专利名称：在采用过调制的光纤陀螺仪中克服交叉耦合的装置和方法
技术领域：
本发明与光纤陀螺仪有关。具体来说，本发明涉及一种仪器和方法，可以解决在使用过调制措施的光纤陀螺仪中由于电子交叉耦合而产生误差的问题。
Sagnac干涉仪是一种通过测量一对相对传播的光束间产生的一个单向相差来测量旋转的仪器。它一般是由一个光源(如激光)、一个含有许多镜子或多圈光纤的光学波导、分束镜、检测器及信号处理器组成。
在干涉仪中，从分束镜出射的光波沿着一个单一光路相对传播。波导是“双向”的，即尽管这对相对传播的光束没有同时或在同方向上受到扰动，但是只要光路发生任何一点变化都会相似地影响这对相对传播的光束。当扰动的时间间隔与光在光学波导中传递一圈所用的时间相同时，随时间而变化的扰动就可能被观测到，但是“单向”扰动对相对传播的光束所产生的影响是随传光波播方向的不同而不同的，这种单向扰动将会破坏用以传播光束的光学介质的对称性。
有两种单向影响已经广为人知。当一个磁场使得光学介质中电子产生一个优先的自旋方向时，就会出现法拉第效应或称线性磁光效应。当干涉仪相对于惯性框架产生的旋转破坏了光波传播时间的对称性时，因而产生Sagnac效应或称惯性相对论效应。后一种效应就是环形陀螺仪的基本工作原理。
陀螺仪的可检测或可测量的输出是一束“合成”光束(由相对传播的两束光复合而成的光束)，这束“合成”光已经绕陀螺仪传播了一圈。由于其灵敏轴的旋转速率与相对传播的光束之间所产生的相移成正比。因此对相移进行精确测量将是十分重要的。
图1是一个非常著名的关系图，它揭示了从光纤出射的被测光束的光强(或功率，电场场强的平方)与传播了一圈的相对传播的两光束间相差之间的关系。从图中可以看出，光强与两束光间的相差ΔΦ的余弦值成正比。这个相差提供了对单向扰动(如由旋转产生的扰动)进行测量的依据。图1中画出的强度是一个直流电平，该直流电平与光强值的一半(平均值)相对应。
干涉条纹图形的结果是众所周知的。即，当检测到一个小的相差±nπ(n为整数)时(对应于较低的旋转速率)，当被测的相差处于干涉条纹的最大或最小输出值处时，输出光束的强度对相位偏差或误差的敏感程度较低，这种现象由图1中干涉条纹的位置10、12、12′、14和14′标出，它们分别与相移Φ＝0，+π，-π，+2π，-2π相对应。进一步说，就是仅仅有强度还不能说明旋转速率的大小和方向。
由于上述原因，我们就有意在相对传播的两光束间附加上一个相位偏置，即当一对光束通过传感器线圈时，周期性地减小一条光束的相位，而增加另外一条光束的相位。这种在相移上附加的相位偏置也称为“单向零值偏移”，它可以通过将工作点移动到对与旋转有关的相移ε灵敏度较大的地方来提高测量强度相对于相差的灵敏度。通过这种方法ε，对于给定的单向相位扰动，由光电检测器探测到的光强变化ΔI(或功率ΔP)将相对增加。
通过提高由于给定相位扰动ε的存在而引起的光强效应，就可以相应地增加光电检测器对相位扰动的输出灵敏度。也可以将此举理解为提高电子设备输出的精确度。这种用于输出的电子设备一般包含有一个差分电路以便对不同工作点的强度值进行比较，在这些工作点之间，光电调制器在一周的传输时间τ内循环(一般是一个多功能集成光学块，或称为“MIOC”)。目前，光纤陀螺仪一般都用一个周期性调制波形来产生偏置。例如一个在±π/2之间循环的周期为2τ的方波，其中τ为光束在光纤线圈中的传输时间。
回头参看图1，传统的方波调制都是在图1强度输出曲线上的工作点16和16′之间循环的。工作点16和16′(±π/2方波调制)都位于强度干涉曲线的倾斜部分，这里相差ΔΦ产生一个很小的单向扰动ε也会在光强(功率)输出端产生一个很大的、基本为线性的、可探测到的变化，ΔI(ΔP)。同样，通过改变两个工作点之间附加的偏置，系统也可以确定ε的符号，进而确定旋转的方向。(另外，通过3π/2调制也可获得相同的结果。如图1中的工作点18和18′所示。)
除相位调制以外，在干涉仪的输出中也常常采用“相位零值”。它通过负反馈机制引入了一个附加相移以补偿单向(Sagnac)效应。其基本原理是根据相位变化的斜率(无论是模拟的还是数字的)与所测量到的相差成正比而工作的。一般来说，对于受电压限制造成的相位有变化而强度变化不大这种情况，一个跨度为0到2π的斜率函数可以提供零点相移。一个2π的“复位”对陀螺仪干涉仪是明显的，此时干涉仪工作在模为2π的偏置上，其结果已在前面描述过。
惯性系统的主要用途之一就是用来控制汽车的方向。这种控制依赖于系统传感器(包括陀螺仪)的质量，并且受到陀螺仪输出的噪声的数量和类型的影响。具体来说，陀螺仪精确测量惯性角速率的能力对正确控制汽车方向是至关重要的。
高技术陀螺仪(尤其是激光或光纤类)输出的噪声性质具有一种统计学上的“角度随机游动”的特征。角度的随机游动是由角速率白噪声(即噪声的功率频谱PSD是平直的，与频率无关)引起的。每一种受白噪声影响的变量的观察(如光纤陀螺仪的角速率输出)与其它的变量都是相互独立的。对这些变量进行多次测量取平均值即可逐渐接近其真值。其平均值的不确定性与平均时间的平方根成反比。因此，角速率测量中的不确定性可由下式表示σθ•=RWT]]>其中
是角速率测量结果的标准偏差；RW为随机游动系数；T为平均时间。
一般来说，一个惯性系统初始方向的精度依赖于对地球自转速率测量的精度。方向的不准确度与上述的角速率测量的不准确度成正比。由于平均时间一般很短(一般为4分钟)，所以保持随机游动系数很小是十分关键的。此外，一旦方向被掌握之后，空间方位角整体的偏离将降低惯性系统的性能。前面所述的角度随机游动过程将导致产生随时间的平方根增长的角度偏差。因此有其中σθ为方位误差的标准宽度；R为随机游动系数；T为运行时间。同样，保持较低的随机游动系数也是十分重要的。
