CN107328405B - 一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，用于测量载体相对惯性空间转动角速度的仪器,本陀螺仪利用由三个保偏光纤准直器、一个50:50分光比非偏振功率分束器、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器构成的组合器件,完成光学干涉信号的偏振光分束、合束、分离和探测功能，利用一个两端偏振主轴相互垂直的单模保偏光纤环作为一个双非平衡光纤调频连续波萨格纳克干涉仪，并利用来自光纤环的两个拍频信号的相位差来确定转动角速度，本陀螺仪很大程度地改善了陀螺仪光学系统的非互易性,提高了系统的偏振消光比,有效地消除了非互易性相位误差和偏振串话,从而降低了陀螺仪漂移和误差，提高了光纤陀螺仪对转动角速度的测量精度。
Description
技术领域：
本发明涉及载体相对惯性空间转动角速度测量技术领域，具体涉及一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪。
背景技术：
光学调频连续波干涉源自于无线电雷达技术，由于它自然产生一个动态信号，使得相位细分，相移方向的判断，以及整周期数的计算都非常方便，所以光学调频连续波干涉的测量精度及动态范围均高于传统光学零拍干涉技术；光学调频连续波干涉技术用于转动角速度的测量不仅可以解决传统光纤陀螺仪存在的诸如零敏感点、非线性响应、相移方向判断不明确和π相移限制等问题，并且可以提供比传统光纤陀螺仪更高的角速度测量分辨率。
光学调频连续波干涉用于转动角速度的测量，要求陀螺仪的干涉光路非平衡，如此才能获取一个频率适当的拍频信号，不过，该要求会使陀螺仪存在非互易性，导致当环境参数（如温度）变化时产生非互易性相位漂移，严重影响光学调频连续波陀螺仪对角速度的测量精度。
为了解决这个问题，在CN101360969中提出了“一种差动式双折射光纤调频连续波萨纳克陀螺仪”，该陀螺仪由一个调频激光器，一个X-型保偏光纤耦合器，一个单模双折射光纤线圈，两个光纤连接器，一个偏振分光镜，和两个光探测器组成，利用一个两端偏振主轴方向相互垂直的单模保偏光纤环作为一个双非平衡光纤调频连续波萨格纳克干涉仪，并利用来自单模保偏光纤环经一个非偏振功率分束器后干涉形成的两个拍频信号的相位差来确定转动角速度，由于这两个信号之间是互易的，所以可以避免单路调频连续波干涉光纤陀螺的非互易性问题。
但是该陀螺仪存在的问题是，X-型保偏光纤耦合器到偏振分光镜之间的光路是一段保偏光纤，其中一路干涉信号走快轴，一路干涉信号走慢轴，因此形成了额外的非互易误差，使得温度、振动等环境因素会对探测信号引起非互易性相位漂移，造成陀螺仪对角速度的测量精度不够理想。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，以克服现有技术存在的测量精度不够理想的问题。
一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，包括一个带有单模保偏尾纤的单模调频激光器、一个保偏光纤隔离器、三个保偏光纤准直器、一个50:50分光比非偏振功率分束器、一个单模保偏光纤环、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器组成，其特征在于：单模调频激光器的单模保偏尾纤与保偏光纤隔离器的入射尾纤慢轴方向一致并熔接，保偏光纤隔离器的出射尾纤与第一保偏光纤准直器的慢轴方向一致并熔接，第一保偏光纤准直器的慢轴方向与50:50分光比非偏振功率分束器的主平面呈45°角，第二保偏光纤准直器和第三保偏光纤准直器的慢轴方向分别与50:50分光比非偏振功率分束器的主平面呈0°角和90°角（或者90°角和0°角），单模保偏光纤环两端分别与第二保偏光纤准直器和第三保偏光纤准直器的慢轴方向一致并熔接，偏振分束器与50:50分光比非偏振功率分束器的主平面一致，第一偏振器的主方向和偏振分束器所出射p光的偏振方向一致，第二偏振器的主方向和偏振分束器所出射s光的偏振方向一致；单模调频激光器发出的线偏振激光经过保偏光纤隔离器，再经过第一保偏光纤准直器，由非偏振功率分束器等功率分束，分束后的激光经第二保偏光纤准直器、第三保偏光纤准直器分别耦合到单模保偏光纤环的两端，从单模保偏光纤环两端出射的激光沿原光路在非偏振功率分束器上合束干涉，所形成的两个拍频信号经偏振分束器分开，分别经第一偏振器、第二偏振器后，由两个光电探测器分别接收，其中，第一保偏光纤准直器的出射光以45°偏振角入射到非偏振功率分束器，保偏光纤准直器的慢轴（或快轴）分别与非偏振功率分束器的入射面呈0度与90度，单模保偏光纤环两端与两个保偏光纤准直器尾纤的慢轴以0°角熔接。
还包括一个50:50分光比非偏振功率分束器 ，第一50:50分光比非偏振功率分束器 、第二50:50分光比非偏振功率分束器与偏振分束器的主平面一致，第二保偏光纤准直器和第三保偏光纤准直器的慢轴方向分别与第二50:50分光比非偏振功率分束器的主平面呈0°角和90°角（或者90°角和0°角）；由第一保偏光纤准直器出射的激光，先经过第一50:50分光比非偏振功率分束器，再经过第二50:50分光比非偏振功率分束器分束后，经第二保偏光纤准直器、第三保偏光纤准直器分别耦合到单模保偏光纤环的两端，从单模保偏光纤环两端出射的激光，先经过第二50:50分光比非偏振功率分束器，再经过第一50:50分光比非偏振功率分束器分束后，到达偏振分束器。
