一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀的製作方法

2023-06-17 14:53:46

一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀，包括：光源驅動、光源、第三分束器、第一角速度敏感模塊、第二角速度敏感模塊、光纖環以及邏輯電路。光源發出的光通過分第三束器後，形成兩束入射光，分別進入第一角速度敏感模塊和第二角速度敏感模塊；兩個模塊利用同一光纖環，使該保偏光纖環中形成兩個不同的幹涉儀，並分別輸出信號；邏輯電路接收信號並進行差分解算，得到幹涉儀敏感到的速率信息；本發明實質上是用同一個保偏光纖環，採用偏振分束/合束器控制偏振態，使光纖環中形成偏振態不同的兩個幹涉儀，兩個偏振態分離，從而實現基於光的雙偏振的雙幹涉儀系統，可以顯著提高數字閉環光纖陀螺精度和並抑制光源強度噪聲。
【專利說明】一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀

【技術領域】
[0001]本發明涉及光電【技術領域】，尤其涉及一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀。

【背景技術】
[0002]光纖陀螺是慣性技術與光電子技術、現代製造技術相結合的一種新型固態慣性儀表，是目前唯一能覆蓋高、中、低精度的靜音陀螺。光纖陀螺是新一代角速率、角位移傳感器，用於衛星、飛機、飛彈、艦船、車輛、測量勘探、機器人等領域的導航和姿態控制，是繼機電陀螺和雷射陀螺之後的第三代陀螺。具有結構簡單、成本低、啟動快(可實現零啟動)、可靠性高、抗衝擊振動能力強、壽命長等特點。
[0003]經過30餘年的發展，目前從發展趨勢上看，光纖陀螺(FOG)將取代其他陀螺成為主流。但是，光纖陀螺的主要敏感元件是由光纖繞制的光纖環。由於光纖本身可以敏感多種物理量，造成光纖陀螺的各種非互易誤差，因此若想提高光纖陀螺精度，必須對各種幹擾加以抑制，而提高光纖陀螺精度的有效手段之一是增加光纖環，而增加光纖環長度同樣導致誤差的增加。


【發明內容】

[0004]鑑於上述的分析，本發明旨在提供一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀，用以解決現有光纖陀螺精度不夠或者誤差比較大的的問題。
[0005]本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的:
[0006]本發明提供了一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀，包括:光產生模塊、光處理模塊以及差分解算模塊，其中，
[0007]光產生模塊，包括光源和光源驅動，光源由光源驅動產生的恆流源驅動後發出的光通過分第三束器後，形成兩束入射光，分別進入第一角速度敏感模塊和第二角速度敏感模塊；
[0008]光處理單元，包括:第三分束器、第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元，其中，第三分束器用於將光源發出的光分成兩路入射光分別進入第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元，第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元分別通過偏振分束/合束處理使得該光纖環中形成兩個不同的偏振態，並通過偏振分束/合束處理使兩個偏振態分離並輸出電流信號；
[0009]解算單元，用於對上述兩個偏振態輸出的電流信號進行差分解算，得到最終的結果O
[0010]進一步地，所述第一角度敏感單元包括:第一分束器或環形器、第一集成光學調製器、第一偏振分束/合束器、第一光電探測器、第一前放電路、第一 AD米樣電路、第一 DA反饋電路；所述第二角速度敏感單元包括:第二分束器或環形器、第二集成光學調製器、第二偏振分束/合束器、第二光電探測器、第二前放電路、第二 AD採樣電路、第二 DA反饋電路；
[0011]兩路入射光的一路通過第一分束器後由相位調製器進行調製並分為兩束線偏光，其中一束線偏光通過第一偏振分束/合束器的A端後以原有的偏振態進入光纖環，並以順時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第二偏振分束/合束器，在第二偏振分束/合束器的A』埠以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第一調製器，而另一束光通過第二偏振分束/合束器的A』端後以原有的偏振態進入光纖環，以逆時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的A埠以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第一調製器，並由第一調製器補償敏感到的相位信息，在第一相位調製器處發生幹涉，經第一耦合器返回第一光電探測器，第一光電探測器將幹涉形成的光強信號轉換為電流信號輸出，由第一前放調理後，經過第一 AD轉化為數位訊號輸入邏輯電路處理後，由第一 DA反饋第一調製器補償敏感到的相位信息；
[0012]兩路入射光的另一路通過第二分束器後由相位調製器進行調製並分為兩束線偏光，其中一束通過第一偏振分束/合束器的B端後原有的偏振態旋轉90° ,然後進入光纖環，並以順時針方向傳輸並敏感相位信息，然後通過第二偏振分束/合束器，在第二偏振分束/合束器的B』埠，偏振光旋轉90°以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第二調製器，而另一束光通過第二偏振分束/合束器的B』端後原有的偏振態旋轉90°進入光纖環，以逆時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的B埠，偏振光旋轉90°以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第二調製器，在第二相位調製器處發生幹涉，經第二耦合器返回第二光電探測器，第二光電探測器將幹涉形成的光強信號轉換為電流信號輸出，由第二前放調理後，經過第二 AD轉化為數位訊號輸入邏輯電路處理後，由第二 DA反饋第二調製器補償敏感到的相位信息。
[0013]第一加速度敏感單元的輸出為:
[0014]

