基于偏振感测技术的非干涉式光学陀螺仪及感测旋转方法技术

一种基于偏振感测技术的非干涉式光学陀螺仪及感测旋转方法，该方法包括：将偏振输入光束分成第一光束和第二光束，然后耦合到经受旋转的光学环路的输入/输出端口中，且第一光束与第二光束传播方向相反；然后合并成组合光束；检测光输出的偏振信息；用光环路的光输出作为反馈来提供闭合反馈回路控制以产生反馈控制信号；在闭合反馈回路使用相位调制器，使第一和第二光束中的至少一个的相位调制进入光环路；将所述反馈控制信号施加到所述相位调制器以使所述光环路中的相对传播信号之间的相位差为零或与零之间的差距小于预设值；根据获得的光输出的偏振信息，以确定光环路所经历的旋转。

Non interferometric optical gyroscope and sensing rotation method based on polarization sensing technology

A method of non interferometric optical gyroscope and sensing rotation based on polarization sensing technology. The method includes: dividing the polarized input beam into the first and second beams, then coupling to the input / output port of the rotating optical loop, and the first beam is opposite to the direction of the second beam; then the group is merged into groups. The polarization information of the light output is detected; the optical output of the optical loop is used as feedback to provide a closed feedback loop control to produce a feedback control signal; at least one of the first and second beams is modulated into the optical loop by using a phase modulator in a closed feedback loop; the feedback control signal is applied to the feedback control signal. To the phase modulator, the gap between the phase difference between the relative propagating signals in the optical loop is zero or the gap is less than the preset value; according to the obtained polarization information of the optical output, the rotation experienced by the optical loop is determined.

【技术实现步骤摘要】
基于偏振感测技术的非干涉式光学陀螺仪及感测旋转方法
本专利申请属于光纤信息
，尤其涉及利用光纤传感技术测量角度旋转信息的方法和光学装置。
技术介绍
旋转的感测具有广泛的应用，例如导航，运动感测，还包括物体的稳定性控制和运动控制，游戏控制台控制器，以及智能电话的手持设备。通常光学陀螺仪可以设计成，通过测量两个反向传播光束的光学干涉图案的变化来测量旋转。许多光学陀螺仪采用各种干涉光纤陀螺仪(IFOG)的光学Sagnac干涉仪配置。这种光学陀螺仪可以设计成没有运动部件，从而消除了其它陀螺仪(例如机械陀螺)因为振动质量块或运动部件的磨损和损伤而影响精度和寿命。这种干涉式光纤陀螺已经在各种军事和民用应用中商业化和批量生产。图1和图2示出了基于Sagnac干涉仪的光学干涉陀螺仪的两个例子。图1示出了基本设计，包括光电检测器PD、偏振分束器BS、输入光101、起偏器102；图2显示了基于光纤环路的IFOG设计，包括光源201、耦合器202、起偏器203、耦合器204、相位调制器205、调制信号206、光纤环207。为了提高灵敏度和可靠性，可以使用相对长的光纤环(例如，数百到数千米)。图2还示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于基于光偏振传感而不依赖于光学干涉测量来感测旋转的方法，其特征在于，包括：将偏振输入光束分成具有第一光偏振的第一光束和具有与第一光偏振正交的第二光偏振的第二光束；将第一和第二光束耦合到经受旋转的光学环路的输入/输出端口中，第一光束在光环路中传播，第二光束在环路中与所述第一光束方向相反的方向传播；其中一束光束在输入/输出端口进行90度偏振旋转；将经历了光环路传播的第一和第二光束在输入/输出端口处组合，产生组合光束作为光环路的光输出，同时保持第一和第二光束偏振彼此正交，而不会在输入/输出端口处引起第一和第二光束之间的光学干涉；检测光环路的光输出的偏振信息，得到偏振斯托克斯分量s3与由于光环路...

