CN105424023A - 灵敏度可调的谐振式光纤陀螺 - Google Patents

灵敏度可调的谐振式光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，包括两个激光器、偏振控制器、铌酸锂相位调制器、两个波分复用器、光纤耦合器、掺饵光纤环、探测器和信号处理及反馈系统；第一激光器与偏振控制器连接，偏振控制器与铌酸锂相位调制器连接，铌酸锂相位调制器与第一波分复用器连接，第一波分复用器与光纤耦合器连接，光纤耦合器与掺饵光纤环连接，光纤耦合器与第二波分复用器连接，第二波分复用器与第二激光器连接，第二波分复用器与探测器连接，探测器与信号处理及反馈系统连接，信号处理及反馈系统与铌酸锂相位调制器连接，信号处理及反馈系统与第二激光器连接，信号处理及反馈系统输出陀螺输出信号。本发明与传统的谐振式光纤陀螺相比，动态范围提高数十倍。

Description

灵敏度可调的谐振式光纤陀螺
技术领域
本发明涉及光纤陀螺领域，具体涉及一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺。
背景技术
1976年，美国Utah大学的V.Vali和R.W.Shorthill成功研制了第一个光纤陀螺，光纤陀螺一问世就以其结构简单、体积小、寿命长、功耗低等优点，引起了许多国家大学和科研机构的关注，得到了迅速的发展。目前，传统的谐振式光纤陀螺采用的是一个单模光纤制作的光纤环形谐振腔，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，但传统的谐振式光纤陀螺的灵敏度固定，当谐振式光纤陀螺灵敏度较高时，其动态范围相应下降，因此固定的灵敏度限制了谐振式光纤陀螺的动态范围，传统的谐振式光纤陀螺难以满足旋转速度变化范围大的场所的需求。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提供一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，解决了传统谐振式光纤陀螺灵敏度固定、动态范围相对较小，难以实现大范围测量旋转速度的问题。
本发明所采用的技术如下：
一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，包括第一激光器、偏振控制器、铌酸锂相位调制器、第一波分复用器、光纤耦合器、掺饵光纤环、第二波分复用器、第二激光器、探测器和信号处理及反馈系统；第一激光器的光输出端与偏振控制器的光输入端连接，偏振控制器的光输出端与铌酸锂相位调制器的光输入端连接，铌酸锂相位调制器的光输出端与第一波分复用器的光输入端连接，第一波分复用器的光输入输出端与光纤耦合器的第一光输入输出端连接，光纤耦合器的第二光输入输出端和第三光输入输出端与掺饵光纤环连接，光纤耦合器的第四光输入输出端与第二波分复用器的光输入输出端连接，第二波分复用器的光输入端与第二激光器的光输出端连接，第二波分复用器的光输出端与探测器的光输入端连接，探测器的信号输出端与信号处理及反馈系统的信号输入端连接，信号处理及反馈系统的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器的信号输入端连接，信号处理及反馈系统的第二信号输出端与第二激光器的信号输入端连接，信号处理及反馈系统的第三信号输出端输出陀螺输出信号。
本发明还具有如下技术特征：
1、所述的信号处理及反馈系统包括一级低通滤波电路、放大电路、二级低通滤波电路、差分电路、阶梯波发生电路和加法电路；探测器的信号输出端与一级低通滤波电路的信号输入端连接，一级低通滤波电路的信号输出端与放大电路的信号输入端连接，放大电路的信号输出端与二级低通滤波电路的信号输入端连接，二级低通滤波电路的信号输出端与差分电路的信号输入端连接，差分电路的第一信号输出端输出陀螺输出信号，差分电路的第二信号输出端与阶梯波发生电路的信号输入端连接，阶梯波发生电路的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器的信号输入端连接，阶梯波发生电路的第二信号输出端与加法电路的信号输入端连接，加法电路的信号输出端与第二激光器的信号输入端连接。
2、所述的掺饵光纤环是掺饵光纤绕制的空心线圈。
3、所述的第一激光器输出功率为恒定的1550nm激光，第二激光器输出功率为可控的980nm激光。
3、通过控制第二激光器输出980nm激光的功率来实现本光纤陀螺灵敏度的调节。
本发明的特点和优点：
本发明包含一个掺饵光纤环形谐振腔，通过调节注入的980nm光的强度来调节掺饵光纤环形谐振腔内的增益，进而实现本陀螺灵敏度的大范围调谐，与传统的谐振式光纤陀螺相比，动态范围提高数十倍。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是信号处理及反馈系统的电路结构示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例进一步说明：
