专利名称：一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法
技术领域：
本发明涉及一种解决干涉型光纤陀螺中由于干涉环的偏振扰动以及光源的偏振扰动引起 的偏振衰落及偏振相位噪声问题的方法。特别是采用级联光纤环实现光纤陀螺的Sagnac光纤 干涉环中的正反向传送光的统计退偏干涉，由此解决系统的偏振衰落和偏振相位噪声问题的 方法和系统。
背景技术：
光纤传感技术是新一代传感器的发展趋势，与光通信、光信息处理共同构筑了光信息技 术，是国内外公认的最具有发展前途的领域。光纤传感器以被传感量转化为光波信号的不同 分量，如强度、光频、相位变化而主要分为强度、波长和干涉相位型等传感类型。干涉相位 型光纤传感器主要是采用干涉环解调光相位的变化，测量灵敏度最高。由于此类光纤传感器 属于相干检测，因此测量结果对系统结构的偏振特性极为敏感，对系统的偏振稳定性要求极 高。 一般而言，光纤传感系统中的偏振不稳定性主要来自于两方面 一是入射到光纤干涉结 构的入射光的偏振方向随环境温度等变化随机扰动，二是光纤干涉结构内部，由于光纤的随 机弯曲、扭转等效应导致的双折射效应对传输光的偏振态产生影响，而这些影响又随环境温 度、机械振动等外界因素的变化而变化，因此导致干涉光束的偏振态的动态随机变化。这两 个因素将导致系统检测可见度的不确定变化及偏振相位噪声。极端情况，当两干涉光的偏振 态呈相互正交时，会导致干涉测量的失败，这就是干涉型光纤传感器中的偏振衰落问题。偏 振衰落和偏振相位噪声问题一直是阻碍干涉型传感器广泛应用的主要障碍，也是光纤传感领 域一直致力解决的问题。
迄今为止，已有各种光纤传感器的抑制偏振衰落的技术被提出、研究并应用。这些解决 方案可归纳为四类。 一是采用保偏光纤实现对整个系统的光的偏振状态的保持。该方案对保 偏光纤干涉系统的结构要求十分严格，要求输入光具有良好的线性偏振且偏振方向与主轴的 严格一致，任何光纤的扭转、弯曲等引起的应力双折射都可导致偏振态的更加不稳定，因此 系统的建立、使用、维护成本很高。二是采用偏振分离检测技术。这种技术可以使用一般单 模光纤干涉结构，通过分别检测并比较两正交偏振方向上的光功率，实现抗偏振衰落。该方 案的主要问题是检测技术复杂。第三种方法是采用扰偏技术。扰偏技术是通过在光纤干涉结 构中采用不同方法，对光的偏振态进行主动、快速、周期性扰动，实现两干涉光在时间平均 上的退偏，以实现抗偏振衰落的目的。第四种方法是在光进入干涉结构之前退偏来消除偏振 相位噪声、在光纤干涉结构中安插退偏器来解决偏振衰落问题。目前的退偏器技术主要采用Lyot退偏方法。Lyot退偏器主要由采用双折射晶体或双折 射光纤构成，需要精确地准直和调节。且受双折射晶体或光纤的长度限制，退偏一般只对宽 光谱光源有效，因此传感系统的光源的相干长度很小，对不同光纤臂的光纤传感器干涉臂的 等长要求非常严格。
本发明利用级联光纤环构成无穷多个传输路径，通过这些光传输路径，可将光分解为传 输路径不同的无穷多个微小光分量。通过环长的设计，可实现经过不同传输路径的光分量之 间不相干；并通过构成光纤环的耦合器的耦合系数的优化设计，实现各传输路径的光分量的 强度的合理分配。系统检测结果是各传输路径所对应的正反向光的干涉结果的统计平均。 发明内容-
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振 相位噪声的方法，实现系统检测结果与系统中光源及光纤Sagnac干涉环中随机引入的偏振扰 动无关，解决偏振扰动导致偏振相位噪声及偏振衰落问题。
为达到上述目的，本发明的构思是利用级联光纤环构成无穷多个传输路径，通过这些 光传输路径，将传输光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量。通过环长的优化设计， 可实现经过不同传输路径的光分量之间不相干；并通过构成光纤环的耦合器的耦合系数的优 化设计，实现各传输路径的光分量的强度的合理分配。系统中由光源、光纤引入的偏振扰动 对正反向光的干涉的影响，随机分布于各传输路径所对应的正反向光分量的干涉上，每一对 正反向光的偏振状态是随机的，但所有路径的正反向光分量的相位差相同，因此系统检测结 果是各传输路径所对应的正反向光分量的干涉结果的统计平均。根据大数定理，当独立干涉 的光分量足够多时，其统计干涉结果趋于稳定，由此解决系统中各种偏振扰动带来的偏振相 位噪声以及偏振衰落问题。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，在光纤陀螺Sagnac环中，通过 插入多级级联的光纤延迟环，简称为级联光纤环，在Sagnac干涉环内构成无穷多个循环次 数不同的传输路径，将顺时针即正向及逆时针方向即反向的干涉光分解为无穷多个传输路径 不同的微小光分量。所述级联光纤环环长的选取要求满足任意两个不同路径的光程差大于光 源的相干长度的条件；构成所述光纤级联环的光分路器的优化分光比为0.382: 0.618。因此 原有的一对正反向光的干涉效应变为无穷多对正反向传输、等功率、但偏振方向随机分布的 微小光分量对的独立干涉效应的统计平均。由此可实现系统检测结果与系统中光源及光纤 Sagnac干涉环中随机引入的偏振扰动无关，解决偏振扰动导致的偏振相位噪声及偏振衰落问
