抑制零点漂移的干涉型全光纤陀螺仪

摘要

本发明公开了一种干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的抑制方法以及相应的干涉型全光纤陀螺仪，属于光纤传感技术领域。所述零点漂移的抑制方法包括：按照设定的半周期切换施加于PZT压电陶瓷调相器的交变电压的极性，并以所述陀螺仪在两个相邻半周期内输出的转速之差的一半作为陀螺仪在该周期内的输出转速。本发明的干涉型全光纤陀螺仪在现有产品基础上增加了倒相开关和单片机，倒相开关用于控制交变电压的极性；单片机则用于输出方波信号控制倒向开关，并根据解调/放大电路的输出信号和方波信号的相位，计算陀螺仪的输出转速。本发明可广泛应用于诸如导航、制导、定位、自动化控制等等技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及干涉型全光纤陀螺仪，尤其涉及干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的抑制技术，属于光纤传感技术领域。

背景技术

陀螺仪是测量惯性空间角速度-角位移的仪表，其历史可以追朔到数千年以前。机械陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪被分别称为第一代陀螺仪、第二代陀螺仪和第三代陀螺仪。光纤陀螺仪于1976年问世，20世纪90年代投入批量生产。干涉型全光纤陀螺仪是光纤陀螺仪家族中的重要品种，可广泛应用于导航、制导、定位、自动寻北、列车或舰船摇摆的阻尼、天线-瞄准系统的定向、油井/矿井/隧道的偏斜测量、大型建筑形变或摇摆监测、自动化控制等等领域。

干涉式光纤陀螺仪存在两种基本结构，全光纤结构和波导/光纤混合结构，即通常所说的开环结构和闭环结构。当光纤陀螺仪静止或以恒定速度转动时，陀螺仪的输出角速度会发生一定幅度的缓慢起伏，这就是所谓的零点漂移。干涉式光纤陀螺仪的优点是结构简单、成本低廉，缺点是零点漂移相对较大。如何克服或抑制干涉式光纤陀螺仪的零点漂移是人们非常关心的一个重要问题。

传统的开环干涉型光纤陀螺仪的系统结构如附图1(a)所示，其中的元件包括：超辐射发光二极管1、光电检测二极管2、光源耦合器3、起偏器4、光环耦合器5、光纤环6。根据附图1，经典的干涉型全光纤陀螺仪的工作原理是：由超辐射发光二极管1发出的偏振光(椭圆偏振光或圆偏振光)输入光源耦合器3的①端口，并被分成两路偏振光；其中沿直通臂传输并由③端口输出的偏振光输入起偏器4；起偏器4将输入的偏振光变为线偏振光并将该线偏振光输入到光环耦合器5的①端口。光环耦合器5将输入的线偏振光分成两路分别从其③、④端口输出；光环耦合器5的③、④端口输出的线偏振光分别沿光纤环6的顺时针和反时针方向传输，然后从光环耦合器5的③、④端口返回光环耦合器5并在其中发生相干叠加；相干叠加后的线偏振光又被光环耦合器5分成两路并分别从光环耦合器5的①、②端口输出。从光环耦合器5的①端口输出的线偏振光中：从①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器5的直通臂和耦合臂各一次；沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合器5的直通臂和耦合臂各一次。因此，从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光返回到光环耦合器5的①端口时所经过的光程是相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为互易光，输出互易光的端口也被称为互易端口。然而，从光环耦合器5的②端口输出的线偏振光中：从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针方向传输的线偏振光经过光环耦合器5的直通臂共两次，而沿反时针方向传输的线偏振光则经过光环耦合器5的耦合臂共两次。因此，从光环耦合器5的①端口出发的，沿顺时针、反时针方向传输的线偏振光到达光环耦合器5的②端口时所经过的光程是不相同的，所以它们相干叠加产生的线偏振光被称为非互易光，输出非互易光的端口也被称为非互易端口。非互易光信号是不能作为光纤陀螺仪的检测信号使用的。从光环耦合器5的①端口(互易端口)输出的线偏振光经过起偏器4输入到光源耦合器3的③端口，光源耦合器3将③端口输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其②端口输入光电检测器2。当光纤环6静止时，从光环耦合器5的①端口出发，分别沿顺时针、反时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器5的①端口时所经过的光程是相同的；当光纤环6转动时，从光环耦合器5的①端口出发，分别沿顺时针、反时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器5的①端口时所经过的光程是不相同的；在这两种情况下，光电检测器2接收到的光信号强度有所不同，由此则可以计算出光纤环6转动的角速度。