实施例1
如图1-2所示，一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，包括第一激光器1、偏振控制器2、铌酸锂相位调制器3、第一波分复用器4、光纤耦合器5、掺饵光纤环6、第二波分复用器7、第二激光器8、探测器9和信号处理及反馈系统10；第一激光器1的光输出端与偏振控制器2的光输入端连接，偏振控制器2的光输出端与铌酸锂相位调制器3的光输入端连接，铌酸锂相位调制器3的光输出端与第一波分复用器4的光输入端连接，第一波分复用器4的光输入输出端与光纤耦合器5的第一光输入输出端连接，光纤耦合器5的第二光输入输出端和第三光输入输出端与掺饵光纤环6连接，光纤耦合器5的第四光输入输出端与第二波分复用器7的光输入输出端连接，第二波分复用器7的光输入端与第二激光器8的光输出端连接，第二波分复用器7的光输出端与探测器9的光输入端连接，探测器9的信号输出端与信号处理及反馈系统10的信号输入端连接，信号处理及反馈系统10的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器3的信号输入端连接，信号处理及反馈系统10的第二信号输出端与第二激光器8的信号输入端连接，信号处理及反馈系统10的第三信号输出端输出陀螺输出信号。
信号处理及反馈系统10包括一级低通滤波电路101、放大电路102、二级低通滤波电路103、差分电路104、阶梯波发生电路105和加法电路106；探测器9的信号输出端与一级低通滤波电路101的信号输入端连接，一级低通滤波电路101的信号输出端与放大电路102的信号输入端连接，放大电路102的信号输出端与二级低通滤波电路103的信号输入端连接，二级低通滤波电路103的信号输出端与差分电路104的信号输入端连接，差分电路104的第一信号输出端输出陀螺输出信号，差分电路104的第二信号输出端与阶梯波发生电路105的信号输入端连接，阶梯波发生电路105的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器3的信号输入端连接，阶梯波发生电路105的第二信号输出端与加法电路106的信号输入端连接，加法电路106的信号输出端与第二激光器8的信号输入端连接。
掺饵光纤环6是掺饵光纤绕制的空心线圈；第一激光器1输出功率为恒定的1550nm激光，第二激光器8输出功率为可控的980nm激光；通过第二激光器8输出980nm激光的功率来实现光纤陀螺灵敏度的调节。
实施例2
本发明的工作原理为：第一激光器1输出功率恒定的1550nm激光，1550nm激光进入偏振控制器2，在偏振控制器2中选择偏振态后进入铌酸锂相位调制器3，在铌酸锂相位调制器3中对光频率进行调制，铌酸锂相位调制器3输出的1550nm激光进入第一波分复用器4，然后通过光纤耦合器5进入掺饵光纤环6，在光纤耦合器5与掺饵光纤环6中发生谐振，1550nm激光谐振后，经过第二波分复用器7进入探测器9，被探测器9探测，探测器9的输出信号进入信号处理及反馈系统10，进行信号处理，产生陀螺输出信号，信号处理及反馈系统10输出调制信号加载到铌酸锂相位调制器3的信号输入端，从而在铌酸锂相位调制器3中对光频率进行调制，信号处理及反馈系统10输出另一路调制信号加载到第二激光器8的信号输入端，用以控制第二激光器8输出的980nm激光的功率；同时，第二激光器8输出的980nm激光，先后通过第二波分复用器7、光纤耦合器5，进入掺饵光纤环6，980nm激光在掺饵光纤环6为1550nm激光提供增益，增益大小与980nm激光的功率成正比，通过控制980nm激光的功率，调节1550nm激光在光纤耦合器5与掺饵光纤环6中的谐振状态，进而实现对本陀螺灵敏度的调节，980nm激光在掺饵光纤环6为1550nm激光提供增益后再次通过光纤耦合器5，进入第一波分复用器4，由第一波分复用器4的输出端输出。
信号处理及反馈系统10的工作原理：探测器9的输出信号进入一级低通滤波电路101，在一级低通滤波电路101中进行滤波后，进入放大电路102进行信号放大，然后进入二级低通滤波电路103再次进行滤波，之后进入差分电路104，在差分电路104中对二级低通滤波电路103输出信号的直流分量与一个常数求差，产生一个直流电压信号，作为陀螺输出信号，依据此直流电压信号的幅度即可获得旋转速度的大小，同时将差分电路104产生的直流电压信号输入阶梯波发生电路105，阶梯波发生电路105产生一个频率为5KHz的阶梯波，此阶梯波的幅度与差分电路104产生的直流电压信号的幅度成正比，并将此阶梯波加载到铌酸锂相位调制器3的信号输入端，从而在铌酸锂相位调制器3中对光频率进行调制，同时阶梯波发生电路105输出一个低压直流电压信号进入加法电路106，加法电路106输出一个高压直流电压信号加载到第二激光器8的信号输入端，用以控制第二激光器8输出的980nm激光的功率，调节本陀螺的灵敏度。

