CN115638782A - 一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺 - Google Patents
一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，涉及光纤陀螺领域。解决现有的干涉式光纤陀螺中光纤环热致误差问题。具体包括：光源、耦合器、多功能集成光路、第一单偏振光纤、第二单偏振光纤、第一45°熔接点、第二45°熔接点、第一1/4波片、第二1/4波片和旋转光纤环；光源发送光至耦合器，接收光并分为两束子光束传至多功能集成光路；多功能集成光路处理为两束线偏等光，任一束线偏等光传至第一45°熔接点、第一1/4波片和旋转光纤环，并沿原路返回至耦合器；另一束线偏等光依次传至第二45°熔接点、第二1/4波片和旋转光纤环，并沿原路返回至耦合器。用于航空、航天、航海、武器等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺领域，尤其涉及一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺。
背景技术
干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber optic Gyroscope，简称IFOG)是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，因其具有无转动部件、精度覆盖范围广、动态范围大、可靠性高等优点，被广泛地应用于航空、航天、航海、武器等领域。作为干涉式光纤陀螺的核心部件，光纤环的好坏直接影响陀螺的整体性能并制约着光纤陀螺精度的提高。目前光纤环普遍使用保偏光纤，它能够保持光的偏振态，减小由于光纤弯曲、扭转等因素引起相干偏振误差。干涉式光纤陀螺在实际应用中不可避免地会受到工作环境温度变化所带来的影响，因此热致误差是最为棘手的问题。光纤环热致误差主要分为两部分，其中，一部分是Shupe效应，当光纤环中一段光纤存在时变温度扰动时，除非这段光纤位于线圈中部，否则由于两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，就会因温度扰动而经历不同的相移，它与旋转引起的Sagnac相移无法区分。另一部分是热应力，由于光纤环是多层多匝的环状结构，因此，分子间的热胀冷缩除了会引起折射率的改变，同时也会影响个层匝间光纤的受力情况，这种由温度变化所引起的应力称为热应力，由于热应力引起的双折射也会影响干涉式光纤陀螺的输出。
目前，为了减小干涉式光纤陀螺中光纤环热致误差有一些可行的方案，如采用四极或八极对称绕法提高光纤环对称性，降低温度敏感性；选用与光纤参数相匹配的固化胶以及环圈骨架提高光纤环对时变温度的抗干扰能力；在光纤陀螺外面使用温箱等。但光纤环所采用的保偏光纤自身对温度比较敏感，由于温度变化导致的线性双折射与光纤环的固有线性双折射混在一起无法区分且难以消除，所以上述方案对热致误差的抑制效果有限，严重制约了IFOG的实际使用精度。
发明内容
本发明解决现有的干涉式光纤陀螺中存在光纤环热致误差问题，提高干涉式光纤陀螺的光纤环热致误差抑制能力。
本发明提供了一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，所述干涉式光纤陀螺包括：
光源、耦合器、多功能集成光路、第一单偏振光纤、第二单偏振光纤、第一45°熔接点、第二45°熔接点、第一1/4波片、第二1/4波片和旋转光纤环；
所述光源发送光信号至所述耦合器，所述耦合器接收光信号，并将所述光信号分为两束子光束，传输至多功能集成光路；
所述多功能集成光路接收两束子光束，并将所述两束子光束处理为两束线偏等光，所述任意一束线偏等光通过第一单偏振光纤依次传输至第一45°熔接点、第一1/4波片和旋转光纤环，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器；
所述另一束线偏等光通过第二单偏振光纤依次传输至第二45°熔接点、第二1/4波片和旋转光纤环，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器；
