CN108195367B - 具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪。由光源发出的宽谱光经过耦合器，在起偏器处形成与偏振分束器保偏尾纤主轴呈45°角的偏振光。该偏振光到达偏振分束器后，被均分为两个方向相互垂直的线偏振光(p、s偏振光)。这两束偏振光同时进入光纤传感环中，分别以顺时针和逆时针方向传输一圈后，到达法拉第旋转镜。根据法拉第旋转镜的特性，p、s偏振光的偏振方向被旋转90°，变为s、p偏振光，反射回光纤环中。再次绕光纤环传输一圈后，两束正交的线偏振光回到偏振分束器中，重新经过起偏器和耦合器后，在光电检测管处形成干涉。由于带有转速信息的光信号在光纤环中通过了两次，所以本发明的光纤陀螺仪的灵敏度是相同长度光纤环的普通光纤陀螺的两倍。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪。
背景技术
传统的光纤陀螺结构如图2所示。由宽谱光源1发出的光经过耦合器2被一分为二，其中的一束光经过起偏器3到达耦合器9。在耦合器9中，光被平均分为两束同时进入光纤传感环5。其中上光束沿顺时针方向绕光纤传感环5一圈，并经过相位调制器6后返回到耦合器9；下光束先经过相位调制器6，再沿逆时针方向绕光纤传感环5一圈后，返回到耦合器9。回到耦合器9的两束光再通过起偏器3，到达耦合器2后被一分为二，在光电检测器8处形成干涉，并被检测出来。
由于外界转速的影响，上下两束光之间存在着与转速呈比例相关的相位差
其中L为光纤传感环的长度，D为光纤传感环的直径，λ为光源的平均波长，c为真空中的光速，Ω为光纤陀螺的转速。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中光纤陀螺仪灵敏度不足的问题，并提供一种具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪。本发明所采用的具体技术方案如下：
具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，包括宽谱光源、耦合器、起偏器、偏振分束器、光纤传感环、相位调制器和法拉第旋转镜；偏振分束器中有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；从宽谱光源发出的光，经过耦合器后，到达起偏器；在起偏器中，光的偏振方向与偏振分束器的尾纤呈45°角；经过起偏器到达偏振分束器第一端口的光被分解为s偏振和p偏振两种相互正交的线偏振光；其中，s偏振光通过第四端口，经过相位调制器后，以逆时针方向绕光纤传感环一周，进入第三端口，经过第二端口，到达法拉第旋转镜；在法拉第旋转镜中，光的偏振方向被旋转90°，将s偏振光变为p偏振光返回到第二端口，然后经过第四端口，再经过相位调制器后，再次以逆时针方向绕光纤传感环一周，进入第三端口后，回到第一端口；而p偏振光通过第三端口，以顺时针方向绕光纤传感环一周，经过相位调制器后，进入第四端口，再经过第二端口，到达法拉第旋转镜，在法拉第旋转镜中，光的偏振方向被旋转90°，使p偏振光变为s偏振光返回到第二端口，经过第三端口，再次以顺时针方向绕光纤传感环一周，经过相位调制器后，进入第四端口，回到第一端口；返回到第一端口的两束光，经过起偏器，进入耦合器后被一分为二，其中一束光到达光电检测器中。
在上述陀螺仪中，各组件的参数可选择如下，但并不仅限与此。
所述的宽谱光源采用平均波长为1300nm，谱宽为35nm的超辐射发光二极管光源。所述的耦合器和起偏器采用集成的铌酸锂Y波导反放替代。所述的光纤传感环采用500m长的保偏光纤，光纤环平均直径为90mm。所述的相位调制器采样频率为30kHz。
在本发明中，由于形成干涉的两束光在光纤传感环中通过了两次，对于长度为L的光纤传感环而言，实际光所走过的长度为2L，因此由转速引起的两束光之间的相位差实际为
所以本发明提出的光纤陀螺仪具有两倍的灵敏度。
此外，在本发明中，由于光在光纤传感环中通过了两次，所以等效的光程中点十分接近光纤传感环的尾纤部分，这会使光纤受温度场影响所引起的shupe效应大大降低。
附图说明
图1是具有双倍灵敏度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
