光纖陀螺原理

1、光纖陀螺信號(hào)處理原理、方案及實(shí)現(xiàn)光纖陀螺信號(hào)處理原理、方案及實(shí)現(xiàn)等價(jià)的概念： 環(huán)形干涉儀光纖陀螺 光纖線圈 光纖環(huán) 相位調(diào)制器Y波導(dǎo)（Y分支） 群傳輸時(shí)間渡越時(shí)間 薩格奈克相位差Sagnac SS 光纖陀螺基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)，即當(dāng)環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差。 cLDS2;2cAlt;clt; tS 光纖陀螺中Sagnac相位差的響應(yīng)（光強(qiáng)I）為0IISSIIcos1)(0 光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后分為兩束光，其中的一束光進(jìn)入電光相位調(diào)制器（Y波導(dǎo)），經(jīng)過Y波導(dǎo)的內(nèi)部調(diào)節(jié)后輸出的兩束光為滿足光的相干條件，這兩束光在光纖環(huán)中相向傳播，感應(yīng)外部的角速度運(yùn)動(dòng)，在探測

2、器處檢測干涉信號(hào)光強(qiáng)變化，經(jīng)過光電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換之后，形成閉環(huán)反饋電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)Y波導(dǎo)，使Y波導(dǎo)產(chǎn)生與外部Sagnac相移大小相等方向相反的反饋相移，使數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺始終工作在零點(diǎn)相移附近，在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)即可以獲取外部的角速度信息。 SSSIIcos1)(00ddI0ddIbS0ISI)cos(1)(0bSSIIb必須和預(yù)定的靈敏度一樣穩(wěn)定！“互易性偏置調(diào)制解調(diào)” 在光纖線圈的一端放置一個(gè)互易性相位調(diào)制器作為時(shí)延線，可完全克服相位偏置的漂移問題。 由于互易性，兩束干涉波受到完全相同的相位調(diào)制，但不同時(shí)，其時(shí)延等于調(diào)制器和分束器之間的長、短光路的群傳輸時(shí)間之差。于是，干涉信號(hào)變?yōu)椋哼@種方法可以

3、用一個(gè)方波調(diào)制來實(shí)現(xiàn)，即 ，其中方波的半周期等于，從而產(chǎn)生一個(gè) 的偏置調(diào)制。2bm)cos(1)(0bSSIIbm靜止時(shí)，方波的兩種調(diào)制態(tài)給出相同的信號(hào)：)cos(1),()cos(1),(00bSbSbSbSIIII)cos1 (), 0(), 0(0bbbIIIsbbSbSbSIIIsinsin2)cos()cos(),(00旋轉(zhuǎn)時(shí)，則有：兩種調(diào)制態(tài)之差變?yōu)椋?0It0tS偏置調(diào)制偏置調(diào)制光強(qiáng)響應(yīng)光強(qiáng)響應(yīng)檢測光強(qiáng)信號(hào)檢測光強(qiáng)信號(hào)靜止靜止旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)bb用鎖定放大器對(duì)探測器信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可以測量這個(gè)“偏置”信號(hào)，當(dāng)sbbSIIsinsin2),(02bsSIIsin2)2,(01sinb時(shí)有最大

4、靈敏度，此時(shí) 。由于這種調(diào)制解調(diào)方法能夠產(chǎn)生一個(gè)具有穩(wěn)定偏置的正弦響應(yīng)(未加調(diào)制的余弦響應(yīng)的導(dǎo)數(shù))，目前已經(jīng)作為最佳的偏置技術(shù)被廣泛采納。II00穩(wěn)定的零點(diǎn)0t0VV0t22m0tm2)()(ttmmm偏置調(diào)制狀態(tài)選擇的依據(jù)：偏置調(diào)制狀態(tài)選擇的依據(jù)： 最佳性能來自于最佳的信噪比；考慮理論光子噪聲及探測器熱噪聲，偏置工作點(diǎn)可以選在 之間，不會(huì)削弱信噪比。432四狀態(tài)4 前面描述的調(diào)制解調(diào)檢測方案能夠保持環(huán)形干涉儀的互易性，因而可以得到很好的零偏性能。 當(dāng)然，倘若高性能光纖陀螺儀必須有一個(gè)穩(wěn)定的和低噪聲的零偏，它也同樣需要在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)而不僅僅在零點(diǎn)附近具有好的精度。 重要的測量參數(shù)是旋轉(zhuǎn)的積分

