基于光的偏振态进行转动传感的方法及其光学陀螺仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学设备与光学传感技术领域，特别涉及基于偏振传感的非干涉式光 纤陀螺仪。
【背景技术】
[0002] 光学设备和光学传感技术包括光学陀螺和光学转动传感。
[0003] 转动传感存在很广泛的应用，包括导航，运动传感，运动控制包括物体姿态控制， 运动平台控制，手持设备如时尚手机等。光学陀螺通过利用转动而导致的正反向传输两光 之间干涉光程的改变来进行转动传感。很多光学陀螺都基于光学Sagnac干涉仪结构包括 各种干涉式光纤陀螺仪。此类光学陀螺仪通常设计成无转动部件，因此，可以消除在其它陀 螺仪中所需的转动部件。目前，干涉式光纤陀螺仪已经商品化，且在很多军用和民用上已经 有大量的产品。
[0004] 图1和图2给出了基于Sagnac干涉仪的两种光学干涉式陀螺仪。图1中给出了 空间（bulk)设计的陀螺仪，而图2中例举了基于光纤环的干涉式光纤陀螺仪。为了提高灵 敏度和稳定性，需要使用相对更长距离的光纤环，例如几百到几千米的光纤。图2进一步给 出在干涉式光纤陀螺仪中引入一相位调制器，使得陀螺中产生一基偏，从而使其工作在最 敏感的工作点上，并采用闭环回路的电路，用于增加干涉式陀螺仪的动态范围和提高其检 测灵敏度。
【发明内容】
[0005] 该专利文件阐述了光学设备和光学传感技术包括光学陀螺和光学转动传感。
[0006] -方面，给出一种方法用于转动传感，该方法仅基于光的偏振传感而无需依赖于 光学干涉仪实现对转动的传感，主要包括：（1)将一个输入光束分成束两偏振态正交的光 束；（2)将两束偏振正交的光束耦合到一个用于传感转动的光环路的输入输出端口，使得 第一束光在光环路内沿第一光路方向传输，而第二束光在光环路内沿第二光路方向传输， 第二光路与第一环路方向相反的方向；(3)将第一和第二光束重新合束到输入输出端口， 同时保持第一和第二光束保持偏振态正交，避免在输入和输出端口合束时发生光干涉，将 产生的合束后光束作为光环路的输出光；(4)对所得到的输出光的光偏振态信号进行处 理，从而获取光环路所传感的转动信号。
[0007] 本专利还提出了一种基于对传输光的光偏振态信号进行提取实现对转动传感的 光学陀螺仪，从而取代依赖光干涉结构实现转动传感。该光学陀螺仪包括：（1) 一个光学输 入输出设备，用于将一束输入光束分成两束偏振正交的光束，其中第一束光具备一偏振态， 而第二束光具备与第一束光偏振态正交的另一偏振态；（2) -个光环路结构親合到光学输 入输出设备上，其第一环路端口在光环路中以第一光环路方向来接收第一束光，同时其第 二环路端口在光环路中以第二环路方向来接收第二束光。光输入输出设备可将光环路中第 一束和第二束光进行合束，同时保持两束光束的偏振态相互正交，以避免在光输入输出设 备中两束光之间发生光干涉，从而将该合束的光束作为光环路的光输出信号。该光学陀螺 仪中还包括一探测设备，用于检测光输出信号，从而获取光输出信号的光偏振信息，并对所 检测到的光输出偏振信息进行处理，最终提取光环路感知的转动信号。
[0008] 本专利进一步提出了一种采用对传输光偏振态检测实现对转动信号进行传感的 光学陀螺仪，取代依赖光干涉仪结构对转动信号进行传感。该光学陀螺仪包括以下几种功 能：（1)将一输入光束分成两束独立的光束，其中第一光束具备第一偏振态，而第二束光具 备与第一束光偏振态正交的第二偏振态；（2)将第一和第二光束親合到一感知转动量的光 环路的输入输出端口，使得第一束光沿第一环路方向在环路内传输，而第二束光沿第二环 路方向在环内传输，其中第二束光传输方向与第一束光传输方向相反；（3)进一步包括将 两束光在输入输出端口进行合束的功能，将产生的合束后光束作为光环路的光输出信号， 同时为了避免在输入输出端口出两束光发生干涉，进行光合束时需要保持两光束的偏振态 正交；(4)最后，对输出光信号的偏振态信息进行处理，获取光环路感知的转动信号。
