一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪制造技术

本发明专利技术提供一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、保偏光纤、耦合器、保偏光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与保偏光纤相连，保偏光纤分为两段并45°转角度熔接，保偏光纤另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与保偏光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。该陀螺仪结构省掉了陀螺仪最小互易结构中的起偏器和其中一个耦合器，通过45°转角度熔接的保偏光纤产生双偏振光来补偿消除非互易误差，从而大大降低了成本，同时具有较低的噪声和较好的零偏稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪
本专利技术属于陀螺仪
，具体涉及一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪是一种转动传感器，用于测定其所在载体的转动角速度。陀螺仪被广泛地应用于飞行器及武器的制导、工业及军事上的精密测量等领域。早期的陀螺仪为机械陀螺仪，机械陀螺仪是利用高速旋转体的旋转轴具有保持其方向的趋势这样一个物理原理而制造出的定向装置。由于机械陀螺仪包含活动部件（例如高速转子），因此，其结构复杂、工艺要求高、并且精度受到了多方面的制约。1960年代，随着激光的问世，利用激光来制造光学陀螺仪的研究迅速发展起来。光学陀螺仪是基于萨格纳克效应（Sagnaceffect）而制造出来的定向装置。具体说，在转动的闭合光路中，由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针（CW）方向和逆时针（CCW）方向传输时发生干涉，通过检测所述两束光的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出该闭合光路的转动角速度。上述相位差被称作萨格纳克相移φS，它与闭合光路的转动角速度Ω成正比：公式（1）其中，ω为光的频率，c为真空中光速，A是闭合光路所围的面积。光学陀螺仪没有活动部件，它结构紧凑、灵敏度高、可靠性好并且寿命长。1963年第一代光学陀螺仪—激光陀螺仪问世。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器。例如，激光陀螺仪可以包括由石英制成的三角形闭合光路，在该光路内设有一个氦氖激光管、两个反射镜和一个半透明镜。从氦氖激光管发出的两束相反传输的激光分别经两个反射镜反射，再由半透明镜导出回路，通过测量这两束光的相位差就可得到闭合光路的转动角速度。1976年第二代光学陀螺仪—光纤陀螺仪出现。光纤陀螺仪的灵敏度与稳定度更高、成本和功耗较低、而且体积较小。光纤陀螺仪大致分为干涉式光纤陀螺仪和谐振式光纤陀螺仪，目前，干涉式光纤陀螺仪的应用最为广泛。在干涉式光纤陀螺仪中，常采用较长的光纤绕制成多匝线圈以形成闭合光路。采用多匝线圈可以增强萨格纳克效应。在这种情况下，萨格纳克相移φS的表达式为：公式（2）其中，L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长。为了精确地测量萨格纳克效应（即萨格纳克相移φS），要保证所述闭合光路具有互易性，即保证沿所述闭合光路的顺时针方向传输的光（下称CW光）和沿所述闭合光路的逆时针方向传输的光（下称CCW光）具有相同的模式、偏振以及相位延迟，使得CW光和CCW光的相位差只与该闭合光路的转动角速度有关，而与传输无关，从而提高测量的准确性。图1示出了干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构。如图1所示，该最小互易性结构包括光源、光源端耦合器、起偏器、环端耦合器、光纤环以及光电探测器。上述耦合器可以实现光束的分束和重新汇合。光源光束在通过起偏器后，经环端耦合器分成CW光和CCW光在光纤环中传输，该CW光和CCW光在光纤环中传输后又通过环端耦合器重新汇合并形成干涉波，该干涉波最后经过光源端耦合器进入光电探测器。环端耦合器具有互易性，它对CW光和CCW光造成的相位延迟是相同的。另外，起偏器用来对光波进行偏振滤波，以保证CW光和CCW光具有相同的偏振，从而实现偏振互易性。在光纤陀螺仪中，可以采用保偏光纤来保证偏振互易性。由于光纤环静止时CW光和CCW光的相位和振幅完全相同，因此干涉光的功率P0为最大。当光纤环有转动时，干涉光功率P为转动所引起的CW光和CCW光的相位差φS的函数P(φS)=P0(1+cosφS)。为了获得高灵敏度，应该给φS施加一个偏置Δφ，使系统工作在光功率斜率不为零的点附近：P(φS)=P0[1+cos(φS+Δφ)]。为此，需要在光纤环的一端加上相位调制器（例如，PZT相位调制器），以便对光纤环中传输的CW光和CCW光进行相位调制，从而使其在光纤环静止时产生相位差Δφ。干涉式光纤陀螺仪根据其应用需要划分了不同的精度级别，表1示出了各精度级别的技术要求。表1.各精度级别的技术要求其中，零偏稳定性是衡量干涉式光纤陀螺仪精度的最重要技术指标。零偏相关噪声则包括量化噪声、角度随机游走、速率随机游走、速率斜坡等。如上所述，在光纤陀螺仪中，两个耦合器和一个起偏器的结构原理可以消除偏振非互易引起的噪声分量，保证良好的零偏稳定性，但是也造成了成本的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪，该单耦合器双偏振光纤陀螺仪具有很低的复杂度、较低的成本、以及较高的精度和零偏稳定性。