5、角位移而不只是速率，任何過去的誤差都將影響未來的信息。這一約束意味著，在任何速率上都需要一個(gè)精確的測量值（也即要有一個(gè)精確的標(biāo)度因數(shù)）。這就是說，干涉儀的固有響應(yīng)是正弦型的，而所需的陀螺儀速率響應(yīng)信號(hào)應(yīng)是線性的。 這個(gè)問題可以采用閉環(huán)信號(hào)處理方法來解決。FBLDc2旋轉(zhuǎn)速率的測量值變?yōu)椋?閉環(huán)工作的原始方案之一：利用頻移由聲光調(diào)制器（AOM）也稱為布喇格元件產(chǎn)生頻移。事實(shí)上，薩格奈克效應(yīng)可以用線圈分束器上的多普勒效應(yīng)來解釋，這樣，位于線圈一端的頻移器可以使薩格奈克效應(yīng)的多普勒頻移置零。AOMceLcf221穩(wěn)定性！原始方案二：模擬相位斜波鋸齒波調(diào)制 通過采用一個(gè)線性相位斜波，可以克服聲光頻移器

6、的穩(wěn)定性問題。 頻率是相位的導(dǎo)數(shù)，運(yùn)用一個(gè)相位調(diào)制器來代替頻移器施加相位斜波調(diào)制 （其中 是斜率），等價(jià)于一個(gè)頻移。 這種處理方案允許在零點(diǎn)附近正向或負(fù)向工作（與斜波斜率的符號(hào)關(guān)）。 實(shí)際上，鋸齒波調(diào)制波形在復(fù)位時(shí)必須具有很快的回掃時(shí)間。它要求相位 調(diào)制器在很大的帶寬內(nèi)具有平坦的調(diào)制效率。ttPR)()()()(tttPRPRPR 設(shè)想，當(dāng)處理回路為閉環(huán)時(shí)，通過調(diào)節(jié)斜率 補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)引起的相位差 ，使總的相位差 為零： 鋸齒波復(fù)位高度 必須等于干涉儀的響應(yīng)周期2rad，否則這種復(fù)位會(huì)引起誤差。RSSTS0PRSTTRS也即：復(fù)位后， 由零變?yōu)?。復(fù)位誤差復(fù)位誤差 為簡單起見，考慮干涉儀施加偏置后的

7、正弦響應(yīng)。 當(dāng) 時(shí)信號(hào)為零，但在每個(gè)復(fù)位后的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)變?yōu)?。 這種寄生信號(hào)可以作為一個(gè)方便的誤差信號(hào)，用于在每個(gè)復(fù)位觸發(fā)第二個(gè)反饋回路，以檢驗(yàn)相位調(diào)制器的調(diào)制效率。RSsin0T 采用第二個(gè)處理回路，復(fù)位被精確地控制在2上，因此正、負(fù)復(fù)位的計(jì)數(shù)提供了旋轉(zhuǎn)角的精確測量。 由于 ，斜率 與旋轉(zhuǎn)速率成正比：R 這種模擬相位斜波反饋方案看起來很有吸引力，但它需要很短的和非常穩(wěn)定的回掃時(shí)間，才能得到很高的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性和線性度。 一般地，10ppm的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性要求回掃時(shí)間小于光纖環(huán)傳輸時(shí)間的1%（也即小于幾十納秒）。cLD2現(xiàn)用方案數(shù)字相位斜波 利用數(shù)字方法很容易解決模擬相位斜波反饋的回掃問題。

