專利名稱：一種雙偏振干涉式光纖陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙偏振干涉式光纖陀螺，是一種將兩種偏振態(tài)的光同時用于傳感而實 現(xiàn)的高穩(wěn)定性、高精度的光纖陀螺儀，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陀螺儀是一種轉(zhuǎn)動傳感器，用于測定其所在載體的轉(zhuǎn)動角速度。陀螺儀被廣泛的應(yīng)用 在各種飛行器及武器的制導(dǎo)，工業(yè)及軍事的多種精密測量等領(lǐng)域。常見的陀螺儀有三種類 型機械陀螺儀，激光陀螺儀，和光纖陀螺儀(Fiber-optic gyrosc叩e， FOG)。后兩者皆 為光學(xué)陀螺儀。光學(xué)陀螺儀有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高等特點，但是穩(wěn)定度不及一些現(xiàn)代機械 陀螺。由于應(yīng)用的需要，新型的陀螺儀應(yīng)具有高的靈敏度與穩(wěn)定度，較低的成本和功耗， 以及體積小等特征。光學(xué)陀螺的原理基于薩格納克效應(yīng)(Sagnac effect)。在閉合光路中，由同一光源發(fā) 出的沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳輸?shù)膬墒獍l(fā)生干涉，利用檢測相位差 或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。薩格納克效應(yīng)的一種常見表達方式 是順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生了正比于旋轉(zhuǎn)角速度的相位 差，這個相位差被稱作薩格納克相移，表達式如下其中w為光的頻率，c為真空中光速，X是光路所圍的面積(或者是與角速度矢量方 向垂直的面積投影)，^為轉(zhuǎn)動角速度。方程(1)說明薩格納克相移與環(huán)路形狀和旋轉(zhuǎn)中 心位置沒有關(guān)系，而且與導(dǎo)波介質(zhì)的折射率也無關(guān)。干涉式光纖陀螺是光纖陀螺的一個重要類型。在干涉式光纖陀螺中，常采用較長的光 纖繞制成多匝陀螺線圈。在這種情況下，薩格納克效應(yīng)的一個使用較方便的表達式為A—2;r^Q (2) 義c其中丄為光纖的長度，D為光纖線圈直徑，義為光波的波長,c為真空中光速,，D為轉(zhuǎn) 動角速度。方程(1)和方程(2)是一致的，只不過是表達形式的差異。光纖陀螺的基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)是薩格納克干涉儀，該結(jié)構(gòu)需要滿足分束器互易、單模互易、偏振互易等互易性條件?；ヒ仔员ＷC了 cw光和ccw光的傳播狀態(tài)及路徑完全一致，起到了 "共模抑制"的作用，以消除多種寄生效應(yīng)造成的偏差。全光纖形式的光纖陀螺最小互易性結(jié)構(gòu)如圖l所示?？梢?，cw光和ccw光從彼此分開到匯合后產(chǎn)生干涉之間的過程中，兩者經(jīng)歷的光路完全相同。兩個耦合器的使用是為了保證兩束光經(jīng)過耦合器的累計相移相同，即保證耦合器互異性。 而偏振片保證了兩束光傳播在同一偏振模式，即偏振互易性。為使光纖陀螺儀工作在靈敏度較高的狀態(tài)，常在光纖線圈的一端加上相位調(diào)制，如圖2所示。相位調(diào)制器使兩束光波在不同時間受到一個完全相同的相位調(diào)制0/"，則可以產(chǎn)生 一個時變相位差，如下△ W) = U ") - & (0 = & (0 -《(卜" (3)其中r= e#Z/c表示光通過整個光纖線圈長度的傳輸時間，"^是光纖的有效折射率。 施加調(diào)制后，干涉信號為/D = /。{1 + C0S[^+AW)]} (4)在J 0 )形式已知時，通過對上式所表達信號進行合適的解調(diào)就可以得到薩格納克相 移0 從而進一步得到轉(zhuǎn)動角速度i3。采用保偏光纖是保證光纖陀螺結(jié)構(gòu)的互異性一個有效手段，這也是目前實用化光纖陀 螺的主要方案。在傳統(tǒng)的保偏光纖陀螺中，只有一種偏振模式的光被用于檢測轉(zhuǎn)動速率， 而抑制另一個方向偏振的光以實現(xiàn)互易性，并消除不利干擾。但在工程應(yīng)用中，保偏光纖 陀螺依然存在成本高，對彎曲敏感，對磁場敏感等問題。因而人們又提出了消偏方案，釆 用消偏器和單模光纖搭建較低成本的光纖陀螺結(jié)構(gòu)。實際中，釆用消偏器的光纖陀螺不如采用保偏光纖陀螺效果好，而其主要優(yōu)勢在于成本較低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有高精度和高穩(wěn)定度的雙偏振干涉式光纖陀螺儀，其釆用 了一種新的"雙偏振結(jié)構(gòu)"光纖傳感系統(tǒng)方案。