专利名称：一种双偏振干涉式光纤陀螺的联合信号处理方法
技术领域：
本发明涉及一种双偏振光纤陀螺仪的信号处理方法，尤其涉及一种双偏振干涉式
光纤陀螺的联合信号处理方法，属于光纤通信技术领域。
背景技术：
光纤陀螺是一种能够检测系统相对空间转动旋转的装置，是一种结构简单、成本
较低、精度高的新型全固态惯性器件。光纤陀螺应用领域广泛，包括战术武器制导，航空航
天中定向、跟踪与导航，光学罗盘，汽车导航仪，机器人控制等军用和民用领域。 光纤陀螺的基本原理是基于萨格奈克(sagnac)效应而制成的环形干涉仪。在一
任意几何形状的闭合光学环路中，从任一点发出沿相反方向传输的两束光，如果闭合光路
相对惯性空间沿某一方向转动，当两束光返回出发点时，相位会发生相对变化，这种现象称
为萨格奈克效应。因此，可以通过检测两路的干涉光，来反推出闭合光路系统的转动角速度。 旋转引起的两路光的相对相位变化称为萨格奈克相移，
A=2;r^Q (1) 义c 其中，L为光纤线圈长度，D为光纤线圈直径，A为信号光的中心波长，c为真空中 的光速，Q为系统转动角速度。由公式(1)可以看出，萨格奈克效应及其相移c^大小与介 质的折射率无关。 萨格奈克光纤干涉仪的结构需要满足互易性，使得两束反向传输光波具有相同的 传输特性。互易性可以起到"共模抑制"的作用，消除各种寄生效应，从而能够灵敏地测量 由于旋转引起的非互易的萨格奈克相移。 具体地，互易性包括光纤耦合器的互易性，单模互易性和偏振互易性。 在传统的保偏型光纤陀螺方案中，如图1中的最小互易性结构，只采取了快轴或
慢轴的单轴工作模式。正是由于c^与介质材料的折射率无关的性质，采用工作在两个轴
的双偏振光纤陀螺设计方案，通过对两路输出信号进行检测分析，可以进一步提高系统的
精度和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双偏振干涉式光纤陀螺的联合信号处理方法，其通过
对双偏振光纤陀螺中的噪声进行联合分析，得到了准确的旋转角速度。 本发明的技术方案为 —种双偏振干涉式光纤陀螺的联合信号处理方法，其中所述双偏振干涉式光纤陀 螺为两线偏振光输入光路经一保偏合/分束器与一耦合器连接，所述耦合器另一侧与一 光纤环连接，所述光纤环与所述耦合器之间连接一相位调制器，其步骤为
1)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使得两所述线偏振光输入光路间隔性的输出信号 光； 2)测量所述相位调制器在不同温度时，两所述偏振光输入光路上输出的光功率； 3)根据记录的温度值和对应的光功率，确定出由于温度瞬变引起的两路等效旋转
速率误差比值P (T)= "^)/("2^");其中&为快轴折射率，n2为慢轴折射率，T为温度； 4)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使得两所述线偏振光输入光路同时输出信号光； 5)测量两所述线偏振光输入光路上输出的光功率； 6)根据步骤5)所测光功率分别计算出旋转速率&和Q2 ; 7)根据公式Q- \ ^V^、 2计算出修正后的旋转速度Q 。 进一步的，所述耦合器为保偏耦合器，所述光纤环为保偏光纤环。 进一步的，所述线偏振光输入光路包括一信号调制器，线偏振光源经所述信号调
制器与所述保偏合/分束器连接。 进一步的，所述线偏振光输入光路包括一环形器，所述信号调制器经所述环形器 与所述保偏合/分束器连接，且所述环形器与一探测器连接。
进一步的，所述信号调制器为相位调制器。
进一步的，所述信号调制器为幅度调制器。 进一步的，所述比值P(T户(巧^)/("2^)的计算方法为首先将干涉信号光功
率的表达式按照贝塞尔函数展开；然后根据步骤2)所测的光功率，利用滤波器取出其中 一、二、四次谐波的幅值；最后根据所提取的一、二、四次谐波的幅值求解出不同温度时的 小im，得到不同温度下的V^值，从而推算出drii/dT的曲线，确定出所述比值P (T);其中i =1或2，分别对应于快轴或慢轴。 进一步的，采用卡尔曼滤波方法分别处理两所述线偏振光输入光路的信号，消除