8、 “數(shù)字相位斜波”產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間等于的相位臺(tái)階 ，取代連續(xù)斜波。由于光纖環(huán)圈的延遲，數(shù)字相位斜波引起的相位差 為常數(shù)，且等于臺(tái)階高度。 這些相位臺(tái)階和復(fù)位可以與方波偏置調(diào)制同步：方波半周期等于。 相位臺(tái)階的幅值 通過相位置零反饋回路來設(shè)置，與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差 大小相等、符號(hào)相反：這個(gè) 值給出的是旋轉(zhuǎn)速率的線性讀出值。FBSJSJJJ數(shù)字相位斜波的產(chǎn)生：數(shù)字相位斜波的產(chǎn)生： 數(shù)字寄存器容納相位臺(tái)階的數(shù)字值DJ,其動(dòng)態(tài)范圍可以很大（大于25位）。數(shù)字積分器產(chǎn)生階梯斜波的數(shù)字值DR。一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)緩沖放大器產(chǎn)生相位調(diào)制器的模擬驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)于N位的D/A，可以在 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)把數(shù)字量

9、D轉(zhuǎn)化為一個(gè)模擬電壓，其中VLSB是與最低有效位（LSB）對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。 當(dāng)DR大于 時(shí)，自動(dòng)溢出產(chǎn)生的電壓等于 。如果調(diào)節(jié)調(diào)制通道的增益，使?jié)M足：其中V是產(chǎn)生rad相移的電壓，此時(shí)溢出自動(dòng)地產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位，它等效于模擬斜波的2復(fù)位，因而不會(huì)產(chǎn)生任何標(biāo)度因數(shù)誤差。 這種自動(dòng)溢出可以采用一個(gè)相位斜波，也可以采用相位斜波和方波調(diào)制的數(shù)字和。這允許Y分支的兩個(gè)調(diào)制器采用推挽連接，減少他們的整體非線性誤差。 數(shù)字相位斜波的真正“魅力”，是運(yùn)用數(shù)字邏輯和D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)任何臺(tái)階值，都能通過轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)溢出，自然產(chǎn)生一個(gè)合適的同步復(fù)位。這樣可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)有效的技術(shù)。LSBNRVD)2() 12(N

10、LSBNV) 12(0VVLSBN22數(shù)字相位斜波技術(shù)優(yōu)勢：數(shù)字相位斜波技術(shù)優(yōu)勢：1. 在數(shù)字方案中，復(fù)位和臺(tái)階都與時(shí)鐘時(shí)間同步。這樣，通過在每次回掃時(shí)觸發(fā)第二個(gè)反饋回路，放寬了將 的值精確控制為2的要求。由于第二個(gè)反饋回路也與同步，因此不受方波調(diào)制的瞬態(tài)過程的干擾。2. 盡管從2rad到0.1rad的分辨率之間實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)26位，但數(shù)字相位斜波不需要位數(shù)很大的D/A轉(zhuǎn)換器?。▽?duì)D/A轉(zhuǎn)換器的一般性能要求是線性度誤差小于一個(gè)LSB。）3. 實(shí)時(shí)速率測量值是相位臺(tái)階 的數(shù)字值DJ，存儲(chǔ)在數(shù)字邏輯電路的寄存器中。用來驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘必須與光纖線圈的傳輸時(shí)間近似匹配，以便于限制瞬時(shí)脈沖的寬度，但臺(tái)階值與沒有直接關(guān)系。當(dāng)變化時(shí)，會(huì)輕微地改變選通的瞬時(shí)脈沖的寬度，而反饋臺(tái)階的值 保持不變。利用數(shù)字斜波和一個(gè)穩(wěn)定的電子時(shí)鐘，標(biāo)度因數(shù)基本上只與線圈幾何長度上的薩格奈克效應(yīng)有關(guān)，而與折射率沒有關(guān)系