CN103743391B - 一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、环前消偏器、耦合器、两个环内消偏器、单模光纤环以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与环前消偏器相连，环前消偏器的另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤与两个环内消偏器耦合，两个环内消偏器的另一端分别与保偏光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。该陀螺仪结构省掉了陀螺仪最小互易结构中的起偏器和其中一个耦合器，通过两个偏振态之间的去相干和干涉光强补偿消除非互易误差，从而大大降低了成本，同时具有较低的噪声和较好的零偏稳定性。

Description

一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，具体涉及一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测定其所在载体的转动角速度。陀螺仪被广泛地应用于飞行器及武器的制导、工业及军事上的精密测量等领域。早期的陀螺仪为机械陀螺仪，机械陀螺仪是利用高速旋转体的旋转轴具有保持其方向的趋势这样一个物理原理而制造出的定向装置。由于机械陀螺仪包含活动部件（例如高速转子），因此，其结构复杂、工艺要求高、并且精度受到了多方面的制约。

1960年代，随着激光的问世，利用激光来制造光学陀螺仪的研究迅速发展起来。光学陀螺仪是基于萨格纳克效应（Sagnac effect）而制造出来的定向装置。具体说，在转动的闭合光路中，由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针（CW）方向和逆时针（CCW）方向传输时发生干涉，通过检测所述两束光的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出该闭合光路的转动角速度。上述相位差被称作萨格纳克相移φ_S，它与闭合光路的转动角速度Ω成正比：

${\mathrm{\φ}}_S=\frac{4\mathrm{\ωA}}{c^2}\mathrm{\Ω}$ 公式（1）

其中，ω为光的频率，c为真空中光速，A是闭合光路所围的面积。

光学陀螺仪没有活动部件，它结构紧凑、灵敏度高、可靠性好并且寿命长。1963年第一代光学陀螺仪—激光陀螺仪问世。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器。例如，激光陀螺仪可以包括由石英制成的三角形闭合光路，在该光路内设有一个氦氖激光管、两个反射镜和一个半透明镜。从氦氖激光管发出的两束相反传输的激光分别经两个反射镜反射，再由半透明镜导出回路，通过测量这两束光的相位差就可得到闭合光路的转动角速度。

1976年第二代光学陀螺仪—光纤陀螺仪出现。光纤陀螺仪的灵敏度与稳定度更高、成本和功耗较低、而且体积较小。光纤陀螺仪大致分为干涉式光纤陀螺仪和谐振式光纤陀螺仪，目前，干涉式光纤陀螺仪的应用最为广泛。

在干涉式光纤陀螺仪中，常采用较长的光纤绕制成多匝线圈以形成闭合光路。采用多匝线圈可以增强萨格纳克效应。在这种情况下，萨格纳克相移φ_S的表达式为：

${\mathrm{\φ}}_S=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{LD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}$ 公式（2）

其中，L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长。

为了精确地测量萨格纳克效应（即萨格纳克相移φ_S），要保证所述闭合光路具有互易性，即保证沿所述闭合光路的顺时针方向传输的光（下称CW光）和沿所述闭合光路的逆时针方向传输的光（下称CCW光）具有相同的模式、偏振以及相位延迟，使得CW光和CCW光的相位差只与该闭合光路的转动角速度有关，而与传输无关，从而提高测量的准确性。

图1示出了干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构。如图1所示，该最小互易性结构包括光源、光源端耦合器、起偏器、环端耦合器、光纤环以及光电探测器。上述耦合器可以实现光束的分束和重新汇合。光源光束在通过起偏器后，经环端耦合器分成CW光和CCW光在光纤环中传输，该CW光和CCW光在光纤环中传输后又通过环端耦合器重新汇合并形成干涉波，该干涉波最后经过光源端耦合器进入光电探测器。环端耦合器具有互易性，它对CW光和CCW光造成的相位延迟是相同的。另外，起偏器用来对光波进行偏振滤波，以保证CW光和CCW光具有相同的偏振，从而实现偏振互易性。在光纤陀螺仪中，可以采用保偏光纤来保证偏振互易性。