該方案基于薩格納克效應(yīng)與材料折射率無 關(guān)，即與光信號在保偏光纖中的偏振態(tài)無關(guān)，而將保偏光纖中存在的相互垂直偏振的兩束 光同時用于傳感。由于兩個偏振方向傳播的光有相同的傳播路徑，他們經(jīng)歷的噪聲環(huán)境一 致，可以通過對兩個信號進行特定的組合及處理將薩格納克效應(yīng)從噪聲中提取出來，最終 提高傳感系統(tǒng)的整體精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種雙偏振干涉式光纖陀螺，其特征在于包括光源、兩路線偏振光產(chǎn)生光路、兩個信 號檢測光路、偏振分/合束器、保偏耦合器、相位調(diào)制器、保偏光纖環(huán)；所述光源與所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的輸入端通過光纖連接；所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的兩輸出端分別經(jīng)一所述信號檢測光路與所述偏振分/合 束器同一側(cè)的兩端口光纖連接；所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述保偏耦合器與所述保偏光纖環(huán)連接；且所述保偏 光纖環(huán)與所述保偏耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路為Y波導(dǎo)多功能集成光路，所述Y波導(dǎo)多功能集成光路的 兩輸出端分別與一所述信號檢測光路通過光纖連接。所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路包括起偏器、保偏分束器、兩個預(yù)調(diào)制器；所述光源與所 述起偏器通過光纖連接，所述起偏器與所述保偏分束器通過光纖連接，所述保偏分束器另 一側(cè)的兩端分別經(jīng)一所述預(yù)調(diào)制器與一所述信號檢測光路光纖連接。所述信號檢測光路包括一環(huán)形器和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸 出端經(jīng)所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器光纖連接，所述環(huán)形器另一端口與所述光電探測 器通過光纖連接，用于接收從所述保偏光纖環(huán)返回的光信號；或者所述信號檢測光路包括 一耦合器和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述耦合器與所述偏 振分/合束器光纖連接，所述耦合器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接收 從所述保偏光纖環(huán)返回的光信號。所述保偏光纖環(huán)為對稱四極方法繞制的光纖環(huán)；所述保偏耦合器的另一端口通過光纖 與一光電探測器連接；所述預(yù)調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào)制器；所述預(yù)調(diào)制的信號為量 子編碼信號；所述光源為激光光源或ASE光源；所述相位調(diào)制器為壓電陶瓷調(diào)制器。一種雙偏振干涉式光纖陀螺，其特征在于包括光源、兩路線偏振光產(chǎn)生光路、兩個信 號檢測光路、偏振分/合束器、耦合器、相位調(diào)制器、單模光纖環(huán)；所述光源與所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的輸入端通過光纖連接；所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的兩輸出端分別經(jīng)一所述信號檢測光路與所述偏振分/合 束器同一側(cè)的兩端口通過光纖連接；所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述耦合器與所述單模光纖環(huán)連接；且所述單模光纖 環(huán)與所述耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。所述耦合器同一側(cè)的兩端分別經(jīng)一消偏器與所述單模光纖環(huán)的兩端連接。 所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路為Y波導(dǎo)多功能集成光路，所述Y波導(dǎo)多功能集成光路的 兩輸出端分別與一所述信號檢測光路通過光纖連接。