CN105547277A - 基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺 - Google Patents

基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，包括电压信号源、激光器、隔离器、偏振控制器、第一光纤耦合器、光纤环、第二光纤耦合器、连导光纤、探测器和信号处理系统，其中所述的光纤环、两个耦合器和连导光纤组成自干涉光纤环形谐振腔，自干涉光纤环形谐振腔的输出光谱包含一个高透过率模式和两个低透过率模式，由高透过率模式的透过率可确定旋转速度大小，同时通过比较两个低透过率模式的透过率大小可分辨旋转速度方向。本发明不包含相位调制器件，系统噪声低，与传统的干涉式光纤陀螺相比，传感精度提升数倍。

Description

基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺
技术领域
本发明涉及光纤陀螺的技术领域，具体说就是一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺。
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、启动快、寿命长、功耗低、体积小等优点，引起了广泛的关注，并获得了迅速地发展。干涉式光纤陀螺通常采用数百米或上千米的光纤环，通过探测光纤环中两相向传输光波的干涉光强，获得旋转角速度。目前的干涉式光纤陀螺包含相位调制器件，通过在相位调制器件上加载电压信号对光信号进行相位调制，才能分辨旋转速度方向，这种分辨旋转速度方向的方式增加了传感系统的复杂性、引入了相应的噪声，降低了传感的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服目前干涉式光纤陀螺必须对光信号进行相位调制才能分辨旋转速度方向的问题，提出了一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，不包含相位调制器件，不对光信号进行相位调制就能分辨旋转速度方向。
本发明的目的是这样实现的：一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，包括电压信号源、激光器、隔离器、偏振控制器、第一光纤耦合器、光纤环、第二光纤耦合器、连导光纤、探测器和信号处理系统；电压信号源的信号输出端连接激光器的调制信号输入端，激光器的光输出端连接隔离器的光输入端，隔离器的光输出端连接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的光输出端连接第一光纤耦合器的光输入端，探测器的信号输出端连接信号处理系统的信号输入端，信号处理系统产生陀螺输出信号，所述的光纤环连接第一光纤耦合器的第一光输入输出端、第二光输入输出端和第二光纤耦合器的第一光输入输出端、第二光输入输出端，第一光纤耦合器的第三光输入输出端连接连导光纤的第一光输入输出端，连导光纤的第二光输入输出端连接第二光纤耦合器的第三光输入输出端，第二光纤耦合器的光输出端连接探测器的光输入端，第二光纤耦合器输出的光信号包含一个高透过率模式和两个低透过率模式，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小，通过比较两个低透过率模式的透过率大小确定旋转速度方向；第一光纤耦合器的耦合比与第二光纤耦合器的耦合比不同。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上所述的第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均是2×2光纤耦合器。
2、如上所述的电压信号源输出信号为三角波电压信号，此三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，用来调谐激光器输出光的频率。
本发明的效果和益处为：不包含相位调制器件，系统噪声低，与传统的干涉式光纤陀螺相比，传感精度提升数倍。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2是信号处理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对本发明做进一步解释：
实施例1
结合图1-2所示，一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，包括电压信号源1、激光器2、隔离器3、偏振控制器4、第一光纤耦合器5、光纤环6、第二光纤耦合器7、连导光纤8、探测器9和信号处理系统10；
电压信号源1的信号输出端连接激光器2的调制信号输入端，激光器2的光输出端连接隔离器3的光输入端，隔离器3的光输出端连接偏振控制器4的光输入端，偏振控制器4的光输出端连接第一光纤耦合器5的光输入端，光纤环6连接第一光纤耦合器5的第一光输入输出端、第二光输入输出端和第二光纤耦合器7的第一光输入输出端、第二光输入输出端，第一光纤耦合器5的第三光输入输出端连接连导光纤8的第一光输入输出端，连导光纤8的第二光输入输出端连接第二光纤耦合器7的第三光输入输出端，第二光纤耦合器7的光输出端连接探测器9的光输入端，探测器9的信号输出端连接信号处理系统10的信号输入端，信号处理系统10产生陀螺输出信号；
所述光纤环6为光纤绕制的空心线圈；第一光纤耦合器5与第二光纤耦合器7均是2×2光纤耦合器；第一光纤耦合器5的耦合比与第二光纤耦合器7的耦合比不同；电压信号源1输出信号为三角波电压信号。
所述信号处理系统10由低通滤波电路10-1、放大电路10-2、采集比较电路10-3组成；
探测器9的信号输出端连接低通滤波电路10-1的信号输入端，低通滤波电路10-1的信号输出端连接放大电路10-2的信号输入端，放大电路10-2的信号输出端连接采集比较电路10-3的信号输入端，采集比较电路10-3的信号输出端输出陀螺输出信号。
工作原理：第一光纤耦合器5、光纤环6、第二光纤耦合器7、连导光纤8组成自干涉光纤环形谐振腔；电压信号源1输出信号为三角波电压信号，此三角波电压信号加载到激光器2的调制信号输入端，用来调谐激光器2输出光的频率，激光器2的输出光进入隔离器3，隔离器3对光信号单向导通，可防止光信号反射回激光器2，隔离器3的输出光进入偏振控制器4，选择光的偏振态，偏振控制器4的输出光经第一光纤耦合器5后，进入光纤环6，光在光纤环6中发生谐振后分为两束光，第一束光经第一光纤耦合器5进入连导光纤8，由连导光纤8输出经第二光纤耦合器7后，进入光纤环6，在光纤环6中发生谐振后，经第二光纤耦合器7，并由第二光纤耦合器7的光输出端输出，同时，第二束光经第二光纤耦合器7进入连导光纤8，由连导光纤8输出经第一光纤耦合器5后，进入光纤环6，在光纤环6中发生谐振后，经第二光纤耦合器7，并由第二光纤耦合器7的光输出端输出，第一束光与第二束光在第二光纤耦合器7的光输出端相遇并发生干涉，产生干涉光，由于不同光频率经过自干涉光纤环形谐振腔的谐振效果不同，干涉光的光谱包含一个高透过率模式和两个低透过率模式，干涉光的光谱中高透过率模式的透过率随旋转速度的增大而增大，这样，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小；由于第一光纤耦合器5的耦合比与第二光纤耦合器7的耦合比不同，干涉光的光谱中两个低透过率模式的透过率大小不同，如果第一光纤耦合器5的耦合比大于第二光纤耦合器7的耦合比，当旋转速度方向为逆时针时，第一个低透过率模式的透过率总是大于第二个低透过率模式的透过率，当旋转速度方向为顺时针时，第一个低透过率模式的透过率总是小于第二个低透过率模式的透过率，相反地，如果第一光纤耦合器5的耦合比小于第二光纤耦合器7的耦合比，当旋转速度方向为逆时针时，第一个低透过率模式的透过率总是小于第二个低透过率模式的透过率，当旋转速度方向为顺时针时，第一个低透过率模式的透过率总是大于第二个低透过率模式的透过率，这样，当第一光纤耦合器5的耦合比与第二光纤耦合器7的耦合比确定后，通过比较两个低透过率模式的透过率大小确定旋转速度方向；第二光纤耦合器7的光输出端输出的干涉光由探测器9探测、探测器9的输出信号进入信号处理系统10，由信号处理系统10采集干涉光的光谱中一个高透过率模式和两个低透过率模式的透过率，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小，并比较两个低透过率模式的透过率大小，进而确定旋转速度方向，最后信号处理系统10输出陀螺输出信号，陀螺输出信号包含旋转速度大小及方向。
信号处理系统10的工作原理：探测器9的输出信号进入低通滤波电路10-1，在低通滤波电路10-1中进行滤波后，进入放大电路10-2进行信号放大，然后进入采集比较电路10-3，在采集比较电路10-3中采集干涉光的光谱中一个高透过率模式和两个低透过率模式的透过率，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小，并比较两个低透过率模式的透过率大小，进而确定旋转速度方向，最后采集比较电路10-3输出陀螺输出信号，陀螺输出信号包含旋转速度大小及方向。
本实施例中第二光纤耦合器7输出的光信号包含一个高透过率模式，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小；
本实施例中第二光纤耦合器7输出的光信号包含两个低透过率模式，通过比较两个低透过率模式的透过率大小确定旋转速度方向；
本实施例中第一光纤耦合器5与第二光纤耦合器7均是2×2光纤耦合器；
本实施例中所述的第一光纤耦合器5的耦合比与第二光纤耦合器7的耦合比不同；
本实施例中所述的电压信号源1输出信号为三角波电压信号，此三角波电压信号加载到激光器2的调制信号输入端，用来调谐激光器2输出光的频率。

