專利名稱：空間光路的干涉式微光機電陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角速度測量裝置，具體地說，是指一種建立在光學(xué)SAGNAC效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種光在空間光路傳輸，利用微機電技術(shù)和集成光學(xué)技術(shù)進行加工，利用干涉技術(shù)和數(shù)字閉環(huán)技術(shù)實現(xiàn)測量的微光機電陀螺。
背景技術(shù)：
光學(xué)陀螺是基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，在慣性空間通常薩格奈克效應(yīng)可以描述為“在同一閉合回路中，沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳播的兩束光，圍繞垂直于回路的軸的轉(zhuǎn)動將引起兩束光之間相位差的變化，該相位差的大小與光回路旋轉(zhuǎn)速率成比例關(guān)系”。Sagnac效應(yīng)的原理圖如圖1所示，圖中，圓形代表光傳輸?shù)穆窂?，點S為兩束相向傳輸?shù)墓庾⑷朦c，Ω為順時針旋轉(zhuǎn)角速度。在慣性空間，當(dāng)陀螺靜止時，兩束光回到S點時所經(jīng)歷的光程相同，因此不會產(chǎn)生相位差；當(dāng)陀螺以角速度Ω順時針旋轉(zhuǎn)時，注入點S轉(zhuǎn)到了S′處，沿順時針方向傳播的光束將比沿逆時針方向傳播的光束經(jīng)歷的光程要長，因此會產(chǎn)生相位差。而此相位差Δφ與光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度Ω成比例關(guān)系Δφ=8πΣAλcΩ,]]>式中∑A為光路所圍的總面積，c為光在真空中的傳播速度，λ為入射光的波長。
干涉式光學(xué)陀螺是一種新型的角速率傳感器，與機械陀螺相比，具有全固態(tài)、對重力不敏感、啟動快等優(yōu)點；與環(huán)形激光陀螺相比，無高電壓電源、無機械抖動；另外，還具有重量輕、壽命長、成本低的優(yōu)勢。在航空、航天、航海等軍用領(lǐng)域及地質(zhì)、石油勘探等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著應(yīng)用領(lǐng)域需要的發(fā)展，目前對陀螺體積和重量提出了更高的要求，要求體積更小，成本更低。而光纖陀螺的體積受到光纖環(huán)的限制，因此，綜合微型化與光學(xué)高靈敏度的微光機電陀螺的研究引起了國際上廣泛的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空間光路的干涉式微光機電陀螺，該陀螺為了減小系統(tǒng)的尺寸和重量，對轉(zhuǎn)動敏感結(jié)構(gòu)光路部分進行了優(yōu)化設(shè)計。在本發(fā)明中利用微加工技術(shù)加工光學(xué)反射面，并按照一定的空間尺寸排列，在較小的空間實現(xiàn)平面螺旋式光路，使光路得到延長。配合光路、電路、結(jié)構(gòu)等組件，構(gòu)成空間光路的干涉式微光機電陀螺。這樣不僅減小體積、降低成本，而且也有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明的一種空間光路的干涉式微光機電陀螺，由光源組件、光電探測器、陀螺控制裝置以及空間光路結(jié)構(gòu)件組成，所述光源組件由光源、耦合器、調(diào)制器、第一光纖準直器和第二光纖準直器構(gòu)成，光源的尾纖和光電探測器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根入纖熔接，耦合器的一根尾纖與調(diào)制器的入纖熔接，調(diào)制器的兩根尾纖分別與第一光纖準直器和第二光纖準直器熔接，第一光纖準直器和第二光纖準直器準直后的平行光射入空間光路結(jié)構(gòu)件中；光電探測器的信號輸出端與陀螺控制裝置的信號輸入端連接，陀螺控制裝置的光源驅(qū)動電路輸出高穩(wěn)定的恒流信號給光源。
