具有光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及具有光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器及其控制方法。旋转速率传感器中的光纤萨格纳克干涉仪包括具有MIOC传递函数的多功能集成光学芯片（MIOC）。数字滤波器连接到多功能集成光学芯片的上游，该多功能集成光学芯片的滤波器传递函数基本上对应于逆MIOC传递函数以使得由滤波器传递函数来补偿MIOC传递函数。可以在主控制回路中确定滤波器传递函数的对应的系数。
【专利说明】具有光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有光纤萨格纳克（Sagnac)干涉仪的旋转速率传感器，以及用于控制 具有光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器的方法。
【背景技术】
[0002] 光纤萨格纳克干涉仪用于惯性导航系统中的旋转速率传感器中。
[0003] 可以以各种方式来实现惯性导航系统。通常，定位是基于对作用到对象上的力或 加速度的测量以及所施加的旋转速率。光学效应替代机械效应也可以用于确定惯性导航系 统的旋转速率。这种惯性导航系统可以基于至少一个光纤萨格纳克干涉仪。这使用萨格 纳克效应，根据萨格纳克效应，在光学光导回路绕其法线旋转期间，出现相反方向进入光导 回路内部的两个光束之间的光程差。在对射出光导回路的两个光束的光进行观察并且这两 个光束重合期间，在旋转期间，强度的变化变得可见，该强度的变化可以由干涉仪特征来描 述，干涉仪特征依赖于两个光波之间的相位差描述了强度变化。换言之，作用在萨格纳克干 涉仪上的旋转运动导致彼此相反地循行的两个光束之间的相移，以使得在束重合的位置处 可以观察取决于旋转运动的强度的变化。
[0004] 光纤萨格纳克干涉仪中的相移正比于旋转速度、光导回路或光导线圈中的光的路 径长度以及圆形光路的直径。此外，相移反比于所使用的光的波长。
[0005] 上面已经提到的描述了光强度的依赖性的并且必须用作为用于根据相位差确定 旋转的可观察量的干涉仪特征是余弦形。
[0006] 由于对应的传递函数在余弦曲线的最大值处对小的输入值是不敏感的，并且与旋 转方向对应的相移的符号是不可检测的，所以经常调节萨格纳克干涉仪的工作点以使得萨 格纳克干涉仪位于余弦函数的最大梯度的点。为此，可以考虑例如正弦调制或方波调制。因 此，应该已经在小的旋转运动的情况下保证干涉仪的最大灵敏度。
[0007] 包括光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器通常包括多功能集成光学芯片 (MI0C)，借助于其可以进行相位调制。通常，MI0C是用于调节上述相位调制的控制回路的 一部分。MI0C中的物理效应，例如可移动的电荷载流子，引起相位调制的频率依赖性。因 此，MI0C具有频率响应，由于这，对不同的频率发生不同的频率响应。由于这种现象也可以 追溯到MI0C中的电荷载流子的迁移性，所以还存在MI0C频率响应对周围温度或MI0C本身 的温度的依赖性。
[0008] MI0C频率响应导致特殊形式的锁定效应，锁定效应显露为：在实际上约0° /h的 小旋转速率的情况下，进行与〇° Λ的旋转速率对应的输出信号的累积。从而，由此导致的 萨格纳克干涉仪对非常小的旋转速率的不敏感因此限制了对特别是在非恒定温度条件下 并且非常小的旋转速率的高度精确且可靠的测量。
【发明内容】
[0009] 本发明基于该问题提供了一种具有光纤萨格纳克干涉仪的旋转速率传感器，针对 该光纤萨格纳克干涉仪有效地减小了由MIOC频率响应引起的锁定效应并且针对该光纤萨 格纳克干涉仪还可以在非常小的旋转速率并且非恒定温度情况下进行高度精确的旋转速 率测量。由权利要求1的主题来解决本发明的该目的。此外，由权利要求9的主题来解决 本发明的目的。在各个从属权利要求中详述了本发明的其他实施方式。
