专利名称：基于双频调制信号的光纤陀螺仪角速度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，更加具体地，涉及一种基于双频调制信号的光纤陀螺仪角速度测量方法及装置。
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。陀螺仪被广泛的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。光学陀螺仪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，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。萨格纳克效应的一种常见表达方式是顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光产生了与旋转角速度成正比的相位差，这个相位差被称作萨格纳克相移，表达式如下 等式(I)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为转动角速度。在干涉式光纤陀螺仪中，常采用较长的光纤绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应的一个使用较方便的表达式为 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。光纤陀螺仪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、偏振互易等互易性条件。互易性保证了 CW光和CCW光的传播状态及路径完全一致，起到了“共模抑制”的作用，以消除多种寄生效应造成的偏差。图I示出了光纤陀螺仪的最小互易性结构。两个耦合器的使用是为了保证两束光经过耦合器的累计相移相同，即保证耦合器互异性。而起偏器保证了两束光传播在同一偏振模式，即偏振互易性。采用保偏光纤是保证光纤陀螺结构的互异性一个有效手段，只将一种偏振模式的光用于检测转动速率，而抑制另一个方向的偏振光以实现互易性。但在工程应用中，保偏光纤陀螺依然存在成本高，对弯曲敏感，对磁场敏感等问题。因而人们又提出了消偏方案，采用消偏器和单模光纤搭建较低成本的光纤陀螺结构。为了使光纤陀螺仪工作在灵敏度较高的状态，需要在光纤线圈(即，光纤环)的一端加上相位调制(例如，PZT相位调制器)，如图2所示。PZT相位调制器使两束光波在不同时间受到相位调制Φπα)，产生一个相位差，如下
A (J) (t) = 4) CCff (t) - 4) Cff (t) = 4) m (t) - 4) m (t-T ) 等式(3)其中t =neffL/c是光纤环渡越时间，表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间， neff是光纤的有效折射率。施加调制后，干涉光强信号为ID = I0{l+cos[ 4>s+A (J) (t)]}等式(4)开环干涉式光纤陀螺中通常采用单频正弦波调制4>m(t) = 4)0sin(wmt)等式(5)此时
权利要求
1.一种用于利用双频调制信号测量干涉式光纤陀螺仪的角速度的方法，所述干涉式光纤陀螺仪包括相位调制器，所述方法包括向相位调制器施加通过对具有不同调制频率Q1和《2的两个正弦信号进行线性组合后得到的相位调制信号；从光纤陀螺仪的输出信号中提取所述两个调制频率各自的一次谐波分量、二次谐波分量和四次谐波分量；将所提取的各个谐波分量的光强幅度代入下述方程式，分别求解出针对两个调制频率的角速度测量值；对所获得的两个角速度测量值进行求平均得到待测角速度的测量值，Αφ =2π-—Ω. ,AcI(Ami)I I(Imi) = JMi)!, αη(Δ^) = 4^- + ^，/(2%)Φ ι =2φ0 η(ω1τ/2)其中，L为光纤的长度,D为光纤环直径，λ为光波的波长，c为光速，τ是光纤环渡越时间，Δ C^i是与调制频率Oi对应的萨格纳克相移，Qi是与调制频率Oi对应的角速度测量值，IGcoi)和IOcoi)分别是与调制频率Coi对应的四次谐波分离和二次谐波分量的光强幅度,·ΙΑΦΟ是以Φ)3为变量的第i阶贝塞尔函数，Φο是相位调制深度，以及Ai和Bi分别是基于调制频率Qi以及调制幅度预先确定的常数。