为了提高全光纤陀螺仪的检测灵敏度，可以在光纤环6的一端放置一个PZT压电陶瓷调相器7。该调相器是一个圆盘形的陶瓷片，简称PZT圆盘。光纤环6中的很小一段(约1米)缠绕在PZT圆盘的外圆上。当给PZT圆盘施加交变电压信号时，PZT圆盘的半径将随交变电压信号发生改变，从而使光纤环6的长度发生微小的改变。由于沿顺时针/反时针方向传输的光信号达到PZT压电陶瓷调相器7的时刻不相同，所以在光电检测二极管2上可检测到一个交流信号，陀螺仪静止和转动时这个交流信号的频谱和幅度都将发生相应的变化，根据这个变化就可计算出陀螺仪的转动速度。

参考文献：(1)HervéC.Lefèvre，″The Fiber-Optic Gyroscope″，Artech House，Boston，1993.(2)光纤陀螺原理与技术，张桂才编著，国防工业出版社，2008年。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种抑制干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的方法以及相应的干涉型全光纤陀螺仪。

本发明依据开环干涉型光纤陀螺仪的零点漂移具有：(1)与陀螺仪转动方向无关；(2)变化缓慢的特点，对施加在PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号进行快速倒相，同时对输出转速信号进行计算处理，从而使干涉型全光纤陀螺仪零点漂移得到了明显的抑制，可大幅度提高陀螺仪的技术指标。

本发明采用以下技术方案实现本发明的目的。

干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的抑制方法，其包括：按照设定的半周期切换施加于PZT压电陶瓷调相器的交变电压的极性，并以所述陀螺仪在两个相邻半周期内输出的转速之差的一半作为陀螺仪在该周期内的输出转速。

其中，交变电压极性的切换通过倒相开关来实现，即：在产生交变电压的振荡器和所述PZT压电陶瓷调相器之间设置一倒相开关，所述倒相开关周期性地切换施加于PZT压电陶瓷调相器的交变电压的极性。上述“快速倒相”指的是倒相开关从一个状态向另一状态转换的速度非常快，而不涉及倒相开关在任意一个状态的维持时间。

所述倒相开关通过方波信号来控制，方波信号的周期和交变电压的周期之比优选大于1000。

本发明还公开了采用上述零点漂移抑制方法的干涉型全光纤陀螺仪。和现有技术相同，该陀螺仪也包括：超辐射发光二极管、光源耦合器、起偏器、光环耦合器、光纤环、振荡器、PZT压电陶瓷调相器、光电检测二极管、和解调/放大电路；

其中，所述光源耦合器和所述超辐射发光二极、所述起偏器、和所述光电检测二极管信号连接；所述光环耦合器和所述起偏器和所述光纤环信号连接；所述解调/放大电路和所述光电检测二极管信号连接；所述振荡器向所述PZT压电陶瓷调相器施加交变电压，所述光纤环一端的一部分缠绕于所述PZT压电陶瓷调相器的外圆上；

