專利名稱：一種低噪聲的雙偏振干涉式光纖陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺，尤其涉及一種低噪聲的雙偏振干涉式光纖陀螺，是一種使 用3X3保偏耦合器代替普通2X2保偏耦合器，并將兩種偏振態(tài)的光同時用于傳感而實現(xiàn) 的低噪聲、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。陀螺儀被廣泛的應用 在各種飛行器及武器的制導，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 gyroscope, FOG)。后兩者皆 為光學陀螺儀。光學陀螺儀有結(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。由于應用的需要，新型的陀螺儀應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。光學陀螺的原理基于薩格納克效應(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(1)其中w為光的頻率，c為真空中光速，^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)，Q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，薩格納克效應的一個使用較方便的表達式為/V = 2;r^Q (2) 義c其中丄為光纖的長度，D為光纖線圈直徑，2為光波的波長,c為真空中光速,，0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?；ヒ?、偏振互易等互易性條件。 互易性保證了 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。可 見，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。 而起偏器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)，需要在系統(tǒng)中引入一定的相位偏置。常用
的方法是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/仏則可以產(chǎn)生一個時變相位差，如下
A0(,) = " (0 _ & (0 = & (0 - W _ " (3)
其中r^^^/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，干涉信號形式為
/d=/。{1 + COS[^+~(0]} (4)
在z( ^f^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& ，從而進一步得到轉(zhuǎn)動角速度O。
釆用調(diào)制的方式實現(xiàn)相位偏置是目前被廣泛采用的一種方法。但是相位調(diào)制過程會在 光路中引入一定的噪聲，影響整體的傳感精度。另外一種相位偏置的方法是在CW光和CCW 光間引入一個固定的相移，即固定相位偏置。 一個實現(xiàn)固定相位偏置的方法是采用3x3 耦合器的陀螺結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于3x3耦合器固有的2;r/ 的相移，光電探測器1檢 測到的CW光與CCW光之間有一個2;r/5的相移，光電探測器2檢測到的兩束光之間有一個 的相移。假設(shè)采用無損耗完全對稱的理想耦合器，兩個光電探測器的響應度一致，光 路無損耗，且采用理想光纖環(huán)，則光電探測器l的輸出為
A =2k/0[1 + cos(^+2W3)] (5) 9
光電探測器2的輸出為
A =魯F/o[1 + C0S(A - 2" / 3)] (6)
其中V是光電探測器的響應度，Io為光源強度，兩探測器的輸出差為
4 2;r
^WoSin丁sin^ (7)
檢測信號為薩格納克相移的正弦函數(shù)，在零轉(zhuǎn)速時獲得最大靈敏度。這種方法與采用2X2耦合器的光纖陀螺相比，避免了由偏置調(diào)制引入的噪聲，并降低了系統(tǒng)的復雜度。
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，采 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，采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低噪聲、高精度和高穩(wěn)定度的干涉式光纖陀螺儀，其采 用了 "雙偏振結(jié)構(gòu)"光纖傳感系統(tǒng)方案，并使用3X3保偏耦合器進行相位偏置。"雙偏 振結(jié)構(gòu)"方案基于薩格納克效應與材料折射率無關(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?？梢酝ㄟ^對兩路信號進 行特定的組合及處理將薩格納克效應從噪聲中提取出來，最終提高傳感系統(tǒng)的整體精度和 穩(wěn)定性。使用3X3保偏耦合器進行相位偏置的優(yōu)勢在于避免了由偏置調(diào)制引入的噪聲， 并降低了系統(tǒng)的復雜度。
本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種低噪聲的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、 兩個環(huán)行器、偏振分/合束器、3X3保偏耦合器、兩個光電探測器、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)一所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器同 一側(cè)的兩端口光纖連接，用于對從兩所述環(huán)形器輸入的光進行合束；同時所述兩環(huán)形器的 另一端口分別與一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；
所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述3X3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3X 3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波導多功能集成光路，所述Y波導多功能集成光路的 兩輸出端分別與一所述環(huán)行器通過光纖連接。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)一所述預調(diào)制器與一所述環(huán)行器光纖連接。
所述保偏光纖環(huán)為四極對稱方法繞制的光纖環(huán)；所述預調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào) 制器；所述預調(diào)制的信號為量子編碼信號；所述3X3保偏耦合器的另外三個端口通過光 纖分別與三個光電探測器連接；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。
