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CN116045956B - 光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法 - Google Patents

光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法 Download PDF

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CN116045956B
CN116045956B CN202310338405.5A CN202310338405A CN116045956B CN 116045956 B CN116045956 B CN 116045956B CN 202310338405 A CN202310338405 A CN 202310338405A CN 116045956 B CN116045956 B CN 116045956B
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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法，包括如下步骤：
Figure ZY_1
线偏振光分解为两个正交偏振分量在保偏空芯光子晶体光纤环圈中传输一周，在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并经调制解调电路板解算出偏振态及偏振态变化角来表征光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与陀螺中整体偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。本发明提供的方法使得光纤陀螺具有小型化、高精度和高性能的优势。

Description

光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法。
背景技术
光纤陀螺基于 Sagnac 干涉原理，采用光纤绕成环圈形成闭合光路，以在其中相向传输的两束光之间的相位差表征旋转角速度。光纤陀螺具有全固态、高灵敏、长寿命、快启动、宽动态、低成本等特点，已广泛应用于海、陆、空、天等领域的惯性自主导航系统中，成为主流惯性仪表之一。当前，面对无人载体自主导航、智能弹药制导等领域对惯性元件小型化高精度的应用新需求，光纤陀螺下一阶段发展的主要方向之一是小几何尺度下如何实现高性能和高精度。由光学陀螺角速度敏感机理可见，干涉型光纤陀螺精度水平与Sagnac面积成正比，在保证Sagnac面积一定的情况下，即满足精度要求的前提下，相比常规光纤环圈尺寸，小几何尺度下需要绕制更长的光纤形成相同的Sagnac面积。
目前，光纤陀螺用传统光纤以锗硅材料作为纤芯，硼硅材料作为包层，在包层界面上发生全内反射以实现纤芯导光，在纤芯两侧的包层内穿插硼材料赋予光纤应力双折射以实现保偏。由于硼材料应力区域置于纤芯两侧，传统保偏光纤纤芯周边的材料均匀性差，致使其保偏能力对外部应力扰动敏感，同时长时间微弯曲下异质材料间断裂风险大，可靠性差。绕制光纤会在光纤内部产生弯曲应力，弯曲应力与硼材料施加的应力发生耦合，影响光纤的保偏性能和可靠性，且弯曲半径越小和绕制光纤越长，短期保偏性能和长期可靠性劣化越严重。综上，传统保偏光纤应用于小型化高精度光纤陀螺时存在机理性限制。
空芯光子晶体光纤利用具有周期格点结构特征的包层微结构形成光子带隙效应，使光波被束缚在空气纤芯中传输，将空气作为传输介质，光波对环境中热、磁和辐照等影响不再敏感，可实现理想的高稳定光传输，有助于提升光纤陀螺环境适应性。由于空芯光子晶体光纤周期格点结构特征使得空芯光子晶体光纤的抗弯曲性能极佳，此外空芯光子晶体纤芯横截面水平与垂直方向玻璃壁厚差异化设计可获得高保偏效果等优异光学性能，因此保偏空芯光子晶体光纤极为符合光纤陀螺小型化发展需求。但是为满足精度要求，需要光纤环圈需要绕制较长的光纤，其传输损耗过大，并短时间内难以数量级式改善，无法支撑干涉型光纤陀螺实现高精度的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法，采用保偏空芯光子晶体光纤制成保偏空芯光子晶体光纤环圈，构建小型化光路，充分利用保偏空芯光子晶体光纤弯曲性能好的优势同时提升光纤陀螺环境适应性，基于偏振测量光纤陀螺的旋转速率测量技术，在保证空芯光子晶体光纤陀螺小型化及精度要求的情况下，降低了空芯光子晶体光纤使用长度，规避了空芯光子晶体光纤传输损耗过大的工程应用问题，独创性地提出波长调制方法可消除陀螺长期漂移误差，保证了光纤陀螺小型化、高精度和高性能的特征。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括如下步骤：
步骤一：波长可调谐激光器输出的光经起偏器生成
Figure SMS_1
线偏振光，
Figure SMS_2
线偏振光在偏振分束器输入端口处等强度的分解为竖直偏振分量光和水平偏振分量光，竖直偏振分量光经偏振分束器透射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤慢轴中传输一周，水平偏振分量光经偏振分束器反射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤快轴中传输一周，竖直偏振分量光和水平偏振分量光分别返回到偏振分束器；
