專利名稱：一種再入式干涉型光纖陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺儀，尤其涉及一種再入式干涉型光纖陀螺儀，屬于光纖通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
陀螺儀是一種能夠高精度地檢測相對空間轉(zhuǎn)動的裝置，現(xiàn)在有很多利用轉(zhuǎn)動帶來的物理效應(yīng)研究的陀螺儀類型，如機械陀螺儀、光纖陀螺儀、原子陀螺儀等。光纖陀螺儀是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，精度高的全固態(tài)慣性器件。其在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如戰(zhàn)術(shù)武器指導(dǎo)、航天定向?qū)Ш?，汽車?dǎo)航儀，機器人控制等。
光纖陀螺儀的基本原理是基于薩格奈克(sagnac)效應(yīng)，這是一種相對論效應(yīng)。簡單地說，在一任意形狀的閉合光學(xué)環(huán)路中，從其中任意一點出發(fā)，向環(huán)路中相對的兩個方向發(fā)出的光，分別沿環(huán)路順時針和逆時針方向傳播。環(huán)路在相對空間有轉(zhuǎn)動角速度的時候，兩個不同方向的光再回到源點時經(jīng)過的路徑或時間是不同的，表現(xiàn)在光波函數(shù)上，有一定的相位差。這種現(xiàn)象稱為薩格奈克效應(yīng)。相位差與旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)系，會帶來干涉效應(yīng)，從而能夠通過測量干涉效應(yīng)來推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的速度。
旋轉(zhuǎn)引起的兩路光的相對相位變化稱為薩格奈克相移，理論上推導(dǎo)得 式中，L為光纖線圈長度，D為光纖線圈直徑，λ為信號光的中心波長，c為真空中的光速，Ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動角速度。由公式(1)可以看出，薩格奈克效應(yīng)及其相移φs大小與介質(zhì)的折射率無關(guān)，且與環(huán)長L成正比。
在傳統(tǒng)的光纖陀螺方案中，如圖1中的最小互易性結(jié)構(gòu)，光纖環(huán)中只存在單一的光路徑，信號光由光纖環(huán)輸入端進(jìn)入后，經(jīng)過環(huán)路后，直接從輸出端出來。由于按照公式(1)，薩格奈克相移與環(huán)長L成比例。要獲取較大薩格奈克相移，需要很長的光纖。為了解決此問題，研究人員提出了無源再入式光纖陀螺儀，但是由于其采用普通耦合器，使得有效環(huán)長路徑并沒有太大的提高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種再入式干涉型光纖陀螺儀。本發(fā)明的光纖陀螺儀在信號進(jìn)入環(huán)的入口處采用特殊的偏振合束/分束器，并在環(huán)中加一段有一定角度熔接的保偏光纖，實現(xiàn)了信號光多進(jìn)少出的效果，從而有效提高了信號光傳播路徑，增強了薩格奈克效應(yīng)。從而在同樣光纖環(huán)長度下，提高了測量精度。本發(fā)明提出的再入式干涉型光纖陀螺儀可以使光纖環(huán)的有效長度Leff增加到多倍于環(huán)長L的程度，相應(yīng)比例地提高了薩格奈克效應(yīng)及其相移，從而更容易和準(zhǔn)確地檢測物體的轉(zhuǎn)動速度。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種再入式干涉型光纖陀螺儀，其特征在于包括寬帶光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探測器、2×2保偏耦合器、相位調(diào)制器、兩保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器、保偏光纖環(huán)； 所述寬帶光源的輸出端和所述探測器的接收端分別與所述2×2耦合器同一側(cè)的兩端口光纖連接； 所述2×2耦合器的另一側(cè)一端口與所述偏振起偏器光纖連接，且所述偏振起偏器與所述2×2保偏耦合器一側(cè)的一端口光纖對軸連接； 所述2×2保偏耦合器另一側(cè)的一端口與一所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口光纖對軸連接，且所述2×2保偏耦合器該側(cè)的另一端口經(jīng)所述相位調(diào)制器與另一所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口光纖對軸連接； 兩所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的合束端口分別與所述保偏光纖環(huán)的兩端口光纖對軸連接； 所述保偏光纖環(huán)中連接有一段保偏光纖，該段保偏光纖兩端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸分別具有設(shè)定的偏角； 兩所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的另一分束端口之間光纖對軸連接。
進(jìn)一步的，所述保偏光纖環(huán)的正中位置連接有該段保偏光纖。
進(jìn)一步的，該段保偏光纖的一端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸以偏角α熔接，該段保偏光纖的另一端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸以偏角β熔接。
進(jìn)一步的，所述偏角β＝-α。
進(jìn)一步的，所述偏角0°＜α≤10°。
進(jìn)一步的，所述偏角α＝5°。
進(jìn)一步的，所述相位調(diào)制器為鈮酸鋰相位調(diào)制器。
