王心悦 (中国北京市海淀区颐和园路5号北京大学电子学系, Beijing 1, 100871, CN)
北京大学 (中国北京市海淀区颐和园路5号, Beijing 1, 100871, CN)
WANG, Xinyue (Department of Electronics, No.5 Yiheyuan RoadHaidian District, Beijing 1, 100871, CN)
| 权利要求书 1. 一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪， 其特征在于包括偏振光源、 检测单元、 光 源耦合器、 光环耦合器、 保偏光纤环； 所述光源耦合器一侧的端口①与所述偏振光 源的输出端对轴连接， 且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口与所述检测单 元连接， 所述光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器对轴连接， 所述光环耦 合器与所述保偏光纤环对轴连接； 其中， 所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分 路并仅对沿直通臂传输的光信号起偏振， 所述端口①与所述端口③为所述光源耦合 器一直通臂上的两个端口。 2. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光 比 20dB。 3. 如权利要求 1或 2所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫保 偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。 4. 如权利要求 3所述的陀螺仪， 其特征在于所述光源耦合器为 2X 2或 1 X2结构的耦 合器。 5. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述光环耦合器为 2 X2或 1 X2结构的耦 合器。 6. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述偏振光源为超辐射发光二极管。 7. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述检测单元为光电检测二极管。 8. 如权利要求 1所述的陀螺仪， 其特征在于所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线 圈。 |
本发明涉及干涉型全光纤陀螺仪，尤其涉及一 种最小互易结构的干涉型全光纤陀螺 仪， 属于光纤传感技术领域。 背景技术
陀螺仪是测量惯性空间角速度-角位移的仪表 其历史可以追朔到数千年以前，从山 西夏县新石器时代的遗址中， 就曾出土了石制的陀螺。机械陀螺仪是第一代 陀螺仪， 激光陀螺仪和光纤陀螺仪被分别称为第二代陀 螺仪和第三代陀螺仪。光纤陀螺仪于 1976 年问世， 20世纪 90年代投入批量生产。 干涉型全光纤陀螺仪是光纤陀螺仪家族中的重 要品种， 可广泛应用于导航、 制导、 定位、 自动寻北、 列车或舰船摇摆的阻尼、 天 线 -瞄准系统的定向、 油井偏斜测量、 大型建筑形变或摇摆监测、 自动化控制等等 领域。
经典的干涉型全光纤陀螺仪的光路结构如附图 1所示， 其中的光学元件包括： 超辐 射发光二极管 11、 光电检测二极管 （即光电检测器） 12、 光源耦合器 13、 光环耦合器 15、 起偏振器（或消偏振器） 14、 光纤环（即光纤线圈） 16， 共 6个光学元件。 这种具 有 6个光学元件的结构被称为干涉型全光纤陀螺 的最小互易结构。 根据附图 1， 经典 的干涉型全光纤陀螺仪的工作原理是： 由超辐射发光二极管 11 发出的偏振光（椭圆偏 振光或圆偏振光）输入光源耦合器 13的①端口， 并被分成两路偏振光； 其中沿直通臂 传输并由③端口输出的偏振光输入起偏器 14; 起偏器 14将输入的偏振光变为线偏振光 并将该线偏振光输入到光环耦合器 15的①端口。光环耦合器 15将输入的线偏振光分成 两路分别从其③、 ④端口输出； 光环耦合器 15的③、 ④端口输出的线偏振光分别沿光 纤环 16的顺时针和反时针方向传输， 然后从光环耦合器 15的③、④端口返回光环耦合 器 15并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏 光又被光环耦合器 15分成两路并分 别从光环耦合器 15的①、 ②端口输出。 从光环耦合器 15的①端口输出的线偏振光中： 从①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环親合器 15的直通臂和耦合臂 各一次；沿反时针方向传输的线偏振光也经过 光环耦合器 15的直通臂和耦合臂各一次。 因此， 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线偏振光返回 到光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是相同的， 所以它们相干叠加产生的线偏振 光被称为互易光， 输出互易光的端口也被称为互易端口。 然而， 从光环耦合器 15的② 端口输出的线偏振光中： 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏 振光经过光环耦合器 15的直通臂共两次， 而沿反时针方向传输的线偏振光则经过光环 耦合器 15的耦合臂共两次。 