專利名稱：一種光學(xué)陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)陀螺儀。
背景技術(shù)：
陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體方位的儀器，它是現(xiàn)代航空、航海、航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。如圖1所示，經(jīng)典的干涉型全光纖陀螺儀包括以下六個光學(xué)元件偏振光源(超輻射發(fā)光二極管)、檢測單元(光電檢測二極管)、光源耦合器、光環(huán)耦合器、起偏器(或消偏振器)、光纖環(huán)(即光纖線圈)。這種具有上述六個光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)被稱為干涉型全光纖陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)。如圖1所示，這種光學(xué)陀螺儀的工作原理可描述如下
由超輻射發(fā)光二極管10發(fā)出的偏振光(橢圓偏振光或圓偏振光)輸入到光源耦合器30 的第一端口 31，并被分成兩路偏振光，其中的沿直通臂傳輸并由光源耦合器30的第三端口 33輸出的偏振光被傳輸至起偏器40，由起偏器40將輸入的偏振光變?yōu)榫€偏振光，并將該線偏振光輸入到光環(huán)耦合器5的第一端口 51。光環(huán)耦合器50將輸入的線偏振光分成兩路，并分別從其第三端口 53和第四端口 M輸出。光環(huán)耦合器50的第三端口 53和第四端口 M 輸出的線偏振光分別沿光纖環(huán)60的順時針和反時針的方向傳輸；然后從光環(huán)耦合器50的第三端口 53和第四端口 M返回至光環(huán)耦合器50，并在其中發(fā)生相干疊加。相干疊加后的線偏振光又被光環(huán)耦合器50分成兩路，并分別從光環(huán)耦合器5的第一端口 51和第二端口 52輸出。對于從光環(huán)耦合器50的第一端口 51輸出的線偏振光來說從第一端口 51出發(fā)的沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器50的直通臂和耦合臂各一次；沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器50的直通臂和耦合臂各一次。因此，從光環(huán)耦合器50 的第一端口 51出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光返回到光環(huán)耦合器50的第一端口 51時所經(jīng)過的光程是相同的，所以它們相干疊加產(chǎn)生的線偏振光被稱為互易光，輸出互易光的端口也被稱為互易端口。然而，對于從光環(huán)耦合器50的第二端口 52輸出的線偏振光中來說從光環(huán)耦合器 50的第一端口 51出發(fā)的沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器50的直通臂共兩次，而沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器50的耦合臂共兩次。因此，從光環(huán)耦合器50的第一端口 51出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光到達(dá)光環(huán)耦合器50 的第二端口 52時所經(jīng)過的光程是不相同的，所以它們相干疊加產(chǎn)生的線偏振光被稱為非互易光，輸出非互易光的端口也被稱為非互易端口。非互易光信號是不能作為光纖陀螺儀的檢測信號使用的。從光環(huán)耦合器50的第一端口 51 (互易端口)輸出的線偏振光經(jīng)過起偏器40輸入到光源耦合器30的第三端口 33，光源耦合器30將第三端口 33輸入的線偏振光信號分成兩路，其中一路通過光源耦合器30的第二端口 32輸入光電檢測器20。當(dāng)光纖環(huán)60靜止時， 從光環(huán)耦合器50的第一端口 51出發(fā)，分別沿順時針、反時針方向傳輸?shù)膬陕肪€偏振光返回光環(huán)耦合器50的第一端口時所經(jīng)過的光程是相同的。當(dāng)光纖環(huán)60轉(zhuǎn)動時，從光環(huán)耦合器 50的第一端口 51出發(fā)，分別沿順時針、反時針方向傳輸?shù)膬陕肪€偏振光返回光環(huán)耦合器50 的第一端口 51時所經(jīng)過的光程是不相同的。