步骤二：竖直偏振分量光和水平偏振分量光在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；
步骤三：偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并将光强信号转换成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板解算出待测偏振光的偏振态及偏振态变化角来表征空芯光子晶体光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器，使波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。
进一步，步骤三中，波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略进行偏振态调制时，扫略前半周期及扫略后半周期的时长均等于光纤环圈渡越时间
Figure SMS_3
的整数倍，调制偏振态变化角大于待测偏振光偏振态变化角。
进一步，偏振态检测模块检测待测偏振光的光强时，将待测偏振光平均分成四路光信号投射到四路检测通道，第一检测通道投射水平方向的光波经第一光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_5
，并将光强信号
Figure SMS_10
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第二检测通道投射竖直方向的光波经第二光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_12
，并将光强信号
Figure SMS_7
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第三检测通道投射与水平方向成
Figure SMS_11
夹角的光波经第三光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_14
，并将光强信号
Figure SMS_17
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第四检测通道投射与水平方向成
Figure SMS_4
夹角的光波经第四光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_8
，并将光强信号
Figure SMS_13
转化成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板根据式（1）至（4）计算出斯托克斯参数
Figure SMS_16
、
Figure SMS_6
、
Figure SMS_9
、
Figure SMS_15
后，然后根据斯托克斯参数得到输入光的偏振态及偏振态变化角：
Figure SMS_18
（1）
Figure SMS_19
（2）
Figure SMS_20
（3）
Figure SMS_21
（4）
其中，
Figure SMS_22
为输入光强，
Figure SMS_23
为光波在邦加球
Figure SMS_24
坐标轴向对应的坐标，
Figure SMS_25
为光波在邦加球
Figure SMS_26
坐标轴向对应的坐标，
Figure SMS_27
为光波在邦加球
Figure SMS_28
坐标轴向对应的坐标。
进一步，第一检测通道通过通光轴为水平方向的第一偏振片投射水平方向的光波，第二检测通道通过通光轴为竖直方向的第二偏振片投射竖直方向的光波，第三检测通道通过通光轴为与水平方向成
Figure SMS_29
夹角的第三偏振片投射与水平方向成
Figure SMS_30
夹角的光波，第四检测通道通过双折射轴为水平方向的四分之一波片及通光轴为与水平方向成
Figure SMS_31
夹角的第四偏振片投射与水平方向成
Figure SMS_32
夹角的光波。
优化的，水平偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈快轴中传输，竖直偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈慢轴中传输。
一种光纤陀螺，用以执行上述任一项所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括波长可调谐激光器、起偏器、偏振分束器、保偏空芯光子晶体光纤环圈、偏振态检测模块和调制解调电路板，波长可调谐激光器的输出端与起偏器的输入端耦合连接，起偏器的输出端与偏振分束器的输入端耦合连接，偏振分束器的两个输出端分别与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接，偏振分束器的检测端与偏振态检测模块输入端耦合连接，偏振态检测模块的输出端与调制解调电路板的输入端连接，调制解调电路板的控制端与波长可调谐激光器的输入端连接。
进一步，偏振态检测模块包括四个检测通道，第一检测通道依次设有第一偏振片及第一光电探测器，第一偏振片的通光轴为水平方向，第二检测通道依次设有第二偏振片及第二光电探测器，第二偏振片的通光轴为竖直方向，第三检测通道依次设有第三偏振片及第三光电探测器，第三偏振片的通光轴与水平方向成
Figure SMS_33
