集成干涉光学陀螺仪、组件、系统和计算旋速信息的方法与流程

本发明涉及光学陀螺仪领域，尤其涉及一种集成干涉光学陀螺仪、组件、系统和计算旋速信息的方法。

背景技术：

1、传统干涉式光学陀螺仪的配置如图1所示。光源发出的光被50/50耦合器分开，进入到单模波导线圈中形成顺时针和逆时针光束。当陀螺仪垂直于平面旋转时，反向传播的两路光经历不同的相移，该相移与旋转速度成正比。返回的光再经过50/50耦合器干涉后，相移被转换为强度信息。光经过环形器后由光电探测器检测到。环形器作为分立的光学器件，通常基于磁光介质材料，很难应用在单片集成芯片方案中；此外，环形器也有一定的损耗，约1-2db；也增加了成本。不采用环形器则会有反射光到光源，这通常是不希望的。50/50耦合器也经常用来替代环形器，以提取返回的光送至探测器，但是这个50/50耦合器会导致额外的链路损耗，例如来回共两次经过50/50耦合器导致2×3db＝6db损耗，并且有部分反射光会经过50/50耦合器返回光源进而对光源造成影响。

2、上述环形器或50/50耦合器的额外损耗和反射等问题都影响了干涉式光学陀螺仪的性能。此外，系统误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性产生影响，也需要进一步改善。所以，基于集成陀螺仪方案去除了环行器或50/50耦合器的使用，避免反射光波到光源，并且消除系统误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性产生影响的意义重大。因此，亟需一种新型的集成干涉光学陀螺仪、组件、系统和计算旋速信息的方法以改善上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集成干涉光学陀螺仪、组件、系统和计算旋速信息的方法，该集成干涉陀螺仪链路光损耗低，避免发射光至光源，进而提高了干涉式光学陀螺仪的各项性能，也简化了制造，降低了成本。此外该集成干涉陀螺仪系统可以消除了系统误差、漂移或扰动、环境温度变化等对陀螺仪性能稳定性的影响。

2、第一方面，本发明提供一种集成干涉光学陀螺仪，包括：光源模块、第一耦合模块、第二耦合模块、两个偏振分离旋转模块、光电探测模块和螺旋波导模块；所述第一耦合模块用于将光源模块发出的一束光波分为两束光波；两个所述偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，用于将所述两束同为te偏振态的光波转换为横电(transverse electric，te)和横磁(transverse magnetic，tm)两种偏振态，并送至螺旋波导模块5的两端，使其各自在螺旋波导模块5中以相反方向传输，然后接收经过螺旋波导模块5之后的两束光并将两者偏振态都转换回相同的te模；所述第二耦合模块用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波；所述光电探测模块与所述第二耦合模块连接，用于根据所述合成光波获取陀螺仪的旋转速度信息。

3、本发明的方法有益效果为：本发明提供的集成干涉光学陀螺仪中的两个偏振分离旋转模块分别连接所述螺旋波导模块的远心端和近心端，将所述两束光波分别以te模和tm模偏振态经由螺旋波导模块传输。本发明提供的所述第二耦合模块用于将从所述远心端和所述近心端输出的两束光波合并为一束合成光波，所述光电探测模块与所述第二耦合模块连接，本发明无需环形器，也不会产生射向光源的反射光，能够避免光波的损耗，有利于提升集成干涉光学陀螺仪的性能。上述te和tm偏振态的两束光波在陀螺仪静止状态下具有固定的相位差，可以通过合理设计这个固定的相位差使得集成干涉型光学陀螺仪工作在最佳的工作点上，更有效的获取旋转速度信息。

4、可选的，所述偏振分离旋转模块用于将两束te模偏振态的光波转化为一束te模叠加tm模偏振态的光波；或所述偏振分离旋转模块用于将一束te模叠加tm模偏振态的光波转化为两束te模偏振态的光波；所述螺旋波导模块同时支持te模和tm模的偏振光在其中传输；在同一所述螺旋波导模块中，所述te模偏振态的光波和所述tm模的偏振态的光波的传输方向相反。

5、可选的，还包括偏振控制模块；所述偏振控制模块与至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调整或控制光波的偏振模态，例如，滤除不需要的tm偏振光进而值保留需要的te偏振光。

6、可选的，还包括可调光衰减模块；所述可调光衰减模块与所述第二耦合模块连接，用于调整两干涉臂上的光波的强度，进而提升干涉效果。

7、可选的，还包括相位调制模块；所述相位调制模块分别与所述第一耦合模块和至少一个偏振分离旋转模块连接，用于调制光波的相位进而调节干涉型光学陀螺仪在工作点。

8、可选的，还包括延迟线；所述延迟线分别与光源模块和所述第一耦合模块连接，用于延迟光波。

9、可选的，所述第一耦合模块和第二耦合模块均连接有光源模块和光电探测模块。

10、第二方面，本发明提供一种光学陀螺仪组件，包括两个陀螺仪，两个所述陀螺仪的中te模偏振光的传播方向彼此相反；两个所述陀螺仪的中tm模偏振光的传播方向彼此相反。

