[发明专利]在采用过调制的光纤陀螺仪中克服交叉耦合的装置和方法

说明书

本发明与光纤陀螺仪有关。具体来说，本发明涉及一种仪器和方法，可以解决在使用过调制措施的光纤陀螺仪中由于电子交叉耦合而产生误差的问题。

Sagnac干涉仪是一种通过测量一对相对传播的光束间产生的一个单向相差来测量旋转的仪器。它一般是由一个光源(如激光)、一个含有许多镜子或多圈光纤的光学波导、分束镜、检测器及信号处理器组成。

在干涉仪中，从分束镜出射的光波沿着一个单一光路相对传播。波导是“双向”的，即尽管这对相对传播的光束没有同时或在同方向上受到扰动，但是只要光路发生任何一点变化都会相似地影响这对相对传播的光束。当扰动的时间间隔与光在光学波导中传递一圈所用的时间相同时，随时间而变化的扰动就可能被观测到，但是“单向”扰动对相对传播的光束所产生的影响是随传光波播方向的不同而不同的，这种单向扰动将会破坏用以传播光束的光学介质的对称性。

有两种单向影响已经广为人知。当一个磁场使得光学介质中电子产生一个优先的自旋方向时，就会出现法拉第效应或称线性磁光效应。当干涉仪相对于惯性框架产生的旋转破坏了光波传播时间的对称性时，因而产生Sagnac效应或称惯性相对论效应。后一种效应就是环形陀螺仪的基本工作原理。

陀螺仪的可检测或可测量的输出是一束“合成”光束(由相对传播的两束光复合而成的光束)，这束“合成”光已经绕陀螺仪传播了一圈。由于其灵敏轴的旋转速率与相对传播的光束之间所产生的相移成正比。因此对相移进行精确测量将是十分重要的。

图1是一个非常著名的关系图，它揭示了从光纤出射的被测光束的光强(或功率，电场场强的平方)与传播了一圈的相对传播的两光束间相差之间的关系。从图中可以看出，光强与两束光间的相差ΔΦ的余弦值成正比。这个相差提供了对单向扰动(如：由旋转产生的扰动)进行测量的依据。图1中画出的强度是一个直流电平，该直流电平与光强值的一半(平均值)相对应。

干涉条纹图形的结果是众所周知的。即，当检测到一个小的相差±nπ(n为整数)时(对应于较低的旋转速率)，当被测的相差处于干涉条纹的最大或最小输出值处时，输出光束的强度对相位偏差或误差的敏感程度较低，这种现象由图1中干涉条纹的位置10、12、12′、14和14′标出，它们分别与相移Φ＝0，+π，-π，+2π，-2π相对应。进一步说，就是仅仅有强度还不能说明旋转速率的大小和方向。

由于上述原因，我们就有意在相对传播的两光束间附加上一个相位偏置，即当一对光束通过传感器线圈时，周期性地减小一条光束的相位，而增加另外一条光束的相位。这种在相移上附加的相位偏置也称为“单向零值偏移”，它可以通过将工作点移动到对与旋转有关的相移ε灵敏度较大的地方来提高测量强度相对于相差的灵敏度。通过这种方法ε，对于给定的单向相位扰动，由光电检测器探测到的光强变化ΔI(或功率ΔP)将相对增加。

通过提高由于给定相位扰动ε的存在而引起的光强效应，就可以相应地增加光电检测器对相位扰动的输出灵敏度。也可以将此举理解为提高电子设备输出的精确度。这种用于输出的电子设备一般包含有一个差分电路以便对不同工作点的强度值进行比较，在这些工作点之间，光电调制器在一周的传输时间τ内循环(一般是一个多功能集成光学块，或称为“MIOC”)。目前，光纤陀螺仪一般都用一个周期性调制波形来产生偏置。例如：一个在±π/2之间循环的周期为2τ的方波，其中τ为光束在光纤线圈中的传输时间。

回头参看图1，传统的方波调制都是在图1强度输出曲线上的工作点16和16′之间循环的。工作点16和16′(±π/2方波调制)都位于强度干涉曲线的倾斜部分，这里相差ΔΦ产生一个很小的单向扰动ε也会在光强(功率)输出端产生一个很大的、基本为线性的、可探测到的变化，ΔI(ΔP)。同样，通过改变两个工作点之间附加的偏置，系统也可以确定ε的符号，进而确定旋转的方向。(另外，通过3π/2调制也可获得相同的结果。如图1中的工作点18和18′所示。)

除相位调制以外，在干涉仪的输出中也常常采用“相位零值”。它通过负反馈机制引入了一个附加相移以补偿单向(Sagnac)效应。其基本原理是根据相位变化的斜率(无论是模拟的还是数字的)与所测量到的相差成正比而工作的。一般来说，对于受电压限制造成的相位有变化而强度变化不大这种情况，一个跨度为0到2π的斜率函数可以提供零点相移。一个2π的“复位”对陀螺仪干涉仪是明显的，此时干涉仪工作在模为2π的偏置上，其结果已在前面描述过。