CN115560741A - 一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺，旨在解决现有光纤陀螺受到温度等环境因素影响而产生性能劣化的问题。本发明包括：宽谱光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、保偏光纤环、偏振模式复用模块、第一光电探测器、第二光电探测器和数字闭环检测模块；偏振模式复用模块包括3D多功能集成光学调制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器；3D多功能集成光学调制器上下表面集成了两个互为镜像的Y波导调制器；数字闭环检测模块，用于接收第一光电探测器和第二光电探测器的探测电信号，并进行检测和处理后输出。本发明能有效消除由温度、振动和磁等环境因素波动带来的相位误差，同时能提高光纤陀螺敏感系数。

Description

一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺(FOG：Fiber Optic Gyroscope)基于Sagnac效应实现旋转运动传感，由光纤和光波器件组成，无运动部件，重量轻、可靠性高。在国防、航空航天、天体运动观测、无人载体等领域具有广泛应用价值，是目前惯性技术领域的主流陀螺仪表。

干涉型光纤陀螺仪在零漂和噪声等指标都已达到很高的水平，目前使用高功率宽谱光源可以有效抑制相干后向散射、散粒噪声和热噪声等噪声项，而剩余的光源相对强度噪声(RIN：Relative Intensity Noise)也可采用RIN噪声相消电路或光路、过调制、维纳滤波器等技术降至极低水平。在稳定无干扰的环境中，光纤陀螺零漂可达到小于10^-5°/h的水平，标度因数稳定性也能达到1ppm。然而陀螺的性能除了与本身的结构有关之外，与周围环境的关系也十分密切，温度、辐射、磁场等环境因素都会对陀螺性能产生不利影响，最终在检测相位中引入相位误差，导致零偏漂移。

在一般情况下，光纤陀螺都会面临温度带来的影响，温度会随时间发生变化，由于时变温度影响光纤敏感环，会造成非互易相位误差，传统的抑制方法如对称绕环、隔热结构、模型补偿等会有一定的效果，但残余的温度漂移误差依然是限制光纤陀螺性能的主要因素。在一些如航空航天应用的情况下，光纤陀螺还会面临空间辐射、振动、磁等恶劣环境，光纤敏感环会受到严重影响，陀螺性能也会严重劣化。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有光纤陀螺受到温度等环境因素影响而产生性能劣化的问题，本发明提出了一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺，所述差分光纤陀螺包括宽谱光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、保偏光纤环；所述差分光纤陀螺还包括：偏振模式复用模块、第一光电探测器、第二光电探测器和数字闭环检测模块；

所述偏振模式复用模块包括3D多功能集成光学调制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器；所述3D多功能集成光学调制器的上下表面分别集成了第一Y波导调制器和第二Y波导调制器；

所述第一Y波导调制器、第一偏振分束器的快轴、第二偏振分束器的快轴和保偏光纤环的快轴构成第一光纤敏感环路；所述第二Y波导调制器、第一偏振分束器的慢轴、第二偏振分束器的慢轴和保偏光纤环的慢轴构成第二光纤敏感环路；

宽谱光源经所述第一耦合器分出的第一束光、所述第二耦合器、所述第一光纤敏感环路和所述第一光电探测器构成第一光纤陀螺；宽谱光源经所述第一耦合器分出的第二束光、所述第三耦合器、所述第二光纤敏感环路和所述第二光电探测器构成第二光纤陀螺；所述第一光纤陀螺、所述第二光纤陀螺构成差分光纤陀螺；

所述数字闭环检测模块，用于接收第一光电探测器和第二光电探测器的探测电信号，对探测电信号进行检测和处理后输出，同时向所述偏振模式复用模块施加两路方波调制信号和反馈阶梯波调制信号。

