CN103438882A - 一种低标度因数误差的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低标度因数误差的光纤陀螺，包括宽谱光源、第一探测器、第一耦合器、集成光学调制器、光纤环和宽谱光源平均波长检测光路，宽谱光源发出的光经过第一耦合器分成两等份，其中一份光通过集成光学调制器进入光纤环，然后再依次经过集成光学调制器和第一耦合器进入第一探测器，实现光纤陀螺对转速的传感；其中另一份光进入宽谱光源平均波长检测光路，实现对宽谱光源的平均波长的检测以及反馈控制，达到稳定宽谱光源的平均波长的目的。利用本发明，实现了对宽谱光源平均波长的反馈控制，提高了宽谱光源平均波长的稳定性，降低了光纤陀螺在环境变化时由于宽谱光源平均波长不稳定而形成的误差，提高了光纤陀螺的零偏稳定性和环境适应性。

Description

一种低标度因数误差的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光学陀螺仪表，特别涉及一种采用光源波长控制回路，从而降低光纤陀螺标度因素误差的干涉型光纤陀螺仪表。

背景技术

光纤陀螺是一种以萨格奈克效应为原理的全固态光学陀螺。光纤陀螺白1976年首次面世以来就得到了飞速的发展，到目前为止，已经在很多领域完全取代了传统的机械陀螺，成为现代导航领域的主流器件。

光纤陀螺中一个重要的参数是标度因数线性度。在很多的应用场合，要求光纤陀螺在一个比较大的动态范围内都能够正常工作，即在大角速率下具有同样的精度，这就要求标度因数具有良好的稳定性。标度因数是萨格奈克相移与转速的关系，表示为：

${\mathrm{\φ}}_s=\frac{2\mathrm{\πLD}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_c}\mathrm{\Ω}=K_{\mathrm{SF}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中：是光源的平均波长，c是真空中的光速，L是光纤环长度，D是光纤环直径，而

就是光纤陀螺的标度因数。

从式(1)中可以看出，光纤陀螺的标度因数与光纤环长度L，光纤环直径D和光源平均波长有关。L和D与石英的热膨胀系数有关，通常小于1ppm/℃的变化；而

则变化得更为剧烈，以光纤陀螺中通常使用的超辐射发光二极管(SLD)为例，其

随温度漂移的典型值为400ppm/℃，随驱动电流漂移的典型值为40ppm/mA。在对光源进行温控和采用稳定的恒流源驱动可以实现100ppm左右的中等精度，而要实现几个ppm的高精度，则需要对其进行特殊的波长控制才可能实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低标度因数误差的光纤陀螺，以提高光源平均波长的稳定性，降低光纤陀螺的标度因数误差。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种低标度因数误差的光纤陀螺，该光纤陀螺包括宽谱光源1、第一探测器2、第一耦合器3、集成光学调制器4、光纤环5和宽谱光源平均波长检测光路13，其中：宽谱光源1发出的光经过第一耦合器3分成两等份，其中一份光通过集成光学调制器4进入光纤环5，光在光纤环5中传输一圈之后再依次经过集成光学调制器4和第一耦合器3进入第一探测器2，实现光纤陀螺对转速的传感；其中另一份光进入宽谱光源平均波长检测光路13，实现对宽谱光源1的平均波长的检测以及反馈控制，达到稳定宽谱光源1的平均波长的目的，从而实现低标度因数噪声的光纤陀螺。

上述方案中，所述宽谱光源平均波长检测光路13包括第二耦合器6、第一光开关7、第一窄带光学滤波器8、第二光开关9、第二窄光学带滤波器10、第三耦合器11和第二探测器12，其中：白第一耦合器3分出的光进入第二耦合器6，第二耦合器6的两个输出端分别与第一光开关7和第二光开关9相连，第一光开关7的输出与第一窄带光学滤波器8的输入相连，第二光开关9的输出与第二窄带光学滤波器10的输入相连，第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10的输出分别与第三耦合器11的两个输入端相连，第三耦合器11的输出接入第二探测器12的输入，第二探测器12的输出用于控制宽谱光源的中心波长。

