CN1506657A - 双环谐振型光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双环谐振型光纤陀螺，本发明的目的是提供一种具有较高检测灵敏度和分辨率的双环谐振型光纤陀螺。该陀螺能从源头上去除或抑制传统单环谐振型陀螺中的几类对信号光产生干扰的噪声。本发明的技术方案如下：一种双环谐振型光纤陀螺，它包括具有光源、信号分束器、谐振信号检测器和信号谐振环的光纤陀螺本体，其特征在于：它还包括两个2×2光波导耦合器，所述信号谐振环为两个同质料的光纤谐振环，所述两个光纤谐振环分别与所述光波导耦合器耦合相连。本发明的出现与普及，将对飞行器导航、武器制导控制以及机器人与交通的发展起到积极的推动作用。

Description

双环谐振型光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光学陀螺，特别是涉及一种光纤陀螺，属于陀螺技术领域。

背景技术

光学陀螺(OG)由于舍弃了传统机械陀螺(MG)所必须的“高速旋转转子”，因而具备诸如结构简单、工作可靠、动态范围宽、单轴灵敏度高、功耗低、便于数字化输出并能和计算机相连等一系列优点，目前在国内外各种精度要求的场合中，均已获得了成功的应用，并大大推动了惯性技术的向前发展。

光纤陀螺是在光学陀螺的基础上发展起来的。根据提取两相向光束作用信息的不同，可把光纤陀螺大致分为干涉型光纤陀螺(I-FOG)、谐振型光纤陀螺(R-FOG)和布里渊型光纤陀螺(B-FOG)等三大类。其中，B-FOG尚处在原理性研究阶段。与光学陀螺(即激光陀螺)一样，光纤陀螺(FOG)的基本原理也是基于萨格奈克(Sagnac)效应，所不同的只是用光纤环取代了激光陀螺中的环型腔，并把光源(激光器)多置于构成环形光路的光纤环之外。由于光纤陀螺(尤其是I-FOG和R-FOG)克服了激光陀螺的“闭锁效应”这一难题，既保留了激光陀螺的优点，又具有更宽的动态范围、极短的启动时间、易于集成进而实现小型化等优点，尤其是自20世纪80年代中期国外研制出可实用化的中精度(0.1-10°/h)干涉型光纤陀螺、并开始用于飞机和战术导弹的惯性导航和惯性制导系统以来，国外在这方面的研究很活跃，相继研制出漂移率达到0.005°/h，甚至低于0.001°/h的惯导级高性能干涉型光纤陀螺，直到最近，美国Honeywell公司又研制成功了漂移率为0.00038°/h的精密陀螺(这是迄今为止漂移率最小的高精度干涉型光纤陀螺)，把陀螺的检测灵敏度和分辨率提高了几个数量级。同时，光纤陀螺既能满足对精度要求较高场合的需要，也能满足对精度要求不太高的民用领域的用户需求，因而其已成为一个越来越受到世界各国军方和科技界重视的有广阔应用前景的研发领域。

尽管到目前为止，有关光纤陀螺研究所取得的性能突破和实用化进展均集中于I-FOG，但从工作原理上而言，R-FOG比I-FOG更具如下优势，主要表现在：(1)尺寸小，成本低，非常便于集成；(2)受温度、偏振及其它噪声的影响要比I-FOG小得多；(3)光源谱宽窄，因而光源稳定性好。当然，光源谱宽窄又会产生新的矛盾，因为光源谱宽窄就意味着其相干性强，光源的相干性强对于降低陀螺中的各种噪声或寄生效应是十分不利的，这也正是目前影响谐振型光纤陀螺进入实用化的关键所在。

