一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺仪

摘要

本发明公开了一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺仪，包括：光源驱动、光源、第三分束器、第一角速度敏感模块、第二角速度敏感模块、光纤环以及逻辑电路。光源发出的光通过分第三束器后，形成两束入射光，分别进入第一角速度敏感模块和第二角速度敏感模块；两个模块利用同一光纤环，使该保偏光纤环中形成两个不同的干涉仪，并分别输出信号；逻辑电路接收信号并进行差分解算，得到干涉仪敏感到的速率信息；本发明实质上是用同一个保偏光纤环，采用偏振分束/合束器控制偏振态，使光纤环中形成偏振态不同的两个干涉仪，两个偏振态分离，从而实现基于光的双偏振的双干涉仪系统，可以显著提高数字闭环光纤陀螺精度和并抑制光源强度噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺 仪。

背景技术

光纤陀螺是惯性技术与光电子技术、现代制造技术相结合的一种新型固态惯性仪 表，是目前唯一能覆盖高、中、低精度的静音陀螺。光纤陀螺是新一代角速率、角位 移传感器，用于卫星、飞机、导弹、舰船、车辆、测量勘探、机器人等领域的导航和 姿态控制，是继机电陀螺和激光陀螺之后的第三代陀螺。具有结构简单、成本低、启 动快(可实现零启动)、可靠性高、抗冲击振动能力强、寿命长等特点。

经过30余年的发展，目前从发展趋势上看，光纤陀螺(FOG)将取代其他陀螺成 为主流。但是，光纤陀螺的主要敏感元件是由光纤绕制的光纤环。由于光纤本身可以 敏感多种物理量，造成光纤陀螺的各种非互易误差，因此若想提高光纤陀螺精度，必 须对各种干扰加以抑制，而提高光纤陀螺精度的有效手段之一是增加光纤环，而增加 光纤环长度同样导致误差的增加。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺 仪，用以解决现有光纤陀螺精度不够或者误差比较大的的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺仪，包括：光产生模块、 光处理模块以及差分解算模块，其中，

光产生模块，包括光源和光源驱动，光源由光源驱动产生的恒流源驱动后发出的 光通过分第三束器后，形成两束入射光，分别进入第一角速度敏感模块和第二角速度 敏感模块；

光处理单元，包括：第三分束器、第一角速度敏感单元以及第二角速度敏感单元， 其中，第三分束器用于将光源发出的光分成两路入射光分别进入第一角速度敏感单元 以及第二角速度敏感单元，第一角速度敏感单元以及第二角速度敏感单元分别通过偏 振分束/合束处理使得该光纤环中形成两个不同的偏振态，并通过偏振分束/合束处理 使两个偏振态分离并输出电流信号；

解算单元，用于对上述两个偏振态输出的电流信号进行差分解算，得到最终的结 果。

进一步地，所述第一角度敏感单元包括：第一分束器或环形器、第一集成光学调 制器、第一偏振分束/合束器、第一光电探测器、第一前放电路、第一AD采样电路、 第一DA反馈电路；所述第二角速度敏感单元包括：第二分束器或环形器、第二集成 光学调制器、第二偏振分束/合束器、第二光电探测器、第二前放电路、第二AD采 样电路、第二DA反馈电路；

两路入射光的一路通过第一分束器后由相位调制器进行调制并分为两束线偏 光，其中一束线偏光通过第一偏振分束/合束器的A端后以原有的偏振态进入光纤环， 并以顺时针方向传输并敏感速率信息，然后通过第二偏振分束/合束器，在第二偏振 分束/合束器的A’端口以原有的偏振态输出，然后携带敏感的速率信息返回第一调制 器，而另一束光通过第二偏振分束/合束器的A’端后以原有的偏振态进入光纤环，以 逆时针方向传输并敏感速率信息，然后通过第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/ 合束器的A端口以原有的偏振态输出，然后携带敏感的速率信息返回第一调制器， 并由第一调制器补偿敏感到的相位信息，在第一相位调制器处发生干涉，经第一耦合 器返回第一光电探测器，第一光电探测器将干涉形成的光强信号转换为电流信号输 出，由第一前放调理后，经过第一AD转化为数字信号输入逻辑电路处理后，由第一 DA反馈第一调制器补偿敏感到的相位信息；

