CN111366145A - 一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法 - Google Patents

一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法，在传统光纤陀螺中添加两个1×2偏振分束/合束器，其分别位于光纤保偏光纤敏感线圈两端的正、反向光路中。该1×2偏振分束/合束器用于将两束正交偏振光耦合到一根光纤中，或将一束输入光分离成两束正交线偏光输出。通过两个1×2偏振分束/合束器的特定放置与耦合，入射光信号可以沿光纤陀螺保偏光纤敏感线圈传输两圈，从而达到光学倍增的效果，该方案不引入其他误差、不降低信噪比，且结构简单、成本低廉，在不增加光纤长度的前提下可有效提高光纤陀螺的测量精度。

Description

一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法。
背景技术
随着科技的发展和国防的需要，精确打击武器及相关技术成为各国研究的热点，其中自主导航技术是精确打击武器的关键技术之一，惯性导航系统(INS) 是一种自主式的导航设备，能连续、实时地提供载体位置、姿态、速度等信息，不依赖外界信息。陀螺仪作为INS的核心器件之一，对导航解算结果的影响很大，多数情况下主导了INS的整体性能。因此，高精度INS对其中陀螺仪的精度和性能要求更为严苛。光纤陀螺具有高理论精度、全固态、高可靠性等优势，以美国、法国为首的西方强国已经将高精度光纤陀螺作为高精度INS中陀螺仪的首选，并将其应用到深空、潜海、战略等领域。
随着光纤陀螺应用领域的扩展，复杂的应用环境、长航时导航等应用需求对陀螺精度提出了更高的要求，通过增加光纤长度，能在很大程度上累积载体相对惯性空间的角速度产生的非互易相位差，能在一定程度上提高陀螺的灵敏度，但增加光纤长度一个致命缺点是对温度等环境适应性大大降低，原因在于较长的光纤绕制成环后，环境因素引起的光纤环内部应力不均匀、不对称产生了较大的非互易相位差，限制了精度的提高。因此，亟需一种能在不降低光纤陀螺环境稳定性的前提下提高光纤陀螺的精度，同时能保持光纤环体积基本不变的装置及方法，在光纤陀螺的技术提升上具有重要工程意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的光纤陀螺稳定性差、精度低的不足，提出一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法，在不增加光纤长度的条件下提高角速度引起的相位累积，实现在不降低光纤陀螺环境稳定性的前提下提高光纤陀螺的精度，同时保持光纤环体积基本不变。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置，包括光源、起偏器、分束器、1×2偏振分束/合束器、以及保偏光纤敏感线圈；所述的1×2偏振分束/合束器包括三个端口：A端口、B端口和C端口，所述A端口的慢轴或快轴与C端口的慢轴耦合连接，B端口的慢轴或快轴与C端口的快轴耦合连接；所述光源通过保偏光纤依次与起偏器、分束器连接，分束器的两个输出端口分别通过保偏光纤与第一1×2偏振分束/合束器A端口以及第二1×2偏振分束/合束器B端口连接，第一1×2偏振分束/合束器C端口和第二1×2偏振分束/合束器C端口分别通过保偏光纤与保偏光纤敏感线圈的两端口连接，第一1×2偏振分束/合束器B 端口与第二1×2偏振分束/合束器A端口0°耦合连接。
优选的，所述的1×2偏振分束/合束器的A端口和B端口所连接的保偏光纤中的光只能沿其快轴或者慢轴传输，C端口所连接的保偏光纤中的光能够同时沿快轴和慢轴传输。
本发明还公开了一种采用上述光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置的光束绕行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光源出射的光信号经过起偏器、分束器后一分为二，通过保偏光纤分别传输至第一1×2偏振分束/合束器和第二1×2偏振分束/合束器；将第一1×2偏振分束/合束器的三个端口定义为A1口、B1口和C1口，将第二1×2偏振分束/ 合束器的三个端口定义为A2口、B2口和C2口；
2)经分束器后沿顺时针光路传输的光从A1口进入第一偏振分束/合束器，然后从C1口出射并沿保偏光纤慢轴传输，经保偏光纤敏感线圈后进入第二1×2 偏振分束/合束器的C2口，然后从A2口传输至第一偏振分束/合束器的B1口，从C1口出射并沿保偏光纤快轴传输，再次经保偏光纤敏感线圈后进入第二1×2 偏振分束/合束器的C2口，然后从B2口返回至分束器，实现顺时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈；
