基于光的偏振態進行轉動傳感的方法及其光學陀螺儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學設備與光學傳感技術領域，特別涉及基于偏振傳感的非干涉式光 纖陀螺儀。
【背景技術】
[0002] 光學設備和光學傳感技術包括光學陀螺和光學轉動傳感。
[0003] 轉動傳感存在很廣泛的應用，包括導航，運動傳感，運動控制包括物體姿態控制， 運動平臺控制，手持設備如時尚手機等。光學陀螺通過利用轉動而導致的正反向傳輸兩光 之間干涉光程的改變來進行轉動傳感。很多光學陀螺都基于光學Sagnac干涉儀結構包括 各種干涉式光纖陀螺儀。此類光學陀螺儀通常設計成無轉動部件，因此，可以消除在其它陀 螺儀中所需的轉動部件。目前，干涉式光纖陀螺儀已經商品化，且在很多軍用和民用上已經 有大量的產品。
[0004] 圖1和圖2給出了基于Sagnac干涉儀的兩種光學干涉式陀螺儀。圖1中給出了 空間（bulk)設計的陀螺儀，而圖2中例舉了基于光纖環的干涉式光纖陀螺儀。為了提高靈 敏度和穩定性，需要使用相對更長距離的光纖環，例如幾百到幾千米的光纖。圖2進一步給 出在干涉式光纖陀螺儀中引入一相位調制器，使得陀螺中產生一基偏，從而使其工作在最 敏感的工作點上，并采用閉環回路的電路，用于增加干涉式陀螺儀的動態范圍和提高其檢 測靈敏度。
【發明內容】
[0005] 該專利文件闡述了光學設備和光學傳感技術包括光學陀螺和光學轉動傳感。
[0006] -方面，給出一種方法用于轉動傳感，該方法僅基于光的偏振傳感而無需依賴于 光學干涉儀實現對轉動的傳感，主要包括：（1)將一個輸入光束分成束兩偏振態正交的光 束；（2)將兩束偏振正交的光束耦合到一個用于傳感轉動的光環路的輸入輸出端口，使得 第一束光在光環路內沿第一光路方向傳輸，而第二束光在光環路內沿第二光路方向傳輸， 第二光路與第一環路方向相反的方向；(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正交，避免在輸入和輸出端口合束時發生光干涉，將 產生的合束后光束作為光環路的輸出光；(4)對所得到的輸出光的光偏振態信號進行處 理，從而獲取光環路所傳感的轉動信號。
[0007] 本專利還提出了一種基于對傳輸光的光偏振態信號進行提取實現對轉動傳感的 光學陀螺儀，從而取代依賴光干涉結構實現轉動傳感。該光學陀螺儀包括：（1) 一個光學輸 入輸出設備，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， 而第二束光具備與第一束光偏振態正交的另一偏振態；（2) -個光環路結構親合到光學輸 入輸出設備上，其第一環路端口在光環路中以第一光環路方向來接收第一束光，同時其第 二環路端口在光環路中以第二環路方向來接收第二束光。光輸入輸出設備可將光環路中第 一束和第二束光進行合束，同時保持兩束光束的偏振態相互正交，以避免在光輸入輸出設 備中兩束光之間發生光干涉，從而將該合束的光束作為光環路的光輸出信號。該光學陀螺 儀中還包括一探測設備，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行處理，最終提取光環路感知的轉動信號。
[0008] 本專利進一步提出了一種采用對傳輸光偏振態檢測實現對轉動信號進行傳感的 光學陀螺儀，取代依賴光干涉儀結構對轉動信號進行傳感。該光學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，而第二束光具 備與第一束光偏振態正交的第二偏振態；（2)將第一和第二光束親合到一感知轉動量的光 環路的輸入輸出端口，使得第一束光沿第一環路方向在環路內傳輸，而第二束光沿第二環 路方向在環內傳輸，其中第二束光傳輸方向與第一束光傳輸方向相反；（3)進一步包括將 兩束光在輸入輸出端口進行合束的功能，將產生的合束后光束作為光環路的光輸出信號， 同時為了避免在輸入輸出端口出兩束光發生干涉，進行光合束時需要保持兩光束的偏振態 正交；(4)最后，對輸出光信號的偏振態信息進行處理，獲取光環路感知的轉動信號。
[0009] 本發明還進一步給出一種基于對傳輸光的偏振態進行檢查實現對轉動進行傳感 的方法，取代目前采用光學干涉儀結構實現對轉動信號進行傳感的方法。本方法包括：（1) 將一束具有輸入偏振態的輸入光導入一個用于感知轉動信號的閉合光環路中；(2)將閉合 光環路中的傳輸光作為閉環光環路的光信號進行輸出；(3)對輸出光信號進行檢測，直接 輸出光信號的輸出偏振態信息，而不是依賴于與閉環光環路的直接相關的光干涉結構；(4) 最后，通過對所獲取的輸出光信號的光偏振態信息進行處理，最終獲取閉環光環路所經歷 的轉動信號。
[0010] 本專利還進一步給出一光學陀螺儀用于轉動傳感，該陀螺儀基于傳輸光的光偏振 態信息進行傳感，取代于采用光干涉儀的結構進行傳感，包括（1) 一個用于感知轉動信號 的閉環光環路；（2) -個輸入輸出端口用于接收一束具有輸入偏振態的輸入光進入閉合光 環路，同時用于將閉環光回路中的光作為輸出光進行耦合輸出；（3) -探測器用于對輸出 光信號進行接收，通過直接對輸出光信號偏振信息進行提取，而不依賴于采用閉環回路的 光干涉儀結構；(4) 一處理單元通過對獲取的輸出光的偏振態信息進行處理，得出閉環光 環路上所經歷的轉動信號。
[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，描述中更詳細的介紹。
【附圖說明】
