基于光的偏振態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)動傳感的方法及其光學(xué)陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備與光學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于偏振傳感的非干涉式光 纖陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)設(shè)備和光學(xué)傳感技術(shù)包括光學(xué)陀螺和光學(xué)轉(zhuǎn)動傳感。
[0003] 轉(zhuǎn)動傳感存在很廣泛的應(yīng)用，包括導(dǎo)航，運動傳感，運動控制包括物體姿態(tài)控制， 運動平臺控制，手持設(shè)備如時尚手機等。光學(xué)陀螺通過利用轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致的正反向傳輸兩光 之間干涉光程的改變來進(jìn)行轉(zhuǎn)動傳感。很多光學(xué)陀螺都基于光學(xué)Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)包括 各種干涉式光纖陀螺儀。此類光學(xué)陀螺儀通常設(shè)計成無轉(zhuǎn)動部件，因此，可以消除在其它陀 螺儀中所需的轉(zhuǎn)動部件。目前，干涉式光纖陀螺儀已經(jīng)商品化，且在很多軍用和民用上已經(jīng) 有大量的產(chǎn)品。
[0004] 圖1和圖2給出了基于Sagnac干涉儀的兩種光學(xué)干涉式陀螺儀。圖1中給出了 空間（bulk)設(shè)計的陀螺儀，而圖2中例舉了基于光纖環(huán)的干涉式光纖陀螺儀。為了提高靈 敏度和穩(wěn)定性，需要使用相對更長距離的光纖環(huán)，例如幾百到幾千米的光纖。圖2進(jìn)一步給 出在干涉式光纖陀螺儀中引入一相位調(diào)制器，使得陀螺中產(chǎn)生一基偏，從而使其工作在最 敏感的工作點上，并采用閉環(huán)回路的電路，用于增加干涉式陀螺儀的動態(tài)范圍和提高其檢 測靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 該專利文件闡述了光學(xué)設(shè)備和光學(xué)傳感技術(shù)包括光學(xué)陀螺和光學(xué)轉(zhuǎn)動傳感。
[0006] -方面，給出一種方法用于轉(zhuǎn)動傳感，該方法僅基于光的偏振傳感而無需依賴于 光學(xué)干涉儀實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的傳感，主要包括：（1)將一個輸入光束分成束兩偏振態(tài)正交的光 束；（2)將兩束偏振正交的光束耦合到一個用于傳感轉(zhuǎn)動的光環(huán)路的輸入輸出端口，使得 第一束光在光環(huán)路內(nèi)沿第一光路方向傳輸，而第二束光在光環(huán)路內(nèi)沿第二光路方向傳輸， 第二光路與第一環(huán)路方向相反的方向；(3)將第一和第二光束重新合束到輸入輸出端口， 同時保持第一和第二光束保持偏振態(tài)正交，避免在輸入和輸出端口合束時發(fā)生光干涉，將 產(chǎn)生的合束后光束作為光環(huán)路的輸出光；(4)對所得到的輸出光的光偏振態(tài)信號進(jìn)行處 理，從而獲取光環(huán)路所傳感的轉(zhuǎn)動信號。
[0007] 本專利還提出了一種基于對傳輸光的光偏振態(tài)信號進(jìn)行提取實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動傳感的 光學(xué)陀螺儀，從而取代依賴光干涉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動傳感。該光學(xué)陀螺儀包括：（1) 一個光學(xué)輸 入輸出設(shè)備，用于將一束輸入光束分成兩束偏振正交的光束，其中第一束光具備一偏振態(tài)， 而第二束光具備與第一束光偏振態(tài)正交的另一偏振態(tài)；（2) -個光環(huán)路結(jié)構(gòu)親合到光學(xué)輸 入輸出設(shè)備上，其第一環(huán)路端口在光環(huán)路中以第一光環(huán)路方向來接收第一束光，同時其第 二環(huán)路端口在光環(huán)路中以第二環(huán)路方向來接收第二束光。