夹角，第四检测通道依次设有四分之一波片、第四偏振片及第四光电探测器，四分之一波片的双折射轴为水平方向，第四偏振片的通光轴与水平方向成
Figure SMS_34
夹角。
优化的，偏振分束器的两个输出端分别通过光纤准直密封接头与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接。
发明的有益效果：
本发明采用保偏空芯光子晶体光纤制成保偏空芯光子晶体光纤环圈，构建小型化光路，充分利用保偏空芯光子晶体光纤弯曲性能好的优势同时提升光纤陀螺环境适应性，基于偏振测量光纤陀螺的旋转速率测量技术，在保证空芯光子晶体光纤陀螺小型化及精度要求的情况下，降低了空芯光子晶体光纤使用长度，规避了空芯光子晶体光纤传输损耗过大的工程应用问题，独创性地提出波长调制方法，可消除陀螺长期漂移误差，保证了光纤陀螺小型化、高精度和高性能的特征。
附图说明
图1为本发明空芯光子晶体光纤陀螺结构示意图。
图2本发明旋转导致偏振态变化在邦加球大圆上移动的示意图。
图3为本发明调制偏振态变化角随时间的变化示意图。
图4为本发明偏振态检测模块结构示意图。
图中：1.波长可调谐激光器，2.起偏器，3.偏振分束器，4.光纤准直密封接头，5.保偏空芯光子晶体光纤环圈，6.偏振态检测模块，7.调制解调电路板，8.第一偏振片，9.第一光电探测器，10.第二偏振片，11.第二光电探测器，12.第三偏振片，13.第三光电探测器，14.第四光电探测器，15.第四偏振片，16.四分之一波片。
具体实施方式
一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括如下步骤：
步骤一：波长可调谐激光器输出的光经起偏器生成
Figure SMS_35
线偏振光，
Figure SMS_36
线偏振光在偏振分束器输入端口处等强度的分解为竖直偏振分量光和水平偏振分量光，竖直偏振分量光经偏振分束器透射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤慢轴中传输一周，水平偏振分量光经偏振分束器反射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤快轴中传输一周，竖直偏振分量光和水平偏振分量光分别返回到偏振分束器；
步骤二：竖直偏振分量光和水平偏振分量光在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；
步骤三：偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并将光强信号转换成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板解算出待测偏振光的偏振态及偏振态变化角来表征空芯光子晶体光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器，使波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。
进一步，步骤三中，波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略进行偏振态调制时，扫略前半周期及扫略后半周期的时长均等于光纤环圈渡越时间
Figure SMS_37
的整数倍，调制偏振态变化角大于待测偏振光偏振态变化角。
本发明基于空芯光子晶体光纤包层周期格点结构特征及具有良好的抗弯性能的优势，将其制作成保偏空芯光子晶体光纤环圈，应用于空芯光子晶体光纤陀螺的光路中，大幅降低了光纤的最小绕制半径，满足了光纤陀螺的小型化发展需求，这里的空芯光子晶体光纤为现有技术，具体结构不再赘述。同时在较短的闭合光路下通过光偏振态测量，降低了对光纤长度的要求，规避了空芯光子晶体光纤传输损耗过大的工程应用问题，并通过波长调制方法消除了陀螺长期漂移误差，提升了旋转速率长期测量的稳定性，满足了光纤陀螺长航时高精度的要求。
其原理如下所述：
将
Figure SMS_38
线偏振光等强度地分解到两个正交的偏振分量上，即水平偏振分量与竖直偏振分量，两正交偏振分量在闭合光路内相向传输，由于两光束彼此正交，重新汇聚并不发生干涉，仅是组合形成偏振光。当敏感轴方向上存在旋转时，导致的差分群延迟（Differential Group Delay, DGD）将在两正交偏振分量之间产生一个相位差，重新汇聚形成偏振光，其偏振态随之变化，相位差即旋转偏振态变化角
Figure SMS_39
，旋转偏振态变化角
Figure SMS_40
与旋转速率成正比，因此相对入射光束初始偏振态，重新汇聚光的偏振态变化量，即旋转偏振态变化角与敏感轴方向上的旋转速率成正比，如式（5）所示：
Figure SMS_41
(5)
式中，
Figure SMS_42
为旋转引起的差分群延迟；
Figure SMS_43
为光源中心波长；
Figure SMS_44
为闭合光路面积；
Figure SMS_45
为光速，
Figure SMS_46
为旋转速率。
研究表面在长时间工作下，通过偏振态测量实现旋转速率获取的方法存在角速率输出随着时间缓慢变化的现象，即存在漂移，该漂移特性与旋转偏振态变化角
Figure SMS_47
的正负符号相关且随时间累积，无法支撑长航时高精度导航应用。
旋转导致偏振态变化在邦加球大圆上移动的示意图如图2所示，光束进入偏振分束器输入端口之前的电场表达式如式（6）所示，两正交偏振分量通过光环路传输并在偏振分束器输出端口再汇合后，由于偏振态变化，其电场表达式变为式（7）：
Figure SMS_48
