[发明专利]一种低噪声的双偏振干涉式光纤陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，尤其涉及一种低噪声的双偏振干涉式光纤陀螺，是一种使用3×3保偏耦合器代替普通2×2保偏耦合器，并将两种偏振态的光同时用于传感而实现的低噪声、高稳定性、高精度的光纤陀螺仪，属于通信技术领域。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测定其所在载体的转动角速度。陀螺仪被广泛的应用在各种飞行器及武器的制导，工业及军事的多种精密测量等领域。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)。后两者皆为光学陀螺仪。光学陀螺仪有结构紧凑，灵敏度高等特点，但是稳定度不及一些现代机械陀螺。由于应用的需要，新型的陀螺仪应具有高的灵敏度与稳定度，较低的成本和功耗，以及体积小等特征。

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，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光产生了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，表达式如下：

Δφ=4ωAc2Ω---(1)]]>

其中ω为光的频率，c为真空中光速，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)说明萨格纳克相移与环路形状和旋转中心位置没有关系，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，常采用较长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的一个使用较方便的表达式为

Δφ=2πLDλcΩ---(2)]]>

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为真空中光速，，Ω为转动角速度。方程(1)和方程(2)是一致的，只不过是表达形式的差异。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、偏振互易等互易性条件。互易性保证了CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，起到了“共模抑制”的作用，以消除多种寄生效应造成的偏差。全光纤形式的光纤陀螺最小互易性结构如图1所示。可见，CW光和CCW光从彼此分开到汇合后产生干涉之间的过程中，两者经历的光路完全相同。两个耦合器的使用是为了保证两束光经过耦合器的累计相移相同，即保证耦合器互异性。而起偏器保证了两束光传播在同一偏振模式，即偏振互易性。

为使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，需要在系统中引入一定的相位偏置。常用的方法是在光纤线圈的一端加上相位调制，如图2所示。相位调制器使两束光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制φ_m(t)，则可以产生一个时变相位差，如下

Δφ(t)＝φ_CCW(t)-φ_CW(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)    (3)

其中τ＝n_effL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，n_eff是光纤的有效折射率。施加调制后，干涉信号形式为

I_D＝I₀1+cos[φ_s+Δφ(t)]}     (4)