图2说明了(非定量)随机游动(曲线20)与光纤陀螺仪中光源的峰值功率之间的关系。光纤陀螺仪输出中的白噪声有很多源。电子噪声(暗电流和热噪声)、散粒噪声和拍频噪声(或称为相对强度噪声)都对白噪声有贡献。电子噪声对陀螺仪随机游动所作的贡献与峰值功率成反比，散粒噪声对陀螺仪随机游动所作的贡献与峰值功率的平方根成反比。如图2中所看到的那样，拍频噪声(曲线22)所作的贡献与峰值功率无关。因此它限制了用提高功率来降低随机游动的方法。相反地，在预定的范围内，提高峰值功率将减小电子噪声(曲线24)和散粒噪声(曲线26)对白噪声的贡献。在此范围以外，提高功率将不会产生较好的随机游动性能。
随着光源功率的增长，拍频噪声也越发的重要起来。超发光二极管提供大约0.5毫瓦的峰值功率，而地球上还很少有额定功率接近10毫瓦的人为掺杂光源。参看图2，拍频噪声对随机游动所作的贡献只是散粒噪声的几分之一，在采用低功率光源时(如超发光二极管情况)，它也是电子噪声的几分之一。随着光源功率的增加，拍频噪声部分将最终成为影响陀螺仪性能的主要因素。
未决美国专利申请为08/283,063、名称为“用于减少光纤陀螺仪中随机游动的方法”，申请人为George A.Pavlath，揭示了上述问题。该项申请(与本发明为同一受让人)揭示了一种对陀螺仪传感器线圈内相对传播的光束进行人为过调制偏置的方法。例如文中提到，将偏置置于图1中陀螺仪输出曲线上的工作点28和28′之间，而不是在传统的±π/2工作点16与16′之间(或是±3π/2工作点18与18′之间)，则拍频噪声(或称为相对强度噪声)对随机游动的贡献将随着光源功率的增长而减小。通过解决由拍频噪声源造成的限制，可以使以前无用的高功率光源得到进一步的使用。
单轴和多轴陀螺仪配置都着重于处理由系统生成的交叉干扰而产生的误差。例如数字-模拟转换器和陀螺仪控制环驱动放大器所产生的寄生信号会耦合进同步解调器的输入端。在三维测量装置中，这种交叉耦合会在一个测量轴陀螺仪的数字-模拟转换器与驱动放大器和用来测量另外一个轴向的同步解调器之间发生。此外，在当一个三维测量装置被简化为只用一个检测器的情况下，不同轴向间的输出也会产生交叉干扰。
无论对于传统类型(最大灵敏度)还是过调制类型，交叉干扰在有分级调制的情况下都代表了一个特殊的问题。在使用分级调制波形(如方波)时，最后使用的解调功能是调制功能的一个翻版。当在驱动相位调制器的信号与解调器的输入之间产生电子泄漏或交叉干扰时，陀螺仪的输出将经过网络偏置值的处理。
Spahlinger在美国专利5,123,741，发明名称为“带有经无校正解调器控制的数字相位变化复位功能的光纤Sagnac干涉仪”中提出了一个解决交叉干扰问题的办法。该办法主要依赖于对用以驱动含有随机元件或非校正元件的陀螺仪相位调制器信号波形进行的设计。在讨论交叉干扰问题时，这项专利所使用的方法只适用于传统的、最大灵敏度(即±π/2，±3π/2)调制法，因此它不能获得由过调制技术所带来的各种优点。
本受让人拥有的另一项美国专利5,189,488，发明人为Mark et a1.发明名称“使用正交序列的光纤陀螺仪”介绍了如何根据主解调器和第二解调器序列的特征来选择可定的调制序列，以解决光纤陀螺仪中的电子交叉干扰。该专利所讲述的技术也仅限于传统的调制办法。上述技术都是以假设使用传统调制波形(即限制为±π/2，±3π/2调制)为前提的。上述提及的专利都没有涉及过调制中的交叉干扰的问题。因此，这些技术都与那些有减低随机游动能力但据有固有限制的系统有关。
因此，本发明针对现有技术中的不足提供了一种利用Sagnac干涉仪测量旋转速率的方法，该干涉仪含有一个光源，一个用于从上述光源的输出产生一对光束的耦合器。该类干涉仪直接将光束导入传感器线圈相反的两个端口，光束在其内部相对传播，并且在光束通过所述线圈之后重新复合以形成输出信号。它还含有一个用于在相对传播的两束光上产生一系列人为光学相移调制器，一个用于从输出信号中提取旋转速率信息的解调器。
本发明所使用的方法涉及到如何驱动调制器以在相对传播的光束之间附加一个人为相移序列。每个相移的宽度都与传感器线圈的传输时间相等。人为相移序列是从相移值为±aπ/2b到±(4b-a)π/2b之间选择的，其中a为奇整数而b为大于1的整数。
本发明还提供了一种产生波形的方法并以此构成了Sagnac干涉仪的相位调制器。这种方法包括以下从模为2π的图中获得数值的步骤(i)将模为2π的图分为S段，S为一整数并符合S×θ＝2πN其中θ等于|aπ/2b|，N为整数；(ii)为每个上述的分段分配一个用来驱动调制器的数值，并使得图中相邻的两个分段之间的间隔在第一个角度方向上对应于aπ/2b或-(4b-a)π/2b，而使图中相邻的两个分段之间的间隔在相反的角度方向上对应于-aπ/2b或(4b-a)π/2b。
然后该图就以预先安排好的顺序在第一个方向上通过所有的分段，然后再以相反的方向通过所有的分段，从而生成了一个分级波形。
之后，主解调和第二解调序列将会生成，它们分别与上述分级波形相对应。生成的主解调和第二解调序列将与预先确定的标准进行比较直到该标准被满足产生解调序列为止。最后，与满足标准的解调序列相对应的波形被选定。
本发明还对这种类型的系统在测量旋转速率的方法上作了一些改进。在该系统的光纤线圈中相对传播有一对光束，这些光束被采用附加人为相移的方法进行调制。本发明采用的改进方法包括从±aπ/2b到±(4b-a)π/2b的数值之间选择一个相移，其中a为奇整数而b为大于1的整数。
本发明的再一方面对用于测量旋转速率的Sagnac干涉仪进行了改进，即该仪器至少在一个轴向上含有一个相位调制器。该相位调制器将其宽度等于传感器线圈传输时间的光学相移序列加在在至少一个传感器线圈中相对传播的一对光束上，并提供一种装置，用于合并和解调至少一对光束以确定绕至少一个轴的旋转率。
根据本发明，对前面所述的Sagnac干涉仪所作的改进应包括一个发生器，该发生器用以为相位调制器提供一比特序列，从而获得一个分级波形以附加一个数值为±aπ/2b和±(4b-a)π/2b的人为相移序列，其中a为奇整数而b为大于1的整数。