一種低噪聲的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、 兩個環(huán)行器、偏振分/合束器、3X3耦合器、兩個光電探測器、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)一所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器同 一側(cè)的兩端口光纖連接，用于對從所述兩環(huán)形器輸入的光進行合束；同時所述兩環(huán)形器的 另 一端口分別與一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，
所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述3X3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3 X 3耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。
所述3X3耦合器同一側(cè)(遠光源側(cè))的兩個端口分別經(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波導多功能集成光路，所述Y波導多功能集成光路的 兩輸出端分別與 一所述環(huán)行器通過光纖連接。
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)一所述預調(diào)制器與一環(huán)行器光纖連接。
所述單模光纖環(huán)為四極對稱方法繞制的光纖環(huán)；所述預調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào) 制器；所述預調(diào)制的信號為量子編碼信號；所述3X3耦合器的另外三個端口通過光纖分 別與三個光電探測器連接；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。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。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3X3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，它通過3X3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。
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 一根光纖中傳導的，經(jīng)歷相同的光路。偏振態(tài)的不同僅導致了折射率的不同，而兩路信號 的其他參數(shù)如cy、 c、 ^、 D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z(A。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/同位置x作用于兩路信號，而且依賴于折射率w。因此，最終檢測信號中的噪聲項可 以表示為J^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m， "2，則兩 路檢測信號可表示為<formula>formula see original document page 8</formula>A02 =A^+A^("2) (6)
通過對如上所述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JA。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zl 02對應的光強信號。非 互易端口接有光電探測器3和光電探測器4，協(xié)同圖中的光電探測器5，可共同用于檢測 系統(tǒng)工作狀態(tài)或協(xié)助信號處理。
在圖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)制的位置在合束之 前，如圖4中的預調(diào)制1和預調(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，我們暫時稱之為"預調(diào)制"。預調(diào)制可以為幅度調(diào)制、相位調(diào)制或頻率調(diào)制，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)制信號得到更多不同的數(shù)據(jù)，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)。如果采用圖中調(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，分別對兩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。
在本發(fā)明中，使用了 3X3保偏耦合器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2X2保偏耦合器以實現(xiàn)抑制噪聲的 效果。使用2X2耦合器或3X3耦合器都可以實現(xiàn)基本的分束合束功能，并保證保證CW 光和CCW光的互異性。但是對于在環(huán)中產(chǎn)生的噪聲而言，兩種耦合器的影響有所不同。對 陀螺影響較大的噪聲主要產(chǎn)生于環(huán)的中點位置以及相對于中點對稱的一些位置，這些位置 產(chǎn)生的噪聲會在耦合器處產(chǎn)生干涉而影響所探測信號，其它非對稱位置的噪聲源由于傳輸 距離差超過消偏長度而彼此不相干。2X2耦合器的耦合臂存在;r/4的耦合相移，這對從兩 個方向返回的噪聲進行了 ttA^的固定相位偏置，也就是說噪聲的干涉信號被偏置在靈敏度 最大的一個點，從而導致探測信號受噪聲環(huán)境變化的影響較大。圖4中3X3耦合器的使 用使光路完全對稱，沒有對噪聲的額外相位偏置，從而降低了系統(tǒng)對噪聲的敏感度。因此， 用3X3耦合器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2X2耦合器可以起到一定的噪聲抑制效果。
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波導多功能集成光路來代替。如圖6所示，Y波導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。釆用單模光纖環(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，使用3X3保偏耦合器代替2X2保偏 耦合器以抑制噪聲，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是采用3X3耦合器的開環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的全光纖結(jié)構(gòu)圖。
