阅读说明：本技术 刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪 (High-precision optical fiber gyroscope with stable scale factor ) 是由 周宏泽 吕翀 吕钢 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光纤陀螺仪技术领域,公开了一种刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪,以达到稳定陀螺刻度因数的目的。该陀螺仪包括宽谱光源发生器、第二端口插有滤波片的三端光纤环形器、多功能光学芯片、光纤传感环、光电探测器及信号处理单元；宽谱光源发生器输出光信号至三端光纤环形器的第一端口,三端光纤环形器的第二端口与多功能光学芯片的输入端耦合,多功能光学芯片上集成起偏器、Y型分束器和相位调制器,Y型分束器的两个输出端口与光纤传感环的两个输入端口耦合,三端光线环形器的第三端口与光电探测器的输入端耦合,光电探测器输出端通过信号处理单元与多功能光学芯片的相位调制器电连接,信号处理单元输出角速度信号,该陀螺仪刻度因素稳定。(The invention relates to the technical field of optical fiber gyroscopes, and discloses a high-precision optical fiber gyroscope with stable scale factors, so as to achieve the purpose of stabilizing the scale factors of the gyroscope. The gyroscope comprises a broad spectrum light source generator, a three-terminal optical fiber circulator with a second port inserted with a filter, a multifunctional optical chip, an optical fiber sensing ring, a photoelectric detector and a signal processing unit; the wide-spectrum light source generator outputs light signals to a first port of the three-terminal optical fiber circulator, a second port of the three-terminal optical fiber circulator is coupled with an input end of a multifunctional optical chip, a polarizer, a Y-shaped beam splitter and a phase modulator are integrated on the multifunctional optical chip, two output ports of the Y-shaped beam splitter are coupled with two input ports of an optical fiber sensing ring, a third port of the three-terminal optical fiber circulator is coupled with an input end of a photoelectric detector, an output end of the photoelectric detector is electrically connected with the phase modulator of the multifunctional optical chip through a signal processing unit, the signal processing unit outputs angular velocity signals, and scale factors of the gyroscope are stable.)

刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及光纤陀螺仪技术领域，具体公开了一种刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪。

背景技术

传统的高精度光纤陀螺结构如图3和如图4所示。图3是向后泵浦方式，图3中由泵浦激光器10发出的光，经波分复用耦合器20激励有源光纤30发出放大自发辐射ASE光(有源光纤30尾端可以含有法拉第反射镜或者普通反射镜)；图4是向前泵浦方式，图4中由泵浦激光器10发出的光，经波分复用WDM耦合器20激励有源光纤30发出放大自发辐射ASE光(波分复用耦合器20一端含有法拉第反射镜或者普通反射镜20-1)；图3或者图4中由有源光纤30发出的ASE光，经过隔离器90、滤波器100，由耦合器110将光一分为二，其中一束进入多功能铌酸锂集成光学芯片50的输入端，芯片50上集成有起偏器、Y型分束器和相位调制器，芯片50中的Y型分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环60后返回芯片50；下光束按逆时针方向经过光纤传感环60后返回芯片50；这二束顺时针光和逆时针光由芯片50中的Y型分束器合成形成干涉，再经芯片50输入端至耦合器110将光一分为二，其中一束由光电探测器70变为电信号，经过信号处理单元80生产反馈加到芯片80中的相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的角速度信号。

因为光纤陀螺刻度因数与光信号接收端的平均波长密切相关，陀螺需要在很宽的温度条件下获得稳定的刻度因数，因此滤波器100起到稳定光源平均波长的作用。然而注意到光纤陀螺获得稳定的刻度因数所需要的是稳定光信号接收端光的平均波长，而不是从光源输出端的光平均波长，因此这种传统的通过用滤波器100稳定光源波长来达到接收端光信号平均波长稳定的方法存在重大缺陷；并且ASE光二次经过耦合器110时损失了3/4的光能量。为了克服以上问题，本发明的拟提供可以精确控制光信号接收端光平均波长的高精度光纤陀螺仪，从而达到稳定陀螺刻度因数的目的，并极大减少光能量损失从而有效提高陀螺的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中高精度光纤陀螺仪在宽的工作温度范围接收端光平均波长不稳定、从而刻度因数不稳定的问题，提供可以稳定接收端平均光波长即刻度因数稳定、并有效提高陀螺信噪比的高精度光纤陀螺仪。

本发明所采用的具体技术方案如下：一种刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪，包括宽谱光源发生器、第二端口插有滤波片的三端光纤环形器、多功能光学芯片、光纤传感环、光电探测器及信号处理单元；宽谱光源发生器输出光信号至三端光纤环形器的第一端口，三端光纤环形器的第二端口与多功能光学芯片的输入端耦合，多功能光学芯片上集成起偏器、Y型分束器和相位调制器，Y型分束器的两个输出端口与光纤传感环的两个输入端口耦合，三端光纤环形器的第三端口与光电探测器的输入端耦合，光电探测器输出端通过信号处理单元与多功能光学芯片的相位调制器电连接，信号处理单元输出角速度信号。

