CN1119661C - 环形光纤激光陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对转动角速度进行测量的装置，具体涉及利用激光及光纤技术所设计的陀螺。它利用光增益介质3(如掺稀土光纤)和单模光纤5组成两个同样的光纤环，叠置在一起后与半导体激光器1共同构成环形光纤激光器。从两个光纤环中分别耦合出的顺时针和逆时针传播的激光束之间产生拍频，由此检测转动角速度。它克服了现有激光陀螺中常见的闭锁问题，对转动传感的检测精度高，结构简单，使用方便。本发明可以应用于空间飞行器或航行器转动的测量。

Description

环形光纤激光陀螺

本发明涉及对转动角速度进行测量的装置，具体涉及利用激光及光纤技术所设计的陀螺。

陀螺是测量转动的关键装置。

光纤陀螺技术已趋成熟(见靳伟等人所著《导波光学传感器：原理与技术》，科学出版社，1998，第148-176页)。它是由激光光源、光纤环和信号处理系统三部分组成。将激光光源(如半导体激光器)所产生的激光经分束器分成两束，然后进入由光纤组成的环形光路(即光纤环)，分别沿顺时针和逆时针方向在光纤环中传播，最后又在分束器处会合发生干涉。陀螺围绕垂直于环面轴线的转动将引起反向传播的两束光之间的相位差的变化，检测此相位差的变化可获得角速度。由于光纤环可以绕成多圈，使光纤长度不受限制且光纤不易损坏，因而该技术具有结构简单紧凑、使用方便的优点。当环长2800米时，陀螺的随机漂移可为0.0002度/小时。但由于光纤陀螺是检测顺时针和逆时针传播的光束之间的相位差，使得转动传感的检测精度不高，不能达到现代空间飞行器导航对陀螺的要求。

伴随科技水平的提高，激光陀螺技术得到发展，其通用结构包括激光器和信号处理系统两大部分。激光陀螺的现有技术之一是1997年在美国《光学快报》上发表的“高灵敏度锁模光纤激光陀螺”(Bong Wan Lee，HoJin Jeong and Byoung Yoon Kim，“High-sensitivity mode-locked fiber lasergyroscope”，Opt.Lett.22(2)，1997，pp129-131)。其激光器由半导体光放大器、平面反射镜和光纤环所构成。陀螺围绕垂直于环面轴线的转动使顺、逆时针方向行进的光束的光程产生差别，从而使各自产生的锁模激光脉冲序列的脉冲间距不同，由此可检测转动的角速度。该技术使转动传感的检测精度有所提高，而且不会产生激光陀螺常见的“闭锁”问题，输出信号处理较简便；但是该技术需用保偏光纤和锁模调制器而使结构比较复杂，同时锁模脉冲会产生不规则的尖峰振荡，使其难以应用于空间飞行器。

激光陀螺的现有技术之二是1999年在美国《应用光学》杂志上发表的“大腔长环形激光陀螺的设计和运转”(C.H.Rowe，U.k.schreiber，S.J.cooper，B.T.king，M.poulton，and G.E.stedman，“Design and operation of a very largering laser gyroscope”，Appl.Opt.38(12)，1999，pp2516～2523)。该文提出一种用环长14米的环形氦氖(He-Ne)气体激光器实现的激光陀螺。它是利用激光器中顺、逆时针方向行进的两束光之间因频率不同所产生的拍频来检测转动角速度，使得转动传感的检测精度很高，可以检测到地球自转角速度的10^-9的水平。但其结构复杂，体积较大，对使用环境要求苛刻，并且在启动时及角速度较小时产生“闭锁”问题，仍然难以应用于空间飞行器。

本发明的目的在于提供一种检测精度较高且结构简单、无闭锁的环形光纤激光陀螺。

本发明通过以下方式来实现：

整个环形光纤激光陀螺亦包括激光器和信号处理系统两部分，其中信号处理系统仍然由光电检测器和电信号处理电路构成，创新之处在于激光器由半导体激光器和两个叠置在一起的光纤环组成：每个光纤环由光增益介质与单模光纤共同构成并且分别通过波分复用器与光纤耦合器相连从而形成环状，即波分复用器的两个尾端分别与光增益介质和单模光纤的一个端头相连，光增益介质和单模光纤的另一个端头再与光纤耦合器的两个尾端分别相连；单模光纤绕在腔长控制器上，并且其上串接马赫-曾德干涉滤波器；波分复用器的另一个尾端再与半导体激光器的输出尾端相连，光纤耦合器的另一个尾端则通过光纤合束器与信号处理系统中的光电检测器相连。

