高线性度、组合式大量程谐振式光纤陀螺的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及光学陀螺仪，具体为高线性度、大量程的谐振式光纤陀螺仪。
【背景技术】：
[0002] 谐振式光纤陀螺是继微机械陀螺、干涉式光纤陀螺、激光陀螺之后发展起来的一 种新型角速度传感器，在小型化、灵敏度、可靠性方面具有潜在的优势。传统的谐振式光纤 陀螺通过检测两光束谐振频率差来感知载体的转动角速度，为了获得高的灵敏度，两光束 谐振峰的半高全宽值要求很窄，而半高全宽值也决定了系统的检测量程，窄的谐振峰导致 系统的检测量程范围很小，加上对高线性度的要求，系统的检测量程范围将更小。
[0003] 在国家深空探测、武器精确制导、常规兵器制导化改造、北斗导航等重大工程应用 领域，高灵敏度、微小型化、高稳定性、抗高过载谐振式光纤陀螺具有显著的应用优势，但其 在保证高线性度输出的同时具有大量程的检测范围方面优势不足。需要对传统的谐振式光 纤陀螺结构进行改进，增加一定的角速度偏置，可以在保留谐振式光纤陀螺其它优势的同 时，提高输出线性度，增大检测量程。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的是为了解决传统谐振式光纤陀螺量程范围小，而单纯增加量程范围 导致线性度降低的问题，本发明提供了一种在保证谐振式光纤陀螺信号高线性度输出的条 件下增大检测量程范围的高线性度、组合式大量程谐振式光纤陀螺。
[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：高线性度、组合式大量程谐振式光纤陀螺，包 括窄线宽隔离准直芯片可调谐光源、1X4光学分束器、第一光隔离器、第二光隔离器、第三 光隔离器、第四光隔离器、第一线性声光移频器、第二线性声光移频器、第一直波导相位调 制器、第二直波导相位调制器、第三直波导相位调制器、第四直波导相位调制器、第一光纤 环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器、第四光纤环形器、第一光电探测器、第二光电探 测器、第三光电探测器、第四光电探测器、光纤环形谐振腔、信号处理单元，窄线宽隔离准 直芯片可调谐光源和IX4光学分束器相连，第一光隔离器、第一直波导相位调制器、第一 光纤环形器依次相连，第二光隔离器、第二直波导相位调制器、第二光纤环形器依次相连， 第三光隔离器、第一线性声光移频器、第三直波导相位调制器、第三光纤环形器依次相连， 第四光隔离器、第二线性声光移频器、第四直波导相位调制器、第四光纤环形器依次相连， 1X4光学分束器分别与第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器、第四光隔离器相连， 光纤环形谐振腔分别与第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器、第四光纤环形 器相连，第一光电探测器与第二光纤环形器相连，第二光电探测器与第一光纤环形器相连， 第三光电探测器与第四光纤环形器相连，第四光电探测器与第三光纤环形器相连，第一光 电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别与信号处理单元输入端 口相连，信号处理单元分别与第一直波导相位调制器、第二直波导相位调制器、第三直波导 相位调制器、第四直波导相位调制器相连，信号处理单元的一个输出端口与窄线宽隔离准 直芯片可调谐光源相连，形成一闭合环路，信号处理单元的另一输出端口输出开环的陀螺 数字信号。
[0006] 该谐振式光纤陀螺的工作原理如下：