最后本发明提供了一个模为2π的图形，用于生成驱动光纤陀螺仪的相位调制器的分级波形，由此，±aπ/2b和±(4b-a)/2b的相移被加到陀螺仪传感器线圈中相对传播的光束上，其中a为奇整数，b为大于1的整数。该图形由一个有S个分段的封闭圆周构成，每个分段都与分级波形的数值相关联。S为一整数并满足S×θ＝2πN，其中θ等于|aπ/2b|，N为整数。图形中的每个分段都分配有数值以使得在第一角度方向相邻两段之间的数值变化等于aπ/2b或-(4b-a)π/2b。同时，在相反角度方向的相邻两段之间的数值变化等于-aπ/2b或(4b-a)π/2b。
上述内容及本发明的其它特点和优点将在下面进行清晰、详细的描述。说明书中还附有一套附图。附图中的标号分别与其文字描述相对应。同样的标号指的是通过文字和图形描述的同类特征。
图1是一个强度(或功率)作为光纤陀螺仪输出的相移函数曲线图，用以描述和对比过调制范围内的传统方波调制；图2描绘了光纤陀螺仪输出的各种随机噪声成份与光源峰值功率之间的关系；图3是一个用来生成分级波形的图形，用于驱动本发明所述的Sagnac干涉仪的相位调制器；图4(a)和4(b)所示的波形是用来驱动干涉仪相位调制器的信号波形，它也是作为最终使用的人为光学相移序列，这些相移是分别附加在陀螺仪传感器线圈内相对传播的两束光上的；图5描绘了光纤陀螺仪输出的强度或功率与相移的函数关系，说明根据本发明所述产生的隐含于人为相移序列之中的比例因子误差修正；图6是一个三维光纤Sagnac干涉仪的方框图，它是在正交解调序列的基础上利用调制的；图7是一个功能方框图，描述了发明中调制过程的实现；图8是一个简化的示意图。描述了发明中最小随机游动情况下的单向光纤信号干涉仪。
本发明直接针对使用分级调制序列的光纤陀螺仪中的交叉干扰问题。除“门限”之外(即为最大检测灵敏度(±π/2，±3π/2)使用的调制波形)，该调制序列具有能够减少陀螺仪输出中的随机游动成分的好处。在本发明中，分级的过调制波形，无论是随机的还是可定的，都被选择用来在具有光电相位调制器的陀螺仪中使用。它带来的好处在于，可以消除或大量减少陀螺仪输出中的交叉干扰。根据本发明，过调制波形与最终解调序列完全不相关，这就有效地防止了由于调制信号泄漏而造成陀螺仪输出的偏差。
本发明提供了一种生成图形的方法。使用该图形可以产生预定或随机的后备过调制波形。然后该图形将受到检查以保证必要的如下所述的不相关条件得到满足。此后，依靠调制波形的性质(即可定的或随机的)，就可以对符合的条件进行检查。图形可以用随机、伪随机或可定的方法生成。在调制序列是随机或伪随机的情况下，输出的误差的消除需要很长的时间，如美国专利5,123,741中所述。另一方面，只有那些在一定时间内能消除输出误差的可定过调制序列会得到使用。“后备”的可定过调制序列具有正交的特性，如美国专利5,189,488所述。所以，本发明所介绍的在相对传播的光束间附加一个相差形成人为调制序列的方法，使得陀螺仪输出具有以下特征1.减少随机游动，2.减少对不可避免的系统交叉干扰的响应灵敏度。
I.过调制序列的生成图3是一个模为2π的图形，根据本发明，该图形可以产生驱动相位调制器的波形。通过使用如图3所示的图形，并满足以下提到的必要条件，就可以立刻获得随机的和可定原点的波形从而在过调制范围内附加人为相移。这种已知的调制办法可以使得干涉仪的输出信号具有良好的随机游动性能。进一步说，就是只有通过使用那些可定的、能满足足够条件的波形，才能解决陀螺仪系统中重要的寄生交叉干扰问题。
参考图3，它介绍了人为相移为±3π/4和±5π/4的一个序列。每个离散的相移在宽度上都与单圈传输时间τ相等。将图3与图1中的陀螺仪输出曲线进行比较，则生成的过调制序列将涉及图1中的工作点30，30′和32，32′之间的“切换”。
图3由一个分成8段的封闭的圆形构成。设计该图形以生成可以驱动相位调制器的分级波形，以在传感器线圈内相对传播的两束光之间附加相移分别为±3π/4和±5π/4。用以生成过调制分级波形的数值分别标在每个分段内，在图3中安排如下沿逆时针方向(方向“A”)传输的两相邻分段在数值上相差+3π/4或-5π/4，而沿顺时针方向(方向“B”)传输的两相邻分段在数值上相差-3π/4或+5π/4。从物理意义上讲，两分段之间的差异或级数差与由分级过调制波形的值的变化所附加的相移是相互对应的。在经过单圈传输时间τ之后，每个相差都会产生变化。
沿图中逆时针方向(方向“A”)通过各分段，则数值为0，3π/4，3π/2，π/4，π，7π/4，π/2和5π/4的过调制波形将顺序生成，其最后一个状态将与初始状态重合。标有“R”的粗线从圆形的中心以间隔±5π/4向外伸出并与调制波形的2π模翻转相对应。
在使用如图3所示的图形生成分级波形以产生光学相差之前，应该注意到图3所示的图形中，分级驱动波形并不一定要限制在±3π/4和±5π/4之间。一般分级过调制波形所需的类似图形都遵从以下关系S×θ＝2πN上式中，θ表示过调制范围中的相移大小，N为一个整数，S代表要生成一个过调制波形所需要的最小分段数。只有那些满足公式(1)的相移才能用来生成上述图形进而获得一个适当的过调制波形。当考查一个后备相移±aπ/2b，它满足上述公式时，最终生成的调制波形将包含有分级为±aπ/2b的相移和相移翻转值(4b-aπ)/2b。所有从公式中得到的相移及翻转值的绝对值总和为2π。下面列出的表I概括了基于公式1的用于设计图形的不同的相移值。
表I相移 翻转值 分段数±π/2 ±3π/2 4±3π/4 ±5π/4 8±5π/8 ±11π/8 16±7π/8 ±9π/8 16±9π/16 ±23π/1632±11π/16±21π/1632±13π/16±19π/1632±15π/16±17π/1632±17π/32±47π/3264
II.信号去相关必要条件通过将波形穿过以相反方向转动的两个如图3所示的图形(或根据公式1得出的类似图形)，就可得到后备分级波形。每次旋转都涉及从一个图形分段到相邻的另一个分段的间隔。正如前面所提到的，每两个分段之间的间隔(即两对应的调制电压差)在数值上的变化与过调制相移或翻转相移都相等。
