[发明专利]谐振式空心光子晶体光纤陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种角速度测量装置，具体地说，是指一种建立在光学Sagnac效应基础上的一种光在闭合光路中传输，使用光子晶体光纤，利用多光束干涉实现测量的谐振式光纤陀螺，属于陀螺技术领域。

背景技术

陀螺是用于测量角速度及角加速度变化的装置。光纤陀螺是基于萨格奈克(Sagnac)效应，在惯性空间通常Sagnac效应可以描述为：“在同一闭合回路中，沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传播的两束光，围绕垂直于闭合回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光回路旋转速率成比例关系”。Sagnac效应的原理图如图5所示，图中，圆形代表光传输的路径，点S为两束相向传输的光的注入点，Ω为顺时针旋转角速度。在惯性空间，当光纤陀螺静止时，两束光回到注入点S时所经历的光程相同，因此不会产生频率差；当光纤陀螺以角速度Ω顺时针旋转时，注入点S转到了S′处，沿顺时针方向传播的光束将比沿逆时针方向传播的光束经历的光程要长，因此会产生频率差。而此频率差Δφ与角速度Ω成线性关系：Δφ=4Aλ0LΩ,]]>式中A为光路所围的总面积，λ₀为入射光的波长，L为角速度Ω是零时的光程长度。

谐振式光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低的优势；与干涉式光纤陀螺相比，光纤长度短，可以减小温度对系统的影响、采用了高相干光源波长稳定性高、检测精度高、动态范围大。在航空、航天、航海等军用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。

通常，光纤陀螺的尺寸会影响光纤陀螺的精度和灵敏度。光纤陀螺的精度随着传播光束围成的闭合光路面积增加而增大，尺寸较大的光纤陀螺必然比小的光纤陀螺精度更高。因此，闭合光路面积越大，光纤陀螺的信噪比越大。一般通过增加光纤骨架上缠绕的光纤圈数来改善光纤陀螺的信噪比。

在谐振式光纤陀螺中，闭合光路中相反方向传播的光谱宽很窄，并且在绕制的光纤环中循环传播，为了实现多次循环传播可以使用像光纤耦合器之类的器件。绕光纤环在闭合光路中循环传播的顺、逆时针光束发生多光束干涉现象。光纤环绕轴的旋转会使谐振腔的谐振频率分别产生变化，频差与可调频的顺、逆时针光束频率有关，由谐振腔的谐振频率变化可以得到角速度。谐振式光纤陀螺中，光纤石英材料性能上的因素可能造成闭合光路顺、逆时针方向光束的非线性传播，从而产生一个非互易的频率误差，因此引起角速度测量的误差。可以使用反射镜使得在光纤环中相向传播的光束循环在其中传播，但是其间将光从反射镜耦合到光纤的传输损耗会明显地降低信噪比。弯曲损耗、非线性克尔效应、受激布里渊散射、偏振误差等都会造成旋转角速度测量精度的下降；这些误差机制对于环境也同样敏感，因此也增加了不必要的温度敏感性。

谱宽很窄的单频激光在谐振式光纤陀螺中传播，会改变光纤纤芯的折射率，从而引起克尔效应。顺、逆时针两束光光强的不匹配也可以造成频率误差。当谐振腔的精细度很高、光强很高时，会使得石英光纤发生受激辐射，造成布里渊散射，这种受激辐射会使得谐振频率测量极其不稳定。在光纤谐振腔中，我们把在谐振腔中经过一个循环而不改变其偏振状态的这种特殊偏振态，称为偏振的本征状态。一般情况下，光纤环形谐振腔中有两个偏振本征态，而且两者是垂直的。环境温度或外界应力等因素的变化会使光纤中的双折射发生变化，这会引起一个偏振本征态对应的谐振峰峰值位置相对于另一个发生变化，可能在陀螺输出中引入由偏振波动造成的频率差。这将直接影响旋转角度测量，限制谐振式光纤陀螺的精度。

我们预期得到较高精度的光纤陀螺。光子晶体光纤的发明使光纤陀螺能够在一定程度上克服上述问题，并获得具有更高精度可以应用于惯导系统的光纤陀螺。

发明内容