在這兩種情況下，光電檢測器20接收到的光信號強(qiáng)度有所不同，由此則可以計算出光纖環(huán)60轉(zhuǎn)動的角速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有更高靈敏度和分辨率的光學(xué)陀螺儀。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種光學(xué)陀螺儀，包括偏振光源、檢測單元、光源耦合器、光環(huán)耦合器、起偏器、光纖環(huán)； 所述光源耦合器的第一端口與所述偏振光源的輸出端對軸連接，所述光源耦合器的第二端口與所述檢測單元連接，所述光源耦合器的第三端口與所述光環(huán)耦合器對軸連接；所述光環(huán)耦合器還與所述起偏器的第一端口對軸連接；所述起偏器的第三端口和第四端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接；特別地，
所述光學(xué)陀螺儀還包括保偏分合器，所述保偏分合器的第一端口與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述保偏分合器的第二端口與所述起偏器的第四端口對軸連接，所述保偏分合器的第三端口和第四端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接。進(jìn)一步地，所述保偏分合器包括第一單模保偏準(zhǔn)直器、第二單模保偏準(zhǔn)直器、第三單模保偏準(zhǔn)直器、第四單模保偏準(zhǔn)直器、雙折射晶體組、和零級半波片，
所述第一單模保偏準(zhǔn)直器與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述第二單模保偏準(zhǔn)直器與所述起偏器的第四端口對軸連接，所述第三單模保偏準(zhǔn)直器和所述第四單模保偏準(zhǔn)直器分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接；
經(jīng)所述第一單模保偏準(zhǔn)直器射入的線偏振光通過所述雙折射晶體組傳輸至所述第四單模保偏準(zhǔn)直器；
經(jīng)所述第三單模保偏準(zhǔn)直器射入的線偏振光通過所述零級半波片，由所述零級半波片將所述線偏振光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后，再經(jīng)由所述雙折射晶體組傳輸至所述第二單模保偏準(zhǔn)直器或者所述第四單模保偏準(zhǔn)直器；
所述第一單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第二單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第三單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第四單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖采用相同的對準(zhǔn)方式。進(jìn)一步地，所述對準(zhǔn)方式包括平行于所述光纖環(huán)的快軸和平行于所述光纖環(huán)的慢軸兩種。 進(jìn)一步地，所述保偏分合器包括保偏分束器和保偏合束器，
所述保偏分束器的第一輸出端口與所述保偏合束器的第一輸入端口對軸連接，且所述保偏分束器的第一輸出端口的尾纖與所述保偏合束器的第一輸入端口的尾纖采用相同的對準(zhǔn)方式；
所述保偏分束器的第二輸出端口與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述保偏合束器的第二輸入端口與所述起偏器的第四端口對軸連接；
所述保偏分束器的輸入端口與所述保偏合束器的輸出端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接，且所述保偏分束器的輸入端口的尾纖與所述保偏合束器的輸出端口的尾纖之間的對準(zhǔn)方式相互垂直。
進(jìn)一步地，所述對準(zhǔn)方式包括平行于所述光纖環(huán)的快軸和平行于所述光纖環(huán)的慢軸兩種。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明的光學(xué)陀螺儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。此外，與現(xiàn)有的光學(xué)陀螺儀相比，對于相同光程來說，采用本發(fā)明技術(shù)方案還可節(jié)省一半的光纖用量。


