專利名稱：一種最小互易結(jié)構(gòu)干涉型全光纖陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及干涉型全光纖陀螺儀，尤其涉及一種最小互易結(jié)構(gòu)的干涉型全光纖陀 螺儀，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陀螺儀是測量慣性空間角速度-角位移的儀表，其歷史可以追朔到數(shù)千年以前， 從山西夏縣新石器時代的遺址中，就曾出土了石制的陀螺。機械陀螺儀是第一代陀螺儀，激 光陀螺儀和光纖陀螺儀被分別稱為第二代陀螺儀和第三代陀螺儀。光纖陀螺儀于1976年 問世，20世紀90年代投入批量生產(chǎn)。干涉型全光纖陀螺儀是光纖陀螺儀家族中的重要品 種，可廣泛應(yīng)用于導航、制導、定位、自動尋北、列車或艦船搖擺的阻尼、天線-瞄準系統(tǒng)的 定向、油井偏斜測量、大型建筑形變或搖擺監(jiān)測、自動化控制等等領(lǐng)域。經(jīng)典的干涉型全光纖陀螺儀的光路結(jié)構(gòu)如附圖1所示，其中的光學元件包括超 輻射發(fā)光二極管、光電檢測二極管、光源耦合器、光環(huán)耦合器、起偏振器(或消偏振器)、光 纖環(huán)(即光纖線圈)，共6個光學元件。這種具有6個光學元件的結(jié)構(gòu)被稱為干涉型全光纖 陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)。根據(jù)附圖1，經(jīng)典的干涉型全光纖陀螺儀的工作原理是由超輻射 發(fā)光二極管1發(fā)出的偏振光(橢圓偏振光或圓偏振光)輸入光源耦合器3的①端口，并被 分成兩路偏振光；其中沿直通臂傳輸并由③端口輸出的偏振光輸入起偏器4 ；起偏器4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①端口。光環(huán)耦合器5將 輸入的線偏振光分成兩路分別從其③、④端口輸出；光環(huán)耦合器5的③、④端口輸出的線偏 振光分別沿光纖環(huán)6的順時針和反時針方向傳輸，然后從光環(huán)耦合器5的③、④端口返回光 環(huán)耦合器5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5分成兩路并 分別從光環(huán)耦合器5的①、②端口輸出。從光環(huán)耦合器5的①端口輸出的線偏振光中從① 端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂和耦合臂各一次； 沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光也經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂和耦合臂各一次。因此，從光 環(huán)耦合器5的①端口出發(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5的 ①端口時所經(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，從光環(huán)耦合器5的②端口輸出的線偏振光中從光 環(huán)耦合器5的①端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器5的直通臂共 兩次，而沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光則經(jīng)過光環(huán)耦合器5的耦合臂共兩次。因此，從光環(huán) 耦合器5的①端口出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光到達光環(huán)耦合器5的②端 口時所經(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5的①端口(互易端口)輸出的線偏振光經(jīng)過起偏器4輸入到光源耦 合器3的③端口，光源耦合器3將③端口輸入的線偏振光信號分成兩路，其中一路通過其② 端口輸入光電檢測器2。當光纖環(huán)6靜止時，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(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5的①端口時所經(jīng)過的光程是相同的；當光纖環(huán)6轉(zhuǎn)動時，從光環(huán)耦合器5的①端口出發(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5的①端口時所經(jīng)過的光程是不相同的；在這兩種情況下，光電檢 測器2接收到的光信號強度有所不同，由此則可以計算出光纖環(huán)6轉(zhuǎn)動的角速度。