4题。
在上述的解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法中，单向信号光经过所述级联 光纤环实现光的路径分解，实现空分退偏。即正反向光经过级联光纤环后都可实现退偏。
在上述的解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法中，所述级联光纤环可置于 Sagnac环内任何位置，皆可实现抗偏振衰落。
在上述的解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法中，所述级联的光纤环的数目 可从1个到系统损耗所能允许的数目。所述级联光纤环数越多，系统的检测结果的稳定性越 高。
在上述的解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法中，所述级联光纤环由一般单 模光纤构成。
在上述的解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法中，所述光纤陀螺Sagnac干涉 环由一般单模光纤构成中，无须偏振态的控制或调制。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著有点-
1. 利用多个光纤环级联，实现光分量的空间路径分解。通过优化设计级联光纤环长度、数目 及分光比例，空间路径分解后实现的大量微小光分量之间互不相关，由此将原先Sagnac光纤 干涉的正反向一对光的干涉效应，分解成无数对微小等强度的正反向光的干涉效应之和，系 统的检测输出由一对正反向光的干涉结果的测量，变成所有的微小正反向光干涉结果的统计 平均。
2. 不同于目前的扰偏技术中所采用的时间平均，本发明通过光的空间路径分离，实现大量随 机干涉结果的统计稳定。
3. 系统不仅可以解决由光源偏振扰动导致的偏振相位噪声，而且可以解决光纤干涉环内部的 偏振扰动带来的偏振衰落问题。
4. 系统的光纤可全部采用一般的单模光纤，整个系统无需偏振控制器件，以及偏振保持光纤。
5. 系统构成采用无源器件。
6. 系统的形成简单易实现。
图1是本发明解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声方法的系统框图。 图2是图1中的本发明中级联光纤环的结构框图。 图3是图1中的级联光纤环光的路径分解示意图。
具体实施方式
本发明的优选实例结合
如下参见图1和图2，本解决光纤陀螺中偏振衰落和
偏振相位噪声的方法是在光纤陀螺Sagnac环中，通过插入多级级联的光纤延迟环，在 Sagnac干涉环内构成无穷多个循环次数不同的传输路径，将顺时针(正向)及逆时针方向
(反向)的干涉光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量。级联光纤环环长的选取要求 满足任意两个不同路径的光程差大于光源的相干长度的条件；构成光纤级联环的光分路器的 优化分光比为0. 382:0. 618。因此原有的一对正反向光的干涉效应变为无穷多对正反向传输、 等功率、但偏振方向随机分布的微小光分量对的独立干涉效应的统计平均。由此可实现系统 检测结果与系统中光源及光纤Sagnac干涉环中随机引入的偏振扰动无关，解决偏振扰动导 致的偏振相位噪声及偏振衰落问题。
具体方法是由光源1输出的光经光隔离器2后，由光分路器3的端口 1输入，分别 由端口3，端口 4进入光纤Sagnac干涉环5，级联光纤环4为两端口器件，熔接在Sagnac 光纤环中。光纤Sagnac环由一般单模光纤构成。进入光纤干涉环的光分别沿顺时针(正向) 和逆时针(反向)方向传输，再分别由端口4和端口3进入光分路器，在端口2汇合干涉。 正反向光的干涉结果由光电探测器6检测接收。
进入Sagnac干涉环的正反向光分别经由级联的光纤环将正反向光分解为大量传输路径
不同、强度不同的光分量，同向传输光分量之间由于其传输相位差大于光源的相干长度而
互不相关；