[0007] 1)移频和光束调制：窄线宽隔离准直芯片可调谐光源发出的窄线宽光束经1X4 光学分束器分成四路功率相等的光束，其中，光束①经第一光隔离器后直接输入给第一直 波导相位调制器，光束②经第二光隔离器后直接输入给第二直波导相位调制器，光束③经 第三光隔离器后输入给第一线性声光移频器，经正向移频+ Λ F后输入给第三直波导相位 调制器，光束④经第四光隔离器后输入给第二线性声光移频器，经负向移频-Λ F后输入给 第四直波导相位调制器，信号处理单元产生信源U1、U2、U3、U4,分别驱动第一直波导相位调 制器、第二直波导相位调制器、第三直波导相位调制器和第四直波导相位调制器，完成四个 光束的相位调制。
[0008] 2)四条光束的光电转换及同步解调：完成调制后的光束①经第一光纤环形器进 入光纤环形谐振腔形成逆时针传输光束，完成调制后的光束②经第二光纤环形器进入光纤 环形谐振腔形成顺时针传输光束，完成调制后的光束③经第三光纤环形器进入光纤环形谐 振腔形成逆时针传输光束，完成调制后的光束④经第四光纤环形器进入光纤环形谐振腔形 成顺时针传输光束。四条光束在谐振腔内多圈传播，光束①经第二光纤环形器输出，进入第 一光电探测器完成光电信号转换，光束②经第一光纤环形器输出，进入第二光电探测器完 成光电信号转换，光束③经第四光纤环形器输出，进入第三光电探测器完成光电信号转换， 光束④经第三光纤环形器输出，进入第四光电探测器完成光电信号转换。四个电信号分别 采用和调制时信源Ul、U2、U3、U4相同的频率，完成各自的同步解调输出。
[0009] 3)谐振频率的锁定：光束①的同步解调输出信号作为误差信号输入给信号处理 单元，信号处理单元通过将此误差信号与零电平比较后负反馈给窄线宽隔离准直芯片可调 谐光源，使其输出的光波频率保证光束①的同步解调输出信号为零，即窄线宽隔离准直芯 片可调谐光源的输出光波频率锁定在光纤环形谐振腔的逆时针方向的谐振频率上。
[0010] 4)高线性度、小量程角速度信号的检测：由公式Δ/^^Ω，可以求得由第一线性 .人' 声光移频器和第二线性声光移频器移频ΛF所对应的偏置角速度Ω'，两个偏置量数值相 等，方向相反（其中，D为光纤环形谐振腔的直径，λ为光束在真空中的波长）。当载体旋 转角速度小于偏置角速度Ω'时，由光束①和光束②在光纤环形谐振腔相向传播方向上的 谐振频差来检测小量程的角速度，具体检测过程为：光束①和光束②的同步解调信号在光 纤环形谐振腔谐振频率附近有一线性区，参照步骤3)，将光束①的同步解调输出信号作为 反馈信号，将窄线宽隔离准直芯片可调谐光源的光波频率锁定在光纤环形谐振腔的逆时针 方向的谐振频率上，则光束②在光纤环形谐振腔的顺时针方向的谐振频率将偏离原来的谐 振频率点，信号处理单元将光束②的同步解调信号以数字量形式输出，即为小量程角速度 信号的开环输出；由于光束②的同步解调信号线性区的线性度随着偏离原来的谐振频率点 的增大而降低，为了提高输出的线性度，对光束②的整个线性区可不全用，将偏离谐振点限 制在较小的范围内，可实现高线性度的角速度输出，由此，实现高线性度、小量程角速度信 号的检测（如图2中的区间（a))。
[0011] 5)高线性度、大量程角速度信号的检测：当载体旋转角速度大于偏置角速度Ω ' 时，由光束③和光束④分别检测逆时针和顺时针两个方向上的大量程角速度信号，以光束 ③为例，说明具体的实现过程为：由于光束③在进入光纤环形谐振腔前已经进行了相应的 频率偏置+ AF，即角速度偏置为+ Ω'，因此，在信号处理单元中可以设置一阈值为+ Ω'， 当载体旋转角速度大于该阈值时，光束③的同步解调信号将进入其线性区，并自动切换到 光束③的检测当中，经信号处理单元采集量化后以数字量形式输出，由该光束③的解调曲 线求得的角速度综合偏置角速度+ Ω '即为载体的实际转动角速度，而线性度保持不变，由 此，实现高线性度、大量程角速度信号的检测。同样，反方向大量程角速度的检测过程由光 束④来实现，设置的阈值为-Ω '，检测过程同光束③（如图2中的区间（b)和（C))。
[0012] 本发明创造性地引入了第三、第四分光束，通过线性声光移频器、线性声光移频器 移频Λ F后，引入了偏置角速度Ω'，使得在传统两光束的谐振式光纤陀螺的基础上增加 了 ±2Ω'量程，通过对不同光束解调信号的切换输出，保证了输出角速度的线性度