專利名稱：Mz諧振干涉原理的光纖陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺儀，尤其是一種MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種無機械轉(zhuǎn)子的新型全固態(tài)慣性儀,具有壽命長、啟動快、精度高、動態(tài)范 圍寬等優(yōu)點，在航空航天、武器導(dǎo)航等領(lǐng)域起到了極為關(guān)鍵的作用。當(dāng)前光纖陀螺主要采用基 于Sagnac原理的干涉式光纖陀螺(IFOG)、諧振式光纖陀螺(RF0G)兩種方案。干涉式光纖陀螺 相對比較成熟，為了提高系統(tǒng)探測精度降低噪聲,采用了超輻射發(fā)光光源(SLD)及長達數(shù)百米 的保偏光纖線圈，同時也帶來了系統(tǒng)體積重量較大,系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、成本較高的缺點。諧振 式光纖陀螺采用循環(huán)光束之間的多波干涉的原理，可以在較短的光纖中獲得較高的探測精度， 但需要高相千光源Au〈100kHz、低損耗的保偏耦合器,而且高相干光源也引入了較強的后向 反射散射噪聲；在此之后又提出了一種再入式光纖陀螺(REFOG)，該種陀螺(圖4 )采用低相干 光源(SLD),利用光在諧振腔中相向傳輸?shù)墓鈧鬏斚嗤?shù)后出射干涉的原理，獲得較高的輸 出曲線精細度，通過光放大器有源放大可獲得較高的探測靈敏度，缺點是輸出中包含了大量無 轉(zhuǎn)動信息(直接通過耦合器未進入諧振腔)的光，使其在無源情況下探測靈敏度較低,即使是在 有源情況下，由于增益飽和也給光放大器帶來了負擔(dān)，光放大器的自發(fā)輻射噪聲對光信號影 響也非常大。而且采用SLD始終是陀螺方案中的一種折中，該器件存在工藝技術(shù)較復(fù)雜、輸出 功率較低(一般〈150 iiW)、價格昂貴、光源穩(wěn)定性差等缺點，特別是在諧振式光纖陀螺中無源 情況下多次分光循環(huán)后光非常微弱,給后續(xù)信號處理帶來非常大的難度。為了克服Sagnac干涉式光纖陀螺儀光功率利用率低，正向反向光在同一光路傳輸造成干 擾及信噪比低的缺點，我們在2003年獲得了一種基于MZ(Mach-Zehnder)干涉原理的干涉式 光纖陀嫘儀(03103030.0),該種陀螺儀使用單模半導(dǎo)體激光器,其正向傳輸光路與反向傳輸 光路彼此獨立相互之間不產(chǎn)生干擾，且不存在多次光分路所造成的功率損耗，其原理結(jié)構(gòu)圖 如圖5所示。從激光器發(fā)出的光進入光纖后被3dB耦合器2分束后分別送到長度完全一樣的 兩光纖信號臂Sl端口 aa'和S2端口 bb'中，兩光纖信號臂按同一圓心，同一直徑以相同繞制 方法纏繞在光纖線圈架上形成光纖線圈，光信號分別從Sl臂的端口 a以及S2臂的端口 b輸 入,因此形成的光路傳輸方向彼此反向兩信號臂的輸出端a'b'再與3 dB B耦合器8的兩輸入端 連接，最后干涉信號從耦合器8對接的光探測器9轉(zhuǎn)換成電信號/ ,通過對輸出電信號的測量即可獲得陀螺旋轉(zhuǎn)角速度的信息其中尸為光功率，/7為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，/為MZ—臂長、R為光纖環(huán)半徑、Q為旋轉(zhuǎn)角速度，c 為光速，入為光波長?；贛Z干涉原理的干涉陀螺儀，也存在固有的缺點，其精度、靈敏度比諧振式光纖陀螺低。本發(fā)明的目的是為了克服MZ干涉原理的干涉陀螺儀的臂較長,精度較低的缺點,而提供 了一種MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀,該陀螺儀采用兩臂對稱的雙循環(huán)光束之間的MZ多波束千涉的原理，可以用較短的光纖臂實現(xiàn)非常長的帶轉(zhuǎn)動角速度信號的光路,而且輸出信號不含 無轉(zhuǎn)動信息的光。本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現(xiàn)發(fā)明內(nèi)容一種MZ諧振干涉原理的光纖陀嫘儀(圖l)，該陀蠊儀包括光源、耦合器及光檢測裝 置；其中包括由MZ干涉的兩光纖臂并行繞制的光纖傳感線圈，光纖臂S,的端口b'、 b分別與 耦合器7端口 P.,和耦合器3端口 &對接,光纖臂S2端口 a、 a'分別與耦合器3端口 P,和耦合 器7端口 P3對接,使得MZ兩臂形成環(huán)行腔；耦合器3端口 P4、 P3分別與耦合器2端口 P2、 P:i 對接，耦合器7端口P,、 P2分別與耦合器8端口 P,、 P,對接；其中光源的光經(jīng)耦合器2端口 R 輸入,耦合器8端口 P2、 P3分別接光檢測裝置9。根據(jù)上述裝置，光源至耦合器2設(shè)置隔離器。根據(jù)上述裝置，在光纖臂輸出的一路干涉光路上還可設(shè)相位調(diào)制器。 根據(jù)上述裝置，光源至耦合器2之間設(shè)置消偏器。 所述的光源為單模激光器,包括較大功率的半導(dǎo)體激光器和光纖激光器。 根據(jù)上述裝置,MZ —臂上設(shè)置光纖放大器。 所述的光纖為低損單?；虮Ｆ饫w。 所述的光檢測裝置為探測器。