对以上方案的进一步改进是：单模光纤上串接的马赫-曾德干涉滤波器至少为两个，各滤波器之间的光程差的比值为整数倍。

本发明是在吸取激光陀螺的检测精度高和光纤陀螺的结构简单这两方面优点的基础上、将其有机地结合在一起。它利用半导体激光器、光增益介质与单模光纤共同制成环形的光纤激光器，再与现有激光陀螺中的信号处理系统一起构成环形光纤激光陀螺。其中光增益介质可以是掺稀土光纤、半导体光放大器、激光晶体等。具体结构为：将波分复用器的两个尾端分别与光增益介质和单模光纤的一个端头相连——当采用掺稀土光纤时，使用现有的光纤熔接技术直接将掺稀土光纤和单模光纤的端头与波分复用器的尾端熔连；当采用半导体光放大器或激光晶体时，则通过现有的透镜成象技术将其与波分复用器的尾端相连。光增益介质和单模光纤的另一端头则同样分别与光纤耦合器的两个尾端熔连。再用现有的光纤切割刀从单模光纤中间的任意部位(只要便于操作即可)切断，两断头分别与马赫-曾德干涉滤波器的前、后端头熔连，由此形成光纤环。单模光纤的一部分可以通过现有的光纤绕圈技术将其绕在用压电陶瓷制作的腔长控制器上，从而调节光纤环的腔长。光纤环的腔长由光增益介质和单模光纤两者的长度所决定而主要取决于单模光纤的长度，两环的腔长应相同。掺稀土光纤的长度可以在2～4m之间选取，而半导体光放大器的长度可以在100～300μm之间选取，激光晶体的长度则可以在2～4cm之间选取，只要它们的激光放大作用使得环中的激光功率达到所需的检测要求即可；单模光纤的长度可以在200～3000m之间选取，其长度可根据转动传感的检测精度要求、由现有的公式进行计算。由这样两个同样的光纤环叠置后放在同一个支持平面上、用现有的光纤固化技术将两光纤环与支持平面胶固在一起，将半导体激光器的输出尾端与波分复用器的另一个尾端熔连，从而构成环形光纤激光器。为减小陀螺的体积，可将两光纤环同心叠置，亦可合用一个半导体激光器。环形光纤激光器中的两个光纤耦合器的另一个尾端再与光纤合束器的两个输入端熔连，光纤合束器的输出端与信号处理系统中的光电检测器的输入端熔连，这样就构成了环形光纤激光陀螺。

在上述结构中，单模光纤上串接的马赫-曾德干涉滤波器至少为两个串联在一起，可以是两个或三个或四个甚至更多，只要各滤波器之间的光程差的比值为整数倍。例如：设马赫—曾德干涉滤波器为三个，它们的光程差用ΔL₁表示，即三个滤波器的光程差分别为ΔL₁、ΔL₂和ΔL₃三者之间必须满足

ΔL₁∶ΔL₂∶ΔL₃＝l∶m₂∶m₃，其中m₂和m₃为整数同一个光纤环中所串接的多个马赫-曾德干涉滤波器可以不论光程差的大小而任意排列，两个光纤环中所用的马赫-曾德干涉滤波器的光程差可不相同、而它们的比值可相同。

本发明的工作过程如下：由半导体激光器所发出的光束(取波长λ＝980nm或1480nm或800nm均可)通过波分复用器耦合到光增益介质(如掺稀土饵Er³⁺或钕Nd³⁺的光纤)中使其成为激活物质从而形成激光。即：半导体激光器的输出激光束经过波分复用器进入光纤环，对光增益介质进行泵浦，使它们造成粒子数反转，具有激光作用；光束每绕光纤环行走一次，都因受激辐射而放大，最后形成环形激光。每个光纤环中串接多个马赫-曾德干涉滤波器可以起到平移谱线中心波长和压窄激光谱线宽度的双重作用，即：不仅可用各自的马赫-曾德干涉滤波器对两光纤环中的激光波长λ₁和λ₂进行调节、使它们相近而不相同(亦即可以控制一个光纤环的谱线波长为λ₁，而另一个光纤环的谱线波长为λ₂)，而且可以使谱线宽度压窄许多，当串接两个滤波器时至少压窄到原始宽度的二分之一以上、串接三个滤波器时至少压窄到原始宽度的四分之一以上，串接更多时压窄亦更多，效果极为明显，对拍频的检测非常有利。腔长控制器是用于控制各环长度，使每个光纤环的谱线中心波长可以稳定。在每个光纤环中传播的光束都有顺时针和逆时针两个方向，用光纤耦合器将一个光纤环中顺时针传播的激光束的一部分耦合到光纤合束器中，再将另一个光纤环中逆时针传播的激光束的一部分也耦合到同一个光纤合束器中，这样，由于两激光束的频率不同，在光纤合束器的输出端中就产生拍频光信号，经光电检测器转换成电信号后由信号处理系统进行处理，由此即可检测出环形光纤激光器绕垂直于光纤环所在平面的轴线转动的角速度。由现有公式，转动角速度可表示为： $\mathrm{\Ω}=\frac{(\mathrm{\Δv}-{\mathrm{\Δv}}_0)L{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{4\mathrm{S\Δ\λ}}$ $=\frac{{(\mathrm{\Δv}-\mathrm{C\Δ\λ}/{\mathrm{\λ}}^2)L{\mathrm{\λ}}_0}^2}{4\mathrm{S\Δ\λ}}$ 其中，C为真空光速，L为光纤环长度，S是光纤环所包围的面积，λ₀是两光纤环的波长λ₁和λ₂的平均波长，即 ${\mathrm{\λ}}_0=\frac{1}{2}({\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2),$ Δλ是这两个波长的差值，即Δλ＝|λ₁-λ₂ |，Δv为光纤环转动时的拍频频率，Δv₀为光纤环不转动时的初始拍频频率。因此，由现有的激光陀螺信号处理系统根据检测到的拍频频率即可得到转动的角速度。这样，本发明的环型光纤激光陀螺便实现了对转动变量的测量。