其保偏光纤隔离器的出射尾纤与第一保偏光纤准直器的入射尾纤的慢轴方向呈45°角并熔接，第一保偏光纤准直器的慢轴方向与50:50分光比非偏振功率分束器的主平面平行；
其第二保偏光纤准直器和第三保偏光纤准直器的慢轴方向分别与50:50分光比非偏振功率分束器的主平面一致，与单模保偏光纤环的两端分别以0°角和90°角（或者90°角和0°角）熔接。
所述50:50分光比非偏振功率分束器是非偏振立方分束器或采用45°入射平板型非偏振功率分束器。
所述的三个保偏光纤准直器、一个非偏振功率分束器、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器构成的组合器件紧密贴合，无缝粘接，或将组合器件制作在TEC元件上。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、有效消除了非互易误差，提高了光纤陀螺仪对角速度的测量精度：本发明取消了原有系统中的X-型保偏光纤耦合器与偏振分束器之间的非互易性保偏光纤光路，利用由三个保偏光纤准直器、一个50:50分光比非偏振功率分束器、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器构成的组合器件，完成了差动式调频连续波干涉光纤陀螺中的偏振光分束、合束、分离和探测功能，消除了光路的非互易性，并且利用附加偏振器提高了偏振分束器出射光的偏振消光比，从而解决了陀螺仪的温度漂移和偏振串话；
2、结构紧凑：本发明的组件可以在设计时紧密贴合，无缝粘接，这样保障了装置的小型化。
附图说明：
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图。
具体实施方式：
一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，包括一个带有单模保偏尾纤的单模调频激光器1、一个保偏光纤隔离器2、三个保偏光纤准直器3、4、5、一个50:50分光比非偏振功率分束器6、一个单模保偏光纤环7、一个偏振分束器8、两个偏振器9、10和两个光电探测器11、12组成，单模调频激光器1的单模保偏尾纤与保偏光纤隔离器2的入射尾纤慢轴方向一致并熔接，保偏光纤隔离器2的出射尾纤与第一保偏光纤准直器3的慢轴方向一致并熔接，第一保偏光纤准直器3的慢轴方向与50:50分光比非偏振功率分束器（6的主平面呈45°角，第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向分别与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面呈0°角和90°角（或者90°角和0°角），单模保偏光纤环7两端分别与第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向一致并熔接，偏振分束器8 与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面一致，第一偏振器9的主方向和偏振分束器8所出射p光的偏振方向一致，第二偏振器10的主方向和偏振分束器8所出射s光的偏振方向一致；单模调频激光器1发出的线偏振激光经过保偏光纤隔离器2，再经过第一保偏光纤准直器3，由非偏振功率分束器6等功率分束，分束后的激光经第二保偏光纤准直器4、第三保偏光纤准直器5分别耦合到单模保偏光纤环7的两端，从单模保偏光纤环7两端出射的激光沿原光路在非偏振功率分束器6上合束干涉，所形成的两个拍频信号经偏振分束器8分开，分别经第一偏振器9、第二偏振器10后，由两个光电探测器11、12分别接收，其中，第一保偏光纤准直器3的出射光以45°偏振角入射到非偏振功率分束器6，保偏光纤准直器4、5的慢轴（或快轴）分别与非偏振功率分束器6的入射面呈0度与90度，单模保偏光纤环7两端与保偏光纤准直器4与5尾纤的慢轴以0°角熔接。
还包括一个50:50分光比非偏振功率分束器 13，第一50:50分光比非偏振功率分束器6 、第二50:50分光比非偏振功率分束器13与偏振分束器8的主平面一致，第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向分别与第二50:50分光比非偏振功率分束器13的主平面呈0°角和90°角（或者90°角和0°角）；由第一保偏光纤准直器3出射的激光，先经过第一50:50分光比非偏振功率分束器6，再经过第二50:50分光比非偏振功率分束器13分束后，经第二保偏光纤准直器4、第三保偏光纤准直器5分别耦合到单模保偏光纤环7的两端，从单模保偏光纤环7两端出射的激光，先经过第二50:50分光比非偏振功率分束器13，再经过第一50:50分光比非偏振功率分束器6分束后，到达偏振分束器8。