Claims (3)

1.一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，包括电压信号源、激光器、隔离器、偏振控制器、第一光纤耦合器、光纤环、第二光纤耦合器、连导光纤、探测器和信号处理系统；电压信号源的信号输出端连接激光器的调制信号输入端，激光器的光输出端连接隔离器的光输入端，隔离器的光输出端连接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的光输出端连接第一光纤耦合器的光输入端，探测器的信号输出端连接信号处理系统的信号输入端，信号处理系统产生陀螺输出信号，其特征在于：所述的光纤环连接第一光纤耦合器的第一光输入输出端、第二光输入输出端和第二光纤耦合器的第一光输入输出端、第二光输入输出端，第一光纤耦合器的第三光输入输出端连接连导光纤的第一光输入输出端，连导光纤的第二光输入输出端连接第二光纤耦合器的第三光输入输出端，第二光纤耦合器的光输出端连接探测器的光输入端，第二光纤耦合器输出的光信号包含一个高透过率模式和两个低透过率模式，由高透过率模式的透过率确定旋转速度大小，通过比较两个低透过率模式的透过率大小确定旋转速度方向；第一光纤耦合器的耦合比与第二光纤耦合器的耦合比不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，其特征在于：所述的第一光纤耦合器与第二光纤耦合器均是2×2光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种基于自干涉光纤环形谐振腔的光纤陀螺，其特征在于：所述的电压信号源输出信号为三角波电压信号，此三角波电压信号加载到激光器的调制信号输入端，用来调谐激光器输出光的频率。
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