CN103411600B - 一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法 - Google Patents

一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法。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，经过耦合器和双折射调制器后输入保偏光纤环；通过信号发生器产生偏置为0、频率等于光纤环本征频率的波导驱动信号给双折射调制器，同时调节信号发生器产生信号的幅值，使得示波器上输出的信号与陀螺闭环时的输出信号相同；此时信号发生器产生的方波幅值对应的调制相位为±π，而±π/2调制相位对应的电压值是该方波幅值的一半。本发明实现了基于光路差分的双干涉式光纤陀螺±π/2参数的测量，避免了由于参数确定不准确给陀螺灵敏度和精度带来的劣化，方法操作简单，测量精度高。

Description

一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法。
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。基于光路差分的双干涉式光纤陀螺通过采用光路差分的调制解调方案，可以精确消除每一路陀螺中的固有相位差及陀螺产生的共模误差，同时加倍转动效应，较好的保持差分双干涉式光纤陀螺的互易性。但根据其调制解调原理，如果±π/2方波调制时的波导驱动幅值的测量存在误差，将造成陀螺的灵敏度下降，并将直接造成差分双干涉式光纤陀螺的长期输出存在异常，严重影响陀螺的实际应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法。
一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法的实现装置，包括光源、耦合器、双折射调制器、光纤环、偏振分束器、第一探测器、第二探测器、信号发生器和示波器；
所述耦合器为四端口器件，包括A端、B端、C端和D端，所述双折射调制器为三端口器件，包括A′端、B′端和C′端。光源与耦合器的A端以45°熔接于熔点O1，耦合器的C端与双折射调制器的A′端以0°熔接于熔点O2，双折射调制器的B′端和C′端分别与保偏光纤环的两端以0°熔接于熔点O3和熔点O4，同时光纤环的中点O5为90°对轴熔接，耦合器的B端与偏振分束器的输入端以0°熔接于熔点O6，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，双折射调制器的驱动信号由信号发生器产生，第一探测器或者第二探测器的输出信号通过示波器进行观察。由于在这种调制信号作用下，两个探测器输出信号是相同的，测试中只需观察其中一个探测器的输出波形。
基于上述的实现装置进行双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量，具体方法为：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经过耦合器和双折射调制器后输入保偏光纤环。所述双折射调制器同时允许两个偏振方向的光波通过，但是对两个轴的光波具有不同的调制系数。通过信号发生器产生偏置为0、频率等于光纤环本征频率的波导驱动信号，并在示波器上观察第一探测器或者第二探测器输出波形，同时调节信号发生器产生信号的幅值，使得示波器上输出的信号满足如下要求：
第一探测器或者第二探测器输出信号与陀螺闭环时的输出信号相同，即为存在尖峰的直流信号，相邻尖峰间的时间间隔为光纤环的一个渡越时间。
此时信号发生器产生的方波幅值对应的调制相位为±π，而±π/2调制相位对应的电压值是该方波幅值的一半。
本发明的优点：
（1）提出了基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法，该方法测量过程简单，精度高。
附图说明
图1是基于光学差分的双干涉式光纤陀螺关键参数测量系统的原理框图；
图2是熔点O1处光波示意图；
图3是光纤对轴熔接示意图；
图4是光纤环中光波传播示意图；
图5是±π/2方波调制的波导驱动方波幅值测量中信号发生器输出波形；
图6是±π/2方波调制的波导驱动方波幅值测量中干涉光强与调制相位关系（负责闭环）；
图中：
1-光源2-耦合器3-双折射调制器
4-光纤环5-偏振分束器6-第一探测器
7-第二探测器8-示波器9-信号发生器
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路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法及其实现装置，其原理框图如图1所示，所述实现装置包括光源1、耦合器2、双折射调制器3、光纤环4、偏振分束器5、第一探测器6、第二探测器7、示波器8和信号发生器9；
所述耦合器2具有四个端口，分别为A端、B端、C端和Ｄ端，光源1与耦合器2的A端以45°熔接于熔点O1，耦合器2的C端与双折射调制器3的A′端以0°熔接于熔点O2，双折射调制器3的Ｂ′端和Ｃ′端分别与保偏光纤环4的两个输入端以0°熔接于熔点O3、O4，光纤环4中点O5处（也是图中Ｍ点）采用90°对轴熔接，耦合器2的B端与偏振分束器5的输入端以0°熔接于熔点O6，偏振分束器5的两个输出端分别与第一探测器6和第二探测器7熔接，双折射调制器3的驱动信号由信号发生器9产生，其中第一探测器6或者第二探测器7输出端连接示波器8，其输出波形通过示波器8进行观察。上述具体光纤对轴熔接如图3所示。
在本发明中，光源1选用具有高偏振度的激光光源，双折射调制器3选用Ti扩散集成光学调制器；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；光纤环4选用保偏光纤环；偏振分束器5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6和第二探测器7）为武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器；信号发生器9选用泰克公司的AFG3102；示波器8选用泰克公司的TDS1012。
光源1输出线偏振光，在熔接点O1处由于45°对轴熔接，输入线偏振光产生了幅值相等、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），当波列X和Y经过双折射调制器3进入光纤环4时，在光纤环4的两端各自都存在两个偏振方向的光波，这四束光波相向传输。由于本发明中的光纤环4采用中点M（O5）90°熔接，所以当传输光经过光纤环4中点时会改变其传输轴，具体的光波传输路径和光波经过双折射调制器3时所处的偏振态如图4所示。
基于光路差分的差分双干涉式光纤陀螺使用的双折射调制器3为Ti扩散集成光学调制器，其同时允许X、Y两个轴的光波通过，但是对两个轴有不同的调制系数（分别设为K1和K2）。此双折射调制器3引入两种调制方式，一种为方波调制，其对两个陀螺的调制相位相同；另一种为直流调制，其对两个陀螺的调制相位相反。当采用频率等于光纤环4本征频率且直流分量为0的方波（幅值设为±V0）进行调制时，两个陀螺所经历的调制相位相同，均为：
φ1＝φ′1＝(K1+K2)V0
在调制方案中用这种方波调制来实现±π/2调制，本发明就是要精确测量这种调制波形下对应于±π/2的电压值，即求出
(K1+K2)V0＝π/2
中的电压值V0。
测量±π/2对应的电压值V0的方法为使用信号发生器9产生偏置为0，频率等于光纤环4本征频率的方波，其波形如图5所示，方波幅值为V0。然后调节方波的幅值，直到示波器8上的输出恒为与陀螺闭环时探测器输出信号相同的信号，即为存在尖峰的直流信号，而相邻尖峰间的时间间隔等于光纤环的一个渡越时间。此时方波幅值对应的调制相位应为±π，如图6所示，±π/2调制相位对应的电压值就应该是信号发生器9产生方波幅值的一半。
通过这种方式，可以精确测量±π/2方波调制的驱动电压值，从而提高光路差分检测方案的检测精度。