自干涉 型全光纖陀螺儀問世以來的數(shù)十年間，這個“最小互易結(jié)構(gòu)”從未受到過挑戰(zhàn)。參考文獻 (I)HerveC. Lefevre, “ The Fiber-Optic Gyroscope/r ，ArtechHouse, Boston, 1993. (2) 光纖陀螺原理與技術(shù)，張桂才編著，國防工業(yè)出版社，2008年。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的最小互易結(jié)構(gòu)干涉型全光纖陀螺儀。這種新的最小 互易結(jié)構(gòu)光纖陀螺儀只需五個光學元件。附圖1中的光源耦合器是通常意義的耦合器，它 只用于對光信號的分路。本發(fā)明依據(jù)熔錐型熊貓保偏光纖耦合器的特點，制作或挑選能同 時對輸入光信號進行分路并對且僅對沿直通臂傳輸?shù)墓庑盘柶鹌襁@兩項功能的熔錐型 熊貓保偏光纖耦合器作為光源耦合器，從而使干涉型全光纖陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)從6個 光學元件減為5個光學元件，省略了起偏振器(或消偏振器)。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種最小互易結(jié)構(gòu)干涉型全光纖陀螺儀，其特征在于包括偏振光源、檢測單元、光 源耦合器、光環(huán)耦合器、保偏光纖環(huán)；所述光源耦合器的端口①與所述偏振光源的輸出端對 軸連接，且所述光源耦合器中與端口①同側(cè)的另一端口與所述檢測單元連接，所述光源耦 合器另一側(cè)的端口③與所述光環(huán)耦合器對軸連接，所述光環(huán)耦合器與所述保偏光纖環(huán)對軸 連接；其中，所述光源耦合器為對輸入的偏振光具有分路并僅對沿直通臂傳輸?shù)墓庑盘柶?偏振，所述端口①與所述端口③為所述光源耦合器一直通臂上的兩個端口。進一步的，所述光源耦合器的直通臂的輸出偏振消光比彡20dB。進一步的，所述光源耦合器為采用熔錐型熊貓保偏光纖耦合器制備方法制備的耦
O進一步的，所述光源耦合器為2X2或1X2結(jié)構(gòu)的耦合器。進一步的，所述光環(huán)耦合器為2X2或1X2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的耦合器。進一步的，所述偏振光源為超輻射發(fā)光二極管。進一步的，所述檢測單元為光電檢測二極管。進一步的，所述保偏光纖環(huán)為保偏光纖繞制的光纖線圈。相對于干涉型全光纖陀螺儀的現(xiàn)有“最小互易結(jié)構(gòu)”，本發(fā)明的干涉型全光纖陀螺 儀是更小的最小互易結(jié)構(gòu)，該最小互易結(jié)構(gòu)包括超輻射發(fā)光二極管；光電檢測二極管；光 源耦合器；光環(huán)耦合器；光纖環(huán)共5個光學元件，如附圖2所示，連接方式為超輻射發(fā)光二極管1(輸出的是橢圓偏振光或圓偏振光)與光源耦合器3的①端 口相連接，光電檢測二極管2與光源耦合器3的②端口相連接，光源耦合器3的③端口與光 環(huán)耦合器4的①端口相連接，光源耦合器4的④端口空閑不用，光環(huán)耦合器4的③、④端口 分別與光纖環(huán)5的兩個端口相連接；光環(huán)耦合器4的②端口是非互易端口，空閑不用。其中光源耦合器3具有以下特點它的直通臂對光信號具有分光和起偏振兩項功 能；它的耦合臂對光信號僅具有分光功能?，F(xiàn)有陀螺儀結(jié)構(gòu)中的光源耦合器則只用作分光， 分光后輸出的光通過起偏器起偏振；本發(fā)明中的光源耦合器也不同于偏振分束器，它的直通臂和耦合臂分別傳輸偏振面相互垂直的線偏振光，即能對圓偏振光和橢圓偏振光信號起 偏振，但不能對線偏振光進行分光。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為本發(fā)明將光纖陀螺儀的最小結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的6光學元件結(jié)構(gòu)改進為5光學元件結(jié) 構(gòu)，這樣，不僅降低了干涉型全光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、降低了生產(chǎn)成本，而且提高了陀 螺儀的可靠性，同時由于減小了熔接點，省略了起偏器，減小了光路損耗，從而進一步提高 了陀螺儀的精度。