过调制序列的类型，随机，伪随机或可定型，都决定了应采用将顺时针旋转与逆时针旋转合成起来的办法。例如你可能利用随机数发生器并使用一个判断准则，即将顺时针旋转与每个生成的偶数联系起来，而将逆时针旋转与每个生成的奇数联系起来。相反与图形相关的可定的顺时针和逆时针旋转序列则是可以预先确定的。
如上述内容所定义的那样，过调制波形序列必须满足两个条件才有资格作为后备序列，其能达到与陀螺解调器去相关，由此才能用来消除交叉干扰。作为第一个必要条件，要求在足够长的时间内(即大约1秒)，顺时针旋转的间隔数必须等于逆时针旋转的间隔数。而第二个必要条件则是，图3中的每个扇形区域在顺时针方向和逆时针方向上必须被通过一次。进一步描述，就是在合理的时间间隔内(大约1秒钟)，每个转动方向上穿过的扇形区数目应该相等。
图4(a)和4(b)描绘的是一个根据图3获得的用来驱动Sagnoc干涉仪的相位调制器的波形以及所附加的人为光学相移序列。图4(a)中的波形含有一个用来在过调制范围内驱动相位调制器的分级波形，它包括一系列±3π/4，±5π/4电压等级，满足两个必要条件，从而使光纤陀螺仪中的调制(调制变化率)与解调之间互不相关。该波形在实质上是可定的，它是通过先逆时针沿方向A转动，扫过图3中的图形，然后再顺时针沿方向B转动扫过该图形而形成的。图4(b)是在陀螺仪传感器线圈中相对传播的两束光上附加的人为光学相移的波形图。其中所使用可定方式非常简单。图4(a)和4(b)所示的例子也可用于其它的转动方案，其依据是图3或类似的以光学相移为基础的图形。
如看到的那样，附加的一系列人为光学相移(图4(b))包括有5个数值为3π/4和-3π/4的相移；3个数值为5π/4和-5π/4的相移。在本发明所介绍的用来产生分级波形的方法中，还提供了对相位调制刻度因子(plase modulation scale factor error)误差进行自动观察的方法。这种方法的过程及结果可从图5中看到。在图5中，相移为±3π/4和±5π/4的工作点从34，34′，36，36′漂移到34″，34，36″，36，其原因主要是存在刻度因子误差(即相移过大)。如图5所示，3π/4和5π/4的工作点之间的分隔38是由刻度因子误差造成的。在本图中出现的结果就是相移过大。如果使用的相移过小，刻度因子太小，则相移将会改变方向。通过观察分隔38发现，可以使用一种控制算法将刻度因子的数值调整合适(即0分隔)。由此，在有刻度因子误差的情况下，如图46所示，如果出现每3个5π/4之间有5个3π/4间隔这种情况，则从陀螺仪输出观察到的净误差为0，即-5×(3π/4)+3×(5π/4)-3×(5π/4)+5×(3π/4)＝0因此，将3π/4和5π/4的间隔比例设为5∶3应该是得到正确结果的首要条件。更广泛地说，应将±aπ/2b和±(4b-a)π/2b出现的间隔设为(4b-a)∶a。
III.解调随机(伪随机)序列根据本发明所述，一旦生成的随机序列或伪随机序列满足了两个必要条件之后，接着进行的是调制信号的去相关以及调制信号变化率相对于解调序列的去相关。另外，再经过刻度因子误差的自我纠正，则通过随机或伪随机信号形成的分级过调制信号将使得陀螺仪输出信号不受交叉干扰的影响。
在美国专利5,123,741中，讲述了如何将由随机生成的调制信号用作与之在统计学上与寄生信号无关的解调信号。在那项发明中，随机或伪随机分级过调制波形的产生将基本上消除了陀螺仪输出信号中的交叉干扰。随机序列将减少陀螺仪输出信号受交叉干扰的影响。而伪随机波形(由预定长度的重复随机序列构成)，在理论上将不能完全消除交叉干扰对陀螺仪输出产生的影响。
IV.解调正交序列在本发明中，调制波形及其变化率通过正交的办法与解调序列互不相关。有两个序列Ai，Bi，如果AiBi在n个时间间隔内总和为0，则可认为Ai，Bi在n个时间周期内正交。这样的序列是可以预先确定的。与随机或伪随机序列不同，一对被设计为正交的序列在预定的一段时间间隔内，其平均值肯定为0。与之相反，拥有随机特征的序列则可以包括不确定长度的与之相关的一些子序列。这种正交序列的特征将允许用户分析代表光学线路有限数目调制间隔的数据。
不是所有的波形都可用于解决相位调制问题，本发明人基于正交解调序列总结了一系列的选择规则，用于选择适当的波形，以将人为相差附加在相对传播的光束上。
在本发明中，使用了一个正交标准作为选择可定过调制序列的充分条件。将该标准与前面所述的图4(a)中的分级波形相联系，并且参看借以获得该波形的图3，则对用于正交的可定过调制电压波形的估计如下。根据图3中分段与分段之间的传输方向(A为反时针，B为顺时针)，将一个从图4(a)分级波形中获得的主解调序列人为地分配以+1和-1值。一般地，对每个逆时针分段与分段间隔分配给+1，而对顺时针间隔分配以-1。
如前面所述，图4(a)的波形是根据图3中的图形生成的，它从“0”电压段开始选取8个逆时针级，然后再顺序选取了8个顺时针间隔。根据本发明前面所述，这种可预先确定的方案满足了用以生成驱动波形的两个必要条件。跟随上述内容的主解调序列为〔+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1〕。第二解调序列也跟随图4(a)的分级电压波形，也可从图3图形获得一系列数值+1和-1构成。
第二或等级因子解调序列是通过将数值+1分配给以下情况来确定的。在这种情况下，一条标有R的粗线翻转轴在分级波形生成期间横穿图3中的图形，同时，它将数值-1分配给其它转动的间隔。此时参看图4(a)所代表的可确定的波形，则相应的第二解调序列顺序为〔-1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，-1〕。考虑到为Sagnac干涉仪选择调制序列的规则，它指定相关的主解调序列与第二解调序列必须是正交的，应将两序列对应的元素全部相乘，然后取和。本文中将两序列对应相乘后产生-1，-1，+1，，-1，-1，+1，-1，+1，-1，+1，-1，+1，+1，-1，+1，+1，其总和为0。所以，图4(a)中的分级电压波形不光满足根据本发明所要求的可定过调制波形的必要条件，还满足了相关的主解调序列和第二解调序列应正交的充分条件。