两路入射光的另一路通过第二分束器后由相位调制器进行调制并分为两束线偏 光，其中一束通过第一偏振分束/合束器的B端后原有的偏振态旋转90°，然后进入光 纤环，并以顺时针方向传输并敏感相位信息，然后通过第二偏振分束/合束器，在第 二偏振分束/合束器的B’端口，偏振光旋转90°以原有的偏振态输出，然后携带敏感 的速率信息返回第二调制器，而另一束光通过第二偏振分束/合束器的B’端后原有的 偏振态旋转90°进入光纤环，以逆时针方向传输并敏感速率信息，然后通过第一偏振 分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的B端口，偏振光旋转90°以原有的偏振态输 出，然后携带敏感的速率信息返回第二调制器，在第二相位调制器处发生干涉，经第 二耦合器返回第二光电探测器，第二光电探测器将干涉形成的光强信号转换为电流信 号输出，由第二前放调理后，经过第二AD转化为数字信号输入逻辑电路处理后，由 第二DA反馈第二调制器补偿敏感到的相位信息。

第一加速度敏感单元的输出为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [\Delta {\phi }_m\left(t\right)+{\phi }_s+{\phi }_f\left]\right\}$

第二角速度敏感单元的输出为：

${I_D}^{\prime }\left(t\right)=\frac{{I_0}^{\prime }}{2}\{1+\cos [\Delta {{\phi }_m}^{\prime }\left(t\right)+{{\phi }_s}^{\prime }-{{\phi }_f}^{\prime }\left]\right\}$

其中，I₀，I₀'分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元中到达探测器 的光强，Δφ_m(t)，Δφ_m'(t)分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元中相位 调制器的调制相位，φ_s和φ_s'分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元由于 敏感速率造成的Sagnac相位差，即敏感角速率，φ_f，φ_f'分别为第一角速度敏感单元 和第二角速度敏感单元的反馈补偿相移。

进一步地，所述差分解算单元具体用于进行如下差分解算：

设相位调制器加方波调制，调制深度为则一路的输出为：

$I_D({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})=0.5I_0(1+\cos (\frac{\pi }{2}+{\phi }_s+{\phi }_f))=0.5I_0(1-\sin ({\phi }_s+{\phi }_f))$

$I_D({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=0.5I_0(1+\cos (-\frac{\pi }{2}+{\phi }_s+{\phi }_f))=0.5I_0(1+\sin ({\phi }_s+{\phi }_f))$

通过解调相减，且由于闭环则输出为：

$I_D({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})-I_D({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=-0.5I_0\sin ({\phi }_s+{\phi }_f)-0.5I_0\sin ({\phi }_s+{\phi }_f)=0$

由于闭环后，φ_s+φ_f为小量，因此：

φ_s+φ_f+φ_s+φ_f＝0

则：

φ_f＝-φ_s

另一路输出：

${I_D}^{\prime }({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})=0.5{I_0}^{\prime }(1+\cos (\frac{\pi }{2}+{\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))=0.5{I_0}^{\prime }(1-\sin ({\phi }_s-{\phi }_f))$

${I_D}^{\prime }({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=0.5{I_0}^{\prime }(1+\cos (-\frac{\pi }{2}+{\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))=0.5{I_0}^{\prime }(1+\sin ({\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))$

通过解调相减，且由于闭环则输出为：

φ_f'＝φ_s

令陀螺输出为：

φ＝φ_f-φ_f'