圖2為本發(fā)明提出的基于偏振轉(zhuǎn)換的再入式干涉型保偏光纖陀螺儀方案。光源采用ASE寬帶光源。發(fā)出的信號光經(jīng)過耦合器后，由起偏器起偏到保偏光纖的快軸或慢軸上。耦合器2為3db保偏耦合器，光纖環(huán)為保偏光纖環(huán)。假設(shè)信號光被起偏于快軸上，從而經(jīng)過保偏耦合器2后分別沿順時針和逆時針方向傳播。在耦合器2某一分光路上加上鈮酸鋰相位調(diào)制器，實現(xiàn)相位調(diào)制?？燧S上的光經(jīng)過2×1保偏/旋轉(zhuǎn)合束器后，被轉(zhuǎn)換到慢軸上，進(jìn)入光纖線圈。保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器示意圖如圖3所示。線圈正中位置接入一段保偏光纖，其兩端與保偏光纖環(huán)的正交快慢軸以偏角α熔接，如圖4所示，所接入的保偏光纖慢軸上的光被分解到所熔接的保偏光纖的兩個軸上進(jìn)行傳播，在經(jīng)過另一端的熔接處，再次經(jīng)過二次分解。總的來說，實現(xiàn)了光在兩個軸上的分解，在原來慢軸上的光強占比為cos2α，快軸上光強占比為sin2α。繼續(xù)傳播到另一端的偏振保偏/旋轉(zhuǎn)分束器后，在慢軸的cos2α占比的光被分到環(huán)光路中繼續(xù)傳播，通過入端的偏振保偏/旋轉(zhuǎn)合束器進(jìn)入光纖環(huán)路中，進(jìn)行如上所述的多圈重復(fù)傳輸；而快軸的占比為sin2α的光經(jīng)過偏振保偏/旋轉(zhuǎn)分束器后被分到另一支路上，再經(jīng)過耦合器2出來進(jìn)行干涉。此時，偏振保偏/旋轉(zhuǎn)分束器實現(xiàn)的是偏振分束的功能。順時針和逆時針方向都是按照上述路徑傳播，且容易看出，能夠保證整個光路的互易性。
由于采用寬帶光源，如對50nm帶寬、中心波長為1550nm的信號光，其干涉長度約為48μm，相比于光纖環(huán)長來說很短，所以只有經(jīng)過相同圈數(shù)的光才能夠干涉。下面來計算有效環(huán)長。傳統(tǒng)的單圈傳輸結(jié)構(gòu)的有效環(huán)長對應(yīng)的薩格奈克相移如公式(1)所示。在環(huán)中繞n圈出來的信號光的能量占剛從耦合器2進(jìn)入線圈時信號光能量的比例為 由于所轉(zhuǎn)圈數(shù)越大，相應(yīng)的信號光能量越小，設(shè)第N圈之后的信號光傳輸作用可以忽略，每一圈的等效薩格奈克相移為相應(yīng)的圈數(shù)n和光能量比例的乘積，設(shè)對軸偏角α＝5°，如圖5所示。
總體的有效薩格奈克相移為 有效的薩格奈克相移與圈數(shù)N的關(guān)系如圖6所示，當(dāng)N很大時，可以看出 有效薩格奈克相移提高了1/sin2α倍，如偏角α＝5°時增大了132倍，因此可以極大地提高靈敏度。實際中考慮到接入損耗，在每一圈傳播中引起功率的損耗，靈敏度會有一定的降低。
下面討論采用一種正弦波相位調(diào)制波形的信號調(diào)制方法。如圖2所示，在耦合器2后的一分支光路上加上鈮酸鋰相位調(diào)制器。可精確測量環(huán)路此時的渡越時間τ。
采用正弦波方式調(diào)制，t時刻調(diào)制相位為φ(t)＝φmcosωt。那么轉(zhuǎn)n圈出來干涉的兩束光由正弦波調(diào)制引起的相位差為 其中， t時刻耦合器2出來的干涉的信號包含重復(fù)了n＝1，2，3，…圈后出來的光信號，考慮干涉信號光的交流項，對第n圈，其干涉功率為 P(n，t)＝P0sin2αcos2(n-1)αcos(Δφ(t，n)+nφs) ＝P0sin2αcos2(n-1)αcos(2Ansin(ωt+θn)+nφs) (6) 由于只有經(jīng)過相同圈數(shù)的順時針和逆時針信號光才能進(jìn)行干涉，則總功率為 用濾波器濾波，得到干涉信號的一次、二次和四次諧波分別為 一次諧波 二次諧波 四次諧波 由于

精確測量確定τ，通過選定調(diào)制頻率ω＝π/τ，使得Ji(An)＝Ji(An+2)，i＝1，2，4；當(dāng)n為奇數(shù)時，有

，當(dāng)n為偶數(shù)時，有Ji(An)＝0。
這樣，通過二次諧波和四次諧波之比，得到P2/P4＝J2(φm)/J4(φm)，求出φm的值；由于φs很小，在環(huán)長約100m條件下，φs約為10-6量級，sin(nφs)≈nφs，cos(nφs)≈1。那么一次諧波為 二次諧波為 兩式相除，可以求出薩格奈克相移φs，并利用方程(1)求出旋轉(zhuǎn)角速度。在本例中，有效薩格奈克相移提高了約65倍。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為 在光纖陀螺儀中，通過利用偏振特性實現(xiàn)信號光在光纖環(huán)中多次重復(fù)傳輸，提高了有效薩格奈克相移，提高了測量旋轉(zhuǎn)角速度的精度，降低了光纖陀螺儀的成本。



圖1是傳統(tǒng)最小互易性保偏光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)； 圖2是基于偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的再入式干涉型光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)圖； 圖3是保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器示意圖； 圖4是光纖環(huán)中保偏光纖的熔接圖； 圖5是α＝5°時第n圈的等效薩格奈克相移； 圖6是α＝5°時N圈的有效薩格奈克相移。

