包括环形谐振器的光纤干涉式测量装置以及包括该装置的陀螺仪和惯性姿态或导航单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及旨在测量物理参数的光纤干涉式测量装置。
[0002] 其更特别地涉及包括萨尼亚克（SAGNAC)干涉仪的干涉式测量装置，该萨尼亚克 干涉仪包括对待测物理参数敏感的测量工具。
[0003] 在形成包括该干涉式测量装置的陀螺仪中以及在形成使用该陀螺仪的惯性姿态 或导航单元中，本发明得到特别有益的应用。
【背景技术】
[0004] 旨在测量物理参数的光纤干涉式测量装置从文献"光纤回转仪 (Gyroscope) "（H. LEFftVRE, Artech House, 1"3_ 参见特别是 54 页图 3·洸）中已知。
[0005] 如图1所示，该干涉式测量装置1000包括：
[0006] -光源1003,其发射源光信号1003A，
[0007] -光纤萨尼亚克干涉仪1010,在其中传播第一光波1001和第二光波1002,第一光 波和第二光波对向传播的，所述萨尼亚克干涉仪1010包括：
[0008] -输入端口 1010A，其以向前方向接收输入光信号，
[0009] -分离器1013,在一方面，其连接到所述输入端口 1010A，并且在另一方面，连接到 所述萨尼亚克干涉仪1010的第一臂1011和第二臂1012，
[0010] -测量工具1014,其对待测的所述物理参数敏感，所述物理参数产生在所述两个 对向传播光波1〇〇1、1〇〇2之间的非互易相位差Δ φρ，所述非互易相位差Δ φρ是所述物理 参数的函数，以及
[0011]-输出端口 1010Β，其与所述输入端口 1010Α共用，以与向前方向相反的返回方向 传输具有输出光功率的输出光信号，所述输出光功率是在所述两个对向传播光波之间的总 相位差Δ (^的函数，
[0012] -光学辐射检测器1004,其接收从所述萨尼亚克干涉仪1010退出的所述输出光功 率，并且递送代表输出光功率的电信号，以及
[0013] -源耦合器1005,其以所述向前方向将所述光源1003耦合到萨尼亚克干涉仪 1010的所述输入端口 1010Α，并且以所述返回方向将萨尼亚克干涉仪1010的所述输出端口 1010Β耦合到所述检测器1004。
[0014] 该干涉式测量装置1000可例如用于干涉式光纤陀螺仪或"I-F0G"中。
[0015] 如已知的，并且如图1所示，根据现有技术的干涉式测量装置1000的测量工具 1014可包括光纤线圈旋转传感器1014Α。
[0016] 有利地，由光源1003发射的源光信号1003Α具有宽谱，即该光源1003具有低时 间相干性。那样，避免了易于干扰根据现有技术的干涉式测量装置1000的光学相干寄生 (spurious)效应，例如在光纤中的相干后向散射或交叉偏振耦合。因此还抑制了非线性克 尔（KERR)效应。
[0017] 通常，线圈旋转传感器1014A的长度越长，那么根据现有技术的干涉式测量装置 1000的性能，特别是其灵敏度和其fg噪比越好。
[0018] 然而，线圈传感器1014A的长度的增加使干涉式测量装置1000不仅更昂贵，而且 对由SHUPE效应产生的热变化更敏感。
[0019] 因此，有必要对萨尼亚克干涉仪的线圈旋转传感器1014A的长度达成妥协。
[0020] 此外，从相同的文件（参见例如159至161页，段落11. 1以及图11. 1)已知谐振 光纤陀螺仪或"R-F0G"，在其中测量工具包括传输模式光纤环形谐振器。
[0021] 根据现有技术，并且如图2所示，该环形谐振器40包括第一门41和第二门42。
