[发明专利]基于矢量空间分析的光纤陀螺仪及信号处理方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于矢量信号检测及信号空间分析的新型开环光纤陀螺仪及光纤陀螺信号估计方法。

背景技术

陀螺仪是一种惯性角速度测量传感器，用于测定载体相对惯性参考系的转动速率。陀螺仪被广泛应用于制导与姿态控制领域，以及时空精密测量如引力波探测等科学领域。目前应用的陀螺仪主要有五种类型：机械陀螺仪，静电陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope,FOG)，以及量子陀螺仪。基于Sagnac效应的光学类陀螺仪为激光陀螺仪与光纤陀螺仪。其中光纤陀螺仪具有工艺复杂度较低，结构紧凑，体积小，可以捷联组合，维护费用低等显著优点，所以惯性测量领域一直存在对光纤陀螺仪的需求。同时随着光电器件工艺水平的改善，光学陀螺仪的各项性能参数在不断提高，市场占有率也在不断提高。然而，光纤波导内的光传播以及光电检测引入了相对传统陀螺较大的短时噪声与长时零偏，所以光纤陀螺的游走系数和零位偏移稳定性不及一些机械陀螺及量子陀螺。

光学陀螺仪的光学结构基础是萨格纳克型干涉仪，该结构需要满足偏振互易，模式互易，分束器互易等互易性条件。互易性可以最大程度保证顺时针光和逆时针光的传播状态与传输路径一致，起到“共模抑制”的作用，来消除非互易引入的噪声。图1示出了光纤陀螺仪的最小互易结构。

光学陀螺仪的检测原理是基于相对论理论的萨格纳克效应(Sagnac effect)。在光学陀螺仪的闭合光路中，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，通过对干涉条纹变化的检测，实现对惯性空间参考系的环路旋转角速度的测量。萨格纳克效应表达式如下：

φs=4ωAc2Ω]]>等式(1)

其中ω为光的频率,c为真空中光速,A是光路所围的面积，Ω为载体转动角速度。萨格纳克相位的正负通过参考相位实现判断。在干涉式光纤陀螺仪(IFOG)中，需要将较长的光纤(几百米到几公里不等)绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应可以表示为：

φs=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。

根据干涉理论，光纤陀螺仪的响应函数为余弦函数I₀[1+cos(φ_s)]。为了解决余弦响应的不敏感问题，通常在光纤陀螺中引入正弦相位调制。通过在光线线圈的一段加上相位调制器，如压电效应调制器或LiNo₃Y波导，如图2所示，其中Y波导器件包含了起偏器的功能。通过在光纤线圈(即光纤环)的一端加上相位调制器形成实现两路光信号的非互易调制。Y波导相位调制器使两束光波在不同时间受到不同的相位调制φ_m(t)，这里以正弦调制为例，方波调制同理，并不限于正弦调制。产生一个相位差，如下

△φ(t)＝φ_CCW(t)-φ_CW(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ)

＝φ₀sin(ω_mt)-φ₀sin[ω_m(t-τ/2)]    等式(3)

＝2φ₀sin(ω_mτ/2)cos[ω_m(t-τ/2)]

＝φ_bcos[ω_m(t-τ/2)]