光纤陀螺及其发展动态

综述与评论
光纤陀螺及其发展动态
单 英 延凤平 简水生
(北方交通大学光波技术研究所,北京100044)
摘 要 迄今为止,光纤陀螺的发展已经经过了三个时期,第一代为干涉型光纤陀螺(I-F OG),第二代为共振环形腔型光纤陀螺(R-F OG),第三代为受激布里渊散射光纤陀螺(B-FOG)。

简要陈述了光纤陀螺的发展历程,并着重阐述了这三种光纤陀螺各自的工作原理、噪声特性及今后的发展动态。

关键词 光纤陀螺 Sagnac效应 干涉型光纤陀螺 共振环形腔光纤陀螺 受激布里渊散射光纤陀螺Fiber Optic Gyroscope and Its Development
Shan Ying Yan Fengping Jian Shuisheng
(Institute of Lightwave Technology,Northern Jiaotong University,Beijing100044)
Abstract F iber optic g yroscope(F OG)has been pass throug h three generations,the first generation is in-terferometr ic FOG(I-F OG),the second generation is resonance loop cavity FOG(R-F OG)and t he t hir d gen-eration is stimulated brillouin scattering FOG(B-F OG).T he developing course of the F OGs has been deliver ed concisely,then the principles,noise char acteristics and future developing trends has been expounded.
Key Words F iber opt ic g yroscope Sag nac effect I-FOG R-F OG B-FOG
0 引 言
自从1976年Vali和Shorthil首次提出光纤陀螺的概念以来,光纤陀螺以其无与伦比的优点引起了人们极大的重视和强烈的兴趣。

美国、法国、德国、英国及日本等国家先后投入了巨大的人力物力进行理论研究和实用化开发工作,并取得了很大的成就。

角速度测量精度也由原来的几十倍的地球自转角速度(15 /h)到现在0.0005 /h,提高了近6个数量级。

与传统的机械陀螺相比,光纤陀螺具有灵敏度高、预热时间短、重量轻、动态范围大、能量消耗低、造价低等优点,被广泛应用于石油钻井、机器人控制、汽车、火车、雷达和民用飞机导航等方面[1]。

经过多年的研究和开发,光纤陀螺的发展先后经历了三个阶段,即第一代干涉型光纤陀螺(I-FOG),这是迄今为止发展比较完善的一类光纤陀螺,已广泛应用于实际领域中;第二代共振环形腔型光纤陀螺(R-FOG),其理论上的检测精度高于第一代干涉型光纤陀螺;第三代受激布里渊散射光纤陀螺(B-FOG),这是现今人们正在进行理论研究的一类光纤陀螺,它比前两代光纤陀螺具有更大的优越性。

伴随着光纤陀螺性能提高所存在的问题是:噪声影响,稳定性,动态范围及比例因子线性化等。

人们希望达到的目标是高分辨率、宽动态范围、高稳定性及数字输出的光纤陀螺。

1 光纤陀螺的基本工作原理
光纤陀螺的基本工作原理是Sag nac效应,即在一闭合回路中,沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传播的两束光光程差 L与闭合回路的旋转角速度 及回路面积A成正比,与真空中的光速C0成反比,即:
L= t C0
=C0(
2 R
C0-R -
2 R
C0+R )
=
4A
C0
(1)
实际的光纤陀螺闭合回路是由N圈光纤绕制而成的,则积累的光程差为:
L M=4AN
C0
(2)相应的Sagnac相位差为:
s=2
L M
=
8 AN
0C0 (3)
1
1999年第18卷第5期 传感器技术(Journal of T r ansducer T echnolog y)
式中: 0为真空中的波长;A 为一圈光纤所包围的面积;设光纤圈直径为D ;L 为光纤敏感环的光纤总长度,则:
s =2 LD 0C 0
=K s
(4)
式中:K s =2 L D
0C 0
被称为比例因子,它表征光纤陀
螺灵敏度的大小。

2 光纤陀螺的特性及其发展动向2.1 干涉型光纤陀螺(I-FOG)
干涉型光纤陀螺的构成如图1
所示。

图1 I -FOG 的基本结构
光源发出的光经过偏振器后变成线偏振光,线
偏振光再经过耦合器2后分成两束光,分别从两端进入光纤敏感环。

当这两束沿相反方向传输的光再次汇合于耦合器2时产生干涉效应,此干涉光中包含了由Sag nac 效应而产生的相移 s ,以及由相位调制器引入的调制相位 m 。

将干涉光经过检测器进行光电变换,并经过适当的信号处理后即可得到陀螺的旋转角速度 。

图2所示为这种光纤陀螺的基本结构及其检测信号与旋转角速度之间的关系[4]。

图2 I -FOG 检测信号与旋转角速度之间的关系
为了提高检测精度,减小噪声影响,必须对各种噪声源进行分析,并采取一定的措施对其所引起
的误差加以抑制或补偿。

表1所示为各种噪声的特
性及相关的抑制或补偿措施。

表1 干涉型光纤陀螺中的各种噪声及其相应的抑制手段噪声因素产生机理相应的抑制措施瑞利背向散射
光纤内部介质或散射体的不均匀性引起低相干光源SLD
光学克尔效应 CW 或CCW 光强不平衡而引起光纤传输常数的微扰造成低相干光源SLD 偏振波动
光纤及光器件的不稳定造成
运用偏振器,PM 光纤 法拉第效应 光纤中的非互易双折射引起
保偏光纤及磁屏蔽 温度抖动
温度分布不均匀造成
中心对称的光纤绕制技术 为了扩展光纤陀螺的动态范围,提高检测灵敏度,通常采用图3的闭环检测结构。