因此， 从光环耦合器 15的①端口出发的， 沿顺时针、 反时 针方向传输的线偏振光到达光环耦合器 15的②端口时所经过的光程是不相同的， 所以 它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光 ，输出非互易光的端口也被称为非互易端 口。 非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪的检测信 号使用的。 从光环耦合器 15的①端 口 （互易端口）输出的线偏振光经过起偏器 14输入到光源耦合器 13的③端口， 光源耦 合器 13将③端口输入的线偏振光信号分成两路， 其中一路通过其②端口输入光电检测 器 12。 当光纤环 16静止时， 从光环耦合器 15的①端口出发， 分别沿顺时针、反时针方 向传输的两路线偏振光返回光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是相同的； 当光纤 环 16转动时， 从光环耦合器 15的①端口出发， 分别沿顺时针、 反时针方向传输的两路 线偏振光返回光环耦合器 15的①端口时所经过的光程是不相同的； 在这两种情况下， 光电检测器 12接收到的光信号强度有所不同， 由此则可以计算出光纤环 16转动的角速 度。 自干涉型全光纤陀螺仪问世以来的数十年间， 这个 "最小互易结构"从未受到过挑 战。参考文献： ( 1 ) Herve C. Lefevre, "The Fiber-Optic Gyroscope", Artec House, Boston, 1993. (2) 光纤陀螺原理与技术， 张桂才编著， 国防工业出版社， 2008年。 发明内容
本发明的目的是提供一种新的最小互易结构干 涉型全光纤陀螺仪。这种新的最小互 易结构光纤陀螺仪只需五个光学元件。 附图 1中的光源耦合器是通常意义的耦合器， 它 只用于对光信号的分路。本发明依据熔锥型熊 猫保偏光纤耦合器的特点， 制作或挑选能 同时对输入光信号进行分路并对且仅对沿直通 臂传输的光信号起偏振这两项功能的熔 锥型熊猫保偏光纤耦合器作为光源耦合器，从 而使干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结构 从 6个光学元件减为 5个光学元件， 省略了起偏振器（或消偏振器）。
本发明的技术方案为：
一种最小互易结构干涉型全光纤陀螺仪， 其特征在于包括偏振光源、 检测单元、 光 源親合器、 光环耦合器、 保偏光纤环； 所述光源耦合器的端口①与所述偏振光源的输 出 端对轴连接， 且所述光源耦合器中与端口①同侧的另一端口 与所述检测单元连接， 所述 光源耦合器另一侧的端口③与所述光环耦合器 对轴连接，所述光环耦合器与所述保偏光 纤环对轴连接； 其中， 所述光源耦合器为对输入的偏振光具有分路并 仅对沿直通臂传输 的光信号起偏振， 所述端口①与所述端口③为所述光源耦合器一 直通臂上的两个端口。
进一步的， 所述光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比 20dB。
进一步的，所述光源耦合器为采用熔锥型熊猫 保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合 器。
进一步的， 所述光源耦合器为 2 X2或 1 X2结构的耦合器。
进一步的， 所述光环耦合器为 2X 2或 1 X2结构的耦合器。
进一步的， 所述偏振光源为超辐射发光二极管。
进一步的， 所述检测单元为光电检测二极管。
进一步的， 所述保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。
相对于干涉型全光纤陀螺仪的现有 "最小互易结构"， 本发明的干涉型全光纤陀螺 仪是更小的最小互易结构，该最小互易结构包 括：超辐射发光二极管、光电检测二极管、 光源耦合器、 光环耦合器和光纤环共 5个光学元件， 如附图 2所示， 连接方式为- 超辐射发光二极管 21 (输出的是椭圆偏振光或圆偏振光） 与光源耦合器 23的①端 口相连接， 光电检测二极管 22与光源耦合器 23的②端口相连接， 光源耦合器 23的③ 端口与光环耦合器 24的①端口相连接， 光源耦合器 24的④端口空闲不用， 光环耦合器 24的③、④端口分别与光纤环 25的两个端口相连接；光环耦合器 24的②端口是非互易 端口， 空闲不用。
其中光源耦合器 23具有以下特点： 它的直通臂对光信号具有分光和起偏振两项功 能； 它的耦合臂对光信号仅具有分光功能。现有陀 螺仪结构中的光源耦合器则只用作分 光， 分光后输出的光通过起偏器起偏振。 本发明中的光源耦合器也不同于偏振分束器， 它的直通臂和耦合臂分别传输偏振面相互垂直 的线偏振光， 即能对圆偏振光和椭圆偏振 光信号起偏振， 但不能对线偏振光进行分光。
与现有技术相比， 本发明的积极效果为：
本发明将光纤陀螺仪的最小结构由传统的 6光学元件结构改进为 5光学元件结构， 这样， 不仅降低了干涉型全光纤陀螺仪的结构复杂度 、 降低了生产成本， 而且提高了陀 螺仪的可靠性， 同时由于减小了熔接点， 省略了起偏器， 减小了光路损耗， 从而进一步 提高了陀螺仪的精度。 附图说明
图 1是经典的干涉型全光纤陀螺仪的最小互易结 光路示意图；
其中： 11一超辐射发光二极管； 12—光电检测二极管； 13—光源耦合器； 14一起偏 器； 15—光环耦合器； 16—光纤环。 光源耦合器 13的①-③、 ②-④为直通臂， 具有分 光功能； ①-④、 ②-③为耦合臂， 具有分光功能。
图 2是本发明的最小互易结构干涉型全光纤陀螺 的光路结构示意图；
