CN102706340A - 一种干涉式光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明一种干涉式光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、光源端耦合器、环前消偏器、环端耦合器、单模光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与光源端耦合器的第一端口耦合，光源端耦合器的第三端口通过单模光纤与环前消偏器的一端耦合，环前消偏器的另一端通过单模光纤与环端耦合器的第一端口耦合，环端耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与单模光纤环的两个端口耦合，光源端耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。该陀螺仪结构省掉了陀螺仪最小互易结构中的起偏器，通过两个偏振态之间的去相干和干涉光强补偿消除非互易误差，从而大大降低了成本，同时具有较低的噪声和较好的零偏稳定性。

Description

一种干涉式光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪领域，具体说，涉及一种干涉式光纤陀螺仪。

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φS，它与闭合光路的转动角速度Ω成正比：

${\mathrm{\φ}}_S=\frac{4\mathrm{\ωA}}{c^2}\mathrm{\Ω}$ 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φS的表达式为：

${\mathrm{\φ}}_S=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{LD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}$ 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10、光源端耦合器20、起偏器30、环端耦合器40、光纤环50以及光电探测器60。光源端耦合器20和环端耦合器40可以为X型耦合器（即四端口耦合器）或Y型耦合器（即三端口耦合器）。图2示出了X型光源端耦合器20的一个示例性结构。如图2所示，X型光源端耦合器20包括靠得很近的两根光纤（第一光纤21和第二光纤22）。当光波从第一光纤21的一端21a向该光纤的另一端21b传输时，在两根光纤的耦合区，该光波的钟形基模11的渐逝尾部11a延伸到相邻的第二光纤22的纤芯，并在第二光纤22中激发出光学模式，于是，根据所述两根光纤的耦合强度（纤芯-纤芯的距离）和耦合长度，第一光纤21的一端21a的光功率就可以在第一光纤21的另一端21b和第二光纤22的另一端22b之间进行分配，优选地，可以使所述分配比为50:50（即3dB）。同样地，从第一光纤21的另一端21b返回的光波，也可以分光到第一光纤21的一端21a和第二光纤22的一端22a。由此可见，上述耦合器可以实现光束的分束和重新汇合。

当X型耦合器的一个端口为自由端时，它就等效于Y型耦合器。图3a示出了X型耦合器的四个端口，图3b和3c分别示出了合路型Y型耦合器和分路型Y型耦合器的三个端口。下面参考图3a-3c对耦合器的端口进行统一命名以便于指称。

如图3a所示，将X型耦合器中的第一光纤的一端和另一端分别称为该耦合器的第一端口1和第三端口3，将X型耦合器中的第二光纤的一端和另一端分别称为该耦合器的第二端口2和第四端口4。如图3b所示，将合路型Y型耦合器的左端两端口分别称为该耦合器的第一端口1和第二端口2，将合路型Y型耦合器的右端一个端口称为该耦合器的第三端口3。如图3c所示，将分路型Y型耦合器的左端一个端口称为该耦合器的第一端口1，将分路型Y型耦合器的右端两个端口分别称为该耦合器的第三端口3和第四端口4。

再参看图1，光源光束在通过起偏器30后，经环端耦合器40分成CW光和CCW光在光纤环50中传输，该CW光和CCW光在光纤环50中传输后又通过环端耦合器40重新汇合并形成干涉波，该干涉波最后经过光源端耦合器20进入光电探测器60。环端耦合器40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30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。

由于光纤环静止时CW光和CCW光的相位和振幅完全相同，因此干涉光的功率P₀为最大。当光纤环有转动时，干涉光功率P为转动所引起的CW光和CCW光的相位差φ_S的函数P(φ_S)=P₀(1+cosφ_S)。为了获得高灵敏度，应该给φ_S施加一个偏置Δφ，使系统工作在光功率斜率不为零的点附近：P(φ_S)=P₀[1+cos(φ_S+Δφ)]。为此，需要在光纤环50的一端加上相位调制器（例如，PZT相位调制器），以便对光纤环50中传输的CW光和CCW光进行相位调制，从而使其在光纤环50静止时产生相位差Δφ。图4为具有互易性相位调制-解调装置的干涉式光纤陀螺仪。在图4所示的光纤陀螺仪中，除了包括图1所示的最小互易性结构，还包括在光纤环50一端增加的相位调制器70、在光电探测器60一端增加的锁定放大装置80、以及为相位调制器70和锁定放大装置80提供同一调制解调信号的信号发生器90。