所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其空間光路結(jié)構(gòu)件由第一面反射鏡、第二面反射鏡、第三面反射鏡、第四面反射鏡和反射鏡基座構(gòu)成，第二面反射鏡、第三面反射鏡和第四面反射鏡分別安裝在正四邊形的反射鏡基座的第二邊、第三邊和第四邊上，并且第二面反射鏡、第三面反射鏡和第四面反射鏡的鏡邊與反射鏡基座的邊重合，第一面反射鏡安裝在正四邊形的反射鏡基座的第一邊上，第一面反射鏡沿反射鏡基座平面向正四邊形中心平移距離b，平移距離b與平面螺旋光路的光束間距a關(guān)系為b=a/2.]]>所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，由光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后部分光注入調(diào)制器中，經(jīng)調(diào)制器起偏、分光、調(diào)制處理后輸出線偏光給第一光纖準直器和第二光纖準直器，線偏光經(jīng)第一光纖準直器和第二光纖準直器準直后輸出平行光給空間光路結(jié)構(gòu)件；第一光纖準直器射出的平行光入射至第二面反射鏡上，平行光經(jīng)第二面反射鏡反射后入射至第三面反射鏡上，平行光經(jīng)第三面反射鏡反射后入射至第四面反射鏡上，平行光經(jīng)第四面反射鏡反射后入射至第一面反射鏡上；第二光纖準直器射出的平行光入射至第四面反射鏡上，平行光經(jīng)第四面反射鏡反射后入射至第三面反射鏡上，平行光經(jīng)第三面反射鏡反射后入射至第二面反射鏡上，平行光經(jīng)第二面反射鏡反射后入射至第一面反射鏡上。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)微光機電陀螺無運動部件、損耗小、體積小、壽命長、易于提高精度。在自由空間傳播的光束可減少損耗；光路可以交叉，甚至是螺旋光路，光路密集，從而可以充分利用空間，利于提高精度；空間傳播，無偏振耦合問題，無背向散射問題，無需密封；無運動部件，提高器件的穩(wěn)定性和壽命。(2)成本低、工藝簡單、易于批量生產(chǎn)。本發(fā)明采用多個反射鏡就可以實現(xiàn)多圈的平面螺旋形光路，而且可以利用微加工的光學(xué)微鏡作為反射鏡，或利用微加工技術(shù)直接在硅材料上加工豎直立面作為反射鏡，還可以用晶體加工反射面，成本得到極大地降低，且利于微鏡位置的精確確定。(3)全數(shù)字閉環(huán)控制電路有效提高了抗干擾能力和陀螺測試動態(tài)范圍；(4)采用空間光路，易于實現(xiàn)三軸集成。


圖1是薩格奈克效應(yīng)原理圖。
圖2是本發(fā)明空間光路結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明微光機電陀螺的信號流程示意圖。
圖4是本發(fā)明空間光路結(jié)構(gòu)件的螺旋光路結(jié)構(gòu)圖。
圖中 1.空間光路結(jié)構(gòu)件 11.第一面反射鏡 12.第二面反射鏡13.第三面反射鏡14.第四面反射鏡 15.反射鏡基座2.陀螺控制裝置31.光源32.耦合器 33.調(diào)制器34.第一光纖準直器35.第二光纖準直器 4.光電探測器具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種空間光路的干涉式微光機電陀螺，由光源組件、光電探測器4、陀螺控制裝置2和空間光路結(jié)構(gòu)件1組成，所述光源組件由光源31、耦合器32、調(diào)制器33、第一光纖準直器34和第二光纖準直器35構(gòu)成，光源31的尾纖和光電探測器4的尾纖分別與光纖耦合器32的兩根入纖熔接，耦合器32的一根尾纖與調(diào)制器33的入纖熔接，調(diào)制器33的兩根尾纖分別與第一光纖準直器34和第二光纖準直器35熔接，第一光纖準直器34和第二光纖準直器35準直后的平行光射入空間光路結(jié)構(gòu)件1中；光電探測器4的信號輸出端與陀螺控制裝置2的信號輸入端連接，陀螺控制裝置2的光源驅(qū)動電路輸出高穩(wěn)定的恒流信號給光源31。