温漂，得到两支路上的旋转速率和Q2';然后根据公式Q' = (n Q2' -Q/ )/(n-l) 计算出修正后的旋转速率Q'，其中n = Irv^，《-J^fl^jy， lEr卩为顺时针的 光强，lE,12是逆时针的光强，i = 1或2，分别对应于快轴或慢轴。 进一步的，利用公式Qs= (Q2An「Q!Arg/(An「Arg计算出修正后的旋转速 率Qs，其中A&为由应力或振动引起快轴局部折射率变化，An2为由应力或振动引起慢轴 局部折射率变化。 图2为双偏振光纤陀螺设计方案示意图。宽谱光源产生信号光，经起偏器起偏后 成为线偏振的光(起偏到快轴或慢轴上)，然后经3db分束器分成两路功率相等、偏振方向 相同的光。两路光经过相同的或不同的相位或幅度预调制方式，分别通过环形器1和环形 器2，然后经过合束器。合束器可实现将一路光信号偏振转动90。后与另一路光合束。从 合束器出来的光成为正交的快轴光和慢轴光。保偏耦合器和保偏光纤可以使得快轴光和慢 轴光分别作为最小互易性结构的光纤陀螺中的信号光而传输。环形器之后的整个光路是可 逆的。由于在传输过程中经历相同的噪声因素，而萨格奈克相位是相同的。设快轴和慢轴折射率分别为&和rv则相位可以表示为如下形式
A (J)! = A (J)s+A (J)n(n》 A小2 = A (j)s+A (tn(n2) (2) 通过不同的调制码型，我们可以在两个环形器的端口 3以及耦合器的非互易端口
进行信号检测。按照实验装置的设计，在环形器1和环形器2分别检测快轴和慢轴的干涉
光强，在保偏耦合器的非互易端口进行非互易信号光功率检测。 幅度调制码型如图3所示。当幅度调制使得只在快轴(或慢轴)上存在光信号输 入，即回到单一的互易性结构。但是，器件消偏特性不理想使得快慢轴上的光存在一定的转 换。慢轴的信号部分主要是从快轴由以下方式转换过去的(l)前向通过3db保偏耦合器 时(2)后向通过3db耦合器时(耦合器做到双向保偏特性都很高比较困难)；(3)后向通过 分束器时。仍然采用双路检测，就可以得到从快轴(或慢轴)转换到慢轴(或快轴)的分 光比。得到这几个分光器件组的综合特性，给所测旋转角速度的修正提供方法。
下面以调制码型使得快慢轴同时存在正交信号光来说明信号处理的过程。
从环形器输出的干涉信号可以表示为 Ii = I0i{l+cos[(ts+A小i(t)B (3)
其中i = 1，2，分别表示快轴模式和慢轴模式。两个模式的c^相同，△小i(t)为 PZT相位调制引入的相位差，由于快慢轴折射率不同，PZT相位调制器引入的相位差会有微 小差别。利用正弦波调制时， A (J)i(t) = 2 4)。iSin("m t i/2)cos[Wm(t—t 乂2)] (4)
其中，"m表示PZT相位调制器调制频率，m是modulation的意思，表示PZT相位 调制器的调制。将(4)带入方程(3)，可以得到按照贝塞尔函数展开的干涉信号为Ii = 1。Jl+[J。((^m)+2 E (-l)nJ2n((tim)C0S2n"ma— Ti/2)]C0S((ts)+ (5) 2E (_l)n+1J2n—i(小Jsin[(2n-l) "m(t-Ti/2)]sin(小sM 其中，(j)im = 2小。iSin("m t 乂2)。 利用滤波器取出其中一、二、四次谐波的幅值分别为 Bu = 21oJj小im)sin小s Bi2 = 2I0iJ2((tim)cos(ts Bi4 = 2I。J4((tim)cos(ts 由Bi2/Bi4 = J2 (小im) /J4 (小im)，可求得小im的值；再由= ^ (小im) /J2 (小im) tan((^)，可进一步求得萨格奈克相移小si，根据环的几何特征得到旋转角速度Qi。
对于同一时刻得到的小31和小《，其包含由于纯粹旋转引起的相移，以及各种噪声 引起的相移。 可以在一个时刻同时得到不同偏振态的两个输出端口的数据，进行分析得到旋转 角速度。这种状态时，假设采用以上分析方法分别从两个偏振方向上得到含有不同噪声的 旋转角速度A和Q2。如图4所示，在某一时刻，^和02的二维坐标上，实际的旋转角 速度值应该在45。线上。将坐标上的一点投影到45。线上，通过^和02的联合判断，相 比单个的^值，可得到更准确的旋转角速度。 利用图2的双偏振光纤陀螺结构，可以进一步探索并分析常见的噪声特性，以达 到消除噪声干扰项的目的。
光纤陀螺仪中，热噪声是一个重要噪声来源，热瞬变过程引起的近似等效旋转速
率误差为
其中，D为光纤环直径，L为光纤环长度，T为温度，n为有效折射率。
在使用两路不同的偏振光时，可分别求得(j^m和42m，
