雙環諧振型光纖陀螺的製作方法
2023-04-23 17:25:11
專利名稱：雙環諧振型光纖陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學陀螺，特別是涉及一種光纖陀螺，屬於陀螺技術領域。
背景技術：
光學陀螺(OG)由於捨棄了傳統機械陀螺(MG)所必須的「高速旋轉轉子」，因而具備諸如結構簡單、工作可靠、動態範圍寬、單軸靈敏度高、功耗低、便於數位化輸出並能和計算機相連等一系列優點，目前在國內外各種精度要求的場合中，均已獲得了成功的應用，並大大推動了慣性技術的向前發展。
光纖陀螺是在光學陀螺的基礎上發展起來的。根據提取兩相向光束作用信息的不同，可把光纖陀螺大致分為幹涉型光纖陀螺(I-FOG)、諧振型光纖陀螺(R-FOG)和布裡淵型光纖陀螺(B-FOG)等三大類。其中，B-FOG尚處在原理性研究階段。與光學陀螺(即雷射陀螺)一樣，光纖陀螺(FOG)的基本原理也是基於薩格奈克(Sagnac)效應，所不同的只是用光纖環取代了雷射陀螺中的環型腔，並把光源(雷射器)多置於構成環形光路的光纖環之外。由於光纖陀螺(尤其是I-FOG和R-FOG)克服了雷射陀螺的「閉鎖效應」這一難題，既保留了雷射陀螺的優點，又具有更寬的動態範圍、極短的啟動時間、易於集成進而實現小型化等優點，尤其是自20世紀80年代中期國外研製出可實用化的中精度(0.1-10°/h)幹涉型光纖陀螺、並開始用於飛機和戰術飛彈的慣性導航和慣性制導系統以來，國外在這方面的研究很活躍，相繼研製出漂移率達到0.005°/h，甚至低於0.001°/h的慣導級高性能干涉型光纖陀螺，直到最近，美國Honeywell公司又研製成功了漂移率為0.00038°/h的精密陀螺(這是迄今為止漂移率最小的高精度幹涉型光纖陀螺)，把陀螺的檢測靈敏度和解析度提高了幾個數量級。同時，光纖陀螺既能滿足對精度要求較高場合的需要，也能滿足對精度要求不太高的民用領域的用戶需求，因而其已成為一個越來越受到世界各國軍方和科技界重視的有廣闊應用前景的研發領域。
儘管到目前為止，有關光纖陀螺研究所取得的性能突破和實用化進展均集中於I-FOG，但從工作原理上而言，R-FOG比I-FOG更具如下優勢，主要表現在(1)尺寸小，成本低，非常便於集成；(2)受溫度、偏振及其它噪聲的影響要比I-FOG小得多；(3)光源譜寬窄，因而光源穩定性好。當然，光源譜寬窄又會產生新的矛盾，因為光源譜寬窄就意味著其相干性強，光源的相干性強對於降低陀螺中的各種噪聲或寄生效應是十分不利的，這也正是目前影響諧振型光纖陀螺進入實用化的關鍵所在。
研究表明影響R-FOG精度的主要因素包括有瑞利(Rayleigh)後向散射、菲涅耳(Fresnel)反射、克爾(Kerr)效應、法拉第(Faraday)旋轉和溫度漂移、偏振波動等幾大噪聲及由於單環結構引起的其他寄生效應。為了減小單環情況下各相關噪聲的影響，人們已分別通過採取減小順時針光或逆時針光的載波及光強的大小、反饋式數字頻率跟蹤、在保偏光纖焊接處進行90°的偏振主軸旋轉以及減小保偏光纖環中的彎曲部分等技術措施來抑制或去除，雖然用這些辦法獲得了一定的效果，但這些方法大多都是以犧牲其它性能為代價換來的；比如，降低諧振腔中相向光的光強雖然可以抑制瑞利後向散射和克爾效應噪聲，但這樣做的結果就意味著降低了系統的信噪比，對提高FOG的檢測靈敏度和解析度是不利的。