光輸入輸出設(shè)備可將光環(huán)路中第 一束和第二束光進(jìn)行合束，同時保持兩束光束的偏振態(tài)相互正交，以避免在光輸入輸出設(shè) 備中兩束光之間發(fā)生光干涉，從而將該合束的光束作為光環(huán)路的光輸出信號。該光學(xué)陀螺 儀中還包括一探測設(shè)備，用于檢測光輸出信號，從而獲取光輸出信號的光偏振信息，并對所 檢測到的光輸出偏振信息進(jìn)行處理，最終提取光環(huán)路感知的轉(zhuǎn)動信號。
[0008] 本專利進(jìn)一步提出了一種采用對傳輸光偏振態(tài)檢測實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動信號進(jìn)行傳感的 光學(xué)陀螺儀，取代依賴光干涉儀結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)動信號進(jìn)行傳感。該光學(xué)陀螺儀包括以下幾種功 能：（1)將一輸入光束分成兩束獨立的光束，其中第一光束具備第一偏振態(tài)，而第二束光具 備與第一束光偏振態(tài)正交的第二偏振態(tài)；（2)將第一和第二光束親合到一感知轉(zhuǎn)動量的光 環(huán)路的輸入輸出端口，使得第一束光沿第一環(huán)路方向在環(huán)路內(nèi)傳輸，而第二束光沿第二環(huán) 路方向在環(huán)內(nèi)傳輸，其中第二束光傳輸方向與第一束光傳輸方向相反；（3)進(jìn)一步包括將 兩束光在輸入輸出端口進(jìn)行合束的功能，將產(chǎn)生的合束后光束作為光環(huán)路的光輸出信號， 同時為了避免在輸入輸出端口出兩束光發(fā)生干涉，進(jìn)行光合束時需要保持兩光束的偏振態(tài) 正交；(4)最后，對輸出光信號的偏振態(tài)信息進(jìn)行處理，獲取光環(huán)路感知的轉(zhuǎn)動信號。
[0009] 本發(fā)明還進(jìn)一步給出一種基于對傳輸光的偏振態(tài)進(jìn)行檢查實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動進(jìn)行傳感 的方法，取代目前采用光學(xué)干涉儀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動信號進(jìn)行傳感的方法。本方法包括：（1) 將一束具有輸入偏振態(tài)的輸入光導(dǎo)入一個用于感知轉(zhuǎn)動信號的閉合光環(huán)路中；(2)將閉合 光環(huán)路中的傳輸光作為閉環(huán)光環(huán)路的光信號進(jìn)行輸出；(3)對輸出光信號進(jìn)行檢測，直接 輸出光信號的輸出偏振態(tài)信息，而不是依賴于與閉環(huán)光環(huán)路的直接相關(guān)的光干涉結(jié)構(gòu)；(4) 最后，通過對所獲取的輸出光信號的光偏振態(tài)信息進(jìn)行處理，最終獲取閉環(huán)光環(huán)路所經(jīng)歷 的轉(zhuǎn)動信號。
[0010] 本專利還進(jìn)一步給出一光學(xué)陀螺儀用于轉(zhuǎn)動傳感，該陀螺儀基于傳輸光的光偏振 態(tài)信息進(jìn)行傳感，取代于采用光干涉儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感，包括（1) 一個用于感知轉(zhuǎn)動信號 的閉環(huán)光環(huán)路；（2) -個輸入輸出端口用于接收一束具有輸入偏振態(tài)的輸入光進(jìn)入閉合光 環(huán)路，同時用于將閉環(huán)光回路中的光作為輸出光進(jìn)行耦合輸出；（3) -探測器用于對輸出 光信號進(jìn)行接收，通過直接對輸出光信號偏振信息進(jìn)行提取，而不依賴于采用閉環(huán)回路的 光干涉儀結(jié)構(gòu)；(4) 一處理單元通過對獲取的輸出光的偏振態(tài)信息進(jìn)行處理，得出閉環(huán)光 環(huán)路上所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)動信號。