所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路包括起偏器、保偏分束器、兩個預(yù)調(diào)制器；所述光源與所 述起偏器通過光纖連接，所述起偏器與所述保偏分束器通過光纖連接，所述保偏分束器另 一側(cè)的兩端分別經(jīng)一所述預(yù)調(diào)制器與一所述信號檢測光路光纖連接。所述信號檢測光路包括一環(huán)形器和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸 出端經(jīng)所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器光纖連接，所述環(huán)形器另一端口與所述光電探測 器通過光纖連接，用于接收從所述保偏光纖環(huán)返回的光信號；或者所述信號檢測光路包括 一耦合器和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述耦合器與所述偏 振分/合束器光纖連接，所述耦合器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接收 從所述保偏光纖環(huán)返回的光信號。所述預(yù)調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào)制器；所述預(yù)調(diào)制的信號為量子編碼信號；所述 耦合器的另一端口通過光纖與一光電探測器連接；所述耦合器為單模耦合器；所述光源為 激光光源或ASE光源；所述相位調(diào)制器為壓電陶瓷調(diào)制器。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。保偏光纖有較強的雙折射，其快軸與慢軸折射率有所 不同。在保偏光纖中沿兩軸傳播的光彼此之間耦合很小，可分別保持自己的偏振態(tài)獨立傳 播。因此，本結(jié)構(gòu)可以初步理解為兩個相對獨立的最小互易性結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，它們的光 纖環(huán)光路分別是保偏光纖環(huán)的快軸和慢軸。光纖環(huán)前部的光路作用是產(chǎn)生可分別調(diào)制的兩 個偏振態(tài)的光束，并可以分別處理從光纖環(huán)返回而攜帶角速度信息的兩偏振態(tài)的光。兩線 偏光束通過偏振分/合束器合束為垂直雙偏振光，并通過耦合器進入光纖環(huán)。從光纖環(huán)中 運行一周的雙偏振光原路返回，并在偏振分/合束器處重新分裂為兩路線偏振光。兩線偏 振光合束后成為雙偏振光的兩個垂直分量，分別在保偏光纖環(huán)的快軸和慢軸傳播，我們稱 它們?yōu)榭燧S模式和慢軸模式。偏振分/合束器對正向輸入的線偏振光工作在慢軸(也可能在快軸，視具體器件而定)， 與前面所連接保偏器件一致。當只有一個端口輸入線偏振光時，輸出口也將是線偏振光。但對于兩個正向輸入口所不同的是，其中一個輸入口所輸入的線偏光將在輸出口的慢軸輸出，而另一個輸入口所輸入的線偏光將在輸出口的快軸輸出。這樣，該器件在兩正向輸入口同時輸入線偏光時起到偏振合束的作用，使輸出雙偏振光的兩垂直分量分別沿快軸和慢軸傳播。反向的光路是完全可逆的。當垂直雙偏振光返回到反向端口 (此時該端口作為輸入端，而另一側(cè)兩個端口變成輸出端)時，該器件可逆地起到偏振分束的作用。分束后兩路光被重新起偏到慢軸工作模式并返回前面的環(huán)行器處。對于快軸模式，他通過耦合器而
進入光纖環(huán)時，分裂成cw和ccw兩束。在忽略慢軸模式對他的影響時，快軸模式的cw和
ccw光束在完全相同的路徑中相向傳播，也就是說它們經(jīng)過的路徑完全互易。同樣道理，慢軸模式也有cw和ccw兩束在保偏光纖環(huán)的慢軸以相同的方式相向傳播，也滿足互易性。
與傳統(tǒng)光纖陀螺類似，我們在光纖環(huán)一端加上相位調(diào)制以達到較理想的靈敏度，這個相位
調(diào)制對兩個偏振模式同時起作用。實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)框圖的全光纖結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，通過與圖
1的比較看出來，雙偏振光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)比普通單偏振光纖陀螺的最小互易結(jié)構(gòu)多出
一個臂。分別看快軸模式或慢軸模式的光路，功能都相當于一個最小互易結(jié)構(gòu)。圖4的具體構(gòu)建方法與細節(jié)分析將在后面"具體實施方式
"部分討論。