光进入第一个光纤环，可将光分解为，直通光、绕环1周、2周….，及i周的不同光分 量，当环长大于传输光的相干长度时，这些光分量相互无关。循环圈数越多的光分量，其 强度也越小。理论上可有无穷多个光分量，但当循环圈数较大时所对应的光分量已经是足 够小了，其影响可忽略。同理，第2个光纤环又将第一个光纤环分解的各个光分量再次路 径分解，依次类推，级联的光纤环可将经过的单一光进行路径分解，得到大量相互无关的 微小光分量。如图3所示，假设每个光纤环的分解光的有效分量的循环次数小于n，级联光 纤环数为m，则总的有效分解光分量数为(n+l)m 。
由光纤环分解的直通光、循环i周的光分量所对应的光强系数分别为k, kH(l-k)2，其中 k为光分路器的直通耦合系数，i=l，2,"*。不同路径对应的各分量经过的传输路径不同，因 而在输出端的偏振态不同。各光分量的偏振态由光纤环的盘绕状态随机决定。光纤环在盘绕 过程中，由于光纤的扭转、弯曲等应力引起的双折射效应，都会导致经过光的偏振态的改变， 因此这些分量的偏振态由于传输路径的不同而各不相同，呈随机分布状态。对于级联光纤环 的每个传输路径，都会有两个等光强的正反向分量，这两个分量之间相干，且传输相位差仅由Sagnac环的结构及转动角速度决定，与级联光纤环无关。两个同路径的正反向光的偏振态 呈随机分布，因此两者的干涉结果也是随机的，极端情况当两者偏振方向一致时，干涉最强， 偏振态正交时，干涉为零。因此系统的整体干涉结果表现为大量微小正反向光分量的独立干 涉结果的统计平均。
权利要求
1、一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在于在光纤陀螺Sagnac环中，通过插入多级级联的光纤延迟环，简称为级联光纤环，在Sagnac干涉环内构成无穷多个循环次数不同的传输路径，将顺时针即正向及逆时针方向即反向的干涉光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量；所述级联光纤环的环长选取要求满足任意两个不同路径的光程差大于光源的相干长度的条件；构成所述光纤级联环的光分路器的优化分光比为0.3820.618；因此原有的一对正反向光的干涉效应变为无穷多对正反向传输、等功率、但偏振方向随机分布的微小光分量对的独立干涉效应的统计平均。由此实现系统检测结果与系统中光源及光纤Sagnac干涉环中随机引入的偏振扰动无关，解决偏振扰动导致的偏振相位噪声及偏振衰落问题。
2、 根据权利要求1所述的一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在 于单向信号光经过所述级联光纤环实现光的路径分解，实现空分退偏；即正反向光经过 级联光纤环后都可实现退偏。
3、 根据权利要求1所述的一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在 于所述级联光纤环可置于Sagnac环内任何位置，皆可实现抗偏振衰落。
4、 根据权利要求1所述的一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在 于所述级联的光纤环的数目从1个到系统损耗所能允许的数目；所述级联光纤环数越多， 系统的检测结果的稳定性越高。
5、 根据权利要求1所述的一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在 于所述级联光纤环由一般单模光纤构成。
6、 根据权利要求1所述的一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法，其特征在 于所述光纤陀螺Sagnac干涉环由一般单模光纤构成中。
全文摘要
本发明涉及一种解决光纤陀螺中偏振衰落和偏振相位噪声的方法。在光纤陀螺Sagnac环中，通过插入多级级联的光纤延迟环，在Sagnac干涉环内构成无穷多个循环次数不同的传输路径，将顺时针(正向)及逆时针方向(反向)的干涉光分解为无穷多个传输路径不同的微小光分量。级联光纤环环长的选取要求满足任意两个不同路径的光程差大于光源的相干长度的条件；构成光纤级联环的光分路器的优化分光比为0.382∶0.618。因此原有的一对正反向光的干涉效应变为无穷多对正反向传输、等功率、但偏振方向随机分布的微小光分量对的独立干涉效应的统计平均。由此可实现系统检测结果与系统中光源及光纤Sagnac干涉环中随机引入的偏振扰动无关，解决偏振扰动导致的偏振相位噪声及偏振衰落问题。
文档编号G01C19/64GK101520335SQ200910046148
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月13日 优先权日2009年2月13日
发明者应可捷, 张羽飞, 蕾 彭, 王廷云, 王春华, 黄肇明 申请人:上海大学