(tim = 2(j)0isin(wm t 乂2)
= 2rii A lsinOmriiL/2c) 当PZT调制器工作在/2工作点时，sin("mriiL/2c)取最大值，处于对&变化不 灵敏的区域。所以^m/^m二n乂ri2 使用温控电路调节PZT温度，采集干涉光信号数据，求解不同温度时的{小im}，得 到不同温度下的rv^值，从而推算出dni/dT的曲线，确定由于温度瞬变引起的两路等效旋
转速率误差比值为"^)/("2^")，记为P (T)。具体过程如后面实施方案所述。 采用调制码型2，即两支路上都有信号光，设根据两路信号得到的旋转速率分别为 A和02，真实的旋转速度为Q，那么 <formula>formula see original document page 6</formula>) 以 此 可 以 反 解 出 <formula>formula see original document page 6</formula> 这样，对于两路偏振光的温度偏移引起的噪声，可以进行联合分析以降低影响，达 到更精确的旋转角速度值。这种方式能有效地剔除温度漂移带来的影响，得到准确的旋转 角速度值，而且保证了稳定性。 引起噪声的其他效应与折射率的关系具有不同的形式。如果光纤环中反向传播的
光波之间具有功率差，将存在非线性克尔效应，引起的一个非互易性相位差。这两路反向光
波之间的非互易性折射率差为
<formula>formula see original document page 6</formula> 其中，xe(3)是三阶电极化率，是引起三次谐波、四波混频和非线性折射率的主要 原因，lE"T禾P lE^I2分别是顺时针和逆时针的光强。 对于不同的偏振态，n不同(n可近似认为是"-V^-^l + ;^ )。暂时考虑由萨格 奈克效应和非线性克尔效应引起的变化，则
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中<formula>formula see original document page 7</formula>L在这里指积分长度，对于宽带光源来说，此积分长度位于线圈中 点很短的一段)。 对于非线性克尔效应引起的非互易性效应，相位干扰项与偏振态所对应折射率成 反比关系，所以其采取的信号处理方法就不会是一样的。相比于温度漂移，非线性克尔效应 引起的噪声比较小，所以需要在消除温度噪声影响后(如在实验条件下可以控制温漂，或 采用卡尔曼滤波分别处理两支路信号消除温漂，得到的分别为两支路上的)，再考虑消 除非线性克尔效应影响。 采用幅度调制码型2，即两个支路都有信号光，在实验光路搭建的过程中，测得两
路光经合束器合束为快轴和慢轴上的正交光之后的消光比s ，即可推算出快轴和慢轴上的
光强比<formula>formula see original document page 7</formula>在方程(10)中，<formula>formula see original document page 7</formula> 在前面调制码型1的条件下，测量得到了不同温度下的n乂化值。记<formula>formula see original document page 7</formula>
由方程(10)推出类似(7)的式子:<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，和Q2'是分别对两支路进行温漂处理后的旋转角速度值。
/人而f寻<formula>formula see original document page 7</formula>
对于其他因素引起的噪声，分析其在快慢轴上噪声特性的不同，就可以针对性地
寻找算法，以降低噪声的影响。 对于热应力和振动，这会引起局部双折射率的变化，导致非互易性偏置误差。其引 起的噪声误差与折射率变化率成正比，可以考虑下列方式进行处理。<formula>formula see original document page 7</formula>
易得至<formula>formula see original document page 7</formula>
但是由于热应力和振动难以确定，需要在统计意义上对结果进行可能的修正，或 采取措施尽量降低引起热应力和振动的因素。 由于交叉偏振效应的影响，对光路中保偏耦合器的特性要求高，对正向和逆向，每