所述耦合器用于将旋转光纤环返回的两束子光束发生干涉生成传感光谱。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述光源为波长为1550nm，谱宽为30nm。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述光源为SLD光源。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述旋转光纤环采用四级对称绕法绕制。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述旋转光纤环长3120m，直径12.5cm。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述第一单偏振光纤的长度为3m。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述第二单偏振光纤的长度为3m。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述第一单偏振光纤和第二单偏振光纤的衰减轴损耗为7dB/m。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述干涉式光纤陀螺还包括：探测器和信号处理电路；
所述探测器一端与耦合器连接，用于接收所述传感光谱，并将光谱中的光信号转化为电信号；
所述探测器另一端与信号处理电路输入端连接，用于输出光纤陀螺的转速；
所述信号处理电路输出端与多功能集成光路连接，用于将调制电压加载到多功能集成光路上完成闭环反馈和偏置调制。
进一步的，还提供一种优选实施方式，所述信号处理电路包括A/D转换器、逻辑电路、D/A转换器和运算放大器。
本发明的有益之处在于：
本发明解决现有的干涉式光纤陀螺中光纤环热致误差问题。
为了减小干涉式光纤陀螺中光纤环热致误差有一些可行的方案，如采用四极或八极对称绕法提高光纤环对称性，降低温度敏感性；选用与光纤参数相匹配的固化胶以及环圈骨架提高光纤环对时变温度的抗干扰能力；在光纤陀螺外面使用温箱等。但光纤环所采用的保偏光纤自身对温度比较敏感，由于温度变化导致的线性双折射与光纤环的固有线性双折射混在一起无法区分且难以消除，所以上述方案对热致误差的抑制效果有限，严重制约了IFOG的实际使用精度。
本发明所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，避免了现有技术中光纤环所采用的保偏光纤自身对温度比较敏感，由于温度变化导致的线性双折射与光纤环的固有线性双折射混在一起无法区分且难以消除的问题。通过使用旋转光纤绕制光纤环，在光纤环内传输圆偏振光来抑制光纤环的热致误差，再通过单偏振光纤消除从旋转光纤环返回光波的次偏振态，保留主偏振态以提升光纤陀螺的热稳定性。
本发明所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺基于光纤陀螺的工作原理和旋转光纤、单偏振光纤的特殊属性，提出了一种基于圆偏振光传输的具有良好热致误差抑制能力的干涉式光纤陀螺，能够有效地减小干涉式光纤陀螺光纤环的热致误差。
本发明应用于航空、航天、航海、武器等领域。
附图说明
图1为实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的光路原理图；
图2为实施方式十一所述的旋转光纤环的双折射相对误差图；
图3为实施方式十一所述的从旋转光纤环返回的光两偏振态随温度的变化图。
其中，1为光源，2为探测器，3为耦合器，4为MIOC，5为第一单偏振光纤，6为第二单偏振光纤，7为第一45°熔接点、8为第二45°熔接点、9为第一1/4波片，10为第二1/4波片，11为旋转光纤环，12为信号处理电路。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点表述得更加清楚，现结合附图对本发明的若干实施方式做进一步详细地描述，但以下所述的各个实施方式仅为本发明的几个较佳实施方式而已，并不用于限制发明。
实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，所述干涉式光纤陀螺包括：
光源1、耦合器3、多功能集成光路(Multifunctional Integrated OpticalCircuit,简称MIOC)4、第一单偏振光纤5、第二单偏振光纤6、第一45°熔接点7、第二45°熔接点8、第一1/4波片9、第二1/4波片10和旋转光纤环11；
所述光源1发送光信号至所述耦合器3，所述耦合器3接收光信号，并将所述光信号分为两束子光束，传输至多功能集成光路4；
所述多功能集成光路4接收两束子光束，并将所述两束子光束处理为两束线偏等光，所述任意一束线偏等光通过第一单偏振光纤5依次传输至第一45°熔接点7、第一1/4波片9和旋转光纤环11，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器3；
所述另一束线偏等光通过第二单偏振光纤6依次传输至第二45°熔接点8、第二1/4波片10和旋转光纤环11，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器3；
所述耦合器3用于将旋转光纤环11返回的两束子光束发生干涉生成传感光谱。
