CN1328585C - 空间光路的干涉式微光机电陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光路的干涉式微光机电陀螺，由光源组件、光电探测器、陀螺控制装置以及空间光路结构件组成，光源的尾纤和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，耦合器的一根尾纤与调制器的入纤熔接，调制器的两根尾纤分别与第一光纤准直器和第二光纤准直器熔接，第一光纤准直器和第二光纤准直器准直后的平行光射入空间光路结构件中；光电探测器的信号输出端与陀螺控制装置的信号输入端连接，陀螺控制装置的光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源。本发明的微光机电陀螺由于光束间距a的设定值不同，平行光在空间光路结构件中形成多圈平面螺旋光路结构，增加了光路的长度，增强了Sagnac效应，提高了陀螺的灵敏度。

Description

空间光路的干涉式微光机电陀螺

技术领域

本发明涉及一种角速度测量装置，具体地说，是指一种建立在光学SAGNAC效应基础上的一种光在空间光路传输，利用微机电技术和集成光学技术进行加工，利用干涉技术和数字闭环技术实现测量的微光机电陀螺。

背景技术

光学陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应，在惯性空间通常萨格奈克效应可以描述为：“在同一闭合回路中，沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的两束光，围绕垂直于回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光回路旋转速率成比例关系”。Sagnac效应的原理图如图1所示，图中，圆形代表光传输的路径，点S为两束相向传输的光注入点，Ω为顺时针旋转角速度。在惯性空间，当陀螺静止时，两束光回到S点时所经历的光程相同，因此不会产生相位差；当陀螺以角速度Ω顺时针旋转时，注入点S转到了S′处，沿顺时针方向传播的光束将比沿逆时针方向传播的光束经历的光程要长，因此会产生相位差。而此相位差Δφ与光纤环旋转角速度Ω成比例关系： $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{8\mathrm{\π\ΣA}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω},$ 式中ΣA为光路所围的总面积，c为光在真空中的传播速度，λ为入射光的波长。

干涉式光学陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低的优势。在航空、航天、航海等军用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。随着应用领域需要的发展，目前对陀螺体积和重量提出了更高的要求，要求体积更小，成本更低。而光纤陀螺的体积受到光纤环的限制，因此，综合微型化与光学高灵敏度的微光机电陀螺的研究引起了国际上广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间光路的干涉式微光机电陀螺，该陀螺为了减小系统的尺寸和重量，对转动敏感结构光路部分进行了优化设计。在本发明中利用微加工技术加工光学反射面，并按照一定的空间尺寸排列，在较小的空间实现平面螺旋式光路，使光路得到延长。配合光路、电路、结构等组件，构成空间光路的干涉式微光机电陀螺。这样不仅减小体积、降低成本，而且也有利于提高系统的可靠性。

本发明的一种空间光路的干涉式微光机电陀螺，由光源组件、光电探测器、陀螺控制装置以及空间光路结构件组成，所述光源组件由光源、耦合器、调制器、第一光纤准直器和第二光纤准直器构成，光源的尾纤和光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，耦合器的一根尾纤与调制器的入纤熔接，调制器的两根尾纤分别与第一光纤准直器和第二光纤准直器熔接，第一光纤准直器和第二光纤准直器准直后的平行光射入空间光路结构件中；光电探测器的信号输出端与陀螺控制装置的信号输入端连接，陀螺控制装置的光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源。

所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其空间光路结构件由第一面反射镜、第二面反射镜、第三面反射镜、第四面反射镜和反射镜基座构成，第二面反射镜、第三面反射镜和第四面反射镜分别安装在正四边形的反射镜基座的第二边、第三边和第四边上，并且第二面反射镜、第三面反射镜和第四面反射镜的镜边与反射镜基座的边重合，第一面反射镜安装在正四边形的反射镜基座的第一边上，第一面反射镜沿反射镜基座平面向正四边形中心平移距离b，平移距离b与平面螺旋光路的光束间距a关系为b＝a/。