3)经分束器后沿逆时针光路传输的光从B2口进入第二偏振分束/合束器，然后从C2口出射并沿保偏光纤快轴传输，经保偏光纤敏感线圈后进入第一1×2 偏振分束/合束器的C1口，然后从B1口传输至第二偏振分束/合束器的A2口，从C2口出射并沿保偏光纤慢轴传输，再次经保偏光纤敏感线圈后进入第一1×2 偏振分束/合束器的C1口，然后从A1口返回至分束器，实现逆时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置及方法，与典型光纤陀螺保偏光纤敏感线圈结构相比，所提出的装置中仅增加两个1×2偏振分束/合束器，结构简单、成本低廉，通过1×2偏振分束/合束器的特定放置及耦合，可使得光信号在敏感线圈中传输的光程增加一倍，所提出的方法原理简单、操作简洁。针对目前已趋于稳定和成熟的光纤陀螺来说，试图通过硬件和软件的突破来提升精度显得较为困难，而本发明所提出的装置及方法可在不引入额外的误差、不降低光纤陀螺的信噪比的前提下使光纤陀螺的精度倍增，在工程应用中具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明中所采用的1×2偏振分束/合束器的原理示意图；
图2是本发明中光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置的示意图；
图中：1.光源，2.起偏器，3.分束器，4.第一1×2偏振分束/合束器，5.保偏光纤敏感线圈，6.第二1×2偏振分束/合束器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明在干涉式光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的两端口分别添加一个1×2偏振分束/合束器，通过两个1×2偏振分束/合束器的特定放置与耦合，使入射光信号在光纤陀螺保偏光纤敏感线圈内传输两圈，达到光学倍增的效果。
如图1所示，1×2偏振分束/合束器可以将两束正交偏振光耦合到一根光纤中，或将一束输入光分离成两束正交线偏光输出，其工作原理为：沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输的光信号沿A口入射可以从C口出射并沿保偏光纤慢轴传输，沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输的光信号沿B口入射可以从C口出射并沿保偏光纤快轴传输，沿保偏光纤快轴/慢轴传输的光信号沿C口入射可以沿B口/A 口出射沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输。所述的1×2偏振分束/合束器的A口和 B口所连接的保偏光纤中的光只能沿其快轴或者慢轴传输，C口所连接的保偏光纤中的光能够同时沿快轴和慢轴传输。
如图2所示，在本发明的一个具体实施中，光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置由包括光源1、起偏器2、分束器3、第一1×2偏振分束/合束器4、第二1×2偏振分束/合束器6、以及保偏光纤敏感线圈5；将第一1×2偏振分束/合束器4的三个端口定义为A1口、B1口和C1口，将第二1×2偏振分束/合束器6的三个端口定义为A2口、B2口和C2口，其中第一1×2偏振分束/合束器 4和第二1×2偏振分束/合束器6的端口A1、B1、C1和A2、B2、C2分别遵循图1所示工作原理。所述光源1通过保偏光纤依次与起偏器2、分束器3连接，分束器3的两个输出端口分别通过保偏光纤与第一1×2偏振分束/合束器A1端口以及第二1×2偏振分束/合束器B2端口连接，第一1×2偏振分束/合束器C1端口和第二1×2偏振分束/合束器C2端口分别通过保偏光纤与保偏光纤敏感线圈5 的两端口连接，第一1×2偏振分束/合束器B1端口与第二1×2偏振分束/合束器A2端口0°耦合连接，即B1口出射保偏光纤的慢轴(或快轴)与A2口出射保偏光纤的慢轴(或快轴)对准耦合。