【技术特征摘要】
1.一种用于基于光偏振传感而不依赖于光学干涉测量来感测旋转的方法，其特征在于，包括：将偏振输入光束分成具有第一光偏振的第一光束和具有与第一光偏振正交的第二光偏振的第二光束；将第一和第二光束耦合到经受旋转的光学环路的输入/输出端口中，第一光束在光环路中传播，第二光束在环路中与所述第一光束方向相反的方向传播；其中一束光束在输入/输出端口进行90度偏振旋转；将经历了光环路传播的第一和第二光束在输入/输出端口处组合，产生组合光束作为光环路的光输出，同时保持第一和第二光束偏振彼此正交，而不会在输入/输出端口处引起第一和第二光束之间的光学干涉；检测光环路的光输出的偏振信息，得到偏振斯托克斯分量s3与由于光环路转动对两路相反方向传播的光的相位差成正弦函数关系；用光环路的光输出作为反馈来提供闭合反馈回路控制以产生反馈控制信号；在闭合反馈回路使用相位调制器，使进入光环路第一和第二光束中的至少一个的相位被调制，通过调制抵消偏振偏移使得正弦函数为零；根据抵消光输出的偏振偏移后，所使用相位调制的信息，确定光环路所经历的旋转。2.一种基于光偏振传感而不依赖于光学干涉测量来感测旋转的光学陀螺仪，其特征在于，包括：一个光源发出一束具有光源输出偏振态的光；一个偏振分束器PBS或渥拉斯顿棱镜，接收光源输出偏振态的光，将具有光源输出偏振态的光作为输入光束分成具有第一光偏振的第一光束和具有第二光偏振的第二光束，所述第二光偏振与第一光偏振正交；一个耦合到所述偏振分束器PBS或渥拉斯顿棱镜的光环路，具有第一环路端和第二环路端，第一环路端接收所述第一光束，使第一光束在所述光环路中沿第一环路方向传播；第二环路端接收所述第二光束，使第二光束在所述光环路中与第一环路方向相反的第二环路方向传播；一个偏振旋转装置，放置在第一光束或第二光束中的一个光路中，将偏振态进行90度偏振旋转；所述偏振分束器PBS或渥拉斯顿棱镜合并来自所述光学环路的所述第一和第二光束的光，同时保持所述第一和第二光束彼此偏振正交，而不会使得所述第一和第二光束之间产生光学干涉，以产生第一和第二光束的组合光束作为光环路的光输出；一个检测装置，检测所述光输出以获得关于光输出的光偏振信息，并处理所获得的关于光输出的光偏振信息，以确定光环路所经历的旋转。3.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，进一步包括：所述偏振旋转装置是一个法拉第旋转镜或一个半波片；所述光源发出的光穿过一个非偏振分束器或渥拉斯顿棱镜后到达偏振分束器，使得从偏振分束器或渥拉斯顿棱镜返回的组合光束通过所述非偏振分束器反射到达检测装置。4.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述具有输入光偏振态的输入光束由光源发出的光束通过一段保偏光纤或一个起偏器获得，保偏光纤或起偏器光轴方向与偏振分束器PBS或渥拉斯顿棱镜光轴之间成45度。5.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述光环路由保偏光纤绕制的光纤环构成；所述偏振分束器PBS通过两个光纤准直器与光纤环两个端口耦合，或一个渥拉斯顿棱镜替代偏振分束器，通过一个双光纤准直器与光纤环两个端口耦合；所述具有输入光偏振态的输入光束由一个光源发出的光束通过一段保偏光纤或加入一个起偏器获得，保偏光纤光轴或起偏器光轴方向与偏振分束器PBS光轴之间成45度；在所述保偏光纤或起偏器与偏振分束器或渥拉斯顿棱镜之间加入一个分束器(BS)，将来自偏振分束器或渥拉斯顿棱镜的组合光束反射到所述检测装置。6.如权利要求5所述的光学陀螺仪，进一步包括：一个四分之一波片或45度法拉第旋转器放置在分束器(BS)和偏振分束器PBS或渥拉斯顿棱镜之间。7.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一光束分束器用于将光学输出分成四个光；四个探测器分别用于接收该四路光，每个探测器接收光的前端放置经过设定方向的起偏器，其中第一起偏器光轴方向与偏振分束器光轴方向平行，第二起偏器光轴方向与第一起偏器光轴方向垂直，第三起偏器和第四起偏器光轴方向与第一起偏器成45度，第三或第四起偏器前端还放置1/4波片，从而通过测量四路光的光强获得四路光中四个不同的斯托克斯参数；一处理单元用于对所测量的四个不同的斯托克斯参数进行处理，确定光环路中光信号输出的光偏振态变化，使用光环路光输出的光偏振态变化最终确定环路中的转动信号。