所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，由光源发出的光经过耦合器后部分光注入调制器中，经调制器起偏、分光、调制处理后输出线偏光给第一光纤准直器和第二光纤准直器，线偏光经第一光纤准直器和第二光纤准直器准直后输出平行光给空间光路结构件；第一光纤准直器射出的平行光入射至第二面反射镜上，平行光经第二面反射镜反射后入射至第三面反射镜上，平行光经第三面反射镜反射后入射至第四面反射镜上，平行光经第四面反射镜反射后入射至第一面反射镜上；第二光纤准直器射出的平行光入射至第四面反射镜上，平行光经第四面反射镜反射后入射至第三面反射镜上，平行光经第三面反射镜反射后入射至第二面反射镜上，平行光经第二面反射镜反射后入射至第一面反射镜上。

本发明的优点：(1)微光机电陀螺无运动部件、损耗小、体积小、寿命长、易于提高精度。在自由空间传播的光束可减少损耗；光路可以交叉，甚至是螺旋光路，光路密集，从而可以充分利用空间，利于提高精度；空间传播，无偏振耦合问题，无背向散射问题，无需密封；无运动部件，提高器件的稳定性和寿命。(2)成本低、工艺简单、易于批量生产。本发明采用多个反射镜就可以实现多圈的平面螺旋形光路，而且可以利用微加工的光学微镜作为反射镜，或利用微加工技术直接在硅材料上加工竖直立面作为反射镜，还可以用晶体加工反射面，成本得到极大地降低，且利于微镜位置的精确确定。(3)全数字闭环控制电路有效提高了抗干扰能力和陀螺测试动态范围；(4)采用空间光路，易于实现三轴集成。

附图说明

图1是萨格奈克效应原理图。

图2是本发明空间光路结构件的结构示意图。

图3是本发明微光机电陀螺的信号流程示意图。

图4是本发明空间光路结构件的螺旋光路结构图。

图中           1.空间光路结构件 11.第一面反射镜  12.第二面反射镜13.第三面反射镜    14.第四面反射镜  15.反射镜基座    2.陀螺控制装置31.光源            32.耦合器        33.调制器        34.第一光纤准直器35.第二光纤准直器  4.光电探测器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种空间光路的干涉式微光机电陀螺，由光源组件、光电探测器4、陀螺控制装置2和空间光路结构件1组成，所述光源组件由光源31、耦合器32、调制器33、第一光纤准直器34和第二光纤准直器35构成，光源31的尾纤和光电探测器4的尾纤分别与光纤耦合器32的两根入纤熔接，耦合器32的一根尾纤与调制器33的入纤熔接，调制器33的两根尾纤分别与第一光纤准直器34和第二光纤准直器35熔接，第一光纤准直器34和第二光纤准直器35准直后的平行光射入空间光路结构件1中；光电探测器4的信号输出端与陀螺控制装置2的信号输入端连接，陀螺控制装置2的光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源31。

在本发明中，所述空间光路结构件1由第一面反射镜11、第二面反射镜12、第三面反射镜13、第四面反射镜14和反射镜基座15构成，第二面反射镜12、第三面反射镜13和第四面反射镜14分别安装在正四边形的反射镜基座15的第二边、第三边和第四边上，并且第二面反射镜12、第三面反射镜13和第四面反射镜14的镜边与反射镜基座15的边重合，第一面反射镜11安装在正四边形的反射镜基座15的第一边上，第一面反射镜11沿反射镜基座15平面向正四边形中心平移距离b，平移距离b与平面螺旋光路的光束间距a关系为b＝a/，入射到第二面反射镜12上的线偏光的光束间距a为0.3mm～3mm，则距离b为0.2mm～2mm。由光源31发出的光经过耦合器32后部分光注入调制器33中，经调制器33起偏、分光、相位调制处理后输出线偏光给第一光纤准直器34和第二光纤准直器35，线偏光经第一光纤准直器34和第二光纤准直器35准直后输出平行光给空间光路结构件1。平行光在空间光路结构件1中的光路结构如图4所示，第一光纤准直器34射出的平行光入射至第二面反射镜12上，平行光经第二面反射镜12反射后入射至第三面反射镜13上，平行光经第三面反射镜13反射后入射至第四面反射镜14上，平行光经第四面反射镜14反射后入射至第一面反射镜11上。根据光束间距a的设定值，平行光在空间光路结构件1中形成多圈平面螺旋光路结构。空间光路结构件1中输出的光进入第二光纤准直器35，经调制器33加载控制信号、干涉以及偏振滤波后通过耦合器32进入光电探测器4。第二光纤准直器35射出的平行光入射至第四面反射镜14上，平行光经第四面反射镜14反射后入射至第三面反射镜13上，平行光经第三面反射镜13反射后入射至第二面反射镜12上，平行光经第二面反射镜12反射后入射至第一面反射镜11上。根据光束间距a的设定值，平行光在空间光路结构件1中形成多圈平面螺旋光路结构。空间光路结构件1中输出的光进入第一光纤准直器34，经调制器33加载控制信号、干涉以及偏振滤波后通过耦合器32进入光电探测器4。在空间光路结构件1中的两路光所走的路线相同，但方向相反。空间光路结构件1中形成的平面螺旋光路结构增加了光路的长度，增强了Sagnac效应，提高了陀螺的灵敏度。

