[發(fā)明專利]無(wú)源偏置光學(xué)陀螺儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811077400.7
• 申請(qǐng)日: 2018-09-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109099899B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 布蘭特·埃弗雷特·李特爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安奇芯光電科技有限公司
• 主分類號(hào): G01C19/72
• 分類號(hào): G01C19/72
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 鄭麗紅

本發(fā)明涉及一種無(wú)源偏置光學(xué)陀螺儀，解決現(xiàn)有光學(xué)Sagnac陀螺儀系統(tǒng)中含有相位調(diào)制器，使得陀螺儀系統(tǒng)增加了成本、空間和功耗，以及產(chǎn)生噪聲的問(wèn)題。該陀螺儀包括第一功分器、偏振分束器、Sagnac環(huán)路、偏振轉(zhuǎn)換器和光學(xué)混波器；偏振轉(zhuǎn)換器位于環(huán)路兩端之間的中點(diǎn)處；偏振分束器包括第一端口、第二端口和第三端口；光信號(hào)輸入第一功分器被分成兩個(gè)相等的輸出信號(hào)，第一功分器的兩個(gè)輸出信號(hào)分別輸入兩個(gè)偏振分束器的第一端口，并由兩個(gè)偏振分束器的第二端口輸出至Sagnac環(huán)路的兩端，Sagnac環(huán)路內(nèi)的光信號(hào)由偏振轉(zhuǎn)換器改變其偏振態(tài)后，由Sagnac環(huán)路的兩端離開(kāi)，離開(kāi)Sagnac環(huán)路后的光信號(hào)分別輸入偏振分束器的第二端口，并由兩個(gè)偏振分束器的第三端口輸入光學(xué)混波器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，具體涉及一種無(wú)源偏置光學(xué)陀螺儀。

背景技術(shù)

陀螺儀被用于感知旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而光學(xué)陀螺儀則通過(guò)Sagnac效應(yīng)感知旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Sagnac效應(yīng)是指在同一個(gè)閉合環(huán)路中，以相反方向傳輸?shù)膬蓚€(gè)完全相同的光信號(hào)，將經(jīng)歷兩個(gè)不同的相位或時(shí)間延遲，其中延遲的差異與環(huán)路的有效長(zhǎng)度以及環(huán)路平面內(nèi)的角速度成比例的現(xiàn)象。Sagnac光學(xué)陀螺儀是現(xiàn)有最靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器類型之一。

圖1為傳統(tǒng)光學(xué)Sagnac陀螺儀系統(tǒng)基本元件的示意圖，該系統(tǒng)包括一個(gè)光源41，用于提供輸入信號(hào)S，信號(hào)S可以處于兩個(gè)正交偏振態(tài)之一。信號(hào)首先通過(guò)光環(huán)形器42，然后通過(guò)2×2耦合器43。光學(xué)中2×2耦合器具有以下功能，將一個(gè)信號(hào)輸入到2×2耦合器一端的任何一個(gè)端口時(shí)，功率將平均地分配到另一端的各個(gè)端口上。2×2耦合器具有雙向傳輸功能，表示輸入端口和輸出端口可以互換，其響應(yīng)不會(huì)發(fā)生變化。2×2耦合器的輸出信號(hào)被輸入Sagnac環(huán)路44的兩端，兩個(gè)信號(hào)以相反的方向在環(huán)路內(nèi)傳播，以符號(hào)S⁺和S^-來(lái)區(qū)分兩個(gè)信號(hào)的傳播方向。在圖1中，信號(hào)S⁺沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑ィ盘?hào)S^-沿順時(shí)針?lè)较騻鞑ァＭ勇輧x輸出的對(duì)向傳播信號(hào)，以與輸入方向相反的方向再次進(jìn)入2×2耦合器。在輸出方向上，2×2耦合器也可用作“光學(xué)解析器”或“光學(xué)解調(diào)器”，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)到達(dá)2×2耦合器的一端時(shí)，另一端的功率比取決于兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)相位。2×2耦合器的一個(gè)端口輸出信號(hào)So2，另一個(gè)端口的光信號(hào)回到環(huán)形器，作為信號(hào)So1上從環(huán)形器的第三個(gè)端口輸出。傳統(tǒng)光學(xué)Sagnac陀螺儀系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置一個(gè)相位調(diào)制器用以將陀螺儀的運(yùn)行偏置點(diǎn)設(shè)定在響應(yīng)曲線的最佳點(diǎn)，該最佳點(diǎn)通常是具有最大響應(yīng)斜率的點(diǎn)。

圖2A和圖2B為傳統(tǒng)光學(xué)Sagnac陀螺儀兩個(gè)輸出信號(hào)So1和So2的典型響應(yīng)正弦型曲線圖。當(dāng)相位調(diào)制器被關(guān)閉或不存在時(shí)，圖2A和圖2B中的點(diǎn)A表示靜態(tài)(非旋轉(zhuǎn)的)陀螺儀的偏置點(diǎn)。圖2A中的點(diǎn)A位于響應(yīng)曲線的最大點(diǎn)上，圖2B中的點(diǎn)A位于響應(yīng)曲線的最小點(diǎn)上，在這兩種情況下，點(diǎn)A處的瞬時(shí)斜率均為零，這意味著陀螺儀不能測(cè)量出靜態(tài)點(diǎn)附近微小的轉(zhuǎn)動(dòng)變化。

為了以最優(yōu)方式測(cè)量出靜態(tài)點(diǎn)附近微小的轉(zhuǎn)動(dòng)變化，偏置點(diǎn)應(yīng)該位于最大斜率處，如圖2A和2B中所示的點(diǎn)B。傳統(tǒng)的陀螺儀通過(guò)在Sagnac環(huán)路中引入“人為旋轉(zhuǎn)”來(lái)偏置到點(diǎn)B處，即通過(guò)在Sagnac環(huán)路上的增加相位調(diào)制器而實(shí)現(xiàn)，將調(diào)制器不對(duì)稱地放置在環(huán)路中，調(diào)制器更靠近一個(gè)輸入/輸出端口，而遠(yuǎn)離另一個(gè)輸入/輸出端口。調(diào)制器中的路徑長(zhǎng)度和調(diào)制器速度(重復(fù)頻率)決定了偏置點(diǎn)在響應(yīng)曲線上的位置。也就是說(shuō)，若沒(méi)有相位調(diào)制器，在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)(靜態(tài)響應(yīng))的條件下，陀螺儀響應(yīng)處于正弦曲線的最大值或最小值，任何曲線在最大值或最小值時(shí)，斜率均為零。由于陀螺儀用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的變化，因此需要通過(guò)非零斜率檢測(cè)出最小的轉(zhuǎn)速，斜率越大，陀螺儀的靈敏度越高。為了將靜態(tài)偏置點(diǎn)從正弦曲線的零斜率點(diǎn)處移開(kāi)，使用相位調(diào)制器來(lái)引起陀螺儀的人為“旋轉(zhuǎn)”。相位調(diào)制器的路徑長(zhǎng)度和速度可以保證將運(yùn)行時(shí)的偏置點(diǎn)更為有利地沿著響應(yīng)曲線布置在斜率最大的點(diǎn)處。