一种短环光纤陀螺仪

1.一种短环光纤陀螺仪，包括宽谱光源、第一耦合器、Y波导、第二耦合器、第三耦合器、光纤环、探测器，其特征在于：宽谱光源与第一耦合器一端的输入端口连接，探测器与第一耦合器一端的输出端口连接，第一耦合器另一端的一个端口与Y波导的单端端口连接；Y波导的双端端口中的一个端口与第二耦合器一端的一个端口连接，Y波导的双端端口中的另一个端口与第三耦合器一端的一个端口连接，第二耦合器一端的另一个端口与第三耦合器一端的另一个端口连接；第二耦合器另一端的一个端口与光纤环的一端连接，第三耦合器另一端的一个端口与光纤环的另一端连接，第二耦合器、第三耦合器和光纤环构成组合光纤环；第一耦合器另一端的另一个端口、第二耦合器另一端的另一个端口、第三耦合器另一端的另一个端口的光纤打结；
所述的第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器为宽带耦合器，采用方向耦合器或波导耦合器，其中第一耦合器的耦合比为50∶50，第二耦合器、第三耦合器的耦合比为
1∶n-1，n为光在组合光纤环中绕的圈数，n≥2；所述的光纤环的光纤长度为100～1000米。

一种短环光纤陀螺仪\n技术领域\n[0001] 本发明涉及光纤陀螺仪，特别是一种采用中低精度几百米的光纤环长和特殊的光学系统达到中高精度指标的短环光纤陀螺仪的设计，属于光纤传感技术领域。\n[0002] 技术背景\n[0003] 光纤陀螺仪作为新一代惯性导航系统的关键角度传感器，因其无可比拟的抗冲击、抗干扰、高精度、大动态而备受关注，发展迅速。其应用范围越来越广泛，精度越来越高。\n常规增加光纤陀螺精度的方法是增加光纤环的长度，随着环长的增大，陀螺的动态范围受到极大的限制，带宽也随之下降。更为重要的是环长到1公里以上后，光纤环的绕制将变得复杂而耗时，并且由于绕制缺陷产生的非互易性将成倍放大陀螺对诸如温度、振动等环境敏感度，从而产生严重的环境适应性问题。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种短环光纤陀螺仪，有效解决了常规高精度光纤陀螺的制作复杂和环境敏感性问题。\n[0005] 本发明包括宽谱光源、第一耦合器、Y波导、第二耦合器、第三耦合器、光纤环、探测器。宽谱光源与第一耦合器一端的输入端口连接，探测器与第一耦合器一端的输出端口连接，第一耦合器另一端的一个端口与Y波导的单端端口连接。Y波导的双端端口中的一个端口与第二耦合器一端的一个端口连接，Y波导的双端端口中的另一个端口与第三耦合器一端的一个端口连接，第二耦合器一端的另一个端口与第三耦合器一端的另一个端口连接。\n第二耦合器另一端的一个端口与光纤环的一端连接，第三耦合器另一端的一个端口与光纤环的另一端连接，第二耦合器、第三耦合器和光纤环构成组合光纤环。第一耦合器另一端的另一个端口、第二耦合器另一端的另一个端口、第三耦合器另一端的另一个端口的光纤打结。\n[0006] 所述的第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器为宽带耦合器，采用方向耦合器或波导耦合器，其中第一耦合器的耦合比为50∶50，第二耦合器、第三耦合器的耦合比为\n1∶n-1(n为光在组合光纤环中绕的圈数，按照所需精度要求设定，n≥2)；光纤环的光纤长度为100～1000米。\n[0007] 本发明采用中低精度几百米的光纤环长，采用特殊的光学系统达到上千米中高精度的指标。有效提高了常规高精度光纤陀螺的制作复杂和环境敏感性问题。虽然在本发明中，光在组合光纤环中传播时损耗较大，光每经过一次第二耦合器和第三耦合器都会损耗掉一部分能量，但是目前探测器已经能探测到μW量级的信号，只需要光源为mW量级就可以了，目前mW量级的光源已经比较容易获得，这样以能量的损耗换取陀螺的高精度是可行而且值得的。