所述的相位調(diào)制器為壓電陶瓷光纖相位調(diào)制器、LiNbO:i集成電光調(diào)制器中的一種。所述的光檢測裝置的信號與信號處理裝置相連。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)中的干涉式、諧振式光纖陀螺技術(shù)的優(yōu)點主要在于1. 本發(fā)明采用了新的工作原理。本發(fā)明將諧振式、MZ干涉式原理結(jié)合起來進行MZ 干涉,它與前述兩種陀螺原理完全不同；按照這一原理它可以獲得與已有光纖陀螺更高的靈敏 度，而整個系統(tǒng)工作可靠,其性價比較高。2. 本發(fā)明山于多次循環(huán)光的緣故，實際信號光經(jīng)歷的路程是MZ臂長的多倍，可以獲 得較高的精度。3. 本發(fā)明采用雙輸出的對比度解調(diào)法,最大程度上抑制了光源波動和外界溫度、濕 度、應(yīng)力、振動對信號光的影響。4. 本發(fā)明由于前向傳輸和對稱結(jié)構(gòu)，沒有再入式光纖陀螺的大量無轉(zhuǎn)動光信息。


圖1是本發(fā)明的實施例一單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明的實施例二單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明的實施例三單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是一種再入式光纖陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是03103030. 0專利的結(jié)構(gòu)示意6是本發(fā)明的實施例四的單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7是本發(fā)明的實施例五的單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖8是本發(fā)明的實施例六的單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖 圖中標(biāo)號說明如下1-光源 2,8, 13-3dB耦合器 3,7-低耦合系數(shù)耦合器 4-相位調(diào)制器 5-光纖線 圈架6-光纖線圈 9-探測器11-消偏器12-起偏器14-lX3耦合器15-光纖放大器具體的實施方式參照圖l,為本發(fā)明的實施例一單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明采 用兩臂對稱的雙循環(huán)光束之間的MZ多波束干涉的原理。從較大功率LD半導(dǎo)體激光器或光纖 激光器發(fā)出的波長為0. 8 y m^l. 6 n tn的激光1進入帶隔離器的單模光纖后被3dB耦合器2分 束后送入MZ輸入耦合器3,兩路輸入光在耦合器3為交叉耦合方式進入MZ兩光纖信號臂Sl 、 S2端口a、 b'，兩光纖信號臂并行繞成光纖傳感線圈3,光信號分別從Sl臂端口a以及S2臂 端口 b進入耦合器4,兩路輸入小部分光在耦合器4同樣為交叉耦合方式進入3dB耦合器5， 大部分光繼續(xù)在MZ臂中循環(huán)，最后兩路多波束干涉信號分別送到光探測器9轉(zhuǎn)換成電信號(雙路輸出形式)；通過對雙路輸出電信號的對比度解調(diào)法獲得陀螺旋轉(zhuǎn)角速度的信息，輸出電信號的交流電流分量, /2與陀螺繞光纖旋轉(zhuǎn)角速度Q間關(guān)系為-其中A為光纖環(huán)損耗因子，L為MZ臂長。所述的傳輸光纖采用低損耗單?；虮Ｆ饫w,要求能適合上述波長的激光進行低損耗、單 模傳輸，用作光纖環(huán)與輸入輸出光連接,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，需要MZ兩臂相同長度，這需 要通過光纖測長方法實現(xiàn)微米量級誤差,最后通過相位調(diào)制器進行光纖長度補償幾乎實現(xiàn)零臂差。所述的光探測器采用能夠在上述選用的激光波長下對光信號進行高靈敏度光電轉(zhuǎn)換的半 導(dǎo)體光電探測器,用于將攜帶有陀螺旋轉(zhuǎn)信息的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。所述的相位調(diào)制器實現(xiàn)工作點偏置和相位補償,可采用壓電陶瓷光纖相位調(diào)制器、LiNbO:,集成電光調(diào)制器中的一種。其它光源隔離器、驅(qū)動器，電信號放大與處理器以及計算機、DSP控制與數(shù)據(jù)處理等，另外在單模光纖構(gòu)成的光纖陀螺系統(tǒng)中需要加入消偏振方案所需要的消偏器、起偏器等偏振 控制器。本發(fā)明的原理如下^,《,2，,22，分別為在轉(zhuǎn)速Q(mào)下光經(jīng)過aa', b'b, bb', a'a段的時間，根據(jù)相對論獲得其中/7為有效折射率，^ = 1，2 、,"與y,，r,分別表示耦合器3與耦合器7的光強耦合系數(shù)和耦合損耗，a為光纖的平均損耗系數(shù)，為傳播常數(shù)(/ = ,)， W為光波角頻率，y-V^,設(shè)j = 一exp(-oi/2)^(1 — ^)*>(1—r2)*2,￡ = exp(-oi)V(l—夂)(l一")G——y2) (B < 1)'光束在aa'b'b構(gòu)成的腔 中環(huán)行多次輸出，則￡4 = fi一exp[A/a - ,22)￡(aeXp[7.