由于光纤环静止时CW光和CCW光的相位和振幅完全相同，因此干涉光的功率P₀为最大。当光纤环有转动时，干涉光功率P为转动所引起的CW光和CCW光的相位差φ_S的函数P(φ_S)=P₀(1+cosφ_S)。为了获得高灵敏度，应该给φ_S施加一个偏置△φ，使系统工作在光功率斜率不为零的点附近：P(φ_S)=P₀[1+cos(φ_S+△φ)]。为此，需要在光纤环的一端加上相位调制器（例如，PZT相位调制器），以便对光纤环中传输的CW光和CCW光进行相位调制，从而使其在光纤环静止时产生相位差△φ。

干涉式光纤陀螺仪根据其应用需要划分了不同的精度级别，表1示出了各精度级别的技术要求。

表1.各精度级别的技术要求

其中，零偏稳定性是衡量干涉式光纤陀螺仪精度的最重要技术指标。零偏相关噪声则包括量化噪声、角度随机游走、速率随机游走、速率斜坡等。

如上所述，在光纤陀螺仪中，两个耦合器和一个起偏器的结构原理可以消除偏振非互易引起的噪声分量，保证良好的零偏稳定性，但是也造成了成本的提高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪，该单耦合器全消偏光纤陀螺仪具有很低的复杂度、较低的成本、以及较高的精度和零偏稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、环前消偏器、耦合器、两个环内消偏器、单模光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与环前消偏器相连，环前消偏器的另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤与两个环内消偏器耦合，两个环内消偏器的另一端分别与单模光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。

优选地，所述耦合器为3dB单模光纤耦合器。

优选地，在所述单模光纤环中插入有相位调制器。进一步优选地，所述相位调制器为PZT相位调制器。

优选地，所述环前消偏器、环内消偏器为保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

优选地，其中环前消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为（L₀，16L），两个环内消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为（1L，2L），（4L，8L），其中，L₀和L为常数。

优选地，长度L₀满足L₀=L_d/△n，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，为所述宽谱光源的去相干长度，λ₀为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。

优选地，长度L满足ΔnL=Δn₀L_SMF+L₀，Δn为制作所述消偏器所使用的保偏光纤的x轴和y轴之间的折射率差，Δn₀为所述单模光纤环的双折射晶体的折射率之差，L_SMF为所述单模光纤环的光纤长度，以及L₀为所述两段式光源消偏器的第一段长度，并且

${\mathrm{\Δn}}_0=0.25n_{\mathrm{eff}}^2(P_{11}-P_{12})(1+v){(a/r)}^2=0.0927{(a/r)}^2,$

其中，n_eff为所述单模光纤环中的光纤的等效折射率，P₁₁和P₁₂为所述单模光纤环中的光纤的弹光系数，ν为所述单模光纤环中的光纤的泊松系数，a和r分别为所述单模光纤环中的光纤的芯径和所述单模光纤环的弯曲半径。

如上所述，本发明基于偏振误差补偿的原理突破了光纤陀螺最小互易结构的限制，本发明所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪不需要起偏器，只需要一个耦合器，大大降低了结构的成本，其结构的成本低于目前市面上主流的光纤陀螺结构。通过环前Lyot消偏器所产生的消偏光满足双偏振误差补偿的条件，可以达到良好的非互易误差补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度。

附图说明

图1是干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构的示意图；

图2是本发明的一个实施例所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪的结构的示意图；

图3是基于保偏光纤的两段式Lyot消偏器的示意图；

图4是图2中的陀螺仪输出角速度值的时域数据图；以及

图5是图2中的陀螺仪输出角速度数据的误差分析图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。

图2是本发明的一个实施例所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪的结构的示意图。如图2所示，本发明所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪包括：包括宽谱光源、环前消偏器、耦合器、两个环内消偏器、相位调制器、单模光纤环、以及光电探测器。宽谱光源可以采用干涉式光纤陀螺中普遍采用的宽谱光源，例如可以采用ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，谱宽为40nm。宽谱光源的输出端通过单模光纤与环前消偏器相连。优选地，环前消偏器使用基于保偏光纤的两段式Lyot消偏器。