个偏振轴都要达到30db的消光比。因此可以考虑消偏方案，既降低了对器件特性要求，也
可以降低保偏光纤的成本。 消偏方案的光路结构如图5所示。 两路光的功率可以不同，即在通过保偏分束器后的两个光路进行不同的预调制， 可以是相位调节或幅度调节。
本发明的积极效果为 对于双偏振光纤陀螺方案，进行不同的幅度码型调制，根据快慢轴上与折射率有 关的噪声特性，联合分析消除噪声的影响，以得到准确的旋转角速度。
图1是传统单轴保偏光纤陀螺最小互易性结构；
图2是双偏振干涉式光纤陀螺结构图；
图3是对双偏振光路幅度调制码型；
图4是简单的信号处理原理图； 图5是采用单模消偏结构的双偏振干涉式光纤陀螺。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 本发明采用ASE宽谱光源输出信号光，经起偏器后成为线偏振光，采用50 : 50的 保偏耦合器作为光分束器。分成的两路上的幅度预调制采用光衰减器，电路同时控制两路 衰减器状态，以达到所需调制码型。在实验中常用的两种幅度调制码型为码型1——只有 一个支路上有光信号通过，而另一个上无光信号；码型2——两个支路上都有光信号通过。 保偏环形器实现正向通过(端口 1- >端口 2)，反向通过(端口 2- >端口 3)。保偏合/分 束器可以将一个支路上的光偏振方向转动90° ，并将两支路光合为快轴和慢轴上正交的信 号光。具有高消光比的50 : 50保偏耦合器将正交的信号光输入到保偏光纤环两端。
在反向光路两个环形器的端口 3，用光电转换器把不同偏振态的干涉光信号转换 为电信号，并通过NI数据采集卡进行采集。利用LabView对采集的数据进行频谱分析和数 据存储。 在实验前，要先通过调制码型1使得只有一个支路上(如上支路)有信号光，通过 温度控制电路调节PZT的温度，用数据采集卡存储该支路环形器端口 3经PD转换后的干涉 信号光功率，利用二次谐波82和四次谐波84计算对应的{(tj ;在该温度下，使得只有另一 支路上有信号光(如下支路)，按照同样步骤得到{42m}。这样就能得到不同温度下的n/ 化值，并推算出dni/dT的曲线。对于系统整体的保偏特性，需要在此调制码型1下，采集分 析另一支路上环形器端口 3的信号数据。 测量萨格奈克效应时，使用调制码型2，分别得到两个支路上的干涉信号光信号， 解调得旋转速率A和02后，利用方程(8)求得更准确的Q值。 单模消偏结构中采用的消偏器可以用三段长度比为1 : 2 : 4的保偏光纤偏转 45°形成的Lyot消偏器。光纤环采用普通单模光纤环即可。反向光路中经保偏分束器后， 被分为不同偏振态，并进行检测分析。由于被分成的两个偏振态在保偏光纤环中经历的各 种噪声和折射率更趋相同，其信号处理方法需要进一步讨论。
权利要求
一种双偏振干涉式光纤陀螺的联合信号处理方法，其中所述双偏振干涉式光纤陀螺为两线偏振光输入光路经一保偏合/分束器与一耦合器连接，所述耦合器另一侧与一光纤环连接，所述光纤环与所述耦合器之间连接一相位调制器，其步骤为1)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使得两所述线偏振光输入光路间隔性的输出信号光；2)测量所述相位调制器在不同温度时，两所述偏振光输入光路上输出的光功率；3)根据记录的温度值和对应的光功率，确定出由于温度瞬变引起的两路等效旋转速率误差比值 <mrow><mi>ρ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <mfrac><msub> <mi>dn</mi> <mn>1</mn></msub><mi>dT</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub> <mfrac><msub> <mi>dn</mi> <mn>2</mn></msub><mi>dT</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>其中n1为快轴折射率，n2为慢轴折射率，T为温度；4)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使得两所述线偏振光输入光路同时输出信号光；5)测量两所述线偏振光输入光路上输出的光功率；6)根据步骤5)所测光功率分别计算出旋转速率Ω1和Ω2；7)根据公式 <mrow><mi>Ω</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>Ω</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><mi>ρ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>Ω</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>ρ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>计算出修正后的旋转速度Ω。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述耦合器为保偏耦合器，所述光纤环为保 偏光纤环。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述线偏振光输入光路包括一信号调制 器，线偏振光源经所述信号调制器与所述保偏合/分束器连接。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于所述线偏振光输入光路包括一环形器，所述 信号调制器经所述环形器与所述保偏合/分束器连接，且所述环形器与一探测器连接。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于所述信号调制器为相位调制器。
6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于所述信号调制器为幅度调制器。
7. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述比值P (t)=(巧#)/("2 #)的计算方法为首先将干涉信号光功率的表达式按照贝塞尔函数展开；然后根据步骤2)所测的光 功率，利用滤波器取出其中一、二、四次谐波的幅值；最后根据所提取的一、二、四次谐波的 幅值求解出不同温度时的小im，得到不同温度下的rv^值，从而推算出drii/dT的曲线，确定 出所述比值P (T);其中i = 1或2，分别对应于快轴或慢轴。
8. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于采用卡尔曼滤波方法分别处理两所述 线偏振光输入光路的信号，消除温漂，得到两支路上的旋转速率和Q2';然后根据公式Q' = (n Q2' -Q/ )/(n-i)计算出修正后的旋转速率Q'，其中n = ln2/ni， ^|，m|2 ， lErl2为顺时针的光强，lE"l2是逆时针的光强，i = l或2，分别对应于快轴或慢轴。
9. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于利用公式Qs= (^An「^Arg/ (Ani-An2)计算出修正后的旋转速率Qs，其中A&为由应力或振动引起快轴局部折射率 变化，An2为由应力或振动引起慢轴局部折射率变化。
全文摘要
本发明公开了一种双偏振干涉式光纤陀螺的联合信号处理方法，属于光纤通信技术领域。本发明的方法为1)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使两线偏振光输入光路间隔性的输出信号光；2)测量相位调制器在不同温度时，两偏振光输入光路上输出的光功率；3)根据记录的温度值和对应的光功率，确定出由于温度瞬变引起的两路等效旋转速率误差比值ρ(T)；4)调制双偏振干涉式光纤陀螺，使得两线偏振光输入光路同时输出信号光；5)测量两线偏振光输入光路上输出的光功率；6)根据步骤5)所测光功率分别计算出旋转速率Ω1和Ω2；7)根据公式计算出修正后的旋转速度Ω。本发明对双偏振光纤陀螺中的噪声进行联合分析，得到了准确的旋转角速度。
文档编号G01C19/72GK101718557SQ20091023742
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者王子南, 王玉杰 申请人:北京大学