其保偏光纤隔离器2的出射尾纤与第一保偏光纤准直器3的入射尾纤的慢轴方向呈45°角并熔接，第一保偏光纤准直器3的慢轴方向与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面平行。
其第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向分别与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面一致，与单模保偏光纤环7的两端分别以0°角和90°角（或者90°角和0°角）熔接。
所述50:50分光比非偏振功率分束器6是非偏振立方分束器或采用45°入射平板型非偏振功率分束器。
所述的三个保偏光纤准直器、一个非偏振功率分束器、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器构成的组合器件紧密贴合，无缝粘接，或将组合器件制作在TEC元件上。
下面将结合附图对本发明进行详细地描述。
实施例1，
参见图1,单模调频激光器1发出的线偏振激光经过保偏光纤隔离器2，再经过第一保偏光纤准直器3，由非偏振功率分束器6等功率分束，分束后的激光经第二保偏光纤准直器4、第三保偏光纤准直器5分别耦合到单模保偏光纤环7的两端，从单模保偏光纤环7两端出射的激光沿原光路在非偏振功率分束器6上合束干涉，所形成的两个拍频信号经偏振分束器8分开，分别经第一偏振器9、第二偏振器10后，由两个光电探测器11、 12分别接收，其中，第一保偏光纤准直器3的出射光以45°偏振角入射到非偏振功率分束器6，保偏光纤准直器4、5的慢轴（或快轴）分别与非偏振功率分束器6的入射面呈0度与90度，单模保偏光纤环[7]两端与保偏光纤准直器4与5尾纤的慢轴以0°角熔接。
由于第一保偏光纤准直器3的出射光是以45°偏振角入射到非偏振功率分束器6上，所以非偏振功率分束器6出射的两束激光均含有等功率S和P偏振分量，又由于保偏光纤准直器4、5的慢轴（或快轴）分别与非偏振功率分束器6的入射面呈0度与90度，并且单模保偏光纤环7两端与保偏光纤准直器4与5尾纤的慢轴以0°角熔接，所以，顺时针传播的s分量将沿着光纤环的慢轴传播，逆时针传播的s分量沿着光线环的快轴传播，当这两束光反向传播，在非偏振功率分束器6上汇合时，产生第一个拍频信号；同理，顺时针传播的p分量将沿着光纤环的快轴传播，逆时针传播的s分量沿着光线环的慢轴传播，当这两束光正向传播，在非偏振功率分束器6上汇合时，产生第二个拍频信号。这两个正交拍频信号经偏振分束器8分开，分别经偏振器9和10后，由两个光电探测器11和12分别接收，偏振器9和10的偏振方向与偏振分束器两个出射光的偏振方向分别一致，以进一步提升两个拍频信号的偏振消光比。当单模保偏光纤环7围绕它的垂直轴旋转时，由于萨格纳克效应，这两个拍频信号产生相反的相位移动。因此，比较这两个拍频信号的相位差，即可确定陀螺仪旋转的角速度。
其中，也可以将保偏光纤隔离器2的出射尾纤与第一保偏光纤准直器3的入射尾纤的慢轴方向以45°角熔接，第一保偏光纤准直器3的慢轴方向与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面平行。
也可以使第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向分别与50:50分光比非偏振功率分束器6的主平面一致，与单模保偏光纤环7的两端分别以0°角和90°角（或者90°角和0°角）熔接。
所述50:50分光比非偏振功率分束器6是非偏振立方分束器，也可以采用45°入射平板型非偏振功率分束器。
实施例2：
互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪也可以使用两个50:50分光比非偏振功率分束器，进一步消除拍频信号分光合束光路部分的非互易性，如图2所示。
与实施例1不同的地方是：
第一50:50分光比非偏振功率分束器6 、第二50:50分光比非偏振功率分束器13与偏振分束器8的主平面一致，第二保偏光纤准直器4和第三保偏光纤准直器5的慢轴方向分别与第二50:50分光比非偏振功率分束器13的主平面呈0°角和90°角（或者90°角和0°角）。由第一保偏光纤准直器3出射的激光，先经过第一50:50分光比非偏振功率分束器6，再经过第二50:50分光比非偏振功率分束器13分束后，经第二保偏光纤准直器4、第三保偏光纤准直器5分别耦合到单模保偏光纤环7的两端，从单模保偏光纤环7两端出射的激光，先经过第二50:50分光比非偏振功率分束器13，再经过第一50:50分光比非偏振功率分束器6分束后，到达偏振分束器8。
本陀螺仪中，所说的部件均可小型化并且紧密贴合，无缝粘接，构成组合器件，还可以将组合器件制作在TEC元件上，进一步提高陀螺仪的抗温漂性能。
Claims (6)
