CN104634340B - 消除热效应的光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除热效应的光纤陀螺仪。宽谱光源发出的光进入分光器一分为二，一束经Y分束器和起偏器，到达偏振分束器，另一束经Y分束器和起偏器，再经90°偏振焊点到达偏振分束器，由偏振分束器输出的信号经过Y分束器一分为二，上、下光束分别按顺时针、反时针方向经光纤传感环后返回Y分束器合成形成干涉，到达偏振分束器一分为二，其中一束经起偏器和Y分束器一分为二，另外一束经90°偏振焊点，再经起偏器和Y分束器一分为二，Y分束器一端输出的光干涉信号由光电探测器变为电信号，信号处理单元和模拟开关实现一个本征周期内处理两种偏振模式光干涉信号。本发明可以消除热效应，得到陀螺的精确转速。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种消除热效应的光纤陀螺仪。
背景技术
传统的闭环光纤陀螺如图2。由宽谱光源1发出的光经分束器13一分为二，其中一束进入多功能集成光学芯片14的输入端，多功能集成光学芯片14上集成有起偏器、Y分束器和相位调制器，多功能集成光学芯片14上的Y分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环5后返回多功能集成光学芯片14；下光束按反时针方向经过光纤传感环5后返回多功能集成光学芯片14；这二束顺时针光和反时针光由多功能集成光学芯片14中的Y分束器合成形成干涉，经多功能集成光学芯片14输入端至分束器13一分为二，其中一束由光电探测器7变为电信号，经过信号处理单元15，生产反馈加到多功能集成光学芯片14中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。这种陀螺的缺点是存在热引入的零偏漂移，本发明的目的是提供一种不受温度梯度影响的光纤陀螺仪，即能够将Shupe效应与Sagnac效应分离的光纤陀螺仪。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种消除热效应的光纤陀螺仪。采用基于Ti扩散工艺的光学集成芯片以及偏振分束器，实现光源的两种偏振模式在光纤陀螺传感环中同时传播，从而将Shupe效应与Sagnac效应分离开来。使得人们在制作光纤陀螺时，不用将大量的时间浪费在繁琐的四极对称绕环法上。
消除热效应的光纤陀螺仪包括宽谱光源、分光器、光学集成芯片、偏振分束器、光纤传感环、第一光电探测器、第二光电探测器、第一模拟开关、第二模拟开关、信号处理单元、90°偏振焊点、同步时钟信号源；其中光学集成芯片包括第一路Y分束器、第一路起偏器、第二路Y分束器、第二路起偏器，第三路Y分束器、第三路相位调制器；由宽谱光源发出来的光进入分光器一分为二，其中一束光经过第一路Y分束器和第一路起偏器，到达偏振分束器；另一束光经过第二路Y分束器和第二路起偏器，再经过90°偏振焊点转换偏振模式到达偏振分束器；由偏振分束器输出的光信号经过第三路Y分束器一分为二，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环后返回第三路Y分束器；下光束按反时针方向经过光纤传感环后返回第三路Y分束器；顺时针光和反时针光由第三路Y分束器合成形成干涉后，由偏振分束器一分为二，其中一束光经过第一路起偏器和第一路Y分束器一分为二，其中一束由第一光电探测器变为电信号，经过模拟开关后送入信号处理单元，再经过模拟开关，将信号处理单元生产的反馈信号加到第三路相位调制器上，第一模拟开关、第二模拟开关以及信号处理单元都由同步时钟信号源控制，信号处理单元同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信息从偏振分束器输出的另一束光经过90°偏振焊点转换偏振模式，再经过第二路起偏器和第二路Y分束器一分为二，其中一束由第二光电探测器变为电信号，经过模拟开关后送入信号处理单元，再经过模拟开关，将信号处理单元生产的反馈信号加到第三路相位调制器上，信号处理单元同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信息最后得出光纤陀螺仪的精确转速
所述的光学集成芯片是基于Ti扩散工艺制作而成，所述的同步时钟信号源频率为光纤陀螺仪本征频率两倍，在前半个本征周期实现对X偏振模式光干涉信号的处理，在后半个本征周期实现对Y偏振模式光干涉信号的处理。
本发明是采用基于Ti扩散工艺制成的光学集成芯片，取代了传统光纤陀螺仪的光学集成芯片LiNbO3元件，同时提出新的信号处理方法，以实现同时对两种偏振模式光干涉信号的处理。本发明的目的是利用光源的两个偏振模式在光纤陀螺传感环中同时传播，消除了时变温度梯度引入的Shupe效应，得到光纤陀螺的精确转速。
附图说明
图1是消除热效应的光纤陀螺仪结构示意图；
图2是传统的光纤陀螺仪结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，消除热效应的光纤陀螺仪包括宽谱光源1、分光器2、光学集成芯片3、偏振分束器4、光纤传感环5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一模拟开关8、第二模拟开关9、信号处理单元10、90°偏振转换器11、同步时钟信号源12；其中光学集成芯片3包括第一路Y分束器3-1-1、第一路起偏器3-1-2、第二路Y分束器3-2-1、第二路起偏器3-2-2，第三路Y分束器3-3-1、第三路相位调制器3-3-2；由宽谱光源1发出来的光进入分光器2一分为二，其中一束光经过第一路Y分束器3-1-1和第一路起偏器3-1-2，到达偏振分束器4；另一束光经过第二路Y分束器3-2-1和第二路起偏器3-2-2，再经过90°偏振转换器11转换偏振模式到达偏振分束器4；由偏振分束器4输出的光信号经