專利名稱：四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖中的陀螺裝置，具體是涉及基于受激布里淵散射原理和四頻差動(dòng)檢測(cè)方法的光纖陀螺儀。
背景技術(shù)：
光纖陀螺發(fā)展經(jīng)歷了第一代干涉型光纖陀螺，第二代諧振腔型光纖陀螺和第三代布里淵光纖陀螺。目前，各種精度的干涉型光纖陀螺已經(jīng)有商品化的產(chǎn)品，諧振腔型光纖陀螺由于技術(shù)上存在一些困難因而仍處在研究階段。新一代布里淵光纖陀螺因其具有的優(yōu)點(diǎn)已引起人們的廣泛關(guān)注。布里淵光纖陀螺具有光纖陀螺所共有的一些優(yōu)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間短，體積小，重量輕，功耗低，抗電磁干擾，動(dòng)態(tài)范圍大，帶寬大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，免維護(hù)等。除此之外布里淵光纖陀螺特有的優(yōu)點(diǎn)是布里淵光纖陀螺不需要復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理系統(tǒng)，輸出的拍頻信號(hào)可以直接處理，因此所需光學(xué)和電子部件較少；由于布里淵激光具有極窄的線寬，因此理論上具有非常高的精度；所使用的光纖較短，一般為10～20m，可以降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)。因此，布里淵光纖陀螺是光纖陀螺高精度，低成本，小型化的新方向。目前已近公開(kāi)報(bào)道的光纖陀螺的設(shè)計(jì)方案較多，例如中立申請(qǐng)?zhí)枮?0104219.X，名稱為“環(huán)形光纖激光陀螺”等，但關(guān)于布里淵光纖陀螺的設(shè)計(jì)方案的報(bào)道并不多。
布里淵光纖陀螺是一種主動(dòng)式激光陀螺，因此它不可避免地要產(chǎn)生頻率鎖定現(xiàn)象即在旋轉(zhuǎn)角速度較小時(shí)，輸出拍頻為零。這是由于環(huán)形腔中的背向散射導(dǎo)致頻率牽引而產(chǎn)生的。并且輸出的拍頻信號(hào)只與旋轉(zhuǎn)速率有關(guān)，因此也無(wú)法判斷旋轉(zhuǎn)方向。斯坦福大學(xué)H.J.Shaw領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出使用推拉相位調(diào)制來(lái)解決頻率鎖定和判斷旋轉(zhuǎn)方向的方法(S.Huang et al.Synthetic heterodyne detection in a fiber-opticring-laser gyro.Opt.Lett.1993，1881～83)。但是由于在光纖環(huán)形腔中引入兩個(gè)相位調(diào)制器，其波動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起輸出布里淵光的頻率穩(wěn)定性，從而為系統(tǒng)引入誤差，再者，對(duì)光纖環(huán)形腔進(jìn)行深度相位調(diào)制以及信號(hào)處理都比較困難，因此難以達(dá)到實(shí)用化要求。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決頻率鎖定和旋轉(zhuǎn)方向的判斷等問(wèn)題，消除偏頻不穩(wěn)定，高精度的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括窄線寬光纖激光器1、第一隔離器2、第一耦合器3、第一泵浦光4、第二泵浦光5、可調(diào)光衰減器6、聲光移頻器7、第二隔離器8、第二耦合器9、第三耦合器10、四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11、光纖環(huán)形腔12、第一探測(cè)器13和閉環(huán)反饋電路14；窄線寬光纖激光器1輸出經(jīng)第一隔離器2后連接第一耦合器3，第一耦合器3的輸出分成兩路，即第一泵浦光4和第二泵浦光5，其中第一泵浦光4輸入聲光移頻器7，第二泵浦光5輸入可調(diào)光衰減器6，出聲光移頻器7的第一泵浦光4和出可調(diào)光衰減器6的第二泵浦光5分別通過(guò)第二耦合器9和第三耦合器10連接光纖環(huán)形腔12，第二耦合器9和第三耦合器10的兩端連接有四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11，第一隔離器2后連接有第一探測(cè)器13和閉環(huán)反饋電路14，閉環(huán)反饋電路14連接光纖環(huán)形腔12。