圖1是經(jīng)典的干涉型全光纖陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)光路示意圖；其中1_超輻射發(fā)光二極管；2-光電檢測二極管；3-光源耦合器；4-起偏器； 5_光環(huán)耦合器；6-光纖環(huán)。光源耦合器3的①-③、②-④為直通臂，具有分光功能；①-④、 ②_③為耦合臂，具有分光功能。圖2是本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖；其中1_超輻射發(fā)光二極管；2-光電檢測二極管；3-光源耦合器；4-光環(huán)耦合器； 5_保偏光纖環(huán)。光源耦合器3的①-③、②-④為直通臂，對線偏振光具有分光功能，對圓 偏振光和橢圓偏振光具有起偏振功能；①-④、②-③為耦合臂，僅具有分光功能。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步詳細地說明本發(fā)明。如附圖2所示，本發(fā)明涉及的干涉型全光纖陀螺儀包括超輻射發(fā)光二極管1、光 電檢測二極管2、光源耦合器3、光環(huán)耦合器4和保偏光纖環(huán)5共五個光學元件。超輻射發(fā)光二極管1可以輸出圓偏振光、橢圓偏振光或線偏振光信號，然后將超 輻射發(fā)光二極管1輸出的偏振光輸入到光源耦合器3的①、②、③或④端口中的任意一個端 口，本實施例中選?、俣丝跒檩斎攵丝?，如圖2所示。光源耦合器3將輸入的光信號分為兩 路并分別從①、②或③、④端口輸出；從①或②端口輸入則從③、④端口輸出；從③或④端 口輸入則從①、②端口輸出，本實施例中選取同一側(cè)的③、④端口作為輸出端口，如圖2所 示。其中，與輸入端口直通的端口輸出的光信號是線偏振光(偏振消光比>20dB)，與輸入 端口不直通的端口輸出的光信號是橢圓偏振光或圓偏振光。橢圓偏振光或圓偏振光閑置不 用，線偏振光則輸入光環(huán)耦合器4的①、②、③或④端口中的任意一個端口，本實施例中選 ?、俣丝跒檩斎攵丝冢鐖D2所示。下面以光源耦合器3的①端口接超輻射發(fā)光二極管1 的信號輸出端口為例進行說明，如圖2所示。光源耦合器3的①端口與超輻射發(fā)光二極管1的信號輸出端口對軸連接；光源耦 合器3對輸入的偏振光具有分路并對且僅對沿直通臂傳輸?shù)墓庑盘柶鹌竦墓δ?，?jīng)光源 耦合器3的輸出端口③輸出的光為線偏振光，光源耦合器3的端口③與光環(huán)耦合器4的端 口①對軸連接，光環(huán)耦合器4將輸入的線偏振光信號分為功率相等的兩路線偏振光，并分 別從③、④端口輸出。光環(huán)耦合器4的③、④端口輸出的光信號分別從保偏光纖環(huán)5的兩個 端口輸入并沿順時針和反時針方向傳輸。兩路沿保偏光纖環(huán)5相對傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光 纖環(huán)5傳輸后又返回到光環(huán)耦合器4，并在光環(huán)耦合器4內(nèi)實現(xiàn)相干疊加。相干疊加后的光信號分又為兩路線偏振光，并分別從光環(huán)耦合器4的①、②端口輸出。其中，從光環(huán)耦合 器4的①端口輸出的線偏振光中從光環(huán)耦合器4的①端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)?線偏振光信號經(jīng)過光環(huán)耦合器4的直通臂和耦合臂各一次，沿反時針方向傳輸?shù)木€偏振光 也經(jīng)過光環(huán)耦合器4的直通臂和耦合臂各一次。因此，從光環(huán)耦合器4的①端口出發(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4的①端口時所經(jīng)過的光程是相 同的，無差別，可互易。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，從光環(huán)耦合器4的②端口輸出的線偏振光中從光環(huán)耦合器 4的①端口出發(fā)的，沿順時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器4的直通臂共兩次，沿反 時針方向傳輸?shù)木€偏振光經(jīng)過光環(huán)耦合器4的耦合臂共兩次，因此從光環(huán)耦合器4的①端 口出發(fā)的，沿順時針、反時針方向傳輸?shù)木€偏振光到達光環(huán)耦合器4的②端口時所經(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檢測信號使用，因此閑置不 用，互易光信號則輸入光源耦合器3的③端口。