[0022] 如已知的，入射到第一门41 (然后被称为输入门）的光信号41A行进经过环形谐 振器40,该环形谐振器40然后将传输的光信号42A传输到第二门42 (然后被称为传输输出 门）上。
[0023] 如图2所示，该传输模式光纤环形谐振器40在其传输输出门42处通常具有在频 率下（在赫兹下）的响应曲线IY(f)，该响应曲线I；(f)具有传输谐振峰43。
[0024] 对应于传输的光信号42A的功率与入射光信号41A的功率之间的比率的环形谐振 器40的该常规响应可通过给出如下来表征：
[0025] -自由谱范围ISL，其对应于在两个连续谐振峰43之间在频率下的距离，以及
[0026] -精细度F，其对应于在环形谐振器40的自由谱范围ISL与响应曲线IV (f)的谐 振峰43的在频率下的半最大处全宽度（the full width at half maximum)(被表示为 FWHMr(f))之间的比率：因此后者越细，环形谐振器40的精细度F(在给定自由谱范围ISL 处）是大的。
[0027] 理论上，使用具有总长度LjP精细度F的环形谐振器的R-FOG可以达到与具有F/2 倍较大长度（即F*L R/2)的光纤线圈旋转传感器的I-FOG相同的性能。
[0028] 实际上，在使用环形谐振器的R-FOG中的SHUPE效应相对于I-FOG减小，这是由于 它使用较短的光纤线圈的事实（参见例如Wang等的在OFS 2012年的第22届关于光学纤维 传感器的国际会议（北京）的SPIE论文集卷8421(2012年）中的"Resonator Fiber-Optic Gyro with Bipolar Digital Serrodyne Modulation Scheme'，）。
[0029] 然而，为了具有利益，使用根据现有技术的环形谐振器40的R-FOG不可以使用宽 谱光源。根据现有技术的环形谐振器40必须必要地与窄谱光源结合使用。
[0030] 当该光源谱的以波长（例如以纳米或nm)或在频率（例如太赫兹或THz)下的半 最大处全宽度FWHM s是这样：FWHMS〈ISIV(10*F)(自由谱范围ISL然后在波长或在频率下来 表达）时，在此将认为光源是窄谱。
[0031] 换句话说，如果该光源的半最大处全宽度FWHMs至多是环形谐振器40的谐振峰的 半最大处全宽度FWHM r的十分之一，即如果FWHM S〈FWHMR/10,那么光源将是窄谱。
[0032] 该窄谱光源原则上具有大的时间相干性，由相干长度Lrah表征。
[0033] 对于与具有总长度LjP精细度F的环形谐振器结合使用的窄谱光源，该相干长度 Lccih优选地高于总长度L 1?与精细度F的乘积的十倍，即：L OTh>10*F*LR。
[0034] 在实践中，使用大的时间相干性的光源不允许达到非常高的性能，这是由于相干 寄生效应，例如瑞利（RAYLEIGH)后向散射和交叉偏振耦合，以及由于非线性克尔效应。
[0035] 特别地，使用该光源的谐振陀螺仪具有长期漂移，其经过长的持续时间妨碍测量 精度。
【发明内容】
[0036] 为了补救上面提及的现有技术的缺点，本发明提出一种干涉式测量装置，其允许 在该干涉式测量装置中使用宽谱光源和适当长度的光纤测量工具，以便免于光源的相干效 应并减小SHUPE效应以达到非常高的性能。
[0037] 更精确地，本发明涉及光纤干涉式测量装置，其旨在测量物理参数，并且所述干涉 式测量装置包括：
[0038] -宽谱光源，其发射源光信号，
[0039] -光纤萨尼亚克干涉仪，在其中传播对向传播的第一光波和第二光波，所述萨尼亚 克干涉仪包括：
[0040] -输入端口，其以向前方向接收输入光信号，
[0041] -分离器，其在一方面连接到所述输入端口，并且在另一方面连接到所述萨尼亚克 干涉仪的第一臂和第二臂，