干涉式光纤陀螺仪根据其应用需要划分了不同的精度级别，表1示出了各精度级别的技术要求。

表1

其中，零偏稳定性是衡量干涉式光纤陀螺仪精度的最重要技术指标。零偏相关噪声则包括量化噪声、角度随机游走、速率随机游走、速率斜坡等。

如上所述，在光纤陀螺仪中，起偏器或者具有起偏和保偏性能的器件可以消除偏振非互易引起的噪声分量，保证良好的零偏稳定性，但是也造成了成本的提高。此外，采用保偏光纤是保证光纤陀螺结构的偏振互易性的一个有效手段，但在工程应用中，保偏光纤陀螺依然存在成本高、保偏光纤对弯曲敏感对磁场敏感等问题。因此，人们又提出了消偏方案，采用消偏器和单模光纤搭建较低成本的光纤陀螺结构。但是，在现有的保偏光纤陀螺和消偏光纤陀螺中，光纤环之前都要设置起偏器，或者设置有起偏功能的Y波导集成光路，这些都导致了成本的提高。例如以现在的市场价为例，起偏器的价格约为3000元/个，Y波导集成光路的价格约为6000元/个，保偏光纤的价格约为20元/米（而实际陀螺中光纤环的长度为100~2000米），保偏耦合器的价格约为1000~2000元，因此，保偏光纤陀螺的成本要数万元/个，而消偏光纤陀螺由于使用Y波导等器件，成本也要上万/个。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种干涉式光纤陀螺仪，该干涉式光纤陀螺仪具有很低的成本、以及较高的精度和零偏稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种干涉式光纤陀螺仪，其包括宽谱光源、光源端耦合器、环前消偏器、环端耦合器、单模光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与光源端耦合器的第一端口耦合，光源端耦合器的第三端口通过单模光纤与环前消偏器的一端耦合，环前消偏器的另一端通过单模光纤与环端耦合器的第一端口耦合，环端耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与单模光纤环的两个端口耦合，光源端耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。

优选地，所述光源端耦合器和/或所述环端耦合器可以为3dB光纤耦合器。

优选地，在所述单模光纤环中可以插入有PZT相位调制器。

优选地，在上述宽谱光源的输出端可以插入有光源消偏器。进一步优选地，所述光源消偏器可以为保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。特别地，所述两段式Lyot消偏器的段长可以为（L₀，2L₀），其中，L₀=L_d/Δn，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，为所述宽谱光源的去相干长度，λ₀为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。

另外，优选地，在所述环端耦合器的第三端口可以插有第一环内消偏器，和/或在所述环端耦合器的第四端口可以插有第二环内消偏器。进一步优选地，所述环前消偏器、和/或所述第一环内消偏器、和/或所述第二环内消偏器可以为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

优选地，在所述宽谱光源的输出端插入有光源消偏器，在所述环端耦合器的第三端口插有第一环内消偏器，并且在所述环端耦合器的第四端口插有第二环内消偏器。所述光源消偏器、所述环前消偏器、所述第一环内消偏器和所述第二环内消偏器为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。所述光源消偏器的段长为（L₀，2L₀），所述环前消偏器、所述第一环内消偏器和所述第二环内消偏器的段长分别取为{（1L，2L），（4L，8L），（16L，32L）}的一种排列，L₀和L为常数。特别地，长度L满足ΔnL=Δn₀L_SMF+L₀，Δn为制作所述消偏器的保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，Δn₀为所述单模光纤环的双折射晶体的折射率之差，L_SMF为该单模光纤环的光纤长度，以及L₀为所述两段式光源消偏器的第一段长度，并且