通过上述技术方案，由泵浦激光器发出的光，经宽谱光源发生器发出自放大发辐射ASE光，输入到带滤波片的特制三端光纤环行器的第一端口，ASE光经过三端光纤环行器内部的双折射和法拉第元件、再经过内部滤波片由三端光纤环行器第二端口输出，光进入多功能铌酸锂集成光学芯片的输入端，芯片上从输入端到输出端依次集成有起偏器、Y型分束器和相位调制器，芯片中的Y型分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环后返回芯片；下光束按反时针方向经过光纤传感环后返回芯片；这二束顺时针光和反时针光由芯片中的Y型分束器合成形成干涉，经芯片输入端返回至特制环行器的第二端口，光在进入特制环行器第二端口内部先经过内部滤波片，再经过内部的法拉第元件和双折射元件，由环行器的第三端口输出，由光电探测器变为电信号，经过信号处理单元生产反馈加到芯片中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的角速度信号。因为光纤陀螺刻度因数与光源的平均波长密切相关，陀螺需要在很宽的温度条件下获得稳定的刻度因数，因此，当ASE光第一次经过特制环行器时，靠近环形器的第二端口的内部滤波片起到稳定输出光源输出平均波长的作用，当ASE光从芯片返回第二次经过环行器时，靠近第二端口的内部滤波片起到了减小了由于芯片和光纤环的波长滤波特性随温度改变导致的平均波长的变化，即再次起到稳定输出光源输出平均波长的作用。二次通过集成有滤波片的环形器将ASE光谱整形成高斯谱，有效提高陀螺的零偏稳定性。并且，因为无需二次经过耦合器损失3/4能量，采用三端光纤环行器在理论上还可以增加四倍光接收功率。因此，可以提供精确控制光信号接收端光平均波长的高精度光纤陀螺仪，从而达到稳定陀螺刻度因数的目的，提高信噪比。

进一步的，宽谱光源发生器包括依次耦合的泵浦激光器、波分复用耦合器和有源光纤，光信号从波分复用耦合器输出至三端光纤环形器的第一端口。

进一步的，有源光纤尾端设置法拉第反射镜或普通反射镜。法拉第反射镜或普通反射镜反射起始处的光，提高ASE光的输出效率。

进一步的，宽谱光源发生器包括依次耦合的泵浦激光器、波分复用耦合器和有源光纤，光信号从有源光纤输出至三端光纤环形器的第一端口。

进一步的，波分复用耦合器自由端设置法拉第反射镜或普通反射镜。法拉第反射镜或普通反射镜反射起始处的光，提高ASE光的输出效率。

进一步的，三端光纤环形器的第二端口通过保偏光纤与多功能光学芯片的输入端耦合。采用保偏光纤，减低了陀螺各部件偏振依赖损耗的影响。

进一步的，第二端口插有滤波片的三端光纤环形器用一个独立的环形器加一个独立的滤波器来代替，独立滤波器连接在独立环形器第二端口与多功能学芯片之间。

进一步的，第二端口插有滤波片的三端光纤环形器用一个隔离器、一个耦合器加一个滤波器来代替，隔离器连接在宽谱光源发生器与耦合器之间，滤波器连接在耦合器第一输出端口与多功能芯片之间，耦合器的第二输出端口与光电探测器的输入端耦合。

本发明的有益效果为：由于光束两次通过集成有滤波片的三端光纤环行器，有效降低了光信号接收端光谱分布随温度的变化，稳定了陀螺的刻度因数，并将光谱整形成高斯谱，提供了陀螺的零偏稳定性，同时增大了光接收功率，提高了陀螺信噪比。

附图说明

图1是实施例一的刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪结构示意图；

图2是实施例二的刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪结构示意图；

图3和图4是二种传统的高精度光纤陀螺仪。

图中，1、泵浦激光器；2、波分复用耦合器；3、有源光纤；4、三端光纤环形器；4-1、第一端口；4-2、第二端口；4-3、第三端口；4-4、滤波片；5、多功能光学芯片；6、光纤传感环；7、光电探测器；8、信号处理单元；10、泵浦激光器；20、波分复用耦合器；20-1、反射镜；30、有源光纤；50、芯片；60、光纤传感环；70、光电探测器；80、信号处理单元；90、隔离器；100、滤波器；110、耦合器。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种刻度因数稳定的高精度光纤陀螺仪，包括宽谱光源发生器、第二端口4-2插有滤波片4-4的三端光纤环形器4、多功能光学芯片5、光纤传感环6、光电探测器7及信号处理单元8组成。其中三端光纤环行器中有第一端口4-1、第二端口4-2和第三端口4-3，第二端口4-2插有滤波片4-4(处于第二端口4-2一侧)。宽谱光源发生器输出光信号至三端光纤环形器4的第一端口4-1，三端光纤环形器4的第二端口4-2与多功能光学芯片5的输入端耦合，多功能光学芯片5上集成起偏器、Y型分束器和相位调制器，Y型分束器的两个输出端口与光纤传感环6的两个输入端口耦合，三端光纤环形器的第三端口4-3与光电探测器7的输入端耦合；光电探测器7输出端输入到信号处理单元8，信号处理单元8的调制与反馈信号的叠加与多功能光学芯片5的相位调制器电连接，信号处理单元8输出角速度信号。三端光纤环形器4的第二端口4-2采用保偏光纤与多功能光学芯片5的输入端耦合。