在一些优选的实施方式中，所述第一光纤陀螺与所述第二光纤陀螺互为镜像、相互独立、角速度敏感面矢量方向相反；

所述第一光纤陀螺的角速度敏感环路、与所述第二光纤陀螺的角速度敏感环路对同一输入角速度的输出信号大小相同、符号相反，但由设定环境条件引入的共模位相误差大小和符号不变；所述设定环境条件包括温度。

在一些优选的实施方式中，所述3D多功能集成光学调制器的上下表面集成的第一Y波导调制器和第二Y波导调制器，为镜像翻转的空间位置关系。

在一些优选的实施方式中，所述偏振模式复用模块中两个偏振分束器的快轴与3D多功能集成光学调制器的第一Y波导调制器通光轴耦合，两个偏振分束器的慢轴与3D多功能集成光学调制器的第二Y波导调制器通光轴耦合。

在一些优选的实施方式中，所述数字闭环检测模块由前置开关电路、第一模数转换器、第二模数转换器、数字逻辑电路、第一数模转换器、第二数模转换器构成；

所述第一光电探测器的探测电信号和所述第二光电探测器的探测电信号经过所述前置开关电路消除尖峰脉冲后分别由所述第一模数转换器和所述第二模数转换器进行同步采集，经由所述数字逻辑电路处理后输出解调结果以及生成两路数字调制信号，两路数字调制信号分别由所述第一数模转换器和所述第二数模转换器转换后输出到3D多功能集成光学调制器的所述第一Y波导调制器和所述第二Y波导调制器。

一些优选的实施方式中，两路数字调制信号均为方波加反馈阶梯波叠加的调制信号；其中方波调制信号方向相同，反馈阶梯波调制信号方向相反。

一些优选的实施方式中，所述第一光纤陀螺检测的总位相表示为：

所述第二光纤陀螺检测的总位相表示为：

所述差分光纤陀螺的输出为所述第一光纤陀螺和所述第二光纤陀螺输出总位相之差：

其中，

为光纤敏感环路产生的Sagnac相移，

为第一光纤敏感环路和第二光纤敏感环路中由温度、振动和磁引起的共模相位误差。

本发明的有益效果：

本发明能有效消除由温度、振动和磁等环境因素波动带来的相位误差，同时能提高光纤陀螺敏感系数。

本发明利用偏振模式复用模块，实现了保偏光纤环中两个偏振模式的复用，基于共模抑制的基本原理，构造了共光纤环的、角速度敏感面矢量方向相反的两个独立光纤陀螺，两个光纤陀螺在同一输入角速度下输出信号大小相同、符号相反。由于光纤环路受到的环境因素影响相同，两个光纤陀螺由环境温度等引入的共模位相误差大小和符号不变，将两个独立光纤陀螺检测位相进行差分运算后将能有效消除由温度、振动和磁等环境因素波动带来的相位误差，同时能提高光纤陀螺敏感系数。

附图说明

通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明一种实施例的基于偏振模复用的差分光纤陀螺的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的基于偏振模复用的差分光纤陀螺的偏振模式复用模块的结构示意图；

图3是本发明一种实施例的基于偏振模复用的差分光纤陀螺的光纤敏感环路面矢量示意图；

图4是本发明一种实施例的基于偏振模复用的差分光纤陀螺的数字闭环检测模块的结构示意图；

图5是本发明一种实施例的第一光纤陀螺和第二光纤陀螺输出零偏曲线以及差分光纤陀螺输出零偏曲线的示意图；

附图标记说明：1为宽谱光源，2为第一耦合器，3为第二耦合器，4为第三耦合器，5为偏振模式复用模块，6为保偏光纤环，7为第一光电探测器，8为第二光电探测器，9为数字闭环检测模块，10为3D多功能集成光学调制器，11为第一Y波导调制器，12为第二Y波导调制器，13为第一偏振分束器，14为第二偏振分束器，15为第一Y波导的第一端口，16为第一Y波导的第二端口，17为第二Y波导的第一端口，18为第二Y波导的第二端口，19为第一调制信号，20为第二调制信号，21为第一面矢量，22为第二面矢量，23为前置开关电路，24为第一模数转换器，25为第二模数转换器，26为数字逻辑电路，27为第一数模转换器，28为第二数模转换器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明第一实施例的一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺，如图1所示，所述差分光纤陀螺包括宽谱光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、保偏光纤环；所述差分光纤陀螺还包括：偏振模式复用模块、第一光电探测器、第二光电探测器和数字闭环检测模块；