${\mathrm{\Δn}}_0=0.25n_{\mathrm{eff}}^2(P_{11}-P_{12})(1+v){\left(\frac{a}{r}\right)}^2=0.0927{\left(\frac{a}{r}\right)}^2$

n_eff为所述单模光纤环中的光纤的等效折射率，P11和P12为所述单模光纤环中的光纤的弹光系数，v为所述单模光纤环中的光纤的泊松系数，a和r分别为所述单模光纤环中的光纤的芯径和所述单模光纤环的弯曲半径。

如上所述，本发明基于偏振误差补偿的原理突破了光纤陀螺最小互易结构的限制，本发明所述的干涉式光纤陀螺仪不需要起偏器和任何保偏器件，大大降低了结构的成本，其结构的成本低于目前市面上所有的光纤陀螺结构。通过光源消偏器、环前消偏器、环内消偏器可以达到良好的非互易误差补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是干涉式光纤陀螺仪的最小互易性结构的示意图；

图2是X型光源端耦合器的一个示例性结构的示意图；

图3a是X型耦合器的四个端口的示意图；

图3b是合路型Y型耦合器的三个端口的示意图；

图3c是分路型Y型耦合器的三个端口的示意图；

图4是具有互易性相位调制-解调装置的干涉式光纤陀螺仪的示意图；

图5是本发明的一个实施例所述的干涉式光纤陀螺仪的结构的示意图；

图6是Lyot消偏器的原理示意图；

图7是由保偏光纤制作的Lyot消偏器的结构示意图；

图8是图5中的干涉式光纤陀螺仪的近似模型结构的示意图；

图9是本发明的另一个实施例所述的干涉式光纤陀螺仪的结构的示意图；

图10是图9中的陀螺仪输出角速度值的时域数据图；以及

图11是图9中的陀螺仪输出角速度数据的误差分析图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。

图5是本发明的一个实施例所述的干涉式光纤陀螺仪的结构的示意图。如图5所示，本发明所述的干涉式光纤陀螺仪包括：宽谱光源10、光源端耦合器20、环前消偏器35、环端耦合器40、单模光纤环50和光电探测器60。宽谱光源10可以采用干涉式光纤陀螺中普遍采用的宽谱光源，例如可以采用ASE宽谱光源，其中心波长为1550nm，谱宽为40nm。宽谱光源10的输出端通过单模光纤与光源端耦合器20的第一端口1耦合。光源端耦合器20可以为X型耦合器或Y型耦合器，优选地，使用分光比为50:50的光纤耦合器，即3dB光纤耦合器。

光源端耦合器20的第三端口3通过单模光纤与环前消偏器35的一端耦合，环前消偏器35的另一端通过单模光纤与环端耦合器40的第一端口1耦合。消偏器是一种将偏振光变为非偏振光的器件，具体说，消偏器用来将一束线偏振光变为强度相同、振动方向相互垂直且互不相干的两束叠加在一起的线偏振光。也就是说，从消偏器出来的光可以等效为分别从两个相互垂直的起偏器滤出的两束线偏振光非相干叠加的结果。消偏器有很多类型，下面简单地说明一下Lyot消偏器的原理。

图6是Lyot消偏器的原理示意图。如图6所示，Lyot消偏器包括两个同种双折射晶体，其厚度分别为L和2L，其主轴x和x’成45°夹角。若该双折射晶体的x轴和y轴之间（也即是x’轴和y’轴之间）的折射率差为Δn，光源的去相干长度L_d小于ΔnL，则光波波列A在通过第一个晶体之后被不均匀地分成两束相互垂直且互不相干的波列B。每束波列B在通过第二块晶体之后再被均匀地分解，最终在输出端形成四个波列C，这些波列在两个偏振方向上的光强相等且互不相干，即形成消偏光。