8.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一个1/4波片的慢轴(或快轴)与偏振分束器的一个偏振轴对齐，用来接收用于组合输出光，并产生一个波片输出光；一个起偏器放置在所述1/4波片之后，其起偏方向与所述1/4波片光轴方向成45度，用来接收来自1/4波片的输出光，并产生一个输出光；一个光探测器放置在所述起偏器之后，用来接收来自起偏器的输出光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析。9.如权利要求2中所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一个1/4波片的慢(或快)轴与偏振分束器或渥拉斯顿棱镜光轴成45度，用来接收所述组合输出光，并产生一个波片输出光；一个第二偏振分束器放置在所述1/4波片之后，用来将来自1/4波片的输出光分成两束偏振方向相互垂直的输出光；所述第二偏振分束器的一束输出光起偏方向与所述1/4波片的慢轴对齐；一个光探测器放置在所述第二偏振分束器其中一束输出光的输出端口，用来接收来自第二偏振分束器的一束输出光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析；另外一个光探测器放置在所述第二偏振分束器的另外一个光输出端口，用来接收来自第二偏振分束器的另外一束偏振态与前述输出光垂直的输出光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析。10.如权利要求2中所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一个1/4波片的慢(或快)轴与偏振分束器或渥拉斯顿棱镜光轴成45度，用来接收所述组合输出光，并产生一个波片输出光；一个第二沃拉斯顿棱镜放置在所述1/4波片之后，用来将来自1/4波片的输出光分成两束偏振方向相互垂直的输出光；所述第二沃拉斯顿棱镜的一束输出光起偏方向与所述1/4波片的慢轴对齐；所述第二渥拉斯顿棱镜的另一束输出光的起偏方向与1/4波片的快轴对齐；一个双芯片光探测器放置在所述第二沃拉斯顿棱镜的光输出端，用来接收来自第二沃拉斯顿棱镜的两束输出光，并将接收到的光分别转换成电信号，用于偏振分析。11.如权利要求2中所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一个检测装置分束器用于将组合输出光按照一定比例分成两束；一个1/4波片用来接收来自检测装置分束器分束后的第一输出光，并产生一个波片输出光；一个第一偏振分束器放置在所述1/4波片之后，其光轴与1/4波片光轴对齐，用来将来自1/4波片的波片输出光并分束成两束偏振方向相互垂直的输出光；所述第一偏振分束器产生一个第一偏振分束器第一分束光；所述第一偏振分束器的另一束分束光起偏方向与前述分束光光起偏方向垂直，为第一偏振分束器第二分束光；一个第一偏振分束器的第一分束光探测器放置在所述第一偏振分束器透射光输出端口，用来接收来自第一偏振分束器的第一分束光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析；一个第一偏振分束器的第二分束光探测器放置在所述第一偏振分束器第二分束光输出端口，用来接收来自第一偏振分束器的第二分束光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析；一个第二偏振分束器将来自所述检测装置分束器第二输出光分成两束偏振方向相互垂直的第二偏振分束器输出光；两个探测器分别放置在所述第二偏振分束器的两个分束光输出端口，分别用来接收来自第二偏振分束器的两束分束光，并分别将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析。