[0009] 本发明还进一步给出一种基于对传输光的偏振态进行检查实现对转动进行传感 的方法，取代目前采用光学干涉仪结构实现对转动信号进行传感的方法。本方法包括：（1) 将一束具有输入偏振态的输入光导入一个用于感知转动信号的闭合光环路中；(2)将闭合 光环路中的传输光作为闭环光环路的光信号进行输出；(3)对输出光信号进行检测，直接 输出光信号的输出偏振态信息，而不是依赖于与闭环光环路的直接相关的光干涉结构；(4) 最后，通过对所获取的输出光信号的光偏振态信息进行处理，最终获取闭环光环路所经历 的转动信号。
[0010] 本专利还进一步给出一光学陀螺仪用于转动传感，该陀螺仪基于传输光的光偏振 态信息进行传感，取代于采用光干涉仪的结构进行传感，包括（1) 一个用于感知转动信号 的闭环光环路；（2) -个输入输出端口用于接收一束具有输入偏振态的输入光进入闭合光 环路，同时用于将闭环光回路中的光作为输出光进行耦合输出；（3) -探测器用于对输出 光信号进行接收，通过直接对输出光信号偏振信息进行提取，而不依赖于采用闭环回路的 光干涉仪结构；(4) 一处理单元通过对获取的输出光的偏振态信息进行处理，得出闭环光 环路上所经历的转动信号。
[0011] 以上所述和其它方面和它们的工作原理，将在后面的图片，描述中更详细的介绍。
【附图说明】
[0012] 图1给出了一空间干涉式光学陀螺仪结构；
[0013] 图2给出了一干涉式光纤陀螺仪结构；
[0014] 图3A和图3B给出了两种不同结构的光学偏振陀螺仪。输入光与PBS的两偏振光 轴X轴和y轴成45度进行起偏，以保证在分束后两束偏振光光强一致。图3A给出的是一个 非互易性结构：取决于假设条件，即在PBS和反射镜位置之间的两偏振态无非互易性相移， 输出光信号的偏振旋转仅取决于陀螺转动。图3B给出了一互易结构：通过使用一 90度法 拉第旋转镜或者半波片对y偏振态的光进行旋转到X偏振态上，使得两正反向传输的光在 反射镜和PBS上反射后相位相同。
[0015] 图4A给出了由转动而产生的差分相移或者差分群时延，使得输出偏振态绕着绑 架球的南极和北极的一个大圈旋转。
[0016] 图4B给出以在（S2, S3)面上圆偏振态的轨迹，其中Df为DPS。
[0017] 图5给出了一个用来获取四个斯托克斯参数的综合偏振态分析仪例子。
[0018] 图6给出一种偏振结构的光纤陀螺仪的示意图，该结构采用一个保偏光纤环作为 转动传感单元。为了消除检测误差，可在光纤环的中点位置进行90度交叉熔接。
[0019] 图7给出了另一种偏振结构的光纤陀螺仪的示意图，该结构采用一保偏光纤环作 为转动传感单元。在PBS前面使用非偏振分束器，用于将从光纤环回来的光直接对准到偏 振分析仪中。可以使用两起偏光纤的尾纤代替保偏光纤的尾纤，进而获得更优的性能。
[0020] 图8A给出了第三种偏振结构式光纤陀螺仪结构示意图。使用一个沃拉斯顿 (Wollaston)棱镜作为偏振光分束器将两偏振成分按不同方向入射。使用一双光纤结构聚 焦镜头用于接收输出光的两正交偏振成分。可以使用两个起偏光纤的尾纤代替保偏光纤的 尾纤，进而获得更优的性能。
[0021] 图8B给出了图8A中一双光纤结构准直器示意图，其包括一个聚焦透镜用于接收 两光束，并将它们聚焦到放置在入射端口在焦平面上的两光纤中。
[0022] 图9给出第四种偏振光纤陀螺仪结构的示意图。可使用两起偏光纤的尾纤代替保 偏光纤的尾纤，进而获得更优的性能。
[0023] 图10给出了一个偏振态分析仪的示意图。一个起偏器放置在四分之一波片后用 于偏振分析。四分之一波片的慢轴（或快轴）与图7中PBS或者与图8和图9中Wollaston 棱镜的X轴相对准，从而在X和Y偏振成分之间引入一 η /2相位延迟。