(6)
Figure SMS_49
(7)
其中：
Figure SMS_52
为偏振光在透射轴向的分量，
Figure SMS_54
为偏振光在反射轴向的分量，
Figure SMS_56
为电场振幅，
Figure SMS_51
为偏振分束器输入光电场矢量，
Figure SMS_53
为偏振分束器输出光电场矢量，
Figure SMS_55
表示旋转偏振态变化角
Figure SMS_57
余弦与复数的旋转偏振态变化角
Figure SMS_50
正弦之和；
由于采用的空芯光子晶体光纤是保偏光纤，具有光传输的两个主轴即慢轴和快轴，快慢轴之间的折射率差即为双折射率
Figure SMS_58
，两正交偏振分量分别在保偏空芯光子晶体光纤环圈快慢轴中相向传输一周后，产生的相位差即偏振态变化角
Figure SMS_59
，如式（8）所示：
Figure SMS_60
（8）
其中：
Figure SMS_61
为光纤长度，
Figure SMS_62
为波长；
由式（8）可见，调制波长即可实现偏振分束器输出端口处光偏振态的调制，保偏空芯光子晶体光纤双折射率
Figure SMS_63
会对陀螺系统产生一个固定的偏振态变化角偏置，不影响调制与旋转速率测量效果。
若调制解调电路板控制波长可调谐激光器使输出光波长在预设波长范围（
Figure SMS_66
至
Figure SMS_67
，
Figure SMS_69
）内以匀速往复扫略，前半周期波长后向扫略，即从
Figure SMS_65
至
Figure SMS_68
进行扫描，后半周期波长前向扫略，即从
Figure SMS_70
至
Figure SMS_71
进行扫描，扫描过程中前半周期和后半周期的偏振态变化角数值大小相等，表示为
Figure SMS_64
，符号相反，偏振态变化角形成正负对称的调制。
调制时，前、后半周期时长均等于光纤环圈渡越时间
Figure SMS_72
的整数倍，调制偏振态变化角随时间的变化如图3所示，为正负对称的锯齿波形，幅值大小为
Figure SMS_73
。陀螺中整体偏振态变化角
Figure SMS_74
如式（9）所示，
Figure SMS_75
由旋转偏振态变化角
Figure SMS_76
、调制偏振态变化角
Figure SMS_77
和与调制偏振态变化角符号相关的趋势项漂移
Figure SMS_78
构成。
Figure SMS_79
(9)
通过选取合适的调制偏振态变化角，即
Figure SMS_81
，并且前、后半周期时长均等于光纤环圈渡越时间
Figure SMS_84
的整数倍，可以使趋势项漂移
Figure SMS_87
的符号一直与调制偏振态变化角
Figure SMS_80
的符号保持一致，即调制偏振态变化角
Figure SMS_83
的符号为正，产生的趋势项漂移
Figure SMS_86
的符号也为正，调制偏振态变化角
Figure SMS_89
的符号为负，产生的趋势项漂移
Figure SMS_82
的符号也为负，则前半周期产生的符号为正的趋势项漂移误差刚好与后半周期产生的符号为负的趋势项漂移误差抵消，前半周期的符号为正的调制偏振态变化角刚好与后半周期的符号为负的调制偏振态变化角抵消，旋转偏振态变化角
Figure SMS_85
则增倍保留，使得陀螺中整体偏振态变化角
Figure SMS_88
只与旋转偏振态变化角
Figure SMS_90
，相对比较稳定，有助于提升陀螺长期输出稳定性。
进一步，偏振态检测模块检测待测偏振光的光强时，将待测偏振光平均分成四路光信号投射到四路检测通道，第一检测通道投射水平方向的光波经第一光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_92
，并将光强信号
Figure SMS_98
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第二检测通道投射竖直方向的光波经第二光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_101
，并将光强信号
Figure SMS_94
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第三检测通道投射与水平方向成
Figure SMS_95
夹角的光波经第三光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_102
，并将光强信号
Figure SMS_103
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第四检测通道投射与水平方向成
Figure SMS_91
夹角的光波经第四光电探测器检测光强信号为
Figure SMS_97
，并将光强信号
Figure SMS_100
转化成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板根据式（1）至（4）计算出斯托克斯参数
Figure SMS_104
、
Figure SMS_93
、
Figure SMS_96
、
Figure SMS_99
后，然后根据斯托克斯参数得到输入光的偏振态及偏振态变化角：
Figure SMS_105
（1）
Figure SMS_106
（2）
Figure SMS_107
（3）
Figure SMS_108
（4）。
式（1）中的
Figure SMS_109
即为输入光强，相当于坐标原点，