本發(fā)明還可以包括1、所述第一耦合器3、第二耦合器9、第三耦合器10的耦合比為50∶50。
2、所述的光纖環(huán)形腔12由第四耦合器12-1、光纖環(huán)12-2、第一布里淵激光12-3、第二布里淵激光12-4和相位調(diào)制器12-5連接組成，閉環(huán)反饋電路14連接光纖環(huán)形腔12的相位調(diào)制器12-5。
3、所述的四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11由第五耦合器11-1、第六耦合器11-2、第二探測(cè)器11-3、第三探測(cè)器11-4和差分電路11-5組成，第五耦合器11-1連接第二探測(cè)器11-3，第六耦合器11-2連接第三探測(cè)器11-4，第二探測(cè)器11-3和第三探測(cè)器11-4連接差分電路11-5。
4、所述的閉環(huán)反饋電路14由前置放大電路14-1、濾波電路14-2、A/D轉(zhuǎn)換器14-3、主控單片機(jī)14-4、D/A轉(zhuǎn)換器14-5和相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路14-6組成，第一探測(cè)器13連接前置放大電路14-1，前置放大電路14-1連接由濾波電路14-2，濾波電路14-2經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器14-3連接主控單片機(jī)14-4，主控單片機(jī)14-4的輸出由D/A轉(zhuǎn)換器14-5連接相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路14-6，相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路14-6的輸出連接光纖環(huán)形腔12中的相位調(diào)制器12-5。
布里淵光纖陀螺的原理是在光纖環(huán)形腔中，以受激布里淵散射(SBS)作為增益構(gòu)成兩個(gè)布里淵光纖環(huán)形激光器，然后再使兩束布里淵激光干涉形成拍頻構(gòu)成陀螺。SBS可以看成是泵浦光和介質(zhì)中的受激聲波場(chǎng)相互作用產(chǎn)生后向散射光的非線性效應(yīng)。后向散射光稱之為Stokes光，其頻率相對(duì)于泵浦光下移2v/λ，其中v是介質(zhì)中的聲速，λ是泵浦光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)。泵浦光和反向的Stokes光干涉產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的駐波，通過(guò)電致伸縮作用產(chǎn)生受激聲波場(chǎng)。使用光纖環(huán)形諧振腔，可以實(shí)現(xiàn)低閾值布里淵激光。由于SBS具有增益方向敏感性，這使得在同一環(huán)形腔中可以獨(dú)立運(yùn)行兩束反向的布里淵激光，其增益來(lái)自反向泵浦的泵浦光產(chǎn)生的布里淵增益。
本發(fā)明的窄線寬光纖激光器1輸出的激光經(jīng)第一隔離器2后由第一耦合器3分成兩路。其中一路的第一泵浦光4經(jīng)聲光移頻器7后頻率下移若干個(gè)縱模間隔，約為幾十MHz，以獲得較大偏頻。第一泵浦光4和第二泵浦光5分別通過(guò)第二耦合器9和第三耦合器10進(jìn)入光纖環(huán)形腔12，當(dāng)?shù)谝槐闷止?和第二泵浦光5與光纖環(huán)形腔12的諧振頻率匹配并且功率超過(guò)閾值時(shí)，就會(huì)分別產(chǎn)生第一布里淵激光和第二布里淵激光，最后由四頻差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)11分別探測(cè)第一泵浦光4和第二泵浦光5產(chǎn)生的拍頻以及第一布里淵激光和第二布里淵激光產(chǎn)生的拍頻，兩者相減就可以得到由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拍頻信號(hào)，此方法可以消除由于聲光移頻器7引起的第一泵浦光4和第二泵浦光5的偏頻不穩(wěn)定，由于引入固有頻差可以消除頻率鎖定產(chǎn)生的死區(qū)，并且通過(guò)比較陀螺輸出信號(hào)的拍頻與固有頻差的大小來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向。
