[发明专利]基于多通道反馈的布里渊陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于多通道反馈的布里渊陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种转动传感器，用于测定其所在载体的转动角速度。陀螺仪被广泛应用在各种飞行器及武器的制导，工业及军事的多种精密测量等领域。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)。后两者皆为光学陀螺仪。光学陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高等特点，但是稳定度不及一些现代机械陀螺。由于应用的需要，新型的陀螺仪应具有高的灵敏度与稳定度，较低的成本和功耗，以及体积小等特征。

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。

光纤陀螺仪通常包括干涉型陀螺仪，谐振型陀螺仪和布里渊光纤陀螺仪，其中布里渊陀螺仪是在谐振型陀螺仪基础上利用布里渊散射机制来实现的，其可以实现超窄线宽和极高的灵敏性。

图1示出了传统的谐振型光纤陀螺仪的一个示例结构。

从光源发出的光所经过的第一个保偏分束器可以采用50:50的保偏耦合器1，功能是将所得到的线偏振光平分到两个分支光路当中去，并保持同方向的线偏振。方向相反的两路主波束是通过耦合器2将能量耦合进环形腔的。这样环形腔中顺时针方向波束与环形腔产生谐振，谐振响应峰再由耦合器2耦合回光纤环中，由上方的耦合器3将谐振响应峰耦合出来由光电检测器接收。环形腔中的逆时针方向波束由于达不到谐振条件不能够产生谐振，波束由耦合器2耦合进光纤环，再由下方的耦合器4将信号耦合出来由下方的光电检测器接收。

环形腔中偏置调制作用是使系统处于谐振尖峰上。产生偏置调制信号所需的“抖动”调制，是通过腔内的压电陶瓷调制器对腔长进行调制实现的。上方的光电检测器接收的信号经解调后作为误差信号，通过调节频移保证系统处于谐振尖峰上。下方光电检测器接收的信号经解调后作为误差信号通过闭环处理电路施加一个附加的频移Δf_R，这个频移值就代表了旋转角速率信号，它对应着两个反相旋转光路之间的谐振频差。

对于传统的谐振型光纤陀螺仪，为了使得输入光可以在光学腔中产生谐振，必须使得输入光的频率范围覆盖谐振腔的自由光谱范围(FSR)，同时输入光的相干长度又要大于光纤谐振腔的长度和精细度的乘积。通常，输入光的线宽越窄，谐振型光纤陀螺仪的灵敏度越高，所以在一般的谐振型光纤陀螺中，需要对输入光进行扫频处理，扫频范围要大于自由光谱范围。

布里渊陀螺仪的工作机制与谐振型陀螺仪的工作机制不同。在布里渊陀螺仪中，输入光是大功率的窄线宽抽运光，因此，在光纤中传输时，由于非线性的布里渊散射(SBS)效应，通常会产生反向的斯托克斯光，斯托克斯光相比输入光存在GHz量级的频移，并且具有一定的展宽。如果斯托克斯光的线宽超过了自由光谱范围，则就会满足谐振条件。如果采用双向输入的方式，也会产生双向的谐振输出，根据Sagnac效应，在旋转的系统中，两个方向的谐振频率不同，检测两个方向输出光的拍频信号，从而可以得到系统的旋转状态。