CN108332736A - 半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪 - Google Patents

半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，涉及陀螺仪领域。该光纤陀螺仪中，信号处理和控制单元通过控制线与半导体超辐射二极管相连，用于控制半导体超辐射二极管周期性切换成发光状态和光电探测状态，并接收半导体超辐射二极管输出的电信号；半导体超辐射二极管与Y型铌酸锂芯片的输入端之间通过光纤延时线相连；Y型铌酸锂芯片的两个输出端分别连接光纤传感环；信号处理和控制单元与Y型铌酸锂芯片内部的相位调制器相连，用于在相位调制器上加载偏置和反馈信号。本发明可以减少由传统光纤陀螺的光源分束器所引起的3/4光能量损失，同时减少二个元件的使用。

Description

半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪
技术领域
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种使用半导体超辐射二极管周期性切换成发光状态和光电探测状态的光纤陀螺仪。
背景技术
传统的光纤陀螺如图1所示。由恒定发光的宽谱光源6发出的光经光源分束器7一分为二，其中一束输入Y型铌酸锂芯片3后一分为二，Y型铌酸锂芯片3的输出分成上、下二光束，上光束按顺时针方向经光纤传感环4，返回Y型铌酸锂芯片3的下输出端；下光束按反时针方向经光纤传感环4，返回Y型铌酸锂芯片3的上输出端；上、下二光束由Y型铌酸锂芯片3合成形成干涉，经光源分束器7一分为二，其中一束由光电探测器8变为电信号，输入至信号处理单元9，信号处理单元9产生加在Y型铌酸锂芯片内部的相位调制器上的偏置和反馈信号，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。这种传统光纤陀螺的缺点是光束往返光源分束器7时，光能量损失6dB，即损失了3/4的光能量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种将半导体超辐射二极管周期性切换成正向偏置的发光状态和反向偏置的光电探测状态的光纤陀螺仪，用半导体超辐射二极管的反向偏置状态代替了光电探测器的功能，取消了光源耦合器，减少了光能损失。本发明所采用的具体技术方案如下：
半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，包括周期性切换成发光状态和光电探测状态的半导体超辐射二极管、光纤延时线、Y型铌酸锂芯片、光纤传感环、信号处理和控制单元；信号处理和控制单元通过控制线与半导体超辐射二极管相连，用于控制半导体超辐射二极管周期性切换成发光状态和光电探测状态，并接收半导体超辐射二极管输出的电信号；半导体超辐射二极管与Y型铌酸锂芯片的输入端之间通过光纤延时线相连；Y型铌酸锂芯片的两个输出端分别连接光纤传感环；信号处理和控制单元与Y型铌酸锂芯片内部的相位调制器相连，用于在相位调制器上加载偏置和反馈信号。
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。
所述的光纤延时线的长度是光纤传感环长度的1/4。所述的半导体超辐射二极管采用使用1310纳米波长的半导体超辐射二极管。所述的光纤延时线长度150米，光纤传感环采用600米光纤。
一种基于上述半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪的控制方法，其具体为：信号处理和控制单元的控制线先将半导体超辐射二极管切换成发光状态，它所发出的光经过光纤延时线，进入Y型铌酸锂芯片的输入端，Y型铌酸锂芯片二个输出端输出分成上、下二光束，上光束按顺时针方向经光纤传感环，返回Y型铌酸锂芯片的下输出端；下光束按反时针方向经光纤传感环，返回Y型铌酸锂芯片的上输出端；上、下二光束由Y型铌酸锂芯片合成形成干涉，干涉后的光束经光纤延时线返回到半导体超辐射二极管；在干涉后的光束返回半导体超辐射二极管之前由信号处理和控制单元预先将半导体超辐射二极管切换成反向偏置状态的光电探测状态，反向偏置的半导体超辐射二极管起到光电探测器的作用，将经光纤延时线返回的光信号变为电信号，输入至信号处理和控制单元的信号输入端；信号处理和控制单元产生加在Y型铌酸锂芯片内部的相位调制器上的偏置和反馈信号，同时信号处理和控制单元输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
半导体超辐射二极管周期性地在发光状态和光电探测状态之间切换，可以由信号处理和控制单元的控制线输出的方波所控制，其周期为光波渡越光纤传感环的时间。
本发明是在光纤陀螺仪中采用了将半导体超辐射二极管作发光状态和光电探测状态之间周期性切换，取消了传统陀螺的光源分束器和取代了光电探测器，减少了这二个元件。可以减少由光源分束器引起的6dB光能量损失，可提高陀螺的信噪比，或者保持原信噪比不变条件下减少光能量的消耗。本发明的目的是减少光能量损失、同时减少元件。
附图说明
图1是传统的光纤陀螺结构示意图；
图2是使用将半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，包括周期性切换成发光状态和光电探测状态的半导体超辐射二极管1、光纤延时线2、Y型铌酸锂芯片3、光纤传感环4、信号处理和控制单元5。信号处理和控制单元5通过控制线与半导体超辐射二极管1相连，用于控制半导体超辐射二极管1周期性切换成发光状态和光电探测状态，并接收半导体超辐射二极管1输出的电信号；半导体超辐射二极管1与Y型铌酸锂芯片3的输入端之间通过光纤延时线2相连；Y型铌酸锂芯片3的两个输出端分别连接光纤传感环4；信号处理和控制单元5与Y型铌酸锂芯片3内部的相位调制器相连，用于在相位调制器上加载偏置和反馈信号。光纤延时线2的长度可以取光纤传感环4长度的1/4。
基于上述半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪的控制方法，具体如下：信号处理和控制单元5的控制线先将半导体超辐射二极管1切换成发光状态，它所发出的光经过光纤延时线2，进入Y型铌酸锂芯片3的输入端，Y型铌酸锂芯片3二个输出端输出分成上、下二光束，上光束按顺时针方向经光纤传感环4，返回Y型铌酸锂芯片3的下输出端；下光束按反时针方向经光纤传感环4，返回Y型铌酸锂芯片3的上输出端；上、下二光束由Y型铌酸锂芯片3合成形成干涉，干涉后的光束经光纤延时线2返回到半导体超辐射二极管1；在干涉后的光束返回半导体超辐射二极管1之前由信号处理和控制单元5预先将半导体超辐射二极管1切换成反向偏置状态的光电探测状态。此时，已经被切换成反向偏置的半导体超辐射二极管1可以起到光电探测器的作用，将经光纤延时线2返回的光信号变为电信号，并输入至信号处理和控制单元5的信号输入端，由信号处理和控制单元5产生加在Y型铌酸锂芯片3内部的相位调制器上的偏置和反馈信号，同时信号处理和控制单元5输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
半导体超辐射二极管1周期性地在发光状态和光电探测状态之间切换，是由信号处理和控制单元5的控制线输出的方波所控制，其周期为光波渡越光纤传感环4的时间。
该光纤陀螺仪由于采用了将半导体超辐射二极管作发光状态和光电探测状态之间周期性切换，取消了传统陀螺的光源分束器和取代了光电探测器。这二个元件的省略，可以减少由光源分束器引起的6dB光能量损失，即损失了3/4的光能量。
实施例
本实施例的光纤陀螺仪结构如图2所示，不再赘述。其中，周期性切换成发光状态和光电探测状态的半导体超辐射二极管1采用使用1310纳米波长的半导体超辐射二极管，光纤延时线2长度150米，光纤传感环4采用长度600米的光纤，外径98毫米，Y型铌酸锂芯片3内部的相位调制器加本征方波频率，半导体超辐射二极管1上加本征方波频率的二倍频，使之处于正向偏置的发光状态和反向偏置的光电探测状态，并与加在Y型铌酸锂芯片3相位调制器的本征方波频率同步。入射到光电探测器的光功率为10微瓦。本实施例的陀螺的长期零漂为0.6°/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 (6)

