光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法技术

本发明专利技术涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法，包括如下步骤：线偏振光分解为两个正交偏振分量在保偏空芯光子晶体光纤环圈中传输一周，在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并经调制解调电路板解算出偏振态及偏振态变化角来表征光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与陀螺中整体偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。本发明专利技术提供的方法使得光纤陀螺具有小型化、高精度和高性能的优势。能的优势。能的优势。

【技术实现步骤摘要】
光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法


[0001]本专利技术涉及光纤陀螺
，尤其涉及光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法。

技术介绍

[0002]光纤陀螺基于 Sagnac 干涉原理，采用光纤绕成环圈形成闭合光路，以在其中相向传输的两束光之间的相位差表征旋转角速度。光纤陀螺具有全固态、高灵敏、长寿命、快启动、宽动态、低成本等特点，已广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航系统中，成为主流惯性仪表之一。当前，面对无人载体自主导航、智能弹药制导等领域对惯性元件小型化高精度的应用新需求，光纤陀螺下一阶段发展的主要方向之一是小几何尺度下如何实现高性能和高精度。由光学陀螺角速度敏感机理可见，干涉型光纤陀螺精度水平与Sagnac面积成正比，在保证Sagnac面积一定的情况下，即满足精度要求的前提下，相比常规光纤环圈尺寸，小几何尺度下需要绕制更长的光纤形成相同的Sagnac面积。
[0003]目前，光纤陀螺用传统光纤以锗硅材料作为纤芯，硼硅材料作为包层，在包层界面上发生全内反射以实现纤芯导光，在纤芯两侧的包层内穿插硼材料赋予光纤应力双折射以实现保偏。由于硼材料应力区域置于纤芯两侧，传统保偏光纤纤芯周边的材料均匀性差，致使其保偏能力对外部应力扰动敏感，同时长时间微弯曲下异质材料间断裂风险大，可靠性差。绕制光纤会在光纤内部产生弯曲应力，弯曲应力与硼材料施加的应力发生耦合，影响光纤的保偏性能和可靠性，且弯曲半径越小和绕制光纤越长，短期保偏性能和长期可靠性劣化越严重。综上，传统保偏光纤应用于小型化高精度光纤陀螺时存在机理性限制。
[0004]空芯光子晶体光纤利用具有周期格点结构特征的包层微结构形成光子带隙效应，使光波被束缚在空气纤芯中传输，将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有助于提升光纤陀螺环境适应性。由于空芯光子晶体光纤周期格点结构特征使得空芯光子晶体光纤的抗弯曲性能极佳，此外空芯光子晶体纤芯横截面水平与垂直方向玻璃壁厚差异化设计可获得高保偏效果等优异光学性能，因此保偏空芯光子晶体光纤极为符合光纤陀螺小型化发展需求。但是为满足精度要求，需要光纤环圈需要绕制较长的光纤，其传输损耗过大，并短时间内难以数量级式改善，无法支撑干涉型光纤陀螺实现高精度的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法，采用保偏空芯光子晶体光纤制成保偏空芯光子晶体光纤环圈，构建小型化光路，充分利用保偏空芯光子晶体光纤弯曲性能好的优势同时提升光纤陀螺环境适应性，基于偏振测量光纤陀螺的旋转速率测量技术，在保证空芯光子晶体光纤陀螺小型化及精度要求的情况下，降低了空芯光子晶体光纤使用长度，规避了空芯光子晶体光纤传输损耗过大的工程应用问题，独创性地提出波长调制方法可消除陀螺长期漂移误差，保证了光纤陀螺小型化、高精度
和高性能的特征。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案予以实现：
[0007]一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括如下步骤：步骤一：波长可调谐激光器输出的光经起偏器生成线偏振光，线偏振光在偏振分束器输入端口处等强度的分解为竖直偏振分量光和水平偏振分量光，竖直偏振分量光经偏振分束器透射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤慢轴中传输一周，水平偏振分量光经偏振分束器反射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤快轴中传输一周，竖直偏振分量光和水平偏振分量光分别返回到偏振分束器；步骤二：竖直偏振分量光和水平偏振分量光在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；步骤三：偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并将光强信号转换成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板解算出待测偏振光的偏振态及偏振态变化角来表征空芯光子晶体光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器，使波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。
[0008]进一步，步骤三中，波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略进行偏振态调制时，扫略前半周期及扫略后半周期的时长均等于光纤环圈渡越时间的整数倍，调制偏振态变化角大于待测偏振光偏振态变化角。
