WO2012006762A1 - 一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

提供了一种最小互易结构的干涉型全光纤陀螺仪，属于光纤传感技术领域。该陀螺仪包括偏振光源（21）、检测单元（22）、光源耦合器（23）、光环耦合器（24）、保偏光纤环（25）；其中光源耦合器（23）的端口①与偏振光源（21）的输出端对轴连接，且光源耦合器（23）中与端口①同侧的另一端口与检测单元（22）连接，光源耦合器（23）另一侧的端口③与光环耦合器（24）对轴连接，光环耦合器（24）与保偏光纤环（25）对轴连接。光源耦合器（23）对输入的偏振光具有分路作用并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振作用，端口①与端口③为光源耦合器（23）—直通臂上的两个端口。与现有技术相比，本发明节约了成本、减小了光路损耗，而且进一步提高了陀螺仪的精度和稳定性。

Description

一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪 技术领域

本发明涉及干涉型全光纤陀螺仪，尤其涉及一种最小互易结构的干涉型全光纤陀螺 仪， 属于光纤传感技术领域。 背景技术

陀螺仪是测量惯性空间角速度-角位移的仪表，其历史可以追朔到数千年以前，从山 西夏县新石器时代的遗址中， 就曾出土了石制的陀螺。机械陀螺仪是第一代陀螺仪， 激光陀螺仪和光纤陀螺仪被分别称为第二代陀螺仪和第三代陀螺仪。光纤陀螺仪于 1976 年问世， 20世纪 90年代投入批量生产。 干涉型全光纤陀螺仪是光纤陀螺仪家族中的重 要品种， 可广泛应用于导航、 制导、 定位、 自动寻北、 列车或舰船摇摆的阻尼、 天 线 -瞄准系统的定向、 油井偏斜测量、 大型建筑形变或摇摆监测、 自动化控制等等 领域。

经典的干涉型全光纤陀螺仪的光路结构如附图 1所示， 其中的光学元件包括： 超辐 射发光二极管 11、 光电检测二极管 （即光电检测器） 12、 光源耦合器 13、 光环耦合器 15、 起偏振器（或消偏振器） 14、 光纤环（即光纤线圈） 16， 共 6个光学元件。 这种具 有 6个光学元件的结构被称为干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构。 根据附图 1， 经典 的干涉型全光纤陀螺仪的工作原理是： 由超辐射发光二极管 11 发出的偏振光（椭圆偏 振光或圆偏振光）输入光源耦合器 13的①端口， 并被分成两路偏振光； 其中沿直通臂 传输并由③端口输出的偏振光输入起偏器 14; 起偏器 14将输入的偏振光变为线偏振光 并将该线偏振光输入到光环耦合器 15的①端口。光环耦合器 15将输入的线偏振光分成 两路分别从其③、 ④端口输出； 光环耦合器 15的③、 ④端口输出的线偏振光分别沿光 纤环 16的顺时针和反时针方向传输， 然后从光环耦合器 15的③、④端口返回光环耦合 器 15并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏振光又被光环耦合器 15分成两路并分 别从光环耦合器 15的①、 ②端口输出。 从光环耦合器 15的①端口输出的线偏振光中： 从①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环親合器 15的直通臂和耦合臂 各一次；沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合器 15的直通臂和耦合臂各一次。 因此， 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线偏振光返回 到光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是相同的， 所以它们相干叠加产生的线偏振 光被称为互易光， 输出互易光的端口也被称为互易端口。 然而， 从光环耦合器 15的② 端口输出的线偏振光中： 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏 振光经过光环耦合器 15的直通臂共两次， 而沿反时针方向传输的线偏振光则经过光环 耦合器 15的耦合臂共两次。 因此， 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针、 反时 针方向传输的线偏振光到达光环耦合器 15的②端口时所经过的光程是不相同的， 所以 它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端 口。 非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪的检测信号使用的。 从光环耦合器 15的①端 口 （互易端口）输出的线偏振光经过起偏器 14输入到光源耦合器 13的③端口， 光源耦 合器 13将③端口输入的线偏振光信号分成两路， 其中一路通过其②端口输入光电检测 器 12。 当光纤环 16静止时， 从光环耦合器 15的①端口出发， 分别沿顺时针、反时针方 向传输的两路线偏振光返回光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是相同的； 当光纤 环 16转动时， 从光环耦合器 15的①端口出发， 分别沿顺时针、 反时针方向传输的两路 线偏振光返回光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是不相同的； 在这两种情况下， 光电检测器 12接收到的光信号强度有所不同， 由此则可以计算出光纤环 16转动的角速 度。 自干涉型全光纤陀螺仪问世以来的数十年间， 这个 "最小互易结构"从未受到过挑 战。参考文献： ( 1 ) Herve C. Lefevre, "The Fiber-Optic Gyroscope", Artec House, Boston, 1993. (2) 光纤陀螺原理与技术， 张桂才编著， 国防工业出版社， 2008年。 发明内容