\n[0008] 本发明相比常规光纤陀螺仪，其具有更大的动态范围和带宽，更为重要的是，光纤环的绕制将变得简单而且省时，大大降低了由于环的绕制缺陷产生的非互易性相差，提高了陀螺对诸如温度、振动等环境的适应性。\n附图说明\n[0009] 图1是本发明的结构示意图；\n[0010] 图2是具体实施例中一条具体光路图；\n[0011] 图3是具体实施例中另一条具体光路图。\n[0012] 具体实施方法\n[0013] 如图1所示，一种短环光纤陀螺仪包括宽谱光源1、第一耦合器2、Y波导3、第二耦合器4、第三耦合器5、光纤环6、探测器7。\n[0014] 宽谱光源1与第一耦合器2一端的输入端口2-1连接，探测器7与第一耦合器2一端的输出端口2-2连接，第一耦合器2另一端的一个端口2-3与Y波导3的单端端口连接。Y波导3的双端端口中的一个端口与第二耦合器4一端的一个端口4-1连接，Y波导3的双端端口中的另一个端口与第三耦合器5一端的一个端口5-1连接，第二耦合器4一端的另一个端口4-2与第三耦合器5一端的另一个端口5-2连接。第二耦合器4另一端的一个端口4-3与光纤环6的一端连接，第三耦合器5另一端的一个端口5-3与光纤环6的另一端连接，第二耦合器4、第三耦合器5和光纤环6构成组合光纤环。第一耦合器2另一端的另一个端口2-4、第二耦合器4另一端的另一个端口4-4、第三耦合器5另一端的另一个端口5-4的光纤打结，让光损耗掉。\n[0015] 该光纤陀螺仪中，第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器为宽带耦合器，采用方向耦合器或波导耦合器，其中第一耦合器的耦合比为50∶50，第二耦合器、第三耦合器的耦合比为1∶n-1(n为光在组合光纤环中绕的圈数，按照所需精度要求设定，n≥2)；光纤环的光纤长度为100～1000米。\n[0016] 由宽谱光源1发出的宽谱光经第一耦合器2的端口2-1输入第一耦合器2，经第一耦合器2的端口2-3输入Y波导3，由Y波导3分束后的两束光分别进入第二耦合器4的端口4-1和第三耦合器5的端口5-1；由端口4-1输入第二耦合器4的光经端口4-3输入光纤环6，由端口5-3输入第三耦合器5后由端口5-2输入到端口4-2，再经端口4-3输入光纤环6，如此在环内绕n圈后由端口5-1输出；由端口5-1输入第三耦合器5的光经端口5-3输入光纤环6，由端口4-3输入第二耦合器4，由端口4-2输入到端口5-2，再经端口5-3输入光纤环6，如此在环内绕n圈后由端口4-1输出；由端口4-1输出的光和由端口5-1输出的光经Y波导3后产生干涉信号经第一耦合器2的端口2-3后由端口2-2进入探测器7。\n[0017] 如图2和3所示，以光在光纤环中绕两圈为例，图2为其中一路光的传播光路图，进入第二耦合器4的光经光路①进入光纤环6的一端，由光纤环6的另一端输入第三耦合器5，经光路②进入第二耦合器4，经光路③由第二耦合器4输入光纤环6，由光纤环6的另一端输入第三耦合器5，经光路④由第三耦合器5输出。图3为另一路光的传播光路图，进入第三耦合器5的光经光路⑤进入环形线圈6的一端，由环形线圈6的另一端输入第二耦合器4，经光路⑥进入第三耦合器5，经光路⑦由第三耦合器5输入光纤环6，由光纤环6的另一端输入第二耦合器4，经光路⑧由第二耦合器4输出。设进入第二耦合器4的光强为\n1，从第二耦合器4的传输臂和耦合臂输出的光强分别为a、1-a，由对称性，第二耦合器4与\n2\n第三耦合器5的耦合比相同，则光在光纤环中绕一圈后从第三耦合器5输出的光强为a，绕两圈后从第三耦合器输出的光强为：\n[0018] f(a)＝a2(1-a)2\n[0019] 求导得：\n[0020] f’(a)＝a(1-a)(1-2a)\n[0021] 令f’(a)＝0得：\n[0022] a＝0或a＝1或a＝1/2\n[0023] 分析得a＝1/2为极大值，则最佳耦合比为a∶(1-a)＝1∶1，即50∶50。\n[0024] 光在光纤环中绕两圈时调制信号的周期为T＝4τ，τ为光在光纤环中绕一圈的时间。