CN116337032A - 一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺，其包括光源模块、起偏器、光纤耦合器、第一、二环行器、第一、二光电探测器、第一、二MIOC以及PMF环；光源模块发出的光经起偏器后变成线偏振光后经光纤耦合器后分成两路，一路经第一环行器进入第一MIOC再次分成两路，分别经PMF环的①、③端口进入光纤环，在①端口处第一MIOC与保偏光纤在快轴方向成0°对接，在③端口处旋转90°对接；从第一MIOC出来的光经第一环行器进入第一光电探测器进行采集；另一路光路与上述类似；信号处理单元对从两电探测器采集的光经信号进行处理得到角速度信号。本发明使用两根保偏光纤绕制得到光纤环，实现磁光法拉第效应的相互抑制。
Description
技术领域
本发明属于角加速度测量领域，特别是涉及一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺。
背景技术
光纤陀螺是一种基于光纤Sagnac干涉仪制作的高灵敏度角速度传感器，具有无机械部件、动态范围宽、环境适应性强以及可规模化生产等众多优点，目前已广泛应用于航空航天、武器导航以及地震监测等众多领域。
光纤陀螺基于光纤Sagnac干涉仪进行角速度传感，为了实现高灵敏度往往使用特别长的光纤绕成环来增强Sagnac效应。磁场变化会对光纤内传输光产生磁光法拉第效应，从而导致光纤内光的偏振平面发生偏转，这在光纤传感时会引入额外的噪声，目前传统光纤陀螺结构一般为四级对称绕制，能够很好的抑制Shupe效应引起的温度漂移，但是这种结构无法有效抑制磁场变化引起的噪声，从而导致光纤陀螺灵敏度降低，这在强磁性环境下工作的光纤陀螺影响尤为明显，因此具有磁场抑制功能的光纤陀螺具有十分重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺。
磁光法拉第效应是指当一束线偏振光沿磁化方向或者外加的磁场方向通过光纤时偏振面发生旋转的现象。旋转角度0可表示为：
θF＝V·∫LBdz， 公式(1)
其中，V为介质的沃尔德常数，B为磁场强度，L为磁场中光纤长度。根据公式可知法拉第旋转与沿光传播方向的磁场分量成正比，且是整个光纤传播方向旋转角度的累积。此外，法拉第旋转的方向还与光的传播方向相关，呈现的规律是如果光沿相反方向各通过光纤一次，则总的法拉第旋转之和为零。
根据上述原理，本发明中使用两根保偏光纤按照设定方式绕制得到一四端口的保偏光纤环，通过光纤的旋转熔接实现磁光法拉第效应的相互抑制，从而制作出具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺。本发明的实施将为对磁场不敏感的新型光纤陀螺的研制提供理论依据和技术支撑，推动其在太空以及强磁场干扰环境等领域的应用。
本发明的技术方案为：
一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺，其特征在于，包括光源模块1、起偏器2、光纤耦合器3、第一环形器4和第二环形器8、第一光电探测器5和第二光电探测器9、第一多功能集成光波导调制器6和第二多功能集成光波导调制器10、保偏双光纤环7；
所述保偏双光纤环7包括两根保偏光纤，每根保偏光纤的左半段与右半段的快轴方向垂直，利用第一根保偏光纤采用四极对称法绕制所述保偏双光纤环7的奇数层前N圈和偶数层后N圈，利用第二根保偏光纤采用四极对称法绕制所述保偏双光纤环7的偶数层前N圈和奇数层后N圈，且第一根保偏光纤的绕制方向与第二根保偏光纤的绕制方向相反；将第一根保偏光纤的两端口记为端口①、端口③，第二根保偏光纤的两端口记为端口②、端口④；
所述光源模块1的输出端经所述起偏器2与所述光纤耦合器3连接；
所述光纤耦合器3用于对经所述起偏器2起偏后输入的线偏振光分成两路输出；第一路经所述第一环形器4输入所述第一多功能集成光波导调制器6的合束端，所述第一多功能集成光波导调制器6的第一分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环7的端口①的快轴方向成0°对接，所述第一多功能集成光波导调制器6的第二分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环7的端口③的快轴方向成90°对接；第二路经所述第二环形器8输入所述第二多功能集成光波导调制器10的合束端，所述第二多功能集成光波导调制器10的第一分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环7的端口②的快轴方向成0°对接，所述第二多功能集成光波导调制器10的第二分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环12的端口④的快轴方向成90°对接；