[0011] 以上所述和其它方面和它們的工作原理，將在后面的圖片，描述中更詳細(xì)的介紹。
【附圖說明】
[0012] 圖1給出了一空間干涉式光學(xué)陀螺儀結(jié)構(gòu)；
[0013] 圖2給出了一干涉式光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)；
[0014] 圖3A和圖3B給出了兩種不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)偏振陀螺儀。輸入光與PBS的兩偏振光 軸X軸和y軸成45度進(jìn)行起偏，以保證在分束后兩束偏振光光強一致。圖3A給出的是一個 非互易性結(jié)構(gòu)：取決于假設(shè)條件，即在PBS和反射鏡位置之間的兩偏振態(tài)無非互易性相移， 輸出光信號的偏振旋轉(zhuǎn)僅取決于陀螺轉(zhuǎn)動。圖3B給出了一互易結(jié)構(gòu)：通過使用一 90度法 拉第旋轉(zhuǎn)鏡或者半波片對y偏振態(tài)的光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)到X偏振態(tài)上，使得兩正反向傳輸?shù)墓庠?反射鏡和PBS上反射后相位相同。
[0015] 圖4A給出了由轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的差分相移或者差分群時延，使得輸出偏振態(tài)繞著綁 架球的南極和北極的一個大圈旋轉(zhuǎn)。
[0016] 圖4B給出以在（S2, S3)面上圓偏振態(tài)的軌跡，其中Df為DPS。
[0017] 圖5給出了一個用來獲取四個斯托克斯參數(shù)的綜合偏振態(tài)分析儀例子。
[0018] 圖6給出一種偏振結(jié)構(gòu)的光纖陀螺儀的示意圖，該結(jié)構(gòu)采用一個保偏光纖環(huán)作為 轉(zhuǎn)動傳感單元。為了消除檢測誤差，可在光纖環(huán)的中點位置進(jìn)行90度交叉熔接。
[0019] 圖7給出了另一種偏振結(jié)構(gòu)的光纖陀螺儀的示意圖，該結(jié)構(gòu)采用一保偏光纖環(huán)作 為轉(zhuǎn)動傳感單元。在PBS前面使用非偏振分束器，用于將從光纖環(huán)回來的光直接對準(zhǔn)到偏 振分析儀中。可以使用兩起偏光纖的尾纖代替保偏光纖的尾纖，進(jìn)而獲得更優(yōu)的性能。
[0020] 圖8A給出了第三種偏振結(jié)構(gòu)式光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖。使用一個沃拉斯頓 (Wollaston)棱鏡作為偏振光分束器將兩偏振成分按不同方向入射。使用一雙光纖結(jié)構(gòu)聚 焦鏡頭用于接收輸出光的兩正交偏振成分?？梢允褂脙蓚€起偏光纖的尾纖代替保偏光纖的 尾纖，進(jìn)而獲得更優(yōu)的性能。
[0021] 圖8B給出了圖8A中一雙光纖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直器示意圖，其包括一個聚焦透鏡用于接收 兩光束，并將它們聚焦到放置在入射端口在焦平面上的兩光纖中。
[0022] 圖9給出第四種偏振光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)的示意圖?？墒褂脙善鹌饫w的尾纖代替保 偏光纖的尾纖，進(jìn)而獲得更優(yōu)的性能。
[0023] 圖10給出了一個偏振態(tài)分析儀的示意圖。一個起偏器放置在四分之一波片后用 于偏振分析。四分之一波片的慢軸（或快軸）與圖7中PBS或者與圖8和圖9中Wollaston 棱鏡的X軸相對準(zhǔn)，從而在X和Y偏振成分之間引入一 η /2相位延遲。
[0024] 圖IlA和IlB給出了第二種偏振態(tài)分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。通過在四分之一波片后放 置一個PBS用于偏振態(tài)分析。四分之一波片的慢軸（或快軸）直接與圖7中PBS的X軸或 者圖8和圖9中Wollaston棱鏡對準(zhǔn)，用于產(chǎn)生一 π /2相位延遲。
[0025] 圖12A和12B給出了在兩種不同探測器結(jié)構(gòu)中探測電路的結(jié)構(gòu)。