本发明的目的是提供一种新的最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪。这种新的最小互 易结构光纤陀螺仪只需五个光学元件。 附图 1中的光源耦合器是通常意义的耦合器， 它 只用于对光信号的分路。本发明依据熔锥型熊猫保偏光纤耦合器的特点， 制作或挑选能 同时对输入光信号进行分路并对且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振这两项功能的熔 锥型熊猫保偏光纤耦合器作为光源耦合器，从而使干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构 从 6个光学元件减为 5个光学元件， 省略了起偏振器（或消偏振器）。

本发明的技术方案为：

一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪， 其特征在于包括偏振光源、 检测单元、 光 源親合器、 光环耦合器、 保偏光纤环； 所述光源耦合器的端口①与所述偏振光源的输出 端对轴连接， 且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单元连接， 所述 光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接，所述光环耦合器与所述保偏光 纤环对轴连接； 其中， 所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分路并仅对沿直通臂传输 的光信号起偏振， 所述端口①与所述端口③为所述光源耦合器一直通臂上的两个端口。

进一步的， 所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比 20dB。

进一步的，所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合 器。

进一步的， 所述光源耦合器为 2 X2或 1 X2结构的耦合器。

进一步的， 所述光环耦合器为 2X 2或 1 X2结构的耦合器。

进一步的， 所述偏振光源为超辐射发光二极管。

进一步的， 所述检测单元为光电检测二极管。

进一步的， 所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。

相对于干涉型全光纤陀螺仪的现有 "最小互易结构"， 本发明的干涉型全光纤陀螺 仪是更小的最小互易结构，该最小互易结构包括：超辐射发光二极管、光电检测二极管、 光源耦合器、 光环耦合器和光纤环共 5个光学元件， 如附图 2所示， 连接方式为- 超辐射发光二极管 21 (输出的是椭圆偏振光或圆偏振光） 与光源耦合器 23的①端 口相连接， 光电检测二极管 22与光源耦合器 23的②端口相连接， 光源耦合器 23的③ 端口与光环耦合器 24的①端口相连接， 光源耦合器 24的④端口空闲不用， 光环耦合器 24的③、④端口分别与光纤环 25的两个端口相连接；光环耦合器 24的②端口是非互易 端口， 空闲不用。

其中光源耦合器 23具有以下特点： 它的直通臂对光信号具有分光和起偏振两项功 能； 它的耦合臂对光信号仅具有分光功能。现有陀螺仪结构中的光源耦合器则只用作分 光， 分光后输出的光通过起偏器起偏振。 本发明中的光源耦合器也不同于偏振分束器， 它的直通臂和耦合臂分别传输偏振面相互垂直的线偏振光， 即能对圆偏振光和椭圆偏振 光信号起偏振， 但不能对线偏振光进行分光。

与现有技术相比， 本发明的积极效果为：

本发明将光纤陀螺仪的最小结构由传统的 6光学元件结构改进为 5光学元件结构， 这样， 不仅降低了干涉型全光纤陀螺仪的结构复杂度、 降低了生产成本， 而且提高了陀 螺仪的可靠性， 同时由于减小了熔接点， 省略了起偏器， 减小了光路损耗， 从而进一步 提高了陀螺仪的精度。 附图说明

图 1是经典的干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构光路示意图；

其中： 11一超辐射发光二极管； 12—光电检测二极管； 13—光源耦合器； 14一起偏 器； 15—光环耦合器； 16—光纤环。 光源耦合器 13的①-③、 ②-④为直通臂， 具有分 光功能； ①-④、 ②-③为耦合臂， 具有分光功能。

图 2是本发明的最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪的光路结构示意图；

其中： 21—超辐射发光二极管； 22—光电检测二极管； 23—光源耦合器； 24—光环 耦合器； 25—保偏光纤环。 光源耦合器 23的① -③、 ②-④为直通臂， 对线偏振光具有 分光功能， 对圆偏振光和椭圆偏振光具有起偏振功能； ①-④、 ②-③为耦合臂， 仅具有 分光功能。 具体实施方式

下面结合附图进一步详细地说明本发明。

如附图 2所示， 本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪包括： 超辐射发光二极管 21、 光电检测二极管 22、光源耦合器 23、光环耦合器 24和保偏光纤环 25共五个光学元件。