由表達式(1)可見，薩格納克效應(yīng)與介質(zhì)折射率無關(guān)?？燧S模式和慢軸模式是在同一根光纖中傳導(dǎo)的，經(jīng)歷相同的光路。偏振態(tài)的不同僅導(dǎo)致了折射率的不同，而兩路信號的其他參數(shù)如w、 cn X、 O是相同的，因此在兩臂檢測到的旋轉(zhuǎn)致相位差是完全一樣的，記之為JA。同時兩路信號在光路中經(jīng)歷了一致的環(huán)境影響，比如熱噪聲等。這些影響同時間f同位置x作用于兩路信號，而且依賴于折射率"。因此，最終檢測信號中的噪聲項可以表示為zl^f^，表征多種噪聲影響的疊加效果。設(shè)快慢軸的折射率分別為"!， "2，則兩路檢測信號可表示為
-A-X") (5)AA = A^ + AA( 2) (6)
通過對如上所的信號的處理可以消除噪聲項中的主要部分，這樣便可以得到高精度、高穩(wěn)定度的^ A。并根據(jù)(1)式或(2)式進一步得到高精度、高穩(wěn)定度的O，即我們所關(guān)心的轉(zhuǎn)動角速度。
在圖4中，光電探測器1與光電探測器2檢測到與zl A和J 02對應(yīng)的光強信號。非互易端口接有光電探測器3，可用于檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)或協(xié)助信號處理。我們這里得到了多路檢測信號，每一路信號與普通單偏振光纖陀螺是一致的，可采用相同的電路處理方式。
在圖3或圖4所示的結(jié)構(gòu)中，我們可以方便地對每一路信號分別調(diào)制。調(diào)制的位置在
8合束之前，如圖4中的預(yù)調(diào)制1和預(yù)調(diào)制2。其中調(diào)制的位置可以與環(huán)行器的位置互換，而且調(diào)制功能可以與起偏器、分束器集成在一起而成為圖6結(jié)構(gòu)。為了與光纖環(huán)中的相位調(diào)制相區(qū)分，我們暫稱之為"預(yù)調(diào)制"。預(yù)調(diào)制可以為幅度調(diào)制、相位調(diào)制或頻率調(diào)治，其中頻率調(diào)制和相位調(diào)制在這里是等效的。調(diào)制的作用有兩個 一是減小兩種偏振態(tài)之間的相干性，以降低兩者間的耦合；二是利用不同的調(diào)制信號得到更多的數(shù)據(jù)量，同時聯(lián)合處理多組數(shù)據(jù)可以得到更精確、更穩(wěn)定的檢測數(shù)據(jù)。以調(diào)幅為例， 一種簡單直觀的調(diào)制方式如圖5中"示例碼型1"所示。這里利用了方波調(diào)制，兩路調(diào)制信號相差半個周期。兩路方波起到了二進制碼的作用，"0"和"1"狀態(tài)控制本路信號的"斷"與"通"。碼型1實現(xiàn)了每一時刻只有一路信號通，而另一路斷。在時間域上有"僅存在快軸模式"和"僅存在慢軸模式"兩種狀態(tài)，這樣在整個周期內(nèi)三個探測器共得到2X3=6組信號，即同時得到了 6組性質(zhì)互不相同的數(shù)據(jù)。如果釆用圖中調(diào)制碼型2，在時間域上有"僅存在快軸模式"、"僅存在慢軸模式"、"同時存在兩種偏振模式"以及"無光信號輸入"四種狀態(tài)。這時我們可以得到4X3=12組信號，即12組數(shù)據(jù)供分析處理。與前者不同，在調(diào)制碼型2中有四分之一個周期兩路信號同時存在，還有四分之一周期兩路信號都斷開(只剩下純噪聲，純噪聲可在處理噪聲階段用作參考)。這樣，本發(fā)明的陀螺儀結(jié)構(gòu)可以得到幾倍于傳統(tǒng)陀螺儀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)陀螺儀所不及的精度與穩(wěn)定性。
最基本的數(shù)據(jù)處理方法就是對每一個獨立的偏振模式分別解調(diào)出薩格納克相移。比如可以采用傳統(tǒng)開環(huán)干涉式光纖陀螺的解調(diào)方法，分別對三個光電探測器處的信號進行處理。我們以最簡單的情況為例在沒有加預(yù)調(diào)制的情況下，僅考慮光電探測器1和光電探測器2所測得的信號。對這兩路信號進行解調(diào)的結(jié)果就是兩個薩格納克相移數(shù)值。正如"發(fā)明內(nèi)容"中所分析的，兩個數(shù)值可以表示為(5)式和(6)式。單獨看其中一路所得到的數(shù)據(jù)，等同于一個傳統(tǒng)的單偏振陀螺所得到的數(shù)據(jù)，其精度受噪聲、漂移等影響較大。由于我們得到了反映相同轉(zhuǎn)動信息的兩組數(shù)據(jù)，這樣可以通過聯(lián)合處理兩組數(shù)據(jù)的方法來提高精度。從實現(xiàn)方法上講，我們只需要分析陀螺儀所處環(huán)境中主要噪聲影響與折射率之間的關(guān)系，就可以利用(5)式和(6)式去除主要噪聲，從而得到高精度的薩格納克相移。然后直接由(1)式或(2)式計算得到高精度的轉(zhuǎn)動速率。類似地，在使用預(yù)調(diào)制的情況下我們得到了更多組的數(shù)據(jù)，分別攜帶有不同的有用信號和噪聲信息?？梢愿鶕?jù)調(diào)制方式的不同來設(shè)計不同的聯(lián)合信號處理算法，從而進一步提高陀螺儀的整體傳感精度。