研究表明：影响R-FOG精度的主要因素包括有瑞利(Rayleigh)后向散射、菲涅耳(Fresnel)反射、克尔(Kerr)效应、法拉第(Faraday)旋转和温度漂移、偏振波动等几大噪声及由于单环结构引起的其他寄生效应。为了减小单环情况下各相关噪声的影响，人们已分别通过采取减小顺时针光或逆时针光的载波及光强的大小、反馈式数字频率跟踪、在保偏光纤焊接处进行90°的偏振主轴旋转以及减小保偏光纤环中的弯曲部分等技术措施来抑制或去除，虽然用这些办法获得了一定的效果，但这些方法大多都是以牺牲其它性能为代价换来的；比如，降低谐振腔中相向光的光强虽然可以抑制瑞利后向散射和克尔效应噪声，但这样做的结果就意味着降低了系统的信噪比，对提高FOG的检测灵敏度和分辨率是不利的。

发明的内容

本发明的目的是提供一种能从源头上去除或抑制几类噪声对信号光的干扰，具有较高检测灵敏度和分辨率的双环谐振型光纤陀螺。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双环谐振型光纤陀螺，它包括具有光源、信号分束器、谐振信号检测器和信号谐振环的光纤陀螺本体，其特征在于：它还包括两个2×2光波导耦合器，所述信号谐振环为两个同质料的光纤谐振环，所述两个光纤谐振环分别与所述光波导耦合器耦合相连。

为了使陀螺精度更高，对所述双光纤谐振环的腔长进行互易调制是优选的技术方案，为此，所述光纤陀螺中还应包括谐振环腔长互易调制器、保证腔长互易的调制信号发生器和信号开关。

为了提高陀螺标度因数的线性度和稳定性，所述光纤陀螺中还包括信号偏置调制器、偏置调制信号发生器、偏置信号解调器和信号光频率调制器。

在满足精度要求的前提下，只要误差在允许的范围内，也可以不对因工艺制造所带来的双谐振环长度误差进行互易性补偿调制。

在使用中，优选的技术方案是所述两个光纤谐振环大小相等，且上下平行叠放在一起的。

所述两个光纤谐振环中，一个是传送顺时针光信号的谐振环，另一个是传送逆时针光信号的谐振环，使原本只在一个光纤谐振环中共环相向传播的两个信号光，改为在两个独立光纤谐振环中互不影响地分别传播，从而可有效地抑制或去除在单光纤环谐振型陀螺中由瑞利后向散射、菲涅耳反射和克尔效应等相关噪声和其他寄生效应对信号光的干扰。

在所述的两个光纤谐振环中，每个环的信号光的输入、输出及其相应检测器的信号光输入，都是通过各自环路的2×2光波导耦合器的透射或反射实现的，从而避免了两束信号光在单环谐振型陀螺中相向传播时，因共用同一个谐振环和同一个耦合器所产生的交叉干扰及其它噪声对陀螺精度的影响。

用双谐振光纤环替代传统的单谐振环，可从结构原理上去除或抑制瑞利后向散射噪声、菲涅耳反射噪声、克尔效应及其它相关噪声对陀螺精度的影响。具体理由在于：单谐振环情况下，陀螺中的两束相向信号光，只能共环传播，两束光共环传播既给瑞利后向散射噪声和菲涅耳反射噪声提供了影响信号光的机会，也大大加强了克尔效应等其它噪声；而双谐振环情况下，两相向光束分别在各自的谐振环内传播，这就从结构上破坏了产生上述噪声的条件，因而给“消除或减弱”单环中存在的上述噪声提供了可能。

所谓瑞利(Rayleigh)后向散射光，是指由光纤纤芯中存在的杂质粒子、不均匀应力及晶格缺陷错位所引起的非定向反射光中沿光纤反向传播的那一部分。因此，顺时针(CW，Clockwise)光在谐振环内传输时所产生的瑞利后向散射光对于逆时针(CCW，Couter-Clockwise)光便是一种干扰噪声，反之亦然。又由于现有谐振型光纤陀螺均使用窄带强相干光源，所以，该噪声对谐振型光纤陀螺精度的影响比对干涉型光纤陀螺精度的影响要大得多。实验证明，现有克服瑞利后向散射噪声的方法并不很理想，所以我们提出了一种“双谐振环结构的光纤陀螺”，让其代替已有的“单谐振环结构的光纤陀螺”的技术方案，使两束相向光分别在两个谐振环中传输，来根本去除该噪声。