超辐射发光二极管 21可以输出圆偏振光、 椭圆偏振光或线偏振光信号， 然后将超 辐射发光二极管 21输出的偏振光输入到光源耦合器 23的①、②、③或④端口中的任意 一个端口， 本实施例中选取①端口为输入端口， 如图 2所示。 光源耦合器 23将输入的 光信号分为两路并分别从①、②或③、 ④端口输出； 从①或②端口输入则从③、④端口 输出； 从③或④端口输入则从①、②端口输出， 本实施例中选取同一侧的③、 ④端口作 为输出端口， 如图 2所示。 其中， 与输入端口直通的端口输出的光信号是线偏振光（偏 振消光比 2(^8)， 与输入端口不直通的端口输出的光信号是椭圆偏振光或圆偏振光。 椭圆偏振光或圆偏振光闲置不用， 线偏振光则输入光环耦合器 24的①、 ②、 ③或④端 口中的任意一个端口， 本实施例中选取①端口为输入端口， 如图 2所示。下面以光源耦 合器 23的①端口接超辐射发光二极管 21的信号输出端口为例进行说明， 如图 2所示。

光源耦合器 23的①端口与超辐射发光二极管 1的信号输出端口对轴连接； 光源耦 合器 23对输入的偏振光具有分路并对且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振的功能， 经 光源耦合器 23的输出端口③输出的光为线偏振光，光源耦合器 23的端口③与光环耦合 器 24的端口①对轴连接，光环耦合器 24将输入的线偏振光信号分为功率相等的两路线 偏振光， 并分别从③、 ④端口输出。 光环耦合器 24的③、 ④端口输出的光信号分别从 保偏光纤环 25的两个端口输入并沿顺时针和反时针方向传输。两路沿保偏光纤环 25相 对传输的线偏振光经过光纤环 25传输后又返回到光环耦合器 24， 并在光环耦合器 24 内实现相干叠加。 相干叠加后的光信号分又为两路线偏振光， 并分别从光环耦合器 24 的①、 ②端口输出。 其中， 从光环耦合器 24的①端口输出的线偏振光中： 从光环耦合 器 24的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光信号经过光环耦合器 24的直通臂 和耦合臂各一次， 沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合器 24的直通臂和耦合 臂各一次。 因此， 从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线 偏振光返回到光环耦合器 24的①端口时所经过的光程是相同的， 无差别， 可互易。 所 以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光， 输出互易光的端口也被称为互易端口。 然而，从光环耦合器 24的②端口输出的线偏振光中：从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器 24的直通臂共两次， 沿反时针方向传输 的线偏振光经过光环耦合器 24的耦合臂共两次，因此从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线偏振光到达光环耦合器 24的②端口时所经过的光程是 不相同的， 所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光， 输出非互易光的端口也 被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪检测信号使用，因此闲置不用， 互易光信号则输入光源耦合器 23的③端口。光源耦合器 23将③端口输入的光信号分为 两路， 其中一路经过光源耦合器 23的②端口输入光电检测二极管并形成干涉型全光纤 陀螺仪的接收信号。 该接收信号经过解调、放大和信号处理， 则可得到干涉型全光纤陀 螺仪的输出角速度。

由附图 2可知， 本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪只有 5个光学元件。

本发明涉及的光源耦合器 23是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器， 其特征在于： 若光源 耦合器 23的输入光信号为偏振光（线偏振、 圆偏振或椭圆偏振)， 则其直通臂输出的光 信号为线偏振光 （偏振消光比 20dB)， 而耦合臂输出的光信号为椭圆偏振光或圆偏振 光。 光源耦合器 23可以通过现有的熔锥型熊猫保偏光纤耦合器的制备方法进行制备， 也可以对现有的光源耦合器进行检测， 选取适合的（即同时对输入光信号进行分路并对 且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振）耦合器作为本发明的光源耦合器。

本发明涉及的光环耦合器 24是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器， 其特征在于： 若光环 耦合器 24的输入光信号为线偏振光信号， 其两路输出光信号都是线偏振光。

本发明涉及的光纤环 25是采用熊猫保偏光纤绕制的光纤线圈， 当然也可以采用其 他保偏光纤绕制的光纤线圈。

Claims

权利要求书

1. 一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪， 其特征在于包括偏振光源、 检测单元、 光 源耦合器、 光环耦合器、 保偏光纤环； 所述光源耦合器一侧的端口①与所述偏振光 源的输出端对轴连接， 且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单 元连接， 所述光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接， 所述光环耦 合器与所述保偏光纤环对轴连接； 其中， 所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分 路并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振， 所述端口①与所述端口③为所述光源耦合 器一直通臂上的两个端口。

2. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光 比 20dB。

3. 如权利要求 1或 2所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫保 偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。

4. 如权利要求 3所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器为 2X 2或 1 X2结构的耦 合器。

5. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述光环耦合器为 2 X2或 1 X2结构的耦 合器。

6. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述偏振光源为超辐射发光二极管。

7. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述检测单元为光电检测二极管。

8. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线 圈。