专利名称：基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，更加具体地，涉及一种基于载波调制的多波长干涉式 光纤陀螺，即一种使用载波抑制调制将单频光能量搬迁到两个或者多个频率十分接近的边 带上来同时用于感测的光纤陀螺仪。
背景技术：
陀螺仪是一种转动传感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统 的基础核心器件。陀螺仪被广泛运用于航天、航空、航海、兵器及其它工业领域。常见的陀 螺仪有三种类型机械陀螺仪，激光陀螺仪，和光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope,FOG)。 后两者为光学陀螺仪。光纤陀螺仪具有快速启动，结构紧凑，高灵敏度等一系列优点，但是 稳定性不如一些现代机械陀螺。然而，光纤陀螺具有精度高、尺寸小等优点，同时其精度和 稳定度具有极大的提高潜力。光学陀螺的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源 发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过检测相位差或 干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路的旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式 是基于顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光而产生的正比于旋转角速度的 相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，其表达式如下
4") Δ=等式(1)
C其中ω为光的频率，c为真空中的光速，A是光路所围的面积(或者是与角速度矢 量方向垂直的面积投影)，Ω为转动角速度。方程(1)说明萨格纳克相移△ Φ与环路形状 和旋转中心位置无关，而且与导波介质的折射率也无关。干涉式光纤陀螺是光纤陀螺的一个重要类型。在干涉式光纤陀螺中，通常采用较 长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的表达式为=等式⑵
Xc其中L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长，c为真空中的光速，Ω 为转动角速度。光纤陀螺的基础结构是萨格纳克干涉仪，该结构需要满足分束器互易、单模 互易、等互易性条件。互易性保证了 CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，由此实现 “共模抑制”，从而消除多种寄生效应造成的偏差。为使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，通常采用在光纤线圈的一端加上相位 调制的结构，例如，可以如图2所示，在光纤线圈的一端加上PZT来进行相位调制，也可以如 图3所示，在光纤线圈的一端加上Y波导来进行相位调制。利用上述相位调制结构，使两束 光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制Φ (t)，从而产生如下所述的的时变相位差，Δ φ (t) = Φ ccw (t)-Φ CW (t) = φ^υ-φ^ -τ)等式⑶其中τ =nL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，nf是光纤的有效折射 率。在施加调制后，所获得的干涉信号Id为
Id = I0{l+cos[(j5s+A φ (t)]}等式(4)当Δ φ (t)的形式已知时，通过对干涉信号Id进行合适的解调就可以得到萨格纳 克相移Φ s，从而进一步得到转动角速度Ω。然而，传统的光纤陀螺中所使用的光源通常为单波长光，由于温度漂移和外界扰 动等因素，光纤陀螺的精度通常不高。因此，需要一种光纤陀螺，其通过对光源信号进行改 进，能获得更高的测量精度和稳定性，并能够消除共模误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种基于载波调制的多波长(边带)干涉式光纤陀 螺。在该干涉式光纤陀螺中，首先，对单波长光进行双臂载波抑制调制而生成具有不同波长 的双波长光，然后，经由信号检测单元，将所生成的双波长光输入干涉单元中进行干涉，最 后，将从干涉单元输出的光返回至信号检测单元，以生成多组用于测量转动角速度的数据。 由于所生成的双波长光在干涉单元中被分成频率相近且传播方向相反的两束光CW和CCW， 这两个频率相近的光有相同的传播路径，所经历的噪声环境相同，因此，在进行干涉时可以 消除共模噪声的影响，从而减少寄生效应所生成的噪声，由此提高陀螺仪的精度和稳定度。