所述环前消偏器的另一端与耦合器的第一端口相连，优选地，使用分光比为50:50的单模光纤耦合器，即3dB单模光纤耦合器。耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤与两个环内消偏器耦合，两个环内消偏器的另一端分别与单模光纤环的两个端口耦合。优选地，环内消偏器使用基于保偏光纤的两段式Lyot消偏器。

图3是所述两段式Lyot消偏器的原理示意图。如图3所示，Lyot消偏器包括两段同种保偏光纤，其长度分别为L₁和L₂，其主轴x和x’成45°夹角。若该保偏光纤的x轴和y轴之间（也即是x’轴和y’轴之间）的折射率差为Δn，光源的去相干长度L_d小于ΔnL，则光波波列A在通过第一个晶体之后被不均匀地分成两束相互垂直且互不相干的波列B。每束波列B在通过第二块晶体之后再被均匀地分解，最终在输出端形成四个波列C，这些波列在两个偏振方向上的光强相等且互不相干，即形成消偏光。

优选地，本发明中所采用的消偏器都可以是用保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。这种消偏器的成本仅是同长度保偏光纤的成本，远远低于传统光纤陀螺中的起偏器和保偏器件的成本。优选地，其中环前消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为（L₀，16L），两个环内消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为（1L，2L），（4L，8L）。

本发明的实施例中所使用的单模光纤环的双折射晶体的折射率之差的表达式为 ${\mathrm{\Δn}}_0=0.25n_{\mathrm{eff}}^2(P_{11}-P_{12})(1+v){(a/r)}^2=0.0927{(a/r)}^2,$ 其中，n_eff为石英光纤的等效折射率（n_eff=0.146），P11和P12为石英的弹光系数（P11=0.12，P12=0.27），ν为泊松系数（ν=0.16），a为光纤芯径，r为光纤环的弯曲半径。在本实例中，单模光纤环的光纤长度L_SMF=2100m，光纤芯径为a=1253μm，环的弯曲半径为r=7cm。

另外，所述耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。优选地，光电探测器可以采用例如半导体PIN光二极管。

如上所述，本发明利用全消偏的光路来避免使用现有光纤陀螺仪中的起偏器，并实现了相位误差的补偿效果（后面将详细描述）。此外本发明所说的光纤陀螺仪只需要使用一个耦合器，而不像现有光纤陀螺中使用两个耦合器，因此本发明所述的光纤陀螺仪的成本大大地降低了。

环前消偏器可以产生光强相等且相互独立的两个偏振态，它具有非互易性，但却能通过误差补偿消除非互易性带来的影响。下面通过理论分析来说明这一点。

定义C点处，即环前消偏器与耦合器之间点处的光偏振度为d，这样输入单模光纤环的归一化光场为：

$E_C=\left[\begin{array}{c}\sqrt{(1+d)/2}{e}^{-\mathrm{j\Δ\βL}}\\ \sqrt{(1-d)/2}\end{array}\right]e^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}$ 公式（3）

其中，△β是Lyot消偏器中保偏光纤两轴之间的传播常数之差，长度L消除了两个偏振态之间的相干性。光波的偏振度为d取值范围为﹣1～1。d=﹣1表示y方向线偏振，d=0表示x方向和y方向的振幅等大小，d=1表示x方向线偏振。

用符号M_CW表示顺时针传输的光波穿过耦合器和光纤环的总的传输矩阵，用符号M_CCW表示逆时针传输的光波穿过耦合器和光纤环的总的传输矩阵，则有：

$M_{\mathrm{CW}}=\left[\begin{array}{cc}{C}_1& C_2\\ C_3& C_4\end{array}\right]$ 公式（4）

$M_{\mathrm{CCW}}=\left[\begin{array}{cc}{C}_1& C_3\\ C_2& C_4\end{array}\right]$ 公式（5）