在本發(fā)明中，所述空間光路結(jié)構(gòu)件1由第一面反射鏡11、第二面反射鏡12、第三面反射鏡13、第四面反射鏡14和反射鏡基座15構(gòu)成，第二面反射鏡12、第三面反射鏡13和第四面反射鏡14分別安裝在正四邊形的反射鏡基座15的第二邊、第三邊和第四邊上，并且第二面反射鏡12、第三面反射鏡13和第四面反射鏡14的鏡邊與反射鏡基座15的邊重合，第一面反射鏡11安裝在正四邊形的反射鏡基座15的第一邊上，第一面反射鏡11沿反射鏡基座15平面向正四邊形中心平移距離b，平移距離b與平面螺旋光路的光束間距a關(guān)系為b=a/2,]]>入射到第二面反射鏡12上的線偏光的光束間距a為0.3mm～3mm，則距離b為0.2mm～2mm。由光源31發(fā)出的光經(jīng)過耦合器32后部分光注入調(diào)制器33中，經(jīng)調(diào)制器33起偏、分光、相位調(diào)制處理后輸出線偏光給第一光纖準直器34和第二光纖準直器35，線偏光經(jīng)第一光纖準直器34和第二光纖準直器35準直后輸出平行光給空間光路結(jié)構(gòu)件1。平行光在空間光路結(jié)構(gòu)件1中的光路結(jié)構(gòu)如圖4所示，第一光纖準直器34射出的平行光入射至第二面反射鏡12上，平行光經(jīng)第二面反射鏡12反射后入射至第三面反射鏡13上，平行光經(jīng)第三面反射鏡13反射后入射至第四面反射鏡14上，平行光經(jīng)第四面反射鏡14反射后入射至第一面反射鏡11上。根據(jù)光束間距a的設(shè)定值，平行光在空間光路結(jié)構(gòu)件1中形成多圈平面螺旋光路結(jié)構(gòu)?？臻g光路結(jié)構(gòu)件1中輸出的光進入第二光纖準直器35，經(jīng)調(diào)制器33加載控制信號、干涉以及偏振濾波后通過耦合器32進入光電探測器4。第二光纖準直器35射出的平行光入射至第四面反射鏡14上，平行光經(jīng)第四面反射鏡14反射后入射至第三面反射鏡13上，平行光經(jīng)第三面反射鏡13反射后入射至第二面反射鏡12上，平行光經(jīng)第二面反射鏡12反射后入射至第一面反射鏡11上。根據(jù)光束間距a的設(shè)定值，平行光在空間光路結(jié)構(gòu)件1中形成多圈平面螺旋光路結(jié)構(gòu)?？臻g光路結(jié)構(gòu)件1中輸出的光進入第一光纖準直器34，經(jīng)調(diào)制器33加載控制信號、干涉以及偏振濾波后通過耦合器32進入光電探測器4。在空間光路結(jié)構(gòu)件1中的兩路光所走的路線相同，但方向相反?？臻g光路結(jié)構(gòu)件1中形成的平面螺旋光路結(jié)構(gòu)增加了光路的長度，增強了Sagnac效應(yīng)，提高了陀螺的靈敏度。
在本發(fā)明中，反射鏡基座15是邊數(shù)為偶數(shù)的正多邊形，如正四邊形或者正六邊形或者正八邊形。
陀螺控制裝置在本發(fā)明中的控制電路至少包括FPGA、信號轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制器驅(qū)動電路(參見圖3所示)，F(xiàn)PGA接收經(jīng)由探測器輸出的光強電壓信號經(jīng)前放電路放大、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號，F(xiàn)PGA對接收的數(shù)字信號處理后輸出相位補償電壓信號給D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)制驅(qū)動電路，經(jīng)調(diào)制驅(qū)動電路解調(diào)后輸出電壓信號控制調(diào)制器進行相位調(diào)制保持干涉光強恒定。本設(shè)計采用閉環(huán)檢測控制方式。由于垂直于空間光路結(jié)構(gòu)件1中的反射鏡基座15的角速率導(dǎo)致空間光路結(jié)構(gòu)件1中相向傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生相位差，從而導(dǎo)致輸出的干涉光強信號相應(yīng)變化，該干涉光光強信號被探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號經(jīng)前放電路放大處理后輸出給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給FPGA，F(xiàn)PGA對接收的數(shù)字信號進行處理后輸出相位補償電壓信號給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬信號輸出給調(diào)制器驅(qū)動電路，調(diào)制器驅(qū)動電路輸出電壓信號控制調(diào)制器進行相位調(diào)制，使得干涉光強保持恒定。FPGA選取XC2V50芯片，A/D轉(zhuǎn)換器選取AD7854芯片，D/A轉(zhuǎn)換器選取AD569芯片。
