CN109540120B - 一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统,包括：相干光源、波分复用器、隔离器、偏振分束器、光纤线圈、波分解复用器、半波片、合束器以及探测器，其中，相干光源和波分复用器，用于将泵浦光和信号光耦合为复合光；隔离器，用于隔离反射光对光源的损坏；偏振分束器和光纤线圈，用于实现拉曼放大和相位调制；波分解复用器，用于分解复合光为泵浦光和信号光；偏振分束器、半波片、合束器和探测器，用于偏振垂直的两束光波的干涉测量。本发明还提出一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量方法，将光放大过程与相位调制过程相结合的同时，分离光干涉过程和相位调制过程，提升系统的信噪比，缩短光纤线圈长度，提高系统集成度。
Description
技术领域
本发明涉及光学及精密测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统及方法。
背景技术
惯性技术，是利用惯性原理实现运动物理姿态和运动轨迹测量与控制，是惯性仪表、惯性稳定、惯性导航、惯性制导和惯性测量等技术的总称，是一项具有自主性好、信息全面、实时连续、抗干扰性强等特性的载体运动信息感知技术，广泛应用于军事和国民经济领域中各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定以及过载传感等惯性系统。
作为惯性系统的核心部件，陀螺仪用于测量运动载体相对惯性空间的角速度，对惯性系统的性能起着关键作用。然而，在角速度的测量过程中，由于光路中光纤和器件的非理想性，光纤线圈中顺逆时针传播的两束光出现由Kerr效应引入的相位差；部分光的能量耦合至正交偏振态，产生偏振交叉耦合光；部分光与光纤中的自由振荡的分子、原子等微粒相互作用，产生背向散(反)射光。当增加光纤长度时，由Kerr效应、偏振交叉耦合效应、背向散(反)射效应和多光路干涉效应形成的噪声将累计增大，并与有效光一起被探测采集，降低了干涉条纹对比度，影响系统性能。传统做法是利用宽带光源结合保偏光纤的方法降低以上噪声，实现系统信噪比的提高。但是宽带光源的波长稳定度限制了系统性能的提高。因此，提高信号、降低噪声，是实现高精度角速度测量的关键。
发明内容
本发明旨在解决现有角速度测量技术中由于光路中光纤和器件的非理想性，导致系统信噪比降低，限制测量灵敏度的问题，提供了一种利用光纤拉曼放大实现高精度角速度测量的系统及方法，技术方案如下：
一种基于光纤拉曼放大的角速度测量系统，包括：第一相干光源、第二相干光源、波分复用器、隔离器、偏振分束器、光纤线圈、波分解复用器、半波片、合束器及光电探测器，其中：
光源，其用于产生入射光场；其中，第一光源用于产生入射泵浦光场，第二光源用于产生入射信号光场；
波分复用器，其用于耦合所述泵浦光和信号光得到复合光；
隔离器，其用于隔离与所述复合光反向传播的光对光源的损坏；
偏振分束器，其用于光的空间分束与合束；其中，第一偏振分束器用来实现水平偏振的复合光与垂直偏振的复合光在空间上的分束与合束。其中，水平偏振的复合光沿着光纤线圈顺时针方向传播，垂直偏振的复合光中沿着光纤线圈逆时针方向传播，这样有效避免光纤线圈中Kerr效应、偏振交叉耦合、背向散射及多路干涉引起噪声；第二偏振分束器用来实现放大的信号光中水平偏振和垂直偏振的空间分离。
光纤线圈，其用于吸收复合光中的泵浦光以对复合光中的信号光进行增益放大；同时，当该陀螺仪受到角速度作用时，光纤线圈中沿着顺逆时针传播的两束复合光将获得由角速度引起的相位调制；
波分解复用器，用于将光纤线圈输出的复合光分解为残余的泵浦光和放大的信号光，实现残余泵浦光的滤除；
半波片，其用于改变信号光的偏振；其中，含有相位信息的两束信号光偏振垂直，为了通过干涉测量的方式获得角速度引起的相位变化，就需要半波片改变其中一路信号光的偏振态；
合束器，其用于信号光场的合束，实现光干涉；
光电探测器，其用于实现干涉信号测量。
基于以上提出的高精度角速度测量系统，本发明还提出了一种基于光纤拉曼放大的角速度测量方法，包括：
步骤1：第一相干光源泵浦光和第二相干光源信号光通过波分复用器变成复合光；
步骤2：所述复合光从第一偏振分束器注入光纤线圈中，其中水平偏振的复合光在光纤线圈中沿着顺时针方向传播，垂直偏振的复合光在光纤线圈中沿着逆时针方向传播。顺逆时针传播的复合光在光纤线圈中发生拉曼放大，即信号光在泵浦光和光纤介质的共同作用下被放大的过程。当该陀螺仪受到角速度作用时，光纤线圈中沿着顺逆时针传播的两束复合光将受到由角速度引起的相位调制；经相位调制的水平偏振方向的复合光与垂直偏振方向的复合光通过第一偏振分束器实现非干涉性合束；
步骤3：所述复合光在波分解复用器的作用下，实现放大的信号光和残余泵浦光的分离；
步骤4：所述放大的信号光在第二偏振分束器的作用下，分成水平偏振信号光和垂直偏振信号光，分别沿不同路径传播。其中垂直偏振的信号光在半波片的作用下转换为水平偏振，并与另一路径的水平偏振信号光在合束器发生干涉；
