有效光纤长度N倍增的超大Sagnac干涉型光纤陀螺的制作方法

本发明涉及一种干涉型光纤陀螺仪，尤其是涉及一种有效光纤长度n倍增的超大sagnac干涉型光纤陀螺。

背景技术：

干涉型光纤陀螺是以sagnac光纤传感线圈和集成光学器件为基础的惯性导航器件，用于自主测量载体相对于惯性空间的旋转运动(旋转角速度)，为惯性系统感知载体自身的精确位置和方向等具有关键性作用。光学陀螺是基于sagnac效应的角速度传感器，sagnac效应是：在光学环路线圈旋转时，顺时针与逆时针经过同一环路传输的两束光之间产生相位差。干涉型光纤陀螺(ifog)就是顺时针与逆时针通过光纤传感线圈传输光之间的干涉将相位差信号转换为输出光强度信号，经光电检测器转换为电信号，由陀螺电路处理输出载体的旋转角速度。因此光纤陀螺中没有运动部件，且因为光纤的损耗极低，长度可达到公里级，精度可达到0.001o/h级。而且光纤陀螺具有抗冲击、长寿命、精度高、价格、尺寸、重量方面有明显优点，适合规模化生产的优势，在工业与军事应用中拓展了许多较新的用途，成为目前发展最为迅速的惯性器件之一。

干涉型光纤陀螺的主要技术性能指标有标度因数及其稳定性与对称性，角度随机游走和零偏稳定性。影响标度因数稳定性与对称性的主要原因有光源平均中心波长和传感线圈长度的稳定性，以及y形分支波导调制器和信号处理电路的线性度。角度随机游走是信噪比相关的参量，是陀螺最小可检测灵敏度的度量，与均衡设计和噪声抑制及滤波技术有关。陀螺的零偏稳定度可以认为是陀螺的可信检测灵敏度，陀螺的零偏误差主要来自保偏光纤传感线圈，包括偏振串扰、法拉第效应、时变环境温度与应力(振动与声波)引起的非互易相移。干涉型光纤陀螺由传感光学表头和调制解调电路两部分组成，传统的传感光学表头又有集成y形分支波导调制器和光纤传感线圈组成。光纤陀螺的精度主要是由传感光学表头决定的，也是陀螺的主要误差源。

干涉型光纤陀螺的精度主要由灵敏度与零偏误差中的最大值确定的。灵敏度是陀螺系统中的最小可检测信号大小，而最小检测信号是sagnac信号与零偏误差的和。另一方面，光电检测器的灵敏度对应的最小可检测相位差在微弧度量级，sagnac相移与传感光纤长度、角速度成正比，所以，增加传感线圈光纤长度是提高干涉型光纤陀螺灵敏度和精度直接有效的方法。但是，传感线圈光纤长度的增加，不仅增加了成本、体积、重量、绕线工艺难度，还会增加偏振串扰、shuppe效应和震动等非互易误差，这反而会增大干涉型光纤陀螺的零偏稳定性；而且，传感光纤越长，损耗越大，这反而会增大干涉型光纤陀螺的角度随机游走，最终不能达到提高陀螺精度的目的。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效光纤长度n倍增的超大sagnac干涉仪结构陀螺，用较短的实际光纤传感线圈长度，通过有效光纤长度n倍增产生倍增的萨格奈克相移信号，非互易误差相移可维持在实际光纤线圈大小，解决用超大传感光纤线圈增大sagnac相移与零偏误差之间的矛盾。研究用光放大器来补偿环行损耗，解决增大sagnac相移与降低角度随机游走之间的矛盾。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种有效光纤长度n倍增的超大sagnac干涉型光纤陀螺，包括y形分支波导调制器、光纤传感线圈、光源、光纤耦合器和光电检测器，还包括光开关、两个光纤分路器和光放大器，所述两个光纤分路器的一输入端均与y形分支波导调制器连接，另一输入端均与光放大器连接构成环行回路，两个光纤分路器的输出端分别与光纤传感线圈的两端连接，所述两个光纤分路器、光放大器与光纤传感线圈形成光学环路，所述光开关连接于光源和光纤耦合器之间。