[0010] 旋转速率传感器中的本发明的光纤萨格纳克干涉仪包括光源、偏振器、光纤线圈、 光电检测器装置、带有下游连接的模拟/数字转换器的放大器、数字/模拟转换器、评估电 路、加法器以及相位调制器。与光纤萨格纳克干涉仪同义的是例如光纤环干涉仪结构。这 里，光源有利地能够发射可调节波长的光。如上面已经指出的并且如下文将详述的，必须检 测到小的相移。通常，由于所谓的高亮度发光二极管（SLD)具有比激光光源更宽的光学带宽 并且从而具有更短的相干长度，所以将SLD用作为光源。更短的相干长度(通常25μπι)的 优点是所使用的信号与例如在反射点或散射点处生成的其他光信号之间的非相干性。
[0011] 偏振器被配置成对光源的光进行偏振。光纤线圈与上述光导线圈中的一个光导线 圈对应，并且基本上由缠绕到线圈的光纤形成。光纤例如可以是微结构光纤或微结构光纤 的组合，以使得光纤完全地或仅部分地由光导材料形成。光电检测器装置被配置成将入射 光转换成电信号，该电信号首先包括关于光强度的信息，如果需要，可以根据光强度推导关 于波长、干涉或干涉信号或者相移的信息。相位调制器例如被布置在MI0C中即在光纤线圈 之前并且被配置成调制光束的相位。
[0012] 来自光源的、由偏振器偏振的并且通过分束生成的两个光束可以以彼此相反的方 向注入光纤线圈并且随后可以复合。在这个过程中，可以使用利用反射镜或半反射镜的布 置，以使得从光源发射的光束变得分离并且因此存在来自光源的两个光束，这两个光束以 彼此相反的方向依次注入光纤线圈。然而，通常用集成光学部件来实现整个组合并且这里 特别是分束和复合以及相位调制。来自光源的两个光束可以借助于布置在光纤线圈中的相 位调制器来调制。通过使用相位调制器，从而可以改变一个光束或两个光束的相位，这对应 于两个光束相对于彼此的相移。
[0013] 光电检测器装置可以暴露于通过光束的复合而生成的干涉信号，并且因此可以由 光电检测器装置来传送与干涉信号的光强度对应的信号。该信号可以馈送到带有下游连接 的模拟/数字转换器的放大器。模拟/数字转换器的输出信号可以在评估电路中处理。
[0014] 借助于评估电路的主控制回路,可以产生数字相位复位信号并且可以将数字相位 复位信号传送到数字/模拟转换器以产生要被馈送到相位调制器的复位信号。这里，控制 回路具有带有为MI0C所特有的传递函数的多功能集成光学芯片（MI0C)，因此该传递函数 将被称为MI0C传递函数。上面已经描述了这种多功能集成光学芯片，并且也同样描述了已 知的其用于控制相位调制的功能。通常将MI0C设置为具有一个光学输入端和两个光学输 出端的自给元件。因此，光束的分束以及所产生的束的复合设置在MI0C内。
[0015] 至少在这两部分束的一部分束上，例如可以借助于电极来影响相位调制，执行对 关于其中所引导的光的调制。在这个过程中，借助于电极而施加的电场可以影响用于引导 光的有效折射率或能力。因此，相位调制器实质上是MI0C的组成部分，或者换言之，由MI0C 来实现相位调制器。因此，MI0C表示光纤陀螺仪的必要组成部分，并且因此表示整个光纤萨 格纳克干涉仪的必要组成部分。在这个过程中，自由的电荷载流子影响MI0C的传递函数， 以使得发生高通特性并且因此还以较高的调制频率生成较高的相位偏移。该特性导致如上 已经所述的特殊形式的锁定效应。
[0016] 如所描述的那样，可以在光纤线圈中由MI0C中的相位调制器来生成两个光束相 对于彼此的相移。通常，期望的是，相位调制器调节两个光束的相移，以使得工作点总是位 于余弦形干涉仪特征上的最大强度的一半处并且因此位于该特征的最大梯度的点处。为 了总是针对干涉仪的旋转运动来调节对应的相移，生成了要被馈送到相位调制器的复位信 号。同时该复位信号还指示旋转运动的程度，并且该复位信号基于馈送到带有下游连接的 模拟/数字转换器的放大器的光电检测器单元的信号而依次生成。
[0017] 为了更好的总体上理解，将以不同的方式将对上述技术再次说明如下。光纤线圈 内的所有光束或光信号在模拟域中存在。在数字域中在评估电路中进行对例如调制信号以 及光电检测器装置的信号或者甚至主控制回路的信号的操纵。为了获取对相位调制必要的 复位信号，在评估电路中生成调制信号。该调制信号在由数字/模拟转换器转换之后作为 复位信号来控制相位调制器并且因此简化表示为"陀螺仪"。简化表示的复位信号还以模拟 的形式作为数字/模拟转换器的输出信号来通过干涉仪设备或陀螺仪路径的模拟域，并且 然后之后作为与两个光束的组合的所接收的光强度成比例的信号到达解调器的输入端。