12.如权利要求2中所述的光学陀螺仪，其特征在于，所述检测装置包括：一个检测装置分束器用于将组合输出光按照一定比例分成两束；一个1/4波片用来接收来自检测装置分束器分束后的第一输出光，并产生一个波片输出光；一个第一沃拉斯顿棱镜放置在所述1/4波片之后，其光轴与1/4波片光轴对齐，用来将来自1/4波片的波片输出光并分束成两束偏振方向相互垂直的输出光；所述第一沃拉斯顿棱镜产生一个第一沃拉斯顿棱镜第一分束光；所述第一沃拉斯顿棱镜的另一束分束光起偏方向与前述分束光光起偏方向垂直，为第一沃拉斯顿棱镜第二分束光；一个第一沃拉斯顿棱镜的双芯片探测器放置在所述第一渥拉斯顿棱镜光输出端口，用来接收来自第一沃拉斯顿棱镜的两束光，并将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析；一个第二沃拉斯顿棱镜将来自所述检测装置分束器第二输出光分成两束偏振方向相互垂直的第二渥拉斯顿棱镜输出光；一个双芯片光探测器放置在所述第二沃拉斯顿棱镜的两个分束光输出端口，用来接收来自第二沃拉斯顿棱镜的两束分束光，并分别将接收到的光转换成电信号，用于偏振分析。13.如权利要求2所述的光学陀螺仪，其特征在于，还包括一个信号调制器将调制信号施加到光源输出端口上；还包括在检测单元中使用锁相放大器施加一特定频率的调制信号在所检测的输出光上，用于获取光输出的偏振态信息时减小检测噪声。14.一种基于光的偏振态进行转动传感的光学陀螺，其特征在于：包括一个光源发出一束光，穿过一个第一起偏器进入到一个第一偏振分束器，所述第一偏振分束器将接收到的光分成一束第一透射偏振分束光和一束偏振方向与第一透射偏振分束光垂直的第一反射偏振分束光，其中第一起偏器的起偏轴与第一偏振分束器的透射起偏方向平行，以保证穿过第一起偏器的光能够全部穿过第一偏振分束器；一个非偏振分束器接收来自第一偏振分束器的第一透射偏振光，并将所述第一透射偏振光分成一束反射光和一束透射光；一个第三光探测器接收来自分偏振分束器的反射光，用来监视系统光源的功率波动变化，从而可消除光功率变化可能带来的测量误差；一个第二偏振分束器用来将来自非偏振分束器的透射光分成一束第二透射偏振分束光和一束偏振态与所述第二透射偏振分束光偏振方向垂直的第二反射偏振分束光；在非偏振分束器和第二偏振分束器之间放置一个第一1/4波片或第一法拉第旋转镜，所述第一1/4波片或第一法拉第旋转镜的光轴方向与第二偏振分束器的透射起偏轴方向成45°；一个用来产生转动传感的保偏光纤环，其第一端口与第二偏振分束器的透射输出端口相连接，用来接收来自第二偏振分束器的第二透射偏振光，且保偏光纤的慢轴与第二透射偏振光的偏振方向一致；所述保偏光纤环的第二端口与第二偏振分束器的反射输出端口相连接，用来接收来自第二偏振分束器的第二反射偏振光，且保偏光纤的慢轴与第二反射偏振光的偏振方向一致；一个第一光探测器，用来接收经过非偏振分束器反射出来的、来自经过第二偏振分束器合束的、带有光纤环旋转信息的、重新穿过第一1/4波片的返回光，并产生一个第一探测电信号；一个第二起偏器放置在第一光探测器和分束器之间，其起偏轴的方向和第二偏振分束器的起偏轴方向成45°；一个第二1/4波片放置在第二起偏器和分束器之间；一个第二光探测器放置在第一偏振分束器的一个光输出端，用来接收经过第一偏振分束器反射和透射的、由非偏振分束器透射回来的、来自经过第二偏振分束器合束的、带有光纤环旋转信息的、重新穿过第一1/4波片的返回光，并产生一个第二探测电信号；一个信号处理系统使用第一和第二探测电信号进行处理，可以分析出光纤环的旋转信息。15.如权利要求14中的光学陀螺，其特征在于，还包括所述第二偏振分束器为一个沃拉斯顿棱镜，一个双光纤准直器将来自第一1/4波片的光分束成偏振态相互垂直的两束偏振光并耦合到保偏光纤环中，并将从保偏光纤环返回的光合束回到第一1/4波片。16.如权利要求14、15的光学陀螺，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚晓天，
申请(专利权)人：姚晓天，
类型：发明
国别省市：美国,US