在本发明中，反射镜基座15是边数为偶数的正多边形，如正四边形或者正六边形或者正八边形。

陀螺控制装置

在本发明中的控制电路至少包括FPGA、信号转换电路、调制器驱动电路(参见图3所示)，FPGA接收经由探测器输出的光强电压信号经前放电路放大、经A/D转换器转换输出的数字信号，FPGA对接收的数字信号处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器、调制驱动电路，经调制驱动电路解调后输出电压信号控制调制器进行相位调制保持干涉光强恒定。本设计采用闭环检测控制方式。由于垂直于空间光路结构件1中的反射镜基座15的角速率导致空间光路结构件1中相向传输的两束光产生相位差，从而导致输出的干涉光强信号相应变化，该干涉光光强信号被探测器转换为电压信号，电压信号经前放电路放大处理后输出给A/D转换器转换成数字信号给FPGA，FPGA对接收的数字信号进行处理后输出相位补偿电压信号给D/A转换器，经D/A转换器转换的模拟信号输出给调制器驱动电路，调制器驱动电路输出电压信号控制调制器进行相位调制，使得干涉光强保持恒定。FPGA选取XC2V50芯片，A/D转换器选取AD7854芯片，D/A转换器选取AD569芯片。

陀螺的整体信号流程可以分为光路和电路两部分(参见图3所示)，其中，光电探测器4和调制器33分别完成光电、电光的信号转换。光源驱动电路给光源31提供高稳定的恒流驱动并完成光源内部的恒温控制，使光源31发出的光功率、光谱稳定。光源31发出的光经耦合器32至调制器33，光经调制器33完成起偏、分光和加载控制信号，两束光分别经第一光纤准直器34和第二光纤准直器35后进入空间光路结构件中，两束光在空间光路结构件1中沿相反方向的空间光路传播，后通过第一光纤准直器34和第二光纤准直器35进入调制器33，又通过调制器33加载控制信号、干涉(合光)以及偏振滤波后通过耦合器32进入光电探测器4。光信号在光电探测器4中完成光电转换，经前放电路完成模拟放大和滤波，再经A/D转换器转换成数字信号，由FPGA完成信号的解调、滤波、积分等工作后输出两路信号，其中一路送到载体的下位机完成引导解算；另一路经D/A转换器转换后输出至调制器驱动电路，经调制器驱动电路解调后输出电压信号控制调制器进行相位调制保持干涉光强恒定，这样就实现了控制部分的全数字式闭环控制。闭环控制在相向传播的两束光波之间人为引入一个与Sagnac相移大小相等、方向相反的相位差，用以抵消Sagnac相移，使系统始终工作在零相位状态，从而扩大了系统的动态范围。相位调制技术是指在光路中人为地引入非互易相位，从而使光的相位发生改变的技术，是光纤陀螺中的主要技术之一，相位调制由相位调制器来实现，本发明选取集成光学调制器。集成光学调制器是一个多功能器件，可实现起偏、分光、相位调制的功能。

