CN103389084B - 基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺的技术领域，具体涉及一种克服传统谐振式光纤陀螺灵敏度低，不能满足商用飞机、空间定位和导航等对灵敏度要求很高场合的需求的问题的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺。基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，包括激光器、偏振控制器、铌酸锂相位调制器、第一光纤耦合器、第一光纤环形谐振腔、第二光纤耦合器、第二光纤环形谐振腔、第三光纤耦合器、探测器、信号处理及反馈系统，本发明包含两个不同长度光纤制作的光纤环形谐振腔，相互耦合产生相干效应，可通过测量两光纤环形谐振腔相干谐振频率的变化，得到旋转角速度，与相同光纤长度的传统谐振式光纤陀螺相比，其灵敏度可提高数十倍。

Description

基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺

技术领域

本发明属于光纤陀螺的技术领域，具体涉及一种克服传统谐振式光纤陀螺灵敏度低，不能满足商用飞机、空间定位和导航等对灵敏度要求很高场合的需求的问题的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺。

背景技术

1976年，美国Utah大学的V.Vali和R.W.Shorthill成功地研制了第一个光纤陀螺，光纤陀螺一问世就以其动态范围大、寿命长、功耗低、体积小等优点，引起了世界上许多国家的大学和科研机构的重视，获得了迅速的进展。目前，传统的谐振式光纤陀螺中采用的是一个光纤环形谐振腔，当陀螺旋转时，光纤环形谐振腔的谐振频率会随旋转角速度而变化，所以通过探测光纤环形谐振腔谐振频率的变化，可测量旋转角速度，但其灵敏度较低，不能满足商用飞机的姿态对准，特别是空间定位和导航等对灵敏度要求很高的场合的需求。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种具有更高灵敏度的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺。

本发明的目的是这样实现的：

基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，包括激光器（1）、偏振控制器（2）、铌酸锂相位调制器（3）、第一光纤耦合器（4）、第一光纤环形谐振腔（5）、第二光纤耦合器（6）、第二光纤环形谐振腔（7）、第三光纤耦合器（8）、探测器（9）、信号处理及反馈系统（10），激光器的光输出端通过单模光纤连接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的光输出端通过单模光纤连接铌酸锂相位调制器的光输入端，铌酸锂相位调制器的光输出端通过单模光纤连接第一光纤耦合器的光输入端，第一光纤耦合器连接第一光纤环形谐振腔，第一光纤环形谐振腔连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器连接第二光纤环形谐振腔，第二光纤环形谐振腔连接第三光纤耦合器，第三光纤耦合器的光输出端通过单模光纤连接探测器，探测器的信号输出端连接信号处理及反馈系统的信号输入端，信号处理及反馈系统的反馈信号输出端连接铌酸锂相位调制器的调制信号输入端，同时信号处理及反馈系统产生陀螺输出信号。

信号处理及反馈系统是由一级低通滤波电路（10.1）、放大电路（10.2）、二级低通滤波电路（10.3）、差分电路（10.4）组成的，探测器探测的电信号进入信号处理及反馈系统，经一级低通滤波电路滤波后，进入放大电路进行放大，然后进入二级低通滤波电路进行滤波，最后进入差分电路，在差分电路中对二级低通滤波电路输出信号的直流分量与已知数值求差，差值决定了信号处理及反馈系统产生反馈控制信号的幅度，反馈控制信号为频率为5KHz的阶梯波，加载到铌酸锂相位调制器上由调制铌酸锂相位调制器输出光的频率，同时信号处理及反馈系统输出直流电压信号，大小与反馈控制信号的幅度相同，作为陀螺输出信号，依据此直流电压信号的大小即可获得旋转速度的大小。

第一光纤环形谐振腔与第二光纤环形谐振腔所用的单模光纤长度不同，第一光纤环形谐振腔的匝数为10匝，直径为10cm，第二光纤环形谐振腔的匝数为11匝，直径为10cm。

一级低通滤波电路低通频率范围为0—500Hz；放大电路放大倍数为20倍；二级低通滤波电路低通频率范围为0—50Hz；

第一光纤环形谐振腔由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔由单模光纤制作。

本发明的有益效果在于：

本发明包含两个不同长度光纤制作的光纤环形谐振腔，两个光纤环形谐振腔间的相互耦合产生相干效应，可通过测量两光纤环形谐振腔相干谐振频率的变化，得到旋转角速度，与相同光纤长度的传统谐振式光纤陀螺相比，其灵敏度可提高数十倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的信号处理及反馈系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明由激光器1、偏振控制器2、铌酸锂相位调制器3、第一光纤耦合器4、第一光纤环形谐振腔5、第二光纤耦合器6、第二光纤环形谐振腔7、第三光纤耦合器8、探测器9、信号处理及反馈系统10组成的；