Claims (5)

1.一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，包括第一激光器(1)、偏振控制器(2)、铌酸锂相位调制器(3)、第一波分复用器(4)、光纤耦合器(5)、掺饵光纤环(6)、第二波分复用器(7)、第二激光器(8)、探测器(9)和信号处理及反馈系统(10)；其特征在于：第一激光器(1)的光输出端与偏振控制器(2)的光输入端连接，偏振控制器(2)的光输出端与铌酸锂相位调制器(3)的光输入端连接，铌酸锂相位调制器(3)的光输出端与第一波分复用器(4)的光输入端连接，第一波分复用器(4)的光输入输出端与光纤耦合器(5)的第一光输入输出端连接，光纤耦合器(5)的第二光输入输出端和第三光输入输出端与掺饵光纤环(6)连接，光纤耦合器(5)的第四光输入输出端与第二波分复用器(7)的光输入输出端连接，第二波分复用器(7)的光输入端与第二激光器(8)的光输出端连接，第二波分复用器(7)的光输出端与探测器(9)的光输入端连接，探测器(9)的信号输出端与信号处理及反馈系统(10)的信号输入端连接，信号处理及反馈系统(10)的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器(3)的信号输入端连接，信号处理及反馈系统(10)的第二信号输出端与第二激光器(8)的信号输入端连接，信号处理及反馈系统(10)的第三信号输出端输出陀螺输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述信号处理及反馈系统(10)包括一级低通滤波电路(101)、放大电路(102)、二级低通滤波电路(103)、差分电路(104)、阶梯波发生电路(105)和加法电路(106)；探测器(9)的信号输出端与一级低通滤波电路(101)的信号输入端连接，一级低通滤波电路(101)的信号输出端与放大电路(102)的信号输入端连接，放大电路(102)的信号输出端与二级低通滤波电路(103)的信号输入端连接，二级低通滤波电路(103)的信号输出端与差分电路(104)的信号输入端连接，差分电路(104)的第一信号输出端输出陀螺输出信号，差分电路(104)的第二信号输出端与阶梯波发生电路(105)的信号输入端连接，阶梯波发生电路(105)的第一信号输出端与铌酸锂相位调制器(3)的信号输入端连接，阶梯波发生电路(105)的第二信号输出端与加法电路(106)的信号输入端连接，加法电路(106)的信号输出端与第二激光器(8)的信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述掺饵光纤环(6)是掺饵光纤绕制的空心线圈。
4.根据权利要求1所述的一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述第一激光器(1)输出功率为恒定的1550nm激光，所述第二激光器(8)输出功率为可控的980nm激光。
5.根据权利要求1所述的一种灵敏度可调的谐振式光纤陀螺，其特征在于：所述第二激光器(8)输出980nm激光的功率以实现灵敏度的调节。
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