根据本发明的一个方面，提供了一种基于载波调制的多波长(边带)干涉式光纤 陀螺，包括窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与所述窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将所述窄 带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与所述双波长光产生单元和干涉 单元连接，用于将所述双波长光产生单元所产生的双波长光输入到所述干涉单元，以及对 从所述干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由所述信号检测单元输入的双波长光分为频率 近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环合束后发生干涉，并 将经过干涉后的光返回给所述信号检测单元来进行检测。优选地，所述双波长光产生单元包括铌酸锂型马赫曾德尔强度调制器。优选地，所述信号检测光路可以包括保偏环形器和光电探测器，所述保偏环形器 的一端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述保偏环形器的另一端与所述 光电探测器通过光纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号，其中，在所述信号检测 单元和所述双波长光产生单元之间还设置有起偏器。相应地，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中，所述耦合器 的输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤相连，所述耦合器的两 个输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏光纤环与所述耦合器的 一个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。优选地，所述信号检测光路包括起偏器，保偏环形器和光电探测器，所述起偏器的 输入端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述起偏器的输出端与所述保偏 环形器的一端通过光纤相连，所述保偏环形器的另一端与所述光电探测器通过光纤连接， 用于接收从所述干涉单元返回的光信号。
相应地，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中所述耦合器的 输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤相连，所述耦合器的两个 输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏光纤环与所述耦合器的一 个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。优选地，所述保偏光纤环为对称四极方法绕制的光纤环，所述耦合器为保偏耦合 器，所述相位调制器为压电陶瓷调制器。优选地，所述信号检测光路包括环形器和光电探测器，所述环形器的一端与所述 双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述环形器的另一端与所述光电探测器通过光 纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号。相应地，所述干涉单元包括Y波导多功能集成单元、消偏器和单模光纤环；所述Y 波导多功能集成单元的输入端与所述双波长光产生单元通过光纤连接；所述Y波导多功能 集成单元的两个输出端分别经由消偏器与所述单模光纤环的两端连接。优选地，所述单模光纤环为对称四极方法绕制的光纤环。
图1是全光纤形式的光纤陀螺最小互易性结构；图2是干涉式光纤陀螺的相位调制；图3是采用Y波导多功能集成光路的最小互易性结构；图4是根据本发明的一个实施例的基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺的结 构示意图；图5是理想双波长光的频谱示意图；图6是载波调制生成的多波长光频谱示意图；图7是本发明的载波调制生成的多波长光的光强频谱；图8是本发明的多波长光经过萨格纳克干涉环后干涉光强的一、二和四次谐波光 强频谱；图9是根据本发明的另一实施例的基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺的结 构示意图。
具体实施例下面结合附图对本发明进行进一步说明。图4示出了根据本发明的一个实施例的基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺 400的结构示意图。图5示出了理想双波长光的频谱示意图。图6是载波调制生成的多波 长光频谱示意图。图7是本发明的载波调制生成的多波长光的光强频谱。图8是本发明的 多波长光经过萨格纳克干涉环后干涉光强的一、二和四次谐波光强频谱。如图4所示，所述多波长干涉式光纤陀螺400包括窄带光源410、双波长光产生单 元420、起偏器430、信号检测单元440、保偏耦合器470、保偏光纤环480以及相位调制器 490。其中，所述信号检测单元400还包括保偏环形器450和光电探测器460。所述双波长 光产生单元420例如利用铌酸锂型马赫曾德尔强度调制器(即，MZ强度调制器)来实现。 很显然，所述双波长光产生单元420还可以利用其他公知的强度调制器来实现。