[0042] -测量工具，其对待测的所述物理参数敏感，所述物理参数产生在所述两个对向传 播光波之间的非互易相位差A φρ，所述非互易相位差△ φρ是所述物理参数的函数，以及
[0043] -与所述输入端口共用的输出端口，其以与所述向前方向相反的返回方向传输具 有输出光功率的输出光信号，所述输出光功率是在所述两个对向传播光波之间的总相位差 Δ φ t和待测物理参数的函数，
[0044] -光学辐射检测器，其接收从所述萨尼亚克干涉仪退出的所述输出光功率，并且递 送代表所述输出光功率的电信号，以及
[0045] -源耦合器，其以所述向前方向将所述光源耦合到所述萨尼亚克干涉仪的所述输 入端口，并且以所述返回方向将所述萨尼亚克干涉仪的所述输出端口耦合到所述检测器。
[0046] 根据本发明，所述萨尼亚克干涉仪的所述测量工具包括传输模式光纤环形谐振 器，所述环形谐振器分别包括第一耦合器与第二耦合器，所述第一耦合器与所述第二耦合 器分别将所述萨尼亚克干涉仪的所述第一臂与所述第二臂耦合到所述环形谐振器，使得在 所述环形谐振器中的所述第一和第二光波以相反的方向循环。
[0047] 因此，由于在测量工具中使用所述光纤环形谐振器，根据本发明的干涉式测量装 置允许获得非常高的性能，而不受SHUPE效应或相干效应的限制。
[0048] 换句话说，根据本发明的干涉式测量装置具有：
[0049] -基本上相当于根据现有技术的使用长度F*LR/2的线圈旋转传感器的干涉式测量 装置的性能的性能，其中F和1^分别是在根据本发明的干涉式测量装置中使用的环形谐振 器的精细度和总长度，以及
[0050] -基本上相当于呈现于使用相同长度的环形谐振器的R-FOG中的SHUPE效应的减 小的SHUPE效应。
[0051] 此外，因为在根据本发明的干涉式测量装置中使用的光纤的长度较短（大约短 F/2倍），该光纤干涉式测量装置的成本也较低。
[0052] 最后，尽管使用该环形谐振器，然而使用宽谱光源是可能的，这允许特别是免于窄 谱源的寄生效应，如瑞利后向散射、交叉偏振耦合和非线性克尔效应。
[0053] 在此将认为，通过比较光源的光学特性与环形谐振器的光学特性，该光源是宽谱。 更精确地，根据本发明，当该光源谱的在光学频率下的半最大处全宽度FWHM高于或等于环 形谐振器的自由谱范围ISL的十倍即FWHM sS 10*ISL时，光源是宽谱。
[0054] 在实践中，光源的谱具有非常高的半最大处全宽度FWHM，高于环形谐振器的自由 谱范围ISL的一百万倍，即FWHM彡10 6*ISL彡ISL。
[0055] 此外，以下是根据本发明的干涉式测量装置的其它优点和非限制性特征：
[0056] -所述环形谐振器包括至少一个第一光纤线圈，所述至少一个第一光纤线圈位于 所述环形谐振器的在所述第一耦合器与所述第二耦合器之间的第一部分上；
[0057] -所述环形谐振器包括具有与所述第一光纤线圈相同长度L的第二光纤线圈，所 述第二光纤线圈位于所述环形谐振器的第二部分上，所述第一和第二光纤线圈被所述第一 親合器和所述第二親合器分开；
[0058] -所述环形谐振器包括光纤的两个附加的部分，所述两个附加的部分的长度总和 等于2*L'，L'是分别在所述分离器与所述第一和第二耦合器之间确定的所述萨尼亚克干 涉仪的所述第一和第二臂的长度的总和，所述两个附加的部分被布置在所述第二光纤线圈 的任一侧上，在所述第二线圈与所述第一和第二耦合器中的一个之间；
[0059] -所述干涉式测量装置包括调制链，所述调制链适配于调制从所述萨尼亚克干涉 仪退出的所述输出光功率Ρ_，所述调制链包括相位调制器，所述相位调制器被布置在所述 分离器处并且在所述萨尼亚克干涉仪的所述第一和第二臂上，以在所述向前方向与所述返 回方向之间将调