[發(fā)明專利]光纖陀螺儀的數(shù)字域平衡探測(cè)方法及裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210037835.5
• 申請(qǐng)日: 2012-02-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102607547A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王子南;楊易;李永嘯;張振榮;李正斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/72
• 分類號(hào): G01C19/72
• 代理公司: 北京鴻元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 林錦輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地，涉及一種光纖陀螺儀的數(shù)字域平衡探測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)

陀螺儀是一種轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，用于測(cè)定其所在載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。陀螺儀被廣泛的應(yīng)用在各種飛行器及武器的制導(dǎo)，工業(yè)及軍事的多種精密測(cè)量等領(lǐng)域。常見(jiàn)的陀螺儀有三種類型：機(jī)械陀螺儀，激光陀螺儀，和光纖陀螺儀(Fiber-optic?gyroscope，F(xiàn)OG)。后兩者皆為光學(xué)陀螺儀。光學(xué)陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高等特點(diǎn)，但是穩(wěn)定度不及一些現(xiàn)代機(jī)械陀螺。由于應(yīng)用的需要，新型的陀螺儀應(yīng)具有高的靈敏度與穩(wěn)定度，較低的成本和功耗，以及體積小等特征。

光學(xué)陀螺儀的原理基于薩格納克效應(yīng)(Sagnac?effect)。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè)较?CW)和逆時(shí)針?lè)较?CCW)傳輸?shù)膬墒獍l(fā)生干涉，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。薩格納克效應(yīng)的一種常見(jiàn)表達(dá)方式是順時(shí)針?lè)较?CW)和逆時(shí)針?lè)较?CCW)傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生了與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的相位差，這個(gè)相位差被稱作薩格納克相移，表達(dá)式如下：

Δφ=4ωAc2Ω]]>等式(1)

其中ω為光的頻率，c為真空中光速，A是光路所圍的面積，Ω為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。在干涉式光纖陀螺儀中，常采用較長(zhǎng)的光纖繞制成多匝陀螺線圈。在這種情況下，薩格納克效應(yīng)的一個(gè)使用較方便的表達(dá)式為

Δφ=2πLDλcΩ]]>等式(2)

其中L為光纖的長(zhǎng)度，D為光纖線圈直徑，λ為光波的波長(zhǎng)。

光纖陀螺儀的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是薩格納克干涉儀，該結(jié)構(gòu)需要滿足分束器互易、單模互易、偏振互易等互易性條件。互易性保證了CW光和CCW光的傳播狀態(tài)及路徑完全一致，起到了“共模抑制”的作用，以消除多種寄生效應(yīng)造成的偏差。圖1示出了光纖陀螺儀的最小互易性結(jié)構(gòu)。兩個(gè)耦合器的使用是為了保證兩束光經(jīng)過(guò)耦合器的累計(jì)相移相同，即保證耦合器互異性。而起偏器保證了兩束光傳播在同一偏振模式，即偏振互易性。

采用保偏光纖是保證光纖陀螺結(jié)構(gòu)的互異性一個(gè)有效手段，只將一種偏振模式的光用于檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，而抑制另一個(gè)方向的偏振光以實(shí)現(xiàn)互易性。但在工程應(yīng)用中，保偏光纖陀螺依然存在成本高，對(duì)彎曲敏感，對(duì)磁場(chǎng)敏感等問(wèn)題。因而人們又提出了消偏方案，采用消偏器和單模光纖搭建較低成本的光纖陀螺結(jié)構(gòu)。

為了使光纖陀螺儀工作在靈敏度較高的狀態(tài)，需要在光纖線圈(即，光纖環(huán))的一端加上相位調(diào)制(例如，PZT相位調(diào)制器)，如圖2所示。PZT相位調(diào)制器使兩束光波在不同時(shí)間受到相位調(diào)制φ_m(t)，產(chǎn)生一個(gè)相位差，如下

Δφ(t)＝φ_CCW(t)-φ_CW(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)?????等式(3)

其中τ＝n_effL/c表示光通過(guò)整個(gè)光纖線圈長(zhǎng)度的傳輸時(shí)間，n_eff是光纖的有效折射率。施加調(diào)制后，干涉光強(qiáng)信號(hào)為

I_D＝I₀{1+cos[φ_S+Δφ(t)]}???????????等式(4)

開(kāi)環(huán)干涉式光纖陀螺中通常采用單頻正弦波調(diào)制

φ_m(t)＝φ₀sin(ω_mt)???????????等式(5)

此時(shí)