宽谱光源驱动的腔内偏振轴90°旋转熔接的谐振式光纤陀螺仪

本发明属于陀螺仪光路系统设计以及应用领域，具体涉及一种宽谱光源驱动的腔内偏振轴90°旋转熔接的谐振式光纤陀螺仪。

背景技术：

1、基于sagnac效应的谐振式光学陀螺利用谐振腔来增强sagnac效应，能够以较小的体积实现较高的精度，在小型化上具备独特优势。然而，传统经典谐振式光纤陀螺采用窄线宽激光器作为驱动光源，使得陀螺实际精度严重受到光源相干性有关的噪声制约。近年来提出的宽谱光源驱动的谐振式光纤陀螺仪，采用低相干的宽谱光源，可以从源头上大大降低和光源相干性有关的噪声影响；然而，宽谱光源不可避免地引入了相对强度噪声，严重制约了陀螺灵敏度的进一步提升。为有效抑制该噪声，通常需结合谐振腔的滤波特性，将相位调制频率提升至谐振腔自由谱区的一半，即调制周期恰为腔体往返时间的两倍。这一高频调制策略虽能抑制噪声，却导致在腔内循环偶数次的光束所累积的干涉相位差相互抵消。因此，源自偶次干涉的光分量无法产生携带转动信息的有效谐波信号，仅转化为直流背景光，进而大幅恶化了检测系统的信噪比；此外，空余直通端的存在导致光功率利用率低，造成了极大的能量损耗，对陀螺仪的工程化应用提出了极大的挑战。由此可见，在宽谱光源驱动架构下，如何克服高频调制引入的系统信噪比劣化以及提高光源利用率，已成为当前亟待解决的关键技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提出了一种宽谱光源驱动的腔内偏振轴90°旋转熔接的谐振式光纤陀螺仪。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明公开了一种宽谱光源驱动的腔内偏振轴90°旋转熔接的谐振式光纤陀螺仪，包括宽谱光源、环形器、推挽式y波导、腔内偏振轴90度旋转熔接的透射式谐振腔、光电探测器、调制解调模块和低通滤波模块；所述透射式谐振腔包括第一耦合器、第二耦合器和光纤环；

4、宽谱光源、环形器和推挽式y波导顺次相连，推挽式y波导的两个输出端口分别与第一耦合器的第一端口和第二耦合器的第四端口连接；第一耦合器的第三端口与第二耦合器的第二端口分别与光纤环的两端以0度对准熔接，第一耦合器的第二端口与第二耦合器的第三端口、第一耦合器的第四端口与第二耦合器的第一端口均以偏振轴旋转90度的方式熔接，以将经耦合器端口输出的光重新引入腔内循环，并使腔内循环奇数次的光波与腔内循环偶数次的光波形成不同偏振态；

5、环形器还与光电探测器相连，光电探测器与调制解调模块连接，调制解调模块分别与推挽式y波导和低通滤波模块连接，低通滤波模块用于输出陀螺输出；调制解调模块用于向推挽式y波导输出相位调制电压信号和偏置调制电压信号，以调整谐振式光纤陀螺仪的工作偏置点，抑制光功率相关噪声。

6、进一步地，所述偏置调制电压信号为锯齿波电压信号，锯齿波电压信号的幅度为推挽式y波导的半波电压，锯齿波电压信号的频率为透射式谐振腔的自由谱线宽度的一半。

7、进一步地，所述相位调制电压信号为正弦电压信号。

8、进一步地，所述环形器为保偏光纤环形器，且环形器的第二端口与推挽式y波导的输入端为0度对准熔接。

9、第二方面，本发明还公开了一种基于所述陀螺仪的运动系统角速度检测方法，包括以下步骤：

10、将所述谐振式光纤陀螺仪装载在待进行角速度检测的运动系统上；

11、宽谱光源输出宽谱光，宽谱光经环形器进入推挽式y波导；推挽式y波导将宽谱光分成顺时针方向和逆时针方向两路光，并分别耦合进入透射式谐振腔；两路光在透射式谐振腔内循环传播，且经偏振轴90度旋转熔接点后发生偏振态旋转，使腔内循环奇数次的光波与腔内循环偶数次的光波形成不同偏振态，并返回具有不同偏振态的光至推挽式y波导，推挽式y波导滤除偏振方向与其工作轴垂直的光，并使保留的光汇合形成干涉；汇合后的光经环形器输出至光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号并输出至调制解调模块；

12、调制解调模块对电信号进行解调并输出至低通滤波模块，低通滤波模块输出滤波结果至数据记录仪，作为谐振式光学陀螺仪的陀螺输出；最后，根据陀螺输出获得所述运动系统的角速度；其中，调制解调模块还向推挽式y波导输出相位调制电压信号和偏置调制电压信号，以调整光纤陀螺仪的工作偏置点并抑制光功率相关噪声。