所谓菲涅耳(Fresnel)反射光，是指由波导的不连续所引起的与传输光方向相反的那一部分光，其影响信号光的机理与瑞利后向散射光相似，因而双环解决方案也很适合彻底消除该噪声。

克尔(Kerr)噪声是由非线性光学克尔效应所引起的。一方面，采用单环时，由于两相向光束的功率叠加而导致光纤细小芯径内的光功率密度非常大，这将引起光束的非线性传播，使两反向光波的功率出现不平衡，从而产生一个非互易的频率误差；另一方面，由于耦合器分光比不能严格保证为1∶1而导致两反向光波之间出现功率差，也会由于克尔效应而产生一个相应的非互易频率误差。虽然可以通过降低光纤中的光功率来减小该频率误差，但这同时也降低了陀螺的精度。目前还没有简单的方法能从根本上降低克尔效应所带来的误差。若采用双谐振环技术，一则完全消除了由两束共环光之间的功率差所带来的非互易噪声，二则大大减小了每个环中各自的光功率密度，以致于可忽略克尔效应对单束光的影响。这也意味着从根本上消除了克尔噪声对谐振型光纤陀螺精度的影响，并可降低对分光器件的性能要求。

如图1所示，本发明中的两个谐振环7和8是平行叠放在一起的，其中，顺时针光和逆时针光分别运行在顺时针光谐振环7和逆时针光谐振环8里面。与图2所示的现有单谐振环光纤陀螺相比，在双谐振环结构的光纤陀螺中尽管多用了一个谐振环，但少用了一个2×2的耦合器，这样不仅可以有效地去除上面提及的各种噪声，而且还可以避免单环谐振型光纤陀螺中的其它许多噪声，例如交叉耦合噪声等。从附图2所示的单环结构可以看出：它的顺、逆两束光均由同一个耦合器11导入谐振环12，环中的两谐振光也通过该耦合器透射出一部分来；在另外两个耦合器5和6处，也有类似的问题。由波导理论可知：在顺、逆光之间，透射光之间，顺、逆光和透射光之间，均存在着相互耦合干扰；分束器2和光源1之间也均会受到回返光的干扰。这一系列因素无疑将影响陀螺的精度和综合性能。而在双环谐振型光纤陀螺结构中，由于不存在由两相向光共环或共路所导致的共器件情形，因而也就没有上述的问题。

为了克服工艺制作上可能的误差以保证双环腔长的互易性，从而满足对陀螺更高精度的要求，本发明提出了对双环进行腔长调制的必要性。如图3所示，在双谐振环中分别增加了一个腔长调制器9和10，首先用常规方法判别出双环中较短的那个环后，将与之相连的开关15或16接通，通过信号发生器13进行相应调制，便可保证腔长的互易性。

从以上的说明中可以明显看出：用所述的双环结构的谐振型光纤陀螺，替代公知的单环结构谐振型光纤陀螺，使原本只在一个光纤谐振环中共环相向传播的两个信号光，改为在两个独立光纤谐振环中互不影响地分别传播，而且每个环的信号光的输入、输出，都是通过只属于本环路自身的2×2光波导耦合器的透射或反射实现的，从而既可有效地避免在所述单环陀螺中因共环、共耦合器导致的瑞利(Rayleigh)后向散射、菲涅耳(Fresnel)反射等噪声的影响，又可从源头上克服克尔(Kerr)噪声对陀螺精度的影响，并可降低对分光器件的性能要求。