(2^- ,22 - ,2,)〗廣 (5)對比度解調(diào)法為:由此可見,采用對比度解調(diào)法抑制了光源的波動，而外界溫度、濕度、應(yīng)力、振動導(dǎo)致光 纖長度變化AL非常小，因而對S的影響非常小。式(1)和式(16)中角速度Q的標(biāo)度因子形式完 全一樣，不同的僅是式(1)中的/是MZ —臂長，而式(16)是MZ的兩臂長和。由上分析可知我們 提出的MZ諧振干涉陀螺不是傳統(tǒng)干涉式、諧振式陀螺以及03103030. 0專利的照抄，而是建立 于MZ諧振干涉原理基礎(chǔ)上的干涉式陀螺的創(chuàng)新。參照圖6,為本發(fā)明的實施例四的單軸MZ諧振千涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例 的其余結(jié)構(gòu)與例一同,只是單輸出形式。參照圖7，為本發(fā)明的實施例五的單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖,本實施例 的其余結(jié)構(gòu)與例一同,但為了減少系統(tǒng)偏振噪聲需采用消偏振方案，在系統(tǒng)中的光源1至耦合 器2放置消偏器11,探測器前起偏器12。參照圖8，為本發(fā)明的實施例六的單軸MZ諧振干涉式光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例 的其余結(jié)構(gòu)與例一同，只是MZ —臂上設(shè)置光纖放大器。在本發(fā)明的單軸光纖陀螺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,我們可以獲得兩兩軸相互垂直放置的二、三軸光 纖陀螺結(jié)構(gòu)，它們的原理示意圖如圖2、 3所示，均采用共用光源和一套處理電路系統(tǒng)方案,通過 DSP芯片的并行處理能力提取不同軸向上的轉(zhuǎn)動信息。
權(quán)利要求
1. 一種MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀，該陀螺儀包括光源、耦合器及光檢測裝置；其中包括由MZ干涉的兩光纖臂并行繞制的光纖傳感線圈，光纖臂S1的端口b’、b分別與耦合器7端口P4和耦合器3端口P2對接，光纖臂S2端口a、a’分別與耦合器3端口P1和耦合器7端口P3對接，使得MZ兩臂形成環(huán)行腔；耦合器3端口P4、P3分別與耦合器2端口P2、P3對接，耦合器7端口P1、P2分別與耦合器8端口P1、P4對接；其中包括光源至耦合器2設(shè)置隔離器，耦合器8端口P2、P3分別接光檢測裝置9。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀,其特征在于光源至耦合器 2之間設(shè)置消偏器。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于MZ諧振千涉原理的光纖陀螺儀,其特征在于MZ —臂上設(shè) 置光纖放大器。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀,其特征在于光源為單模激 光器,包括較大功率的半導(dǎo)體激光器和光纖激光器。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀,其特征在于光纖為低損單 ?；虮Ｆ饫w,耦合器3、 7為保偏耦合器。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀，其特征在于采用雙輸出的對 比度解調(diào)法，最大程度上抑制光源波動和外界溫度、濕度、應(yīng)力、振動對信號的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MZ諧振干涉原理的光纖陀螺儀，包括光源、耦合器及光檢測裝置；包括MZ干涉的兩光纖臂并行繞制的傳感線圈，光纖臂S₁的端口b’、b分別與耦合器7端口P₄和耦合器3端口P₂對接，光纖臂S₂端口a、a’分別與耦合器3端口P₁和耦合器7端口P₃對接，使得MZ兩臂形成環(huán)行腔；耦合器3端口P₁、P₃分別與耦合器2端口P₂、P₃對接，耦合器7端口P₁、P₂分別與耦合器8端口P₁、P₄對接；包括光源至耦合器2設(shè)置隔離器，耦合器8端口P₂、P₃分別接光檢測裝置9；本發(fā)明采用兩臂對稱的雙循環(huán)光束之間的MZ多波束干涉的原理，用較短的光纖臂實現(xiàn)非常長的帶轉(zhuǎn)動角速度信號的光路，且輸出不含無轉(zhuǎn)動信息的光。
文檔編號G01B9/02GK101261127SQ20071004858
公開日2008年9月10日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者代志勇, 劉永智, 張利勛, 彭增壽, 歐中華 申請人:電子科技大學(xué)