所述窄带光源410与双波长光产生单元420的输入端通过光纤连接。所述双波长 光产生单元420的输出端经过起偏器430与信号检测单元440的输入端连接。所述信号检 测单元440的输出端与50 50保偏耦合器470的输入端通过光纤连接。保偏耦合器470 的两输出端分别与保偏光纤环480的两端通过光纤连接。在保偏光纤环480和保偏耦合器 470的一个输出端之间还设置有相位调制器490。在图4所示的结构中，窄带光源410输出例如波长为1550nm的窄线宽(IkHz)温控 光源，光路正方向为从左向右。单谱光输入到双波长光产生单元420 (S卩，MZ强度调制器) 中，对双臂进行余弦调制，并通过直流偏置使两路保持180°的相移，由此得到了高度近似 的双波长光。然后，双波长光产生420输出的双波长光通过起偏器430进入保偏环行器450，以 保证光路的传播方向。这里，保偏环形器450的作用是将光源输出的光导引到保偏光纤环， 以及将从保偏光纤环返回的光导引到光电探测器。利用环形器450的结构特性，可以防止 从光纤环返回的光影响光源，并防止光源输出的光直接到达光电探测器。然后，从保偏环形器输出的双波长光输入到50 50保偏耦合器470，以将该双波 长光分成频率近似且传输方向相反的两束光CW和CCW。然后，该两束光CW和CCW顺次通过 保偏光纤环480和相位调制器490，其中该两束光中的一束光是在进入保偏光纤环之前进 行相位调制，而另一束光是在经过保偏光纤环之后再进行相位调制。例如，如图4所示，Cff 光是在经过保偏光纤环之后再进行相位调制，而CCW光是在进入保偏光纤环之前进行相位 调制。很显然，也可以采用CW光在进入保偏光纤环之前进行相位调制，以及CCW光在经过 保偏光纤环之后进行相位调制的结构。最后，经过保偏光纤环传输后的两束光在保偏耦合 器470处合束，而后经过保偏环形器450后传导至光电探测器460。这里，相位调制器490 同时作用于两个波长的信号，其通常采用PZT(压电陶瓷)调制器。保偏光纤线圈优选为对 称四极方法绕制的光纤环，从而将环境因素影响减到最小。利用上述结构，最终光电探测器460所探测到的信号是满足互易性的CW光与CCW 光的干涉信号。然后，光电探测器460将光信号转化为电信号，电信号可以由采集卡采集并由计 算机实时处理，由此生成多组用于测量转动角速度的数据。实时处理的最终输出结果是每 一个时刻陀螺仪的转动角速度。最终处理结果以及中间处理数据都可以及时存在磁盘中 供重复分析处理。在实际应用中，信号处理可以使用FPGA(现场可编程门阵列)芯片或 DSP(数字信号处理器)芯片以减小整个系统的体积。在图4所示的结构中，由于保偏光纤中输入光的两种频率成分之间的耦合很小， 因此可以认为保持各自的频率独立传播。保偏光纤环之前还可以连接一段单模光纤作为空 间模式滤波器，以确保CW和CCW两束光沿着完全相同的路径反向传播而不存在不同模式之 间的交叉耦合，从而保证单模互易性。因此，本结构可以认为是两个相对独立的最小互易性 结构结合在一起，这两个结构共用同一光路且彼此互不影响。保偏光纤环前部的光路用于基于载波调制产生多波长(边带)光，该基于载波调 制而产生的输出光含有多个边带成分，该输出光可以被近似为双波长光，具体原因参见如 下的工作原理分析。在图4所示的结构中，温控窄线宽光源通过MZ强度调制器调制输出双波长光，该双波长光在保偏光纤环中运行一周后原路返回，其携带了参考系的转动角速度相移进入保 偏环形器，由于环形器的器件特性，输出光会进入保偏环形器所连接的光电探测器中而不 会再次进入保偏光纤环中。此外，与传统光纤陀螺类似，在图4的结构中，在保偏光纤环的一端对干涉环中的 光信号进行调制，从而提高陀螺结构的灵敏度。该两个频率的光所经过的光路，其功能都相 当于一个最小互易结构。下面阐述图4中所示的陀螺结构的工作原理。对于理想的双波长光，其频谱示意 图如图5所示，在中心频率ω。两侧的ω。±ωω两个频率处存在同样高度的振幅分布，记 ω^ω^ ω17 co。+com* ω2，则双波长光可写为 整个光的表达式为^r = + ^2 - Am cos {ω - kx)其中振幅被调制的波包为^n=Xcos卜(夂广)x ,故双波长光的光强
可写为
等式(5)采样载波抑制调制而得到的载波抑制多波长(边带)光可以作为近似的双波长 光。窄带光源输出波长约1550nm的单色光，双臂调制器两臂的输入幅度为半波电压的余弦 信号，调制器本身对两臂调制有着180°的相移。则单色光经过调制后，所输出的光为 其中Vm和ωω为接入铌酸锂双臂调制器的余弦信号的幅度和频率，Vn为半波电
Vm