利用保偏光纤的双折射效应，可以通过两段保偏光纤来制作Lyot消偏器。图7示出了由保偏光纤制作的Lyot消偏器的结构。如图7所示，主轴x和x’成45°角的两段保偏光纤通过熔接形成Lyot消偏器，其消偏机制和双折射晶体的消偏机制完全相同。优选地，本发明中所采用的消偏器都可以是用保偏光纤制作的Lyot消偏器。这种消偏器的成本仅是同长度保偏光纤的成本，远远低于传统光纤陀螺中的起偏器和保偏器件的成本。

再参看图5，环端耦合器40的第三端口3和第四端口4通过单模光纤分别与单模光纤环50的两个端口耦合。环端耦合器40可以为X型耦合器或Y型耦合器，优选地，环端耦合器40的分光比为50:50，即环端耦合器40为3dB光纤耦合器。

本发明的实施例中所使用的单模光纤环50的双折射晶体的折射率之差的表达式如下：

${\mathrm{\Δn}}_0=0.25n_{\mathrm{eff}}^2(P_{11}-P_{12})(1+v){\left(\frac{a}{r}\right)}^2=0.0927{\left(\frac{a}{r}\right)}^2$ 公式（3）

其中，n_eff为石英光纤的等效折射率（n_eff＝0.146），P11和P12为石英的弹光系数（P11=0.12，P12=0.27），v为泊松系数（v=0.16），a为光纤芯径，r为光纤环的弯曲半径。在本实例中，单模光纤环的光纤长度L_SMF=2100m，光纤芯径为a＝1253μm，环的弯曲半径为r=7cm。

另外，光源端耦合器20的第二端口2通过单模光纤与光电探测器60的输入端耦合。优选地，光电探测器60可以采用例如半导体PIN光二极管。

如上所述，本发明利用环前消偏器35代替现有干涉式光纤陀螺仪中的起偏器30，并实现了相位误差的补偿效果（后面将详细描述），因此本发明所述的光纤陀螺仪的成本大大地降低了。

图8是图5中的干涉式光纤陀螺仪的近似模型结构的示意图。其中，环行器351和环行器352使各自所在光路分支中的入射光波和返回光波沿不同路径传输，偏振分/合束器（PBS/C）353的功能为：从左向右实现偏振合束，即从左向右传输的两个光路分支中的入射光波分别被起偏到x轴和y轴并相互叠加后输出；从右向左实现偏振分束，即从右向左传输的返回光波中的x分量由PBS/C 353左端的一个端口（即x轴起偏端口）输出，该光波中的y分量由PBS/C 353左端的另一个端口（即y轴起偏端口）输出。图5中的环前消偏器35的功能就相当于图8中的两路光波通过PBS/C分别起偏到x轴和y轴后叠加起来，但是环前消偏器35没有插损，而PBS/C有插损。图8中的延时线354用来等效环前消偏器35的去相干功能，另外，光电探测器355和光电探测器356的检测结果中都包含非互易误差，但其求和的结果却使误差相互抵消，从而得到低噪声稳定输出，该求和结果等效于图5中的光电探测器60的直接输出结果。实验测试的结果表明，以上的等效模型完全能够模拟实际的光纤陀螺仪，其零偏稳定性都达到了10^-2度/小时的量级，即达到了惯性级和战术级的要求。

环前消偏器35可以产生光强相等且相互独立的两个偏振态，它具有非互易性，但却能通过误差补偿消除非互易性带来的影响。下面通过理论分析来说明这一点。

环前消偏器35的x方向和y方向起偏的两个等效起偏器的琼斯矩阵为：

$P_x=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_1\end{array}\right]$ 公式（4）

$P_y=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_2& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$ 公式（5）

其中，起偏的非理想性等效为消偏器去相干的非理想性。理想时，ε₁=ε₂=0。

进入环前消偏器35的光波的偏振度为d，其取值范围为﹣1~1。d=﹣1表示y方向线偏振，d=0表示x方向和y方向的振幅等大小，d=1表示x方向线偏振。此时输入光波的归一化幅度为

