[發(fā)明專利]一種基于正交檢測的使用光纖陀螺多維信號的測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310392719.X
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103471578A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李永嘯;王子南;楊易;彭超;張振榮;李正斌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 許向彤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖陀螺領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種方波調(diào)制的光纖陀螺儀的新型信號解調(diào)方法及對基于主成分分析下的測量方法。

背景技術(shù)

陀螺儀是一種慣性測量傳感器，用于測定其所在載體相對某一慣性參考系的轉(zhuǎn)動角速度。陀螺儀被廣泛應(yīng)用于各種飛行器的制導(dǎo)與姿態(tài)控制的軍事與工業(yè)領(lǐng)域，以及對時間與空間的精密測量如引力波探測等科學(xué)領(lǐng)域。目前應(yīng)用的陀螺儀主要有四種類型：機(jī)械陀螺儀，激光陀螺儀，光纖陀螺儀(Fiber-optic?gyroscope，F(xiàn)OG)，以及量子陀螺儀。其中激光陀螺儀與光纖陀螺儀皆為基于相對論效應(yīng)的光學(xué)陀螺儀。光學(xué)陀螺儀中的光束傳播及光電檢測引入了相對傳統(tǒng)陀螺較大的短時及長時噪聲，所以游走系數(shù)和零偏穩(wěn)定度不及一些機(jī)械陀螺及量子陀螺。但是光學(xué)陀螺儀具有制作工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，易于設(shè)計及捷聯(lián)組合，維護(hù)費用低等顯著優(yōu)點，所以對慣性測量領(lǐng)域?qū)饫w陀螺儀的需求一直存在，同時隨著光學(xué)器件制造工藝水平的不斷提高，光學(xué)陀螺儀的各項性能參數(shù)在不斷得到改善，市場占有率不斷提高。

光學(xué)陀螺儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是薩格納克型干涉儀，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。互易性可以最大程度保證CW光和CCW光的傳播狀態(tài)與傳輸路徑一致，起到“共模抑制”的作用，來消除非互易引入的噪聲。圖1示出了光纖陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)。兩個耦合器的使用是為了保證兩束光經(jīng)過耦合器的累計相移相同，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)的互異性一個有效手段，只將一種偏振模式的光用于檢測轉(zhuǎn)動速率，而抑制另一個方向的偏振光以實現(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，對彎曲敏感，對磁場敏感等問題。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)。但是相對保偏結(jié)構(gòu)，消偏結(jié)構(gòu)檢測性能仍然有待進(jìn)一步提高。

光學(xué)陀螺儀的檢測原理是薩格納克效應(yīng)(Sagnac?effect)。在光學(xué)陀螺儀的閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳輸?shù)膬墒獍l(fā)生拍頻或干涉，利用檢測頻差或干涉條紋的相位變化，就可以測出光路相對慣性空間參考系的旋轉(zhuǎn)角速度。薩格納克效應(yīng)的一種常見表達(dá)方式是順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生了光學(xué)傳播相位的差，即薩格納克相移，表達(dá)式如下：

φs=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)動角速度。薩格納克相位的正負(fù)通過參考初始入光學(xué)環(huán)路時光波起始相位實現(xiàn)判斷。在干涉式光纖陀螺儀(IFOG)中，需要將較長的光纖(幾百米到幾公里不等)繞制成多匝陀螺線圈。在這種情況下，薩格納克效應(yīng)可以表示為：

φs=2πLDλcΩ]]>????????等式(2)

其中L為光纖的長度，D為光纖線圈直徑，λ為光波的波長。

光纖陀螺儀工作時需要兩束反向傳播光波進(jìn)行干涉，根據(jù)干涉理論，干涉的響應(yīng)函數(shù)為余弦函數(shù)I₀(1+cosф_s)，這樣工作在微小角速度測量狀態(tài)時，無法感受方向，同時靈敏度為正弦函數(shù)，靈敏度極低，為了解決此問題，在干涉式光纖陀螺中引入相位調(diào)制機(jī)制，用以改善工作點。通過在光線線圈的一段加上相位調(diào)制器，比如LiNO₃型Y波導(dǎo)，如圖2所示，其中Y波導(dǎo)器件包含了起偏器的功能。通過在光纖線圈(即光纖環(huán))的一端加上相位調(diào)制器形成實現(xiàn)兩路光信號的非互易調(diào)制。Y波導(dǎo)相位調(diào)制器使兩束光波在不同時間受到不同的相位調(diào)制φ_m(t)，就產(chǎn)生一個相位差，如下