圖5是預調(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波導多功能集成光路的低成本、小體積結(jié)構(gòu)改進。
圖7是釆用單模光纖環(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。3X3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， 4所接位置不互異，CW光與CCW光之間分別有2;r/3和-2兀/3的固有相移，所得干涉信 號可以作為監(jiān)視信號或噪聲參考。光電探測器5所測得光強信號與注入光纖環(huán)的CW光或 CCW光相等，為輸入3X3保偏耦合器光強的1/3，該信號可用來監(jiān)控光強穩(wěn)定性并協(xié)助信 號處理。
各個光電探測器的功能是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號可以由數(shù)據(jù)采集卡采集并由 計算機實時處理。處理的結(jié)果便是陀螺儀所處參考系的轉(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分析處理。在實際應用中，信號處理模塊可以使 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的改進在于起偏器、保偏分束器以及兩個調(diào)制器用一個Y波導多功能集成 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，相應地在3X3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，并在耦合器處干涉疊加。消偏光被偏振分/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。
權(quán)利要求
1.一種低噪聲的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、兩個環(huán)行器、偏振分/合束器、3×3保偏耦合器、兩個光電探測器、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)一所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器同一側(cè)的兩端口光纖連接；同時所述兩環(huán)形器的另一端口分別與一所述光電探測器通過光纖連接；所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述3×3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3×3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波導多功 能集成光路，所述Y波導多功能集成光路的兩輸出端分別與一所述環(huán)行器通過光纖連接。
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)一所述預調(diào)制器與 一所述環(huán)行器光纖連接。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的光纖陀螺，其特征在于所述保偏光纖環(huán)為四極對稱方法 繞制的光纖環(huán)；所述預調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào)制器；所述預調(diào)制的信號為量子 編碼信號;所述3X3保偏耦合器的另外三個端口通過光纖分別與三個光電探測器連接； 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。
5. —種低噪聲的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、 兩個環(huán)行器、偏振分/合束器、3X3耦合器、兩個光電探測器、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)一所述環(huán)形器與所述偏振分/合束器同 一側(cè)的兩端口光纖連接；同時所述兩環(huán)形器的另一端口分別與一所述光電探測器通過 光纖連接；所述偏振分/合束器另一側(cè)端口經(jīng)所述3X3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3X 3耦合器之間通過光纖連接所述相位調(diào)制器。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖陀螺，其特征在于所述3X3耦合器同一側(cè)的兩個端口分別經(jīng) 一消偏器與所述單模光纖環(huán)的兩端連接。
7. 如權(quán)利要求6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波導多功 能集成光路，所述Y波導多功能集成光路的兩輸出端分別與一所述環(huán)行器通過光纖連接。
8. 如權(quán)利要求6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)一所述預調(diào)制器與 一環(huán)行器光纖連接。
9. 如權(quán)利要求5或6或7或8所述的光纖陀螺，其特征在于所述單模光纖環(huán)為對稱四極 方法繞制的光纖環(huán)；所述預調(diào)制器為調(diào)幅調(diào)制器或調(diào)相調(diào)制器；所述預調(diào)制的信號為 量子編碼信號;所述3X3耦合器的另外三個端口通過光纖分別與三個光電探測器連接； 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)明公開了一種低噪聲的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、兩個環(huán)行器、偏振分/合束器、3×3保偏耦合器、兩個光電探測器、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)一環(huán)行器與偏振分/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)3×3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3×3保偏耦合器的對稱性實現(xiàn)對噪聲靈敏度的抑制，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、靈敏度高的特點，應用范圍廣泛。
文檔編號G01C19/72GK101660910SQ20091009341
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者李正斌, 王子南, 王玉杰 申請人:北京大學