諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)傳感以及信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是利用光學(xué)Sagnac效應(yīng)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動檢測的一種高精度的慣性傳感器。R-FOG相對于傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、精度高等特點。與干涉式光纖陀螺(Interferometer Fiber Optic Gyro,1-FOG)相比，R-FOG理論上可以采用短得多的光纖長度而達(dá)到與1-FOG —樣的精度。
[0003]然而，在目前的R-FOG系統(tǒng)中，采用的各個模塊器件體積比較大，導(dǎo)致了 R-FOG系統(tǒng)整體體積龐大，難以實現(xiàn)小型化集成，阻礙了陀螺實現(xiàn)最終的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對現(xiàn)有諧振式光纖陀螺系統(tǒng)體積大、不易于集成的不足之處，提出了一種諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置及其方法。
[0005]一種諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置包括可調(diào)諧小型化激光器、光學(xué)分光器、第一路相位調(diào)制器、第二路相位調(diào)制器、光纖環(huán)形諧振腔、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理電路模塊、集成封裝結(jié)構(gòu)件；可調(diào)諧小型化激光器與光學(xué)分光器相連，光學(xué)分光器兩路輸出分別與第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器相連，第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器輸出分別與光纖環(huán)形諧振腔相連，兩路光纖諧振腔輸出分別與光電轉(zhuǎn)換模塊相連，光電轉(zhuǎn)化模塊與信號處理電路模塊相連，信號處理電路模塊輸出一路作為陀螺輸出，另一路與可調(diào)諧小型化激光器的調(diào)諧端相連，可調(diào)諧小型化激光器、光學(xué)分光器、第一路相位調(diào)制器、第二路相位調(diào)制器、光纖環(huán)形諧振腔、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理電路模塊安裝在集成封裝結(jié)構(gòu)件中。
[0006]所述的可調(diào)諧小型化激光器為集成化窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，采用直徑8cm、高2.2cm的柱狀體封裝設(shè)計。
[0007]所述的光學(xué)分光器為長度2cm、分光比為50%的磨拋型光纖親合器。
[0008]所述的第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器均采用大半波電壓驅(qū)動的短波導(dǎo)鈮酸鋰相位調(diào)制器，封裝尺寸僅為2X1X0.4cm。
[0009]所述的光纖環(huán)形諧振腔為透射式諧振腔，直徑9.2cm ;光纖環(huán)形諧振腔包括輸入端分光比為95%的磨拋型耦合器、輸出端分光比為95%的磨拋型耦合器、以及兩路起偏器組成；輸入端和輸出端的磨拋型耦合器長度均為2cm。
[0010]所述的信號處理電路模塊中包含了高壓擺率運放搭建的相位調(diào)制器驅(qū)動電路模塊，為大半波電壓驅(qū)動的第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器提供大幅度調(diào)制信號。
[0011]所述的可調(diào)諧小型化激光器和光纖環(huán)形諧振腔采用分層隔離的封裝結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法。
[0012]所述的光學(xué)分光器、第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器在集成封裝結(jié)構(gòu)件中采用貼邊內(nèi)切安裝。
[0013]所述的信號處理電路模塊為圓形多層設(shè)計，光電轉(zhuǎn)化模塊與信號處理電路模塊分層安裝，集成封裝結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的4個陀螺系統(tǒng)硬件模塊支撐點用來支撐光電轉(zhuǎn)化模塊和信號處理電路模塊；所述的光電轉(zhuǎn)換模塊的核心器件采用圓柱形封裝的同軸InGaAs光電二極管。