2.如权利要求I所述的方法，其中，当调制频率ωi和ω 2分别被设置为50ΚΗζ和60ΚΗζ时，AJM1VM1)JM1)JM1VMh)撒A JM) Β — JM1VM2)2" JM2) ’ 2" JMlVMbl) ’其中，夂和夂分别是与ω i和ω 2对应的Φ b值。
3.一种用于利用双频调制信号测量干涉式光纤陀螺仪的角速度的方法，所述干涉式光纤陀螺仪包括相位调制器，所述方法包括向相位调制器施加通过对具有不同调制频率Q1和《2的两个正弦信号进行线性组合后得到的相位调制信号；从光纤陀螺仪的输出信号中提取至少两个所述两个调制频率的交叉频率分量Oi和wJ ;将所得到的至少两个交叉频率分量的光强幅度I (Oi)和Ι(ωρ代入下述公式中，求解出待测角速度的测量值，Αφ = 2π—Ω.，/IcI(Coi) = I0Ai cos ( Δ φ) +I0Bi sin ( Δ φ),I(Co1) = I0A1 cos ( Δ φ) +I0B1 sin ( Δ φ),
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所获得的交叉频率分量超过两个时，针对所获取的交叉频率分量的每两个交叉频率分量，按照上述公式求解出测量值；以及对所求解出的测量值进行求平均来获得待测角速度的测量值。
5.如权利要求3所述的方法，其中，当两个调制频率被设置为50KHz和60KHz以及所获得的交叉频率分量对应的交叉频率分别是30KHz和IlOKHz时，
6.一种用于利用双频调制信号测量干涉式光纤陀螺仪的角速度的测量装置，所述干涉式光纤陀螺仪包括相位调制器，所述测量装置包括相位调制信号施加单元，用于向相位调制器施加通过对具有不同调制频率ω^Ρ 2的两个正弦信号进行线性组合后得到的相位调制信号；谐波分量提取单元，用于从光纤陀螺仪的输出信号中提取所述两个调制频率各自的一次谐波分量、二次谐波分量和四次谐波分量；求解单元，用于将所提取的各个谐波分量的光强幅度代入下述方程式，分别求解出针对两个调制频率的角速度测量值；以及平均单元，用于对所获得的两个角速度测量值进行求平均得到待测角速度的测量值，
7.如权利要求6所述的测量装置，其中，当调制频率Co1和ω2分别被设置为50KHz和 60ΚΗz 时，
8.一种用于利用双频调制信号测量干涉式光纤陀螺仪的角速度的测量装置，所述干涉式光纤陀螺仪包括相位调制器，所述测量装置包括相位调制信号施加单元，用于向相位调制器施加通过对具有不同调制频率ω^Ρ 2的两个正弦信号进行线性组合后得到的相位调制信号；交叉频率分量提取单元，用于从光纤陀螺仪的输出信号中提取至少两个所述两个调制频率的交叉频率分量Oi和COj ;以及求解单元，用于将所得到的至少两个交叉频率分量的光强幅度I (Coi)和Ι(ωρ代入下述公式中，求解出待测角速度的测量值，
9.如权利要求8所述的测量装置，其中，在所获得的交叉频率分量超过两个时，所述测量装置还包括平均单元，用于对针对所获取的交叉频率分量的每两个交叉频率分量按照上述公式求解出的测量值进行求平均来获得待测角速度的测量值。
10.如权利要求8所述的测量装置，其中，当两个调制频率被设置为50ΚΗζ和60ΚΗζ以及所获得的交叉频率分量对应的交叉频率分别是30ΚΗZ和IlOKHz时，
全文摘要
本发明提供一种用于利用双频调制信号测量干涉式光纤陀螺仪的角速度的方法，包括向相位调制器施加通过对具有不同调制频率ω1和ω2的两个正弦信号进行线性组合后得到的相位调制信号；从光纤陀螺仪的输出信号中提取所述两个调制频率各自的一次谐波分量、二次谐波分量和四次谐波分量；将所提取的各个谐波分量的光强幅度代入预先设置的修正后的求解方程式中，分别求解出针对两个调制频率的角速度测量值；对所获得的两个角速度测量值进行求平均得到待测角速度的测量值。利用该方法，可以提高光纤陀螺仪的零偏稳定性，降低速率随机游走等噪声，提高检测信号的信噪比。
文档编号G01C19/72GK102607589SQ20121003795
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者张振荣, 李正斌, 杨易, 王子南 申请人:北京大学