$E_{\mathrm{IN}}=\left[\begin{array}{c}\sqrt{(1+d)/2}\\ \sqrt{(1-d)/2}\end{array}\right]$ 公式（6）

用符号T_cw表示顺时针传输的光波穿过环前耦合器35的总的传输矩阵，用符号T_ccw表示逆时针传输的光波穿过环前耦合器35的总的传输矩阵，则有：

$T_{\mathrm{cw}}=\left[\begin{array}{cc}{C}_1& -C_2\\ C_3& C_4\end{array}\right]$ 公式（7）

$T_{\mathrm{ccw}}=\left[\begin{array}{cc}{C}_1& -C_3\\ C_2& C_4\end{array}\right]$ 公式（8）

上述传输矩阵的各个矩阵元具有如下关系：

＜C₁C₂ ^*＞＝＜C₃C₄ ^*＞≠＜C₁C₃ ^*＞＝＜C₂C₄ ^*＞    公式(9)

|C₁C₂|＝|C₃C₄|≠|C₁C₃|＝|C₂C₄|                公式(10)

φ₁₂＝φ₃₄≠φ₁₃＝φ₂₄，φ₂₃≠O               公式(11)

其中，φ₁₂、φ₃₄、φ₁₃、φ₂₄、φ₂₃分别为＜C₁C₂ ^*＞的相位、＜C₃C₄ ^*＞的相位、＜C₁C₃ ^*＞的相位、＜C₂C₄ ^*＞的相位、＜C₂C₃ ^*＞的相位。由此可以计算出x方向偏振的入射波和x方向偏振的返回波形成的干涉光波：

$E_{\mathrm{CWx}}+E_{\mathrm{CCWx}}=P_x{T}_{\mathrm{cw}}{P}_x{E}_{\mathrm{IN}}{e}^{{\mathrm{i\φ}}_S}+P_x{T}_{\mathrm{ccw}}{P}_x{E}_{\mathrm{IN}}$ 公式(12)

进一步可以得到x方向偏振的入射波和x方向偏振的返回波形成的干涉波的光强I_xx=|E_CWx+E_CCWx|²，舍去其中与相位无关的直流分量以及高阶小量，只保留与干涉相关的分量后得到：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xx}}=2{\left|C_1\right|}^2(1+d){\cos \mathrm{\φ}}_S+{2\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\left[\right|C_1{C}_3|(-{\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{13}+{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{13})\\ +\left|C_2{C}_1\right|(-{\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{12}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{12})]\end{array}$ 公式(13)

同理，可以得到y方向偏振的入射波和x方向偏振的返回波(这是非互易的成分，会带来较大误差)的与干涉相关的光强分量为：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{yx}}=2(1-d)\left|C_2{C}_3\right|({\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{23}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{23})+2{\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\left[\right|C_1{C}_3|(-{\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{13}\\ +{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{13})+|C_2{C}_1\left|(-{\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{12}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{12})\right]\end{array}$ 公式(14)

类似地，y方向偏振的入射波和y方向偏振的返回波的与干涉相关的光强分量以及x方向偏振的入射波和y方向偏振的返回波(这是非互易的成分，会带来较大误差)的与干涉相关的光强分量分别为：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{yy}}=2{\left|C_4\right|}^2(1-d){\cos \mathrm{\φ}}_S+{2\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\left[\right|C_4{C}_2|({\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{24}+{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{24})\\ +\left|C_3{C}_4\right|(-{\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{34}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{34})]\end{array}$ 公式(15)

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}=2(1+d)\left|C_3{C}_2\right|({\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{23}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{23})+2{\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\left[\right|C_4{C}_2|({\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{24}\\ +{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{24})+|C_3{C}_4\left|({\cos \mathrm{\φ}}_S{\cos \mathrm{\φ}}_{34}-{\sin \mathrm{\φ}}_S{\sin \mathrm{\φ}}_{34})\right]\end{array}$ 公式(16)