[0014]所述裝置的工作方法是:按諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置的接連關(guān)系完成安裝后，在諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置外層加上結(jié)構(gòu)件外殼，就構(gòu)成了一個完整的諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置，當(dāng)在可調(diào)諧小型化激光器電源端加上5V電壓時，激光器輸出中心波長為1550nm、線寬約為5kHz的激光，經(jīng)過光學(xué)分光器分成等功率的兩束光:順時針路和逆時針路，順時針路激光經(jīng)過第一路相位調(diào)制器后進(jìn)入光纖環(huán)形諧振腔，光纖環(huán)形諧振腔的形式為直徑9.2cm的透射式諧振腔，逆時針路激光經(jīng)過光纖換形諧振腔以后通過光電轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再通過信號處理電路模塊進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，最后將解調(diào)輸出經(jīng)伺服回路去控制可調(diào)諧小型化激光器輸出光的頻率，順時針路解調(diào)輸出作為陀螺輸出。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果:
I)本發(fā)明采用的光學(xué)分光器為磨拋型光纖耦合器，光纖環(huán)形諧振腔采用輸入端分光比為95%的磨拋型光纖耦合器、輸出端分光比為95%的磨拋型光纖耦合器，相比熔融拉錐形耦合器，磨拋型耦合器具有體積小、耦合性能高的優(yōu)勢，符合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的要求。
[0016]2)本發(fā)明采用的第一路相位調(diào)制器和第二路相位調(diào)制器均為采用大半波電壓驅(qū)動的短波導(dǎo)鈮酸鋰相位調(diào)制器，體積相比于傳統(tǒng)的小半波電壓驅(qū)動的長波導(dǎo)鈮酸鋰相位調(diào)制器要小得多，符合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的要求。
[0017]3)本發(fā)明采用的可調(diào)諧小型化激光器和光纖環(huán)形諧振腔之間采用了分層隔離的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，有利于減小光源給諧振腔帶來的熱噪聲，從而保證諧振式光纖陀螺的性能。
[0018]4)本發(fā)明采用的光學(xué)分光器、第一路相位調(diào)制器、第二路相位調(diào)制器在集成封裝結(jié)構(gòu)件中采用與光纖環(huán)形諧振腔貼邊內(nèi)切擺放安裝，在充分利用空間的同時最大程度減小光纖彎曲損耗，從而保證諧振式光纖陀螺的性能。
【附圖說明】
[0019]圖1是諧振式光纖陀螺小型化系統(tǒng)原理圖；
圖2是諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置俯視圖；
圖4是諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置仰視圖；
圖5是諧振式光纖陀螺系統(tǒng)小型化集成裝置封裝后的示意圖；
圖中:可調(diào)諧小型化激光器1、光學(xué)分光器2、第一路相位調(diào)制器3、第二路相位調(diào)制器4、輸入端分光比為95%的磨拋型親合器5、第一路起偏器6、第二路起偏器7、輸出端分光比為95%的磨拋型耦合器8、光電轉(zhuǎn)換模塊9、信號處理電路模塊10、結(jié)構(gòu)件底座11、通孔12、結(jié)構(gòu)件中部13、光纖環(huán)繞支架14、陀螺系統(tǒng)硬件模塊支撐點15、光纖通孔16、結(jié)構(gòu)件外殼17。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合實施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0021]如圖1所示，諧振式光纖陀螺小型化系統(tǒng)原理圖包括由可調(diào)諧小型化激光器1、光學(xué)分光器2、第一路相位調(diào)制器3、第二路相位調(diào)制器4、光學(xué)環(huán)形諧振腔、光電轉(zhuǎn)換模塊
9、信號處理電路模塊10;可調(diào)諧小型化激光器I與光學(xué)分光器2相連，光學(xué)分光器2兩路輸出分別與第一路相位調(diào)制器3和第二路相位調(diào)制器4相連，第一路相位調(diào)制器3和第二路相位調(diào)制器4輸出分別與光纖環(huán)形諧振腔相連，兩路光纖環(huán)形諧振腔輸出分別與光電轉(zhuǎn)換模塊9相連，光電轉(zhuǎn)化模塊9與信號處理電路模塊10相連，信號處理電路模塊10輸出一路作為陀螺輸出，另一路與可調(diào)諧小型化激光器I的調(diào)諧端相連；可調(diào)諧小型化激光器1、光學(xué)分光器2、第一路相位調(diào)制器3、第二路相位調(diào)制器4、光纖環(huán)形諧振腔、光電轉(zhuǎn)換模塊9、信號處理電路模塊10安裝在集成封裝結(jié)構(gòu)件中。光纖環(huán)形諧振腔是直徑為9.2cm的透射式諧振腔，由輸入端分光比為95%的磨拋型親合器5、輸出端分光比為95%的磨拋型親合器
10、第一路起偏器6和第二路起偏器7組成