[0012] 圖1給出了一空間干涉式光學陀螺儀結構；
[0013] 圖2給出了一干涉式光纖陀螺儀結構；
[0014] 圖3A和圖3B給出了兩種不同結構的光學偏振陀螺儀。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 非互易性結構：取決于假設條件，即在PBS和反射鏡位置之間的兩偏振態無非互易性相移， 輸出光信號的偏振旋轉僅取決于陀螺轉動。圖3B給出了一互易結構：通過使用一 90度法 拉第旋轉鏡或者半波片對y偏振態的光進行旋轉到X偏振態上，使得兩正反向傳輸的光在 反射鏡和PBS上反射后相位相同。
[0015] 圖4A給出了由轉動而產生的差分相移或者差分群時延，使得輸出偏振態繞著綁 架球的南極和北極的一個大圈旋轉。
[0016] 圖4B給出以在（S2, S3)面上圓偏振態的軌跡，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的綜合偏振態分析儀例子。
[0018] 圖6給出一種偏振結構的光纖陀螺儀的示意圖，該結構采用一個保偏光纖環作為 轉動傳感單元。為了消除檢測誤差，可在光纖環的中點位置進行90度交叉熔接。
[0019] 圖7給出了另一種偏振結構的光纖陀螺儀的示意圖，該結構采用一保偏光纖環作 為轉動傳感單元。在PBS前面使用非偏振分束器，用于將從光纖環回來的光直接對準到偏 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，進而獲得更優的性能。
[0020] 圖8A給出了第三種偏振結構式光纖陀螺儀結構示意圖。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。使用一雙光纖結構聚 焦鏡頭用于接收輸出光的兩正交偏振成分。可以使用兩個起偏光纖的尾纖代替保偏光纖的 尾纖，進而獲得更優的性能。
[0021] 圖8B給出了圖8A中一雙光纖結構準直器示意圖，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構的示意圖。可使用兩起偏光纖的尾纖代替保 偏光纖的尾纖，進而獲得更優的性能。
[0023] 圖10給出了一個偏振態分析儀的示意圖。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，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分析儀結構示意圖。通過在四分之一波片后放 置一個PBS用于偏振態分析。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，用于產生一 π /2相位延遲。
[0025] 圖12A和12B給出了在兩種不同探測器結構中探測電路的結構。
[0026] 圖13A和圖13B給出了第三種偏振分析儀的結構示意圖，其中13A給出設備的布 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構，該結構使用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分析儀的機構示意圖，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構光纖陀螺儀示意圖。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。如果使用一消偏光源，例如ASE光源，則采用一單模尾 纖。當偏振分束器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 入系統的光進行起偏。當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 行起偏。光源可以以芯片形式集成到虛框盒內，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構。使用兩起偏光纖的尾纖代替保偏光纖的尾纖，進而獲得更 優的性能。如果使用一個45度法拉第旋轉鏡取代分束器（BS)右側的四分之一波片，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構光纖陀螺儀。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行起偏。同時光源可以采用芯片方式集成到虛線框內部，進而 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，進而獲得更優的性能。如果使用45度法拉第旋轉 鏡代替分束器（BS)右側的四分之一波片，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構光纖陀螺儀結構示意圖。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行起偏。同時光源可以采用芯片方式集成到虛線 框內部，進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度法拉第旋轉鏡代替分束器（BS)右側的四分之一波片，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給出了兩種探測設備結構，該結構基于鎖相放大電路結構，用于提高 探測信號的信噪比。
[0033] 圖