如上所获得的“后备”波形应该得到与陀螺仪输出有关的标准数的检查。在实际中，大量的后备相移序列将被输入计算机。如前面所述，一些选择规则(即充分条件)与数字解调序列的结果无关。而另一些规则则只适用于这种数字序列。根据本发明，对条件序列的检查应按照两种标准类型并以任何顺序来进行。
首先看看解调。每个分级波形都被转换为主解调序列和第二解调序列。然后将这对序列按对应元素逐个相乘，以检验它们是否正交。不满足正交条件的一对序列将被抛弃。剩下的波形将如下所述，进行进一步的分析以排除不合适的波形。
作为第二个选择规则，要求分级波形的+aπ/2b(b≠1)和-(4b-a)π/2b的总数必须与其-aπ/2b和+(4b-a)π/2b的总数相等。这是因为陀螺仪输出干涉条纹中+aπ/2b处的斜率与-(4b-a)π/2b的斜率相同。而-aπ/2b和+(4b-a)π/2b的斜率也相同。由于陀螺仪的干涉条纹的导数或斜率表示的是变化率差，主解调或变化率解调将检查曲线的斜率值。解调中的正(负)斜率点数与负(正)斜率点数之间的差异将会给强度信号带来一个灵敏度低的位置，从而导致错误的变化率表示。
最后一个选择规则是，出现电压值为±aπ/2b的数目与出现电压值为±(45-a)π/2b的数目比应为(4b-a)/a。如果这种条件或规则不能满足，将会作为刻度因子误差的函数的明显的平均强度水平漂移。此外，检测器或前置放大器中出现漂移会干扰对刻度因子误差的测量。
前面提到，除了上面所述的用来检查后备分级波形的标准以外，还有一些规则与解调序列隐含有关。这些规则对单向和多向陀螺仪系统都适用，对其阐述如下1.主解调序列与第二解调序列必须正交。这项规则已经在前面提到。该规则可以保证速率误差值与刻度因子误差值之间没有交叉。即刻度因子误差的出现不能证明速率，反之亦然。
2.分级波形的数字表示和单个数字位以及它们的积分与微分都应同时与主解调序列和第二解调序列相正交。
3.波形电压变化的数字表示和单个数字位以及它们的积分与微分都应同时与主解调序列和第二解调序列相正交。
4.就一个单一的检测器装置来说，任何陀螺仪的主解调必须与任何其它陀螺仪的主解调序列和第二解调序列相正交。同样任一陀螺仪的第二解调也应与任何其它陀螺仪的主解调序列和第二解调序列相正交。它参照了对调制序列选择时所作的讨论，并参照单一陀螺仪系统对多元系统进行了扩展。
5.对单一的检测器装置来说，任何陀螺仪的电压波形的数字表示和单个数字位以及它们的积分与微分都应同时与第一解调和第二解调相正交。任一陀螺仪的波形变化的数字表示和单个数字位以及它们的积分与微分都应同时与任何其它的陀螺仪的第一解调和第二解调相正交。
6.序列长度应是最短的(最好按32个陀螺仪传输循环的顺序或更少)，从而保证有足够的循环控制带宽(该带宽与序列长度成反比)。
在上面所述的规则中，对于单轴系统，第一项条件是应该绝对满足的。而对多轴系统来说，第四项条件是应该绝对满足的。此外，在利用多个检测器的多轴系统中，第一项也是应该绝对满足的。其它的规则(如消除由交叉干扰造成的漂移)并不需要绝对满足。
V.用于处理过调制的陀螺仪配置图6为一个三维光纤Sagnac干涉仪的结构框图。它就是使用分级波形来驱动陀螺仪相位调制器的。图6中的布局适于处理系统中的光学线路40，42和44的输出。系统中只有一个光源46和一个检测器48，本领域普通技术人员能理解，根据本发明，图6所示的电路及其相关的分级过调制波形可易于被改型以在其它的多轴陀螺仪系统(例如2或4个轴)中得到相应的应用。
再回到图6，激光二极管光源46提供的能量通过波长转换多路光纤耦合器50注入光纤52之中。光纤52被用作光源时也用光学前置放大器。
由宽带光纤光源52出射的光束被加载在由主(50/50)耦合器56、一对第二(50/50)耦合器58和60构成的分束-聚束网络54上。如图所示。分束-聚束网络54的工作是将入射的光束均等地分成4个光波，其中3个光束被送至光学线路40，42和44中，用于测量3个正交轴的旋转速率。第4部分光束被送至监视检测器62中，它检测器构成电路的一部分以稳定宽带光纤源前置放大器52的输出。这种电路被认为不是本发明的重要特征，因而未在图6中作详细的说明。
多功能集成光学块64，66和68分别与光学线路40，42和44相联系。每个这种集成块都含有一个光电性能活跃的衬底，如LinbO3或LiTaO3，该衬底上淀积或扩散形成一个Y型连接的波导而且还有一个偏振器。它的功能是作为一个分束-聚束网络54与光纤线路40，42和44之间的连接口，用来将入射光束分开(然后聚合)为两束可在线路中相对传播的光。同时也作为一个相位调制器，在相对传播的一对光束之间附加一个人为误差。在后一种情况下，应将其理解为每个光学集成块64，66和68都具有相位调制功能，从而影响本发明中所述的过调制序列。本功能对模拟波形十分敏感，而模拟波形是由数字模拟转换器产生的，阐述如下。
每个光学线路40，42和44都经过一个选定的波形的单独调制。在一定程度上，这个波形与陀螺仪上使用的其它两个波形有关(但互相独立)。数字-模拟转换器70，72，和74分别为集成块64，66和68提供模拟电信号，引入光学相移。
陀螺仪中受到相位调制的光学输出信号40，42和44通过分束/聚束网络54返回并依次在耦合器58和56中合成。合成后的信号通过波长转换多路光纤耦合器50被传输至宽带光纤源52。后者现在是作为光学前置放大器使用的。然后，该合成信号被加载到光电检测器48上。在光电检测器48中光信号被转换为与光强度成正比的相应电流或电压信号。转换而来的电信号经前置放大器76后，被加在模拟-数字转换器78中以生成一个放大的数字化的信号，这个信号将被同时传输到3个数字速率解调器80，82和84中。