圖1為本現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)陀螺儀的構(gòu)成示意圖； 圖2為本發(fā)明光學(xué)陀螺儀的構(gòu)成示意圖3為本發(fā)明中保偏分合器的第一種實(shí)現(xiàn)方式的構(gòu)成示意圖； 圖4為本發(fā)明中保偏分合器的第二種實(shí)現(xiàn)方式的構(gòu)成示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖2所示，本發(fā)明的光學(xué)陀螺儀包括偏振光源10、檢測單元20、光源耦合器30、 光環(huán)耦合器40、起偏器50、保偏分合器70、光纖環(huán)60 (由保偏光纖彎轉(zhuǎn)形成)。其中，光源耦合器30的第一端口 31與偏振光源10的輸出端對軸連接，光源耦合器30的第二端口 32 與檢測單元20連接，光源耦合器30的第三端口 33與光環(huán)耦合器40對軸連接；光環(huán)耦合器 40還與起偏器50的第一端口 51對軸連接，起偏器50的第三端口 53與保偏分合器70的第一端口 71對軸連接，起偏器50的第四端口 M與保偏分合器70的第二端口 72對軸連接； 保偏分合器70的第三端口 73和第四端口 74分別與光纖環(huán)60的兩個端口對軸連接。本發(fā)明技術(shù)方案在現(xiàn)有的光纖陀螺儀最小互易結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了一個保偏分合器70，這樣就可以使線偏振光兩次通過光纖環(huán)60，在使用相同長度光纖的情況下，本發(fā)明的陀螺儀就可增加一倍的光程，從而可提高陀螺儀的靈敏度和精準(zhǔn)度。或者是，若使得現(xiàn)有的陀螺儀與本發(fā)明的陀螺儀具有相同的靈敏度和精準(zhǔn)度，則本發(fā)明陀螺儀的光纖用量為現(xiàn)有陀螺儀的光纖用量的一半，從而可達(dá)到節(jié)約成本的效果。如圖3所示，作為本發(fā)明中的保偏分合器的第一種實(shí)現(xiàn)方式，保偏分合器可包括第一單模保偏準(zhǔn)直器81、第二單模保偏準(zhǔn)直器82、第三單模保偏準(zhǔn)直器83、第四單模保偏準(zhǔn)直器84、雙折射晶體組85、和零級半波片86。其中，第一單模保偏準(zhǔn)直器81與起偏器50 的第三端口 53對軸連接，第二單模保偏準(zhǔn)直器82與起偏器50的第四端口 M對軸連接，第三單模保偏準(zhǔn)直器83和第四單模保偏準(zhǔn)直器84分別與光纖環(huán)60的兩個端口對軸連接。經(jīng)第一單模保偏準(zhǔn)直器81射入的線偏振光通過雙折射晶體組85傳輸至第四單模保偏準(zhǔn)直器 84。經(jīng)第三單模保偏準(zhǔn)直器83射入的線偏振光通過零級半波片86，由零級半波片86將線偏振光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后，再經(jīng)由雙折射晶體組85傳輸至第二單模保偏準(zhǔn)直器82或者第四單模保偏準(zhǔn)直器84。進(jìn)一步地，第一單模保偏準(zhǔn)直器81內(nèi)部的尾纖、第二單模保偏準(zhǔn)直器82內(nèi)部的尾纖、第三單模保偏準(zhǔn)直器83內(nèi)部的尾纖、第四單模保偏準(zhǔn)直器84內(nèi)部的尾纖都采用相同的對準(zhǔn)方式。也就是說，四個單模保偏準(zhǔn)直器內(nèi)的尾纖均與光纖環(huán)采用相同的對準(zhǔn)方式，可以采用平行于光纖環(huán)60的快軸的對準(zhǔn)方式，也可以采用平行于光纖環(huán)60的慢軸的對準(zhǔn)方式。下面以起偏器50的第三端口 53向保偏分合器輸入線偏振光為例，對保偏分合器的第一種實(shí)現(xiàn)方式的工作過程進(jìn)行簡單描述。首先，若經(jīng)由第三端口 53傳輸至第一單模保偏準(zhǔn)直器81的為常光0，則通過雙折射晶體組85射出后仍為常光0，0光沿直線傳播，并通過第四單模保偏準(zhǔn)直器84射出，第一次進(jìn)入光纖環(huán)60傳播。