CN109459011A - 双环谐振腔并联式光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明一种双环谐振腔并联式光纤陀螺涉及一种光纤陀螺，目的是为了克服现有干涉式光纤陀螺增加传感线圈光纤长度会引起更多的误差的问题，包括偏振光发生系统、光信号解调系统、第一环形谐振腔和第二环形谐振腔。本发明用较短的光纤长度绕制成两个光纤环形谐振腔，并联接入两段直波导之间。单个环形谐振腔的强色散可以增大相向传输的两束光波间由旋转产生的相位差。同时，两个并联的环形谐振腔和它们之间的传导光纤又构成了一个大的谐振腔系统，进一步大大增加了旋转产生的顺逆时针光波的旋转相位差，将陀螺的灵敏度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺，具体涉及涉及一种带有两个谐振腔的光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac(萨格纳克)效应的旋转传感器，具有精度覆盖面广、动态范围大以及不受电磁干扰等多种优点，被广泛应用于军用领域和民用领域。
现有技术中的干涉式光纤陀螺通常将上千米的光纤绕制成光纤环，并同时入射两束相向传输的干涉光。当光纤陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺、逆时针方向传输的两束光波会因为线圈的旋转产生一个与旋转角速率成正比的相位差，再通过检测相位差来解调出旋转速率。
所以要增大陀螺的灵敏度便需要提高单位旋转速率下陀螺产生的相位差。而增加传感线圈光纤长度是提高干涉型光纤陀螺灵敏度最直接有效的方法。
但是，增加传感线圈光纤长度也会增加例如克尔效应以及法拉第效应等影响产生的非互易误差，同时光纤越长，损耗越大，会减小输出信号的信噪比，进而引起更多的误差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有干涉式光纤陀螺增加传感线圈光纤长度会引起更多的误差的问题，提供了一种双环谐振腔并联式光纤陀螺。
本发明的双环谐振腔并联式光纤陀螺，包括偏振光发生系统、光信号解调系统、第一1×2耦合器和第二1×2耦合器，偏振光发生系统用于产生偏振光，并输送至第一1×2耦合器，还包括第一环形谐振腔和第二环形谐振腔；
第一1×2耦合器用于将偏振光分为两路，两路偏振光分别以逆时针方向和顺时针方向入射至第一环形谐振腔；
第一环形谐振腔用于形成2N-1次逆时针光和2N-1次顺时针光，并将谐振后的2N-1次逆时针光和谐振后的2N-1次顺时针光入射至第二环形谐振腔，其中N为正整数；
第二环形谐振腔用于形成2N次逆时针光和2N次顺时针光，并将谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光分别分为两路，其中一路谐振后的2N次逆时针光和其中一路谐振后的2N次顺时针光入射回第一环形谐振腔，并在第一环形谐振腔内形成2(N+1)-1次逆时针光和2(N+1)-1次顺时针光，另一路谐振后的2N次逆时针光和另一路谐振后的2N次顺时针光入射至第二1×2耦合器；
第二1×2耦合器用于将干涉光谱信息输送至光信号解调系统，该干涉光谱信息是谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光进入第二1×2耦合器后形成的干涉光谱的信息；
光信号解调系统用于解调干涉光谱信息得到光纤陀螺旋转速率。
本发明的有益效果是：
本发明用较短的光纤长度绕制成两个光纤环形谐振腔，并联接入两段直波导之间。单个环形谐振腔的强色散可以增大相向传输的两束光波间由旋转产生的相位差。同时，两个并联的环形谐振腔和它们之间的传导光纤又构成了一个大的谐振腔系统，使得顺逆时针光在两个谐振腔多次来回传输，形成无数次顺逆时针光，进一步大大增加了旋转产生的顺逆时针光波的旋转相位差，将陀螺的灵敏度提高2倍以上；并且在光纤陀螺灵敏度提高的同时，可大大减少绕制线圈的光纤长度，进而减少误差。
附图说明
图1为本发明的双环谐振腔并联式光纤陀螺的结构示意图；
图2为本发明中信号处理系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一
本发明的双环谐振腔并联式光纤陀螺，包括偏振光发生系统1、光信号解调系统2、第一1×2耦合器3和第二1×2耦合器4，偏振光发生系统1用于产生偏振光，并输送至第一1×2耦合器3，还包括第一环形谐振腔5和第二环形谐振腔6；
第一1×2耦合器3用于将偏振光分为两路，两路偏振光分别以逆时针方向和顺时针方向入射至第一环形谐振腔5；
第一环形谐振腔5用于形成2N-1次逆时针光和2N-1次顺时针光，并将谐振后的2N-1次逆时针光和谐振后的2N-1次顺时针光入射至第二环形谐振腔6，其中N为正整数；