發明的內容本發明的目的是提供一種能從源頭上去除或抑制幾類噪聲對信號光的幹擾，具有較高檢測靈敏度和解析度的雙環諧振型光纖陀螺。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種雙環諧振型光纖陀螺，它包括具有光源、信號分束器、諧振信號檢測器和信號諧振環的光纖陀螺本體，其特徵在於它還包括兩個2×2光波導耦合器，所述信號諧振環為兩個同質料的光纖諧振環，所述兩個光纖諧振環分別與所述光波導耦合器耦合相連。
為了使陀螺精度更高，對所述雙光纖諧振環的腔長進行互易調製是優選的技術方案，為此，所述光纖陀螺中還應包括諧振環腔長互易調製器、保證腔長互易的調製信號發生器和信號開關。
為了提高陀螺標度因數的線性度和穩定性，所述光纖陀螺中還包括信號偏置調製器、偏置調製信號發生器、偏置信號解調器和信號光頻率調製器。
在滿足精度要求的前提下，只要誤差在允許的範圍內，也可以不對因工藝製造所帶來的雙諧振環長度誤差進行互易性補償調製。
在使用中，優選的技術方案是所述兩個光纖諧振環大小相等，且上下平行疊放在一起的。
所述兩個光纖諧振環中，一個是傳送順時針光信號的諧振環，另一個是傳送逆時針光信號的諧振環，使原本只在一個光纖諧振環中共環相向傳播的兩個信號光，改為在兩個獨立光纖諧振環中互不影響地分別傳播，從而可有效地抑制或去除在單光纖環諧振型陀螺中由瑞利後向散射、菲涅耳反射和克爾效應等相關噪聲和其他寄生效應對信號光的幹擾。
在所述的兩個光纖諧振環中，每個環的信號光的輸入、輸出及其相應檢測器的信號光輸入，都是通過各自環路的2×2光波導耦合器的透射或反射實現的，從而避免了兩束信號光在單環諧振型陀螺中相向傳播時，因共用同一個諧振環和同一個耦合器所產生的交叉幹擾及其它噪聲對陀螺精度的影響。
用雙諧振光纖環替代傳統的單諧振環，可從結構原理上去除或抑制瑞利後向散射噪聲、菲涅耳反射噪聲、克爾效應及其它相關噪聲對陀螺精度的影響。具體理由在於單諧振環情況下，陀螺中的兩束相向信號光，只能共環傳播，兩束光共環傳播既給瑞利後向散射噪聲和菲涅耳反射噪聲提供了影響信號光的機會，也大大加強了克爾效應等其它噪聲；而雙諧振環情況下，兩相向光束分別在各自的諧振環內傳播，這就從結構上破壞了產生上述噪聲的條件，因而給「消除或減弱」單環中存在的上述噪聲提供了可能。
所謂瑞利(Rayleigh)後向散射光，是指由光纖纖芯中存在的雜質粒子、不均勻應力及晶格缺陷錯位所引起的非定向反射光中沿光纖反向傳播的那一部分。因此，順時針(CW，Clockwise)光在諧振環內傳輸時所產生的瑞利後向散射光對於逆時針(CCW，Couter-Clockwise)光便是一種幹擾噪聲，反之亦然。又由於現有諧振型光纖陀螺均使用窄帶強相干光源，所以，該噪聲對諧振型光纖陀螺精度的影響比對幹涉型光纖陀螺精度的影響要大得多。實驗證明，現有克服瑞利後向散射噪聲的方法並不很理想，所以我們提出了一種「雙諧振環結構的光纖陀螺」，讓其代替已有的「單諧振環結構的光纖陀螺」的技術方案，使兩束相向光分別在兩個諧振環中傳輸，來根本去除該噪聲。
所謂菲涅耳(Fresnel)反射光，是指由波導的不連續所引起的與傳輸光方向相反的那一部分光，其影響信號光的機理與瑞利後向散射光相似，因而雙環解決方案也很適合徹底消除該噪聲。
克爾(Kerr)噪聲是由非線性光學克爾效應所引起的。一方面，採用單環時，由於兩相向光束的功率疊加而導致光纖細小芯徑內的光功率密度非常大，這將引起光束的非線性傳播，使兩反向光波的功率出現不平衡，從而產生一個非互易的頻率誤差；另一方面，由於耦合器分光比不能嚴格保證為1∶1而導致兩反向光波之間出現功率差，也會由於克爾效應而產生一個相應的非互易頻率誤差。雖然可以通過降低光纖中的光功率來減小該頻率誤差，但這同時也降低了陀螺的精度。目前還沒有簡單的方法能從根本上降低克爾效應所帶來的誤差。若採用雙諧振環技術，一則完全消除了由兩束共環光之間的功率差所帶來的非互易噪聲，二則大大減小了每個環中各自的光功率密度，以致於可忽略克爾效應對單束光的影響。這也意味著從根本上消除了克爾噪聲對諧振型光纖陀螺精度的影響，並可降低對分光器件的性能要求。