参见图1，宽谱光源发生器包括依次耦合的泵浦激光器1、波分复用耦合器2和有源光纤3，光信号从波分复用耦合器2输出至三端光纤环形器4的第一端口4-1。有源光纤3尾端可以含有法拉第反射镜或普通反射镜，也可以不含有。由泵浦激光器1发出的光，经波分复用耦合器2激励有源光纤3发出放大自发辐射ASE光；ASE光输入到带滤波片4-4的三端光纤环行器的第一端口4-1，ASE光经过三端光纤环行器内部的双折射和法拉第元件、再经过滤波片4-4由三端光纤环行器的第二端口4-2输出，从而进入多功能光学芯片5的输入端，多功能光学芯片5上集成有起偏器、Y型分束器和相位调制器，多功能光学芯片5中的Y型分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环6后返回多功能光学芯片5；下光束按反时针方向经过光纤传感环6后返回多功能光学芯片5；这二束顺时针光和反时针光由多功能光学芯片5中的Y型分束器合成形成干涉，经多功能光学芯片5输入端返回至特制三端光纤环行器的第二端口4-2，光进入三端光纤环行器第二端口4-2内部先经过内部滤波片4-4，再经过内部的法拉第元件和双折射元件，由三端光纤环行器的第三端口4-3输出，再由光电探测器7变为电信号，经过信号处理单元8生产反馈加到多功能光学芯片5中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的角速度信号。

当ASE光第一次经过特制三端光纤环行器时，靠近第二端口4-2的内部滤波片4-4起到稳定输出光源输出平均波长的作用，当ASE光从波导返回第二次经过特制三端光纤环行器时，靠近第二端口4-2的内部滤波片4-4起到了减小了由于多功能光学芯片5和光纤传感环6的滤波特性随温度改变导致的平均波长的变化，从而稳定了陀螺的刻度因数；二次通过集成有滤波片4-4的三端光纤环形器4将经泵浦激光器1、有源光纤3与波分复用耦合器2耦合输出的ASE光谱整形成高斯谱，有效提高陀螺的零偏稳定性；同时，三端光纤环行器的第二端口4-2输出的光功率比传统方案大数倍(理论上大4倍)，所以本申请的陀螺输出具有更高的信噪比。

可替换地，集成有滤波片4-4的三端光纤环形器4可用一个独立的环形器加一个独立的滤波器来实现同种功能，即第二端口4-2插有滤波片4-4的三端光纤环形器4用一个独立的环形器加一个独立的滤波器来代替，独立滤波器连接在独立环形器第二端口4-2与多功能光学芯片5之间。或用一个隔离器、一个耦合器加一个滤波器来实现同种功能，其中滤波器***在耦合器与多功能芯片之间，即第二端口4-2插有滤波片4-4的三端光纤环形器4用一个隔离器、一个耦合器加一个滤波器来代替，隔离器连接在宽谱光源发生器与耦合器之间，滤波器连接在耦合器第一输出端口与多功能芯片之间，耦合器的第二输出端口与光电探测器7的输入端耦合。

实施例二

参见图2，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中宽谱光源发生器包括依次耦合的泵浦激光器1、波分复用耦合器2和有源光纤，光信号从有源光纤3输出至三端光纤环形器4的第一端口4-1。法拉第反射镜或普通反射镜设在波分复用耦合器2另一端。

下面给出本申请的光纤陀螺仪的应用示例参数：泵浦激光器1采用980nm半导体激光器，波分复用耦合器2采用980/1550nm，有源光纤3采用10米掺铒光纤，三端光纤环行器内部带有滤波片4-4、第二端口4-2是保偏尾纤，且保证光经过滤波片4-4二次后的光谱为高斯分布，多功能光学芯片5采用铌酸锂集成芯片，为1550nm波段器件，光纤传感环6采用1200米保偏光纤绕成平均直径92mm的光纤环，光电探测器7是PIN-FET，信号处理单元8有前置放大器、AD转换器、FPGA芯片和DA转换器等组成，本申请陀螺仪测得24小时的长期零漂为0.001度/小时，刻度因数变化1ppm。