本发明由于突破了现有的单光纤谐振环结构的传统设计思路，用两个同质料的光纤谐振环，替代公知的单环结构陀螺中顺、逆时针共用的谐振环，使原本只在一个光纤谐振环中共环相向传播的两个信号，改为在两个独立光纤谐振环中互不影响地分别传播，而且每个环的信号输入、输出，都是通过只属于本环路自己的2×2耦合器的透射或反射实现的，从而避免了单光纤环谐振型陀螺中因共环、共耦合器所产生的交叉干扰及其他噪声对陀螺精度的影响，具有较高检测灵敏度和分辨率，在传感领域具有重要的应用价值。本发明的出现与普及，将对飞行器导航、武器制导控制以及机器人与交通运载工具的发展起到积极的推动作用。

说明书附图

图1为双谐振环结构示意图；

图2为单谐振环结构示意图；

图3为采用双谐振环的光纤陀螺开环结构示意图。

具体实施方式

如图1、图3所示，本发明包括谐振型陀螺的信号光源1；光信号分束器2；顺时针谐振光信号检测器3；逆时针谐振光信号检测器4；2×2光波导耦合器5；2×2光波导耦合器6；顺时针光信号谐振环7；逆时针光信号谐振环8；顺时针光谐振环腔长调制器和顺时针光信号偏置调制器9；逆时针光谐振环腔长调制器和逆时针光信号偏置调制器10；2×2光波导耦合器11；顺、逆时针光信号共享的谐振环12；保证腔长互易的调制信号发生器13；偏置调制信号发生器14；第一开关15；第二开关16；第一信号解调器17；第二信号解调器18；解调后的顺时针旋转信号19；解调后的逆时针旋转信号20；频率调制器21。

分束器2将信号光源1发出的信号光分束，一束经由2×2耦合器5进入顺时针光谐振环7，另一束则通过2×2耦合器6进入逆时针光谐振环8，顺、逆时针环内的信号光均受到信号发生器14相同的偏置调制，以提高标度因数的线性度和稳定性。其中，顺时针光谐振环内的谐振信号光，通过2×2耦合器5的透射端口进入相应的信号光检测器3，其输出信号再通过解调器17完成偏置解调，便得到相应的旋转信号光19，利用该信号再控制信号光频率调制器21，对从信号光源发出的信号光进行调制，以保证信号光源频率和顺时针环的谐振频率一致；逆时针光谐振环内的谐振信号光通过2×2耦合器6的透射端口，进入相应的信号光检测器4，其输出信号再通过解调器18完成偏置解调，便得到相应的旋转信号20，由该信号就可获得所需的旋转速率。

Claims (7)

1、一种双环谐振型光纤陀螺，它包括具有光源、信号分束器、谐振信号检测器和信号谐振环的光纤陀螺本体，其特征在于：它还包括两个2×2光波导耦合器；所述信号谐振环为两个同质料的光纤谐振环，所述两个光纤谐振环分别与所述光波导耦合器耦合相连。

2、如权利要求1所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：所述光纤陀螺中还包括谐振环腔长互易调制器、保证腔长互易的调制信号发生器和信号开关。

3、如权利要求1或2所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：所述光纤陀螺中还包括信号偏置调制器、偏置调制信号发生器、偏置信号解调器和信号光频率调制器。

4、如权利要求1或2所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：所述光纤陀螺中的两个光纤谐振环大小相等，且上下平行叠放在一起的。

5、如权利要求1或2所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：所述两个光纤谐振环中，一个是传送顺时针光信号的谐振环，另一个是传送逆时针光信号的谐振环。

6、如权利要求1或2或3所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：所述信号为激光信号。

7、如权利要求1或2所述的双环谐振型光纤陀螺，其特征是：在所述的两个光纤谐振环中，每个环的信号光的输入、输出及其相应检测器的信号光输入，都是通过各自环路的2×2光波导耦合器的透射或反射实现的。

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