Claims (2)

1.一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法，其特征在于：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，经过耦合器和双折射调制器后输入保偏光纤环；通过信号发生器产生偏置为0、频率等于光纤环本征频率的波导驱动信号给双折射调制器，同时调节信号发生器产生信号的幅值，使得示波器上输出的信号满足如下要求：
第一探测器或者第二探测器输出信号与陀螺闭环时的输出信号相同，即为存在尖峰的直流信号，相邻尖峰间的时间间隔为光纤环的一个渡越时间；此时信号发生器产生的方波幅值对应的调制相位为±π，而±π/2调制相位对应的电压值是该方波幅值的一半；
所述的双折射调制器同时允许X、Y两个轴的光波通过，调制系数分别设为K1和K2，此双折射调制器采用方波调制，当采用频率等于光纤环本征频率且直流分量为0的方波进行调制时，两个陀螺所经历的调制相位相同，均为：
(K1+K2)V0
根据(K1+K2)V0＝π/2，得到对应于±π/2的电压值V0。
2.一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪±π/2参数测量方法的实现装置，其特征在于：包括光源、耦合器、双折射调制器、光纤环、偏振分束器、第一探测器、第二探测器、信号发生器和示波器；
所述耦合器为四端口器件，包括A端、B端、C端和D端，所述双折射调制器为三端口器件，包括A′端、B′端和C′端；光源与耦合器的A端以45°熔接于熔点O1，耦合器的C端与双折射调制器的A′端以0°熔接于熔点O2，双折射调制器的B′端和C′端分别与保偏光纤环的两端以0°熔接于熔点O3和熔点O4，同时光纤环的中点O5为90°对轴熔接，耦合器的B端与偏振分束器的输入端以0°熔接于熔点O6，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，双折射调制器的驱动信号由信号发生器产生，第一探测器或者第二探测器的输出信号通过示波器进行观察；
所述光源选用激光光源，双折射调制器选用Ti扩散集成光学调制器；耦合器选用保偏耦合器，型号为PMC-X-2*2-1550-50/50-0-4X型；光纤环选用保偏光纤环；偏振分束器为PBS-1*2-1550-S-N型；第一探测器和第二探测器为PFTM901-001型；信号发生器选用AFG3102；示波器选用TDS1012。
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