[发明专利]基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于干涉型光纤陀螺仪技术领域，具体涉及到一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的新型全固态惯性传感器件。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，使用寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块上精密地加工出光路，成本低；而且光纤陀螺覆盖了很宽的性能范围(精度可达到5×E-4°/h～0.1°/h)，能根据使用对象的要求，实现高、中、低不同精度的产品。因此，光纤陀螺仪不仅在飞机上用于导航，而且在航天器制导、卫星定位、汽车定向、智能机器人、天文望远镜等多方面得到广泛推广使用。此外，发展高灵敏度的光纤陀螺仪也将在转动地震学、测地学、宏观相对论检验等科学技术领域发挥重要作用。

现代光纤陀螺仪根据其工作方式主要分为干涉型光纤陀螺仪和谐振型光纤陀螺仪两种，它们都是根据Sagnac理论发展起来的：即当光纤环路转动时，在不同的前进方向上的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。干涉式陀螺仪通常工作在零光程差附近的几个干涉条纹内，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，从而可以大大减少光纤中传输的许多寄生效应；谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。因此，世界各国争相开发基于干涉型光纤陀螺技术的实用产品，并不断研究高灵敏度的干涉型光纤陀螺仪技术。

现有的全光纤干涉型光纤陀螺仪的光源通常采用宽带超辐射发光二极管作为光源，耦合器是一个3dB光纤分路器，用于正向的光功率输入到光纤线圈中，同时也将光纤线圈中的合路光信号输出到光干涉探测器上。Y分支采用分离的光纤分路器、光纤偏振器件、光纤相位调制器(PZT压电陶瓷光纤相位调制器)组成，它用于3dB光分路(光功率50％∶50％)、光起偏检偏以及光信号的调制。从耦合器输出的光信号在Y分支处起偏，同时由光纤分路器分成两束，形成光纤线圈中反向传输的光束。由于萨纳克效应，两路光信号通过光纤线圈回到Y分支处合路时，两路光信号之间产生的相位差正比于光纤线圈感应到的旋转速Ω。因此，通过检测两束光的相干光强可以测出光纤线圈的萨纳克相移，从而测出光纤线圈的转动角速度。然而，现有的光纤干涉式陀螺仪的探测灵敏度受散粒噪声的限制。为提高旋转速率的测量灵敏度，在光纤线圈半径一定的条件下，必须增加光纤长度。然而，传感环光纤长度越长，其所处空间温度场随时间变化引入的测量相位误差越难以克服。同时，光纤长度越长，伴随的单模光纤的双折射特性导致的寄生相位差、光纤中的反向散射和寄生反射效应、以及光克尔效应等都会限制该陀螺仪的性能。此外，光源发出的光信号通过耦合器只有1/2光功率向前继续传输，且经过Y分支输出的干涉光需再次通过耦合器送到探测器进行光信号相位信息检测，这样整个过程中只有1/4的光功率得到了利用，光功率利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述干涉型光纤陀螺仪所存在的缺点，提供一种灵敏度高的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在安装板上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连。上述的光源为量子光源。上述的耦合器为：在安装板水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器。上述的检测器为：在安装板上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。

本发明的第一50/50分束器为：包括第一半波片，第一半波片的快轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°，安装板水平光轴光出射方向设置有第一偏振分光镜，第一偏振分光镜垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、光纤相位调制器，第一偏振分光镜的光出射方向设置有第二光纤耦合器，第一偏振分光镜垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。