光源耦合器3將③端口輸入的光信號分為 兩路，其中一路經(jīng)過光源耦合器3的②端口輸入光電檢測二極管并形成干涉型全光纖陀螺 儀的接收信號。該接收信號經(jīng)過解調(diào)、放大和信號處理，則可得到干涉型全光纖陀螺儀的輸 出角速度。由附圖2可知，本發(fā)明涉及的干涉型全光纖陀螺儀只有5個光學元件。本發(fā)明涉及的光源耦合器3是熔錐型熊貓保偏光纖耦合器，其特征在于若光源 耦合器3的輸入光信號為偏振光(線偏振、圓偏振或橢圓偏振)，則其直通臂輸出的光信號 為線偏振光(偏振消光比> 20dB)，而耦合臂輸出的光信號為橢圓偏振光或圓偏振光。光源 耦合器3可以通過現(xiàn)有的熔錐型熊貓保偏光纖耦合器的制備方法進行制備，也可以對現(xiàn)有 的光源耦合器進行檢測，選取適合的(即同時對輸入光信號進行分路并對且僅對沿直通臂 傳輸?shù)墓庑盘柶鹌?耦合器作為本發(fā)明的光源耦合器。本發(fā)明涉及的光環(huán)耦合器4是熔錐型熊貓保偏光纖耦合器，其特征在于若光環(huán) 耦合器4的輸入光信號為線偏振光信號，其兩路輸出光信號都是線偏振光本發(fā)明涉及的光纖環(huán)5是采用熊貓保偏光纖繞制的光纖線圈，當然也可以采用其 他保偏光纖繞制的光纖線圈。
權(quán)利要求
一種最小互易結(jié)構(gòu)干涉型全光纖陀螺儀，其特征在于包括偏振光源、檢測單元、光源耦合器、光環(huán)耦合器、保偏光纖環(huán)；所述光源耦合器的端口①與所述偏振光源的輸出端對軸連接，且所述光源耦合器中與端口①同側(cè)的另一端口與所述檢測單元連接，所述光源耦合器另一側(cè)的端口③與所述光環(huán)耦合器對軸連接，所述光環(huán)耦合器與所述保偏光纖環(huán)對軸連接；其中，所述光源耦合器為對輸入的偏振光具有分路并僅對沿直通臂傳輸?shù)墓庑盘柶鹌?，所述端口①與所述端口③為所述光源耦合器一直通臂上的兩個端口。
2.如權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于所述光源耦合器的直通臂的輸出偏振消光 比彡20dB。
3.如權(quán)利要求1或2所述的陀螺儀，其特征在于所述光源耦合器為采用熔錐型熊貓保 偏光纖耦合器制備方法制備的耦合器。
4.如權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征在于所述光源耦合器為2X2或1X2結(jié)構(gòu)的耦ο
5.如權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于所述光環(huán)耦合器為2X2或1X2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 的耦合器。
6.如權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于所述偏振光源為超輻射發(fā)光二極管。
7.如權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于所述檢測單元為光電檢測二極管。
8.如權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于所述保偏光纖環(huán)為保偏光纖繞制的光纖線圈。全文摘要
本發(fā)明公開了一種最小互易結(jié)構(gòu)的干涉型全光纖陀螺儀，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的陀螺儀包括偏振光源、檢測單元、光源耦合器、光環(huán)耦合器、保偏光纖環(huán)；所述光源耦合器的端口①與所述偏振光源的輸出端對軸連接，且所述光源耦合器中與端口①同側(cè)的另一端口與所述檢測單元連接，所述光源耦合器另一側(cè)的端口③與所述光環(huán)耦合器對軸連接，所述光環(huán)耦合器與所述保偏光纖環(huán)對軸連接；其中，所述光源耦合器為對輸入的偏振光具有分路并僅對沿直通臂傳輸?shù)墓庑盘柶鹌?，所述端口①與所述端口③為所述光源耦合器一直通臂上的兩個端口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明節(jié)約了成本、減小了光路損耗，而且進一步提高了陀螺儀的精度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01C19/72GK101922935SQ20101023265
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者王子宇, 王心悅 申請人:北京大學