所述第一光电探测器5与所述第一环形器4连接，用于接收所述第一多功能集成光波导调制器6返回的干涉光信号；
所述第二光电探测器9与所述第二环形器8连接，用于接收所述第二多功能集成光波导调制器10返回的干涉光信号。
进一步的，制作所述保偏双光纤环7的方法为：制作所述保偏双光纤环7的方法为：首先将第一根保偏光纤在中间快轴方向垂直的90°反接点处开始使用左半段沿顺时针绕制第一层，将第二根保偏光纤在中间快轴方向垂直的90°反接点处开始使用左半段沿逆时针绕制第二层，绕至第N圈时两根光纤交换层数继续绕制N圈，完成前两层绕制；然后将第一根保偏光纤的右半段沿逆时针绕制第三层，将第二根保偏光纤的右半段沿顺时针绕制第四层，绕至第N圈时两根光纤交换层数继续绕制N圈，完成第三、四层绕制；重复上述绕制方法得到所述保偏双光纤环7。
进一步的，所述保偏双光纤环7包括64层，N＝40，每层绕制80圈。
进一步的，所述双光纤环陀螺的光路系统均采用保偏光纤。
进一步的，所述第一光电探测器5、第二光电探测器9分别与一信号处理单元连接，所述信号处理单元用于对输入的探测信号进行信号处理得到角速度信号。
本发明的优点如下：
本发明通过两个光纤环的旋转熔接以及共同绕制来抵消外部磁场的影响，具有对磁场变化不敏感、对温度变化不敏感、灵敏度高、动态范围宽等优点。
附图说明
图1为本发明具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺光路图。
图2为用于传感的双光纤环绕制图。
附图标记：1、光源模块，2、起偏器，3、光纤耦合器，4、第一环形器，5、第一光电探测器，6、第一多功能集成光波导调制器(MIOC)，7、保偏双光纤环(PMF)，8、第二环形器，9、第二光电探测器，10、第二多功能集成光波导调制器；11、保偏光纤，12、光纤纤芯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明涉及一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺，其光路图如图1所示。该发明的传感系统包括光源模块1、起偏器2、光纤耦合器3、第一环形器4和第二环形器8、第一光电探测器5和第二光电探测器9、第一多功能集成光波导调制器(MIOC)6和第二多功能集成光波导调制器10以及保偏双光纤环(PMF)7。整个光路系统均采用保偏光纤设计，具体的工作原理如下：光源模块1发出的光经起偏器2后变成线偏振光，然后经光纤耦合器3后分成两路分别进入第一环形器4和第二环形器8。环形器对传输的光具有方向行，此时会进入第一MIOC6和第二MIOC10，而不会进入光电探测器。进入第一MIOC6的光会被调制后再次分成两路，分别经PMF环7的①端口和③端口进入光纤环。在①端口处第一MIOC6的快轴方向与保偏光纤的快轴方向成0°对接，保证偏振态不变；在③端口处保偏光纤旋转90°，使得第一MIOC6的快轴方向与保偏光纤的快轴方向成90°对接。然后光进入保偏光纤环，在光纤环中间部分再进行一次90°对接，绕一圈出来后再次进入第一MIOC6产生干涉。从第一MIOC6出来的光经第一环形器4进入第一光电探测器5，最后进行采集。另一路光路与之前类似，进入第二MIOC10的光也被分成两路，分别经PMF环7的②端口和④端口进入光纤环。在②端口处第二MIOC10的快轴方向与保偏光纤的快轴方向成0°对接，在④端口处保偏光纤旋转90°对接，使得第二MIOC10的快轴方向与保偏光纤的快轴方向成90°。然后光进入保偏光纤环，在光纤环中间部分再进行一次90°对接，绕一圈出来后再次进入第二MIOC10产生干涉。从第二MIOC10出来的光经第二环形器8进入第二光电探测器9，最后进行采集。第一光电探测器5、第二光电探测器9分别与一信号处理单元连接，信号处理单元对从第一光电探测器5和第二光电探测器9采集的光经信号进行处理以后就可以还原初始的角速度信号。