不同的預(yù)調(diào)制碼型或波形可以看作一個"矢量"，本發(fā)明的該部分結(jié)構(gòu)也可以稱作矢量調(diào)制結(jié)構(gòu)，而方法采用了矢量產(chǎn)生，矢量調(diào)制的方法。
預(yù)調(diào)制部分可以為幅度或相位調(diào)制，而且該部分與量子編碼/解碼器的結(jié)構(gòu)是一致的。因此，這里的矢量調(diào)制也可以表述為量子編碼的方法。
圖4所示的結(jié)構(gòu)是本發(fā)明的一種最直觀的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。遵循基本思想不變的前提下，我們可以進一步改進結(jié)構(gòu)以降低成本。首先，起偏器、保偏分束器以及兩個調(diào)制器可以用一個Y波導(dǎo)多功能集成光路來代替。如圖6所示，Y波導(dǎo)多功能集成光路可以同時起到起偏、分束、兩路信號分別調(diào)制的功能。這個改進既節(jié)省了成本，又減小了系統(tǒng)體積。保偏光纖環(huán)也是本系統(tǒng)的主要成本之一，采用單模光纖可以大大降低成本。采用單模光纖并不影響兩路、多組信號的產(chǎn)生及處理，這是由薩格納克效應(yīng)與折射率無關(guān)的本質(zhì)所決定的。為了在采用單模光纖環(huán)時也得到較好的性能，需要對偏振分/合束出來的雙偏振光進行消偏，如圖7所示。該消偏器與普通的消偏器結(jié)構(gòu)類似但功能有所不同。在傳統(tǒng)消偏陀螺中常用的消偏器是Lyot光纖消偏器，其功能是對線偏振光進行消偏。Lyot消偏器一般由兩段或三段保偏光纖熔接而成，每段長度比為1:2 (兩段)或1:2:4 (三段)，段與段之間熔接時保證主軸間夾角為45。。經(jīng)理論推導(dǎo)可知，Lyot消偏器結(jié)構(gòu)同樣適用于對垂直雙偏振光的消偏。垂直雙偏振光本身的偏振度已經(jīng)很低，這里所使用的兩個Lyot消偏器的功能是對垂直雙偏振光進一步消偏，從而達到非常理想的低偏振度。采用單模光纖環(huán)的雙偏振陀螺儀在精度及穩(wěn)定性上不如采用保偏光纖環(huán)的雙偏振陀螺儀，但它大幅度降低了成本。
本發(fā)明的積極效果為
本發(fā)明的光纖陀螺通過利用雙偏振光進行檢測，大大提高了轉(zhuǎn)動角速度的測量精度和穩(wěn)定度，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、靈敏度高的特點，應(yīng)用范圍廣泛。


圖1是全光纖形式的光纖陀螺最小互易性結(jié)構(gòu)。
圖2是干涉式光纖陀螺的相位調(diào)制。
圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明的全光纖結(jié)構(gòu)圖。
圖5是預(yù)調(diào)制采用幅度調(diào)制時可采用的調(diào)制信號示例。
圖6是采用Y波導(dǎo)多功能集成光路的低成本、小體積結(jié)構(gòu)改進。
圖7是采用單模光纖環(huán)的低成本結(jié)構(gòu)改進。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。
為了方便分析，我們首先以圖4中的未簡化結(jié)構(gòu)為例進行說明。整個系統(tǒng)的光源是ASE(放大自發(fā)輻射)光源，光路正方向定為從左向右。ASE光源為寬帶光源，其輸出光接近圓偏振態(tài)。經(jīng)過一個起偏器后，得到線偏振光，光功率較光源損失約3dB。保偏分束器可以采用50:50的保偏耦合器，功能是將所得到的線偏振光平分到兩個分支光路當中去，并保持同方向的線偏振。兩臂光路的預(yù)調(diào)制可以是幅度或相位調(diào)制，具體見前面分析。兩個環(huán)行器的功能是保證光路的傳播方向來自光源的兩路光從左向右傳播到達偏振分/合束器，合束為雙偏振光后進一步進入光纖環(huán)；從光纖環(huán)返回的雙偏振光，由偏振分/合束器分束到兩臂而還原為線偏振光，經(jīng)環(huán)行器后傳導(dǎo)至光電探測器。這樣既防止了從光纖環(huán)返回的光影響光源，又防止了光源輸出光直接到達探測器。偏振分/合束器正向起到偏振合束的功能，即將兩路線偏光分別搬移至快軸和慢軸傳播。光反向傳播時偏振分/合束器可逆地起到了偏振分束的功能，將快軸和慢軸的光分開，而還原成兩路線偏振光。50:50保偏耦合器的功能是將快軸模式和慢軸模式都分成CW和CCW兩束光，在保偏光纖環(huán)中沿快軸或慢軸相向傳播。兩組光返回時以干涉的形式重新匯合，并原路返回直到環(huán)行器。光纖環(huán)中的相位調(diào)制器要同時作用于兩個偏振模式的信號，因此采用了 PZT (壓電陶瓷)調(diào)制器。保偏光纖線圈采用了對稱四極方法繞制，以將環(huán)境因素影響減到最小。最終光電探測器1和光電探測器2探測到的信號都是滿足互易性的CW光與CCW光的干涉信號。而光電探測器3所接位置不滿足互異性，所得干涉信號可以作為監(jiān)視信號或噪聲參考。