本发明所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺通过使用旋转光纤绕制光纤环，在光纤环内传输圆偏振光来抑制光纤环的热致误差，再通过单偏振光纤消除从旋转光纤环返回光波的次偏振态，保留主偏振态以提升光纤陀螺的热稳定性。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述光源1为波长为1550nm，谱宽为30nm。
在实际应用中，光源1也可以选取其他范围的光源，光纤陀螺使用的光源主要是SLD光源和ASE光源。SLD光源采用宽光谱、高可靠、低相干性的SLD做为核心器件，具有输出功率大、稳定性高的优点，工作波长有850nm、1310nm、1550nm可选。ASE光源基于泵浦光源在掺铒光纤里的产生自激辐射光的特点，具有高光功率，高稳定性，低光谱纹波等特点，工作波长一般为1550nm。谱宽30nm，较高的谱宽能够减小背向散射、相干背向散射和非线性光学克尔效应等引起的寄生干涉。
实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述光源1为SLD光源。
实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述旋转光纤环11采用四级对称绕法绕制。
具体的，旋转光纤环11所采用的旋转光纤是一种特殊的保偏光纤，通过光纤的轴线旋转引入圆双折射，和光纤本身的高线性双折射共同形成椭圆双折射，在旋转周期足够小的情况下，具备很好的圆偏振保持能力。
温度场对旋转光纤环11的影响本质上是对光纤纤芯折射率和双折射的改变。光纤折射率依赖于介质组成、温度、光波波长、模场直径、拉丝张力和衰减等因素，所以当旋转光纤环11所处的环境温度发生变化时，一方面温度会导致光纤纤芯的折射率会发生变化，另一方面分子间的热胀冷缩导致的光纤受力情况变化也会引起折射率的改变。Shupe效应和热应力会在光纤环产生线性双折射，使光波在光纤环中传输时产生一个非互易相位差，进而会影响IFOG的输出。旋转光纤环11采用四级对称绕法绕制，能减小温度Shupe误差，而且使用旋转光纤作为光波的传输介质，所引入的高圆双折射能极大地抑制由于温度变化导致的线性双折射，进一步抑制了光纤环的热致误差。
实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述旋转光纤环11长3120m，直径12.5cm。
在实际应用中，所述旋转光纤环11的长度范围没有具体的限制，一般光纤环长度越长陀螺精度越高，但相应地光纤环的成本也就越高，这里选择的光纤环长3120m，直径12.5cm是考虑陀螺精度和成本大致设置的一个数值。
实施方式六、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述第一单偏振光纤5的长度为3m。
在实际应用中，所述第一单偏振光纤5的长度也可以选择其他数值，但长度如果过长会带来更多的损耗，长度如果过短则次偏振态衰减效果不够好，3m左右是一个较为合适的范围。如果选择其他数值，对应的陀螺输出会有相应的变化，但影响程度较小。
实施方式七、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述第二单偏振光纤6的长度为3m。
在实际应用中，所述第二单偏振光纤6的长度也可以选择其他数值，但长度如果过长，会带来更多的损耗，长度如果过短，次偏振态衰减效果不够好，3m左右是一个较为合适的范围。如果选择其他数值，对应的陀螺输出会有相应的变化，但影响程度较小。所述第一单偏振光纤5和和第二单偏振光纤6这两段光纤长度必须相同，是为了保证光纤陀螺结构的互易性，否则会引入额外的非互易性相位误差。
实施方式八、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述第一单偏振光纤5和第二单偏振光纤6的衰减轴损耗为7dB/m。
实施方式九、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述干涉式光纤陀螺还包括：探测器2和信号处理电路12；
所述探测器2一端与耦合器3连接，用于接收所述传感光谱，并将光谱中的光信号转化为电信号；
所述探测器2另一端与信号处理电路12输入端连接，用于输出光纤陀螺的转速；
所述信号处理电路12输出端与多功能集成光路4连接，用于将调制电压加载到多功能集成光路4上完成闭环反馈和偏置调制。
实施方式十、本实施方式是对实施方式九所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺的进一步限定，所述信号处理电路12包括A/D转换器、逻辑电路、D/A转换器和运算放大器。
实施方式十一、本实施方式是为实施方式一所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺提供一个具体实施方式，也用于解释实施方式二至实施方式十，具体的：