其次，0光通過光纖環(huán)60后入射到第三單模保偏準(zhǔn)直器83，并由零級半波片86改變光的偏振態(tài)，將常光0旋轉(zhuǎn)90°變成非常光E，再通過雙折射晶體組85射出傳輸至第四單模保偏準(zhǔn)直器84，并經(jīng)由第四單模保偏準(zhǔn)直器84第二次進(jìn)入光纖環(huán)60傳播，此時仍為E光。最后，E光通過光纖環(huán)60后入射到第三單模保偏準(zhǔn)直器83，并再次由零級半波片 86改變光的偏振態(tài)，將E光旋轉(zhuǎn)90°變成0光，并通過雙折射晶體組85射出傳輸至第二單模保偏準(zhǔn)直器82，并經(jīng)由第二單模保偏準(zhǔn)直器82最后傳輸至起偏器50的第四端口 M。需要說明的是，保偏分合器的光路是可逆的，也就是說線偏振光也可以經(jīng)由起偏器50的第四端口 M入射到保偏分合器，兩次經(jīng)過光纖環(huán)60后，通過起偏器50的第三端口 53傳輸出。其工作原理與上述過程相同，此處不再贅述。綜上所述，線偏振光兩次經(jīng)過光纖環(huán)60，與現(xiàn)有的陀螺儀相比，光程增加了一倍。如圖4所示，作為本發(fā)明中的保偏分合器的第二種實(shí)現(xiàn)方式，保偏分合器可包括保偏分束器92和保偏合束器91。其中，保偏分束器92的第一輸出端口 97與保偏合束器 91的第一輸入端口 94對軸連接，且第一輸出端口 97內(nèi)部的尾纖與第一輸入端口 94內(nèi)部的尾纖均采用相同的對準(zhǔn)方式。保偏分束器92的第二輸出端口 98與起偏器50的第三端口 53對軸連接，保偏合束器91的第二輸入端口 95與起偏器50的第四端口 M對軸連接。保偏分束器92的輸入端口 96與保偏合束器91的輸出端口 93分別與光纖環(huán)60的兩個端口對軸連接，且保偏分束器92的輸入端口 96內(nèi)部的尾纖與保偏合束器91的輸出端口 93內(nèi)部的尾纖的對準(zhǔn)方式相互垂直。上述提及的對準(zhǔn)方式可包括平行于光纖環(huán)60的快軸的對準(zhǔn)方式和平行于光纖環(huán)60的慢軸的對準(zhǔn)方式兩種。下面以起偏器50的第四端口 M向保偏分合器輸入線偏振光為例，對保偏分合器的第二種實(shí)現(xiàn)方式的工作過程進(jìn)行簡單描述。首先，若經(jīng)由第四端口 M傳輸至保偏合束器91的第二輸入端口 95的為常光0，則經(jīng)由保偏合束器91的輸出端口 93傳輸至光纖環(huán)60的仍為0光，這是線偏振光第一次經(jīng)過光纖環(huán)60。其次，0光通過光纖環(huán)60后入射到保偏分束器92的輸入端口 96，因?yàn)楸Ｆ质?92的輸入端口 96與保偏合束器91的輸出端口 93的對準(zhǔn)方式相互垂直，所以常光0被旋轉(zhuǎn) 90°變成非常光E，再通過保偏分束器92的第一輸出端口 97傳輸至保偏合束器91的第一輸入端口 94，并通過保偏合束器91的輸出端口 93第二次進(jìn)入光纖環(huán)60傳播，此時仍為E光。最后，E光通過光纖環(huán)60后入射到保偏分束器92的輸入端口 96，并再次改變光的偏振態(tài)，將E光旋轉(zhuǎn)90°變成0光，并通過保偏分束器92的第一輸出端口 98最后傳輸至起偏器50的第三端口 53。
需要說明的是，保偏分合器的光路是可逆的，也就是說線偏振光也可以經(jīng)由起偏器50的第三端口 53入射到保偏分合器，兩次經(jīng)過光纖環(huán)60后，通過起偏器50的第四端口討傳輸出。其工作原理與上述過程相同，此處不再贅述。綜上所述，線偏振光同樣地也是兩次經(jīng)過光纖環(huán)60，與現(xiàn)有的陀螺儀相比，光程增
加了一倍。除此之外，本發(fā)明的光學(xué)陀螺儀也可以不采用光纖環(huán)60，而是通過空間光(以真空或者空氣為介質(zhì)進(jìn)行傳播)來進(jìn)行光的傳播，同樣可達(dá)到提高光學(xué)陀螺儀靈敏度和分辨率的目的。