陀螺的整體信號流程可以分為光路和電路兩部分(參見圖3所示)，其中，光電探測器4和調(diào)制器33分別完成光電、電光的信號轉(zhuǎn)換。光源驅(qū)動電路給光源31提供高穩(wěn)定的恒流驅(qū)動并完成光源內(nèi)部的恒溫控制，使光源31發(fā)出的光功率、光譜穩(wěn)定。光源31發(fā)出的光經(jīng)耦合器32至調(diào)制器33，光經(jīng)調(diào)制器33完成起偏、分光和加載控制信號，兩束光分別經(jīng)第一光纖準直器34和第二光纖準直器35后進入空間光路結(jié)構(gòu)件中，兩束光在空間光路結(jié)構(gòu)件1中沿相反方向的空間光路傳播，后通過第一光纖準直器34和第二光纖準直器35進入調(diào)制器33，又通過調(diào)制器33加載控制信號、干涉(合光)以及偏振濾波后通過耦合器32進入光電探測器4。光信號在光電探測器4中完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)前放電路完成模擬放大和濾波，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由FPGA完成信號的解調(diào)、濾波、積分等工作后輸出兩路信號，其中一路送到載體的下位機完成引導(dǎo)解算；另一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至調(diào)制器驅(qū)動電路，經(jīng)調(diào)制器驅(qū)動電路解調(diào)后輸出電壓信號控制調(diào)制器進行相位調(diào)制保持干涉光強恒定，這樣就實現(xiàn)了控制部分的全數(shù)字式閉環(huán)控制。閉環(huán)控制在相向傳播的兩束光波之間人為引入一個與Sagnac相移大小相等、方向相反的相位差，用以抵消Sagnac相移，使系統(tǒng)始終工作在零相位狀態(tài)，從而擴大了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。相位調(diào)制技術(shù)是指在光路中人為地引入非互易相位，從而使光的相位發(fā)生改變的技術(shù)，是光纖陀螺中的主要技術(shù)之一，相位調(diào)制由相位調(diào)制器來實現(xiàn)，本發(fā)明選取集成光學(xué)調(diào)制器。集成光學(xué)調(diào)制器是一個多功能器件，可實現(xiàn)起偏、分光、相位調(diào)制的功能。
由于角速率導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)敏感結(jié)構(gòu)中相向傳輸?shù)膬墒庀辔话l(fā)生偏置，該偏置經(jīng)調(diào)制器后輸出的干涉光強信號相應(yīng)變化，該干涉光光強信號被探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號經(jīng)前放電路放大處理后輸出給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給FPGA，F(xiàn)PGA對接收的數(shù)字信號進行處理后輸出反相電壓信號給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬信號輸出給調(diào)制驅(qū)動電路，調(diào)制驅(qū)動電路輸出電壓信號控制調(diào)制器進行相位調(diào)制，使得干涉光強保持恒定。
權(quán)利要求
1.一種空間光路的干涉式微光機電陀螺，由光源組件、光電探測器(4)、陀螺控制裝置(2)，其特征在于還有空間光路結(jié)構(gòu)件(1)組成，所述光源組件由光源(31)、耦合器(32)、調(diào)制器(33)、第一光纖準直器(34)和第二光纖準直器(35)構(gòu)成，光源(31)的尾纖和光電探測器(4)的尾纖分別與光纖耦合器(32)的兩根入纖熔接，耦合器(32)的一根尾纖與調(diào)制器(33)的入纖熔接，調(diào)制器(33)的兩根尾纖分別與第一光纖準直器(34)和第二光纖準直器(35)熔接，第一光纖準直器(34)和第二光纖準直器(35)準直后的平行光射入空間光路結(jié)構(gòu)件(1)中；光電探測器(4)的信號輸出端與陀螺控制裝置(2)的信號輸入端連接，陀螺