每個光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號可以由采集卡采集并由計算機實時處理。實時處理的最終輸出結(jié)果便是每一個時刻陀螺儀的轉(zhuǎn)動角速度。最終處理結(jié)果以及中間處理數(shù)據(jù)都可以及時存在磁盤中供重復(fù)分析處理。在實際應(yīng)用中，信號處理可以使用FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)芯片或DSP (數(shù)字信號處理器)芯片以減小整個系統(tǒng)的體積。
圖6對圖4的改進僅在于起偏器、保偏分束器以及兩個調(diào)制器用一個Y波導(dǎo)多功能集成光路來代替，以實現(xiàn)降低成本、減小體積。其工作原理與上述完全一致。
圖7的結(jié)構(gòu)采用單模光纖進一步降低成本，相應(yīng)地在50:50單模耦合器后面需要使用兩個消偏器。雙偏振光經(jīng)過消偏器變成消偏光，即光波隨機地均勻分布在所有可能的偏振態(tài)。兩束消偏光分別以CW方向和CCW方向進入單模光纖線圈。從光纖環(huán)回來的消偏光已經(jīng)攜帶有轉(zhuǎn)動信息，再一次來到消偏器時可逆地還原為雙偏振光，并在耦合器處干涉疊加。雙偏振光被偏振分/合束器分束成為線偏振光，再經(jīng)環(huán)行器進入光電探測器檢測。
1權(quán)利要求
1.一種雙偏振干涉式光纖陀螺，其特征在于包括光源、兩路線偏振光產(chǎn)生光路、兩個信號檢測光路、偏振分/合束器、保偏耦合器、相位調(diào)制器、保偏光纖環(huán)；所述光源與所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的輸入端通過光纖連接；所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的兩輸出端分別經(jīng)一所述信號檢測光路與所述偏振分/合束器同一側(cè)的兩端口光纖連接；所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述保偏耦合器與所述保偏光纖環(huán)連接；且所述保偏光纖環(huán)與所述保偏耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。
2. 如權(quán)利要求1所述的光纖陀螺，其特征在于所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路為Y波導(dǎo)多功 能集成光路，所述Y波導(dǎo)多功能集成光路的兩輸出端分別與一所述信號檢測光路通過 光纖連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的光纖陀螺，其特征在于所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路包括起偏器、 保偏分束器、兩個預(yù)調(diào)制器；所述光源與所述起偏器通過光纖連接，所述起偏器與所 述保偏分束器通過光纖連接，所述保偏分束器另一側(cè)的兩端分別經(jīng)一所述預(yù)調(diào)制器與 一所述信號檢測光路光纖連接。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的光纖陀螺，其特征在于所述信號檢測光路包括一環(huán)形器 和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述環(huán)形器與所述偏振分/ 合束器光纖連接，所述環(huán)形器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接收從 所述保偏光纖環(huán)返回的光信號；或者所述信號檢測光路包括一耦合器和一光電探測器， 所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述耦合器與所述偏振分/合束器光纖連接， 所述耦合器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接收從所述保偏光纖環(huán)返 回的光信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的光纖陀螺，其特征在于所述保偏光纖環(huán)為對稱四極方法繞制的光 纖環(huán)；所述保偏耦合器的另一端口通過光纖與一光電探測器連接；所述預(yù)調(diào)制器為調(diào) 幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào)制器；所述預(yù)調(diào)制的信號為量子編碼信號；所述光源為激光光源或 ASE光源；所述相位調(diào)制器為壓電陶瓷調(diào)制器。