由于角速率导致旋转敏感结构中相向传输的两束光相位发生偏置，该偏置经调制器后输出的干涉光强信号相应变化，该干涉光光强信号被探测器转换为电压信号，电压信号经前放电路放大处理后输出给A/D转换器转换成数字信号给FPGA，FPGA对接收的数字信号进行处理后输出反相电压信号给D/A转换器，经D/A转换器转换的模拟信号输出给调制驱动电路，调制驱动电路输出电压信号控制调制器进行相位调制，使得干涉光强保持恒定。

Claims (6)

1、一种空间光路的干涉式微光机电陀螺，由光源组件、光电探测器(4)、陀螺控制装置(2)，其特征在于：还有空间光路结构件(1)组成，所述光源组件由光源(31)、耦合器(32)、调制器(33)、第一光纤准直器(34)和第二光纤准直器(35)构成，光源(31)的尾纤和光电探测器(4)的尾纤分别与光纤耦合器(32)的两根入纤熔接，耦合器(32)的一根尾纤与调制器(33)的入纤熔接，调制器(33)的两根尾纤分别与第一光纤准直器(34)和第二光纤准直器(35)熔接，第一光纤准直器(34)和第二光纤准直器(35)准直后的平行光射入空间光路结构件(1)中；光电探测器(4)的信号输出端与陀螺控制装置(2)的信号输入端连接，陀螺控制装置(2)的光源驱动电路输出高稳定的恒流信号给光源(31)；

所述空间光路结构件(1)由第一面反射镜(11)、第二面反射镜(12)、第三面反射镜(13)、第四面反射镜(14)和反射镜基座(15)构成，第二面反射镜(12)、第三面反射镜(13)和第四面反射镜(14)分别安装在正四边形的反射镜基座(15)的第二边、第三边和第四边上，并且第二面反射镜(12)、第三面反射镜(13)和第四面反射镜(14)的镜边与反射镜基座(15)的边重合，第一面反射镜(11)安装在正四边形的反射镜基座(15)的第一边上，第一面反射镜(11)沿反射镜基座(15)平面向正四边形中心平移距离b，平移距离b与平面螺旋光路的光束间距a关系为b＝a/。

2、根据权利要求1所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其特征在于：入射到第二面反射镜(12)上的线偏光的光束间距a为0.3mm～3mm，则距离b为0.2mm～2mm；入射到第四面反射镜(14)上的线偏光的光束间距a为0.3mm～3mm，则距离b为0.2mm～2mm。

3、根据权利要求1所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其特征在于：由光源(31)发出的光经过耦合器(32)后部分光注入调制器(33)中，经调制器(33)起偏、分光、调制处理后输出线偏光给第一光纤准直器(34)和第二光纤准直器(35)，线偏光经第一光纤准直器(34)和第二光纤准直器(35)准直后输出平行光给空间光路结构件(1)；

第一光纤准直器(34)射出的平行光入射至第二面反射镜(12)上，平行光经第二面反射镜(12)反射后入射至第三面反射镜(13)上，平行光经第三面反射镜(13)反射后入射至第四面反射镜(14)上，平行光经第四面反射镜(14)反射后入射至第一面反射镜(11)上；

第二光纤准直器(35)射出的平行光入射至第四面反射镜(14)上，平行光经第四面反射镜(14)反射后入射至第三面反射镜(13)上，平行光经第三面反射镜(13)反射后入射至第二面反射镜(12)上，平行光经第二面反射镜(12)反射后入射至第一面反射镜(11)上。

4、根据权利要求3所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其特征在于：设定光束间距a值，平行光在空间光路结构件(1)中形成多圈平面螺旋光路结构。

5、根据权利要求1所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其特征在于：反射镜基座(15)是边数为偶数的正多边形结构。

6、根据权利要求5所述的空间光路的干涉式微光机电陀螺，其特征在于：反射镜基座(15)是正四边形或者正六边形或者正八边形。

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