步骤5：干涉后的信号通过光电探测器探测，实现角速度引起的相位差的干涉测量。
本发明提出的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统及方法，成功利用光纤线圈中沿着顺逆时针方向传播的两束光偏振垂直，实现相位调制与干涉测量过程的分离，避免光纤线圈中噪声干扰。同时，利用光纤线圈中的拉曼放大过程，在相位调制的同时实现信号放大，补偿信号光在光纤线圈中的损耗。最后，对偏振垂直的两束信号光进行偏振转换，实现干涉测量。
本发明提供的角速度测量系统和方法与传统光纤陀螺仪相比，在以下两方面做出了独特的创新。一方面，通过光纤线圈中光放大过程与相位调制过程的结合，实现了含有相位信息的信号光的放大，不仅克服了现有系统的光损耗问题，还能进一步增强信号；另一方面，分别注入光纤线圈的顺逆时针方向的两束光偏振垂直，保证了光干涉过程与相位调制过程分离，从而有效地避免了光纤线圈中Kerr效应、偏振衰落、背向散射和多路干涉对系统的影响，提高系统信噪比。
本发明提出的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统及方法，将光放大与相位调制过程相结合的同时,分离光干涉过程与相位调制过程，能够有效提升系统的信噪比，有助于缩短光纤线圈长度，可进一步提高系统集成度。干涉测量的分离进一步细化系统模块，有助于提高系统稳定性。
附图说明
图1是发明实施例中基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统的结构示意图。
图2是发明实施例中基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量方法的流程图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
图1中，1-第一相干光源；2-第二相干光源；3-波分复用器；4-隔离器；5-第一偏振分束器；6-光纤线圈；7-波分解复用器；8-第二偏振分束器；9-半波片；10-合束器；11-光电探测器。
在本发明的高精度角速度系统如图1所示，包括第一相干光源、第二相干光源、波分复用器、隔离器、偏振分束器、光纤线圈、波分解复用器、半波片、合束器及光电探测器。其中，第一相干光源泵浦光和第二相干光源信号光通过波分复用器变成复合光；该复合光从第一偏振分束器注入光纤线圈中，其中水平偏振的复合光在光纤线圈中沿着顺时针方向传播，垂直偏振的复合光在光纤线圈中沿着逆时针方向传播。顺逆时针传播的复合光在光纤线圈中发生拉曼放大，即信号光在泵浦光和光纤介质的共同作用下被放大的过程。当该陀螺仪受到角速度作用时，光纤线圈中沿着顺逆时针传播的两束复合光将受到由角速度引起的相位调制；经相位调制的水平偏振方向的复合光与垂直偏振方向的复合光通过第一偏振分束器实现合束；该复合光在波分解复用器的作用下，实现信号光和泵浦光的分离；放大的信号光在第二偏振分束器的作用下，分成水平偏振信号光和垂直偏振信号光，分别沿不同路径传播。其中垂直偏振的信号光在半波片的作用下转换为水平偏振，并与另一路径的水平偏振信号光在合束器发生干涉；干涉后的信号通过光电探测器探测，实现角速度引起的相位差的干涉测量。
本发明的高精度角速度测量方法如图2所示，由泵浦光和信号光构成的复合光作为信号发射模块，注入由第一偏振分束器和光纤线圈构成相位调制和光信号放大模块，经该模块放大的含有角速度引起的相位信息的信号光通过由第二偏振分束器、半波片、合束器和探测器构成的干涉测量系统，实现角速度的干涉测量。具体包括以下步骤：
步骤1：第一相干光源泵浦光和第二相干光源信号光通过波分复用器变成复合光；
步骤2：复合光从第一偏振分束器注入光纤线圈中；其中，水平偏振的复合光在光纤线圈中沿着顺时针方向传播，垂直偏振的复合光在光纤线圈中沿着逆时针方向传播，顺逆时针传播的复合光在光纤线圈中发生拉曼放大；当陀螺仪受到角速度作用时，光纤线圈中沿着顺逆时针传播的两束复合光将受到由角速度引起的相位调制；经相位调制的水平偏振方向的复合光与垂直偏振方向的复合光通过第一偏振分束器实现非干涉性合束；
步骤3：复合光在波分解复用器的作用下，实现放大的信号光与残余的泵浦光的分离；
步骤4：放大的信号光在第二偏振分束器的作用下，分成水平偏振信号光和垂直偏振信号光，分别沿不同路径传播；其中，垂直偏振的信号光在半波片的作用下转换为水平偏振，并与另一路径的水平偏振信号光在合束器发生干涉；
步骤5：干涉后的信号通过光电探测器探测，实现角速度引起的相位差的干涉测量。
