[发明专利]基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更加具体地，涉及一种基于载波调制的多波长干涉式光纤陀螺，即一种使用载波抑制调制将单频光能量搬迁到两个或者多个频率十分接近的边带上来同时用于感测的光纤陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的基础核心器件。陀螺仪被广泛运用于航天、航空、航海、兵器及其它工业领域。常见的陀螺仪有三种类型：机械陀螺仪，激光陀螺仪，和光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope，FOG)。后两者为光学陀螺仪。光纤陀螺仪具有快速启动，结构紧凑，高灵敏度等一系列优点，但是稳定性不如一些现代机械陀螺。然而，光纤陀螺具有精度高、尺寸小等优点，同时其精度和稳定度具有极大的提高潜力。

光学陀螺的原理基于萨格纳克效应(Sagnac effect)。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路的旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是基于顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光而产生的正比于旋转角速度的相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，其表达式如下：

Δφ=4ωAc2Ω]]>等式(1)

其中ω为光的频率，c为真空中的光速，A是光路所围的面积(或者是与角速度矢量方向垂直的面积投影)，Ω为转动角速度。方程(1)说明萨格纳克相移Δφ与环路形状和旋转中心位置无关，而且与导波介质的折射率也无关。

干涉式光纤陀螺是光纤陀螺的一个重要类型。在干涉式光纤陀螺中，通常采用较长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的表达式为

Δφ=2πLDλcΩ]]>等式(2)

其中L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长，c为真空中的光速，Ω为转动角速度。光纤陀螺的基础结构是萨格纳克干涉仪，该结构需要满足分束器互易、单模互易、等互易性条件。互易性保证了CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，由此实现“共模抑制”，从而消除多种寄生效应造成的偏差。

为使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，通常采用在光纤线圈的一端加上相位调制的结构，例如，可以如图2所示，在光纤线圈的一端加上PZT来进行相位调制，也可以如图3所示，在光纤线圈的一端加上Y波导来进行相位调制。利用上述相位调制结构，使两束光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制φ(t)，从而产生如下所述的的时变相位差，

Δφ(t)＝φ_CCW(t)-φ_CW(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)                等式(3)

其中τ＝nL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，n_f是光纤的有效折射率。在施加调制后，所获得的干涉信号I_D为

I_D＝I₀{1+cos[φ_S+Δφ(t)]}                        等式(4)

当Δφ(t)的形式已知时，通过对干涉信号I_D进行合适的解调就可以得到萨格纳克相移φ_s，从而进一步得到转动角速度Ω。

然而，传统的光纤陀螺中所使用的光源通常为单波长光，由于温度漂移和外界扰动等因素，光纤陀螺的精度通常不高。因此，需要一种光纤陀螺，其通过对光源信号进行改进，能获得更高的测量精度和稳定性，并能够消除共模误差。

发明内容