数字信号处理器86与每个速率解调器80，82和84相联系，并且提供输出，用来指示数字-模拟转换器70，72和74在与之相对应的陀螺仪线路40，42和44中附加调制波形，在收到相同的合成输出信号时，每个速率解调器80，82和84都从信号处理器86中通过数据线88，90和92分别收到一个唯一的主解调序列。接下来，信号处理器86通过总线94，96和98收到由各个轴传来的经解调后的速率信号。每个速率解调器的输出都代表了相互正交的轴中的一个轴向上的速率误差信号。然后，经解调后的速率信号将经过信号处理器86(或同级别的信号处理器)的处理，从而产生一个斜率反馈信号，该信号被加入调制序列中使得特定的陀螺仪能将它的解调器输出的速率差信号变为0。
由转换器48提供的数字信号也被提供给第二解调器100，102和104。第二解调器与测量相位调制器的刻度因子误差有关。每个解调器100、102和104也从信号处理器56，通过数据线106，108和110中分别收到一个唯一的第二解调序列。接下来，信号处理器56通过总线112，114和116接收到经解调后的每个轴向上的刻度因子数据，每个刻度因子解调器的输出都代表了互相正交的轴中的一个轴向上的刻度因子误差信号。然后，经解调后的刻度因子信号将经过信号处理器86(或同级别的信号处理器)的处理，从而对任何残余的刻度因子信号误差产生一个补偿。这种补偿可以用很多方法完成。例如，利用速率解调器80，82和84的输出及调制和复位值产生的数字斜率信号，可以与用来补偿相位调制器灵敏度误差的刻度因子相乘。另一方面，数/模转换器70，72和74的参考电压可被调整，从而使数/模转换器70、72和74的数字输入能生成与相位调制器灵敏度相对应的模拟电压。虽然图6中，速率解调器和刻度因子解调器是分开画的，也可以将这些功能直接在信号处理器86内一起处理，只要吞吐量足够。
图7为信号处理器86的示意图。信号处理器86为3个速率解调器80，82和84中的每一个都提供了独有的参考信号。接下来，它也从这些解调器接收输出速率误差信号。然后这些速率差信号将如本发明所述的那样经过处理，以便在下一个循环传输时间内为调制器64，66和68提供驱动和反馈信号。
就信号处理器的操作细节而论，对图7所作的图形上和文字上的说明都是简化了的，但是，从前面所讨论的内容可以理解，下面的讨论也适于其它使用类似处理过程的其它轴向。与三轴相关的处理信号方面本质的不同在于为每个轴分配的调制序列之间的区别，从前面所述的内容可以明显看出，对选择解调序列的过程来说，它利用相关的选择规则将多轴系统中所有的轴都考虑进来，并以可预先确定的分级过调制波形为基础。即在使用单个检测器18的三维系统中，如图所示解调器序列(及与之相对应的调制序列)的选择是作为一个组进行的。
参考图7，信号处理器的不同功能用虚线框86表示。通过注意被数/模转换器70的输出调制过的陀螺仪的各个轴向，并注意到各轴向的输出信号是在速率解调器84中得到解调的，则可以发现，每个轴向上的主解调序列是由主解调/调制发生器118(3个发生器中的一个)产生的。这种序列可以是可定的，随机的或伪随机的。如前所述，从主解调/调制发生器产生的序列被加载到速率解调器84，用来从检测器84所收到的合成输出信号中提取与轴向对应的速率误差信号。在使用可定过调制的情况下，发生器118含有一个寄存器，可存储预先编程的由+1----1组成的序列。在使用随机过调制的情况下，发生器118含有一个可以按随机程序提供+1和-1的随机数发生器。最后，在使用伪随机调制的情况下，发生器118含有的随机数发生器与存有预定长度的存储器是合成使用的。
速率误差信号被加载到斜率发生器120上，从而产生与陀螺仪的相位斜率相对应的数字序列。
数字积分器112首先从发生器118中收到数字主解调序列。数字积分器122可有效地“跟踪”如图3所述的传输。如前面所述，用主解调序列代表的传输可将人为附加相移与数字解调序列相联系起来。调制被加在由斜率发生器120产生的数字斜率上，以便为陀螺仪相位调制器提供驱动信号。但是，为适应有限的驱动电压范围，有必要将信号翻转或复位以保证它能覆盖整个2nπ范围。
有一个翻转传感器124可用于检测如图3所述的翻转间隔。它既可以是一个数字比较器，又可以直接以二进制的格式表示出结果。当一个翻转间隔被检测后，要进行测量的轴向上的第二解调序列将被相应地存储起来，作为该轴产生的第二解调序列。缓冲区126将接收该第二解调序列。然后它被加载到第二解调器104上。第二解调器104是在由模/数转换器78提供的FOG输出信号的数字表示的基础上工作的。第二解调器104可确定刻度因子误差，并通过乘法器128对该误差进行补偿，从而将数字输出调至适当值以适合实际的相位调制器刻度因子(或灵敏度)。
乘法器128的输出含有一个用来正确标度陀螺仪相位调制器灵敏度的调制及斜率合成信号的数字表示。然后，该输出将被加载到选定轴向上的数字-模拟转换器70中，以便驱动光电调制器64。
通过应用本发明所说的方法，并就如何选择用来驱动光纤陀螺仪相位调制器的分级波形而言，可以得到较小的随机游动，并且不需要对过调制施加很大的偏置。在以下情况下由交叉干扰带来的影响将被消除。根据本发明，不管使用可定调制还是随机调制方案都可解决上述问题。
