[發明專利]光纖薩格納克干涉儀及其控制方法

有效

• 申請號: 201210119286.6
• 申請日: 2012-04-20
• 公開（公告）號: CN102749077A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: O·德彼-瑞保德
• 申請（專利權）人: 諾思羅普·格魯曼·利特夫有限責任公司
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇

技術領域

本發明涉及一種光纖Sagnac(薩格納克)干涉儀以及一種用于控制光纖薩格納克干涉儀的方法。

背景技術

光纖薩格納克干涉儀通常用于航空器和水運工具，但也可以用于陸運工具。光纖薩格納克干涉儀的優點在于當獲知移動速度時能夠自主確定空間中的位置，從而允許精確確定車輛的位置。因此，沒有必要例如經由GPS信號或經由衛星通信從外部提供相應的定向用數據。

在大多數情況下，光纖薩格納克干涉儀是慣性導航系統的組成部分，利用光纖薩格納克干涉儀可以確定物體在空間中的位置或旋轉運動。基于以慣性導航系統的三個空間軸為基準所記錄的作用于物體的轉動速度和加速度來進行這種確定。通過獲知特定時間段內作用于物體的轉動速度和加速度，可以精確地確定物體相對于初始位置的位置。當準確得知初始位置時，還總是可以確定物體在空間中的當前絕對位置。

可以以多種方式來實現慣性導航系統，原則上檢測作用于物體的轉動速度和加速度構成位置確定的基礎。代替機械效應，慣性導航系統還可以利用光學效應。這種慣性導航系統可以基于至少一個光纖薩格納克干涉儀。光纖薩格納克干涉儀利用薩格納克效應，根據薩格納克效應，響應于光學光纖光導環繞其法線的轉動，在光纖光導環中以相反方向行進的兩個光波之間出現相位差。當觀察從光纖光導環發出并疊加后的以相反方向行進的兩個光波的光時，在轉動期間可以看到強度變化，并可以利用將該強度變化描述為兩個光波的相位差的函數的干涉儀特性曲線來說明該強度變化。

優選地，針對物體繞三個空間軸之一的可能轉動均設置薩格納克干涉儀，以使得相應的慣性系統包含三個薩格納克干涉儀，并且這三個薩格納克干涉儀的轉動敏感軸在各情況下均相互垂直。當然，經由兩個或三個薩格納克干涉儀的相應分量可以檢測到繞不與任一空間軸相一致的軸的轉動。

光纖薩格納克干涉儀的相移與轉動速度、光纖光導環或光纖光導線圈中光路的路徑長度以及圓形光路的直徑直接成正比。另外，該相移與所使用的光的波長成反比。

上述描述用作確定轉動用的觀察變量的光強度相對于相位差的相關性的干涉儀特性曲線呈余弦形狀。由于余弦曲線的最大值的相應傳遞函數對小輸入值不敏感并且無法確定與轉動方向相對應的相移的代數符號這一事實，因此經常將薩格納克干涉儀的工作點調整為位于余弦函數的最大斜率點。對此，例如可采用正弦調制或方波調制。因而，確保了干涉儀對小的旋轉運動的最大靈敏度。

通常，響應于數字/模擬轉換器所進行的處理而產生了因量化性能有限所引起的噪聲(還被稱為量化噪聲)。量化噪聲會妨礙高度精確的轉動速度測量。

專利文獻US?20100026535A1公開了一種光纖薩格納克干涉儀，其中模擬/數字轉換器的信號被劃分成MSB(最高有效位)或LSB(最低有效位)部分。并行的數字/模擬轉換器將所劃分出的23比特的MSB/LSB數據轉換成模擬信號，由此使得MSB信號和LSB信號可以組合起來控制集成的光學芯片。所輸出的MSB信號和LSB信號輸入至放大器電路，并在放大器電路出組合成具有23比特精度的模擬信號。

發明內容

本發明的基本目的是提供一種光纖薩格納克干涉儀，其能夠有效地使因數字/模擬轉換器進行的量化所引起的噪聲最小，并且即使在轉動速度非常低的情況下也可以執行高度精確的轉動速度測量。本發明的該目的通過根據專利權利要求1所述的主題得以解決。另外，本發明的該目的通過根據專利權利要求11所述的主題得以解決。在各個從屬權利要求中具體說明了本發明的其它實施例。

根據本發明的一種光纖薩格納克干涉儀，包括光源、偏光器、光纖線圈、光檢測器裝置、包含下游所連接的模擬/數字轉換器的放大器、數字/模擬轉換器、評價電路、加法器以及相位調制器。例如，光纖環形干涉儀配置與光纖薩格納克干涉儀同義。因而，優選光源能夠發出波長可以確定的光。如上所述以及如以下將更詳細地說明，要確定細微的相移。所謂的超發光二極管(SLD)經常用作光纖薩格納克干涉儀的光源，這是因為SLD與激光光源相比光學帶寬較高并因而相干長度較短。相干長度較短(通常為25μm)的優點在于有用信號與在例如反射位置或散射位置處產生的其它光信號不相干。

偏光器用于對光源的光進行偏振。光纖線圈與上述的光纖光導線圈相對應并且基本上包括纏繞成線圈的光纖。光纖例如可以是微結構光纖或微結構光纖組，以使得該光纖構成光導材料的全部或僅一部分。光檢測器裝置用于將入射光轉換成電信號，以使得電信號例如包含與光強度、波長、干涉或干涉信號、或者相移有關的信息。相位調制器配置在光纖線圈的上游，并且用于對光束的相位進行調制。