过第三路Y分束器3-3-1一分为二，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环5后返回第三路Y分束器3-3-1；下光束按反时针方向经过光纤传感环5后返回第三路Y分束器3-3-1；顺时针光和反时针光由第三路Y分束器3-3-1合成形成干涉后，由偏振分束器4一分为二，其中一束光经过第一路起偏器3-1-2和第一路Y分束器3-1-1一分为二，其中一束由第一光电探测器6变为电信号，经过模拟开关8后送入信号处理单元10，再经过模拟开关9，将信号处理单元10生产的反馈信号加到第三路相位调制器3-3-2上，第一模拟开关8、第二模拟开关9以及信号处理单元10都由同步时钟信号源12控制，信号处理单元同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号从偏振分束器4输出的另一束光经过90°偏振转换器11转换偏振模式，再经过第二路起偏器3-2-2和第二路Y分束器3-2-1一分为二，其中一束由第二光电探测器7变为电信号，经过模拟开关8后送入信号处理单元10，再经过模拟开关9，将信号处理单元10生产的反馈信号加到第三路相位调制器3-3-2上，信号处理单元10同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号最后得出光纤陀螺仪的精确转速
所述的光学集成芯片3是基于Ti扩散工艺制作而成，所述的同步时钟信号源12频率为光纤陀螺仪本征频率两倍，在前半个本征周期实现对X偏振模式光干涉信号的处理，在后半个本征周期实现对Y偏振模式光干涉信号的处理。
实施例：集成光学芯片3采用Ti扩散工艺制作而成；同时采用由同步时钟信号源12控制第一模拟开关8，第二模拟开关9和信号处理单元10，同步时钟信号源12频率为光纤陀螺仪本征频率两倍，实现在前半个本征周期里信号处理单元对x偏振模式光干涉信号进行处理，在后半个本征周期里信号处理单元对y偏振模式光干涉信号进行处理。光纤传感环采用1500米保偏光纤，绕在最大外径为120厘米的环形铝支架上。为了增强Shupe效应，环形铝支架不加盖子，直接裸露在温箱中。
而作为比较，使用同一光源、同一光纤传感环、相位调制器、光电探测器，以及同一温箱、同样温变过程。实验陀螺与传统陀螺相比，在温变过程中最终输出呈现出较为平坦的趋势，Shupe效应引起的相位误差得到较为明显的抑制。
Claims (3)
1.一种消除热效应的光纤陀螺仪，其特征在于包括宽谱光源(1)、分光器(2)、光学集成芯片(3)、偏振分束器(4)、光纤传感环(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、第一模拟开关(8)、第二模拟开关(9)、信号处理单元(10)、90°偏振焊点(11)、同步时钟信号源(12)；其中光学集成芯片(3)包括第一路Y分束器(3-1-1)、第一路起偏器(3-1-2)、第二路Y分束器(3-2-1)、第二路起偏器(3-2-2)，第三路Y分束器(3-3-1)、第三路相位调制器(3-3-2)；由宽谱光源(1)发出来的光进入分光器(2)一分为二，其中一束光经过第一路Y分束器(3-1-1)和第一路起偏器(3-1-2)，到达偏振分束器(4)；另一束光经过第二路Y分束器(3-2-1)和第二路起偏器(3-2-2)，再经过90°偏振焊点(11)转换偏振模式到达偏振分束器(4)；由偏振分束器(4)输出的光信号经过第三路Y分束器(3-3-1)一分为二，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环(5)后返回第三路Y分束器(3-3-1)；下光束按反时针方向经过光纤传感环(5)后返回第三路Y分束器(3-3-1)；顺时针光和反时针光由第三路Y分束器(3-3-1)合成形成干涉后，由偏振分束器(4)一分为二，其中一束光经过第一路起偏器(3-1-2)和第一路Y分束器(3-1-1)一分为二，其中一束由第一光电探测器(6)变为电信号，经过第一模拟开关(8)后送入信号处理单元(10)，再经过第二模拟开关(9)，将信号处理单元(10)生产的反馈信号加到第三路相位调制器(3-3-2)上，第一模拟开关(8)、第二模拟开关(9)以及信号处理单元(10)都由同步时钟信号源(12)控制,信号处理单元(10)同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信息其中 为Sagnac效应所引起的转速信息，为X偏振模式光传输时Shupe效应所引起误差信息，并且正比于nx为X偏振模式折射率，ny为Y偏振模式折射率，T为绝对温度；从偏振分束器(4)输出的另一束光经过90°偏振焊点(11)转换偏振模式，再经过第二路起偏器(3-2-2)和第二路Y分束器(3-2-1)一分为二，其中一束由第二光电探测器(7)变为电信号，经过第一模拟开关(8)后送入信号处理单元(10)，再经过第二模拟开关(9)，将信号处理单元(10)生产的反馈信号加到第三路相位调制器(3-3-2)上，信号处理单元(10)同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信息其中 为Sagnac效应所引起的转速信息，为Y偏振模式传输时Shupe效应所引起的误差信息，并且正比于nx为X偏振模式折射率，ny为Y偏振模式折射率，T为绝对温度，最后由得到光纤陀螺仪的精确转速
2.如权利要求1所述的一种消除热效应的光纤陀螺仪，其特征在于所述的光学集成芯片(3)是基于Ti扩散工艺制作而成。
3.如权利要求1所述的一种消除热效应的光纤陀螺仪，其特征在于所述的同步时钟信号源(12)频率为光纤陀螺仪本征频率两倍，在前半个本征周期实现对X偏振模式光干涉信号的处理，在后半个本征周期实现对Y偏振模式光干涉信号的处理。
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