激光器1的光输出端通过单模光纤连接偏振控制器2的光输入端，偏振控制器2的光输出端通过单模光纤连接铌酸锂相位调制器3的光输入端，锂相位调制器3的光输出端通过单模光纤连接第一光纤耦合器4的光输入端，第一光纤耦合器4连接第一光纤环形谐振腔5，第一光纤环形谐振腔5连接第二光纤耦合器6，第二光纤耦合器6连接第二光纤环形谐振腔7，第二光纤环形谐振腔7连接第三光纤耦合器8，第三光纤耦合器8的光输出端通过单模光纤连接探测器9，探测器9的信号输出端连接信号处理及反馈系统10的信号输入端，信号处理及反馈系统10的反馈信号输出端连接铌酸锂相位调制器3的调制信号输入端，同时信号处理及反馈系统10产生陀螺输出信号。

本发明能够克服传统谐振式光纤陀螺灵敏度低的问题，与相同光纤长度的传统谐振式光纤陀螺相比，其灵敏度可提高数十倍，技术特征如下：

（1）本发明的传感主体为双耦合的光纤环形谐振腔，由第一光纤环形谐振腔5、第二光纤耦合器6、第二光纤环形谐振腔7组成。

（2）本发明测量旋转速度，是通过探测第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7相干谐振频率的变化实现的。

（3）所述的第一光纤环形谐振腔5由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔7由单模光纤制作。

（4）所述的第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7所用的单模光纤长度不同，第一光纤环形谐振腔5的匝数为10匝，直径为10cm，第二光纤环形谐振腔7的匝数为11匝，直径为10cm。

实施例1

结合图1说明本实施例，本实施例由激光器1、偏振控制器2、铌酸锂相位调制器3、第一光纤耦合器4、第一光纤环形谐振腔5、第二光纤耦合器6、第二光纤环形谐振腔7、第三光纤耦合器8、探测器9、信号处理及反馈系统10组成的；

激光器1的光输出端通过单模光纤连接偏振控制器2的光输入端，偏振控制器2的光输出端通过单模光纤连接铌酸锂相位调制器3的光输入端，锂相位调制器3的光输出端通过单模光纤连接第一光纤耦合器4的光输入端，第一光纤耦合器4连接第一光纤环形谐振腔5，第一光纤环形谐振腔5连接第二光纤耦合器6，第二光纤耦合器6连接第二光纤环形谐振腔7，第二光纤环形谐振腔7连接第三光纤耦合器8，第三光纤耦合器8的光输出端通过单模光纤连接探测器9，探测器9的信号输出端连接信号处理及反馈系统10的信号输入端，信号处理及反馈系统10的反馈信号输出端连接铌酸锂相位调制器3的调制信号输入端，同时信号处理及反馈系统10产生陀螺输出信号。

所述的第一光纤环形谐振腔5由单模光纤制作，匝数为10匝，直径为10cm；所述的第二光纤环形谐振腔7由单模光纤制作，匝数为11匝，直径为10cm。

工作原理：激光器1的输出光进入偏振控制器2，选择光的偏振态，偏振控制器2的输出光进入铌酸锂相位调制器3，根据所加调制信号对光频率进行调制，铌酸锂相位调制器3的输出光进入第一光纤耦合器4，第一光纤耦合器4的输出光进入第一光纤环形谐振腔5，然后经过第二光纤耦合器6，进入第二光纤环形谐振腔7，第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7发生相干效应，第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7中旋转速度引起的等效光学路径长度是不同的，导致第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7的相干谐振频率随旋转速度变化，通过测量相干谐振频率的变化就可获得相应的旋转速度，第二光纤环形谐振腔7输出的相干光进入第三光纤耦合器8，第三光纤耦合器8的输出光被探测器9探测，探测器9的探测信号进入信号处理及反馈系统10，进行信号处理、获得相干谐振频率变化和旋转速度，产生陀螺输出信号，同时产生反馈信号传输给铌酸锂相位调制器3以调制光频率。

本发明还有以下技术特征：

（1）本发明的传感主体为双耦合的光纤环形谐振腔，由第一光纤环形谐振腔5、第二光纤耦合器6、第二光纤环形谐振腔7组成。

（2）本发明测量旋转速度，是通过探测第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7相干谐振频率的变化实现的。

