CN102650523B - 一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，包括光源、第一耦合器、光纤环、第二耦合器、第一隔离器、第二隔离器、波导、第三耦合器、偏振分束器、第一探测器和第二探测器；本发明实现了差分双干涉式光纤陀螺的闭环控制，并且采用了波长稳定性较好的激光光源，提高了光纤陀螺的标度因数稳定性和环境适应性，本发明SAGNAC相位解算方法简单。

Description

一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现SAGNAC效应倍增和闭环控制的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。

国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式，即利用一套光路(一个保偏光纤环)的快轴或者慢轴实现SAGNAC干涉仪，通过分别按照顺时针(CW)、逆时针(CCW)传播的两束主波列之间的干涉来解算载体转动导致的SAGNAC相移。这种干涉仪虽然结构简单，但是随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出，以现有的技术和工艺水平，在维持精度的前提下，进一步减小体积、重量很难实现突破，反之亦然。

差分双干涉式光纤陀螺仪是在一套光路(一个保偏光纤环)中，利用其快轴和慢轴分别实现一个SAGNAC干涉仪，这两路干涉仪的输出呈现差分形式，经过差分解算以后，SAGNAC效应得到加倍。目前，差分双干涉式光纤陀螺仪采用的是开环方案，存在相应非线性、易受环境影响及动态范围小等问题，严重影响了差分双干涉式光纤陀螺的实用化。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现SAGNAC效应倍增和闭环控制的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪。

一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，包括光源、第一耦合器、光纤环、第二耦合器、第一隔离器、第二隔离器、波导、第三耦合器、偏振分束器、第一探测器和第二探测器；

光源与第一耦合器的A₁端口以45°熔接于熔点O₁，第一耦合器的C₁端口与第二耦合器的A₂端口以0°熔接于熔点O₂，第二耦合器的B₂端口与第一隔离器的一端以0°熔接于熔点O₃，第一隔离器的另一端与波导以0°熔接于熔点O₅，波导的另一端与第三耦合器的C₃端口以0°熔接于熔点O₇，第二耦合器的C₂端口与第二隔离器的一端以0°熔接于熔点O₄，第二隔离器的另一端与第三耦合器的B₃端口以0°熔接于熔点O₆，第三耦合器的A₃端口与光纤环的一端以0°熔接于熔点O₈，第一耦合器的D₁端与光纤环另外一端以90°熔接于熔点O₉，第一耦合器的B₁端与偏振分束器的输入端以0°熔接于熔点O₁₀，偏振分束器的两个输出端分别与第一探测器和第二探测器熔接。

由激光光源，保偏耦合器，光隔离器，波导，光纤环，偏振分束器，探测器构成，激光光源输出偏振光波经过45°交叉耦合产生了两个幅值相等、偏振方向相互垂直的光波输入保偏光纤环，在光纤环的一端采用两个方向相反的光隔离器将光纤环中正向和反向传播的光波分开，通过波导来调制其中一个传输方向光波的相位，以抵消差分处理后得到的转动信号，即实现闭环反馈控制。

本发明的优点：

(1)实现了差分双干涉式光纤陀螺的闭环控制；

(2)采用了波长稳定性较好的激光光源，提高了光纤陀螺的标度因数稳定性和环境适应性；

(3)SAGNAC相位解算方法简单。

附图说明

图1是闭环差分双干涉式光纤陀螺结构框图；

图2是熔点O₁处光波示意图；

图3是激光光源谱宽；

图4是波导上施加的调制波形；

图5是无转动时差分信号与调制相位关系图；

图6是有转动时差分信号与调制相位关系图；

图中：

1-光源            2-第一耦合器        3-第二耦合器

4-第一隔离器      5-波导              6-第三耦合器

7-第二隔离器      8-光纤环            9-偏振分束器

10-第一探测器     11-第二探测器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，如图1所示，包括光源1、第一耦合器2、光纤环8、第二耦合器3、第一隔离器4、第二隔离器7、波导5、第三耦合器6、偏振分束器9、第一探测器10和第二探测器11；

光源1与第一耦合器2的A₁端口以45°熔接于熔点O₁，第一耦合器2的C₁端口与第二耦合器3的A₂端口以0°熔接于熔点O₂，第二耦合器3的B₂端口与第一隔离器4的一端以0°熔接于熔点O₃，第一隔离器4的另一端与波导5以0°熔接于熔点O₅，波导5的另一端与第三耦合器6的C₃端口以0°熔接于熔点O₇，第二耦合器3的C₂端口与第二隔离器7的一端以0°熔接于熔点O₄，第二隔离器7的另一端与第三耦合器6的B₃端口以0°熔接于熔点O₆，第三耦合器6的A₃端口与光纤环8的一端以0°熔接于熔点O₈，第一耦合器2的D₁端与光纤环8另外一端以90°熔接于熔点O₉，第一耦合器2的B₁端与偏振分束器9的输入端以0°熔接于熔点O₁₀，偏振分束器9的两个输出端分别与第一探测器10和第二探测器11熔接。

在本发明中，光源1选用激光光源，型号为FRL15DCWA；第一耦合器2选用保偏耦合器，型号为深圳朗光公司的PMC-X-2＊2-1550-50/50-0-4X型保偏耦合器；第二耦合器3和第三耦合器6选用保偏耦合器，型号为深圳朗光公司的PMC-X-1＊2-1550-50/50-0-4Y型保偏耦合器；隔离器(第一隔离器4和第二隔离器7)采用的是THORLABS公司的IOK-1550-LMA25-CRED；波导5选用型号为PMS1522-CX-TL；光纤环8选用保偏光纤环；偏振分束器9为天津峻烽科技有限公司的PBS-1＊2-1550-S-N型偏振分束器；探测器(第一探测器10和第二探测器11)武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器。