本發(fā)明的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，利用泵浦光的偏頻技術(shù)解決頻率鎖定和判斷旋轉(zhuǎn)方向的問(wèn)題，并且利用四頻差動(dòng)檢測(cè)技術(shù)消除了偏頻不穩(wěn)定從而獲得高精度的布里淵光纖陀螺。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是閉環(huán)反饋電路的構(gòu)成框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，本實(shí)施方式的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺由窄線寬光纖激光器1、第一隔離器2、第一耦合器3、第一泵浦光4、第二泵浦光5、可調(diào)光衰減器6、聲光移頻器7、第二隔離器8、第二耦合器9、第三耦合器10、四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11、光纖環(huán)形腔12、第一探測(cè)器13和閉環(huán)反饋電路14組成，窄線寬光纖激光器1輸出的激光與第一隔離器2的輸入端連接，第一隔離器2的輸出端與第一耦合器3的第一端口連接，所述第一耦合器3的耦合比為50∶50，由第一耦合器3均分窄線寬光纖激光器1輸出的激光形成第一泵浦光4和第二泵浦光5，通過(guò)第一耦合器3的第四個(gè)端口把第一泵浦光4連接到聲光移頻器7的輸入端，所述聲光移頻器7的作用是把第一泵浦光4進(jìn)行偏頻，聲光移頻器7的輸出端與第二隔離器8的輸入端連接，第二隔離器8的輸出端與第二耦合器9的第一端口連接，所述第二耦合器9的耦合比為50∶50，它把第一泵浦光4均分成兩部分，其中一部分通過(guò)第二耦合器9的第四端口連接到四頻差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)11的輸入端11-2-1，另一部分通過(guò)第二耦合器9的第三端口連接到光纖環(huán)形腔12的輸入端12-1-1，在光纖環(huán)形腔12中產(chǎn)生的第一布里淵激光12-3返回到第二耦合器9的第三端口，從第二耦合器9的第二端口輸出，然后連接到四頻差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)11的輸入端11-1-1，通過(guò)第一耦合器3的第三個(gè)端口把第二泵浦光5連接到可調(diào)光衰減器6的輸入端，所述可調(diào)光衰減器6的作用是調(diào)節(jié)到達(dá)光纖環(huán)形腔12時(shí)第二泵浦光5的功率與到達(dá)光纖環(huán)形腔12的第一泵浦光4的功率相等，可調(diào)光衰減器6的輸出端與第三耦合器10的第一端口連接，所述第三耦合器10的耦合比為50∶50，它把第二泵浦光5均分成兩部分，其中一部分通過(guò)第三耦合器10的第四端口連接到四頻差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)11的輸入端11-2-2，另一部分通過(guò)第三耦合器10的第三端口連接到光纖環(huán)形腔12的輸入端12-1-3，在光纖環(huán)形腔12中產(chǎn)生的第二布里淵激光12-4返回到第三耦合器10的第三端口，從第三耦合器10的第二端口輸出，然后連接到四頻差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)11的輸入端11-1-2，所述第一泵浦光4在進(jìn)入光纖環(huán)形腔12后會(huì)有一部分光通過(guò)12-1-3端口進(jìn)入第三耦合器10的第三端口，然后通過(guò)可調(diào)光衰減器6和第一耦合器3進(jìn)入第一探測(cè)器13，第一探測(cè)器13的輸出端與閉環(huán)反饋電路14的輸入端連接，閉環(huán)反饋電路14的輸出端與光纖環(huán)形腔12中的相位調(diào)制器12-5連接，所述閉環(huán)反饋電路14的作用是使光纖環(huán)形腔12能穩(wěn)定工作達(dá)到諧振狀態(tài)。所述窄線寬光纖激光器1的輸出波長(zhǎng)為1550nm，采用的型號(hào)為Koheras Adjustik C15(KOHERAS公司，丹麥)。
