基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺，该光纤陀螺包括窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将窄带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与双波长光产生单元和干涉单元连接，用于将所产生的双波长光输入到干涉单元，以及对从干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由信号检测单元输入的双波长光分为频率近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环合束后发生干涉，并将经过干涉后的光返回给信号检测单元来进行检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，更加具体地，涉及一种基于载波调制的多波长干涉式 光纤陀螺，即一种使用载波抑制调制将单频光能量搬迁到两个或者多个频率十分接近的边 带上来同时用于感测的光纤陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪是一种转动传感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统 的基础核心器件。陀螺仪被广泛运用于航天、航空、航海、兵器及其它工业领域。常见的陀 螺仪有三种类型机械陀螺仪，激光陀螺仪，和光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope,FOG)。 后两者为光学陀螺仪。光纤陀螺仪具有快速启动，结构紧凑，高灵敏度等一系列优点，但是 稳定性不如一些现代机械陀螺。然而，光纤陀螺具有精度高、尺寸小等优点，同时其精度和 稳定度具有极大的提高潜力。光学陀螺的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源 发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过检测相位差或 干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路的旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式 是基于顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光而产生的正比于旋转角速度的 相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，其表达式如下4") Δ=等式(1)C其中ω为光的频率，c为真空中的光速，A是光路所围的面积(或者是与角速度矢 量方向垂直的面积投影)，Ω为转动角速度。方程(1)说明萨格纳克相移△ Φ与环路形状 和旋转中心位置无关，而且与导波介质的折射率也无关。干涉式光纤陀螺是光纤陀螺的一个重要类型。在干涉式光纤陀螺中，通常采用较 长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的表达式为=等式⑵Xc其中L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长，c为真空中的光速，Ω 为转动角速度。光纤陀螺的基础结构是萨格纳克干涉仪，该结构需要满足分束器互易、单模 互易、等互易性条件。互易性保证了 CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，由此实现 “共模抑制”，从而消除多种寄生效应造成的偏差。为使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，通常采用在光纤线圈的一端加上相位 调制的结构，例如，可以如图2所示，在光纤线圈的一端加上PZT来进行相位调制，也可以如 图3所示，在光纤线圈的一端加上Y波导来进行相位调制。利用上述相位调制结构，使两束 光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制Φ (t)，从而产生如下所述的的时变相位差，Δ φ (t) = Φ ccw (t)-Φ CW (t) = φ^υ-φ^ -τ)等式⑶其中τ =nL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，nf是光纤的有效折射 率。在施加调制后，所获得的干涉信号Id为Id = I0{l+cos}等式(4)当Δ φ (t)的形式已知时，通过对干涉信号Id进行合适的解调就可以得到萨格纳 克相移Φ s，从而进一步得到转动角速度Ω。然而，传统的光纤陀螺中所使用的光源通常为单波长光，由于温度漂移和外界扰 动等因素，光纤陀螺的精度通常不高。因此，需要一种光纤陀螺，其通过对光源信号进行改 进，能获得更高的测量精度和稳定性，并能够消除共模误差。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提供了一种基于载波调制的多波长(边带)干涉式光纤陀 螺。在该干涉式光纤陀螺中，首先，对单波长光进行双臂载波抑制调制而生成具有不同波长 的双波长光，然后，经由信号检测单元，将所生成的双波长光输入干涉单元中进行干涉，最 后，将从干涉单元输出的光返回至信号检测单元，以生成多组用于测量转动角速度的数据。 由于所生成的双波长光在干涉单元中被分成频率相近且传播方向相反的两束光CW和CCW， 这两个频率相近的光有相同的传播路径，所经历的噪声环境相同，因此，在进行干涉时可以 消除共模噪声的影响，从而减少寄生效应所生成的噪声，由此提高陀螺仪的精度和稳定度。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于载波调制的多波长(边带)干涉式光纤 陀螺，包括窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与所述窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将所述窄 带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与所述双波长光产生单元和干涉 单元连接，用于将所述双波长光产生单元所产生的双波长光输入到所述干涉单元，以及对 从所述干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由所述信号检测单元输入的双波长光分为频率 近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环合束后发生干涉，并 将经过干涉后的光返回给所述信号检测单元来进行检测。优选地，所述双波长光产生单元包括铌酸锂型马赫曾德尔强度调制器。优选地，所述信号检测光路可以包括保偏环形器和光电探测器，所述保偏环形器 的一端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述保偏环形器的另一端与所述 光电探测器通过光纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号，其中，在所述信号检测 单元和所述双波长光产生单元之间还设置有起偏器。相应地，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中，所述耦合器 的输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤相连，所述耦合器的两 个输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏光纤环与所述耦合器的 一个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。优选地，所述信号检测光路包括起偏器，保偏环形器和光电探测器，所述起偏器的 输入端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述起偏器的输出端与所述保偏 环形器的一端通过光纤相连，所述保偏环形器的另一端与所述光电探测器通过光纤连接， 用于接收从所述干涉单元返回的光信号。相应地，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中所述耦合器的 输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤相连，所述耦合器的两个 输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏光纤环与所述耦合器的一 个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。优选地，所述保偏光纤环为对称四极方法绕制的光纤环，所述耦合器为保偏耦合 器，所述相位调制器为压电陶瓷调制器。优选地，所述信号检测光路包括环形器和光电探测器，所述环形器的一端与所述 双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述环形器的另一端与所述光电探测器通过光 纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号。相应地，所述干涉单元包括Y波导多功能集成单元、消偏器和单模光纤环；所述Y 波导多功能集成单元的输入端与所述双波长光产生单元通过光纤连接；所述Y波导多功能 集成单元的两个输出端分别经由消偏器与所述单模光纤环的两端连接。优选地，所述单模光纤环为对称四极方法绕制的光纤环。附图说明图1是全光纤形式的光纤陀螺最小互易性结构；图2是干涉式光纤陀螺的相位调制；图3是采用Y波导多功能集成光路的最小互易性结构；图4是根据本专利技术的一个实施例的基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺的结 构示意图；图5是理想双波长光的频谱示意图；图6是载波调制生成的多波长光频谱示意图；图7是本专利技术的载波调制生成的多波长光的光强频谱；图8是本专利技术的多波长光经过萨格纳克干涉环后干涉光强的一、二和四次谐波光 强频谱；图9是根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺，包括：窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与所述窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将所述窄带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与双波长光产生单元和干涉单元连接，用于将所述双波长光产生单元所产生的双波长光输入到所述干涉单元，以及对从所述干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由所述信号检测单元输入的双波长光分为频率近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环并合束后发生干涉，并将经过干涉后的光返回给所述信号检测单元来进行检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨易，邵珊，王子南，李正斌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]