6. —種雙偏振干涉式光纖陀螺，其特征在于包括光源、兩路線偏振光產(chǎn)生光路、兩個信 號檢測光路、偏振分/合束器、耦合器、相位調(diào)制器、單模光纖環(huán)；所述光源與所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的輸入端通過光纖連接；所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的兩輸出端分別經(jīng)一所述信號檢測光路與所述偏振分/合 束器同一側(cè)的兩端口通過光纖連接；所述偏振分/合束器另 一側(cè)端口經(jīng)所述耦合器與所述單模光纖環(huán)連接；且所述單模光纖 環(huán)與所述耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖陀螺，其特征在于所述耦合器同一側(cè)的兩端分別經(jīng)一消偏器 與所述單模光纖環(huán)的兩端連接。
8. 如權(quán)利要求7所述的光纖陀螺，其特征在于所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路為Y波導(dǎo)多功 能集成光路，所述Y波導(dǎo)多功能集成光路的兩輸出端分別與一所述信號檢測光路通過 光纖連接。
9. 如權(quán)利要求7所述的光纖陀螺，其特征在于所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路包括起偏器、 保偏分束器、兩個預(yù)調(diào)制器；所述光源與所述起偏器通過光纖連接，所述起偏器與所 述保偏分束器通過光纖連接，所述保偏分束器另一側(cè)的兩端分別經(jīng)一所述預(yù)調(diào)制器與 一所述信號檢測光路光纖連接。
10. 如權(quán)利要求6或7或8或9所述的光纖陀螺，其特征在于所述信號檢測光路包括一環(huán) 形器和一光電探測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述環(huán)形器與所述偏 振分/合束器光纖連接，所述環(huán)形器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接 收從所述保偏光纖環(huán)返回的光信號；或者所述信號檢測光路包括一耦合器和一光電探 測器，所述兩路線偏振光產(chǎn)生光路的一輸出端經(jīng)所述耦合器與所述偏振分/合束器光纖 連接，所述耦合器另一端口與所述光電探測器通過光纖連接，用于接收從所述保偏光 纖環(huán)返回的光信號。
11. 如權(quán)利要求6或7或8或9所述的光纖陀螺，其特征在于所述預(yù)調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器 或調(diào)相調(diào)制器；所述預(yù)調(diào)制的信號為量子編碼信號；所述耦合器的另一端口通過光纖 與一光電探測器連接；所述耦合器為單模耦合器；所述光源為激光光源或ASE光源； 所述相位調(diào)制器為壓電陶瓷調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙偏振干涉式光纖陀螺，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的光纖陀螺包括光源、兩路線偏振光產(chǎn)生光路、兩個信號檢測光路、偏振分/合束器、保偏耦合器、相位調(diào)制器、保偏光纖環(huán)；光源與兩路線偏振光產(chǎn)生光路的輸入端通過光纖連接；兩路線偏振光產(chǎn)生光路的兩輸出端分別經(jīng)一信號檢測光路與偏振分/合束器同一側(cè)的兩端口光纖連接；偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)保偏耦合器與保偏光纖環(huán)連接；且保偏光纖環(huán)與保偏耦合器之間通過光纖連接相位調(diào)制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光纖陀螺通過利用雙偏振光進行檢測，大大提高了轉(zhuǎn)動角速度的測量精度和穩(wěn)定度，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、靈敏度高的特點，應(yīng)用范圍廣泛。
文檔編號G01C19/72GK101629825SQ20091009142
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者李正斌, 王子南, 王玉杰 申請人:北京大學(xué)