最终，四个成分I_xx、I_yx、I_xy和I_yy叠加后得到的干涉光总光强的形式可以表示为直流分量(DC)加上干涉相关分量：

DC+qcosφ_S+psinφ_S=DC+cos(φ_S-φ_err)    公式(17)

偏振非互易性引入的误差为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{err}}=\arctan \left(\frac{p}{q}\right)$ 公式（18）

其中，p=p_x+p_y；q=q_x+q_y

$P_x=-2(1-d)\left|C_2{C}_3\right|{\sin \mathrm{\φ}}_{23}+{2\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\left(\right|C_1{C}_3|{\sin \mathrm{\φ}}_{13}-|C_1{C}_2\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{12}\right)$ 公式（19）

$+{2\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\left[\right|C_1{C}_3|{\sin \mathrm{\φ}}_{13}-|C_1{C}_2\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{12}\right)]$

$P_y=2(1+d)\left|C_3{C}_2\right|{\sin \mathrm{\φ}}_{23}+{2\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\left(\right|C_2{C}_4|{\sin \mathrm{\φ}}_{24}-|C_3{C}_4\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{34}\right)$ 公式（20）

$+{2\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\left(\right|C_2{C}_4|{\sin \mathrm{\φ}}_{24}-|C_3{C}_4\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{34}\right)$

$q_x=2\left|{C_1|}^2(1+d){-2\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\right[\left(\right|C_1{C}_3|{\sin \mathrm{\φ}}_{13}+|C_2{C}_1\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{12}\right)$ 公式（21）

$+2(1-d)\left|C_2{C}_3\right|{\cos \mathrm{\φ}}_{23}-{2\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\left(\right|C_1{C}_3|{\cos \mathrm{\φ}}_{13}+|C_2{C}_1\left|{\cos \mathrm{\φ}}_{12}\right)$

$q_y=2\left|{C_4|}^2(1-d){+2\mathrm{\ϵ}}_2\sqrt{1-d^2}\right[\left(\right|C_4{C}_2|{\sin \mathrm{\φ}}_{24}+|C_3{C}_4\left|{\sin \mathrm{\φ}}_{34}\right)$ 公式（22）

$+2(1+d)\left|C_2{C}_2\right|{\cos \mathrm{\φ}}_{23}+{2\mathrm{\ϵ}}_1\sqrt{1-d^2}\left(\right|C_4{C}_2|{\cos \mathrm{\φ}}_{24}+|C_3{C}_4\left|{\cos \mathrm{\φ}}_{34}\right)$

显然，p=p_x+p_y越近于零，则误差越小。p_x和p_y的第一项为误差的主要来源，后面的项为误差的一阶小量。根据公式（19）和公式（20）可见，当环前消偏器35的45度角理想时，d=0，第一项的主要误差可以完全抵消，即通过误差补偿的方法消除了非互易性带来的影响。这样，可以省去起偏器和保偏器件，并且可以使用消偏器却能消除非互易性引起的误差。

图9是本发明的另一个实施例所述的干涉式光纤陀螺仪的结构的示意图。如图9所示，本发明所述的干涉式光纤陀螺仪还可以包括插在单模光纤环50内的相位调制器70。相位调制器70的一个例子是PZT相位调制器。相位调制器70有助于提高测量的灵敏度，其原理在前面已有叙述，在这里就不再重复。

另外，如图9所示，本发明所述的干涉式光纤陀螺仪还可以包括：插在宽谱光源10的输出端的光源消偏器36、和/或插在环端耦合器40的第三端口3的第一环内消偏器37、和/或插在环端耦合器40的第四端口4的第二环内消偏器38。

光源消偏器36用于对宽谱光源10进行消偏，换言之，当环前消偏器35的45度角不理想时，可以通过光源消偏器36对宽谱光源10进行消偏以实现d=0。光源消偏器36优选为用保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器，参见图7。该Lyot消偏器的段长记为（L₀，2L₀），第一段长度L₀需要保证ΔnL₀大于等于光源的去相干长度L_d，第二段长度为2L₀。例如，可以有L₀=L_d/Δn，其中，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间（也即是x’轴和y’轴之间）的折射率差，