图8是一个经简化的单轴Sagnac光纤干涉仪的示意图。根据本发明所述，它可以达到随机游动最小的性能。其中光纤线圈130与光学集成块132连接。该集成块的类型与图6中所示的64，66和68部件相同。Y型连接置于光学集成块132的内部。它将入射的光束分成一束光沿顺时针方向传播，另一束沿逆时针方向传播。当光束重新合成于Y型连接142之后，合成的输出光束被导向检测器138。(Y型连接的底部是与耦合器134粘在一起的。它的一个分支与光源136连接，而另一个分支与检测器138相连接。所以从光源136，如半导体或光纤源中出射的光束经过耦合器134和Y型连接142进入光纤线圈130，从光纤线圈130出射的光束又经Y型连接142的合成，然后沿耦合器134传播至检测器138)。检测器138将光信号转变为电信号，然后将该电信号沿导线140加载至与图6所示的76和78部件类似的放大器和模/数转换器上。陀螺仪的调制和控制是通过一个如图6所示的单通道完成的。它的驱动信号也是由与图6中部件70相类似的数/模转换器产生的。驱动信号控制了光学集成块132的相位调制器。所以，除了那些将单个速率解调器或第二解调器仅用于陀螺仪的单个轴向的情况，图6和图7所讲述的内容仅用于图8中的单轴干涉仪。
参照本发明实施例对本发明已作了描述，但这不应作为对本发明的限制。本发明的保护范围及等价保护范围由下面所附的权利要求加以限定。
权利要求
1.一种利用Sagnac干涉仪测量旋转速率的方法，这种Sagnac干涉仪包括一个光源、一个用来从上述光源的输出产生一对光束的耦合器并引导上述光束分别射进传感器线圈相对的两端并在其中相对传播，然后，在上述线圈中传播一周后，两相对传播的光束被再次合成以提供输出信号，一个用来在上述相对传播的两光束上附加一个人为光学相移的调制器和一个用来从上述输出信号中提取旋转速率信息的解调器；上述方法由以下步骤组成a)驱动上述调制器以在上述相对传播的两光束上附加一个人为光学相移序列，每个上述相移的宽度与在传感器线圈中传输的时间相等；并且b)选择上述人为相移是从数值±aπ/2b到±(4b-a)π/2b之间选择的，其中a为一个奇整数，b为大于1的整数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于选择一个序列的步骤进一步含有可以获得上述数值的模为2π的图形。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于上述用来获得模为2π的图形的步骤进一步含有以下步骤a)将上述图形分为S个分段，每个这样的分段都与用来驱动相位调制器的分级波形的数值相对应，S为一个整数，并符合S×θ＝2πN其中θ为|aπ/2b|，N为一个整数。b)将上述数值赋予上述各分段，使得(i)在第一个角度方向上的相邻两分段之间的间隔等于aπ/2b或-(4b-a)π/2b，并且在与第一个角度相反的方向上，相邻两分段之间的间隔等于-aπ/2b到(4b-a)π/2b相等；且(ii)每一个数值都不大于2π；同时，c)用一个翻转轴标示出在上述第一角度中数值递减的两相邻分段之间的边界。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于选择上述用来驱动调制器的数值的步骤进一步含有以下步骤a)在第一个方向上通过所有上述图形中的分段；并且b)在与第一个方向相反的方向上通过所有上述图形中的分段。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括用伪随机序列通过上述图形而获得上述分级波形的步骤。
6.如权利要求4所述的方法，进一步包括用随机生成的序列通过上述图形而获得上述分级波形的步骤。
7.如权利要求4所述的方法，进一步包括用可定序列通过上述图形而获得上述分级波形的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤a)生成与第一个分级波形相对应的主解调序列和第二解调序列。然后，b)根据预定的标准对上述主解调序列和第二解调序列进行比较。c)对至少一个上述分级波形重复步骤a和b，直到生成的解调序列满足上述标准为止；d)选择与满足上述标准的解调序列相对应的上述分级波形。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于产生与一个选定序列相对应的主解调和第二解调序列的步骤与进一步含有将数值+1或-1赋予上述图形中的可预定间隔的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于在获得上述主解调序列的步骤特征中，进一步含有以下步骤a)将数值+1赋予上述图形中的每个逆时针间隔；并且b)将数值-1赋予上述图形中的每个顺时针间隔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于在获得上述第二解调序列的步骤特征中，进一步含有以下步骤a)间隔每穿过上述图形中的翻转轴一次，赋予数值+1；并且b)间隔每穿过上述图形中的非翻转轴一次，赋予数值-1。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于用来比较上述解调序列的步骤包括以下步骤a)将上述序列中的元素对应相乘；然后，b)对上述乘积结果取和。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述选择步骤包括选择一个序列以使上述所有乘积结果的和为零。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包含以下步骤a)将上述相移与上述主解调序列，按照对应元素逐个相乘；然后b)将上述乘积结果取和；然后c)选择一个上述乘积和为零的序列。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包含以下步骤a)将上述每个相移与上述第二解调序列，按照对应元素逐个相乘；然后b)将上述乘积结果取和；然后c)选择一个上述乘积和为零的序列。
16.如权利要求13所述的方法，进一步包含以下步骤a)计算上述序列相邻相移之间的间隔的数值；然后b)将上述每个间隔与上述主解调序列，按照对应元素逐个相乘；然后c)将上述乘积结果取和；然后d)选择一个上述乘积和为零的序列。