本发明的优点在于：(1)由于环形光纤激光器中包含了两个光纤环，各环的激光作用是相互独立的，无任何相互耦合作用，检测时所用的顺、逆时针传播的两束激光取自不同的光纤环，因此在光纤环无转动或转速很慢时，激光器的输出仍然有差频信号，完全克服了激光陀螺中常见的闭锁问题。(2)由于环形光纤激光器全部为光纤器件或以光纤器件为主，结构简单、体积小、重量轻，在实际应用时易于小型化，而且使用方便；同时还便于用三个环形光纤激光器分别放置在三个相互垂直的平面上，以构成检测三维转动传感的激光陀螺。(3)由于在光纤环中采用了光增益介质而构成环形光纤激光器、且每个光纤环中串接多个马赫-曾德干涉滤波器，使得光纤环中顺、逆时针传播的激光束之频率产生明显差别，因而可以很方便地用它们的拍频检测转动角速度，使得转动传感的检测精度大大提高。(4)由于环形光纤激光器中的大部分为单模光纤，腔长可以通过光纤绕圈而任意调节(从数百米到数千米)，它们包围的面积很大，亦使转动传感的检测精度提高。本发明可以应用于空间飞行器或航行器的转动测量。

附图1为本发明的整体结构示意图。为了便于理解，将两个光纤环横向错开绘制，实际产品应为同心叠置或近似同心叠置；图中各部件的标号只在其中一个光纤环上进行标注，另一光纤环上不再重复标注。

附图描述了本发明的一个实施例。从图中可以看出，半导体激光器1通过波分复用器2与掺稀土光纤3相连，然后通过光纤耦合器4与单模光纤5相连，单模光纤5再回头通过波分复用器2与掺稀土光纤3相连，从而形成光纤环；两光纤环中的光纤耦合器4再分别与光纤合束器8相连，然后光纤合束器与信号处理系统中的光电检测器9相连。半导体激光器(型号QLM9S470)为每环各用一个，均取波长λ＝980nm；掺稀土光纤为掺饵Er³⁺光纤(EDF-M)，其长度为3m，单模光纤(G654)的长度为1500m，可将两光纤环分别绕成平均直径为140mm的圈；两光纤环的单模光纤中串接三个马赫-曾德干涉滤波器6，其光程差之比均为4∶2∶1，一个光纤环中的滤波器光程差ΔL₁为120.13μm，另一个光纤环中的滤波器光程差ΔL₁为120.28μm，均置于单模光纤中靠近光纤耦合器之处；光纤耦合器取20∶1到40∶1之间，波分复用器为980nm/1550nm，光纤合束器则取50∶50；腔长控制器7采用压电陶瓷管(PZT-5A)的形式，两光纤环同心叠置的支持平面由厚度为2mm、直径为150mm的铟钢板制成。

Claims (2)

1.一种环形光纤激光陀螺，由激光器及信号处理系统组成，其中信号处理系统仍然由光电检测器和电信号处理电路构成，其特征在于激光器由半导体激光器和两个叠置在一起的光纤环组成：每个光纤环由光增益介质(3)及单模光纤(5)共同构成并且分别通过波分复用器(2)与光纤耦合器(4)相连从而形成环状；单模光纤绕在腔长控制器(7)上，并且其上串接马赫-曾德干涉滤波器(6)；波分复用器的另一个尾端再与半导体激光器(1)的输出尾端相连，光纤耦合器的另一个尾端则通过光纤合束器(8)与信号处理系统中的光电检测器(9)相连。

2.如权利要求1所述的环形光纤激光陀螺，其特征在于单模光纤上串接的马赫-曾德干涉滤波器至少为两个，各滤波器之间的光程差的比值为整数倍。

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