（3）所述的第一光纤环形谐振腔5由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔7由单模光纤制作。

（4）所述的第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔7所用的单模光纤长度不同，第一光纤环形谐振腔5的匝数为10匝，直径为10cm，第二光纤环形谐振腔7的匝数为11匝，直径为10cm。

结合图2，信号处理及反馈系统10的作用：探测器9探测的电信号进入信号处理及反馈系统10，信号处理及反馈系统10对该电信号进行处理，从中获得旋转速度并输出，即陀螺输出信号，同时，信号处理及反馈系统10产生反馈控制信号，反馈控制信号加载到铌酸锂相位调制器3上以便调制铌酸锂相位调制器3输出光的频率。

信号处理及反馈系统10的原理：探测器9探测的电信号进入信号处理及反馈系统10，经一级低通滤波电路10-1（低通频率范围0—500Hz）滤波后，进入放大电路10-2（放大倍数为20倍）进行放大，然后进入二级低通滤波电路10-3（低通频率范围0—50Hz）进行滤波，最后进入差分电路10-4，在差分电路10-4中对二级低通滤波电路10-3输出信号的直流分量与已知数值（为一个固定的常数）求差，此差值决定了信号处理及反馈系统10产生反馈控制信号的幅度，反馈控制信号为一频率为5KHz的阶梯波，加载到铌酸锂相位调制器3上以便调制铌酸锂相位调制器3输出光的频率，同时信号处理及反馈系统10输出一个直流电压信号（大小与反馈控制信号的幅度相同），作为陀螺输出信号，依据此直流电压信号的大小即可获得旋转速度的大小。

Claims (7)

1.基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，包括激光器(1)、偏振控制器(2)、铌酸锂相位调制器(3)、第一光纤耦合器(4)、第一光纤环形谐振腔(5)、第二光纤耦合器(6)、第二光纤环形谐振腔(7)、第三光纤耦合器(8)、探测器(9)、信号处理及反馈系统(10)，其特征在于：激光器的光输出端通过单模光纤连接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的光输出端通过单模光纤连接铌酸锂相位调制器的光输入端，铌酸锂相位调制器的光输出端通过单模光纤连接第一光纤耦合器的光输入端，第一光纤耦合器连接第一光纤环形谐振腔，第一光纤环形谐振腔连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器连接第二光纤环形谐振腔，第二光纤环形谐振腔连接第三光纤耦合器，第三光纤耦合器的光输出端通过单模光纤连接探测器，探测器的信号输出端连接信号处理及反馈系统的信号输入端，信号处理及反馈系统的反馈信号输出端连接铌酸锂相位调制器的调制信号输入端，同时信号处理及反馈系统产生陀螺输出信号；

所述的信号处理及反馈系统是由一级低通滤波电路(10.1)、放大电路(10.2)、二级低通滤波电路(10.3)、差分电路(10.4)组成的，探测器探测的电信号进入信号处理及反馈系统，经一级低通滤波电路滤波后，进入放大电路进行放大，然后进入二级低通滤波电路进行滤波，最后进入差分电路，在差分电路中对二级低通滤波电路输出信号的直流分量与已知数值求差，差值决定了信号处理及反馈系统产生反馈控制信号的幅度，反馈控制信号为频率为5KHz的阶梯波，加载到铌酸锂相位调制器上由调制铌酸锂相位调制器输出光的频率，同时信号处理及反馈系统输出直流电压信号，大小与反馈控制信号的幅度相同，作为陀螺输出信号，依据此直流电压信号的大小即可获得旋转速度的大小。

2.根据权利要求1所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的第一光纤环形谐振腔与第二光纤环形谐振腔所用的单模光纤长度不同，第一光纤环形谐振腔的匝数为10匝，直径为10cm，第二光纤环形谐振腔的匝数为11匝，直径为10cm。

3.根据权利要求1所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的一级低通滤波电路低通频率范围为0—500Hz；放大电路放大倍数为20倍；二级低通滤波电路低通频率范围为0—50Hz。

4.根据权利要求2所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的一级低通滤波电路低通频率范围为0—500Hz；放大电路放大倍数为20倍；二级低通滤波电路低通频率范围为0—50Hz。

5.根据权利要求2所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的第一光纤环形谐振腔由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔由单模光 纤制作。

6.根据权利要求3所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的第一光纤环形谐振腔由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔由单模光纤制作。

7.根据权利要求4所述的基于双耦合光纤环形谐振腔相干效应的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述的第一光纤环形谐振腔由单模光纤制作，所述的第二光纤环形谐振腔由单模光纤制作。