[发明专利]一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺

权利要求书

1.一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，其特征在于：包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一Y波导、第二Y波导、第一光纤环、第二光纤环、第一探测器、第二探测器以及调制电路，其中，所述第一光纤环的光纤长度大于第二光纤环的光纤长度；所述光源经第一耦合器后同时与第二耦合器和第三耦合器相连，所述第二耦合器经第一Y波导后与第一光纤环的两端相连，第三耦合器经第二Y波导后与第二光纤环相连，所述第一探测器和第二探测器分别与第二耦合器和第三耦合器相连；

所述调制电路包括第一前置放大电路、第二前置放大电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、数字信号处理电路以及第一D/A转换电路和第二D/A转换电路；所述第一探测器经第一前置放大电路和第一A/D转换电路后与数字信号处理电路相连，所述第二探测器经第二前置放大电路和第二A/D转换电路后与数字信号处理电路相连；数字信号处理电路将反馈信号处理后输出光纤环的旋转角速率信号，同时，数字信号处理电路经第一D/A转换电路后与第一Y波导相连，经第二D/A转换电路后与第二Y波导相连；

其中，所述数字信号处理电路的补偿过程如下：

1)建立本征方波调制下光纤陀螺光功率探测模型：

$\mathrm{\Δ}I({\mathrm{\Φ}}_S,{\mathrm{\Φ}}_0)=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0{\mathrm{sin\Φ}}_S=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_{0}sin\frac{2\mathrm{\π}LD}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}c}\mathrm{\Ω}...\left(1\right);$

式中：ΔI为光强差，I₀为干涉幅度的2倍，其可表示为：

式中：I₁，I₂分别为两束光波的光强；Φ₀为方波调制幅度，Φ_S为萨格奈克相移，其中：

${\mathrm{\Φ}}_S=\frac{2\mathrm{\π}LD}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}c}\mathrm{\Ω}...\left(2\right);$

式中：L为光纤长度；D为光纤环直径；为光源平均波长；c为真空中的光速；Ω光纤陀螺旋转的角速率；

当光纤环旋转角速率超出范围后，光纤环的光功率差为：

$\mathrm{\Δ}I=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0{\mathrm{sin\Φ}}_S=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\π}}{2}*k+\mathrm{\Φ})...\left(3\right);$

式中：k为整数，Φ为Φ_S关于的余数，并且Φ∈[-π/2,+π/2]；

其中：

Ⅰ)陀螺正转，即Φ_S，k，Φ都为正数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(4)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

$\mathrm{\Δ}I=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\π}}{2}*k+\mathrm{\Φ})=\left\{\begin{array}{c}{I}_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin \left(\mathrm{\Φ}\right)\mathrm{.........................}m=0\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\Φ})\mathrm{...................}m=1\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (-\mathrm{\Φ})\mathrm{.......................}m=2\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (\mathrm{\Φ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\mathrm{...................}m=3\end{array}\right....\left(5\right);$

Ⅱ)陀螺反转，即Φ_S，k，Φ都为负数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(6)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

$\mathrm{\Δ}I=I_0{\mathrm{sin\Φ}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\π}}{2}*k+\mathrm{\Φ})=\left\{\begin{array}{c}{I}_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin \left(\mathrm{\Φ}\right)\mathrm{.........................}m=0\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\Φ})\mathrm{...................}m=-1\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (-\mathrm{\Φ})\mathrm{.......................}m=-2\\ I_0{\mathrm{sin\Φ}}_0\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\Φ})\mathrm{...................}m=-3\end{array}\right....\left(7\right);$

2)建立光纤陀螺的输出模型：F＝K*Ω………(8)；

式中：F为陀螺输出量；K为陀螺的标度因数；Ω为陀螺的旋转角速率；

3)光纤陀螺的实际输出：令第一光纤环为大环、第二光纤环为小环，则有：

a、速率没有超过大环最大角速率，直接输出大环的输出量；

b、转角速率超过大环最大角速率没有超过小环最大角速率时，建立小环对大环的补偿模型：

式中：大环输出量记为F_大，小环输出量记为F_小，大环最大角速率为F_大max，小环最大角速率为F_小max，萨格纳克相移为Φ_S且有F_大max/K_大<Φ_S<F_小max/K_小，其中，K_大，K_小分别为大环和小环对应的标度因数，k为整数且k≠0，Ω为Ω_小关于Φ_大max的余数，并且Ω∈[-Ω_大max,+Ω_大max]，其中，Ω_大max＝F_大max/K_大，Ω_小max＝F_小max/K_小；

Ⅰ)陀螺为正转，即k＞0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(10)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

补偿后的大环数据为：

Ⅱ)陀螺为反转，即k＜0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(12)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

补偿后的大环数据为：