光源1输出线偏振光，在熔接点O₁处由于45°交叉耦合产生了幅值相等、偏振方向相互垂直的两个波列X和Y，如图2所示(其中快轴为保偏光纤的快轴方向，用Y表示，慢轴为保偏光纤的慢轴方向，用X表示)，波列经过第一耦合器2进入光纤环8，由于光纤环8的一端与第一耦合器2以90°熔接于熔点O₉，光纤环8的另一端与第三耦合器6以0°熔接于熔点O₈，这些波列在光纤环8中其所经历的偏振演化和光程不尽相同，如下表所示，其中S表示慢轴，F表示快轴，CW表示顺时针方向传播，CCW表示逆时针传播(例如X_CW表示波列X顺时针方向传播)。

表1 进入光纤环8的光波及其在光纤环8中传播的主轴

上表所示的各波列在光纤环8中传播时，经过第二耦合器3、第三耦合器6、第一隔离器4、第二隔离器7和波导5组成的调制系统时，由于隔离器的单向通过性质，使得系统只对顺时针方向传播的光波施加调制作用，当光波从光纤环8中输出后会发生干涉，其干涉结果如下表所示，其中Ф_O为光纤环8的固有双折射相位差，Φ_s为SAGNAC相移，Φ_m1为波导5施加到正向传播的快轴光的相位，Φ_m2为波导5施加到正向传播的慢轴光的相位。

表2 从光纤环8中输出的光波及其相位差

本发明的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪采用激光光源，如图3所示。输出光波经过干涉后在第一探测器10(由表2中第1项的两束光波干涉得到的)和第二探测器11(由表2中第2项的两束光波干涉得到的)输出的干涉光强I₁，I₂分别如下式所示，其中I_O为到达探测器的直流光强。

I₁＝I₀cos(-Φ₀+Φ_s+Φ_m2)

I₂＝I₀cos(Φ₀+Φ_s+Φ_m1)

将两个探测器输出的信号进行差分处理，得到的信号如下式所示

I＝I₀cos(2Φ_s+Φ_m1+Φ_m2)

借鉴传统单干涉式光纤陀螺的闭环原理，通过在波导5上施加合适的调制波形，如图4所示(即以周期性的方波对差分信号的相位进行调制，其中调制的相位Φ_m＝-2Φ_S±π/2)，抵消由于SAGNAC效应产生的相移2Φ_s，使差分输出为零，其中无转动信号时的差分信号波形如图5所示(图中坐标轴上部表示的是差分信号按余弦规律变化，下部为外加的相位调制波形，通过相位调制将干涉仪的工作点锁定在±π/2，则实际的探测器输出波形为如右上角所示的存在尖峰的幅值接近0的波形。)，有转动信号使得差分信号波形如图6所示(图中坐标轴上部表示的是差分信号按余弦规律变化，下部为外加的相位调制波形，通过相位调制补偿SAGNAC效应引起的相位，将干涉仪的工作点锁定在±π/2，则实际的探测器输出波形为如右上角所示的存在尖峰的幅值接近0的波形。)，就可以实现对陀螺的闭环控制。通过对反馈的调制量进行解调即可解算出2Φ_s，从而在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现了SAGNAC效应倍增。

Claims (5)

1.一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，包括光源、第一耦合器、光纤环、第二耦合器、第一隔离器、第二隔离器、波导、第三耦合器、偏振分束器、第一探测器和第二探测器；

光源与第一耦合器的A₁端口以45°熔接于熔点O₁，第一耦合器的C₁端口与第二耦合器的A₂端口以0°熔接于熔点O₂，第二耦合器的B₂端口与第一隔离器的一端以0°熔接于熔点O₃，第一隔离器的另一端与波导以0°熔接于熔点O₅，波导的另一端与第三耦合器的C₃端口以0°熔接于熔点O₇，第二耦合器的C₂端口与第二隔离器的一端以0°熔接于熔点O₄，第二隔离器的另一端与第三耦合器的B₃端口以0°熔接于熔点O₆，第三耦合器的A₃端口与光纤环的一端以0°熔接于熔点O₈，第一耦合器的D₁端与光纤环另外一端以90°熔接于熔点O₉，第一耦合器的B₁端与偏振分束器的输入端以0°熔接于熔点O₁₀，偏振分束器的两个输出端分别与第一探测器和第二探测器熔接；

所述的第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均选用保偏耦合器；

所述的光纤环选用保偏光纤环；

所述的第一耦合器选用PMC-X-2*2-1550-50/50-0-4 X型保偏耦合器；

所述的第二耦合器和第三耦合器选用PMC-X-1*2-1550-50/50-0-4 Y型保偏耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述的光源选用激光光源，型号为FRL15DCWA。

3.根据权利要求1所述的一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述的第一隔离器和第二隔离器采用IOK-1550-LMA25-CRED。

4.根据权利要求1所述的一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述的偏振分束器选用PBS-1*2-1550-S-N型偏振分束器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光隔离器的闭环差分双干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述的第一探测器和第二探测器采用PFTM901-001型光电探测器。