由此可以计算出返回波形成的干涉光波：

$E_{\mathrm{CW}}+E_{\mathrm{CCW}}=M_{\mathrm{CW}}{E}_C{e}^{\mathrm{i\φ}}+M_{\mathrm{CCW}}{E}_C$ 公式（6）

其中非互易相位φ=φ_S+△φ(t)包括了Sagnac相位差φ_S和调制器引入的相位偏置△φ(t)。公式中每一项的具体形式如下

$E_{\mathrm{CW}}=M_{\mathrm{CW}}{E}_C{e}^{\mathrm{j\φ}}=\left[\begin{array}{c}{C}_1\sqrt{(1+d)/2}{e}^{-\mathrm{j\Δ\βL}}+C_2\sqrt{(1-d)/2}\\ C_3\sqrt{(1+d)/2}{e}^{-\mathrm{j\Δ\βL}}+C_4\sqrt{(1-d)/2}\end{array}\right]e^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}{e}^{\mathrm{j\φ}}$ 公式（7）

$E_{\mathrm{CCW}}=M_{\mathrm{CCW}}{E}_C=\left[\begin{array}{c}{C}_1\sqrt{(1+d)/2}{e}^{-\mathrm{j\Δ\β}{L}_0}+C_3\sqrt{(1-d)/2}\\ C_2\sqrt{(1+d)/2}{e}^{-\mathrm{j\Δ\β}{L}_0}+C_4\sqrt{(1-d)/2}\end{array}\right]e^{j{\mathrm{\ω}}_{0}t}$ 公式（8）

为了清晰得解释误差补偿的原理，我们分别计算所得到干涉光波中x偏振分量和y偏振分量。其中x偏振分量的干涉光强为

I_x=<|E_CWx+E_CCWx|²>

=I_x0+|C₁|²(1+d)cosφ+(1-d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)cosφcosφ₂₃ 公式（9）

-(1-d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)sinφsinφ₂₃

本步骤中把与相位无关的直流分量和弱相干项写一并入了I_x0，舍去了高阶小量。其中φ₂₃和z₂₃分别是C₂ 的相位和双折射延时，Γ(z)是光源的相干度函数。

为了分析所得到信号的误差，我们可以把公式（9）的结果写成如下等价的形式

$I_x=I_{x0}+q_x\cos \mathrm{\&phi;}+p_x\sin \mathrm{\&phi;}=I_{x0}+\sqrt{p_x^2+q_x^2}\cos (\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{err}}^x)$ 公式（10）

p_x=-(1-d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)sinφ₂₃ 公式（11）

q_x=(1+d)|C₁|²+(1-d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)cosφ₂₃ 公式（12）

其中代表了x方向偏振非互易引入的相位误差的大小。

类似的，我们可以得到y方向的干涉光强I_y和信号中的相位误差 ${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{err}}^y=\arctan (p_y/q_y)$

$I_y=I_{y0}+q_y\cos \mathrm{\&phi;}+p_y\sin \mathrm{\&phi;}=I_{y0}+\sqrt{p_y^2+q_y^2}\cos (\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{err}}^y)$ 公式（10）

p_y=(1+d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)sinφ₂₃ 公式（11）

q_y=(1-d)|C₄|²+(1+d)|C₂C₃|Γ(z₂₃)cosφ₂₃ 公式（12）

最终，两个成分I_x、I_y叠加后得到的干涉光总光强的形式可以表示为直流分量（DC）加上干涉相关分量：

I_x+I_y=I_x0+I_y0+(q_x+q_y)cosφ_S+(p_x+p_y)sinφ_S

=I₀+cos(φ-φ_err) 公式（13）

偏振非互易性引入的误差为：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{err}}=\arctan \left(\frac{p_x+p_y}{q_x+q_y}\right)$

$=\arctan \frac{2d\left|C_2{C}_3\right|\mathrm{\&Gamma;}\left(z_{23}\right)\sin {\mathrm{\&phi;}}_{23}}{{\left|C_1\right|}^2(1+d)+{\left|C_4\right|}^2(1-d)+2\left|C_2{C}_3\right|\mathrm{\&Gamma;}\left(z_{23}\right)\cos {\mathrm{\&phi;}}_{23}}$ 公式（14）