[0024] 图IlA和IlB给出了第二种偏振态分析仪结构示意图。通过在四分之一波片后放 置一个PBS用于偏振态分析。四分之一波片的慢轴（或快轴）直接与图7中PBS的X轴或 者图8和图9中Wollaston棱镜对准，用于产生一 π /2相位延迟。
[0025] 图12A和12B给出了在两种不同探测器结构中探测电路的结构。
[0026] 图13A和图13B给出了第三种偏振分析仪的结构示意图，其中13A给出设备的布 局图，图13B则给出两PBS的方向和四分之一波片相对于图7,图8A，图8B和图9中PBS或 Wollaston棱镜的方向。两PBS拥有相同的X和Y方向。
[0027] 图14A和14B给出了第四种偏振分析仪结构，该结构使用Wollaston棱镜代替图 10中PBS和采用双芯片的光电探测器代替两独立的光电探测器。图14B给出了 Wollaston 棱镜的轴方向和相对于光纤环前面偏振光束分束器的X和Y方向的四分之一波片的轴方 向。
[0028] 图15A和15B给出了第五种偏振态分析仪的机构示意图，其中采用两Wollaston 棱镜代替图13A和图13B中的两个PBS，采用两个双芯片光电探测器代替四个分开的光电探 测器。图15B给出了相对于光纤环前面偏振光束分束器的X和y方向，Wollaston棱镜轴 和四分之一波片轴的方向。
[0029] 图16给出了第六种偏振结构光纤陀螺仪示意图。如果采用一偏振光源，需要采用 保偏光纤尾纤将光耦合到虚线框内。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，则采用一单模尾 纤。当偏振分束器I(PBSl)的消光比性能不能满足要求时，则需要使用一起偏器用于对输 入系统的光进行起偏。当PBSl的消光比性能不够时，可以使用任意一起偏器对输入光源进 行起偏。光源可以以芯片形式集成到虚框盒内，从而减小仪器的尺寸和价格。对于这种情 况，可以采用无尾纤的光源结构。使用两起偏光纤的尾纤代替保偏光纤的尾纤，进而获得更 优的性能。如果使用一个45度法拉第旋转镜取代分束器（BS)右侧的四分之一波片，则需 要在起偏器的前面使用一个四分之一波片，使得波片的主轴与PBS的主轴相一致。
[0030] 图17给出了第七种偏振结构光纤陀螺仪。如果使用偏振光源，则需要采用保偏光 纤尾纤将传输光耦合到虚线框中。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，则需要采用一单模 光纤尾纤将传输光耦合到虚线框中。如果偏振分束器I(PBSl)的消光比性能不够则可以使 用一偏振器对光源输出光进行起偏。同时光源可以采用芯片方式集成到虚线框内部，进而 减小仪器的体积和制作成本。在这种情况下，光源的后面可以不用连接尾纤。使用两个起 偏光纤的尾纤尾纤代替保偏光纤的尾纤，进而获得更优的性能。如果使用45度法拉第旋转 镜代替分束器（BS)右侧的四分之一波片，则需要在起偏器的前边使用一个不同的四分之 一波片，保证波片的主轴与Wollaston棱镜的主轴（X，Y)相一致。
[0031] 图18给出了第八种偏振结构光纤陀螺仪结构示意图。如果使用一偏振光源，则需 要采用一保偏光纤尾纤将传输光耦合到虚线框中。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，则 需要采用一单模光纤尾纤将传输光耦合到虚线框中。如果偏振分束器（PBS)的消光比性能 不够则可以使用一偏振器对光源输出光进行起偏。同时光源可以采用芯片方式集成到虚线 框内部，进而减小仪器的体积和价格。在这种情况下，光源的后面可以不用连接尾纤。如果 使用一个45度法拉第旋转镜代替分束器（BS)右侧的四分之一波片，则需要在起偏器的前 边使用一不同的四分之一波片，保证波片的主轴与Wollaston棱镜的主轴（Χ，Υ)相一致。
[0032] 图19Α和19Β给出了两种探测设备结构，该结构基于锁相放大电路结构，用于提高 探测信号的信噪比。
[0033] 图