高線性度、組合式大量程諧振式光纖陀螺的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及光學陀螺儀，具體為高線性度、大量程的諧振式光纖陀螺儀。
【背景技術】：
[0002] 諧振式光纖陀螺是繼微機械陀螺、干涉式光纖陀螺、激光陀螺之后發展起來的一 種新型角速度傳感器，在小型化、靈敏度、可靠性方面具有潛在的優勢。傳統的諧振式光纖 陀螺通過檢測兩光束諧振頻率差來感知載體的轉動角速度，為了獲得高的靈敏度，兩光束 諧振峰的半高全寬值要求很窄，而半高全寬值也決定了系統的檢測量程，窄的諧振峰導致 系統的檢測量程范圍很小，加上對高線性度的要求，系統的檢測量程范圍將更小。
[0003] 在國家深空探測、武器精確制導、常規兵器制導化改造、北斗導航等重大工程應用 領域，高靈敏度、微小型化、高穩定性、抗高過載諧振式光纖陀螺具有顯著的應用優勢，但其 在保證高線性度輸出的同時具有大量程的檢測范圍方面優勢不足。需要對傳統的諧振式光 纖陀螺結構進行改進，增加一定的角速度偏置，可以在保留諧振式光纖陀螺其它優勢的同 時，提高輸出線性度，增大檢測量程。
【發明內容】
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[0004] 本發明的目的是為了解決傳統諧振式光纖陀螺量程范圍小，而單純增加量程范圍 導致線性度降低的問題，本發明提供了一種在保證諧振式光纖陀螺信號高線性度輸出的條 件下增大檢測量程范圍的高線性度、組合式大量程諧振式光纖陀螺。
[0005] 本發明是采用如下技術方案實現的：高線性度、組合式大量程諧振式光纖陀螺，包 括窄線寬隔離準直芯片可調諧光源、1X4光學分束器、第一光隔離器、第二光隔離器、第三 光隔離器、第四光隔離器、第一線性聲光移頻器、第二線性聲光移頻器、第一直波導相位調 制器、第二直波導相位調制器、第三直波導相位調制器、第四直波導相位調制器、第一光纖 環形器、第二光纖環形器、第三光纖環形器、第四光纖環形器、第一光電探測器、第二光電探 測器、第三光電探測器、第四光電探測器、光纖環形諧振腔、信號處理單元，窄線寬隔離準 直芯片可調諧光源和IX4光學分束器相連，第一光隔離器、第一直波導相位調制器、第一 光纖環形器依次相連，第二光隔離器、第二直波導相位調制器、第二光纖環形器依次相連， 第三光隔離器、第一線性聲光移頻器、第三直波導相位調制器、第三光纖環形器依次相連， 第四光隔離器、第二線性聲光移頻器、第四直波導相位調制器、第四光纖環形器依次相連， 1X4光學分束器分別與第一光隔離器、第二光隔離器、第三光隔離器、第四光隔離器相連， 光纖環形諧振腔分別與第一光纖環形器、第二光纖環形器、第三光纖環形器、第四光纖環形 器相連，第一光電探測器與第二光纖環形器相連，第二光電探測器與第一光纖環形器相連， 第三光電探測器與第四光纖環形器相連，第四光電探測器與第三光纖環形器相連，第一光 電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器分別與信號處理單元輸入端 口相連，信號處理單元分別與第一直波導相位調制器、第二直波導相位調制器、第三直波導 相位調制器、第四直波導相位調制器相連，信號處理單元的一個輸出端口與窄線寬隔離準 直芯片可調諧光源相連，形成一閉合環路，信號處理單元的另一輸出端口輸出開環的陀螺 數字信號。
[0006] 該諧振式光纖陀螺的工作原理如下：
[0007] 1)移頻和光束調制：窄線寬隔離準直芯片可調諧光源發出的窄線寬光束經1X4 光學分束器分成四路功率相等的光束，其中，光束①經第一光隔離器后直接輸入給第一直 波導相位調制器，光束②經第二光隔離器后直接輸入給第二直波導相位調制器，光束③經 第三光隔離器后輸入給第一線性聲光移頻器，經正向移頻+ Λ F后輸入給第三直波導相位 調制器，光束④經第四光隔離器后輸入給第二線性聲光移頻器，經負向移頻-Λ F后輸入給 第四直波導相位調制器，信號處理單元產生信源U1、U2、U3、U4,分別驅動第一直波導相位調 制器、第二直波導相位調制器、第三直波導相位調制器和第四直波導相位調制器，完成四個 光束的相位調制。