第二环形谐振腔6用于形成2N次逆时针光和2N次顺时针光，并将谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光分别分为两路，其中一路谐振后的2N次逆时针光和其中一路谐振后的2N次顺时针光入射回第一环形谐振腔5，并在第一环形谐振腔5内形成2(N+1)-1次逆时针光和2(N+1)-1次顺时针光，；另一路谐振后的2N次逆时针光和另一路谐振后的2N次顺时针光入射至第二1×2耦合器4；
第二1×2耦合器4用于将干涉光谱信息输送至光信号解调系统2，该干涉光谱信息是谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光进入第二1×2耦合器4后形成的干涉光谱的信息；
光信号解调系统2用于解调干涉光谱信息得到光纤陀螺旋转速率。
具体实施方式二
本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，还包括多根传导光纤；
第一环形谐振腔5包括第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器9，第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器9均为2×2耦合器；
第二环形谐振腔6包括第三光纤耦合器10和第四光纤耦合器12；第三光纤耦合器10和第四光纤耦合器12均为2×2耦合器；
多根传导光纤包括第一传导光纤13、第二传导光纤14、第三传导光纤15、第四传导光纤16、第五传导光纤17和第六传导光纤18；
第一1×2耦合器3的第一偏振光输出端通过第一传导光纤13连接第一光纤耦合器7的第一偏振光输入输出端，第一1×2耦合器3的第二偏振光输出端通过第二传导光纤14连接第二光纤耦合器9的第一偏振光输入输出端；
第一光纤耦合器7的第四偏振光输入输出端通过第三传导光纤15连接第三光纤耦合器10的第一偏振光输入输出端，第二光纤耦合器9的第四偏振光输入输出端通过第四传导光纤16连接第四光纤耦合器12的第一偏振光输入输出端；第三光纤耦合器10的第四偏振光输入输出端通过第五传导光纤17连接第二1×2耦合器4的第一偏振光输入端，第四光纤耦合器12的第四偏振光输入输出端通过第六传导光纤18连接第二1×2耦合器4的第二偏振光输入端；第二1×2耦合器4的干涉光谱信息输出端连接光信号解调系统2的干涉光谱信息输入端；
第一光纤耦合器7的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端分别通过光纤连接第二光纤耦合器9的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端构成第一环形谐振腔5；
其中，上述两段连接第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器9的光纤构成第一光纤环(8)。
第三光纤耦合器10的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端分别通过光纤连接第四光纤耦合器12的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端构成第二环形谐振腔6；
其中，上述两段连接第三光纤耦合器10和第四光纤耦合器12的光纤构成第二光纤环(11)。
本发明的工作原理如下：
偏振光进入第一1×2耦合器3后，等分成两路，一路从第一偏振光输出端经过第一传导光纤13和第一光纤耦合器7进入第一光纤环8，形成1次逆时针光，1次逆时针光在第一光纤环8中发生谐振后经过第一光纤耦合器7、第三传导光纤15、第三光纤耦合器10后进入第二光纤环11，形成2次逆时针光，2次逆时针光在第二光纤环11中发生谐振后分为两束光，其中一束光经过第三光纤耦合器10和第五传导光纤17进入第二1×2耦合器4，同时另一束光经过第四光纤耦合器12、第四传导光纤16、第二光纤耦合器9后回到第一光纤环8，形成3次逆时针光，3次逆时针光在第一光纤环8中再次发生谐振后经过第一光纤耦合器7、第三传导光纤15、第三光纤耦合器10后再次进入第二光纤环11，形成4次逆时针光，如此循环往复，逆时针光不仅在第一环形谐振腔5和第二环形谐振腔6中谐振，而且第一环形谐振腔5、第二环形谐振腔6、第三传导光纤15和第四传导光纤16形成一个大的谐振腔，使得逆时针光在其间反复谐振传输，理论上形成无数次逆时针光；
第一1×2耦合器3输出的另一路光从经过第二传导光纤14和第二光纤耦合器9进入第一光纤环8，形成1次顺时针光，按照以上逆时针光的传输原理，也能形成无数次顺时针光，最后通过第六传导光纤18传输到第二1×2耦合器4的第二偏振光输入端，顺时针光和逆时针光在第二1×2耦合器4中发生干涉，形成干涉光谱，在光信号解调系统2内形成电信号输出并解调。具体实施方式三
本具体实施方式三与具体实施方式一或二的区别在于，偏振光发生系统1包括信号发生器19、激光器20、隔离器21、衰减器22和偏振控制器23；