[0018] 在旋转速率传感器中的本发明的光纤萨格纳克干涉仪中，数字滤波器连接到多功 能集成光学芯片的上游，数字滤波器的传递函数基本上与MI0C的传递函数的逆对应，以使 得可以由滤波器传递函数来补偿MI0C传递函数。为此，例如，可以测量或者可以通过使用 仿真或经验值来确定或者可以在精确知道MI0C传递函数的情况下来计算其中反映了上述 频率或温度依赖性的特征MI0C传递函数。因此，在所有情况下，基本上的逆MI0C传递函数 可以用作为数字滤波器的滤波器传递函数。由于在各个仿真或测量中可能总是出现小的 偏差或不精确，所以这里称为在任何情况下基本上的逆MI0C传递函数。然而，在理想的情 况下，应该计算实际上的逆MI0C传递函数来作为滤波器传递函数。例如，由H*(z)来确定 MI0C传递函数，其中T表示采样时间，并且
[0019] z=eJ"T
[0020] 保持，滤波器传递函数是
[0021] H(z) = 1/H*(z).
[0022] 这里，可以由ω建立Z变换中的角频率的关系。
[0023] 由于MI0C涉及光纤陀螺仪的模拟调制，所以MI0C的频率响应影响模拟域。连接 到MI0C的上游的数字滤波器，如已经由其名称表明的那样，布置在数字/模拟转换器前边， 并且主要对数字域起作用。由于这里集成了与MI0C传递函数相逆的滤波器传递函数，所以 数字滤波器影响了数字域的信号处理。因此，在数字域中由数字滤波器将模拟域中的MI0C 传递函数的逆映射集成到信号处理中。更精确地，基于数字滤波器的输出信号来生成要被 馈送到相位调制器的复位信号和调制信号。这补偿了在MI0C传递函数中分别反映的MI0C 的频率或温度依赖性。
[0024] 在实际中，通常可以由限定对输入信号或输出函数的相应频率响应的相应系数来 描述滤波器传递函数。根据另一实施方式的光纤萨格纳克干涉仪包括用于调节滤波器传递 函数的系数的调节单元，以及将系数提供给调节单元的系数计算单元。例如，可以由函数 Η*(ζ，％，&1)来描述单纯的传递函数，并且单纯的传递函数可以包括系数aQ和系数叫，其中， 保持
[0025] z = eJwT.
[0026] 因此，由此得到逆滤波器传递函数
[0027] H(z, a0, a) = 1/H*(z, a0, a),
[0028] 其中，保持
[0029] H(z, a0, a) · H*(z, a0, a) = 1·
[0030] 在实际中，例如，可以以良好的近似来描述H*(z)如下：
[0031]
【权利要求】
1. 一种具有光纤萨格纳克干涉仪（1)的旋转速率传感器，其中，所述光纤萨格纳克干 涉仪（1)包括光源（2)、偏振器、光纤线圈（4)、光电检测器装置（5)、带有下游连接的模拟/ 数字转换器（7)的放大器（6)、数字/模拟转换器（8)、评估电路（9)以及相位调制器（10)， 并且其中， 来自所述光源（2)的、由所述偏振器偏振的并且通过分束生成的两个光束能够以彼此 相反的方向注入所述光纤线圈（4)并且随后能够复合，并且其中，所述两个光束能够由布置 在所述光纤线圈（4)中的所述相位调制器（10)调制， 并且其中，所述光电检测器装置（5 )能够暴露于通过所述光束的复合而生成的干涉信 号，其中，能够由所述光电检测器装置（5)来传送与所述干涉信号的光强度对应的信号，所 述信号要被馈送到带有下游连接的所述模拟/数字转换器（7 )的所述放大器（6 )，所述模拟 /数字转换器（7)的输出信号能够由所述评估电路（9)处理，并且其中， 借助于所述评估电路（9)的主控制回路，能够产生数字相位复位信号并且能够将所述 数字相位复位信号传送到所述数字/模拟转换器（8)以产生要被馈送到所述相位调制器 (10) 的复位信号，其中，所述主控制回路包括具有MIOC传递函数的多功能集成光学芯片 (11) ， 其特征在于，在所述多功能集成光学芯片（11)的上游连接有数字滤波器（53)，所述数 字滤波器（53)的滤波器传递函数基本上对应于逆MIOC传递函数以使得能够由所述滤波器 传递函数来补偿所述MIOC传递函数。
2. 根据权利要求1所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述光纤萨格纳克干涉仪（1) 还包括： 用于调节所述滤波器传递函数的系数的调节单元，以及 用于将所述系数提供给所述调节单元的系数计算单元。
3. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述系数能够由所述系数计 算单元基于所述多功能集成光学芯片的输出信号来计算。
4. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述滤波器传递函数的所述 系数在所述系数计算单元中作为预定值存在。
5. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述滤波器传递函数的所述 系数能够借助于所述系数计算单元基于所述多功能集成光学芯片（11)的MIOC系数来计 算。
6. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述滤波器传递函数的所述 系数能够借助于所述系数计算单元基于解调信号来计算，所述解调信号用作为主控制器的 输入并且所述主控制器根据所述解调信号来计算所述复位信号。
7. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于，借助于所述系数计算单元， 第一相位调制信号能够根据所述相位复位信号而产生，其中，所述数字滤波器（53)和 所述多功能集成光学芯片（11)对所述相位复位信号没有影响， 第二相位调制信号能够根据所述相位复位信号而产生，其中，所述数字滤波器（53)和 所述多功能集成光学芯片（11)对所述相位复位信号有影响， 相位调制误差信号能够被计算作为所述第一相位调制信号与所述第二相位调制信号 之间的差，并且 所述滤波器传递函数的所述系数能够基于所述相位调制误差信号来计算。
8. -种用于控制具有光纤萨格纳克干涉仪（1)的旋转速率传感器的方法，其中，所述 光纤萨格纳克干涉仪（1)包括光源（2)、偏振器、光纤线圈（4)、光电检测器装置（5)、带有下 游连接的模拟/数字转换器（7)的放大器（6)、数字/模拟转换器（8)、评估电路（9)以及相 位调制器（10)，并且其中， 将来自所述光源（2)的、由所述偏振器偏振的并且通过分束生成的两个光束以彼此相 反的方向注入所述光纤线圈（4)并且随后进行复合， 并且其中，在所述光束通过所述偏振器之后，将所述光电检测器装置（5 )暴露于通过复 合所述光束而生成的干涉信号，其中，由所述光电检测器装置（5 )传送与所述干涉信号的光 强度对应的信号，所述信号要被馈送到带有下游连接的所述模拟/数字转换器（7)的所述 放大器（6)，在所述评估电路（9)中处理所述模拟/数字转换器（7)的输出信号，并且其中， 借助于所述评估电路（9)的主控制回路，产生数字相位复位信号并且将所述数字相位 复位信号提供给所述数字/模拟转换器（8)以用于产生要被馈送到所述相位调制器（10) 的复位信号，其中，在具有MIOC传递函数的多功能集成光学芯片（11)内实现所述相位调制 器， 其特征在于下述步骤： 在所述多功能集成光学芯片（11)的上游连接数字滤波器（53)，其中，所述数字滤波器 (53)的滤波器传递函数基本上对应于逆MIOC传递函数；并且 由所述数字滤波器（53)的所述滤波器传递函数来补偿所述MIOC传递函数。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于下述步骤： 去活或避开所述数字滤波器（53)和所述多功能集成光学芯片（11)并且基于所述相位 复位信号来生成第一相位调制信号， 激活或包含所述数字滤波器（53)和所述多功能集成光学芯片（11)并且基于所述相位 复位信号来生成第二相位调制信号， 计算相位调制误差信号作为所述第一相位调制信号与所述第二相位调制信号之间的 差， 基于所述相位调制误差信号来确定所述数字滤波器（53)的所述滤波器传递函数的系 数，以及 调节所确定的所述滤波器传递函数的系数。
【文档编号】G01P3/36GK104049099SQ201410090483
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】京特·斯帕林格尔, 奥拉夫·德普-赖博尔特 申请人:诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司