[發明專利]一種光纖陀螺儀的新型探測方法

在審

• 申請號: 201310697603.7
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN104729493A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 趙大宇;張振榮
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及通信技術領域，更加具體地，涉及一種干涉式消偏光纖陀螺儀的雙路平衡差分檢測原理及裝置。

背景技術

陀螺儀是一種轉動傳感器，用于測定其所在載體的轉動角速度。陀螺儀被廣泛地應用于飛行器及武器的制導、工業及軍事上的精密測量等領域。常見的陀螺儀有三種類型：機械陀螺儀，激光陀螺儀，和光纖陀螺儀(Fiber-optic?gyroscope，FOG)。機械陀螺儀是利用高速旋轉體的旋轉軸具有保持其方向的趨勢這樣一個物理原理而制造出的定向裝置，由于機械陀螺儀包含活動部件其結構復雜、工藝要求高、制約精度進一步提高的因素眾多。光學陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高等特點，目前穩定度不及高精度現代機械陀螺，但潛力大。由于應用的需要，新型的陀螺儀應具有高的靈敏度與穩定度，較低的成本和功耗，以及體積小等特征。

光學陀螺儀的原理基于薩格納克效應(Sagnac?effect)。具體說，在轉動的閉合光路中，由同一光源發出的兩束特征相同的光分別沿順時針(CW)方向和逆時針(CCW)方向傳輸時發生干涉，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。薩格納克效應的一種常見表達方式是順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)傳輸的兩束光產生了與旋轉角速度成正比的相位差Δφ，這個相位差被稱作薩格納克相移，表達式如下：

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為轉動角速度。在干涉式光纖陀螺儀中，常采用較長的光纖繞制成多匝陀螺線圈。在這種情況下，薩格納克效應的一個使用較方便的表達式為

Δφ=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。

光纖陀螺儀的基礎結構是薩格納克干涉儀，該結構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造成的偏差。圖1示出了光纖陀螺儀的最小互易性結構。兩個耦合器的使用是為了保證兩束光經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構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動速率，而抑制另一個方向的偏振光以實現互易性。但在工程應用中，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構。

為了使光纖陀螺儀工作在靈敏度較高的狀態，需要在光纖線圈(即，光纖環)的一端加上相位調制(例如，PZT相位調制器)，如圖2所示。PZT相位調制器使兩束光波在不同時間受到相位調制φ_m(t)，產生一個相位差，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表示光通過整個光纖線圈長度的傳輸時間，n_eff是光纖的有效折射率。施加調制后，干涉光強信號為

I_D=I₀{1+cos[φ_S+Δφ(t)]}??????等式(4)

開環干涉式光纖陀螺中通常采用單頻正弦波調制

φ_m(t)=φ₀sin(ω_mt)??????等式(5)

此時