[0026] 圖13A和圖13B給出了第三種偏振分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中13A給出設(shè)備的布 局圖，圖13B則給出兩PBS的方向和四分之一波片相對于圖7,圖8A，圖8B和圖9中PBS或 Wollaston棱鏡的方向。兩PBS擁有相同的X和Y方向。
[0027] 圖14A和14B給出了第四種偏振分析儀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用Wollaston棱鏡代替圖 10中PBS和采用雙芯片的光電探測器代替兩獨立的光電探測器。圖14B給出了 Wollaston 棱鏡的軸方向和相對于光纖環(huán)前面偏振光束分束器的X和Y方向的四分之一波片的軸方 向。
[0028] 圖15A和15B給出了第五種偏振態(tài)分析儀的機構(gòu)示意圖，其中采用兩Wollaston 棱鏡代替圖13A和圖13B中的兩個PBS，采用兩個雙芯片光電探測器代替四個分開的光電探 測器。圖15B給出了相對于光纖環(huán)前面偏振光束分束器的X和y方向，Wollaston棱鏡軸 和四分之一波片軸的方向。
[0029] 圖16給出了第六種偏振結(jié)構(gòu)光纖陀螺儀示意圖。如果采用一偏振光源，需要采用 保偏光纖尾纖將光耦合到虛線框內(nèi)。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，則采用一單模尾 纖。當(dāng)偏振分束器I(PBSl)的消光比性能不能滿足要求時，則需要使用一起偏器用于對輸 入系統(tǒng)的光進(jìn)行起偏。當(dāng)PBSl的消光比性能不夠時，可以使用任意一起偏器對輸入光源進(jìn) 行起偏。光源可以以芯片形式集成到虛框盒內(nèi)，從而減小儀器的尺寸和價格。對于這種情 況，可以采用無尾纖的光源結(jié)構(gòu)。使用兩起偏光纖的尾纖代替保偏光纖的尾纖，進(jìn)而獲得更 優(yōu)的性能。如果使用一個45度法拉第旋轉(zhuǎn)鏡取代分束器（BS)右側(cè)的四分之一波片，則需 要在起偏器的前面使用一個四分之一波片，使得波片的主軸與PBS的主軸相一致。
[0030] 圖17給出了第七種偏振結(jié)構(gòu)光纖陀螺儀。如果使用偏振光源，則需要采用保偏光 纖尾纖將傳輸光耦合到虛線框中。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，則需要采用一單模 光纖尾纖將傳輸光耦合到虛線框中。如果偏振分束器I(PBSl)的消光比性能不夠則可以使 用一偏振器對光源輸出光進(jìn)行起偏。同時光源可以采用芯片方式集成到虛線框內(nèi)部，進(jìn)而 減小儀器的體積和制作成本。在這種情況下，光源的后面可以不用連接尾纖。使用兩個起 偏光纖的尾纖尾纖代替保偏光纖的尾纖，進(jìn)而獲得更優(yōu)的性能。如果使用45度法拉第旋轉(zhuǎn) 鏡代替分束器（BS)右側(cè)的四分之一波片，則需要在起偏器的前邊使用一個不同的四分之 一波片，保證波片的主軸與Wollaston棱鏡的主軸（X，Y)相一致。
[0031] 圖18給出了第八種偏振結(jié)構(gòu)光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖。如果使用一偏振光源，則需 要采用一保偏光纖尾纖將傳輸光耦合到虛線框中。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，則 需要采用一單模光纖尾纖將傳輸光耦合到虛線框中。如果偏振分束器（PBS)的消光比性能 不夠則可以使用一偏振器對光源輸出光進(jìn)行起偏。同時光源可以采用芯片方式集成到虛線 框內(nèi)部，進(jìn)而減小儀器的體積和價格。在這種情況下，光源的后面可以不用連接尾纖。如果 使用一個45度法拉第旋轉(zhuǎn)鏡代替分束器（BS)右側(cè)的四分之一波片，則需要在起偏器的前 邊使用一不同的四分之一波片，保證波片的主軸與Wollaston棱鏡的主軸（Χ，Υ)相一致。
[0032] 圖19Α和19Β給出了兩種探測設(shè)備結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于鎖相放大電路結(jié)構(gòu)，用于提高 探測信號的信噪比。
[0033] 圖