[发明专利]一种光纤陀螺仪的萨格奈克相移跟踪方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤陀螺仪的萨格奈克相移跟踪方法。

背景技术

光纤传感技术是被广泛关注的新型传感技术，作为光纤传感领域最重要的成就之一，光纤陀螺目前被广泛的研究和应用。光纤陀螺是基于萨格奈克效应的角速度测量仪，有多种可能的工作模式，如：谐振式、干涉式、慢光方式等等，目前技术比较成熟并能够投入大规模使用的光纤陀螺仪是干涉式光纤陀螺仪。干涉式光纤陀螺仪有两种基本结构：开环结构和闭环结构。

开环光纤陀螺直接检测光路中的萨格奈克相移，所以系统的工作点随输入角速度而改变；闭环光纤陀螺通过反馈回路抵消光路中的萨格奈克相移，而将反馈信号作为检测信号，所以系统的工作点不随输入角速度而改变。基于这样的工作原理，这两类光纤陀螺仪都有各自的优点和不足：相较之下，闭环光纤陀螺仪的突出优势是更高的标度因数稳定性、更大的动态范围和更小的漂移；开环光纤陀螺仪由于没有使用反馈回路而具有更好的抗温度冲击、机械冲击、机械振动特性，更好的抗电磁干扰能力，更高的可靠性以及更低的生产和使用维护成本。参考文献：张桂才，光纤陀螺原理与技术，国防工业出版社，2008。

随着微电子技术和软件工程技术的高速发展，信号处理技术应运而生并得到了迅速的发展。本发明提出一种应用于光纤陀螺探测器后端的信号处理方法，在开环光纤陀螺上使用该技术，开环光纤陀螺的动态范围可达到闭环光纤陀螺仪的水平。基于该技术，可衍生出同时拥有开环和闭环光纤陀螺优势的新一代光纤陀螺。

开环光纤陀螺仪的基本结构示意图如图1所示，模块5探测器输出的探测信号为

其中，为萨格奈克相移，I₀为探测信号的平均功率，由模块4调相器的输出信号决定。

一般的开环光纤陀螺选用PZT调相器，由于其频带较窄，大多数开环光纤陀螺采用正弦相位调制，由此可以得到：

其中为调制幅度，ω_m为调制频率，τ为光通过线圈3的传输时间。

将公式(2)带入公式(1)使用贝塞尔函数展开探测信号I_D(t)可以得到：

(3)

其中，n为整数；J_n为的第一类n阶贝塞尔函数，

从上式可以看到，探测信号中包含相位调制信号的基频信号以及各次谐波信号。检测I_D(t)的一次谐波，可以得到光纤陀螺的输出信号：

由公式(4)可以得到，开环光纤陀螺的动态范围最大为sin函数的单值区间[-π/2π/2)。光纤陀螺萨格奈克相移和系统转动角速度Ω的关系表达式为：

其中，为模块1光源的平均波长，c为光在真空中的传输速度，R为模块3光纤线圈的半径，L为光纤线圈的长度。将(5)带进(4)可以得到，受限于sin函数的单值区间，开环光纤陀螺能够测量的角速度Ω的最大动态范围为

从上面的分析可以得到，开环光纤陀螺的动态范围和线圈的半径以及长度成反比，结合公式(5)，提高开环光纤陀螺的动态范围就要减小系统转动引起的萨格奈克相移从而降低陀螺仪的灵敏度和精度。

为了提高开环光纤陀螺的动态范围，处于公开阶段申请号为200710160367.X的发明专利中提出了一种方法，使用调相器对光纤陀螺进行多个不同幅度的相位调制，对相应的陀螺仪输出信号进行采样并进行数据处理和组合，达到扩展开环光纤陀螺单调区间范围的目的。申请号为200710160367.X的发明专利通过信号处理将开环光纤陀螺能够测量的单调萨格奈克相移区间由上面分析中提到的[-π/2π/2)扩展到[-23π/1623π/16)，即扩展了23/8倍，但是该发明的关键之处是调相器不再工作于上面描述的常规状态，而是在一个调制周期内工作在5个调制阶段，各个阶段有不同的固定的调制幅度，这对调相器输出的调制信号的精度要求高，调制幅度需要比较严格的控制，调制信号的误差将影响整个发明实施的效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光纤陀螺仪的萨格奈克相移跟踪方法，可应用于探测器后端的萨格奈克相移跟踪，其在不改变开环光纤陀螺的结构，同时不降低陀螺仪精度的前提下，大大提高光纤陀螺的动态范围；本发明使陀螺仪的动态范围不再和线圈的尺寸参数相关，可以进一步提高光纤陀螺的精度和比例因子线性度，衍生出同时拥有开环和闭环光纤陀螺优势的新型光纤陀螺仪。

本发明的技术方案为：