控制裝置(2)的光源驅(qū)動電路輸出高穩(wěn)定的恒流信號給光源(31)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于所述空間光路結(jié)構(gòu)件(1)由第一面反射鏡(11)、第二面反射鏡(12)、第三面反射鏡(13)、第四面反射鏡(14)和反射鏡基座(15)構(gòu)成，第二面反射鏡(12)、第三面反射鏡(13)和第四面反射鏡(14)分別安裝在正四邊形的反射鏡基座(15)的第二邊、第三邊和第四邊上，并且第二面反射鏡(12)、第三面反射鏡(13)和第四面反射鏡(14)的鏡邊與反射鏡基座(15)的邊重合，第一面反射鏡(11)安裝在正四邊形的反射鏡基座(15)的第一邊上，第一面反射鏡(11)沿反射鏡基座(15)平面向正四邊形中心平移距離b，平移距離b與平面螺旋光路的光束間距a關(guān)系為b=a/2.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于入射到第二面反射鏡(12)上的線偏光的光束間距a為0.3mm～3mm，則距離b為0.2mm～2mm；入射到第四面反射鏡(14)上的線偏光的光束間距a為0.3mm～3mm，則距離b為0.2mm～2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于由光源(31)發(fā)出的光經(jīng)過耦合器(32)后部分光注入調(diào)制器(33)中，經(jīng)調(diào)制器(33)起偏、分光、調(diào)制處理后輸出線偏光給第一光纖準直器(34)和第二光纖準直器(35)，線偏光經(jīng)第一光纖準直器(34)和第二光纖準直器(35)準直后輸出平行光給空間光路結(jié)構(gòu)件(1)；第一光纖準直器(34)射出的平行光入射至第二面反射鏡(12)上，平行光經(jīng)第二面反射鏡(12)反射后入射至第三面反射鏡(13)上，平行光經(jīng)第三面反射鏡(13)反射后入射至第四面反射鏡(14)上，平行光經(jīng)第四面反射鏡(14)反射后入射至第一面反射鏡(11)上；第二光纖準直器(35)射出的平行光入射至第四面反射鏡(14)上，平行光經(jīng)第四面反射鏡(14)反射后入射至第三面反射鏡(13)上，平行光經(jīng)第三面反射鏡(13)反射后入射至第二面反射鏡(12)上，平行光經(jīng)第二面反射鏡(12)反射后入射至第一面反射鏡(11)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于設(shè)定光束間距a值，平行光在空間光路結(jié)構(gòu)件(1)中形成多圈平面螺旋光路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于反射鏡基座(15)是邊數(shù)為偶數(shù)的正多邊形結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間光路的干涉式微光機電陀螺，其特征在于反射鏡基座(15)是正四邊形或者正六邊形或者正八邊形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間光路的干涉式微光機電陀螺，由光源組件、光電探測器、陀螺控制裝置以及空間光路結(jié)構(gòu)件組成，光源的尾纖和光電探測器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根入纖熔接，耦合器的一根尾纖與調(diào)制器的入纖熔接，調(diào)制器的兩根尾纖分別與第一光纖準直器和第二光纖準直器熔接，第一光纖準直器和第二光纖準直器準直后的平行光射入空間光路結(jié)構(gòu)件中；光電探測器的信號輸出端與陀螺控制裝置的信號輸入端連接，陀螺控制裝置的光源驅(qū)動電路輸出高穩(wěn)定的恒流信號給光源。本發(fā)明的微光機電陀螺由于光束間距a的設(shè)定值不同，平行光在空間光路結(jié)構(gòu)件中形成多圈平面螺旋光路結(jié)構(gòu)，增加了光路的長度，增強了Sagnac效應(yīng)，提高了陀螺的靈敏度。
文檔編號G01P9/00GK1687790SQ200510077020
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月15日
發(fā)明者張春熹, 劉惠蘭, 林恒, 馮麗爽, 宋彥泓 申請人:北京航空航天大學(xué)