1.一种半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，其特征在于包括周期性切换成发光状态和光电探测状态的半导体超辐射二极管(1)、光纤延时线(2)、Y型铌酸锂芯片(3)、光纤传感环(4)、信号处理和控制单元(5)；信号处理和控制单元(5)通过控制线与半导体超辐射二极管(1)相连，用于控制半导体超辐射二极管(1)周期性切换成发光状态和光电探测状态，并接收半导体超辐射二极管(1)输出的电信号；半导体超辐射二极管(1)与Y型铌酸锂芯片(3)的输入端之间通过光纤延时线(2)相连；Y型铌酸锂芯片(3)的两个输出端分别连接光纤传感环(4)；信号处理和控制单元(5)与Y型铌酸锂芯片(3)内部的相位调制器相连，用于在相位调制器上加载偏置和反馈信号。
2.如权利要求1所述的半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的光纤延时线(2)的长度是光纤传感环(4)长度的1/4。
3.如权利要求1所述的半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的半导体超辐射二极管(1)采用使用1310纳米波长的半导体超辐射二极管。
4.如权利要求1所述的半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，其特征在于，所述的光纤延时线(2)长度150米，光纤传感环(4)采用600米光纤。
5.一种如权利要求1所述半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪的控制方法，其特征在于：信号处理和控制单元(5)的控制线先将半导体超辐射二极管(1)切换成发光状态，它所发出的光经过光纤延时线(2)，进入Y型铌酸锂芯片(3)的输入端，Y型铌酸锂芯片(3)二个输出端输出分成上、下二光束，上光束按顺时针方向经光纤传感环(4)，返回Y型铌酸锂芯片(3)的下输出端；下光束按反时针方向经光纤传感环(4)，返回Y型铌酸锂芯片(3)的上输出端；上、下二光束由Y型铌酸锂芯片(3)合成形成干涉，干涉后的光束经光纤延时线(2)返回到半导体超辐射二极管(1)；在干涉后的光束返回半导体超辐射二极管(1)之前由信号处理和控制单元(5)预先将半导体超辐射二极管(1)切换成反向偏置状态的光电探测状态，反向偏置的半导体超辐射二极管(1)将经光纤延时线(2)返回的光信号变为电信号，输入至信号处理和控制单元(5)的信号输入端；信号处理和控制单元(5)产生加在Y型铌酸锂芯片(3)内部的相位调制器上的偏置和反馈信号，同时信号处理和控制单元(5)输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于所述的半导体超辐射二极管(1)周期性地在发光状态和光电探测状态之间切换，是由信号处理和控制单元(5)的控制线输出的方波所控制，其周期为光波渡越光纤传感环(4)的时间。
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