【權利要求】
1.一種具有雙幹涉儀系統的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於，包括:光產生模塊、光處理模塊以及差分解算模塊，其中， 光產生模塊，包括光源和光源驅動，光源由光源驅動產生的恆流源驅動後發出的光通過分第三束器後，形成兩束入射光，分別進入第一角速度敏感模塊和第二角速度敏感模塊； 光處理單元，包括:第三分束器、第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元，其中，第三分束器用於將光源發出的光分成兩路入射光分別進入第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元，第一角速度敏感單元以及第二角速度敏感單元分別通過偏振分束/合束處理使得該光纖環中形成兩個不同的偏振態，並通過偏振分束/合束處理使兩個偏振態分離並輸出電流信號； 解算單元，用於對上述兩個偏振態輸出的電流信號進行差分解算，得到最終的結果。
2.根據權利要求1所 述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於，所述第一角度敏感單元包括:第一分束器或環形器、第一集成光學調製器、第一偏振分束/合束器、第一光電探測器、第一前放電路、第一 AD採樣電路、第一 DA反饋電路；所述第二角速度敏感單元包括:第二分束器或環形器、第二集成光學調製器、第二偏振分束/合束器、第二光電探測器、第二前放電路、第二 AD採樣電路、第二 DA反饋電路； 兩路入射光的一路通過第一分束器後由相位調製器進行調製並分為兩束線偏光，其中一束線偏光通過第一偏振分束/合束器的A端後以原有的偏振態進入光纖環，並以順時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第二偏振分束/合束器，在第二偏振分束/合束器的A』埠以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第一調製器，而另一束光通過第二偏振分束/合束器的A』端後以原有的偏振態進入光纖環，以逆時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的A埠以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第一調製器，並由第一調製器補償敏感到的相位信息，在第一相位調製器處發生幹涉，經第一耦合器返回第一光電探測器，第一光電探測器將幹涉形成的光強信號轉換為電流信號輸出，由第一前放調理後，經過第一 AD轉化為數位訊號輸入邏輯電路處理後，由第一 DA反饋第一調製器補償敏感到的相位信息； 兩路入射光的另一路通過第二分束器後由相位調製器進行調製並分為兩束線偏光，其中一束通過第一偏振分束/合束器的B端後原有的偏振態旋轉90°，然後進入光纖環，並以順時針方向傳輸並敏感相位信息，然後通過第二偏振分束/合束器，在第二偏振分束/合束器的B』埠，偏振光旋轉90°以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第二調製器，而另一束光通過第二偏振分束/合束器的B』端後原有的偏振態旋轉90°進入光纖環，以逆時針方向傳輸並敏感速率信息，然後通過第一偏振分束/合束器，在第一偏振分束/合束器的B埠，偏振光旋轉90°以原有的偏振態輸出，然後攜帶敏感的速率信息返回第二調製器，在第二相位調製器處發生幹涉，經第二耦合器返回第二光電探測器，第二光電探測器將幹涉形成的光強信號轉換為電流信號輸出，由第二前放調理後，經過第二 AD轉化為數位訊號輸入邏輯電路處理後，由第二 DA反饋第二調製器補償敏感到的相位信息。
3.根據權利要求1或2所述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於: 第一加速度敏感單元的輸出為:
第二角速度敏感單元的輸出為:
其中，Ιο，Ι。』分別為第一角速度敏感單元與第二角速度敏感單元中到達探測器的光強，δ Φπα)，△ φ; (t)分別為第一角速度敏感單元與第二角速度敏感單元中相位調製器的調製相位，03和Φ3』分別為第一角速度敏感單元與第二角速度敏感單元由於敏感速率造成的Sagnac相位差，即敏感角速率，Φ?; Φ；分別為第一角速度敏感單元和第二角速度敏感單元的反饋補償相移。
4.根據權利要求3所述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於，所述差分解算單元具體用於進行如下差分解算: 設相位調製器加方波調製，調製深度為±|，則一路的輸出為:
通過解調相減，且由於閉環則輸出為:
由於閉環後，為小量，因此:
Φ s+ Φ f+ Φ s+ Φ f = 0
則:
Φ? = 另一路輸出:
通過解調相減，且由於閉環則輸出為: Φ/ = Φ3 令陀螺輸出為: φ = φ f- φ f' 因此陀螺輸出為:
Φ = -2 Φ so
5.根據權利要求2所述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於:所述第一調製器和第二調製器是基於集成光學的相位調製器，具有起偏、分束/合束、相位調製的多功能集成光學器件。
6.根據權利要求2所述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於:所述第一調製器和第二調製器施加的反饋相位補償為階梯波反饋補償，使光纖陀螺儀能夠實現閉環檢測。
7.根據權利要求2所述的數字閉環光纖陀螺儀，其特徵在於，所述第一調製器和第二調製器均採用一個閉環 迴路自動實現調製係數的在線補償。
【文檔編號】G01C19/72GK104075704SQ201410300220
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】曹陽, 趙平, 王夏霄 申請人:中航捷銳（北京）光電技術有限公司