信号发生器19的调制信号输出端电气连接激光器20的调制信号输入端，激光器20的输出激光进入隔离器21的激光输入端，隔离器21的单向光信号输出端连接衰减器22的单向光信号出入端，衰减器22的衰减光信号输出端连接偏振控制器23的衰减光信号输入端，偏振控制器23的偏振光输出端作为偏振光发生系统1的偏振光输出端。
信号发生器19输出电压信号，加载到激光器20的调制信号输入端，用来调谐激光器20的输出激光的频率，激光器20的输出激光进入隔离器21，隔离器21对光信号单向导通，可防止光信号反射回激光器20，隔离器21的输出光进入衰减器22，可对光信号的功率进行调节，防止因为功率过高，损坏探测器14，衰减器22的输出光进入偏振控制器23，能够根据需要选择光的偏振态后输出偏振光。
具体实施方式四
本具体实施方式四与具体实施方式三的区别在于，信号发生器19输出的调制信号为三角波电压信号。
信号发生器19输出的调制信号为三角波电压信号，此三角波电压信号加载到激光器20的调制信号输入端，用来调谐激光器20的输出激光的频率。
具体实施方式五
本具体实施方式五与具体实施方式一、二或四的区别在于，光信号解调系统2包括探测器24、信号处理系统25和上位机26；
探测器24的干涉光谱信号输入端作为光信号解调系统2的干涉光谱信息输入端，探测器24的干涉光谱电信号输出端电气连接信号处理系统25的模拟信号输入端，信号处理系统25的数字信号输出端电气连接上位机26的数字信号输入端。
探测器24用于进行光电转换，将干涉光谱光信号形成干涉光谱电信号输出，探测器24输出的干涉光谱电信号进入信号处理系统25，信号处理系统25将干涉光谱电信号处理后得到带有干涉光谱信息的数据传输到上位机26，由上位机26对干涉光谱信息进行解调处理，并通过人机交换界面向用户呈现旋转速率等信息。
具体实施方式六
本具体实施方式六与具体实施方式五的区别在于，信号处理系统25包括带通滤波电路27、放大器28和数据采集电路29；
带通滤波电路27的带通信号输出端电气连接放大器28的带通信号输入端，放大器28的放大信号输出端电气连接数据采集电路29的模拟量输入端；
带通滤波电路27的模拟信号输入端作为信号处理系统25的模拟信号输入端，数据采集电路29的数字信号输出端作为信号处理系统25的数字信号输出端。
信号处理系统25的工作原理如下：
探测器24的输出信号进入带通滤波电路27，在带通滤波电路27中进行滤波后，进入放大器28进行信号放大，然后进入数据采集电路29，在数据采集电路29中进行模数转换后传输到上位机26。
具体实施方式七
本具体实施方式七与具体实施方式二、四或六的区别在于，第一传导光纤13和第二传导光纤14的长度相等，第三传导光纤15和第四传导光纤16的长度相等，第五传导光纤17和第六传导光纤18的长度相等。
保证顺时针光和逆时针光不因传导光纤的差异而产生额外的相移。
具体实施方式八
本具体实施方式八与具体实施方式一、二、四或六的区别在于，第一1×2耦合器3和第二1×2耦合器4均为3dB耦合器。
使得输出的两路偏振光功率相等。
具体实施方式九
本具体实施方式九与具体实施方式一、二、四或六的区别在于，第一光纤环8和第二光纤环11的参数相同。
第一光纤环8和第二光纤环11参数应当完全相同，用以保证一致谐振。
并且，在两个光纤环的基础上，基于本发明的原理，将两段直波导之间的光纤环加到三个及以上，使之形成更为庞杂的谐振腔系统，形成更多次的顺逆时针光，也能够实现Sagnac相移增加的等效变换或是修饰。
Claims (9)
1.双环谐振腔并联式光纤陀螺，包括偏振光发生系统(1)、光信号解调系统(2)、第一1×2耦合器(3)和第二1×2耦合器(4)，偏振光发生系统(1)用于产生偏振光，并输送至第一1×2耦合器(3)，其特征在于，还包括第一环形谐振腔(5)和第二环形谐振腔(6)；
第一1×2耦合器(3)用于将偏振光分为两路，两路偏振光分别以逆时针方向和顺时针方向入射至第一环形谐振腔(5)；
第一环形谐振腔(5)用于形成2N-1次逆时针光和2N-1次顺时针光，并将谐振后的2N-1次逆时针光和谐振后的2N-1次顺时针光入射至第二环形谐振腔(6)，其中N为正整数；
第二环形谐振腔(6)用于形成2N次逆时针光和2N次顺时针光，并将谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光分别分为两路，其中一路谐振后的2N次逆时针光和其中一路谐振后的2N次顺时针光入射回第一环形谐振腔(5)，并在第一环形谐振腔(5)内形成2(N+1)-1次逆时针光和2(N+1)-1次顺时针光，另一路谐振后的2N次逆时针光和另一路谐振后的2N次顺时针光入射至第二1×2耦合器(4)；
第二1×2耦合器(4)用于将干涉光谱信息输送至光信号解调系统(2)，该干涉光谱信息是谐振后的2N次逆时针光和谐振后的2N次顺时针光进入第二1×2耦合器(4)后形成的干涉光谱的信息；
光信号解调系统(2)用于解调干涉光谱信息得到光纤陀螺旋转速率。
2.根据权利要求1所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，还包括多根传导光纤；