上述方案中，白第一耦合器3分出的光经过第二耦合器6后再次被分成两等份，其中一份经过由第一光开关7和第一窄带光学滤波器8组成的光路，其中另一份则经过由第二光开关9和第二窄带光学滤波器10组成的光路；这两个光路的输出经过第三耦合器11后进入第二探测器12；通过周期性的控制第一光开关7和第二光开关9的通断实现对光谱信号的调制，通过解调第二探测器12的信号来得到误差信号，误差信号的大小和正负用于判断宽谱光源平均波长移动的大小和方向，最终通过反馈控制宽谱光源1的平均波长来保持误差信号为0，从而实现稳定宽谱光源1的平均波长的稳定。

上述方案中，所述第一耦合器3、第二耦合器6和第三耦合器11是单模光纤耦合器或保偏光纤耦合器。

上述方案中，所述第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10是透过峰型滤波器，其透过峰的波长位置分别位于宽谱光源中心波长位置的两侧，其透过峰的波长差约等于宽谱光源光谱的半高全宽。

上述方案中，所述第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10是光纤光栅型光学滤波器或法布里-珀罗光学滤波器。

上述方案中，所述第一光开关7、第二光开关9是机械式光开关、MEMS光开关、波导型光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关或磁光开关。

上述方案中，在该光纤陀螺中，除了集成光学调制器4和光纤环5之间、第一耦合器3和集成光学调制器4之间使用保偏光纤连接外，其他器件之间均采用单模光纤或保偏光纤连接。

上述方案中，所述宽谱光源1为SLD或掺铒光纤光源。

上述方案中，所述集成光学调制器4为Y波导集成光学调制器。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明通过在传统的光纤陀螺光路中加入了宽谱光源平均波长的检测光路，实现了对宽谱光源平均波长的反馈控制，提高了宽谱光源平均波长的稳定性，降低了光纤陀螺在环境变化时由于宽谱光源平均波长不稳定而形成的误差，提高了光纤陀螺的零偏稳定性和环境适应性。

附图说明

图1是本发明提供的低标度因数误差的光纤陀螺的结构示意图；

图中：1为宽谱光源，2为第一探测器，3为第一耦合器，4为集成光学调制器，5为光纤环，6为第二耦合器，7为第一光开关，8为第一窄带光学滤波器，9为第二光开关，10为第二窄带光学滤波器，11为第三耦合器，12为第二探测器，13为宽谱光源平均波长检测光路。

图2是图1中宽谱光源平均波长检测光路调制解调信号的示意图；

图中：14为宽谱光源光谱，15为第一窄带光学滤波器8(或者第二窄带光学滤波器10)透过谱，16为第二窄带光学滤波器10(或者第一窄带光学滤波器8)透过谱，17为第二光开关9(或者第一光开关7)打开而第一光开关7(或者第二光开关9)关闭信号，18为第一光开关7(或者第二光开关9)打开而第二光开关9(或者第一光开关7)关闭信号，19为第二光开关9(或者第一光开关7)打开时第二探测器12接收到的光强大小，20为第一光开关7(或者第二光开关9)打开时第二探测器12接收到的光强大小，21为控制第一光开关7和第二光开关9通断的调制信号，22为第二探测器12接收到的被调制后的光强信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的低标度因数误差的光纤陀螺的结构示意图，该光纤陀螺包括宽谱光源1、第一探测器2、第一耦合器3、集成光学调制器4、光纤环5和宽谱光源平均波长检测光路13，其中，宽谱光源1发出的光经过第一耦合器3分成两等份，其中一份光通过集成光学调制器4进入光纤环5，光在光纤环5中传输一圈之后再依次经过集成光学调制器4和第一耦合器3进入第一探测器2，实现光纤陀螺对转速的传感；另外一份光进入宽谱光源平均波长检测光路13，实现对宽谱光源1的平均波长的检测以及反馈控制，达到稳定宽谱光源1的平均波长的目的，从而实现低标度因数噪声的光纤陀螺。