因此陀螺输出为：

φ＝-2φ_s。

进一步地，所述第一调制器和第二调制器是基于集成光学的相位调制器，具有 起偏、分束/合束、相位调制的多功能集成光学器件。

所述第一调制器和第二调制器施加的反馈相位补偿为阶梯波反馈补偿，使光纤 陀螺仪能够实现闭环检测。

所述第一调制器和第二调制器均采用一个闭环回路自动实现调制系数的在线补 偿。

本发明有益效果如下：

本发明利用一个保偏光纤环，采用偏振分束/合束器控制光纤环中的偏振态，使 光纤环中形成偏振态不同的两个干涉仪，通过偏振分束/合束器使两个偏振态分离， 从而实现基于光的双偏振的双干涉仪系统，可以显著提高数字闭环光纤陀螺精度和并 抑制光源强度噪声。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的 说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例所述数字闭环光纤陀螺仪的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分， 并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，图1为本发明实施例所述数字闭环光纤陀螺仪的结构示意图，主 要包括：光产生模块、第三分束器、第一角速度敏感模块、第二角速度敏感模块、光 纤环以及逻辑电路，其中，

光产生模块，包括：光源和光驱动，光源由光源驱动产生的恒流源 驱动后发出的光通过分第三束器后，形成两束入射光，分别进入第一角速度敏感模块 和第二角速度敏感模块；

第一角速度敏感模块和第二角速度敏感模块，利用同一光纤环，使该 保偏光纤环中形成两个不同的干涉仪，并分别输出相位信息给逻辑电路；

逻辑电路，接收第一角速度敏感模块和第二角速度敏感模块输出的相 位信息并进行差分解算，得到干涉仪敏感到的速率信息。

如图1所示，图1为本发明实施例所述数字闭环光纤陀螺仪的具体结构示意图， 其中，第一角速度敏感模块包括：第一分束器或环形器、第一集成光学调制器、第一 偏振分束/合束器、第一光电探测器、第一前放电路、第一AD采样电路、第一DA 反馈电路；第二角速度敏感模块包括：第二分束器或环形器、第二集成光学调制器、 第二偏振分束/合束器、第二光电探测器、第二前放电路、第二AD采样电路、第二 DA反馈电路；

光源发出的光通过分第三束器后，形成两束入射光：

其中一路通过第一分束器后由相位调制器进行调制并分为两束线偏 光，其中一束通过第一偏振分束/合束器的A端后以原有的偏振态进入光纤环，并以 顺时针方向传输并敏感速率信息，然后通过第二偏振分束/合束器，在第二偏振分束/ 合束器的A’端口以原有的偏振态输出，然后携带敏感的速率信息返回第一调制器， 而另一束光通过第二偏振分束/合束器的A’端后以原有的偏振态进入光纤环，以逆时 针方向传输并敏感速率信息，然后通过第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束 器的A端口以原有的偏振态输出，然后携带敏感的速率信息返回第一调制器，并由 第一调制器补偿敏感到的相位信息，在第一相位调制器处发生干涉，经第一耦合器返 回第一光电探测器，第一光电探测器将干涉形成的光强信号转换为电流信号输出，由 第一前放调理后，经过第一AD转化为数字信号逻辑电路，逻辑电路对接收到的数字 信号进行数字相关解调后得到第一光处理单元敏感的相位信息，并由第一DA反馈第 一调制器补偿敏感到的相位信息；

第三分束器形成另一路入射光，通过第二分束器后由相位调制器进行 调制并分为两束线偏光，其中一束通过第一偏振分束/合束器的B端后原有的偏振态 旋转90°，然后进入光纤环，并以顺时针方向传输并敏感相位信息，然后通过第二偏 振分束/合束器，在第二偏振分束/合束器的B’端口，偏振光旋转90°以原有的偏振态 输出，然后携带敏感的速率信息返回第二调制器，而另一束光通过第二偏振分束/合 束器的B’端后原有的偏振态旋转90°进入光纤环，以逆时针方向传输并敏感速率信 息，然后通过第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的B端口，偏振光旋转 90°以原有的偏振态输出，然后携带敏感的速率信息返回第二调制器，在第二相位调 制器处发生干涉，经第二耦合器返回第二光电探测器，第二光电探测器将干涉形成的 光强信号转换为电流信号输出，由第二前放调理后，经过第二AD转化为数字信号输 入逻辑电路逻辑电路对接收到的数字信号进行数字相关解调后得到第二光处理单元 敏感的相位信息，并由第二DA反馈第二调制器补偿敏感到的相位信息，同时逻辑电 路中对两个光处理单元输出的分别经过数字相关解调后得到的敏感相位信息进行差 分解算，即可得到两个光处理单元共同敏感到的速率信息。