Figure SMS_110
为光波在邦加球
Figure SMS_111
坐标轴向对应的坐标，
Figure SMS_112
为光波在邦加球
Figure SMS_113
坐标轴向对应的坐标，
Figure SMS_114
为光波在邦加球
Figure SMS_115
坐标轴向对应的坐标。
进一步，第一检测通道通过通光轴为水平方向的第一偏振片投射水平方向的光波，第二检测通道通过通光轴为竖直方向的第二偏振片投射竖直方向的光波，第三检测通道通过通光轴为与水平方向成
Figure SMS_116
夹角的第三偏振片投射与水平方向成
Figure SMS_117
夹角的光波，第四检测通道通过双折射轴为水平方向的四分之一波片及通光轴为与水平方向成
Figure SMS_118
夹角的第四偏振片投射与水平方向成
Figure SMS_119
夹角的光波。通过上述设置，可以将待测偏振光平均分配到四个检测通道，并且使通过每个检测通道的光波方向不同，获知光波在邦加球上对应的坐标点，有利于调制解调电路板根据检测结果解算出输入光的偏振态及偏振态变化角。
优化的，水平偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈快轴中传输，竖直偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈慢轴中传输。光纤准直密封接头具有很好的密封效果，可以防止发生光泄漏，保证检测结果的准确性，光纤准直密封接头为现有技术，这里不再赘述。
一种光纤陀螺，具体结构示意图如图1所示，用以执行上述任一项所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其包括波长可调谐激光器1、起偏器2、偏振分束器3、保偏空芯光子晶体光纤环圈5、偏振态检测模块6和调制解调电路板7，波长可调谐激光器的输出端与起偏器的输入端耦合连接，起偏器的输出端与偏振分束器的输入端耦合连接，偏振分束器的两个输出端分别与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接，偏振分束器的检测端与偏振态检测模块输入端耦合连接，偏振态检测模块的输出端与调制解调电路板的输入端连接，调制解调电路板的控制端与波长可调谐激光器的输入端连接。
进一步，偏振态检测模块结构示意图如图4所示，其包括四个检测通道，第一检测通道依次设有第一偏振片8及第一光电探测器9，第一偏振片的通光轴为水平方向，第二检测通道依次设有第二偏振片10及第二光电探测器11，第二偏振片的通光轴为竖直方向，第三检测通道依次设有第三偏振片12及第三光电探测器13，第三偏振片的通光轴与水平方向成
Figure SMS_120
夹角，第四检测通道依次设有四分之一波片16、第四偏振片15及第四光电探测器14，四分之一波片的双折射轴为水平方向，第四偏振片的通光轴与水平方向成
Figure SMS_121
夹角。
第一偏振片的通光轴为水平方向，使得第一检测通道只允许水平方向的光通过，第二偏振片的通光轴为竖直方向，使得第二检测通道只允许竖直方向的光通过，第三偏振片的通光轴与水平方向成
Figure SMS_122
夹角，使得第三检测通道只允许与水平方向成
Figure SMS_123
夹角的光通过，第四检测通道设有四分之一波片及第四偏振片，只允许与水平方向成
Figure SMS_124
夹角的光通过，从而使通过每个检测通道的光波方向不同，获知光波在邦加球上对应的坐标点，有利于调制解调电路板根据检测结果解算出输入光的偏振态及偏振态变化角。
优化的，偏振分束器的两个输出端分别通过光纤准直密封接头4与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光纤准直密封接头具有很好的密封效果，可以防止发生光泄漏，保证检测结果的准确性。
综上所述，本发明提出的光纤陀螺及其基于光偏振态感测旋转的方法，构建小型化光路，充分利用保偏空芯光子晶体光纤弯曲性能好的优势同时提升光纤陀螺环境适应性，基于偏振测量光纤陀螺的旋转速率测量技术，降低了空芯光子晶体光纤使用长度，规避了空芯光子晶体光纤传输损耗过大的工程应用问题，采用波长调制方法，可消除陀螺长期漂移误差，保证了光纤陀螺小型化、高精度和高性能的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：波长可调谐激光器输出的光经起偏器生成
Figure QLYQS_1
线偏振光，
Figure QLYQS_2
线偏振光在偏振分束器输入端口处等强度的分解为竖直偏振分量光和水平偏振分量光，竖直偏振分量光经偏振分束器透射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤慢轴中传输一周，水平偏振分量光经偏振分束器反射出后在保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤快轴中传输一周，竖直偏振分量光和水平偏振分量光分别返回到偏振分束器；
步骤二：竖直偏振分量光和水平偏振分量光在偏振分束器输出端口重新汇聚组合形成待测偏振光投射到偏振态检测模块；
