阅读说明：本技术 一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置及方法 (Device and method for realizing sensitivity multiplication of fiber-optic gyroscope based on multi-core fiber ) 是由 缪立军 闫景涛 石锦 黄腾超 车双良 舒晓武 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置及方法。宽谱光源发出的光通过光耦合器和Y型多功能集成光学器件分成两路,分别沿着顺时针和逆时针方向从两个扇入扇出模块的扇入端进入多芯光纤环中；在光束完全通过当前纤芯后由扇入扇出模块引导至另一根纤芯并以相同的方向传播,如此多次循环直到两束光经过全部纤芯,由扇出端离开多芯光纤环；数字闭环信号处理电路通过采集和处理光探测器的电信号得到载体转速信息并完成反馈和调制。本发明所述光纤陀螺的有效光路长度为光纤环长的数倍,从而使萨格奈克相移和灵敏度达到倍增效果,同时能够降低光纤环绕制工艺难度和成本。本发明也适用于光纤陀螺小型化设计,具有良好的温度稳定性。(The invention discloses a device and a method for realizing the sensitivity multiplication of a fiber-optic gyroscope based on a multi-core fiber. Light emitted by the wide-spectrum light source is divided into two paths through the optical coupler and the Y-shaped multifunctional integrated optical device, and enters the multi-core optical fiber ring from the fan-in ends of the two fan-in fan-out modules along the clockwise direction and the anticlockwise direction respectively; after the light beams completely pass through the current fiber core, the light beams are guided to the other fiber core by the fan-in fan-out module and spread in the same direction, and the circulation is repeated for a plurality of times until the two light beams pass through all the fiber cores and leave the multi-core fiber ring from the fan-out end; the digital closed-loop signal processing circuit acquires and processes the electric signal of the optical detector to obtain carrier rotating speed information and complete feedback and modulation. The effective optical path length of the fiber-optic gyroscope is several times of the length of the optical fiber ring, so that the Sagnac phase shift and the sensitivity achieve the multiplication effect, and the difficulty and the cost of the winding process of the optical fiber ring can be reduced. The invention is also suitable for the miniaturization design of the fiber-optic gyroscope and has good temperature stability.)

一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体是一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置及方法。

背景技术

光纤陀螺是一种利用萨格奈克效应测量运动载体角速度的全固态惯性仪表。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有体积小、成本低、寿命长、动态范围大、启动时间短等优势，被广泛应用于航空航天姿态控制、航海定向、陆地导航、资源勘探采掘等领域，因此进一步提升光纤陀螺的性能对惯性技术具有重要意义。

对于光纤陀螺而言，增加传感光纤环长度能够累积角速度产生的非互易相位差，从而进一步提高陀螺的灵敏度和精度。但是，光纤长度的增加，不仅意味着更大的体积、成本和绕制难度，还会导致对温度等环境因素的适应性大大降低，限制了陀螺的应用场景。解决这一矛盾的难点是如何在保持光束传播光程的前提下减少光纤长度。

多芯光纤是一种在共同的包层区中存在多个独立纤芯的新型光纤。假设以纤芯数为N的多芯光纤作为光纤陀螺的传感线圈，使正反方向传播的两束光依次通过这N个纤芯，此时对应的有效光程为光纤长度的N倍，即理论上能够以普通光纤长度的1/N达到同样的灵敏度。多芯光纤与其它光纤以及各纤芯之间的连接主要依靠扇入扇出模块，一般采取拉锥工艺实现低插入损耗和芯间串扰耦合，其输出端口与多芯光纤纤芯一一对应。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现阶段光纤陀螺稳定性差、精度低的局限，提供一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置及方法，通过采用多芯光纤与扇入扇出模块，减小光纤环长度与绕制成本，提高光纤陀螺的精度和灵敏度。

一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置，包括宽谱光源、光耦合器、Y型多功能集成光学器件、第一扇入扇出模块、第二扇入扇出模块、多芯光纤环、光探测器、前置放大电路、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；宽谱光源发出的光通过光耦合器后进入Y型多功能集成光学器件分为两路，一路由第一扇入扇出模块的扇入端口以顺时针方向进入多芯光纤环，另一路光由第二扇入扇出模块的扇入端口以逆时针方向进入多芯光纤环，在两束光完全通过当前所在纤芯后由第一扇入扇出模块和第二扇入扇出模块继续引导至下一根纤芯中以相同的方向传播，如此循环多次直到经过全部纤芯，最终通过扇出端口离开多芯光纤环后返回到Y型多功能集成光学器件重新合成一路光，合成后的光经过光耦合器进入光探测器，光探测器将接收到的光信号转换成电信号；

光探测器输出的电信号通过前置放大电路和模数转换器进入数字信号处理器，由数字信号处理器解调出载体转速信息，该信息用于陀螺输出的同时，叠加偏置信号通过数模转换器产生调制电压加载到Y型多功能集成光学器件上的相位调制器中实现闭环反馈和偏置调制。

所述的宽谱光源采用光纤光源，波长为1310nm或1550nm。

所述的Y型多功能集成光学器件为铌酸锂集成光学调制器，由起偏器、相位调制器以及Y波导组成。

所述的第一扇入扇出模块和第二扇入扇出模块用于引导光束进入离开多芯光纤环以及实现对多芯光纤环内多个纤芯之间的连接，沿顺时针和逆时针传输的光信号在环中绕行的圈数相同。