由于光纤的转接以及双环采集信号的合成，外界磁场的变化施加到光纤上的磁光旋转会相互抵消，因此不论外界磁场如何变化，本发明中角速度的灵敏度测量灵敏度不会出现明显降低。
在本发明中，用于传感的保偏双光纤环7绕制图如图2所示。图中光纤纤芯12用于区分两根保偏光纤以及绕制方向。白色纤芯表示第一个光纤，灰色纤芯表示第二根光纤。纤芯为空的话表示顺时针绕制，纤芯打叉表示逆时针绕制。具体绕制方案为：两根保偏光纤11首先在中间90°反接点处将两根保偏光纤进行绕制，将第一根保偏光纤左半段在第一层沿顺时针绕制40圈，然后将另一根保偏光纤左半段在第二层沿逆时针绕制40圈，接着将两根保偏光纤交换层数在原来方向上继续绕制40圈，从而制作出前两层。使用两根保偏光纤的右半段各自与原来相反方向绕制40圈，然后交换层数再绕制40圈，完成第三层和第四层绕制。随后重复过程按四层一个循环交替绕制两根保偏光纤，一共绕制64层，完成保偏双光纤环7的制作。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种具有磁场抑制功能的双光纤环陀螺，其特征在于，包括光源模块(1)、起偏器(2)、光纤耦合器(3)、第一环形器(4)和第二环形器(8)、第一光电探测器(5)和第二光电探测器(9)、第一多功能集成光波导调制器(6)和第二多功能集成光波导调制器(10)、保偏双光纤环(7)；
所述保偏双光纤环(7)包括两根保偏光纤，每根保偏光纤的左半段与右半段的快轴方向垂直，利用第一根保偏光纤采用四极对称法绕制所述保偏双光纤环(7)的奇数层前N圈和偶数层后N圈，利用第二根保偏光纤采用四极对称法绕制所述保偏双光纤环(7)的偶数层前N圈和奇数层后N圈，且第一根保偏光纤的绕制方向与第二根保偏光纤的绕制方向相反；将第一根保偏光纤的两端口记为端口①、端口③，第二根保偏光纤的两端口记为端口②、端口④；
所述光源模块(1)的输出端经所述起偏器(2)与所述光纤耦合器(3)连接；
所述光纤耦合器(3)用于对经所述起偏器(2)起偏后输入的线偏振光分成两路输出；第一路经所述第一环形器(4)输入所述第一多功能集成光波导调制器(6)的合束端，所述第一多功能集成光波导调制器(6)的第一分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环(7)的端口①的快轴方向成0°对接，所述第一多功能集成光波导调制器(6)的第二分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环(7)的端口③的快轴方向成90°对接；第二路经所述第二环形器(8)输入所述第二多功能集成光波导调制器(10)的合束端，所述第二多功能集成光波导调制器(10)的第一分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环(7)的端口②的快轴方向成0°对接，所述第二多功能集成光波导调制器(10)的第二分束端的快轴方向与所述保偏双光纤环(7)的端口④的快轴方向成90°对接；
所述第一光电探测器(5)与所述第一环形器(4)连接，用于接收所述第一多功能集成光波导调制器(6)返回的干涉光信号；
所述第二光电探测器(9)与所述第二环形器(8)连接，用于接收所述第二多功能集成光波导调制器(10)返回的干涉光信号。
2.根据权利要求1所述的双光纤环陀螺，其特征在于，制作所述保偏双光纤环(7)的方法为：首先将第一根保偏光纤在中间快轴方向垂直的90°反接点处开始使用左半段沿顺时针绕制第一层，将第二根保偏光纤在中间快轴方向垂直的90°反接点处开始使用左半段沿逆时针绕制第二层，绕至第N圈时两根光纤交换层数继续绕制N圈，完成前两层绕制；然后将第一根保偏光纤的右半段沿逆时针绕制第三层，将第二根保偏光纤的右半段沿顺时针绕制第四层，绕至第N圈时两根光纤交换层数继续绕制N圈，完成第三、四层绕制；重复上述绕制方法得到所述保偏双光纤环(7)。
3.根据权利要求2所述的双光纤环陀螺，其特征在于，所述保偏双光纤环(7)包括64层，N＝40，每层绕制80圈。
4.根据权利要求1或2或3所述的双光纤环陀螺，其特征在于，所述双光纤环陀螺的光路系统均采用保偏光纤。
5.根据权利要求1或2或3所述的双光纤环陀螺，其特征在于，所述第一光电探测器(5)、第二光电探测器(9)分别与一信号处理单元连接，所述信号处理单元用于对输入的探测信号进行信号处理得到角速度信号。
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