其中： 21—超辐射发光二极管； 22—光电检测二极管； 23—光源耦合器； 24—光环 耦合器； 25—保偏光纤环。 光源耦合器 23的① -③、 ②-④为直通臂， 对线偏振光具有 分光功能， 对圆偏振光和椭圆偏振光具有起偏振功能； ①-④、 ②-③为耦合臂， 仅具有 分光功能。 具体实施方式
下面结合附图进一步详细地说明本发明。
如附图 2所示， 本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪包括： 超辐射发光二极管 21、 光电检测二极管 22、光源耦合器 23、光环耦合器 24和保偏光纤环 25共五个光学元件。
超辐射发光二极管 21可以输出圆偏振光、 椭圆偏振光或线偏振光信号， 然后将超 辐射发光二极管 21输出的偏振光输入到光源耦合器 23的①、②、③或④端口中的任意 一个端口， 本实施例中选取①端口为输入端口， 如图 2所示。 光源耦合器 23将输入的 光信号分为两路并分别从①、②或③、 ④端口输出； 从①或②端口输入则从③、④端口 输出； 从③或④端口输入则从①、②端口输出， 本实施例中选取同一侧的③、 ④端口作 为输出端口， 如图 2所示。 其中， 与输入端口直通的端口输出的光信号是线偏振 光（偏 振消光比 2(^8)， 与输入端口不直通的端口输出的光信号是椭圆 偏振光或圆偏振光。 椭圆偏振光或圆偏振光闲置不用， 线偏振光则输入光环耦合器 24的①、 ②、 ③或④端 口中的任意一个端口， 本实施例中选取①端口为输入端口， 如图 2所示。下面以光源耦 合器 23的①端口接超辐射发光二极管 21的信号输出端口为例进行说明， 如图 2所示。
光源耦合器 23的①端口与超辐射发光二极管 1的信号输出端口对轴连接； 光源耦 合器 23对输入的偏振光具有分路并对且仅对沿直通 传输的光信号起偏振的功能， 经 光源耦合器 23的输出端口③输出的光为线偏振光，光源耦 器 23的端口③与光环耦合 器 24的端口①对轴连接，光环耦合器 24将输入的线偏振光信号分为功率相等的两路 偏振光， 并分别从③、 ④端口输出。 光环耦合器 24的③、 ④端口输出的光信号分别从 保偏光纤环 25的两个端口输入并沿顺时针和反时针方向传 。两路沿保偏光纤环 25相 对传输的线偏振光经过光纤环 25传输后又返回到光环耦合器 24， 并在光环耦合器 24 内实现相干叠加。 相干叠加后的光信号分又为两路线偏振光， 并分别从光环耦合器 24 的①、 ②端口输出。 其中， 从光环耦合器 24的①端口输出的线偏振光中： 从光环耦合 器 24的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏 光信号经过光环耦合器 24的直通臂 和耦合臂各一次， 沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合 器 24的直通臂和耦合 臂各一次。 因此， 从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线 偏振光返回到光环耦合器 24的①端口时所经过的光程是相同的， 无差别， 可互易。 所 以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光 ， 输出互易光的端口也被称为互易端口。 然而，从光环耦合器 24的②端口输出的线偏振光中：从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器 24的直通臂共两次， 沿反时针方向传输 的线偏振光经过光环耦合器 24的耦合臂共两次，因此从光环耦合器 24的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传输的线偏振光到达光环耦合器 24的②端口时所经过的光程是 不相同的， 所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互 易光， 输出非互易光的端口也 被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为 光纤陀螺仪检测信号使用，因此闲置不用， 互易光信号则输入光源耦合器 23的③端口。光源耦合器 23将③端口输入的光信号分为 两路， 其中一路经过光源耦合器 23的②端口输入光电检测二极管并形成干涉型 光纤 陀螺仪的接收信号。 该接收信号经过解调、放大和信号处理， 则可得到干涉型全光纤陀 螺仪的输出角速度。
由附图 2可知， 本发明涉及的干涉型全光纤陀螺仪只有 5个光学元件。
本发明涉及的光源耦合器 23是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器， 其特征在于： 若光源 耦合器 23的输入光信号为偏振光（线偏振、 圆偏振或椭圆偏振)， 则其直通臂输出的光 信号为线偏振光 （偏振消光比 20dB)， 而耦合臂输出的光信号为椭圆偏振光或圆偏振 光。 光源耦合器 23可以通过现有的熔锥型熊猫保偏光纤耦合器 制备方法进行制备， 也可以对现有的光源耦合器进行检测， 选取适合的（即同时对输入光信号进行分路并 对 且仅对沿直通臂传输的光信号起偏振）耦合器 作为本发明的光源耦合器。
本发明涉及的光环耦合器 24是熔锥型熊猫保偏光纤耦合器， 其特征在于： 若光环 耦合器 24的输入光信号为线偏振光信号， 其两路输出光信号都是线偏振光。
本发明涉及的光纤环 25是采用熊猫保偏光纤绕制的光纤线圈， 当然也可以采用其 他保偏光纤绕制的光纤线圈。
Next Patent: SECONDARY CONDENSER UNIT OF CONCENTRATOR-TYPE SOLAR CELL MODULE