压，Vou与Vcd2分别为双臂的直流偏置电压。设Vcdi = V^Vcd2 = 0，记^^ =Wy，则上式为E0 = A[sincoctsin(mpcoscomt)]将上式作贝塞尔展开，则有 与等式(6)对应的基于载波调制的多波长(边带)光强体现在低频包络上为 由等式(7)可知，载波抑制调制将单色光能量搬移到其调制频率的奇倍频的多个 边带上且无载波分量，如图6所示。由于贝塞尔函数的衰减性，整个频谱中大部分能量集中 在《。-(^和ω。+ωω两个频率上，比较图5、6可知，基于载波调制的多波长(边带)相比双 波长光多出了一次谐波外的其它奇次谐波，而高次谐波的能量所占比例很小可以忽略。因 此可以认为载波抑制调制下的多波长(边带)光是一种高度近似的双波长光，两个频率的 频率差为2com。双波长光的光强频谱的低频包络如图7所示，可以看出图7与等式(8)的结论一 致，因此无论从等式(5)和(8)的比较上，还是从图5、6的比较上，都可以认为基于载波调 制的多波长(边带)光是高度近似的双波长光。由此，利用以上结构，可以得到双波长光。把上述载波调制后的双波长光打入萨格纳克光纤环的两端中，得到CW和CCW两组 光。此时光纤环中就有四路光两两干涉，形成2X2的陀螺结构。设双波长光的频率分别为 CO1和ω 2，则两个方向的光可写为 等式(10)Cff光与CCW光干涉得到结果如下
等式(11)而当只打入单频光时，可以得到干涉频谱如下 等式(12)观察等式(11)、(12)可知，打入双波长光相当于把打入单频光得到的频谱向左右 两边各搬移了 △ ω，如图5所示的频谱。由此，本发明的陀螺仪结构可以得到几倍于传统陀 螺仪结构的数据，通过多组数据联合处理，就可以得到更精确的，进而得到更精确的Ω， 从而实现传统陀螺仪所不及的精度与稳定性。而最终得到的光谱的边频，即被搬移出来的 新的频谱，是CW光和CCW光中的两种频率的光干涉的结果。由于贝塞尔函数的衰减性，在 干涉频谱中一般只能观察到等式(11)中的一、二和四次谐波，其余的高次谐波被淹没在噪 声中。等式(11)的光强干涉结果的一、二和四次谐波如图6所示。利用一、二和四次谐波可以解调出萨格纳克相移(与角速度成正比)Φ5 = ΒΓο Βη{Ι(ωω)^(φω)/Ι(2ωω)^(φω)}等式(13)其中Ι(ωω)和Ι(2ωω)分别表示检测信号的一次谐波和二次谐波的量值。在等式 (11)中，频谱搬移得到了更多含有项的频谱，故为解调出更为精确的提供了可能， 进而得到精度更高的角速度。另外，当把光进入萨格纳克干涉环时，光纤环中存在瑞利背向散射，瑞利散射光和 传输光具有相同的频率。当把单频光打入光纤陀螺仪时，由于单频光源的相干长度很长，所 以瑞利散射很大，又因为瑞利散射与信号光同频，造成了瑞利散射项和信号光之间干涉所 产生的一阶噪声和瑞利散射项之间的二阶噪声，这两种噪声(尤其是第一种)对干涉结果 造成很大的干扰，因此使用单频光测量到的角速度与真实值之间相差较大。但是打入双波 长光后，在打入单频光得到的频谱的基础上搬移△ ω的两套频谱。这就相当于展宽了光源 的频带，使得光源的相干长度缩短，这样就能在一定范围内减小瑞利散射。此外，我们知道采用本征偏置调制方法可以有效的减小瑞利散射噪声，可以将相 位调制器的工作频率设定在单模光纤环的本征频率1/2 τ (τ为光通过光纤线圈的传 输时间)，由于信号光在干涉仪中是互易的，而瑞利散射部分则是非互易的。因此，本征调制 可以使得瑞利散射项获得η/2的相移后干涉相消，而信号光都经过了同样的相位调制因 此其干涉结果不受本征调制的影响。如上参照图4-图8描述了根据本发明的一个实施例的基于载波调制的多波长干 涉式光纤陀螺的结构及其工作原理。图9示出了根据本发明的另一实施例的基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺 的结构示意图。与图4的结构相比，其区别仅在于省略了起偏器430，并且取代保偏环形器 450和光电探测器460，信号检测单元由环形器950和光电探测器460构成。此外，Y波导 多功能集成单元970取代了图4中的保偏耦合器470和相位调制器490，用于在光束从环形 器进入单模光纤环时，将双波长光分为频率近似且传输方向相反的两束光CW和CCW，以及 在光束从单模光纤环进入环形器时，将两束光合束为一束光。相应地，在Y波导多功能集成 单元970后面需要使用两个消偏器990。此外，单模光纤环980取代了图4中的保偏光纤环 480。其余部分与图4中完全相同，在此不再描述。此外，图9中的结构的工作原理类似于 图4中所描述的结构的工作原理，在此也不再描述。
从图9可以看出，图9中的干涉单元采用单模光纤环和Y波导多功能集成单元，从 而进一步降低了成本。虽然如上参照图4和图9描述了根据本发明的实施例的基于载波调制的多波长干 涉式光纤陀螺，但是本领域的技术人员要明白的是，还可以在不脱离本发明内容的基础上 做出各种改进。例如，在图4的结构中，可以将起偏器430并入在信号检测单元470中。此外，相 位调制器490也可以采用本领域中公知的除了 PZT相位调制器之外的其他相位调制器来实 现。有益效果通过以上结合附图对本发明实施例的详细描述，不难看出利用本发明的光纤陀 螺，可以通过基于载波调制生成的多波长光进行检测，可以得到多组用于测量转动角速度 的数据，从而大大提高了转动角速度的测量精度和稳定度，同时具有结构简单、成本低、体 积小、灵敏度高的特点。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于载波调制的多波 长干涉式光纤陀螺，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保 护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