11、可选的，所述两个所述陀螺仪的光源模块和光电探测模块的连接位置相反。

12、可选的，所述两个所述陀螺仪的偏振分离旋转模块的端口方向不同。

13、可选的，所述两个所述陀螺仪共用同一个光源模块；所述光源模块发出的一束光波通过耦合模块分为四束光波。

14、第三方面，本发明提供一种计算陀螺仪转速信息的方法，用于通过第一方面中任一项所述的陀螺仪获取旋转速度信息，包括：将一束光波分为两束te模式的光波；将所述两束te模式的光波转换为一束te模式的光波和一束tm模式的光波；将所述一束te模式的光波和所述一束tm模式的光波均经由螺旋波导模块传输；将所述一束te模式的光波和所述一束tm模式的光波转化为两束te光波后合并为一束合成光波；计算光电探测模块检测到的光强度信息，然后将所述光强度信息转化为总相位信息，以获取旋转速度信息。

15、由于te模和tm模两种偏振光的有效折射率不同，两者经过螺旋波导模块后产出一个固定的相位差，用φ0表示。当该陀螺仪垂直于平面旋转时，反向传播的两路光经历不同的相移，用φr表示，该相移与旋转速度成正比。返回的光再经过耦合模块干涉后，相移被转换为光强度信息，由光电探测模块检测到。通过光电探测模块检测到的信号，可以提取φr，进而可以获取旋转速度信息。当φ0为π/2+k×π时，k为任意整数，干涉光学陀螺仪在最佳工作点上。

16、所述最佳工作点即光强度相对于角速度曲线上的斜率最大处，也即变化最敏感处。可以通过设置螺旋波导线圈的波导截面尺寸和形状、波导长度来设置初始φ0为π/2+k×π，k为任意整数，使之在最佳工作点上，也可以通过相位调制模块来调节到该最佳工作点。另一些具体的实施例中，光电探测模块检测到的总相位φtotal满足：

17、

18、其中，neff,te和neff,tm分别是te模偏振光和tm模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，l为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，a为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，ω为待检测的角速度。

19、第四方面，本发明提供一种计算陀螺仪组件转速信息的方法，用于通过第二方面中任一项所述的陀螺仪组件获取旋转速度信息，包括：在每一个陀螺仪中，将一束光波分为两束te模式的光波；将所述两束te模式的光波转换为一束te模式的光波和一束tm模式的光波；将所述一束te模式的光波和所述一束tm模式的光波分别经由两个陀螺仪的螺旋波导模块传输，te模式的光波和tm模式的光波在两个陀螺仪的螺旋波导模块中方向相反；将所述一束te模式的光波和所述一束tm模式的光波转化为两束te光波后合并为一束合成光波；计算第一个陀螺仪的光电探测模块检测到的第一光强度信息，将所述第一光强度信息转化为第一总相位信息；计算第二个陀螺仪的光电探测模块检测到的第二光强度信息，将所述第二光强度信息转化为第二总相位信息；第一总相位信息第二总相位信息与取平均数，以获取旋转速度信息。

20、为降低或消除环境对固定相位差φ0影响，本实施例还可以进一步拓展。示例性的，包含两个该集成干涉光学陀螺仪，其具有相同的螺旋波导线圈，只是第二个集成干涉光学陀螺仪的进光和出光方向有所调整，使得两个集成干涉光学陀螺仪中te模和tm模偏振光的传播方向都彼此相反，分别逆时针和顺时针传播。这样，第二个集成干涉光学陀螺仪中te模和tm模光经过线圈后产出的固定相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪的相反，即-φ0，而旋转产生的相位差与第一个集成干涉光学陀螺仪相同，都为φr。第一个集成干涉光学陀螺仪产生的总相位变化φtotal满足：

21、

22、其中，neff,te和neff,tm分别是te模偏振光和tm模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，l为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，a为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，ω为待检测的角速度。

23、第二个集成干涉光学陀螺仪产生的总相位变化φtotal‘′满足：

24、

25、其中，neff,te和neff,tm分别是te模偏振光和tm模偏振光在螺旋波导线圈中的有效折射率，l为螺旋线圈总长度，λ为工作波长，a为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，ω为待检测的角速度。接下来，通过将两个集成干涉光学陀螺仪产生的相位求平均数，可以消掉φ0项，即消除了系统误差、漂移或扰动的影响，反向传播的两路光经历不同的相移φr满足：

26、

27、其中，λ为工作波长，a为螺旋波导线圈的总面积，c为真空光速，ω为待检测的角速度。

28、第五方面，本发明提供一种干涉光学陀螺仪系统，包括外围电路、机械封装部件和第一方面中任一项所述的陀螺仪；所述外围电路包括处理器、控制器、驱动器、信号采集器、校准器和温度传感器中的至少一种；所述机械封装部件包括外壳、底座、垫片、光/电接口、减震器和mems中的至少一种；所述其他光学部件包括透镜、棱镜、反射镜、隔离器、光学镀膜、光纤连接线及接口中的至少一种。

29、可选的，三个所述光学陀螺仪系统朝三个方向放置，用于探测三个方向的角速度信息；三个所述光学陀螺仪系统与外置的三个加速度传感器相配合，用于组成一个惯性传感系统。