[0008] 2)四條光束的光電轉換及同步解調：完成調制后的光束①經第一光纖環形器進 入光纖環形諧振腔形成逆時針傳輸光束，完成調制后的光束②經第二光纖環形器進入光纖 環形諧振腔形成順時針傳輸光束，完成調制后的光束③經第三光纖環形器進入光纖環形諧 振腔形成逆時針傳輸光束，完成調制后的光束④經第四光纖環形器進入光纖環形諧振腔形 成順時針傳輸光束。四條光束在諧振腔內多圈傳播，光束①經第二光纖環形器輸出，進入第 一光電探測器完成光電信號轉換，光束②經第一光纖環形器輸出，進入第二光電探測器完 成光電信號轉換，光束③經第四光纖環形器輸出，進入第三光電探測器完成光電信號轉換， 光束④經第三光纖環形器輸出，進入第四光電探測器完成光電信號轉換。四個電信號分別 采用和調制時信源Ul、U2、U3、U4相同的頻率，完成各自的同步解調輸出。
[0009] 3)諧振頻率的鎖定：光束①的同步解調輸出信號作為誤差信號輸入給信號處理 單元，信號處理單元通過將此誤差信號與零電平比較后負反饋給窄線寬隔離準直芯片可調 諧光源，使其輸出的光波頻率保證光束①的同步解調輸出信號為零，即窄線寬隔離準直芯 片可調諧光源的輸出光波頻率鎖定在光纖環形諧振腔的逆時針方向的諧振頻率上。
[0010] 4)高線性度、小量程角速度信號的檢測：由公式Δ/^^Ω，可以求得由第一線性 .人' 聲光移頻器和第二線性聲光移頻器移頻ΛF所對應的偏置角速度Ω'，兩個偏置量數值相 等，方向相反（其中，D為光纖環形諧振腔的直徑，λ為光束在真空中的波長）。當載體旋 轉角速度小于偏置角速度Ω'時，由光束①和光束②在光纖環形諧振腔相向傳播方向上的 諧振頻差來檢測小量程的角速度，具體檢測過程為：光束①和光束②的同步解調信號在光 纖環形諧振腔諧振頻率附近有一線性區，參照步驟3)，將光束①的同步解調輸出信號作為 反饋信號，將窄線寬隔離準直芯片可調諧光源的光波頻率鎖定在光纖環形諧振腔的逆時針 方向的諧振頻率上，則光束②在光纖環形諧振腔的順時針方向的諧振頻率將偏離原來的諧 振頻率點，信號處理單元將光束②的同步解調信號以數字量形式輸出，即為小量程角速度 信號的開環輸出；由于光束②的同步解調信號線性區的線性度隨著偏離原來的諧振頻率點 的增大而降低，為了提高輸出的線性度，對光束②的整個線性區可不全用，將偏離諧振點限 制在較小的范圍內，可實現高線性度的角速度輸出，由此，實現高線性度、小量程角速度信 號的檢測（如圖2中的區間（a))。
[0011] 5)高線性度、大量程角速度信號的檢測：當載體旋轉角速度大于偏置角速度Ω ' 時，由光束③和光束④分別檢測逆時針和順時針兩個方向上的大量程角速度信號，以光束 ③為例，說明具體的實現過程為：由于光束③在進入光纖環形諧振腔前已經進行了相應的 頻率偏置+ AF，即角速度偏置為+ Ω'，因此，在信號處理單元中可以設置一閾值為+ Ω'， 當載體旋轉角速度大于該閾值時，光束③的同步解調信號將進入其線性區，并自動切換到 光束③的檢測當中，經信號處理單元采集量化后以數字量形式輸出，由該光束③的解調曲 線求得的角速度綜合偏置角速度+ Ω '即為載體的實際轉動角速度，而線性度保持不變，由 此，實現高線性度、大量程角速度信號的檢測。同樣，反方向大量程角速度的檢測過程由光 束④來實現，設置的閾值為-Ω '，檢測過程同光束③（如圖2中的區間（b)和（C))。
[0012] 本發明創造性地引入了第三、第四分光束，通過線性聲光移頻器、線性聲光移頻器 移頻Λ F后，引入了偏置角速度Ω'，使得在傳統兩光束的諧振式光纖陀螺的基礎上增加 了 ±2Ω'量程，通過對不同光束解調信號的切換輸出，保證了輸出角速度的線性度