本发明如图1所示，具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，由宽谱光源1、耦合器2、起偏器3、偏振分束器4、光纤传感环5、相位调制器6和法拉第旋转镜7组成，其中偏振分束器4中有第一端口4-1、第二端口4-2、第三端口4-3和第四端口4-4。从宽谱光源1发出的光，经过耦合器2后，到达起偏器3。在起偏器3中，光的偏振方向与偏振分束器4的保偏尾纤主轴呈45°角。因此，经过起偏器3到达偏振分束器第一端口4-1的光会被分解为s偏振和p偏振两种相互正交的线偏振光。其中，s偏振光会通过第四端口4-4，经过相位调制器6后，以逆时针方向绕光纤传感环5一周，进入第三端口4-3，经过第二端口4-2，到达法拉第旋转镜7。在法拉第旋转镜7中，光的偏振方向会被旋转90°，因此s偏振光会变为p偏振光返回到第二端口4-2，经过第四端口4-4，再经过相位调制器6后，再次以逆时针方向绕光纤传感环5一周，进入第三端口4-3后，回到第一端口4-1；而p偏振光会通过第三端口4-3，以顺时针方向绕光纤传感环5一周，经过相位调制器6后，进入第四端口4-4，经过第二端口4-2，到达法拉第旋转镜7。同样在法拉第旋转镜7中，光的偏振方向被旋转90°，p偏振光变为s偏振光返回到第二端口4-2，经过第三端口4-3，再次以顺时针方向绕光纤传感环5一周，经过相位调制器6后，进入第四端口4-4，回到第一端口4-1。返回到第一端口4-1的两束光，经过起偏器3，进入耦合器2后被一分为二，其中一束光到达光电检测器8中。在这里，具有陀螺转速信息的干涉光信号被检测出来转化为所需的电信号。
实施例
本实施例的光纤陀螺仪结构如图1所示，不再赘述。宽谱光源1采用平均波长为1300nm，谱宽为35nm的超辐射发光二极管光源；耦合器2和起偏器3采用集成的铌酸锂Y波导反放替代；光纤传感环5采用500m长的保偏光纤，光纤环平均直径为90mm；相位调制器6采样频率为30kHz。测得5小时的长期零漂为0.01度/小时。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，其特征在于，包括宽谱光源（1）、耦合器（2）、起偏器（3）、偏振分束器（4）、光纤传感环（5）、相位调制器（6）和法拉第旋转镜（7）；偏振分束器（4）中有第一端口（4-1）、第二端口（4-2）、第三端口（4-3）和第四端口（4-4）；从宽谱光源（1）发出的光，经过耦合器（2）后，到达起偏器（3）；在起偏器（3）中，光的偏振方向与偏振分束器（4）的保偏尾纤主轴呈45°角；经过起偏器（3）到达偏振分束器第一端口（4-1）的光被分解为s偏振和p偏振两种相互正交的线偏振光；其中，s偏振光通过第四端口（4-4），经过相位调制器（6）后，以逆时针方向绕光纤传感环（5）一周，进入第三端口（4-3），经过第二端口（4-2），到达法拉第旋转镜（7）；在法拉第旋转镜（7）中，光的偏振方向被旋转90°，将s偏振光变为p偏振光返回到第二端口（4-2），然后经过第四端口（4-4），再经过相位调制器（6）后，再次以逆时针方向绕光纤传感环（5）一周，进入第三端口（4-3）后，回到第一端口（4-1）；而p偏振光通过第三端口（4-3），以顺时针方向绕光纤传感环（5）一周，经过相位调制器（6）后，进入第四端口（4-4），再经过第二端口（4-2），到达法拉第旋转镜（7），在法拉第旋转镜（7）中，光的偏振方向被旋转90°，使p偏振光变为s偏振光返回到第二端口（4-2），经过第三端口（4-3），再次以顺时针方向绕光纤传感环（5）一周，经过相位调制器（6）后，进入第四端口（4-4），回到第一端口（4-1）；返回到第一端口（4-1）的两束光，经过起偏器（3），进入耦合器（2）后被一分为二，其中一束光到达光电检测器（8）中。
2.如权利要求1所述的具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的宽谱光源（1）采用平均波长为1300nm，谱宽为35nm的超辐射发光二极管光源。
3.如权利要求1所述的具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的耦合器（2）和起偏器（3）采用集成的铌酸锂Y波导替代。
4.如权利要求1所述的具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的光纤传感环（5）采用500m长的保偏光纤，光纤环平均直径为90mm。
5.如权利要求1所述的具有双倍灵敏度的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的相位调制器（6）采样频率为30kHz。
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