第一加速度敏感单元的输出为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [\Delta {\phi }_m\left(t\right)+{\phi }_s+{\phi }_f\left]\right\}$

第二角速度敏感单元的输出为：

${I_D}^{\prime }\left(t\right)=\frac{{I_0}^{\prime }}{2}\{1+\cos [\Delta {{\phi }_m}^{\prime }\left(t\right)+{{\phi }_s}^{\prime }-{{\phi }_f}^{\prime }\left]\right\}$

其中，I₀，I₀'分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元中到达探测器 的光强，Δφ_m(t)，Δφ_m'(t)分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元中相位 调制器的调制相位，φ_s和φ_s'分别为第一角速度敏感单元与第二角速度敏感单元由于 敏感速率造成的Sagnac相位差，即敏感角速率，φ_f，φ_f'分别为第一角速度敏感单元 和第二角速度敏感单元的反馈补偿相移。

设相位调制器加方波调制，调制深度为则一路的输出为：

$I_D({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})=0.5I_0(1+\cos (\frac{\pi }{2}+{\phi }_s+{\phi }_f))=0.5I_0(1-\sin ({\phi }_s+{\phi }_f))$

$I_D({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=0.5I_0(1+\cos (-\frac{\pi }{2}+{\phi }_s+{\phi }_f))=0.5I_0(1+\sin ({\phi }_s+{\phi }_f))$

通过解调相减，且由于闭环则输出为：

$I_D({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})-I_D({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=-0.5I_0\sin ({\phi }_s+{\phi }_f)-0.5I_0\sin ({\phi }_s+{\phi }_f)=0$

由于闭环后，φ_s+φ_f为小量，因此：

φ_s+φ_f+φ_s+φ_f＝0

则：

φ_f＝-φ_s

另一路输出：

${I_D}^{\prime }({\phi }_s,+\frac{\pi }{2})=0.5{I_0}^{\prime }(1+\cos (\frac{\pi }{2}+{\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))=0.5{I_0}^{\prime }(1-\sin ({\phi }_s-{\phi }_f))$

${I_D}^{\prime }({\phi }_s,-\frac{\pi }{2})=0.5{I_0}^{\prime }(1+\cos (-\frac{\pi }{2}+{\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))=0.5{I_0}^{\prime }(1+\sin ({\phi }_s-{{\phi }_f}^{\prime }))$

通过解调相减，且由于闭环则输出为：

φ_f'＝φ_s

令陀螺输出为：

φ＝φ_f-φ_f'

因此陀螺输出为：

φ＝-2φ_s

可以看出，干扰对双偏振差分型干涉仪造成的相位是互补的，可以通过后续的数 据处理差分消除，而且由于实际上实现了两个干涉仪，敏感的速率相位可以提高一倍。

需要说明的是，上述光源可以是SLD光源、掺铒光纤光源、LED光源等光源， 其波长可以是850nm，1310nm，1550nm等波长；上述光纤环是用保偏光纤绕制而成， 保偏光纤可以是熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭芯光纤、光子晶体保偏光纤等 具有偏振保持功能的光纤；上述第三分束器可以是保偏耦合器也可以是单模耦合器； 上述第一分束器和第二分束器可以是保偏耦合器，或单模耦合器及环形器；上述第一 调制器和第二调制器是基于集成光学的相位调制器，具有起偏、分束/合束、相位调 制的多功能集成光学器件；调制可以采用方波调制、正弦波调制，并且方波调制可以， 等。并且上述第一和第二调制器可以采用一个闭环回路自动实现调制系 数的在线补偿。

综上所述，本发明实施例提供了一种具有双干涉仪系统的数字闭环 光纤陀螺仪方案实质上是用同一个保偏光纤环，采用偏振分束/合束器控制光纤环中 的偏振态，使光纤环中形成偏振态不同的两个干涉仪，通过偏振分束/合束器使两个 偏振态分离，从而实现基于光的双偏振的双干涉仪系统。这一方案可以显著提高光纤 陀螺精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化 或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要 求书的保护范围为准。