光源1，用于向耦合器3发送光信号；
探测器2，用于接收干涉后的光信号，将光信号转化为电信号；
耦合器3，用于将光源1发出的光信号分为两束子光束，还用于将旋转光纤环11返回的包含相位差的两束子光束发生干涉生成传感光谱；
多功能集成光路4，集成了起偏器、分束器和相位调制器的功能；用于将光起偏为线偏振光、将光分为两束子光束、偏置调制和闭环的反馈控制等；
第一单偏振光纤5和第二单偏振光纤6，用于消除从旋转光纤环11返回光波由于温度变化导致的次偏振态，保留主偏振态；
第一45°熔接点7，用于使第一1/4波片9快轴方向与线偏振光的光矢量方向成45°夹角；
第二45°熔接点8，用于使第二1/4波片10快轴方向与线偏振光的光矢量方向成45°夹角；
第一1/4波片9，用于产生π/2奇数倍的相位延迟，与前面连接的第一45°熔接点7配合将线偏振光转化为左旋圆偏振光，再将从旋转光纤环11返回的左旋圆偏振光转化为线偏振光；
第二1/4波片10，用于产生π/2奇数倍的相位延迟，与前面连接的第二45°熔接点8配合将线偏振光转化为左旋圆偏振光，再将从旋转光纤环11返回的左旋圆偏振光转化为线偏振光；
旋转光纤环11，用于传输顺逆时针方向的两束圆偏振光；
信号处理电路12，包括A/D转换器、逻辑电路、D/A转换器、运算放大器等，用于对电信号的处理，输出陀螺转速。
具体的，光源1发出的光经过耦合器3和多功能集成光路4后被分为光强相等的两路线偏振光，在分别经过第一45°熔接点7、第一1/4波片9和第二45°熔接点8、第二1/4波片10后被转换为左旋圆偏振光，分别沿顺时针方向和逆时针方向分别进入旋转光纤环11，顺、逆时针的光波在旋转光纤环11传输完成后返回，再次分别经过第二1/4波片10、第二45°熔接点8和第一1/4波片9、第一45°熔接点7后被重新转化为线偏振光，再分别经过第二单偏振光纤6和第一单偏振光纤5消除返回光波由于温度变化导致的次偏振态，保留主偏振态，然后到达多功能集成光路4的合光点处发生干涉，最后在探测器2进行光电信号的转换，经信号处理电路12对电信号进行处理，输出陀螺转速，信号处理电路12同时产生相应的调制电压加载到多功能集成光路4上实现闭环反馈以及偏置调制。
旋转光纤环11存在固有线性双折射和轴线旋转引入的圆双折射时，当旋转光纤环11所处的环境温度发生变化时，还会存在由于温度变化导致的线性双折射，可以建立旋转光纤环11的传输矩阵为：
tanχ＝2α/(δ+γ) (5)
其中，Lin代表入射光波通过旋转光纤环11的传输矩阵,A代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，B代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，A*代表元素A的共轭复数，θ代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，χ代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，δ代表旋转光纤环11的固有线性双折射，α代表旋转光纤环11的圆双折射，γ代表旋转光纤环11温度变化导致的线性双折射。
tanξ＝2α/(δ-γ) (10)
其中，Lout代表返回光波通过旋转光纤环11的传输矩阵，C代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，D代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，C*代表元素C的共轭复数，β代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，ξ代表与线性双折射和圆双折射相关的一个参数，δ代表旋转光纤环11的固有线性双折射，α代表旋转光纤环11的圆双折射，γ代表旋转光纤环11温度变化导致的线性双折射。
IFOG旋转光纤环11的双折射相对误差如图2所示，可以看出，在圆双折射一定的情况下，随着线性双折射的增大，双折射相对误差随之增大。同时，随着圆双折射的不断增大，这种变化趋势趋于缓和，双折射相对误差也趋近于0。在旋转光纤环11中，圆双折射远大于固有线性双折射，且固有线性双折射远大于温度变化导致的线性双折射。因此所引入的高圆双折射能极大地抑制由于温度变化导致的线性双折射，达到抑制光纤陀螺热致误差的目的。
本实施方式中的第一单偏振光纤5和第二单偏振光纤6用于消除从旋转光纤环11返回光波由于温度变化导致的次偏振态，保留主偏振态，进一步抑制温度变化导致的线性双折射对陀螺输出的影响。
多功能集成光路4尾纤的琼斯矩阵：
其中，l1和l2代表多功能集成光路4尾纤的长度，
其中Δn为保偏光纤的双折射率差，λ代表光波的波长。