所述的多芯光纤环由多芯保偏光纤采用四级对称绕法绕制而成，多芯光纤在共同的包层区中存在多个独立纤芯，各纤芯之间的串扰低；当多芯光纤环由多芯单模光纤绕制时，需要在装置中第一扇入扇出模块和第二扇入扇出模块前端各添加一个Lyot去偏器。

一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的方法，宽谱光源发出的光通过光耦合器和Y型多功能集成光学器件分成两路，分别沿着顺时针和逆时针方向从两个扇入扇出模块的扇入端进入多芯光纤环中；在光束完全通过当前纤芯后由扇入扇出模块引导至另一根纤芯并以相同的方向传播，如此多次循环直到两束光经过全部纤芯，由扇出端离开多芯光纤环；数字闭环信号处理电路通过采集和处理光探测器的电信号得到载体转速信息并完成反馈和调制。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所采用的光纤环由多芯光纤绕制而成的，纤芯之间通过扇入扇出模块连接，从而使光束在多个纤芯之间有序传输，因此与普通的光纤陀螺相比，能够大幅度提升光路有效长度和灵敏度，或在保持相同的灵敏度下使光纤长度减少数倍。因此，利用多芯光纤能够优化光纤陀螺的体积和成本，降低光纤环绕制的难度以及温度漂移等引起的误差。

附图说明

图1是基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置的一种结构示意图；

其中，宽谱光源1、光耦合器2、Y型多功能集成光学器件3、第一扇入扇出模块4、第二扇入扇出模块5、多芯光纤环6、光探测器7、前置放大电路8、模数转换器9、数字信号处理器10、数模转换器11。

图2是七芯光纤与扇入扇出模块连接示意图。

图3是七芯光纤环两端截面图以及光束进入和离开光纤环方向；

其中，定义光纤两端的端口分别为A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7与B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1，一种基于多芯光纤实现光纤陀螺灵敏度倍增的装置，包括宽谱光源1、光耦合器2、Y型多功能集成光学器件3、第一扇入扇出模块4、第二扇入扇出模块5、多芯光纤环6、光探测器7、前置放大电路8、模数转换器9、数字信号处理器10、数模转换器11。

宽谱光源1发出的光通过光耦合器2后进入Y型多功能集成光学器件3分为两路，一路由第一扇入扇出模块4的扇入端口以顺时针方向进入多芯光纤环6，另一路光由第二扇入扇出模块5的扇入端口以逆时针方向进入多芯光纤环6，在两束光完全通过当前所在纤芯后由第一扇入扇出模块4和第二扇入扇出模块5继续引导至下一根纤芯中以相同的方向传播，如此循环多次直到经过全部纤芯，最终通过扇出端口离开多芯光纤环后返回到Y型多功能集成光学器件3重新合成一路光，合成后的光经过光耦合器2进入光探测器7，光探测器7将接收到的光信号转换成电信号并通过前置放大电路8和模数转换器9进入数字信号处理器10，由数字信号处理器10解调出载体转速信息，该信息用于陀螺输出的同时，叠加偏置信号通过数模转换器11产生调制电压加载到Y型多功能集成光学器件3上的相位调制器中实现闭环反馈和偏置调制。

其中，宽谱光源1采用掺铒超荧光光纤光源，波长为1310nm或1550nm，Y型多功能集成光学器件3为铌酸锂集成光学调制器，由起偏器、相位调制器以及Y波导组成。多芯光纤环6由七芯保偏光纤采用四级对称绕法绕制而成，长200m，相邻纤芯串扰为-50dB/100km，覆盖耐高温涂层。第一扇入扇出模块4和第二扇入扇出模块5用于引导光束进入和离开多芯光纤环6以及实现对多芯光纤环6内纤芯之间的连接，扇入扇出模块与七芯光纤连接示意图如图2。纤芯彼此之间的连接方法可有多种，以图3为例，包括但不限于依次连接A1、B4与Y型多功能集成光学器件3的两路尾纤以及B1与A2，B2与A3,B3与A7，B7与A6，B6与A5，B5与A4，此时顺时针光束依次经过A1，B1，A2，B2，A3，B3，A7，B7，A6，B6，A5，B5，A4，B4（共循环7次），逆时针光束依次经过B4，A4，B5，A5，B6，A6，B7，A7，B3，A3，B2，A2，B1，A1（共循环7次）。两束光的有效光程为光纤自身长度的七倍，且对于同一时刻的顺时针光与逆时针光，所处的纤芯间距离较近，能够进一步减小因纤芯位置不同而由应力等因素引入非互易性相位差的影响。

本发明以多芯光纤作为光纤陀螺的光纤环，通过扇入扇出模块将纤芯彼此连接起来，使光束在多个纤芯之间依次传输，与普通的光纤相比能够成倍提升光路有效长度和灵敏度，或在保持相同的灵敏度下使光纤长度减少数倍。因此，采用多芯光纤能够优化光纤陀螺的体积和成本，降低光纤环绕制的难度，并减少温度等环境因素引入的漂移。

上述实施例对本发明做了具体公开，本领域普通技术人员根据本发明的教导和启示，利用多芯光纤增加光纤陀螺的有效光路长度从而实现灵敏度倍增的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。