1.一种互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，包括一个带有单模保偏尾纤的单模调频激光器（1）、一个保偏光纤隔离器（2）、三个保偏光纤准直器（3、4、5）、一个第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）、一个单模保偏光纤环（7）、一个偏振分束器（8）、两个偏振器（9、10）和两个光电探测器（11、12）组成，其特征在于：单模调频激光器（1）的单模保偏尾纤与保偏光纤隔离器（2）的入射尾纤慢轴方向一致并熔接，保偏光纤隔离器（2）的出射尾纤与第一保偏光纤准直器（3）的慢轴方向一致并熔接，第一保偏光纤准直器（3）的慢轴方向与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的主平面呈45°角，第二保偏光纤准直器（4）和第三保偏光纤准直器（5）的慢轴方向分别与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的主平面呈0°角和90°角或者90°角和0°角，单模保偏光纤环（7）两端分别与第二保偏光纤准直器（4）和第三保偏光纤准直器（5）的慢轴方向一致并熔接，偏振分束器（8） 与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的主平面一致，第一偏振器（9）的主方向和偏振分束器（8）所出射p光的偏振方向一致，第二偏振器（10）的主方向和偏振分束器（8）所出射s光的偏振方向一致；单模调频激光器（1）发出的线偏振激光经过保偏光纤隔离器（2），再经过第一保偏光纤准直器（3），由第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）等功率分束，分束后的激光经第二保偏光纤准直器（4）、第三保偏光纤准直器（5）分别耦合到单模保偏光纤环（7）的两端，从单模保偏光纤环（7）两端出射的激光沿原光路在第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）上合束干涉，所形成的两个拍频信号经偏振分束器（8）分开，分别经第一偏振器（9）、第二偏振器（10）后，由两个光电探测器（11、12）分别接收，其中，第一保偏光纤准直器（3）的出射光以45°偏振角入射到第一50:50分光比非偏振功率分束器（6），保偏光纤准直器（4、5）的慢轴或快轴分别与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的入射面呈0度与90度，单模保偏光纤环（7）两端与保偏光纤准直器（4）与（5）尾纤的慢轴以0°角熔接。
2.根据权利要求1所述的互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，其特征在于：还包括一个第二50:50分光比非偏振功率分束器 （13），第一50:50分光比非偏振功率分束器（6） 、第二50:50分光比非偏振功率分束器（13）与偏振分束器（8）的主平面一致，第二保偏光纤准直器（4）和第三保偏光纤准直器（5）的慢轴方向分别与第二50:50分光比非偏振功率分束器（13）的主平面呈0°角和90°角或者90°角和0°角；由第一保偏光纤准直器（3）出射的激光，先经过第一50:50分光比非偏振功率分束器（6），再经过第二50:50分光比非偏振功率分束器（13）分束后，经第二保偏光纤准直器（4）、第三保偏光纤准直器（5）分别耦合到单模保偏光纤环（7）的两端，从单模保偏光纤环（7）两端出射的激光，先经过第二50:50分光比非偏振功率分束器（13），再经过第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）分束后，到达偏振分束器（8）。
3.如权利要求1或2所述的互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，其特征在于：其保偏光纤隔离器（2）的出射尾纤与第一保偏光纤准直器（3）的入射尾纤的慢轴方向呈45°角并熔接，第一保偏光纤准直器（3）的慢轴方向与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的主平面平行。
4.如权利要求3所述的互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，其特征在于：其第二保偏光纤准直器（4）和第三保偏光纤准直器（5）的慢轴方向分别与第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）的主平面一致，与单模保偏光纤环（7）的两端分别以0°角和90°角或者90°角和0°角熔接。
5.如权利要求4所述的互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，其特征在于：所述第一50:50分光比非偏振功率分束器（6）是非偏振立方分束器或采用45°入射平板型非偏振功率分束器。
6.如权利要求5所述的互易型差动式调频连续波干涉保偏光纤陀螺仪，其特征在于：所述的三个保偏光纤准直器、一个非偏振功率分束器、一个偏振分束器、两个偏振器和两个光电探测器构成的组合器件紧密贴合，无缝粘接，或将组合器件制作在TEC元件上。
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