所述光开关与光放大器同步变换状态，当光开关处于开通状态时，光放大器处于衰减状态，当光开关处于断开状态时，光放大器处于增益状态，实现有效光纤长度n倍增。

所述光开关的开通时间等于光纤传感线圈传输时间τ，关断时间是(n-1)τ，周期是nτ。

所述实现有效光纤长度n倍增具体为：

光开关处于开通状态，光放大器处于衰减状态，光源经光纤耦合器和y分支波导调制器输出顺时针光和逆时针光，顺时针光和逆时针光分别对应经两个光纤分路器进入光纤传感线圈后，返回两个光纤分路器分为两路输出，此时光开关转为断开状态，光放大器转为增益状态，其中一路输出经y形分支波导调制器形成1次环行输出，另一路输出经光放大器后又由两个光纤分路器返回光纤传感线圈，循环形成n次环行输出。

所述光电检测器依次检测获得有效光纤长度倍增数由1到n的陀螺信号。

所述光放大器为掺铒光纤放大器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在y分支波导调制器与光纤传感线圈之间的cw与ccw方向间插入环行回路，使传感线圈有效光纤长度增加n倍，sagnac相移增加n倍，进而使陀螺灵敏度增加n倍，可将几公里长的实际光纤传感线圈倍增到有效长度达到几十至几百公里。

(2)有效光纤长度倍增数由1到n的陀螺信号依次输出，可以获得不同倍增过程中的非互易误差相移信息，将n倍增陀螺信号中的非互易误差相移补偿到实际光纤线圈大小。

(3)实际光纤线圈体积和重量是几公里大小，可用几公里线圈绕制工艺实现超大sagnac干涉仪。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光开关的开通与断开两状态和光放大器的衰减与放大两状态同步时序图，其中，(a)为光开关状态时序图，(b)为光放大器状态时序图，(c)为输出光功率状态时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种有效光纤长度n倍增的超大sagnac干涉型光纤陀螺，包括y形分支波导调制器4、光纤传感线圈8、光源1、光纤耦合器3、光电检测器9、光开关2、两个光纤分路器5、6和光放大器7，两个光纤分路器5、6的一输入端均与y形分支波导调制器4连接，另一输入端均与光放大器7连接构成环行回路，两个光纤分路器5、6的输出端分别与光纤传感线圈8的两端连接，两个光纤分路器5、6、光放大器7与光纤传感线圈8形成光学环路，光开关2连接于光源1和光纤耦合器3之间。

光开关2与光放大器7同步变换状态，当光开关2处于开通状态时，光放大器7处于衰减状态，当光开关2处于断开状态时，光放大器7处于增益状态，实现有效光纤长度n倍增。光开关的开通时间等于光纤传感线圈传输时间τ，关断时间是(n-1)τ，周期是nτ。光电检测器9依次检测获得有效光纤长度倍增数由1到n的陀螺信号。本实施例中，光放大器7为掺铒光纤放大器。光纤耦合器3为3db光纤耦合器。

如图2所示，光源1经处于开通状态的光开关2，光纤耦合器3和y分支波导调制器4输出顺时针cw和逆时针ccw两路输出，cw光经光纤分路器5进入光纤传感线圈8，到达光纤分路器6时，光开关2由通转为断状态，光放大器7由衰减转为增益状态，光纤分路器6输出分为两路，一路经y分支波导调制器4和光纤耦合器3到达光电检测器9成为1倍增陀螺信号输出，另一路由光放大器7放大补偿环行损耗后，由光纤分路器5再次进入光纤传感线圈8，到达光纤分路器6时，光开关2保持断状态，光放大器7保持增益状态，光纤分路器6输出分为两路，一路经y分支波导调制器4和光纤耦合器3到达光电检测器9成为2倍增陀螺信号输出，另一路由光放大器7放大补偿环行损耗后，由光纤分路器5再次进入光纤传感线圈8，到达光纤分路器6时，光开关2保持断状态，光放大器7保持增益状态，周期重复，直到nτ时刻，光放大器7转为衰减状态，光纤分路器6输出的两路，一路经y分支波导调制器4和光纤耦合器3到达光电检测器9成为n倍增陀螺信号输出，另一路则光放大器7衰减约60db后近似为0。同时，光开关2转为通状态，顺时针cw和逆时针ccw光再次输入，周期重复，再次按时隙输出1、2、…、n倍增陀螺信号输出。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制此发明的保护范围。凡是根据本发明想法：在y分支波导调制器与光纤传感线圈之间的cw与ccw方向间插入环行回路，实现sagnac相移倍增的等效变换或是修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。