如
圖1所示，本發明中的兩個諧振環7和8是平行疊放在一起的，其中，順時針光和逆時針光分別運行在順時針光諧振環7和逆時針光諧振環8裡面。與圖2所示的現有單諧振環光纖陀螺相比，在雙諧振環結構的光纖陀螺中儘管多用了一個諧振環，但少用了一個2×2的耦合器，這樣不僅可以有效地去除上面提及的各種噪聲，而且還可以避免單環諧振型光纖陀螺中的其它許多噪聲，例如交叉耦合噪聲等。從附圖2所示的單環結構可以看出它的順、逆兩束光均由同一個耦合器11導入諧振環12，環中的兩諧振光也通過該耦合器透射出一部分來；在另外兩個耦合器5和6處，也有類似的問題。由波導理論可知在順、逆光之間，透射光之間，順、逆光和透射光之間，均存在著相互耦合幹擾；分束器2和光源1之間也均會受到回返光的幹擾。這一系列因素無疑將影響陀螺的精度和綜合性能。而在雙環諧振型光纖陀螺結構中，由於不存在由兩相向光共環或共路所導致的共器件情形，因而也就沒有上述的問題。
為了克服工藝製作上可能的誤差以保證雙環腔長的互易性，從而滿足對陀螺更高精度的要求，本發明提出了對雙環進行腔長調製的必要性。如圖3所示，在雙諧振環中分別增加了一個腔長調製器9和10，首先用常規方法判別出雙環中較短的那個環後，將與之相連的開關15或16接通，通過信號發生器13進行相應調製，便可保證腔長的互易性。
從以上的說明中可以明顯看出用所述的雙環結構的諧振型光纖陀螺，替代公知的單環結構諧振型光纖陀螺，使原本只在一個光纖諧振環中共環相向傳播的兩個信號光，改為在兩個獨立光纖諧振環中互不影響地分別傳播，而且每個環的信號光的輸入、輸出，都是通過只屬於本環路自身的2×2光波導耦合器的透射或反射實現的，從而既可有效地避免在所述單環陀螺中因共環、共耦合器導致的瑞利(Rayleigh)後向散射、菲涅耳(Fresnel)反射等噪聲的影響，又可從源頭上克服克爾(Kerr)噪聲對陀螺精度的影響，並可降低對分光器件的性能要求。
本發明由於突破了現有的單光纖諧振環結構的傳統設計思路，用兩個同質料的光纖諧振環，替代公知的單環結構陀螺中順、逆時針共用的諧振環，使原本只在一個光纖諧振環中共環相向傳播的兩個信號，改為在兩個獨立光纖諧振環中互不影響地分別傳播，而且每個環的信號輸入、輸出，都是通過只屬於本環路自己的2×2耦合器的透射或反射實現的，從而避免了單光纖環諧振型陀螺中因共環、共耦合器所產生的交叉幹擾及其他噪聲對陀螺精度的影響，具有較高檢測靈敏度和解析度，在傳感領域具有重要的應用價值。本發明的出現與普及，將對飛行器導航、武器制導控制以及機器人與交通運載工具的發展起到積極的推動作用。
說明書附1為雙諧振環結構示意圖；圖2為單諧振環結構示意圖；圖3為採用雙諧振環的光纖陀螺開環結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖3所示，本發明包括諧振型陀螺的信號光源1；光信號分束器2；順時針諧振光信號檢測器3；逆時針諧振光信號檢測器4；2×2光波導耦合器5；2×2光波導耦合器6；順時針光信號諧振環7；逆時針光信號諧振環8；順時針光諧振環腔長調製器和順時針光信號偏置調製器9；逆時針光諧振環腔長調製器和逆時針光信號偏置調製器10；2×2光波導耦合器11；順、逆時針光信號共享的諧振環12；保證腔長互易的調製信號發生器13；偏置調製信號發生器14；第一開關15；第二開關16；第一信號解調器17；第二信號解調器18；解調後的順時針旋轉信號19；解調後的逆時針旋轉信號20；頻率調製器21。