[0009]进一步，偏振态检测模块检测待测偏振光的光强时，将待测偏振光平均分成四路光信号投射到四路检测通道，第一检测通道投射水平方向的光波经第一光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第二检测通道投射竖直方向的光波经第二光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第三检测通道投射与水平方向成夹角的光波经第三光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第四检测通道投射与水平方向成夹角的光波经第四光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板根据式（1）至（4）计算出斯托克斯参数、、、后，然后根据斯托克斯参数得到输入光的偏振态及偏振态变化角：（1）（2）（3）（4）其中，为输入光强，为光波在邦加球坐标轴向对应的坐标，为光波在邦加球坐标轴向对应的坐标，为光波在邦加球坐标轴向对应的坐标。
[0010]进一步，第一检测通道通过通光轴为水平方向的第一偏振片投射水平方向的光波，第二检测通道通过通光轴为竖直方向的第二偏振片投射竖直方向的光波，第三检测通道通过通光轴为与水平方向成夹角的第三偏振片投射与水平方向成夹角的光波，第四检测通道通过双折射轴为水平方向的四分之一波片及通光轴为与水平方向成夹角的第四偏振片投射与水平方向成夹角的光波。
[0011]优化的，水平偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈快轴中传输，竖直偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈慢轴中传输。
[0012]一种光纤陀螺，用以执行上述任一项所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括波长可调谐激光器、起偏器、偏振分束器、保偏空芯光子晶体光纤环圈、偏振态检测模块和调制解调电路板，波长可调谐激光器的输出端与起偏器的输入端耦合连接，起偏器的输出端与偏振分束器的输入端耦合连接，偏振分束器的两个输出端分别与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接，偏振分束器的检测端与偏振态检测模块输入端耦合连接，偏振态检测模块的输出端与调制解调电路板的输入端连接，调制解调电路板的控制端与波长可调谐激光器的输入端连接。
[0013]进一步，偏振态检测模块包括四个检测通道，第一检测通道依次设有第一偏振片及第一光电探测器，第一偏振片的通光轴为水平方向，第二检测通道依次设有第二偏振片及第二光电探测器，第二偏振片的通光轴为竖直方向，第三检测通道依次设有第三偏振片及第三光电探测器，第三偏振片的通光轴与水平方向成夹角，第四检测通道依次设有四分之一波片、第四偏振片及第四光电探测器，四分之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：波长可调谐激光器输出的光经起偏器生成线偏振光，线偏振光在偏振分束器输入端口处等强度的分解为竖直偏振分量光和水平偏振分量光，竖直偏振分量光经偏振分束器透射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤慢轴中传输一周，水平偏振分量光经偏振分束器反射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤快轴中传输一周，竖直偏振分量光和水平偏振分量光分别返回到偏振分束器；步骤二：竖直偏振分量光和水平偏振分量光在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；步骤三：偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并将光强信号转换成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板解算出待测偏振光的偏振态及偏振态变化角来表征空芯光子晶体光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器，使波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与陀螺中整体偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：步骤三中，波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略进行偏振态调制时，扫略前半周期及扫略后半周期的时长均等于光纤环圈渡越时间的整数倍，调制偏振态变化角大于待测偏振光偏振态变化角。3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：偏振态检测模块检测待测偏振光的光强时，将待测偏振光平均分成四路光信号投射到四路检测通道，第一检测通道投射水平方向的光波经第一光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第二检测通道投射竖直方向的光波经第二光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第三检测通道投射与水平方向成夹角的光波经第三光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，第四检测通道投射与水平方向成夹角的光波经第四光电探测器检测光强信号为，并将光强信号转化成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板根据式（1）至（4）计算出斯托克斯参数、、、后，然后根据斯托克斯参数得到输入光的偏振态及偏振态变化角：（1）（2）（3）（4）其中：为输入光强，为光波在邦加球...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠菲，赵小明，李茂春，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：