光纖環(huán)形腔12由第四耦合器12-1、光纖環(huán)12-2、第一布里淵激光12-3、第二布里淵激光12-4和相位調(diào)制器12-5組成。第一泵浦光4由第四耦合器12-1的第一端口進(jìn)入光纖環(huán)形腔12，當(dāng)?shù)谝槐闷止?的頻率與光纖環(huán)形腔12諧振頻率匹配，并且第一泵浦光4達(dá)到布里淵光纖環(huán)形激光器閾值時(shí)，就會(huì)在背向產(chǎn)生第一布里淵激光12-3并從第四耦合器12-1的第一端口輸出，第二泵浦光5由第四耦合器12-1的第三端口進(jìn)入光纖環(huán)形腔12，當(dāng)?shù)诙闷止?的頻率與光纖環(huán)形腔12諧振頻率匹配，并且第二泵浦光5達(dá)到布里淵光纖環(huán)形激光器閾值時(shí)，就會(huì)在背向產(chǎn)生第二布里淵激光12-4并從第四耦合器12-1的第三端口輸出，相位調(diào)制器12-5由閉環(huán)反饋電路14控制使環(huán)形腔的諧振頻率始終與泵浦光匹配。所述第四耦合器12-1的耦合比為98∶2～95∶5，相位調(diào)制器12-5的型號(hào)為FPS-001(General Photonics公司，美國(guó))。
四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11由第五耦合器11-1、第六耦合器11-2、第二探測(cè)器11-3、第三探測(cè)器11-4和差分電路11-5組成。第一泵浦光4和第二泵浦光5分別從第六耦合器11-2的第一端口和第二端口進(jìn)入第六耦合器11-2，然后由第六耦合器11-2的第三端口輸出并由第三探測(cè)器11-4探測(cè)第一泵浦光4和第二泵浦光5之間的固有頻差導(dǎo)致的拍頻，在光纖環(huán)形腔12中產(chǎn)生的第一布里淵激光12-3和第二布里淵激光12-4分別從第五耦合器11-1第一端口和第二端口進(jìn)入第五耦合器11-1，然后由第五耦合器11-1的第三端口輸出并由第二探測(cè)器11-3探測(cè)第一布里淵激光12-3和第二布里淵激光12-4產(chǎn)生的拍頻，第二探測(cè)器11-3和第三探測(cè)器11-4的輸出信號(hào)由差分電路11-5處理，就可以減去第一泵浦光4和第二泵浦光5之間的固有頻差得到由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拍頻，此方法可以消除第一泵浦光4和第二泵浦光5的偏頻不穩(wěn)定。所述第五耦合器11-1和第六耦合器11-2的耦合比均為50∶50。
結(jié)合圖2，閉環(huán)反饋電路14由前置放大電路14-1、濾波電路14-2、A/D轉(zhuǎn)換器14-3、主控單片機(jī)14-4、D/A轉(zhuǎn)換器14-5和相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路14-6組成。前置放大電路14-1對(duì)第一探測(cè)器13探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大，由濾波電路14-2濾除高頻噪聲，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器14-3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到主控單片機(jī)14-4進(jìn)行判斷此時(shí)環(huán)形腔失諧的位置，主控單片機(jī)14-4判斷后給出下一步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此驅(qū)動(dòng)信號(hào)再由D/A轉(zhuǎn)換器14-5轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后經(jīng)由相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路14-6放大加載到光纖環(huán)形腔12中的相位調(diào)制器12-5上。
權(quán)利要求
