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一种闭环干涉式光纤陀螺的研究与实现
李会军孙力军
重庆邮电大学光电工程学院重庆重庆光电技术研究所重庆
摘要介绍了一种采用和相关检测技术实现的闭环干涉式光纤陀螺。该闭环光纤陀螺采用以多功能
集成光学器件为核心的结构以方波为偏置调制数字阶梯波为反馈。在此基础上提出的相关检测方法较好
地发挥了闭环干涉式光纤陀螺的优点使系统具有检测精度高、动态范围大、低漂移等优点是一种理想的
检测技术。
关键词光纤陀螺相关检测闭环控制
中图分类号

器。它以激光为光源通过测量沿光纤线圈顺时针
引言
和逆时针方向传播的束光的光程差从而得到光纤
光纤陀螺是一种基于效应的角速度传感线圈的转速。由于它具有测量精度高、动态范围大、
光机电信息
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启动时间短、体积小、重量轻和易集成等特点使
闭环干涉式光纤陀螺
其在卫星定位、导弹制导、飞机导航等军事和民用
领域具有广阔的应用范围。影响光纤陀螺实用化的系统框架
障碍主要有零点漂移、随机游动、动态范围和标度光纤陀螺可以分为闭环陀螺集成光纤陀螺和开
因数非线性等。环陀螺全光纤陀螺种。开环陀螺具有结构简单、成
本低的优点。闭环陀螺的成本稍高但线性动态范围
背景理论
大偏置稳定性好属中高精度陀螺。开环陀螺要
干涉式光纤陀螺的基本构成是个环形双对信号作反三角函数运算而且零漂和动态范围、
光束干涉仪它是基于光速恒定性原理和光学上的标度因数误差不能兼顾而闭环陀螺是利用反馈相
效应。效应是在同一闭合光路中沿移来抵消由转动引起的相移使输出始终保持在零
顺时针方向和逆时针方向传播的束光当光回路有相位上从而实现大的动态范围和小的标度因数误
转动时将产生与转动角速度Ω成正比的相位差。差。
容易推导出相位差"#与转动角速度Ω存在如下简单闭环光纤陀螺通过把开环陀螺解调出来的偏置
的线性关系信号即开环信号作为一个误差信号反馈到光路中

! Ω产生一个附加的相位差此相位差与旋转引起的相
"#
$ 位差大小相等、符号相反从而使陀螺的总相位差
式中为光波的工作波长为真空中的光速为
$ 被控制在零相位上。
光纤环的总长度为光纤环的半径。由于光纤环
闭环光纤陀螺由光路和电路个部分组成其
转动产生的相移和光纤环的转速有严格的线性关系
结构如图所示。它比开环陀螺多了个控制回路
所以可以通过检测干涉仪的相移而准确得到光纤环
使回路闭合从而在整个动态范围内具有稳定而线
的转速信号这就是干涉式光纤陀螺的转速检测原
性的标度因数。
理。
基本光纤陀螺的原理框图如图所示。超辐射
二极管发射的光被光纤耦合器分为束分别被耦合
到光纤环的两端并沿相反的方向传送最后被送
到光电探测器。当系统旋转时束光之间产生干涉
现象通过探测器把干涉引起的光强变化检测出来
经过信号处理输出为光纤陀螺相对惯性空间的转
动信息这就是光纤陀螺的工作过程。
理论分析
当采用阶梯波调制时的归一化信号输出为

% "% "%

式中%为转速信号产生的相移%和%分别为
方波调制和阶梯波调制