CN1382958A - 非机械陀螺行波环形谐振腔拍频检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用环形行波谐振腔测量非机械光学陀螺的拍频进而检测惯性系统角速度的方法。该方法是将行波环形谐振腔搁置在以某角速度旋转的惯性系统内,光波信号由2×2波导耦合器馈入该行波环形谐振腔中,使顺时针和逆时针两个方向上都有光波场传播,用波导耦合器直接从行波环形谐振腔上耦合出沿顺时针和逆时针方向相向传播的光信号,利用波导合波装置将这两个不同频率的谐振光波信号叠加得到拍频信号,通过低通滤波取出拍频信号,该拍频信号的频率值及变化对应被检测惯性系统的角速度及变化。本发明的检测方法对组成环形谐振腔的光纤或波导的保偏特性没有要求,测量精度提高,易于实现小型化。

Description

非机械陀螺行波环形谐振腔拍频检测方法

技术领域：

本发明属于陀螺技术领域，尤其是一种基于行波环形谐振腔的(光纤)陀螺的拍频来检测惯性系统角速度的方法。

背景技术：

21世纪初最重要的新型陀螺技术是非机械的光学陀螺技术，在众多的新型陀螺仪中，非机械光学陀螺仪，包括激光陀螺和光纤陀螺，在当前和今后一段时期的惯性系统测量中，形成了与传统机械陀螺争夺市场的局面。这种陀螺仪基于光速不变的原理工作，已不同于原来力学意义上的惯性仪表，它既没有高速旋转的部件，也没有液浮陀螺那样的液体，属于固态陀螺。到目前为止，应用较多的光学陀螺仪——激光陀螺的精度还在中等水平，影响其精度提高的一个重要因素是低速率输入时，激光陀螺有一个死区，即闭锁现象。为克服这种现象，一般是给这种陀螺加机械抖动的办法，或者用转台使之旋转，以产生速率偏置的办法来提高其精度。这些办法是有效的，同时也是有限的。因为它们又增加了机械活动部分，使结构复杂，往复式的抖动又会引起输出噪声的增加。光纤陀螺是稍后于激光陀螺而发展起来的另一种光学陀螺，目前它还赶不上激光陀螺的性能，但由于光纤技术在现代通讯技术方面的特殊作用，与其相关的技术如保偏光纤、超辐射激、光二极管光源、耦合器、偏振器和集成光学等在低成本、小型化、适合批生产方面取得了快速的发展，因而，具有很好的发展前景。

光纤陀螺仪自1976年美国犹他州立大学首先研制出试验装置，随后，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很大的人力、物力和精力研究这一有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已经实现了惯性器件的突破性进展。在国外，1°/h～0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°h的光纤陀螺仪用于战术导弹的惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了1°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS，美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。光纤陀螺仪作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展。光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要，随着计算机、微电子和光纤和光电子等技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态、没有旋转部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动/结构简单、尺寸小、重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。光纤陀螺仪按原理上分类，可以分为：干涉仪式、谐振腔式和光纤型环型激光陀螺仪。干涉仪式光纤陀螺仪按照光路的组成又可以分为：消偏型、全光纤型和集成光学型。谐振腔式光纤陀螺仪按照光路的组成又可以分为：全光纤型和集成光学型。目前采用的光纤型环形激光陀螺仪是一种利用光纤环形腔中的受激布里渊散射的方向性增益效应来实现利用Sagnac效应检测谐振速率，其原理与激光陀螺仪完全相似。由于无需复杂的调制解调检测技术，国际上倍受重视。由于惯导级干涉仪式光纤陀螺仪的难点是必须采用1km长度的保偏光纤，如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案，则长度可减为10m左右的光纤，从而可以实现光纤陀螺仪的小型化，其难点在于：控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。随着ASIC技术的发展，将来有可能得到满意的解决，使谐振腔式光纤陀螺成为产品。而采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。

发明内容：

本发明在对Sagnac效应原理与探测机理细致分析的基础上，提出基于行波环形谐振腔拍频陀螺检测方法，克服现有非机械陀螺如光纤陀螺尤其是干涉式I-FOG和谐振式陀螺R-FOG对很多寄生效应敏感的问题。下面结合附图对其基本原理和技术方案详述如下：