以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)陀螺儀，包括偏振光源、檢測單元、光源耦合器、光環(huán)耦合器、起偏器、光纖環(huán)；所述光源耦合器的第一端口與所述偏振光源的輸出端對軸連接，所述光源耦合器的第二端口與所述檢測單元連接，所述光源耦合器的第三端口與所述光環(huán)耦合器對軸連接；所述光環(huán)耦合器還與所述起偏器的第一端口對軸連接；所述起偏器的第三端口和第四端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接；其特征在于，所述光學(xué)陀螺儀還包括保偏分合器，所述保偏分合器的第一端口與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述保偏分合器的第二端口與所述起偏器的第四端口對軸連接，所述保偏分合器的第三端口和第四端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所述保偏分合器包括第一單模保偏準(zhǔn)直器、第二單模保偏準(zhǔn)直器、第三單模保偏準(zhǔn)直器、第四單模保偏準(zhǔn)直器、雙折射晶體組、和零級半波片，所述第一單模保偏準(zhǔn)直器與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述第二單模保偏準(zhǔn)直器與所述起偏器的第四端口對軸連接，所述第三單模保偏準(zhǔn)直器和所述第四單模保偏準(zhǔn)直器分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接；經(jīng)所述第一單模保偏準(zhǔn)直器射入的線偏振光通過所述雙折射晶體組傳輸至所述第四單模保偏準(zhǔn)直器；經(jīng)所述第三單模保偏準(zhǔn)直器射入的線偏振光通過所述零級半波片，由所述零級半波片將所述線偏振光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后，再經(jīng)由所述雙折射晶體組傳輸至所述第二單模保偏準(zhǔn)直器或者所述第四單模保偏準(zhǔn)直器；所述第一單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第二單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第三單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖、第四單模保偏準(zhǔn)直器的尾纖采用相同的對準(zhǔn)方式。
3.按照權(quán)利要求2所述的光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所述對準(zhǔn)方式包括平行于所述光纖環(huán)的快軸和平行于所述光纖環(huán)的慢軸兩種。
4.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所述保偏分合器包括保偏分束器和保偏合束器，所述保偏分束器的第一輸出端口與所述保偏合束器的第一輸入端口對軸連接，且所述保偏分束器的第一輸出端口的尾纖與所述保偏合束器的第一輸入端口的尾纖采用相同的對準(zhǔn)方式；所述保偏分束器的第二輸出端口與所述起偏器的第三端口對軸連接，所述保偏合束器的第二輸入端口與所述起偏器的第四端口對軸連接；所述保偏分束器的輸入端口與所述保偏合束器的輸出端口分別與所述光纖環(huán)的兩個端口對軸連接，且所述保偏分束器的輸入端口的尾纖與所述保偏合束器的輸出端口的尾纖的對準(zhǔn)方式相互垂直。
5.按照權(quán)利要求4所述的光學(xué)陀螺儀，其特征在于，所述對準(zhǔn)方式包括平行于所述光纖環(huán)的快軸和平行于所述光纖環(huán)的慢軸兩種。
全文摘要
本發(fā)明的光學(xué)陀螺儀包括偏振光源、檢測單元、光源耦合器、光環(huán)耦合器、起偏器、保偏分合器、光纖環(huán)。其中，光源耦合器的第一端口與偏振光源的輸出端對軸連接，光源耦合器的第二端口與檢測單元連接，光源耦合器的第三端口與光環(huán)耦合器對軸連接；光環(huán)耦合器還與起偏器的第一端口對軸連接，起偏器的第三端口與保偏分合器的第一端口對軸連接，起偏器的第四端口與保偏分合器的第二端口對軸連接；保偏分合器的第三端口和第四端口分別與光纖環(huán)的兩個端口對軸連接。本發(fā)明的光學(xué)陀螺儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。此外，與現(xiàn)有的光學(xué)陀螺儀相比，對于相同光程來說，采用本發(fā)明技術(shù)方案還可節(jié)省一半的光纖用量。
文檔編號G01C19/64GK102393198SQ20111031944
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者曹祥東 申請人:武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司