直器84第二次进入光纤环60传播，此时仍为E光。

最后，E光通过光纤环60后入射到第三单模保偏准直器83，并再次由零级半波片86改变光的偏振态，将E光旋转90°变成O光，并通过双折射晶体组85射出传输至第二单模保偏准直器82，并经由第二单模保偏准直器82最后传输至起偏器50的第四端口54。

需要说明的是，保偏分合器的光路是可逆的，也就是说线偏振光也可以经由起偏器50的第四端口54入射到保偏分合器，两次经过光纤环60后，通过起偏器50的第三端口53传输出。其工作原理与上述过程相同，此处不再赘述。

综上所述，线偏振光两次经过光纤环60，与现有的陀螺仪相比，光程增加了一倍。

如图4所示，作为本发明中的保偏分合器的第二种实现方式，保偏分合器可包括保偏分束器92和保偏合束器91。其中，保偏分束器92的第一输出端口97与保偏合束器91的第一输入端口94对轴连接，且第一输出端口97内部的尾纤与第一输入端口94内部的尾纤均采用相同的对准方式。保偏分束器92的第二输出端口98与起偏器50的第三端口53对轴连接，保偏合束器91的第二输入端口95与起偏器50的第四端口54对轴连接。保偏分束器92的输入端口96与保偏合束器91的输出端口93分别与光纤环60的两个端口对轴连接，且保偏分束器92的输入端口96内部的尾纤与保偏合束器91的输出端口93内部的尾纤的对准方式相互垂直。上述提及的对准方式可包括平行于光纤环60的快轴的对准方式和平行于光纤环60的慢轴的对准方式两种。

下面以起偏器50的第四端口54向保偏分合器输入线偏振光为例，对保偏分合器的第二种实现方式的工作过程进行简单描述。

首先，若经由第四端口54传输至保偏合束器91的第二输入端口95的为常光O，则经由保偏合束器91的输出端口93传输至光纤环60的仍为O光，这是线偏振光第一次经过光纤环60。

其次，O光通过光纤环60后入射到保偏分束器92的输入端口96，因为保偏分束器92的输入端口96与保偏合束器91的输出端口93的对准方式相互垂直，所以常光O被旋转90°变成非常光E，再通过保偏分束器92的第一输出端口97传输至保偏合束器91的第一输入端口94，并通过保偏合束器91的输出端口93第二次进入光纤环60传播，此时仍为E光。

最后，E光通过光纤环60后入射到保偏分束器92的输入端口96，并再次改变光的偏振态，将E光旋转90°变成O光，并通过保偏分束器92的第一输出端口98最后传输至起偏器50的第三端口53。

需要说明的是，保偏分合器的光路是可逆的，也就是说线偏振光也可以经由起偏器50的第三端口53入射到保偏分合器，两次经过光纤环60后，通过起偏器50的第四端口54传输出。其工作原理与上述过程相同，此处不再赘述。

综上所述，线偏振光同样地也是两次经过光纤环60，与现有的陀螺仪相比，光程增加了一倍。

除此之外，本发明的光学陀螺仪也可以不采用光纤环60，而是通过空间光（以真空或者空气为介质进行传播）来进行光的传播，同样可达到提高光学陀螺仪灵敏度和分辨率的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学陀螺仪，包括偏振光源、检测单元、光源耦合器、光环耦合器、起偏器、光纤环；所述光源耦合器的第一端口与所述偏振光源的输出端对轴连接，所述光源耦合器的第二端口与所述检测单元连接，所述光源耦合器的第三端口与所述光环耦合器对轴连接；所述光环耦合器还与所述起偏器的第一端口对轴连接；所述起偏器的第三端口和第四端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接；其特征在于，

所述光学陀螺仪还包括保偏分合器，所述保偏分合器的第一端口与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述保偏分合器的第二端口与所述起偏器的第四端口对轴连接，所述保偏分合器的第三端口和第四端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接。

2.按照权利要求1所述的光学陀螺仪，其特征在于，

所述保偏分合器包括第一单模保偏准直器、第二单模保偏准直器、第三单模保偏准直器、第四单模保偏准直器、双折射晶体组、和零级半波片，

所述第一单模保偏准直器与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述第二单模保偏准直器与所述起偏器的第四端口对轴连接，所述第三单模保偏准直器和所述第四单模保偏准直器分别与所述光纤环的两个端口对轴连接；

经所述第一单模保偏准直器射入的线偏振光通过所述双折射晶体组传输至所述第四单模保偏准直器；

经所述第三单模保偏准直器射入的线偏振光通过所述零级半波片，由所述零级半波片将所述线偏振光的偏振态旋转90°后，再经由所述双折射晶体组传输至所述第二单模保偏准直器或者所述第四单模保偏准直器；

所述第一单模保偏准直器的尾纤、第二单模保偏准直器的尾纤、第三单模保偏准直器的尾纤、第四单模保偏准直器的尾纤采用相同的对准方式。

3.按照权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，

所述对准方式包括平行于所述光纤环的快轴和平行于所述光纤环的慢轴两种。

4.按照权利要求1所述的光学陀螺仪，其特征在于，

所述保偏分合器包括保偏分束器和保偏合束器，

所述保偏分束器的第一输出端口与所述保偏合束器的第一输入端口对轴连接，且所述保偏分束器的第一输出端口的尾纤与所述保偏合束器的第一输入端口的尾纤采用相同的对准方式；

所述保偏分束器的第二输出端口与所述起偏器的第三端口对轴连接，所述保偏合束器的第二输入端口与所述起偏器的第四端口对轴连接；

所述保偏分束器的输入端口与所述保偏合束器的输出端口分别与所述光纤环的两个端口对轴连接，且所述保偏分束器的输入端口的尾纤与所述保偏合束器的输出端口的尾纤的对准方式相互垂直。

5.按照权利要求4所述的光学陀螺仪，其特征在于，

所述对准方式包括平行于所述光纤环的快轴和平行于所述光纤环的慢轴两种。

Images