本发明的非机械陀螺行波环形谐振腔拍频检测方法是基于Sagnac效应来检测被测平面相对惯性系统的角速度，从这点上来说，其基本原理与干涉式光纤陀螺是一致的。由于利用行波环形谐振腔很窄的谐振频率敏感Sagnac频移的，所以这种行波环形谐振腔拍频检测方法与现有非机械的谐振光纤陀螺(R-FOG)一样，采用较短的Sagnac环作为敏感元件。

本发明是利用环形行波谐振腔测量非机械光学陀螺的拍频进而检测惯性系统角速度的方法。将描述的行波环形谐振腔搁置在以某角速度旋转的惯性系统内，光波信号由2×2波导耦合器馈入该行波环形谐振腔中，使顺时针和逆时针两个方向上都有光波场传播，受Sagnac效应的作用，在两个相向方向上传播的光波在光纤环上受到类似法布里-珀罗谐振腔的作用在系统稳定后各自剩下满足相位条件即谐振频率的光波。用波导耦合器直接从行波环形谐振腔上耦合出沿顺时针和逆时针方向相向传播的光信号，这两个信号的频率分别对应满足由Sagnac效应引起的法-珀腔长相位条件的谐振频率；利用波导合波装置将这两个不同频率的谐振光波信号叠加。由于在行波环形谐振腔上引入了波导耦合器，使得取出的光波信号既包含横电模又包含横磁模，即椭圆光，从而经叠加后能得到拍频信号，并通过低通滤波取出拍频信号。该拍频信号的频率值及其变化对应被检测惯性系统的角速度及其变化。

所述的行波环形谐振腔结构可以是由分立元件构成，也可以在任意尺度下的集成可得。行波环形谐振腔可以是任意封闭形状的环，构成该环型腔结构的可以是任意种类的波导，包括偏振、单偏以及保偏的光纤。

所述从行波环形谐振腔上耦合出沿顺时针和逆时针方向相向传播的光信号的耦合器为一个2×2波导耦合器或者两个1×2定向波导耦合器。

所述光源馈入环形腔的方法可以称为双输入无吸收对称结构，如图1所示，采用两个输入端1和10将信号通过2×2波导耦合器2馈入行波环型谐振腔，两个端口输入的信号分别有一部分场被耦合进行波环形谐振腔，另一部分由耦合器进入另一输入端形成闭合光回路。

这种方案包括两种耦合拍频光场的结构。在图1(a)中，具有某一频谱宽度的光源由输入端1馈入，在耦合器2处一部分场被耦合进入由光纤波导构成的Sagnac行波环形谐振腔3，另一部分由耦合器2到进入另一输入端10形成闭合光回路。被耦合进入Sagnac环形腔中的场在满足谐振条件即相位匹配条件(即处于谐振状态的波场是某一频率的波场沿Sagnac环形腔传输一周后所经历的波程为该频率的波场波长的整倍数)并达到稳态时，环形腔中的某一频率的场将达到一种动态平衡，即处于谐振状态，而其余频率的场则由于相位不满足匹配而被衰耗，这个环形腔就称为行波环形谐振腔。与此相对应，从进入Sagnac环型腔的(光)的另一输入端10输入的波场也有一部分被耦合进Sagnac环形腔中，由于Sagnac效应，同样有另一频率的波场处于谐振状态；处于谐振状态的波场同时还有一部分要在耦合器2处耦合出去。因此，在谐振腔中被激励出顺时针方向和逆时针方向上的两个谐振状态。当该谐振腔的两个相向方向上传输的波场经历的波程是可互易时，这两个谐振状态是简并的，谐振频率相同。当Sagnac环形腔中两个方向上的波程非互易时，这两个谐振状态将发生分裂，得到两个谐振频率。现有非机械的谐振型光纤陀螺的检测谐振频率的方案一般是检测两个方向因谐振产生的陷波频率值(即谐振频率)的差异来测量惯性系统的角速度。在如图1(a)中，本发明的方法采用1×2光纤波导耦合器5和12分别将部分顺时针方向的谐振波场(谐振光)11和逆时针方向的谐振波场(谐振光)4耦合进光纤波导6和8，它们在合波装置——光纤波导合波器7处叠加。由于耦合器2、5和12的引入，实际进入光纤波导6和8中的光波在不连续波导结构中传输将激发出横电模和横磁模，使得在合波装置7处合波后肯定能得到拍频。经合波装置7输出的波场通过在拍频测量与角速度显示模块9进行探测(如光电转换)、低通滤波、瞬时频率测量，得到拍频频率值。当谐振腔的两个相向方向上传输的波场经历的波程是可互易时，两个谐振状态是简并的，即无Sagnac效应产生，惯性系统处于静止状态，拍频值为零；当谐振腔的两个相向方向上传输的波场经历的波程是非互易时，两个谐振状态是分裂的，得到的拍频就是由Sagnac效应引起的非互易性产生的频率差，并由此频率可得到角速度值。因此，只要惯性系统处于非静止状态，存在角转动就有拍频产生，不仅不会存在闭锁现象，其测量精度也将比现有的光学陀螺要高。