13、与现有技术相比，本发明具有的有益效果有：

14、本发明采用保偏光纤构成的腔内偏振轴90°旋转熔接的透射式谐振腔，并将经过光纤环奇数次与偶数次的光波进行了偏振态隔离，因此能够克服宽谱光源驱动的谐振式光纤陀螺仪在高频调制下无用光功率混入有效探测信号的问题；同时，利用推挽式y波导的高偏振抑制比特性，对偏振方向与其工作轴垂直的无用光分量进行截止和衰减，有效解决了高频调制带来的无用光功率问题，显著降低了宽谱光源驱动谐振式光纤陀螺仪中的光强依赖噪声，大幅提升了系统的信噪比，提高有效信号在输出光中的占比，从而有效提高了陀螺仪的实际探测精度。

15、本发明采用腔内偏振轴90°旋转熔接的透射式谐振腔，将耦合器直通端（本系统内为第一耦合器的第二端口、第二耦合器的第三端口）的消耗光通过熔接重新引入谐振腔内进行循环，因此能够克服传统透射式谐振腔中部分光从直通端损耗、光源利用率较低的问题；同时，由于该熔接点采用偏振轴90°旋转熔接的方式，重新引入的光能够在偏振态上与不携带转动相位信息的直流背景光相区分，可防止不携带转动相位信息的直流背景光的额外引入，大大增加了光源的利用率。

16、本发明对透射式谐振腔的光路结构进行非对称设计，将光纤环配置于光束首圈循环传输的路径上，并将偏振轴90度旋转熔接点设置于首圈未途径的支路，因此能够克服首圈循环光因过早发生偏振态旋转而导致旋转相位信息损失的问题；由于谐振腔内绕行首圈的光波对旋转相位信息的提取贡献较大，该结构能够更充分地保留角速度信息，提高系统内有效探测信号的能量占比。

17、本发明在相位调制的基础上进一步引入偏置调制技术，通过调制解调模块向推挽式y波导施加偏置调制电压信号，以精准调控谐振式光纤陀螺仪的工作偏置点，因此能够克服宽谱光源驱动系统中直流背景光对解调信号干扰较大的问题；结合谐振腔的谐振特性，该偏置调制使系统工作在直流背景光较低且有效信号仍然较高的工作区域，大幅度降低了直流背景光的干扰，进一步抑制了光功率依赖噪声，从而显著提升了系统的信噪比。

18、本发明利用宽谱光源作为驱动光源，相较于采用窄线宽激光器的谐振式光纤陀螺仪，能够降低由高相干光源引起的瑞利背向散射、非线性克尔效应等相干寄生噪声；本发明采用宽谱光源在此基础上，结合腔内偏振轴90度旋转熔接的透射式谐振腔和偏置调制技术，能够同时兼顾低相干噪声、低无用背景光和较高光源利用率，从而提高谐振式光纤陀螺仪的稳定性和实际探测精度，有效的减小了系统中的光学寄生效应从而极大的提高了系统的稳定性。

1.一种宽谱光源驱动的腔内偏振轴90°旋转熔接的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，包括宽谱光源、环形器、推挽式y波导、腔内偏振轴90度旋转熔接的透射式谐振腔、光电探测器、调制解调模块和低通滤波模块；所述透射式谐振腔包括第一耦合器、第二耦合器和光纤环；

2.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，所述偏置调制电压信号为锯齿波电压信号，锯齿波电压信号的幅度为推挽式y波导的半波电压，锯齿波电压信号的频率为透射式谐振腔的自由谱线宽度的一半。

3.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，所述相位调制电压信号为正弦电压信号。

4.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，所述环形器为保偏光纤环形器，且环形器的第二端口与推挽式y波导的输入端为0度对准熔接。

5.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，推挽式y波导为具有高偏振消光比的推挽式y波导，推挽式y波导的两个输出端分别与第一耦合器的第一端口和第二耦合器的第四端口以0度对准熔接；推挽式y波导的偏振消光比高于30db。

6.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，第一耦合器的第二端口与第二耦合器的第三端口之间熔接形成第一偏振轴90度熔接点，第一耦合器的第四端口与第二耦合器的第一端口之间熔接形成第二偏振轴90度熔接点；第一偏振轴90度熔接点位于经耦合器端口输出的光重新进入腔内循环的路径上，用于增强进入透射式谐振腔内的循环光功率并滤除不携带相位信息的直流背景光；第二偏振轴90度熔接点用于使腔内仅循环一次的光波不经过第一偏振轴90度熔接点。

7.根据权利要求6所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，第二偏振轴90度熔接点设置于透射式谐振腔的左侧支路；光纤环设置于透射式谐振腔的右侧支路，以使对旋转相位信息提取贡献最大的首圈循环光波经过光纤环传输，从而保留角速度信息并提高输出光中有效信号的占比。

8.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，所述宽谱光源与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与推挽式y波导的输入端相连，环形器的第三端口与光电探测器的输入端相连。

9.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，所述透射式谐振腔采用顺、逆时针方向的光信号共用输入、输出端口的透射式对称接法。

10.一种基于权利要求1所述陀螺仪的运动系统角速度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：