第一1/4波片9和第二1/4波片10的琼斯矩阵：
其中，i为虚数单位。
第一单偏振光纤5和第二单偏振光纤6的琼斯矩阵为：
其中，αx为单偏振光纤主轴的衰减系数，αy为单偏振光纤衰减轴的衰减系数。
考虑到旋转光纤环11圆双折射以及传播方向，旋转光纤环11琼斯矩阵：
式中，α为旋转光纤环11的圆双折射，LSF为旋转光纤环11的长度。
多功能集成光路4的琼斯矩阵：
其中，ε为多功能集成光路4的振幅抑制比(ε2称为强度抑制比，通常称为消光比)。
由于环形结构导致的反向矩阵：
则旋转光纤环11返回的两本征偏振态：
Tc＝JctJSPF2Jp2JQWP2JbackJSFJQWP1Jp1JSPF1 (20)
旋转光纤环11返回的两本征偏振态SESOP和PESOP随温度变化的过程如图3所示，可以看出，当外界温度发生变化时，两个光纤偏振模的传输相位差αLSF发生变化。图3中两偏振态在温度变化条件下仍能保持较好的接近线偏振态的椭圆偏振态，且二者接近正交状态，表明本征偏振态间的相互串扰较小，第一单偏振光纤5和第二单偏振光纤6确实能够进一步抑制温度变化导致的线性双折射对陀螺输出的影响。
以上通过具体实施方式对本申请进行详细说明，但以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则范围之内所作的任何修改、实施方式的组合、等同替换和改进等，均应当包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述干涉式光纤陀螺包括：
光源(1)、耦合器(3)、多功能集成光路(4)、第一单偏振光纤(5)、第二单偏振光纤(6)、第一45°熔接点(7)、第二45°熔接点(8)、第一1/4波片(9)、第二1/4波片(10)和旋转光纤环(11)；
所述光源(1)发送光信号至所述耦合器(3)，所述耦合器(3)接收光信号，并将所述光信号分为两束子光束，传输至多功能集成光路(4)；
所述多功能集成光路(4)接收两束子光束，并将所述两束子光束处理为两束线偏等光，所述任意一束线偏等光通过第一单偏振光纤(5)依次传输至第一45°熔接点(7)、第一1/4波片(9)和旋转光纤环(11)，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器(3)；
所述另一束线偏等光通过第二单偏振光纤(6)依次传输至第二45°熔接点(8)、第二1/4波片(10)和旋转光纤环(11)，所述线偏等光传输后沿原路返回至耦合器(3)；
所述耦合器(3)用于将旋转光纤环(11)返回的两束子光束发生干涉生成传感光谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述光源(1)为波长为1550nm，谱宽为30nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述光源(1)为SLD光源。
4.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述旋转光纤环(11)采用四级对称绕法绕制。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述旋转光纤环(11)长3120m，直径12.5cm。
6.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述第一单偏振光纤(5)的长度为3m。
7.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述第二单偏振光纤(6)的长度为3m。
8.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述第一单偏振光纤(5)和第二单偏振光纤(6)的衰减轴损耗为7dB/m。
9.根据权利要求1所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述干涉式光纤陀螺还包括：探测器(2)和信号处理电路(12)；
所述探测器(2)一端与耦合器(3)连接，用于接收所述传感光谱，并将光谱中的光信号转化为电信号；
所述探测器(2)另一端与信号处理电路(12)输入端连接，用于输出光纤陀螺的转速；
所述信号处理电路(12)输出端与多功能集成光路(4)连接，用于将调制电压加载到多功能集成光路(4)上完成闭环反馈和偏置调制。
10.根据权利要求9所述的一种基于圆偏振光传输抑制光纤环热致误差的干涉式光纤陀螺，其特征在于，所述信号处理电路(12)包括A/D转换器、逻辑电路、D/A转换器和运算放大器。
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|---|---|
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