[发明专利]用于多维矢量测量的干涉式光纤陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术和信号处理领域，更为具体地，涉及一种用于正交测量的干涉式光纤陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的基础核心器件。陀螺仪被广泛运用于航天、航空、航海、兵器及其它工业领域。常见的陀螺仪有三种类型：机械陀螺仪，激光陀螺仪，和光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope，FOG)。后两者皆为光学陀螺仪。光纤陀螺仪具有快速启动，结构紧凑，高灵敏度等一系列优点，但是稳定度不及一些现代机械陀螺仪。然而，光纤陀螺仪有着精度高、尺寸小等优点，同时拥有着提高精度和稳定度的极大潜力。

光学陀螺仪的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光产生了正比于旋转角速度的相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，表达式如下：

Δφ=4ωAc2Ω---(1)]]>

其中ω为光的频率，c为真空中光速，A是光路所围的面积(或者是与角速度矢量方向垂直的面积投影)，Ω为转动角速度。方程(1)说明萨格纳克相移与环路形状和旋转中心位置没有关系，而且与导波介质的折射率也无关。

干涉式光纤陀螺仪是光纤陀螺仪的一个重要类型。在干涉式光纤陀螺仪中，常采用较长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的表达式为

Δφ=2πLDλcΩ---(2)]]>

其中L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，入为光波的波长，c为真空中光速，Ω为转动角速度。光纤陀螺仪的基础结构是萨格纳克干涉仪，该结构需要满足分束器互易、单模互易、等互易性条件。互易性保证了CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，起到了“共模抑制”的作用，以消除多种寄生效应造成的偏差。图1示出了全光纤形式的光纤陀螺仪最小互易性结构。

为使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，常在光纤线圈的一端加上相位调制，用PZT进行相位调制的结构如图2所示。此外，利用Y波导也可以实现同样的调制效果，如图3所示。使两束光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制，则可以产生一个时变相位差，如下

Aφ(t)＝φ_CCW(t)-φ_CW(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)        (3)

其中τ＝nL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，n_f是光纤的有效折射率。施加调制后，干涉信号为

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

当Aφ(t)形式已知时，通过对上式所表达信号进行合适的解调就可以得到萨格纳克相移φ_s，从而进一步得到转动角速度Ω。

随着科学的进步和技术的发展，对测量精度的需求越来越高。通常，提高测量精度大致有两种方式。一种方式是提高测量器件自身的传感精度和感应能力；另一种是利用采集好的数据利用统计信号处理的方法通过后期计算和处理达到提高测量精度的目标。