所述偏振模式复用模块包括3D多功能集成光学调制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器；所述3D多功能集成光学调制器的上下表面分别集成了第一Y波导调制器和第二Y波导调制器；

所述第一Y波导调制器、第一偏振分束器的快轴、第二偏振分束器的快轴和保偏光纤环的快轴构成第一光纤敏感环路；所述第二Y波导调制器、第一偏振分束器的慢轴、第二偏振分束器的慢轴和保偏光纤环的慢轴构成第二光纤敏感环路；

宽谱光源经所述第一耦合器分出的第一束光、所述第二耦合器、所述第一光纤敏感环路和所述第一光电探测器构成第一光纤陀螺；宽谱光源经所述第一耦合器分出的第二束光、所述第三耦合器、所述第二光纤敏感环路和所述第二光电探测器构成第二光纤陀螺；所述第一光纤陀螺、所述第二光纤陀螺构成差分光纤陀螺；

所述数字闭环检测模块，用于接收第一光电探测器和第二光电探测器的探测电信号，对探测电信号进行检测和处理后输出，同时向所述偏振模式复用模块施加两路方波调制信号和反馈阶梯波调制信号。

为了更清晰地对本发明一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺进行说明，下面结合附图，对本发明装置一种实施例中各模块进行展开详述。

本发明的一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺实施例结构示意图，如图1所示，包括宽谱光源1、第一耦合器2、第二耦合器3、第三耦合器4、偏振模式复用模块5、保偏光纤环6、第一光电探测器7、第二光电探测器8和数字闭环检测模块9；偏振模式复用模块结构示意图，如图2所示，包括3D多功能集成光学调制器10、第一偏振分束器13、第二偏振分束器14；3D多功能集成光学调制器10的上下表面分别集成了第一Y波导调制器11和第二Y波导调制器12。两个偏振分束器的快轴与第一Y波导调制器11的通光轴耦合，两个偏振分束器的慢轴与第二Y波导调制器12的通光轴耦合，可在同一光纤敏感环路中两种偏振模式光同时独立工作，由此可实现偏振模式复用。

宽谱光源1发出的光经第一耦合器2分光后分别输入到第二耦合器3和第三耦合器4，光由第二耦合器3和第三耦合器4输出后入射到由偏振模式复用模块5和保偏光纤环6构成的光纤敏感环路中，在光纤敏感环路两个偏振主轴中形成两路干涉光信号，两路干涉光信号返回后再次经过第二耦合器3和第三耦合器4分别入射到第一光电探测器7和第二光电探测器8，形成共用一个保偏光纤环的两个独立的光纤陀螺光路。

其中，3D多功能集成光学调制器10的第一Y波导调制器11、第一偏振分束器13的快轴、第二偏振分束器14的快轴和保偏光纤环6的快轴构成第一光纤敏感环路；3D多功能集成光学调制器10的第二Y波导调制器12、第一偏振分束器13的慢轴、第二偏振分束器14的慢轴和保偏光纤环6的慢轴构成第二光纤敏感环路；所述3D多功能集成光学调制器10的第一Y波导调制器11和第二Y波导调制器12是互为镜像翻转的空间位置关系，由此构成的两个光纤敏感环路也是互为镜像翻转的空间位置关系，它们共用同一个保偏光纤环。

