[发明专利]导航级循环干涉型集成光学陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于传感器及人工智能技术领域，特别涉及干涉型集成光学陀螺仪的设计。

背景技术

光学陀螺仪，包括激光陀螺仪(Ring Laser Gyroscope，RLG)和光纤陀螺仪(FiberOptical Gyroscope，FOG)，适用于捷联式惯性导航系统。它们和传统的机电陀螺仪相比较，在小型化、低成本和高可靠性等方面均具有优势，因而发展迅速，逐步替代了机电陀螺仪。

RLG和FOG的发展方向是降低成本和实现小型化。1996年本发明人发表了“小型化谐振型光学角速度传感器的关键技术”论文，提出了研制谐振型集成光学陀螺仪(Integrated Optical Gyroscope，IOG)的方案。该方案采用光波导谐振腔作为赛奈克效应的敏感环(Sagnac Sensing Ring，SSR)，并用两个声光移频器分别实现顺、逆时针方向光波谐振频率的闭环跟踪，它们的拍频信号为IOG的输出。和RLG相比较，该方案在小型化和降低成本方面具有一定的优势，由于采用频率跟踪系统，可以降低对光波导SSR中光学损耗的要求，因而在工程上具有可行性。实现该方案的技术关键为：(1)光源线宽＜100kHz，中心波长的相对误差＜10^-6；(2)为了降低光波导SSR的光学损耗，需要采用硅基片二氧化硅掺杂的光波导结构和工艺；(3)需要采用AOFS作为频率跟踪器件。这些技术关键目前虽可以解决，但成本较高。

另一方面，采用FOG的技术方案可以较容易实现低成本的光学陀螺仪，但要缩短光纤敏感线圈的长度仍未得到很好解决。

发明内容

本发明的目的是为克服上述技术的不足之处，提出一种导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，通过减小赛奈克效应的敏感环中的光学损耗，并采用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)加以补偿，可使光波在SSR中能多次循环，具有SSR长度较短，兼容性好，体积小、低成本和高可靠性的优点。

本发明提出的一种导航级循环干涉型集成光学陀螺仪，包括由超辐射发光二极管及电流源、光探测器、耦合器1、温度探测器、前置放大器及转换器组成的光收发模块，Y-波导电光相位调制模块以及由数模转换器、数字信号处理器及可编程逻辑门阵列组成的闭环控制和信号读出电路模块；其特征在于，还包括由耦合器2、半导体光放大器、赛奈克效应的敏感环组成的赛奈克效应的敏感环模块；各模块的连接关系为：所说的Y-波导电光相位调制模块通过耦合器1、耦合器2分别与所说的光收发模块和赛奈克效应的敏感环模块双向连接，所说的光收发模块中的模转换器分别与该闭环控制和信号读出电路模块中的数字信号处理器及可编程逻辑门阵列相连，该可编程逻辑门阵列通过数模转换器与所说的Y-波导电光相位调制模块相连。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环可采用两根光纤构成，该耦合器可为光纤耦合器，该半导体光放大器可为两端镀高增透膜并带有尾纤的半导体光放大器；该光纤耦合器与半导体光放大器分别通过尾纤与两根光纤连接成为一个环形腔。

所说的赛奈克效应的敏感环模块可采用微光学结构形式；包括：在四边形的四个角各设置一微光学结构的高反射镜M1、M2与M3及一半透半反镜M4构成赛奈克效应的敏感环；在该两反射镜M2与M3之间的光路上设置一个半导体光放大器；以及设置在Y-波导电光相位调制模块的一支光路与M4的反射光路中的高反射镜M5，该M4则位于Y-波导电光相位调制模块的另一支光路中，M4与M5构成耦合器2。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中，该赛奈克效应的敏感环可采用两根光波导构成，该耦合器为光波导耦合器，该半导体光放大器为两端镀高增透膜的半导体光放大器；该光波导耦合器与半导体光放大器分别通过光波导与两根光波导连接成为一个环形腔。

所说的赛奈克效应的敏感环模块中还可设置有温度探测器，该温度探测器与与该可编程逻辑门阵列相连。

本发明的技术特点和效果如下：

1、减小光路损耗

本发明以实现小型化和低成本的IOG为目标。采用集成光学技术制作光收发模块、MIOC和具有SOA的SSR模块。由于避免了通过尾纤互相连结，这种IOG光路系统的光学损耗较小。

2、提高光源输出功率

采用模块化结构和SLD光斑转换等技术，提高耦合效率，增大输出功率。

3、采用光信号的双向SOA，降低SOA的自发辐射噪声，以提高输出信号的信噪比。