17.用来产生驱动Sagnac干涉仪的相位调制器的波形的方法，包含以下步骤a)为获取模为2π的图形中的数值，应通过(i)将上述模为2π的图形分为S个分段，S为一整数并符合S×θ＝2πN，其中θ等于|aπ/2b|，N为一个整数；然后(ii)为每个上述的分段分配一个用来驱动调制器的数值，并使得图中相邻的两个分段之间的间隔在第一个角度方向上对应于aπ/2b或-(4b-a)π/2b，而使图中相邻的两个分段之间的间隔在相反的角度方向上对应于-aπ/2b或(4b-a)π/2b；然后，b)根据预定的顺序，在第一个方向上通过上述图形的所有上述分段，并且再从与第一个方向相反的方向上通过所有上述分段，从而产生一个分级波形；然后c)生成与上述分级波形相对应的主解调序列和第二解调序列；接下来d)根据预定的标准对主解调序列和第二解调序列进行比较；然后e)重复步骤b，直到生成的解调序列满足上述的标准为止；接着f)选择与满足上述标准的解调序列相对应的上述分级波形。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于上述的标准是主解调序列与第二解调序列之间是正交的。
19.在用来测量这样一种类型的旋转速率的方法，即其中一对光束在光纤线圈中相对传播，并且在每一圈传输时间中用一系列附加于其中的人为相移对这对光束加以调制，其改进方法包括步骤从±aπ/2b到±(4b-a)π/2b的数值之间选择上述相移，其中a为奇整数而b为大于1的整数。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于选择上述相移的步骤进一步包括从模为2π的图形中获得用来驱动上述解调器的数值的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于上述的用来获得模为2π的图形的步骤进一步含有以下步骤a)将上述模为2π的图形分为S个分段，S为一整数并符合S×θ＝2πN，其中θ等于aπ/2b，N为一个整数；然后b)为每个上述的分段分配一个用来驱动调制器的数值，并使得图中相邻的两个分段之间的间隔在第一个角度方向上对应于aπ/2b或-(4b-a)π/2b，而使图中相邻的两个分段之间的间隔在相反的角度方向上对应于-aπ/2b或(4b-a)π/2b。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包含通过下列步骤选择用来驱动上述解调器的数值a)在第一个角度方向上通过上述图形中的所有上述分段；并且，b)从与第一个方向相反的方向上通过上述图形中的所有上述分段。
23.如权利要求22所述的方法，进一步包含了根据一个伪随机序列，通过上述图形获得上述分级波形的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，进一步包含了根据一个随机生成序列，通过上述图形获得上述分级波形的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，进一步包含了根据一个可定序列，通过上述图形获得上述分级波形的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包含以下步骤a)生成与所通过的上述图形相对应的主解调序列和第二解调序列。然后，b)根据预定的标准对上述主解调序列和第二解调序列进行比较。c)对至少一个上述分级波形重复步骤a和b，直到生成的解调序列满足上述标准为止；d)选择与满足上述标准的解调序列相对应的上述分级波形。
27.在用来测量绕至少一个轴的旋转速率的Sagnac干涉仪中，含有一个相位调制器，它可以将宽度与传感器线圈传输时间相等的光学相移序列附加在沿至少一个传感器线圈内的相对传播的两束光上，以及用于复合和解调所述至少一对光束以确定至少一个轴向上的旋转速率的装置，对它的改进包括，有一个发生器，以对上述相位调制器提供一比特序列，其作用是获得一个分级波形以附加一个数值为±aπ/2b和±(4b-a)π/2b的人为相移，其中a为一个奇整数，b为一个大于1的整数。
28.如权利要求27所述的Sagnac干涉仪，其特征在于上述发生器进一步含有一个随机数发生器。
29.一个模为2aπ/2b的图形，用于生成一个分级波形以驱动光纤陀螺仪的相位调制器，由此±aπ/2b到±(4b-a)/2b的人为相位被附加到在该陀螺传感器线圈中相对传播的光束上，其中a为奇整数，b为大于1的整数，所述图形包括a)上述图形含有一个封闭的圆形；b)上述圆形被分为S段，每个上述分段都与上述分级波形的数值相联系；c)S为一整数并符合S×θ＝2πN，其中θ等于|aπ/2b|，N为一个整数；d)为每个上述的分段分配一个用来驱动调制器的数值，并使得图中相邻的两个分段之间的间隔在第一个角度方向上等于aπ/2b或-(4b-a)π/2b，而使图中相邻的两个分段之间的间隔在相反的角度方向上对等于-aπ/2b或(4b-a)π/2b。
30.如权利要求29所述的模为2π的图形，进一步特征在于，即没有一个上述数值超过2π。
31.如权利要求30所述的模为2π的图形，进一步含有一个翻转轴，该翻转轴标示出在上述第一角度方向上数值递减的两相邻分段之间的边界。
全文摘要
一个相位调制器将过调制范围内人为相移序列附加到在Sagnac干涉仪传感器线圈内相对传播的光束上以获得改进的随机流动性能。这些序列由数值为±aπ/2b和±(4b－a)π/2b的相移组成,其中a为一个奇整数,b为一个大于1的整数。用来驱动相位调制器的波形可以从一个模为2π的图形中获得。图形中的角度间隔可以预先确定,以生成一个可定的、随机的或伪随机的调制序列。在选择可定序列的情况下,应对其进行正交检验以使由交叉干扰带来的偏置值达到理想的平均零值。
文档编号G01C19/72GK1197924SQ97104268
公开日1998年11月4日 申请日期1997年4月25日 优先权日1996年3月11日
发明者约翰G·马克, 丹尼尔A·塔扎迪思, 阿马多科尔多瓦 申请人:利顿系统公司