和现有技术的区别集中体现在，所述陀螺仪还包括：

倒相开关，所述倒相开关设置于所述振荡器和所述PZT压电陶瓷调相器之间，用于控制所述交变电压的极性；

单片机，所述单片机和所述倒相开关和所述解调/放大电路信号连接，用于：

输出方波信号，控制所述倒向开关按照设定的半周期切换施加于PZT压电陶瓷调相器的交变电压的极性；以及

根据所述解调/放大电路的输出信号和所述方波信号的相位，计算陀螺仪在两个相邻半周期内输出的转速之差的一半，作为陀螺仪在该周期内的输出转速。

同样，所述交变电压极性的切换周期和交变电压的周期之比应大于1000。

与现有技术相比，本发明的积极效果如附图2所示，其中：曲线12-是某全光纤陀螺仪采用本发明技术前的输出信号曲线。曲线13-是某全光纤陀螺仪采用本发明技术后输出信号曲线。为了对两条曲线进行观察对比，将曲线13做了向下平移。

陀螺仪的输出角速度可以表示为：R+Δ。R为陀螺仪的输入角速度，Δ为输出角速度的漂移分量。当PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号的极性反转时，相当于陀螺仪的输入角速度发生反转，由于角速度漂移分量与陀螺仪的输入角速度无关且随时间的变换速度缓慢，所以，此时陀螺仪的输出角速度可以近似表示为：-R+Δ。在交变电压极性切换的一个周期内，将(R+Δ)-(-R+Δ)并除以2，则可求得输入角速度R。

与现有技术相比，此时陀螺仪的输出角速度中，漂移分量将大幅度下降，本发明的目的由此得以实现。

附图说明

图1(a)和(b)分别表示现有技术和本发明实施例的干涉型全光纤陀螺仪的系统框图；

其中：1-超辐射发光二极管；2-光电检测二极管；3-光源耦合器；4-起偏器；5-光环耦合器；6-光纤环；7-PZT压电陶瓷调相器；8-倒相开关；9-单片机；10-振荡器；11-解调/放大电路。

图2表示全光纤陀螺仪采用本发明技术前、后输出角速度信号的曲线对比；

其中：曲线12是某全光纤陀螺仪采用本发明技术前的输出信号曲线；曲线13是该全光纤陀螺仪采用本发明技术后输出信号曲线。为了便于对两条曲线进行观察对比，将曲线13做了向下平移，平移量为-0.0025度/秒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细地说明本发明。

如附图1(b)所示，本发明实施例涉及的干涉型全光纤陀螺仪包括两个部分，

第一部分是经典的干涉型全光纤陀螺仪，其中包括：1-超辐射发光二极管，2-光电检测二极管，3-光源耦合器，4-起偏器，5-光环耦合器，6-光纤环，10-振荡器；11-解调/放大电路

第二部分是本发明涉及的电路单元，其中包括：7-PZT压电陶瓷调相器，8-倒相开关，9-单片机共三个单元。

PZT压电陶瓷调相器7为圆柱形薄片，光纤环的部分光纤(约1米)缠绕并粘在其外圆上，PZT压电陶瓷调相器7上的交变电压信号由振荡器10产生，PZT压电陶瓷调相器7上的交变电压信号的极性由高速倒相开关8控制，高速倒相开关8由单片机9输出的方波信号控制，单片机9根据解调/放大电路11输出信号以及方波信号的相位进行运算处理并输出陀螺仪转速信号。

在极性切换的一个周期中，假设陀螺仪在前半周期的输出角速度表示为：R+Δ。R为陀螺仪的输入角速度，Δ为输出角速度的漂移分量。当PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号的极性反转时，相当于陀螺仪的输入角速度的方向发生反转。由于输出角速度的漂移分量与陀螺仪的输入角速度无关且随时间的变换比较缓慢，所以，陀螺仪在后半周期的输出角速度可以近似表示为：-R+Δ。因此在该周期内，将(R+Δ)减去(-R+Δ)并除以2，便可得到输入角速度R。与现有技术相比，此时陀螺仪的输出角速度中的漂移分量可得到明显抑制。