图3示出了本发明一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺的光纤敏感环路面矢量示意图，面矢量是垂直于光纤敏感环路所在平面的矢量，其方向为右手定则所指方向，表示光纤敏感环路敏感的角速度方向。第一Y波导11的第一端口15到第二端口16的右手定则所指方向为第一光纤敏感环路的第一面矢量21方向，第二Y波导12的第二端口18到第一端口17的右手定则所指方向为第二光纤敏感环路的第二面矢量22方向。第一光纤敏感环路和第二光纤敏感环路是互为镜像翻转的空间位置关系，因此第一面矢量21和第二面矢量22的方向是平行且相反的，当经历同一输入角速度时，两个光纤敏感环路所产生的位相大小相等，但符号相反。

宽谱光源1经第一耦合器2分出的第一束光、第二耦合器3、第一光纤敏感环路和第一光电探测器7构成第一光纤陀螺，宽谱光源1经第一耦合器2分出的第二束光、第三耦合器4、第二光纤敏感环路和第二光电探测器8构成第二光纤陀螺；形成的差分光纤陀螺由互为镜像的第一光纤陀螺和第二光纤陀螺组成。

图4示出了本发明的一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺的数字闭环检测模块结构示意图，数字闭环检测模块由前置开关电路23、第一模数转换器24、第二模数转换器25、数字逻辑电路26、第一数模转换器27、第二数模转换器28构成，第一光电探测器7的探测电信号和第二光电探测器8的探测电信号经过前置开关电路23消除尖峰脉冲后分别由第一模数转换器24和第二模数转换器25进行同步采集，经由数字逻辑电路26处理后输出解调结果以及生成两路数字调制信号，两路数字调制信号分别由第一数模转换器27和第二数模转换器28转换后输出到3D多功能集成光学调制器10的第一Y波导调制器11和第二Y波导调制器12，第一调制信号19和第二调制信号20的方波调制信号方向相同，反馈阶梯波调制信号方向相反(即两路数字调制信号均为方波加反馈阶梯波叠加的调制信号；其中方波调制信号方向相同，反馈阶梯波调制信号方向相反)。

差分光纤陀螺由互为镜像的第一光纤陀螺和第二光纤陀螺组成，这两个陀螺相互独立、光纤敏感环路的面矢量方向相反，因此敏感的角速度方向相反，同一角速度产生的位相大小相同、符号相反，但由设定环境条件(包括温度，还包括振动和磁等)引起的共模位相误差大小和符号不变。

第一光纤陀螺检测的总位相表示为：

第二光纤陀螺检测的总位相表示为：

所述差分光纤陀螺的输出为所述第一光纤陀螺和所述第二光纤陀螺输出总位相之差：

其中，

为光纤敏感环路产生的Sagnac相移，

为第一光纤敏感环路和第二光纤敏感环路中由温度、振动和磁引起的共模相位误差，通过差分运算，消除了光纤敏感环路共模误差，陀螺灵敏度增加了一倍。

另外，为验证本发明技术方案的有效性，通过实验进行本发明技术方案的验证，验证过程如下：

将基于偏振模复用的差分光纤陀螺样机放置于水平测试台上，其基准轴平行于地垂线，将加热片贴在保偏光纤环上，然后向加热片通电流施加温度激励，测试和记录两独立光纤陀螺和差分光纤陀螺的输出，得到如图5所示的第一光纤陀螺、第二光纤陀螺以及差分光纤陀螺输出零偏曲线，曲线中的零偏漂移由温度激励引起。可以看出，除漂移数据段外两独立光纤陀螺的输出零偏的平均值关于零位线对称，大小都等于地球自转角速度垂直于水平的分量数值，但是符号相反，而由温度激励引起的零偏漂移大小和符号则完全相同。第一光纤陀螺和第二光纤陀螺共用同一个光源和光纤环，在同步闭环检测下测试的标度因数相同，都为543081(°/s)^-1。在进行差分运算后，差分光纤陀螺的标度因数变为1086162(°/s)^-1，光纤陀螺的角速度敏感系数提高一倍，地球自转角速度信息被保留，由温度激励引起的～2°/h的漂移峰被有效消除，同时可看到第一光纤陀螺和第二光纤陀螺零偏曲线中的微小波动也被消除。实验表明，基于偏振模复用的差分光纤陀螺既能提高陀螺敏感系数，也能消除环境等因素引起的共模误差，明显提高了环境适应性。