分束器2將信號光源1發出的信號光分束，一束經由2×2耦合器5進入順時針光諧振環7，另一束則通過2×2耦合器6進入逆時針光諧振環8，順、逆時針環內的信號光均受到信號發生器14相同的偏置調製，以提高標度因數的線性度和穩定性。其中，順時針光諧振環內的諧振信號光，通過2×2耦合器5的透射埠進入相應的信號光檢測器3，其輸出信號再通過解調器17完成偏置解調，便得到相應的旋轉信號光19，利用該信號再控制信號光頻率調製器21，對從信號光源發出的信號光進行調製，以保證信號光源頻率和順時針環的諧振頻率一致；逆時針光諧振環內的諧振信號光通過2×2耦合器6的透射埠，進入相應的信號光檢測器4，其輸出信號再通過解調器18完成偏置解調，便得到相應的旋轉信號20，由該信號就可獲得所需的旋轉速率。
權利要求
1.一種雙環諧振型光纖陀螺，它包括具有光源、信號分束器、諧振信號檢測器和信號諧振環的光纖陀螺本體，其特徵在於它還包括兩個2×2光波導耦合器；所述信號諧振環為兩個同質料的光纖諧振環，所述兩個光纖諧振環分別與所述光波導耦合器耦合相連。
2.如權利要求1所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是所述光纖陀螺中還包括諧振環腔長互易調製器、保證腔長互易的調製信號發生器和信號開關。
3.如權利要求1或2所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是所述光纖陀螺中還包括信號偏置調製器、偏置調製信號發生器、偏置信號解調器和信號光頻率調製器。
4.如權利要求1或2所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是所述光纖陀螺中的兩個光纖諧振環大小相等，且上下平行疊放在一起的。
5.如權利要求1或2所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是所述兩個光纖諧振環中，一個是傳送順時針光信號的諧振環，另一個是傳送逆時針光信號的諧振環。
6.如權利要求1或2或3所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是所述信號為雷射信號。
7.如權利要求1或2所述的雙環諧振型光纖陀螺，其特徵是在所述的兩個光纖諧振環中，每個環的信號光的輸入、輸出及其相應檢測器的信號光輸入，都是通過各自環路的2×2光波導耦合器的透射或反射實現的。
全文摘要
本發明公開了一種雙環諧振型光纖陀螺，本發明的目的是提供一種具有較高檢測靈敏度和解析度的雙環諧振型光纖陀螺。該陀螺能從源頭上去除或抑制傳統單環諧振型陀螺中的幾類對信號光產生幹擾的噪聲。本發明的技術方案如下一種雙環諧振型光纖陀螺，它包括具有光源、信號分束器、諧振信號檢測器和信號諧振環的光纖陀螺本體，其特徵在於它還包括兩個2×2光波導耦合器，所述信號諧振環為兩個同質料的光纖諧振環，所述兩個光纖諧振環分別與所述光波導耦合器耦合相連。本發明的出現與普及，將對飛行器導航、武器制導控制以及機器人與交通的發展起到積極的推動作用。
文檔編號G01C19/58GK1506657SQ0215396
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月6日 優先權日2002年12月6日
發明者祝曙光, 徐安士, 李正斌, 吳德明, 王大鵬 申請人:北京大學