CN106679643B - 基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺 - Google Patents

基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺，包括激光器、偏振控制器、隔离器、三个光纤耦合器、光纤环、光纤光栅、探测器和信号处理及输出系统；隔离器的光输出端连接第一光纤耦合器的光输入端，第一光纤耦合器的第一光输出端连接第三光纤耦合器的第一光输入端，第一光纤耦合器的第二光输出端连接光纤环的光输入端，光纤环的光输出端连接第二光纤耦合器的光输入端，第二光纤耦合器的光输入输出端连接光纤光栅的光输入输出端，第二光纤耦合器的光输出端连接第三光纤耦合器的第二光输入端，第三光纤耦合器的光输出端连接探测器的光输入端，信号处理及输出系统的电信号输出端输出陀螺输出信号；本发明结构简单，避免了两束光间的相互干扰。

Description

基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺
技术领域
本发明涉及光纤陀螺的技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺。
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。光纤陀螺的工作原理基于Sagnac效应，即光波在传输过程中，由于相对惯性空间的转动，会产生额外的相位。对于传统的干涉式光纤陀螺，其光源输出后需要进行分束，以便同时引入两束相向传输的光波，由于相对惯性空间的转动，使两束光在传输过程中相位变化不同，通过检测两束光干涉光强度变化，获得转动速度大小，由于两束光传输路径相同，无法避免两束光间的相互干扰，从而引入大量光噪声；另一方面，为了在转动速度接近于0时，获得最大的灵敏度，需要利用相位调制装置，使发生干涉的两束光形成π/2相位差，这些相位调制装置增加了陀螺结构的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服目前干涉式光纤陀螺结构复杂、光噪声高的问题，提出了一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺。
本发明的目的是这样实现的：一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺，包括激光器、偏振控制器、隔离器、第一光纤耦合器、光纤环、第二光纤耦合器、光纤光栅、第三光纤耦合器、探测器和信号处理及输出系统；
所述的激光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隔离器的光输入端，隔离器的光输出端连接第一光纤耦合器的光输入端，第一光纤耦合器的第一光输出端连接第三光纤耦合器的第一光输入端，第一光纤耦合器的第二光输出端连接光纤环的光输入端，光纤环的光输出端连接第二光纤耦合器的光输入端，第二光纤耦合器的光输入输出端连接光纤光栅的光输入输出端，第二光纤耦合器的光输出端连接第三光纤耦合器的第二光输入端，第三光纤耦合器的光输出端连接探测器的光输入端，探测器的电信号输出端连接信号处理及输出系统的电信号输入端，信号处理及输出系统的电信号输出端输出陀螺输出信号；
所述的光纤光栅为反射式光纤光栅，其反射光中心频率的反射率为2/3，其反射光中心频率的反射相位跃变为π/2；所述的激光器为窄带宽光源，其输出光中心频率与光纤光栅的反射光中心频率相同。
本发明还具有如下技术特征：
1、所述的第一光纤耦合器的第一光输出端与第二光输出端间的耦合比为10:90；所述的第二光纤耦合器的光输入端与光输出端间的耦合比为50:50；所述的第三光纤耦合器的第一光输入端与第二光输入端间的耦合比为60:40。
2、所述的光纤环的光纤长度远大于第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器各端口的光纤长度。
本发明不存在相位调制装置，结构简单，利用光纤光栅使发生干涉的两束光形成π/2相位差，同时，利用光纤光栅构造的光纤干涉结构，使发生干涉的两束光具有不同的传输路径，避免了两束光间的相互干扰。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图，
图2是图1中信号处理及输出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
如图1所示，一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺，包括激光器1、偏振控制器2、隔离器3、第一光纤耦合器4、光纤环5、第二光纤耦合器6、光纤光栅7、第三光纤耦合器8、探测器9、信号处理及输出系统10；
所述的激光器1的光输出端连接偏振控制器2的光输入端，偏振控制器2的光输出端连接隔离器3的光输入端，隔离器3的光输出端连接第一光纤耦合器4的光输入端，第一光纤耦合器4的第一光输出端连接第三光纤耦合器8的第一光输入端，第一光纤耦合器4的第二光输出端连接光纤环5的光输入端，光纤环5的光输出端连接第二光纤耦合器6的光输入端，第二光纤耦合器6的光输入输出端连接光纤光栅7的光输入输出端，第二光纤耦合器6的光输出端连接第三光纤耦合器8的第二光输入端，第三光纤耦合器8的光输出端连接探测器9的光输入端，探测器9的电信号输出端连接信号处理及输出系统10的电信号输入端，信号处理及输出系统10的电信号输出端输出陀螺输出信号；
所述的光纤光栅7为反射式光纤光栅，其反射光中心频率的反射率为2/3，其反射光中心频率的反射相位跃变为π/2；其反射光中心频率的反射相位跃变为π/2，是为了使两干涉光形成π/2相位差。
所述的激光器1为窄带宽光源，其输出光中心频率与光纤光栅7的反射光中心频率相同，激光才能被光纤光栅反射。
所述的第一光纤耦合器4的第一光输出端与第二光输出端间的耦合比为10:90；所述的第二光纤耦合器6的光输入端与光输出端间的耦合比为50:50；所述的第三光纤耦合器8的第一光输入端与第二光输入端间的耦合比为60:40；结合光纤光栅7的反射光中心频率的反射率为2/3，可保证两干涉光的强度相同；
所述的光纤环5的光纤长度远大于第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器6、第三光纤耦合器8各端口的光纤长度；是为了保证光纤环内有转动产生的相位变化。
所述的光纤环5为光纤绕制的空心线圈。
如图2所示，信号处理及输出系统10包括低通滤波电路10-1、放大电路10-2和采样输出电路10-3；
探测器9的电信号输出端连接低通滤波电路10-1的电信号输入端，低通滤波电路10-1的电信号输出端连接放大电路10-2的电信号输入端，放大电路10-2的电信号输出端连接采样输出电路10-3的电信号输入端，采样输出电路10-3的电信号输出端输出陀螺输出信号。
本实施例的工作原理：激光器1的输出光进入偏振控制器2，偏振控制器2选择光的偏振态，偏振控制器2的输出光进入隔离器3，隔离器3用以阻隔反向传输的光，隔离器3的输出光进入第一光纤耦合器4后分为两束光，第一束光进入第三光纤耦合器8；第二束光进入光纤环5，第二束光在光纤环5中传输时，由于相对惯性空间的转动，会产生额外的相位，因此第二束光的相位携带了转动速度信息，然后，第二束光经第二光纤耦合器6进入光纤光栅7，被光纤光栅7反射进入第二光纤耦合器6，由第二光纤耦合器6输出后进入第三光纤耦合器8；由于第一光纤耦合器4的第一光输出端与第二光输出端间的耦合比为10:90、第二光纤耦合器6的光输入端与光输出端间的耦合比为50:50、第三光纤耦合器8的第一光输入端与第二光输入端间的耦合比为60:40、光纤光栅7的反射率为2/3，因此第一束光与第二束光的强度相同，第一束光与第二束光在第三光纤耦合器8的光输出端相遇并发生干涉，产生干涉光，由于第一束光与第二束光的传输路径不同，因此这两束光在传播过程中的相位变化也不同，且第二束光的相位携带了转动速度信息，通过检测这两束光干涉光强度确定第二束光的相位，进而确定转动速度，这两束光的干涉光由第三光纤耦合器8输出后，进入探测器9，探测器9的输出电信号进入信号处理及输出系统10，信号处理及输出系统10对此电信号进行处理，获得转动速度，并将转动速度对应的直流电压信号作为陀螺输出信号输出。
信号处理及输出系统10的工作原理：探测器9的输出电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，然后进入采样输出电路10-3，采样输出电路10-3采集信号强度，获得转动速度，并将转动速度对应的直流电压信号作为陀螺输出信号输出。