步骤三：偏振态检测模块检测出待测偏振光的光强，并将光强信号转换成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板解算出待测偏振光的偏振态及偏振态变化角来表征空芯光子晶体光纤陀螺的旋转速率，同时调制解调电路板控制波长可调谐激光器，使波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略形成偏振态调制，消除与陀螺中整体偏振态变化角相关的趋势项漂移误差。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：步骤三中，波长可调谐激光器输出的光波长在预设波长范围内以匀速往复扫略进行偏振态调制时，扫略前半周期及扫略后半周期的时长均等于光纤环圈渡越时间
Figure QLYQS_3
的整数倍，调制偏振态变化角大于待测偏振光偏振态变化角。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：偏振态检测模块检测待测偏振光的光强时，将待测偏振光平均分成四路光信号投射到四路检测通道，第一检测通道投射水平方向的光波经第一光电探测器检测光强信号为
Figure QLYQS_5
，并将光强信号
Figure QLYQS_8
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第二检测通道投射竖直方向的光波经第二光电探测器检测光强信号为
Figure QLYQS_12
，并将光强信号
Figure QLYQS_6
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第三检测通道投射与水平方向成
Figure QLYQS_9
夹角的光波经第三光电探测器检测光强信号为
Figure QLYQS_14
，并将光强信号
Figure QLYQS_17
转化成电压信号发送给调制解调电路板，第四检测通道投射与水平方向成
Figure QLYQS_4
夹角的光波经第四光电探测器检测光强信号为
Figure QLYQS_10
，并将光强信号
Figure QLYQS_13
转化成电压信号发送给调制解调电路板，调制解调电路板根据式（1）至（4）计算出斯托克斯参数
Figure QLYQS_15
、
Figure QLYQS_7
、
Figure QLYQS_11
、
Figure QLYQS_16
后，然后根据斯托克斯参数得到输入光的偏振态及偏振态变化角：
Figure QLYQS_18
（1）
Figure QLYQS_19
（2）
Figure QLYQS_20
（3）
Figure QLYQS_21
（4）
其中：
Figure QLYQS_22
为输入光强，
Figure QLYQS_23
为光波在邦加球
Figure QLYQS_24
坐标轴向对应的坐标，
Figure QLYQS_25
为光波在邦加球
Figure QLYQS_26
坐标轴向对应的坐标，
Figure QLYQS_27
为光波在邦加球
Figure QLYQS_28
坐标轴向对应的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：第一检测通道通过通光轴为水平方向的第一偏振片投射水平方向的光波，第二检测通道通过通光轴为竖直方向的第二偏振片投射竖直方向的光波，第三检测通道通过通光轴为与水平方向成
Figure QLYQS_29
夹角的第三偏振片投射与水平方向成
Figure QLYQS_30
夹角的光波，第四检测通道通过双折射轴为水平方向的四分之一波片及通光轴为与水平方向成
Figure QLYQS_31
夹角的第四偏振片投射与水平方向成
Figure QLYQS_32
夹角的光波。
5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：水平偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈快轴中传输，竖直偏振分量光通过光纤准直密封接头耦合到保偏空芯光子晶体光纤环圈另一端尾纤在保偏空芯光子晶体光纤环圈慢轴中传输。
6.一种光纤陀螺，用以执行如权利要求1至5任一项所述的一种光纤陀螺基于光偏振态感测旋转的方法，其特征在于：包括波长可调谐激光器、起偏器、偏振分束器、保偏空芯光子晶体光纤环圈、偏振态检测模块和调制解调电路板，波长可调谐激光器的输出端与起偏器的输入端耦合连接，起偏器的输出端与偏振分束器的输入端耦合连接，偏振分束器的两个输出端分别与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接，偏振分束器的检测端与偏振态检测模块输入端耦合连接，偏振态检测模块的输出端与调制解调电路板的输入端连接，调制解调电路板的控制端与波长可调谐激光器的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺，其特征在于：所述偏振态检测模块包括四个检测通道，第一检测通道依次设有第一偏振片及第一光电探测器，第一偏振片的通光轴为水平方向，第二检测通道依次设有第二偏振片及第二光电探测器，第二偏振片的通光轴为竖直方向，第三检测通道依次设有第三偏振片及第三光电探测器，第三偏振片的通光轴与水平方向成
Figure QLYQS_33
夹角，第四检测通道依次设有四分之一波片、第四偏振片及第四光电探测器，四分之一波片的双折射轴为水平方向，第四偏振片的通光轴与水平方向成
Figure QLYQS_34
夹角。
8.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺，其特征在于：偏振分束器的两个输出端分别通过光纤准直密封接头与保偏空芯光子晶体光纤环圈的两个尾纤耦合连接。
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