其中，宽谱光源平均波长检测光路13包括第二耦合器6，第一光开关7，第一窄带光学滤波器8，第二光开关9，第二窄光学带滤波器10，第三耦合器11和第二探测器12，其结构图如图1所示。白第一耦合器3分出的光进入第二耦合器6，第二耦合器6的两个输出端分别与第一光开关7和第二光开关9相连，第一光开关7的输出与第一窄带光学滤波器8的输入相连，第二光开关9的输出与第二窄带光学滤波器10的输入相连，第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10的输出分别与第三耦合器11的两个输入端相连，第三耦合器11的输出接入第二探测器12的输入，第二探测器12的输出用于控制宽谱光源的中心波长。

白第一耦合器3分出的光经过第二耦合器6后再次被分成两等份，其中一份经过由第一光开关7和第一窄带光学滤波器8组成的光路，另外一份则经过由第二光开关9和第二窄带光学滤波器10组成的光路。这两个光路的输出经过第三耦合器11后进入第二探测器12。通过周期性的控制第一光开关7和第二光开关9的通断实现对光谱信号的调制，通过解调第二探测器12的信号来得到误差信号，误差信号的大小和正负用于判断宽谱光源平均波长移动的大小和方向，最终通过反馈控制宽谱光源1的平均波长来保持误差信号为0，从而实现稳定宽谱光源1的平均波长的稳定。

在本发明中，第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10可以是透过峰型滤波器，其透过峰的波长位置分别位于宽谱光源中心波长位置的两侧，其透过峰的波长差约等于宽谱光源光谱的半高全宽。另外，第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10也可以是光纤光栅型光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器等。宽谱光源1为光纤陀螺中常用的超辐射发光二极管(Super luminescent Diode，SLD)或者掺铒光纤光源。集成光学调制器4为光纤陀螺中常用的Y波导集成光学调制器。第一耦合器3、第二耦合器6和第三耦合器11可以是单模光纤耦合器或者保偏光纤耦合器。第一光开关7、第二光开关9可以是机械式光开关、MEMS光开关、波导型光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关、磁光开关等。

在图1所示的低标度因数误差的光纤陀螺中，除了集成光学调制器4和光纤环5之间、第一耦合器3和集成光学调制器4之间使用保偏光纤连接外，其他器件之间均采用单模光纤或保偏光纤等连接。

宽谱光源平均波长检测光路13的工作原理为：第一窄带光学滤波器8的第一光谱15和第二窄带光学滤波器10的第二光谱16以及宽谱光源1的光源光谱14三者之间的位置关系如图2所示。调制信号21中的第十七信号17表示第一光开关7打开，同时第二光开关9关闭，此时光从第二窄带光学滤波器10通过，宽谱光源1的光源光谱14经过第二窄带光学滤波器10后，光源光谱14中只有与第二窄带光学滤波器10的第二光谱16的透过峰重叠的那些分量通过，其对应的光强大小用第二十信号20表示；同理，当调制信号21中的第十八信号18出现时，第二光开关9打开，同时第一光开关7关闭，此时光从第一窄带光学滤波器8通过，宽谱光源1的光源光谱14经过第一窄带光学滤波器8的滤波后的光强大小用第十九信号19表示。第十九信号19和第二十信号20之差即为误差信号，当误差信号大于0时，表示光源光谱14的中心波长朝短波长方向漂移；当误差信号小于0时，表示光源光谱14的中心波长朝长波长方向漂移。通过该误差信号对宽谱光源1进行反馈控制，使得光源光谱14的中心波长能够稳定在使误差信号等于0的位置，从而减小光源光谱14中心波长的波动，进而降低整个光纤陀螺的标度因数的误差。

所述的宽谱光源中心波长检测光路13的操作方法为：通过周期性的选通第一光开关7和第二光开关9，使得宽谱光源1的光谱分时通过第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10，最后通过第三耦合器11进入第二探测器12。这种分时通过第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10的方法会产生一个方波信号，检测电路通过检测该方波信号幅值的大小和正负来判断光源的平均波长移动的距离和方向，最后通过反馈控制来实现宽谱光源平均波长的稳定。