Claims (1)

1.一种基于光纤光栅的自反射式光纤陀螺，包括激光器、偏振控制器、隔离器、第一光纤耦合器、光纤环、第二光纤耦合器、光纤光栅、第三光纤耦合器、探测器和信号处理及输出系统；其特征在于：所述的激光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隔离器的光输入端，隔离器的光输出端连接第一光纤耦合器的光输入端，第一光纤耦合器的第一光输出端连接第三光纤耦合器的第一光输入端，第一光纤耦合器的第二光输出端连接光纤环的光输入端，光纤环的光输出端连接第二光纤耦合器的光输入端，第二光纤耦合器的光输入输出端连接光纤光栅的光输入输出端，第二光纤耦合器的光输出端连接第三光纤耦合器的第二光输入端，第三光纤耦合器的光输出端连接探测器的光输入端，探测器的电信号输出端连接信号处理及输出系统的电信号输入端，信号处理及输出系统的电信号输出端输出陀螺输出信号；
所述的光纤光栅为反射式光纤光栅，其反射光中心频率的反射率为2/3，其反射光中心频率的反射相位跃变为π/2；
所述的激光器为窄带宽光源，其输出光中心频率与光纤光栅的反射光中心频率相同；
所述的第一光纤耦合器的第一光输出端与第二光输出端间的耦合比为10:90；所述的第二光纤耦合器的光输入端与光输出端间的耦合比为50:50；所述的第三光纤耦合器的第一光输入端与第二光输入端间的耦合比为60:40；
所述的光纤环的光纤长度远大于第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器各端口的光纤长度。
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