具體實施例方式 采用ASE寬譜光源，中心波長為1550nm，帶寬約為50nm。經(jīng)過3db2×2耦合器1后，被起偏器起偏到快軸上。再經(jīng)過一3db2×2保偏耦合器2，分為等功率的在快軸上傳播的兩束光。其中一分支光路上要連接上鈮酸鋰相位調(diào)制器。保偏耦合器2輸出端的保偏尾纖要與偏振保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的保偏支路對軸熔接。保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的合端尾纖可與保偏光纖環(huán)對軸熔接。在光纖環(huán)正中位置，以一定的旋轉(zhuǎn)角度如5°與一小段保偏光纖熔接，然后保偏光纖再以-5°的偏轉(zhuǎn)角度與下一段光纖環(huán)熔接。保偏光纖環(huán)另一端與出口處的保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的合端尾纖對軸熔接。這里描述的出口和入口時相對的，因為從反方向傳播的光來看，出入口位置剛好相反。
準(zhǔn)確測量環(huán)路的τ可以采用脈沖相位調(diào)制方式。在恒定轉(zhuǎn)速下，無相位調(diào)制時，出口處的干涉光是沒有變化的。假設(shè)在鈮酸鋰相位調(diào)制器上加上具有一定時間間隔的脈沖相位調(diào)制，則出來的干涉光也出現(xiàn)相應(yīng)的兩個脈沖，測量這兩個脈沖之間的時間間隔，即為2τ。這樣就可以得到準(zhǔn)確的τ。
利用鈮酸鋰相位調(diào)制器進(jìn)行正弦波相位調(diào)制，調(diào)制頻率設(shè)置為ω＝π/τ。
在耦合器1的端口用光電轉(zhuǎn)換器接受干涉信號，并通過NI采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并用LabView對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，找出其中的一倍頻、二倍頻和四倍頻。采用如發(fā)明內(nèi)容部分所述的方法進(jìn)行分析，求得轉(zhuǎn)動角速度。
權(quán)利要求
1.一種再入式干涉型光纖陀螺儀，其特征在于包括寬帶光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探測器、2×2保偏耦合器、相位調(diào)制器、兩保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器、保偏光纖環(huán)；
所述寬帶光源的輸出端和所述探測器的接收端分別與所述2×2耦合器同一側(cè)的兩端口光纖連接；
所述2×2耦合器的另一側(cè)一端口與所述偏振起偏器光纖連接，且所述偏振起偏器與所述2×2保偏耦合器一側(cè)的一端口光纖對軸連接；
所述2×2保偏耦合器另一側(cè)的一端口與一所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口光纖對軸連接，且所述2×2保偏耦合器該側(cè)的另一端口經(jīng)所述相位調(diào)制器與另一所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口光纖對軸連接；
兩所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的合束端口分別與所述保偏光纖環(huán)的兩端口光纖對軸連接；
所述保偏光纖環(huán)中連接有一段保偏光纖，該段保偏光纖兩端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸分別具有設(shè)定的偏角；
兩所述保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的另一分束端口之間光纖對軸連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述保偏光纖環(huán)的正中位置連接有該段保偏光纖。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖陀螺儀，其特征在于該段保偏光纖的一端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸以偏角α熔接，該段保偏光纖的另一端的快慢軸與所述保偏光纖環(huán)的快慢軸以偏角β熔接。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述偏角β＝-α。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述偏角0°＜α≤10°。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述偏角α＝5°。
7.如權(quán)利要求1所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述相位調(diào)制器為鈮酸鋰相位調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種再入式干涉型光纖陀螺儀，屬于光纖通信領(lǐng)域。本發(fā)明的光纖陀螺儀包括寬帶光源、2×2耦合器、偏振起偏器、探測器、2×2保偏耦合器、相位調(diào)制器、兩保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器、保偏光纖環(huán)；其中2×2保偏耦合器一端口與一保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口連接，且2×2保偏耦合器該側(cè)的另一端口經(jīng)相位調(diào)制器與另一保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的一分束端口連接；兩保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的合束端口分別與所述保偏光纖環(huán)的兩端口連接；保偏光纖環(huán)中連接有一段保偏光纖，其快慢軸與保偏光纖環(huán)的快慢軸具有設(shè)定偏角；兩保偏/旋轉(zhuǎn)合/分束器的另一分束端口光纖連接。本發(fā)明降低了光纖陀螺儀的成本，提高了測量旋轉(zhuǎn)角速度的精度。
文檔編號G01C19/72GK101825465SQ20101013935
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日
發(fā)明者王玉杰, 李正斌 申請人:北京大學(xué)