可见，当分光均匀的时候（d=0），I_x和I_y中的相位误差刚好等大反号，此时最终的相位误差为零。即d=0时，φ_err=0。这就说明了本发明中的光纤陀螺结构可以有效的降低偏振非互易引入的误差，从而不需要两个耦合器来严格保证互易性，只用一个耦合器也可以得到稳定的角速度检测结果。

图4示出了图2中的陀螺仪的输出角速度值的时域数据图。其中，实验测量对象是地球自转角速度，在实验室维度（北纬40.0度）的水平面上，待测的理论值为9.67度/小时，数据输出间隔约为0.35秒，测试时间长度2小时。可见数据输出稳定，游走和漂移都很很小。其中输入输出有一个固定的偏差约为38°/h。该偏差是由耦合器非互易性引入的，是个不随时间变化固定偏差，可以通过简单做差的方式来消除，不影响陀螺的精度和稳定性。

图5示出了图2中陀螺仪的输出角速度数据的误差分析图。根据此图，所得到陀螺的误差参数为：量化噪声系数Q=8.6×10^-8rad，角度随机游走零偏稳定性B=1.8×10^-2°/h，速率随机游走K=1.1×10^-1°/h^3/2，速率斜坡R=1.6×10^-1°/h²。

在传统的保偏陀螺和消偏陀螺中，如果去掉起偏器，其零偏不稳定性会达到几十～上百°/h。对于本发明的所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，可以近乎完美地补偿非互易问题导致的噪声和漂移，其结果和有起偏器的陀螺结构相当。此外，本发明所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪只需要一个耦合器，比传统的保偏陀螺和消偏陀螺结构复杂度更低，成本更低。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，包括宽谱光源、环前消偏器、耦合器、两个环内消偏器、单模光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与环前消偏器相连，环前消偏器的另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤与两个环内消偏器耦合，两个环内消偏器的另一端分别与单模光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合；所述环前消偏器产生的消偏光满足非互易误差补偿的条件。

2.根据权利要求1所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，所述耦合器为3dB单模光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，在所述单模光纤环中插入有相位调制器。

4.根据权利要求3所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，所述相位调制器为PZT相位调制器。

5.根据权利要求1所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，所述环前消偏器、环内消偏器为保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

6.根据权利要求1或5所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其中环前消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为(L₀，16L)，两个环内消偏器所采用的两段式Lyot消偏器的长度为(1L，2L)，(4L，8L)，其中L₀和L为常数。

7.根据权利要求6所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，长度L₀满足L₀＝L_d/Δn，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，为所述宽谱光源的去相干长度，λ₀为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。

8.根据权利要求6所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，长度L满足ΔnL＝Δn₀L_SMF+L₀，Δn为制作所述消偏器所使用的保偏光纤的x轴和y轴之间的折射率差，Δn₀为所述单模光纤环的双折射晶体的折射率之差，L_SMF为所述单模光纤环的光纤长度，以及L₀为所述两段式光源消偏器的第一段长度，并且

${\mathrm{\&Delta;n}}_0=0.25n_{eff}^2(P_{11}-P_{12})(1+\mathrm{\&nu;}){\left(\frac{a}{r}\right)}^2=0.0927{\left(\frac{a}{r}\right)}^2,$

其中，n_eff为所述单模光纤环中的光纤的等效折射率，P₁₁和P₁₂为所述单模光纤环中的光纤的弹光系数，ν为所述单模光纤环中的光纤的泊松系数，a和r分别为所述单模光纤环中的光纤的芯径和所述单模光纤环的弯曲半径。

9.根据权利要求1所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，所述宽谱光源采用ASE宽谱光源。

10.根据权利要求1所述的单耦合器全消偏光纤陀螺仪，其特征在于，所述光电探测器采用半导体PIN光二极管。