在以上实施例中，沿着光纤线圈顺逆时针传播的两束光波同时发生拉曼放大过程，保证了光纤线圈中沿着顺逆时针传播的两束光波的互异性，在放大信号的同时，可以有效避免光纤线圈中Kerr效应对系统产生的影响；沿着光纤线圈顺逆时针传播的两束光波偏振垂直，利用拉曼放大过程的偏振选择特性，可以有效避免光纤线圈中偏振交叉耦合效应对系统产生的影响；进一步利用散射光偏振一致的特性，可以有效避免光纤线圈中散射效应及多路干涉效应对系统产生的影响。本发明提出的角速度测量系统及方法可以有效提高角速度测量的灵敏度。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，包括：第一相干光源(1)、第二相干光源(2)、波分复用器(3)、隔离器(4)、第一偏振分束器(5)、光纤线圈(6)、波分解复用器(7)、第二偏振分束器(8)、半波片(9)、合束器(10)以及光电探测器(11)；其中，
第一相干光源(1)，其用于产生泵浦光；
第二相干光源(2)，其用于产生信号光；
波分复用器(3)，其用于耦合所述泵浦光和所述信号光得到复合光；
隔离器(4)，其用于隔离与所述复合光反向传播的光对光源的损坏；
第一偏振分束器(5)，其用于所述复合光的空间分束与合束；
光纤线圈(6)，其用于吸收所述复合光中的泵浦光，以对所述复合光中的信号光进行增益放大；同时实现由角速度引起的相位对复合光的调制；
波分解复用器(7)，用于将所述光纤线圈(6)输出的复合光分解为残余的泵浦光和放大的信号光；
第二偏振分束器(8)，其用于将所述信号光根据偏振态的不同分成两束沿不同路径传播的光波；
半波片(9)，其用于将垂直偏振的信号光转换为水平偏振的信号光；
合束器(10)，其用于信号光场的合束；
光电探测器(11)，其用于实现干涉信号的测量。
2.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，所述第一相干光源(1)和所述第二相干光源(2)是激光器发出的频率不同的两束相干光源，工作在脉冲模式下。
3.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，所述复合光在所述第一偏振分束器(5)的作用下，实现了不同偏振的复合光在光纤线圈(6)中的拉曼放大过程；其中，水平偏振的复合光沿着所述光纤线圈(6)顺时针方向发生拉曼放大过程，垂直偏振的复合光沿着所述光纤线圈(6)逆时针方向发生拉曼放大过程。
4.根据权利要求3所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，所述光纤线圈(6)中顺逆时针方向发生的拉曼放大过程同时进行。
5.根据权利要求3所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，所述复合光在所述光纤线圈(6)中通过拉曼放大过程中，对信号光放大的同时，通过由角速度引起的相位对复合光信号的调制。
6.根据权利要求3所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，沿着所述光纤线圈(6)顺逆时针传播的复合光在第一偏振分束器(5)发生非干涉性合束。
7.根据权利要求1所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，其特征在于，放大的信号光在第二偏振分束器(8)的作用下，分成水平偏振信号光和垂直偏振信号光，分别沿不同路径传播；其中，垂直偏振的信号光在半波片(9)的作用下转换为水平偏振，并与另一路径的水平偏振信号光发生干涉，实现角速度测量。
8.一种基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7之任一项所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量系统，包括以下步骤：
步骤1：第一相干光源(1)泵浦光和第二相干光源(2)信号光通过波分复用器(3)变成复合光；
步骤2：所述复合光从第一偏振分束器(5)注入光纤线圈(6)中；其中，水平偏振的复合光在光纤线圈中沿着顺时针方向传播，垂直偏振的复合光在所述光纤线圈(6)中沿着逆时针方向传播，顺逆时针传播的复合光在所述光纤线圈(6)中发生拉曼放大；当陀螺仪受到角速度作用时，所述光纤线圈(6)中沿着顺逆时针传播的两束复合光将受到由角速度引起的相位调制；经相位调制的水平偏振方向的复合光与垂直偏振方向的复合光通过所述第一偏振分束器(5)实现非干涉性合束；
步骤3：所述复合光在波分解复用器(7)的作用下，实现放大的信号光与残余的泵浦光的分离；
步骤4：所述放大的信号光在第二偏振分束器(8)的作用下，分成水平偏振信号光和垂直偏振信号光，分别沿不同路径传播；其中，垂直偏振的信号光在半波片(9)的作用下转换为水平偏振，并与另一路径的水平偏振信号光在合束器(10)发生干涉；
步骤5：所述干涉后的信号通过光电探测器(11)探测，实现角速度引起的相位差的干涉测量。
9.根据权利要求8所述的基于光纤拉曼放大的高精度角速度测量方法，其特征在于，将光放大过程与相位调制过程相结合的同时，分离光干涉过程和相位调制过程。
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