为了实现上述目的，本专利技术提供一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、保偏光纤、耦合器、保偏光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与保偏光纤相连，保偏光纤分两段并45°转角度熔接，保偏光纤另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与保偏光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。优选地，所述耦合器为3dB保偏光纤耦合器。优选地，在所述保偏光纤环中插入有相位调制器。进一步优选地，所述相位调制器为PZT相位调制器。优选地，所述两段保偏光纤的段长为（L0，2L0），其中，L0=Ld/Δn，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，为所述宽谱光源的去相干长度，λ0为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。如上所述，本专利技术基于偏振误差补偿的原理突破了光纤陀螺最小互易结构的限制，本专利技术所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪不需要起偏器，只需要一个耦合器，大大降低了结构的成本，其结构的成本低于目前市面上主流的光纤陀螺结构。通过两段式45°熔接的保偏光纤产生双偏振光，可以达到良好的非互易误差补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度。附图说明图1是干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构的示意图；图2是本专利技术的一个实施例所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪的结构的示意图；图3是两段保偏光纤45°熔接的原理示意图；图4是图2中的陀螺仪输出角速度值的时域数据图；图5是图2中的陀螺仪输出角速度数据的误差分析图；以及图6是图2中的陀螺仪输出角速度数据的线性度分析图。具体实施方式在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。下面将参照附图对本专利技术的各个实施例进行详细描述。图2是本专利技术的一个实施例所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪的结构的示意图。如图2所示，本专利技术所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪包括：宽谱光源、保偏光纤、耦合器、相位调制器、保偏光纤环、以及光电探测器。宽谱光源可以采用干涉式光纤陀螺中普遍采用的宽谱光源，例如可以采用ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，谱宽为40nm。宽谱光源的输出端通过单模光纤与两段式45°熔接的保偏光纤相连。该保偏光纤的另一端与耦合器的第一端口相连，优选地，使用分光比为50:50的保偏光纤耦合器，即3dB保偏光纤耦合器。图3是所述两段保偏光纤45°熔接的原理示意图。所述两段保偏光纤的段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其特征在于，包括宽谱光源、保偏光纤、耦合器、保偏光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与保偏光纤相连，保偏光纤分为两段并45°转角度熔接，保偏光纤另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与保偏光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。

【技术特征摘要】
1.一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其特征在于，包括宽谱光源、保偏光纤、耦合器、保偏光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与保偏光纤相连，保偏光纤分为两段并45°转角度熔接，保偏光纤另一端与耦合器的第一端口耦合，耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与保偏光纤环的两个端口耦合，耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合；两段保偏光纤产生的双偏振光满足非互易误差补偿的条件。2.根据权利要求1所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其特征在于，所述耦合器为3dB保偏光纤耦合器。3.根据权利要求1所述的单耦合器双偏振光纤陀螺仪，其特征在于，在所述保偏光纤环中插入有相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子南，路萍，杨易，罗荣亚，赵大宇，彭超，张振荣，李正斌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11