第一环形谐振腔(5)包括第一光纤耦合器(7)和第二光纤耦合器(9)，第一光纤耦合器(7)和第二光纤耦合器(9)均为2×2耦合器；
第二环形谐振腔(6)包括第三光纤耦合器(10)和第四光纤耦合器(12)；第三光纤耦合器(10)和第四光纤耦合器(12)均为2×2耦合器；
多根传导光纤包括第一传导光纤(13)、第二传导光纤(14)、第三传导光纤(15)、第四传导光纤(16)、第五传导光纤(17)和第六传导光纤(18)；
第一1×2耦合器(3)的第一偏振光输出端通过第一传导光纤(13)连接第一光纤耦合器(7)的第一偏振光输入输出端，第一1×2耦合器(3)的第二偏振光输出端通过第二传导光纤(14)连接第二光纤耦合器(9)的第一偏振光输入输出端；
第一光纤耦合器(7)的第四偏振光输入输出端通过第三传导光纤(15)连接第三光纤耦合器(10)的第一偏振光输入输出端，第二光纤耦合器(9)的第四偏振光输入输出端通过第四传导光纤(16)连接第四光纤耦合器(12)的第一偏振光输入输出端；第三光纤耦合器(10)的第四偏振光输入输出端通过第五传导光纤(17)连接第二1×2耦合器(4)的第一偏振光输入端，第四光纤耦合器(12)的第四偏振光输入输出端通过第六传导光纤(18)连接第二1×2耦合器(4)的第二偏振光输入端；第二1×2耦合器(4)的干涉光谱信息输出端连接光信号解调系统(2)的干涉光谱信息输入端；
第一光纤耦合器(7)的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端分别通过光纤连接第二光纤耦合器(9)的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端构成第一环形谐振腔(5)；
第三光纤耦合器(10)的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端分别通过光纤连接第四光纤耦合器(12)的第二偏振光输入输出端和第三偏振光输入输出端构成第二环形谐振腔(6)。
3.根据权利要求1或2所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，偏振光发生系统(1)包括信号发生器(19)、激光器(20)、隔离器(21)、衰减器(22)和偏振控制器(23)；
信号发生器(19)的调制信号输出端电气连接激光器(20)的调制信号输入端，激光器(20)的输出激光进入隔离器(21)的激光输入端，隔离器(21)的单向光信号输出端连接衰减器(22)的单向光信号出入端，衰减器(22)的衰减光信号输出端连接偏振控制器(23)的衰减光信号输入端，偏振控制器(23)的偏振光输出端作为偏振光发生系统(1)的偏振光输出端。
4.根据权利要求3所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，信号发生器(19)输出的调制信号为三角波电压信号。
5.根据权利要求1、2或4所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，光信号解调系统(2)包括探测器(24)、信号处理系统(25)和上位机(26)；
探测器(24)的干涉光谱信号输入端作为光信号解调系统(2)的干涉光谱信息输入端，探测器(24)的干涉光谱电信号输出端电气连接信号处理系统(25)的模拟信号输入端，信号处理系统(25)的数字信号输出端电气连接上位机(26)的数字信号输入端。
6.根据权利要求5所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，信号处理系统(25)包括带通滤波电路(27)、放大器(28)和数据采集电路(29)；
带通滤波电路(27)的带通信号输出端电气连接放大器(28)的带通信号输入端，放大器(28)的放大信号输出端电气连接数据采集电路(29)的模拟量输入端；
带通滤波电路(27)的模拟信号输入端作为信号处理系统(25)的模拟信号输入端，数据采集电路(29)的数字信号输出端作为信号处理系统(25)的数字信号输出端。
7.根据权利要求2、4或6所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，第一传导光纤(13)和第二传导光纤(14)的长度相等，第三传导光纤(15)和第四传导光纤(16)的长度相等，第五传导光纤(17)和第六传导光纤(18)的长度相等。
8.根据权利要求1、2、4或6所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，第一1×2耦合器(3)和第二1×2耦合器(4)均为3dB耦合器。
9.根据权利要求1、2、4或6所述的双环谐振腔并联式光纤陀螺，其特征在于，第一光纤环(8)和第二光纤环(11)的参数相同。
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