这种光源馈入结构的另一种耦合拍频的方案如图1(b)所示，以2×2的光纤波导耦合器15代替图1(a)中的1×2光纤波导耦合器5和12。且该2×2耦合器15在波导6和8上的输出均为在顺时针方向或逆时针方向谐振波场功率的一小部分(如百分之十)，以保证Sagnac环形谐振腔中谐振波场处于平衡状态。

所述的光源馈入环形腔的方法可以称为单输入的再入式结构，如图2，采用一个输入端1将信号通过2×2波导耦合器2馈入行波环型谐振腔3，该端口输入的信号有一部分场被耦合进行波环形谐振腔3，另一部分通过耦合器2进入反射端14并被反射回输入端1。这种方案也包括两种拍频耦合结构，与图1相比，除了信号馈入方式不同外，其余结构相同，分别如图2(a)和2(b)所示。

所述的光源馈入环形腔的方法可以称为对称双输入吸收结构，如图3，两个输入端1和10分别将信号通过2×2波导耦合器2和15馈入行波环型谐振腔3，各端口输入的信号有一部分场被耦合进行波环形谐振腔3，另一部分分别通过耦合器2和15进入吸收或隔离端16和17。这种方案也包括两种拍频耦合结构，与图1和2相比，除了信号馈入方式不同外，其余结构相同，分别如图3(a)和3(b)所示。

如图4所示，在进到7之前，波导6或者8可以经过一个偏振分束器13，以避免波导6和8过来的波场是正交波场(两个完全正交的线偏振光)。但是，由上述分析可知，从波导耦合器输出的波场同时有横电模和横磁模，进到7的波场信号肯定能产生拍频，该偏振分束器不是必须的，其有无并不影响拍频的位置，但会影响其峰值。给出此图的目的是为防止仅从几何光学上解释产生的歧义。

所述的测量方法采用的馈入信号源除光波信号外，还可以是红外、微波信号或射频信号等的信号源；相应采用的行波环形谐振腔结构可以是环形波导或光纤、微波环形行波波导、红外或射频谐振腔。

本发明方法的主要特点是直接从行波环形谐振腔上耦合出两个方向上的谐振波场，并同时利用了横电模和横磁模(偏振光)来检测它们之间的拍频来确定惯性系统的转动角速度，从而在原理和结构上不仅有别于现有非机械的陀螺检测两个方向上因谐振产生陷波的谐振光纤陀螺，同时也有别于受激布里渊散射光纤陀螺。

现有非机械的光学陀螺尤其是光纤陀螺受到噪声和偏振不确定性等的困扰，使得精度和小型化受到影响，并对工艺(如Y波导等)有较高的要求。本发明以Sagnac效应为基础，利用波场耦合与行波谐振腔，在信号检测方式和机理上有别于现有各种非机械的光学陀螺，不仅对组成环形谐振腔的光纤或波导的保偏特性没有要求；在理论上本发明既有谐振陀螺的原理又有干涉式陀螺的特性，同时又克服了现有谐振式和干涉式的许多寄生效应带来的弊端，从而能使测量精度大大提高，并易于实现小型化。