光源1出射的光信号经过起偏器2、分束器3后成为分别沿顺时针、逆时针两个方向传输的两束偏振光，两束偏振光的偏振方向对准保偏光纤慢轴(或快轴)，顺时针(CW)传输光从A1口进入第一偏振分束/合束器4，由图1可知A口的偏振方向对准C口的慢轴，因此CW光从C1口出射并沿保偏光纤慢轴传输，经过保偏光纤敏感线圈5一圈后从C2口进入第二偏振分束/合束器6，从A2口出射并沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输，由于两个偏振分束/合束器的A2和B1口0°耦合，因此，从A2口出射并沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输的CW光从B1口再次入射进入第一偏振分束/合束器4，由图1可知B口的偏振方向对准C口的快轴，因此CW光从C1口出射并沿保偏光纤快轴传输，再次经过保偏光纤敏感线圈5 一圈后从C2口进入第二偏振分束/合束器6，从B2口出射并沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输回到分束器3，由此顺时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈，实现了光学倍增的效果。
逆时针(CCW)传输光从B2口进入第二偏振分束/合束器6，从C2口出射并沿保偏光纤快轴传输，经过保偏光纤敏感线圈5一圈后从C1口进入第一偏振分束/合束器4，从B1口出射沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输，通过0°耦合进入A2口并沿保偏光纤慢轴(或快轴)传输，进入第二偏振分束/合束器6后，从C2口出射并沿保偏光纤慢轴传输，再次经过保偏光纤敏感线圈5一圈后，从C1口进入第一偏振分束/合束器4，后从A1口出射并沿保偏光纤慢轴传输回到分束器 3，由此逆时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈，实现了光学倍增的效果。
所述的1×2偏振分束/合束器4和1×2偏振分束/合束器6可以采用任意具有如图1所示工作原理的器件，本例中采用Thorlab公司的熔融光纤偏振光束合束器/分束器。
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 (3)

1.一种光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置，其特征在于，包括光源(1)、起偏器(2)、分束器(3)、1×2偏振分束/合束器、以及保偏光纤敏感线圈(5)；所述的1×2偏振分束/合束器包括三个端口：A端口、B端口和C端口，所述A端口的慢轴或快轴与C端口的慢轴耦合连接，B端口的慢轴或快轴与C端口的快轴耦合连接；所述光源(1)通过保偏光纤依次与起偏器(2)、分束器(3)连接，分束器(3)的两个输出端口分别通过保偏光纤与第一1×2偏振分束/合束器A端口以及第二1×2偏振分束/合束器B端口连接，第一1×2偏振分束/合束器C端口和第二1×2偏振分束/合束器C端口分别通过保偏光纤与保偏光纤敏感线圈(5)的两端口连接，第一1×2偏振分束/合束器B端口与第二1×2偏振分束/合束器A端口0°耦合连接。
2.如权利要求1所述的光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置，其特征在于，所述的1×2偏振分束/合束器的A端口和B端口所连接的保偏光纤中的光只能沿其快轴或者慢轴传输，C端口所连接的保偏光纤中的光能够同时沿快轴和慢轴传输。
3.一种采用权利要求1所述的光纤陀螺保偏光纤敏感线圈的光学倍增装置的光束绕行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光源(1)出射的光信号经过起偏器(2)、分束器(3)后一分为二，通过保偏光纤分别传输至第一1×2偏振分束/合束器(4)和第二1×2偏振分束/合束器(6)；将第一1×2偏振分束/合束器(4)的三个端口定义为A1口、B1口和C1口，将第二1×2偏振分束/合束器(6)的三个端口定义为A2口、B2口和C2口；
2)经分束器(3)后沿顺时针光路传输的光从A1口进入第一偏振分束/合束器(4)，然后从C1口出射并沿保偏光纤慢轴传输，经保偏光纤敏感线圈(5)后进入第二1×2偏振分束/合束器(6)的C2口，然后从A2口传输至第一偏振分束/合束器的B1口，从C1口出射并沿保偏光纤快轴传输，再次经保偏光纤敏感线圈(5)后进入第二1×2偏振分束/合束器(6)的C2口，然后从B2口返回至分束器(3)，实现顺时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈；
3)经分束器(3)后沿逆时针光路传输的光从B2口进入第二偏振分束/合束器(6)，然后从C2口出射并沿保偏光纤快轴传输，经保偏光纤敏感线圈(5)后进入第一1×2偏振分束/合束器(4)的C1口，然后从B1口传输至第二偏振分束/合束器的A2口，从C2口出射并沿保偏光纤慢轴传输，再次经保偏光纤敏感线圈(5)后进入第一1×2偏振分束/合束器(4)的C1口，然后从A1口返回至分束器(3)，实现逆时针光信号在保偏光纤敏感线圈中传输两圈。
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