[发明专利]一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，具体涉及一种单耦合器双偏振光纤陀螺仪。

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。陀螺仪被广泛地应用于飞行器及武器的制导、工业及军事上的精密测量等领域。早期的陀螺仪为机械陀螺仪，机械陀螺仪是利用高速旋转体的旋转轴具有保持其方向的趋势这样一个物理原理而制造出的定向装置。由于机械陀螺仪包含活动部件（例如高速转子），因此，其结构复杂、工艺要求高、并且精度受到了多方面的制约。

1960年代，随着激光的问世，利用激光来制造光学陀螺仪的研究迅速发展起来。光学陀螺仪是基于萨格纳克效应（Sagnac effect）而制造出来的定向装置。具体说，在转动的闭合光路中，由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针（CW）方向和逆时针（CCW）方向传输时发生干涉，通过检测所述两束光的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出该闭合光路的转动角速度。上述相位差被称作萨格纳克相移φ_S，它与闭合光路的转动角速度Ω成正比：

φS=4ωAc2Ω]]>        公式（1）其中，ω为光的频率，c为真空中光速，A是闭合光路所围的面积。

光学陀螺仪没有活动部件，它结构紧凑、灵敏度高、可靠性好并且寿命长。1963年第一代光学陀螺仪—激光陀螺仪问世。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器。例如，激光陀螺仪可以包括由石英制成的三角形闭合光路，在该光路内设有一个氦氖激光管、两个反射镜和一个半透明镜。从氦氖激光管发出的两束相反传输的激光分别经两个反射镜反射，再由半透明镜导出回路，通过测量这两束光的相位差就可得到闭合光路的转动角速度。

1976年第二代光学陀螺仪—光纤陀螺仪出现。光纤陀螺仪的灵敏度与稳定度更高、成本和功耗较低、而且体积较小。光纤陀螺仪大致分为干涉式光纤陀螺仪和谐振式光纤陀螺仪，目前，干涉式光纤陀螺仪的应用最为广泛。

在干涉式光纤陀螺仪中，常采用较长的光纤绕制成多匝线圈以形成闭合光路。采用多匝线圈可以增强萨格纳克效应。在这种情况下，萨格纳克相移φ_S的表达式为：

φS=2πLDλcΩ]]>       公式（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。

为了精确地测量萨格纳克效应（即萨格纳克相移φ_S），要保证所述闭合光路具有互易性，即保证沿所述闭合光路的顺时针方向传输的光（下称CW光）和沿所述闭合光路的逆时针方向传输的光（下称CCW光）具有相同的模式、偏振以及相位延迟，使得CW光和CCW光的相位差只与该闭合光路的转动角速度有关，而与传输无关，从而提高测量的准确性。

图1示出了干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构。如图1所示，该最小互易性结构包括光源、光源端耦合器、起偏器、环端耦合器、光纤环以及光电探测器。上述耦合器可以实现光束的分束和重新汇合。光源光束在通过起偏器后，经环端耦合器分成CW光和CCW光在光纤环中传输，该CW光和CCW光在光纤环中传输后又通过环端耦合器重新汇合并形成干涉波，该干涉波最后经过光源端耦合器进入光电探测器。环端耦合器具有互易性，它对CW光和CCW光造成的相位延迟是相同的。另外，起偏器用来对光波进行偏振滤波，以保证CW光和CCW光具有相同的偏振，从而实现偏振互易性。在光纤陀螺仪中，可以采用保偏光纤来保证偏振互易性。