需要说明的是，上述实施例提供的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于偏振模复用的差分光纤陀螺，所述差分光纤陀螺包括宽谱光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、保偏光纤环；其特征在于，所述差分光纤陀螺还包括：偏振模式复用模块、第一光电探测器、第二光电探测器和数字闭环检测模块；

所述偏振模式复用模块包括3D多功能集成光学调制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器；所述3D多功能集成光学调制器的上下表面分别集成了第一Y波导调制器和第二Y波导调制器；

所述第一Y波导调制器、第一偏振分束器的快轴、第二偏振分束器的快轴和保偏光纤环的快轴构成第一光纤敏感环路；所述第二Y波导调制器、第一偏振分束器的慢轴、第二偏振分束器的慢轴和保偏光纤环的慢轴构成第二光纤敏感环路；

宽谱光源经所述第一耦合器分出的第一束光、所述第二耦合器、所述第一光纤敏感环路和所述第一光电探测器构成第一光纤陀螺；宽谱光源经所述第一耦合器分出的第二束光、所述第三耦合器、所述第二光纤敏感环路和所述第二光电探测器构成第二光纤陀螺；所述第一光纤陀螺、所述第二光纤陀螺构成差分光纤陀螺；

所述数字闭环检测模块，用于接收第一光电探测器和第二光电探测器的探测电信号，对探测电信号进行检测和处理后输出，同时向所述偏振模式复用模块施加两路方波调制信号和反馈阶梯波调制信号。

2.根据权利要求1所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，所述第一光纤陀螺与所述第二光纤陀螺互为镜像、相互独立、角速度敏感面矢量方向相反；

所述第一光纤陀螺的角速度敏感环路、与所述第二光纤陀螺的角速度敏感环路对同一输入角速度的输出信号大小相同、符号相反，但由设定环境条件引入的共模位相误差大小和符号不变；所述设定环境条件包括温度。

3.根据权利要求1所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，所述3D多功能集成光学调制器的上下表面集成的第一Y波导调制器和第二Y波导调制器，为镜像翻转的空间位置关系。

4.根据权利要求3所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，所述偏振模式复用模块中两个偏振分束器的快轴与3D多功能集成光学调制器的第一Y波导调制器通光轴耦合，两个偏振分束器的慢轴与3D多功能集成光学调制器的第二Y波导调制器通光轴耦合。

5.根据权利要求4所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，所述数字闭环检测模块由前置开关电路、第一模数转换器、第二模数转换器、数字逻辑电路、第一数模转换器、第二数模转换器构成；

所述第一光电探测器的探测电信号和所述第二光电探测器的探测电信号经过所述前置开关电路消除尖峰脉冲后分别由所述第一模数转换器和所述第二模数转换器进行同步采集，经由所述数字逻辑电路处理后输出解调结果以及生成两路数字调制信号，两路数字调制信号分别由所述第一数模转换器和所述第二数模转换器转换后输出到3D多功能集成光学调制器的所述第一Y波导调制器和所述第二Y波导调制器。

6.根据权利要求5所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，两路数字调制信号均为方波加反馈阶梯波叠加的调制信号；其中方波调制信号方向相同，反馈阶梯波调制信号方向相反。

7.根据权利要求5所述的基于偏振模复用的差分光纤陀螺，其特征在于，所述第一光纤陀螺检测的总位相表示为：

所述第二光纤陀螺检测的总位相表示为：

所述差分光纤陀螺的输出为所述第一光纤陀螺和所述第二光纤陀螺输出总位相之差：

其中，

为光纤敏感环路产生的Sagnac相移，

为第一光纤敏感环路和第二光纤敏感环路中由温度、振动和磁引起的共模相位误差。

Images