附图说明：

图1为采用双输入无吸收对称结构的检测装置示意图；

图2为采用再入式结构的检测装置示意图；

图3为采用对称双输入吸收结构的检测装置示意图；

其中，图1(a)、图2(a)、图3(a)均为两个1×2光纤波导耦合器耦合出谐振波场光信号，图1(b)、2(b)、3(b)均为一个2×2光纤波导耦合器耦合出谐振波场光信号。

图4为合波前加偏振分束装置的结构示意图；

图5为用光纤实现的一个检测装置示意图。

图中：

1、10-进入Sagnac环型腔的(光)输入端

2、15、18-2×2波导(光纤)耦合器

3-Sagnac行波环形谐振腔

4-逆时针方向谐振波场(光)

5、12-1×2波导(光纤)耦合器

6、8-波导(光纤)线

7-波导(光纤)合波装置

9-拍频测量与角速度显示模块

11-顺时针方向谐振波场(光)

13-偏振分束装置

14-反射端

16、17-吸收或隔离端

实施例：

如图5所示，为根据图1(a)所示原理结构采用光纤实现的一个实施例。图中，LR为宽带光源如超荧光光源；C₁和C₄为1×2的光纤波导耦合器，C₂和C₃为2×2的光纤波导耦合器；R为光纤谐振腔，其参数与光源的带宽匹配；P为可选偏振分束器，其有无不影响拍频的位置，但会影响其峰值；BD为光电转换、低通滤波、拍频检测(瞬时频率测量)，S为角速度计算和显示。

将如图5中所示的装置放置于某一惯性系统中，由光源LR发出的光，经耦合器C₁后分成两束，并且通过2×2耦合器C₂都将部分光波耦合进光纤行波环形谐振腔R中，其余部分光各自与C₁形成光回路。进入谐振腔R中的光达到稳定后，从耦合器C₃出来的光仅有与Sagnac效应有关的频率成份。其中一路信号经偏振分束后(也可省去此步)，在合波器C₄处信号叠加。通过低通滤波电路BD，得到拍频信号。该信号值通过S计算出角速度值并显示或送到惯性系统的控制中心。

Claims (5)

1.非机械陀螺行波环形谐振腔拍频检测方法，其特征是将行波环形谐振腔搁置在以某角速度旋转的惯性系统内，光波信号由2×2波导耦合器馈入该行波环形谐振腔中，使顺时针和逆时针两个方向上都有光波场传播，用波导耦合器直接从行波环形谐振腔上耦合出沿顺时针和逆时针方向相向传播的光信号，利用波导合波装置将这两个不同频率的谐振光波信号叠加得到拍频信号，并通过低通滤波取出拍频信号，该拍频信号的频率值及其变化对应被检测惯性系统的角速度及其变化。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于从行波环形谐振腔上耦合出光信号的耦合器为一个2×2波导耦合器或者两个1×2定向波导耦合器。

3.如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于所述光波信号馈入环形腔采用的是双输入无吸收对称结构，即，采用两个输入端将信号通过2×2波导耦合器馈入行波环型谐振腔，两个端口输入的信号分别有一部分场被耦合进行波环形谐振腔，另一部分由耦合器进入另一输入端形成闭合光回路。

4.如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于所述光波信号馈入环形腔采用的是单输入的再入式结构，即，采用一个输入端将信号通过2×2波导耦合器馈入行波环型谐振腔，该端口输入的信号有一部分场被耦合进行波环形谐振腔，另一部分通过耦合器进入反射端并被反射回输入端。

5.如权利要求1或2所述的检测方法，其特征在于所述光波信号馈入环形腔采用的是对称双输入吸收结构，即，采用两个输入端分别将信号通过两个2×2波导耦合器馈入行波环型谐振腔，各端口输入的信号有一部分场被耦合进行波环形谐振腔，另一部分分别通过耦合器进入吸收或隔离端。

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