[发明专利]一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高角速度测量范围的陀螺，尤其是涉及一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速率测量仪，由于其具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。光纤陀螺的工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速率的赛格奈克相位差，通过检测该相位差，可推算得到环形干涉仪所在系统的角速率。赛格奈克相移φ_Sag和系统旋转速率的关系如下：

φ_Sag＝4ω×A·Ω/c²        (1)

式中ω为光波的角频率，c为光速，黑体的A、Ω表示的分别是闭合光路的面积矢量和旋转速率矢量的标量积，黑点·为标量积符号。在光纤陀螺的应用中，闭合光路使用的是光纤环的形式，典型的是圆形的光纤线圈组成的光纤环，并且使Ω矢量和面积矢量A方向重合，从而简化公式，此时标量积可以简化为代数积：

φ_Sag＝Sign×4ωAΩ/c²      (2)

其中非黑体的A和Ω分别为闭合光路的面积大小和输入角速率的大小；而Sign则表示了产生赛格耐克相移的方向，根据Ω矢量和面积矢量A的相对方向分别取值+1或者-1，若Ω矢量和面积矢量A的方向相同则取+1，反之取-1，这对于光纤陀螺所采用的光纤环而言实际上是决定于光纤环中光纤的绕制方向。

考虑到采用圆形光纤环的情况，该式子可以简化为：

φ_Sag＝Sign×2πLDΩ/(λc)  (3)

其中L为光纤陀螺光纤环光纤长度，D为光纤环直径，λ为光纤陀螺所用光源波长，c为真空中光速。

光纤陀螺为一相位测试系统，0.1微弧度(0.1urad)相位是工程上可达的测量精度，其相应的角速率对应于光纤陀螺静态精度，也即光纤陀螺最小可测量角速率；而干涉仪输入相位信号和输出之间的关系，即本征响应函数为余弦函数，其单调相位区间范围为2π，一般来说使用的单调区间为[-π，π)，按照上式计算对应的角速率区间，即为光纤陀螺的能测量的角速率范围，这个是光纤陀螺的基本测量范围。对于典型参数为环长500米，直径0.1米，光源波长为1.31微米的光纤陀螺，最大可测量角速率分别为225°/s(°/s：度每秒)。

若需测量更大的角速率范围，则需要扩展角速度测量范围，根据公式(3)需要减小光纤长度或环直径。但这种扩展的方法存在缺陷：首先是过小的环直径会造成增加系统弯曲损耗，降低检测信噪比，从而削弱光纤陀螺输出角速率信号的精度，恶化了静态精度，一般光纤环直径最低不能小于2厘米，最好是在5厘米以上；其次是减小光纤长度同样会引入其他的问题，光纤越短渡越时间越小，这意味着闭合周期的降低和频率的同比增加，导致后续电路处理系统的带宽过高，会在后续信息处理模块引入额外噪声，增加其功耗，增加其设计难度，通常而言，光纤长度的下限在100米～150米的范围之内。而且通过改变光纤陀螺光纤长度的方法还有一个缺点，长度改变意味着渡越时间的改变，电路信息处理系统(在光纤陀螺中也常常成为信息处理模块)需要根据这个时间重新设计调制和解调序列，这使得不同测量范围的光纤陀螺需要采用具有不同参数的的信息处理模块，这使得光纤陀螺无法进行的标准化和模块化的生产，这等价于增加了陀螺的制造和维护成本。

在某些高机动载体应用场合，对所用的角速率传感器的测量范围跨越几转到几十转每秒，并且要求静态测量精度高，已有的光纤陀螺技术的静态测量精度基本可以满足这个目标，但无法做到几十转每秒的角速度输入测量。

发明内容

针对目前在某些高机动载体应用中对角速度传感器要求能够测量高达几十转的角速度范围，而在现有技术条件下，光纤陀螺通过降低长度和直径的方法存在过大的难度而无法达到该目标的问题，本发明的目的在于提供一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，利用两个光纤环串联为一个干涉仪回路，在不增加电路系统负担情况下，实现大角速度范围内的角速度测量，有效地满足不同高机动性运动载体导航制导的应用需求。

发明原理：

利用两个串联的子干涉回路作为干涉仪的干涉回路，通过使两个子干涉回路敏感轴方向相反，保持其长度和不变，通过控制其长度差的方法从而实现对于角速度测量范围的灵活扩展，并且这种方法不需要改动信息处理模块。