为宽谱光源10的去相干长度，这里，λ₀为宽谱光源10的中心波长，Δλ为宽谱光源10的谱宽。例如，一个实例中优选地使用了ASE宽谱光源，其中心波长1550nm，谱宽40nm，因此可以计算得到光源的去相干长度为34.3μm，光源消偏器的第一段长度L₀为6.86cm。为了保证消偏效果，可以取L₀=10cm，因此光源消偏器所使用的光纤的总长度为L₀+2L₀=30cm。

第一环内消偏器37和/或第二环内消偏器38的作用是，改变上述传输矩阵中系数C₁、C₂、C₃、C₄，从而降低非互易成分的相干性，即降低干涉时误差的幅度。误差补偿和误差幅度降低互相配合可以实现最好的效果。如果环前消偏器35是完全理想的，那么，即使没有环内消偏器，非互易误差也可以通过补偿的方法完全消除。优选地，环前消偏器35、和/或所述第一环内消偏器37、和/或所述第二环内消偏器38可以为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，在宽谱光源10的输出端插入有光源消偏器36，在环端耦合器40的第三端口3插有第一环内消偏器37，并且在环端耦合器40的第四端口4插有第二环内消偏器38。光源消偏器36、环前消偏器35、第一环内消偏器37和第二环内消偏器38可以为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。光源消偏器36的段长为（L₀，2L₀），L₀为常数。为了保证完全消偏，环前消偏器35、第一环内消偏器37和第二环内消偏器38这三个消偏器中的六段保偏光纤的长度需要满足长度倍增的关系。优选地，所述三个消偏器的段长分别为{（1L，2L）、（4L，8L）、（16L，32L）}的一种排列，其中，L为常数。也就是说，这三个消偏器的段长可以分别为（1L，2L），（4L，8L），（16L，32L），并且这三个消偏器的位置可以两两互换。

在上述的实施例中，长度L需要保证ΔnL能完全抵消单模光纤环50中的寄生双折射，即有：ΔnL≥Δn₀L_SMF+L₀，例如，ΔnL=Δn₀L_SMF+L₀，其中，Δn为制作所述消偏器所使用的保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间（也即是x’轴和y’轴之间）的折射率差，Δn₀为单模光纤环50的双折射晶体的折射率之差，由公式（3）计算，L_SMF为单模光纤环50的长度，L₀为光源消偏器36的第一段长度。例如，在一个实例中，单模光纤环50的长度L_SMF=2100m，芯径为1253μm，环的弯曲半径为7cm，由此计算得到长度L=1.25+0.1=1.35m。为了保证消偏效果，可以采用L=1.5m。这样环前消偏器35，第一环内消偏器37，第二环内消偏器38的光纤总长度分别为L+2L=4.5m，4L+8L=18m，16L+32L=72m。对于更短的光纤环长L_SMF，所述消偏器的光纤总长度近似地成比例降低。

图10示出了图9中的陀螺仪的输出角速度值的时域数据图。其中，实验测量对象是地球自转角速度，在实验室维度（北纬40.0度）的水平面上，待测的理论值为9.67度/小时，数据输出间隔约为0.118秒，测试时间长度1小时。可见数据输出稳定，游走和漂移都很很小。

图11示出了图9中陀螺仪的输出角速度数据的误差分析图。根据此图，所得到陀螺的误差参数为：量化噪声系数Q=8.6×10^-8rad，角度随机游走

零偏稳定性B=2.1×10^-2°/h，速率随机游走K=4.9×10^-2°/h^3/2，速率斜坡B=4.5×10^-1°/h²。

在传统的保偏陀螺和消偏陀螺中，如果去掉起偏器，其零偏不稳定性会达到几十~上百°/h。对于本发明的所述的全消偏型干涉式光纤陀螺仪，可以根据前面理论合理地设计四个Lyot消偏器的参数，从而近乎完美地补偿非互易问题导致的噪声和漂移，其结果和有起偏器的陀螺结构相当。此外，由于消偏光中几乎不含有圆偏振分量，法拉第效应会大大降低。由于法拉第效应导致的漂移会大大降低，因此，本发明相对于保偏结构具有额外的优势。