其中LiNbO 3集成光电路(亦称为IOC 芯片)包含了一个偏振器、一个光分路器与两个相位调制器,光纤采用保偏光纤(PM 光纤)。

图3 采用IOC 的I -FOG 基本光路结构
2.2 共振环形腔型光纤陀螺(R-FOG)
图4所示为典型的共振环形腔型光纤陀螺的基
本光路结构,图5所示为对应的检测信号与旋转角速度之间的关系曲线。

旋转角速度 通过光纤环引起环形腔共振频率的变化,由于是闭环工作方式,这种共振腔频率变化反馈回入射光波频率。

根据共
图4 R -FOG 的基本光路结构
振特性,频率变化斜率大,所以检测信号的灵敏度高,使用5~10m 长的光纤就可以产生所要求的检测灵敏度。

与干涉型光纤陀螺相比,共振环形腔光纤陀螺具有以下特点:(1)光纤长度短,降低了由于光纤环中温度分布不均匀而引起的漂移;(2)采用了
2
传感器技术 第18卷
图5 R -FOG 中检测信号与旋转角速度之间的关系
高相干光源,波长稳定性高;(3)由于谐振频率随转动角速度而变,所以检测精度高,动态范围大[2]。

共振环形腔型光纤陀螺中的噪声因素与干涉型
光纤陀螺中的噪声因素相似,但是由于光源特性及工作机理不同,因而噪声的产生原因及所采取的抑制措施也就不同。

表2所示为共振环形腔型光纤陀螺的噪声因素及相关补偿方法。

表2 共振环形腔型光纤陀螺的噪声因素及相关补偿方法噪声因素相关的补偿措施
偏振光纤焊接处进行90 的偏振主轴旋转法拉第效应减小PM 光纤环中的弯曲部分温度偏移通过数字反馈进行频率跟踪
后向散射
1.减小CW 或CCW 中的载波;
2.使CW 与CCW 的摆动频率不同
克尔效应
控制CW 或CCW 的光强,从S agnac 效应中识别出克尔效应
2.3 受激布里渊散射光纤陀螺(B-FOG)
受激布里渊散射光纤陀螺是基于光学非线性效应的受激布里渊散射而提出的有源光纤陀螺,它与共振环形腔型光纤陀螺R-FOG 具有相似的结构,如图6所示[3]。

图6 B -FOG 的光路结构
泵浦激光器发出的光在第一个耦合器处被分成两束沿不同路径传播的光(分光比为1:1)。

当经过第二个耦合器时,这两束光分别以一定的分光比(99:1)进入光纤敏感环中沿相反方向传播,当传输光满足受激布里渊散射的阈值条件时,分别产生后向Stokes 散射光,两束以相反方向传输的Stokes 散射光分别沿着与泵浦光相反的方向经过第二个耦合
器后在第一个耦合器处相遇并进行拍频,拍频由Sagnac 效应决定,即:
F =4A / 0p
式中:A 是光纤环面积; 0是真空中受激布里渊散射光
的波长;P 是光纤环的周长; 是光纤环的旋转角速度。

B-FOG 光纤陀螺的检测信号(即拍频)正比于旋转角速度。

并且比I -FOG 的结构简单,采用的光器件少,可直接提供频率输出,线性度好,动态范围大,适用于高精度检测。

锁定现象是B-FOG 最严重的问题,当光纤敏感环的旋转角速度低于所谓的锁定阈值时,敏感环中两相反方向传播光波的频率被锁定在一固定值,这样在小角度范围内,输出拍频始终保持为零,造成动态范围中心死带。

避免锁定现象的一般方法有两种:(1)引入一常数频率偏移或者改变两传播光波间的频率偏移使拍频在锁定范围之外;(2)利用敏感环中的光Kerr 效应来消除锁定现象,即调制一个泵浦波强度时,由Kerr 效应可引入相同的扰动,因此可通过调节调制频率和幅度来克服锁定现象。

另外,近来又提出一种推拉内腔相位调制的光学抖动效应来消除锁定现象的方案。

3 结束语
经过多年的研究和开发,光纤陀螺的发展已经逐步成熟,第一代干涉型光纤陀螺已广泛应用于实际领域中,第二代共振环形腔型光纤陀螺理论上的检测精度高于第一代干涉型光纤陀螺,第三代受激布里渊散射光纤陀螺以其更大的优越性越来越受到人们的瞩目。

伴随着光纤陀螺性能提高所存在的问题,如噪声影响、稳定性、动态范围及比例因子线性化等也正逐步地被解决。

高分辨率、宽动态范围、高稳定性及mk 数字输出的光纤陀螺已成为这一科学研究领域的热点。

参 考 文 献
1 Hotate K.Fiber Sens or Technology Today.Optic Fiber T echnolo -gy,1997,3:356~402
2 Hotate K.Resonator Fiber Optical Gyro Using Di gital Serrodyne
M odulation .Journal Lightwave T echnogy,1997,15(3):4663 Zarinetchi F.Stimulated Brill ouin Fiber -Optic Laser Gyroscope.
Optics.Lett,1991,16(4):229~231
4 蓝慧娟.光纤陀螺温度噪声特性及其补偿方案研究:[硕士学位
论文].北京:北方交通大学,1997.11~17
作者简介
单 英,女,1975年生。

1997年毕业于中央民族大学,获学士学位。

现在北京交通大学光波技术研究所攻读硕士学位。

主要从事光纤传感方面的研究工作。

收稿日期:1999-07-12
3第5期 单 英等:光纤陀螺及其发展动态。