权利要求
一种基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺，包括窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与所述窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将所述窄带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与双波长光产生单元和干涉单元连接，用于将所述双波长光产生单元所产生的双波长光输入到所述干涉单元，以及对从所述干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由所述信号检测单元输入的双波长光分为频率近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环并合束后发生干涉，并将经过干涉后的光返回给所述信号检测单元来进行检测。
2.如权利要求1所述的光纤陀螺，其中，所述双波长光产生单元包括铌酸锂型马赫曾 德尔强度调制器。
3.如权利要求1所述的光纤陀螺，其中，所述信号检测光路包括保偏环形器和光电探 测器，所述保偏环形器的一端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述保偏 环形器的另一端与所述光电探测器通过光纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信 号，其中，在所述信号检测单元和所述双波长光产生单元之间还设置有起偏器，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中，所述耦合器的输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤 相连，所述耦合器的两个输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏 光纤环与所述耦合器的一个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。
4.如权利要求1所述的光纤陀螺，其中，所述信号检测光路包括起偏器，保偏环形器和 光电探测器，所述起偏器的输入端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述 起偏器的输出端与所述保偏环形器的一端通过光纤相连，所述保偏环形器的另一端与所述 光电探测器通过光纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号，所述干涉单元包括耦合器、相位调制器和保偏光纤环，其中，所述耦合器的输入端经由所述信号检测单元与所述双波长光产生单元通过光纤 相连，所述耦合器的两个输出端分别与所述保偏光纤环的两端通过光纤连接；且所述保偏 光纤环与所述耦合器的一个输出端之间通过光纤连接所述相位调制器。
5.如权利要求3或4所述的光纤陀螺，其中，所述保偏光纤环为对称四极方法绕制的光 纤环；所述耦合器为保偏耦合器；所述相位调制器为压电陶瓷调制器。
6.如权利要求1所述的光纤陀螺，其中，所述信号检测光路包括环形器和光电探测器， 所述环形器的一端与所述双波长光产生单元的输出端通过光纤连接，所述环形器的另一端 与所述光电探测器通过光纤连接，用于接收从所述干涉单元返回的光信号，所述干涉单元包括Y波导多功能集成单元、消偏器和单模光纤环；所述Y波导多功能集成单元的输入端与所述双波长光产生单元通过光纤连接；所述Y波导多功能集成单元的两个输出端分别经由消偏器与所述单模光纤环的两端 连接。
7.如权利要求6所述的光纤陀螺，其中，所述单模光纤环为对称四极方法绕制的光纤环。
全文摘要
本发明公开了一种基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺，该光纤陀螺包括窄带光源，用于生成窄带光；双波长光产生单元，与窄带光源通过光纤连接，用于基于载波调制，将窄带光源所生成的窄带光变换为具有两个不同波长的双波长光；信号检测单元，其输入端和输出端分别经由光纤与双波长光产生单元和干涉单元连接，用于将所产生的双波长光输入到干涉单元，以及对从干涉单元返回的光进行检测，以生成多组用于测量转动角速度的数据；以及包括光纤环的干涉单元，用于将经由信号检测单元输入的双波长光分为频率近似且传输方向相反的两束光，使得所生成的两束光传输经过光纤环合束后发生干涉，并将经过干涉后的光返回给信号检测单元来进行检测。
文档编号G01C19/72GK101886925SQ20101019324
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者李正斌, 杨易, 王子南, 邵珊 申请人:北京大学