值得指出的是，由于宽谱光源光谱的不对称或者第一窄带光学滤波器8、第二窄带光学滤波器10、第一光开关7和第二光开关9插入损耗的不同，宽谱光源平均波长不会稳定在第一窄带光学滤波器8和第二窄带光学滤波器10透过峰波长的平均值上，但是这不影响宽谱光源平均波长的稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，该光纤陀螺包括宽谱光源(1)、第一探测器(2)、第一耦合器(3)、集成光学调制器(4)、光纤环(5)和宽谱光源平均波长检测光路(13)，其中：

宽谱光源(1)发出的光经过第一耦合器(3)分成两等份，其中一份光通过集成光学调制器(4)进入光纤环(5)，光在光纤环(5)中传输一圈之后再依次经过集成光学调制器(4)和第一耦合器(3)进入第一探测器(2)，实现光纤陀螺对转速的传感；其中另一份光进入宽谱光源平均波长检测光路(13)，实现对宽谱光源(1)的平均波长的检测以及反馈控制，达到稳定宽谱光源(1)的平均波长的目的，从而实现低标度因数噪声的光纤陀螺。

2.根据权利要求1所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述宽谱光源平均波长检测光路(13)包括第二耦合器(6)、第一光开关(7)、第一窄带光学滤波器(8)、第二光开关(9)、第二窄光学带滤波器(10)、第三耦合器(11)和第二探测器(12)，其中：

白第一耦合器(3)分出的光进入第二耦合器(6)，第二耦合器(6)的两个输出端分别与第一光开关(7)和第二光开关(9)相连，第一光开关(7)的输出与第一窄带光学滤波器(8)的输入相连，第二光开关(9)的输出与第二窄带光学滤波器(10)的输入相连，第一窄带光学滤波器(8)和第二窄带光学滤波器(10)的输出分别与第三耦合器(11)的两个输入端相连，第三耦合器(11)的输出接入第二探测器(12)的输入，第二探测器(12)的输出用于控制宽谱光源的中心波长。

3.根据权利要求2所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，白第一耦合器(3)分出的光经过第二耦合器(6)后再次被分成两等份，其中一份经过由第一光开关(7)和第一窄带光学滤波器(8)组成的光路，其中另一份则经过由第二光开关(9)和第二窄带光学滤波器(10)组成的光路；这两个光路的输出经过第三耦合器(11)后进入第二探测器(12)；通过周期性的控制第一光开关(7)和第二光开关(9)的通断实现对光谱信号的调制，通过解调第二探测器(12)的信号来得到误差信号，误差信号的大小和正负用于判断宽谱光源平均波长移动的大小和方向，最终通过反馈控制宽谱光源(1)的平均波长来保持误差信号为0，从而实现稳定宽谱光源(1)的平均波长的稳定。

4.根据权利要求2或3所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述第一耦合器(3)、第二耦合器(6)和第三耦合器(11)是单模光纤耦合器或保偏光纤耦合器。

5.根据权利要求2所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述第一窄带光学滤波器(8)和第二窄带光学滤波器(10)是透过峰型滤波器，其透过峰的波长位置分别位于宽谱光源中心波长位置的两侧，其透过峰的波长差约等于宽谱光源光谱的半高全宽。

6.根据权利要求2所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述第一窄带光学滤波器(8)和第二窄带光学滤波器(10)是光纤光栅型光学滤波器或法布里-珀罗光学滤波器。

7.根据权利要求2所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述第一光开关(7)、第二光开关(9)是机械式光开关、MEMS光开关、波导型光开关、液晶光开关、热光效应光开关、声光开关或磁光开关。

8.根据权利要求2所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，在该光纤陀螺中，除了集成光学调制器(4)和光纤环(5)之间、第一耦合器(3)和集成光学调制器(4)之间使用保偏光纤连接外，其他器件之间均采用单模光纤或保偏光纤连接。

9.根据权利要求1所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述宽谱光源(1)为超辐射发光二极管或掺铒光纤光源。

10.根据权利要求1所述的低标度因数误差的光纤陀螺，其特征在于，所述集成光学调制器(4)为Y波导集成光学调制器。

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