对于本发明提供的全消偏型干涉式光纤陀螺仪，四个消偏器所使用保偏光纤长度总共只需几十米，单模光纤耦合器的价格低于50元/个，单模光纤价格约0.2元/米，若加上光源和探测器，本发明所述的陀螺仪的成本总共约在3000~5000元/个。这相对于市场上现有的光纤陀螺来说，成本大大降低了。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种干涉式光纤陀螺仪，包括宽谱光源、光源端耦合器、环前消偏器、环端耦合器、单模光纤环、以及光电探测器，其中，宽谱光源的输出端通过单模光纤与光源端耦合器的第一端口耦合，光源端耦合器的第三端口通过单模光纤与环前消偏器的一端耦合，环前消偏器的另一端通过单模光纤与环端耦合器的第一端口耦合，环端耦合器的第三端口和第四端口通过单模光纤分别与单模光纤环的两个端口耦合，光源端耦合器的第二端口通过单模光纤与光电探测器的输入端耦合。

2.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，所述光源端耦合器和/或所述环端耦合器为3dB光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，在所述单模光纤环中插入有PZT相位调制器。

4.根据权利要求1或3所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，在所述宽谱光源的输出端插入有光源消偏器。

5.根据权利要求4所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，所述光源消偏器为保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

6.根据权利要求5所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，所述两段式Lyot消偏器的段长为（L₀，2L₀），其中，L₀=L_d/Δn，Δn为该保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，为所述宽谱光源的去相干长度，λ₀为所述宽谱光源的中心波长，Δλ为所述宽谱光源的谱宽。

7.根据权利要求1或3所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，在所述环端耦合器的第三端口插有第一环内消偏器，和/或在所述环端耦合器的第四端口插有第二环内消偏器。

8.根据权利要求7所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，所述环前消偏器、和/或所述第一环内消偏器、和/或所述第二环内消偏器为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器。

9.根据权利要求1或3所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，在所述宽谱光源的输出端插入有光源消偏器，在所述环端耦合器的第三端口插有第一环内消偏器，并且在所述环端耦合器的第四端口插有第二环内消偏器；所述光源消偏器、所述环前消偏器、所述第一环内消偏器和所述第二环内消偏器为由保偏光纤制作的两段式Lyot消偏器；以及所述光源消偏器的段长为（L₀，2L₀），所述环前消偏器、所述第一环内消偏器和所述第二环内消偏器的段长分别取为{（1L，2L），（4L，8L），（16L，32L）}的一种排列，其中，L₀和L为常数。

10.根据权利要求9所述的干涉式光纤陀螺仪，其中，长度L满足ΔnL=Δn₀L_SMF+L₀，Δn为制作所述消偏器所使用的保偏光纤的双折射晶体的x轴和y轴之间或x’轴和y’轴之间的折射率差，Δn₀为所述单模光纤环的双折射晶体的折射率之差，L_SMF为所述单模光纤环的光纤长度，以及L₀为所述两段式光源消偏器的第一段长度，并且

${\mathrm{\Δn}}_0=0.25n_{\mathrm{eff}}^2(P_{11}-P_{12})(1+v){\left(\frac{a}{r}\right)}^2=0.0927{\left(\frac{a}{r}\right)}^2$

n_eff为所述单模光纤环中的光纤的等效折射率，P11和P12为所述单模光纤环中的光纤的弹光系数，v为所述单模光纤环中的光纤的泊松系数，a和r分别为所述单模光纤环中的光纤的芯径和所述单模光纤环的弯曲半径。

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