1.一種四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，包括窄線寬光纖激光器(1)、第一隔離器(2)、第一耦合器(3)、第一泵浦光(4)、第二泵浦光(5)、可調(diào)光衰減器(6)、聲光移頻器(7)、第二隔離器(8)、第二耦合器(9)、第三耦合器(10)、四頻差動(dòng)探測(cè)裝置(11)、光纖環(huán)形腔(12)、第一探測(cè)器(13)和閉環(huán)反饋電路(14)；其特征是窄線寬光纖激光器(1)輸出經(jīng)第一隔離器(2)后連接第一耦合器(3)，第一耦合器(3)的輸出分成兩路，即第一泵浦光(4)和第二泵浦光(5)，其中第一泵浦光(4)輸入聲光移頻器(7)，第二泵浦光(5)輸入可調(diào)光衰減器(6)，出聲光移頻器(7)的第一泵浦光(4)和出可調(diào)光衰減器(6)的第二泵浦光(5)分別通過(guò)第二耦合器(9)和第三耦合器(10)連接光纖環(huán)形腔(12)，第二耦合器(9)和第三耦合器(10)的兩端連接有四頻差動(dòng)探測(cè)裝置(11)，第一隔離器(2)后連接有第一探測(cè)器(13)和閉環(huán)反饋電路(14)，閉環(huán)反饋電路(14)連接光纖環(huán)形腔(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，其特征是所述第一耦合器(3)、第二耦合器(9)、第三耦合器(10)的耦合比為50∶50。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，其特征是所述的光纖環(huán)形腔(12)由第四耦合器(12-1)、光纖環(huán)(12-2)、第一布里淵激光(12-3)、第二布里淵激光(12-4)和相位調(diào)制器(12-5)連接組成，閉環(huán)反饋電路(14)連接光纖環(huán)形腔(12)的相位調(diào)制器(12-5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，其特征是所述的四頻差動(dòng)探測(cè)裝置(11)由第五耦合器(11-1)、第六耦合器(11-2)、第二探測(cè)器(11-3)、第三探測(cè)器(11-4)和差分電路(11-5)組成，第五耦合器(11-1)連接第二探測(cè)器(11-3)，第六耦合器(11-2)連接第三探測(cè)器(11-4)，第二探測(cè)器(11-3)和第三探測(cè)器(11-4)連接差分電路(11-5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，其特征是所述的閉環(huán)反饋電路(14)由前置放大電路(14-1)、濾波電路(14-2)、A/D轉(zhuǎn)換器(14-3)、主控單片機(jī)(14-4)、D/A轉(zhuǎn)換器(14-5)和相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路(14-6)組成，第一探測(cè)器(13)連接前置放大電路(14-1)，前置放大電路(14-1)連接由濾波電路(14-2)，濾波電路(14-2)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(14-3)連接主控單片機(jī)(14-4)，主控單片機(jī)(14-4)的輸出由D/A轉(zhuǎn)換器(14-5)連接相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路(14-6)，相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路(14-6)的輸出連接光纖環(huán)形腔(12)中的相位調(diào)制器(12-5)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺。它是由窄線寬光纖激光器1、第一隔離器2、第一耦合器3、第一泵浦光4、第二泵浦光5、可調(diào)光衰減器6、聲光移頻器7、第二隔離器8、第二耦合器9、第三耦合器10、四頻差動(dòng)探測(cè)裝置11、光纖環(huán)形腔12、第一探測(cè)器13和閉環(huán)反饋電路14組成的。本發(fā)明的四頻差動(dòng)布里淵光纖陀螺，利用泵浦光的偏頻技術(shù)解決頻率鎖定和旋轉(zhuǎn)方向的判斷問(wèn)題，并且利用四頻差動(dòng)檢測(cè)技術(shù)消除了由偏頻不穩(wěn)定給系統(tǒng)帶來(lái)的誤差，從而獲得高精度的布里淵光纖陀螺。
文檔編號(hào)G01C19/72GK101067556SQ20071007229
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者呂月蘭, 董永康 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)