具有光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器及其控制方法。旋轉(zhuǎn)速率傳感器中的光纖薩格納克干涉儀包括具有MIOC傳遞函數(shù)的多功能集成光學(xué)芯片（MIOC）。數(shù)字濾波器連接到多功能集成光學(xué)芯片的上游，該多功能集成光學(xué)芯片的濾波器傳遞函數(shù)基本上對應(yīng)于逆MIOC傳遞函數(shù)以使得由濾波器傳遞函數(shù)來補償MIOC傳遞函數(shù)?？梢栽谥骺刂苹芈分写_定濾波器傳遞函數(shù)的對應(yīng)的系數(shù)。
【專利說明】具有光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有光纖薩格納克（Sagnac)干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，以及用于控制 具有光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖薩格納克干涉儀用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速率傳感器中。
[0003] 可以以各種方式來實現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。通常，定位是基于對作用到對象上的力或 加速度的測量以及所施加的旋轉(zhuǎn)速率。光學(xué)效應(yīng)替代機械效應(yīng)也可以用于確定慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率。這種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以基于至少一個光纖薩格納克干涉儀。這使用薩格 納克效應(yīng)，根據(jù)薩格納克效應(yīng)，在光學(xué)光導(dǎo)回路繞其法線旋轉(zhuǎn)期間，出現(xiàn)相反方向進入光導(dǎo) 回路內(nèi)部的兩個光束之間的光程差。在對射出光導(dǎo)回路的兩個光束的光進行觀察并且這兩 個光束重合期間，在旋轉(zhuǎn)期間，強度的變化變得可見，該強度的變化可以由干涉儀特征來描 述，干涉儀特征依賴于兩個光波之間的相位差描述了強度變化。換言之，作用在薩格納克干 涉儀上的旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致彼此相反地循行的兩個光束之間的相移，以使得在束重合的位置處 可以觀察取決于旋轉(zhuǎn)運動的強度的變化。
[0004] 光纖薩格納克干涉儀中的相移正比于旋轉(zhuǎn)速度、光導(dǎo)回路或光導(dǎo)線圈中的光的路 徑長度以及圓形光路的直徑。此外，相移反比于所使用的光的波長。
[0005] 上面已經(jīng)提到的描述了光強度的依賴性的并且必須用作為用于根據(jù)相位差確定 旋轉(zhuǎn)的可觀察量的干涉儀特征是余弦形。
[0006] 由于對應(yīng)的傳遞函數(shù)在余弦曲線的最大值處對小的輸入值是不敏感的，并且與旋 轉(zhuǎn)方向?qū)?yīng)的相移的符號是不可檢測的，所以經(jīng)常調(diào)節(jié)薩格納克干涉儀的工作點以使得薩 格納克干涉儀位于余弦函數(shù)的最大梯度的點。為此，可以考慮例如正弦調(diào)制或方波調(diào)制。因 此，應(yīng)該已經(jīng)在小的旋轉(zhuǎn)運動的情況下保證干涉儀的最大靈敏度。
[0007] 包括光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器通常包括多功能集成光學(xué)芯片 (MI0C)，借助于其可以進行相位調(diào)制。通常，MI0C是用于調(diào)節(jié)上述相位調(diào)制的控制回路的 一部分。MI0C中的物理效應(yīng)，例如可移動的電荷載流子，引起相位調(diào)制的頻率依賴性。因 此，MI0C具有頻率響應(yīng)，由于這，對不同的頻率發(fā)生不同的頻率響應(yīng)。由于這種現(xiàn)象也可以 追溯到MI0C中的電荷載流子的遷移性，所以還存在MI0C頻率響應(yīng)對周圍溫度或MI0C本身 的溫度的依賴性。
[0008] MI0C頻率響應(yīng)導(dǎo)致特殊形式的鎖定效應(yīng)，鎖定效應(yīng)顯露為：在實際上約0° /h的 小旋轉(zhuǎn)速率的情況下，進行與〇° Λ的旋轉(zhuǎn)速率對應(yīng)的輸出信號的累積。從而，由此導(dǎo)致的 薩格納克干涉儀對非常小的旋轉(zhuǎn)速率的不敏感因此限制了對特別是在非恒定溫度條件下 并且非常小的旋轉(zhuǎn)速率的高度精確且可靠的測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明基于該問題提供了一種具有光纖薩格納克干涉儀的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，針對 該光纖薩格納克干涉儀有效地減小了由MIOC頻率響應(yīng)引起的鎖定效應(yīng)并且針對該光纖薩 格納克干涉儀還可以在非常小的旋轉(zhuǎn)速率并且非恒定溫度情況下進行高度精確的旋轉(zhuǎn)速 率測量。由權(quán)利要求1的主題來解決本發(fā)明的該目的。此外，由權(quán)利要求9的主題來解決 本發(fā)明的目的。在各個從屬權(quán)利要求中詳述了本發(fā)明的其他實施方式。
[0010] 旋轉(zhuǎn)速率傳感器中的本發(fā)明的光纖薩格納克干涉儀包括光源、偏振器、光纖線圈、 光電檢測器裝置、帶有下游連接的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的放大器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、評估電 路、加法器以及相位調(diào)制器。與光纖薩格納克干涉儀同義的是例如光纖環(huán)干涉儀結(jié)構(gòu)。這 里，光源有利地能夠發(fā)射可調(diào)節(jié)波長的光。如上面已經(jīng)指出的并且如下文將詳述的，必須檢 測到小的相移。通常，由于所謂的高亮度發(fā)光二極管（SLD)具有比激光光源更寬的光學(xué)帶寬 并且從而具有更短的相干長度，所以將SLD用作為光源。更短的相干長度(通常25μπι)的 優(yōu)點是所使用的信號與例如在反射點或散射點處生成的其他光信號之間的非相干性。
[0011] 偏振器被配置成對光源的光進行偏振。光纖線圈與上述光導(dǎo)線圈中的一個光導(dǎo)線 圈對應(yīng)，并且基本上由纏繞到線圈的光纖形成。光纖例如可以是微結(jié)構(gòu)光纖或微結(jié)構(gòu)光纖 的組合，以使得光纖完全地或僅部分地由光導(dǎo)材料形成。光電檢測器裝置被配置成將入射 光轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先包括關(guān)于光強度的信息，如果需要，可以根據(jù)光強度推導(dǎo)關(guān) 于波長、干涉或干涉信號或者相移的信息。相位調(diào)制器例如被布置在MI0C中即在光纖線圈 之前并且被配置成調(diào)制光束的相位。
[0012] 來自光源的、由偏振器偏振的并且通過分束生成的兩個光束可以以彼此相反的方 向注入光纖線圈并且隨后可以復(fù)合。在這個過程中，可以使用利用反射鏡或半反射鏡的布 置，以使得從光源發(fā)射的光束變得分離并且因此存在來自光源的兩個光束，這兩個光束以 彼此相反的方向依次注入光纖線圈。然而，通常用集成光學(xué)部件來實現(xiàn)整個組合并且這里 特別是分束和復(fù)合以及相位調(diào)制。來自光源的兩個光束可以借助于布置在光纖線圈中的相 位調(diào)制器來調(diào)制。通過使用相位調(diào)制器，從而可以改變一個光束或兩個光束的相位，這對應(yīng) 于兩個光束相對于彼此的相移。
[0013] 光電檢測器裝置可以暴露于通過光束的復(fù)合而生成的干涉信號，并且因此可以由 光電檢測器裝置來傳送與干涉信號的光強度對應(yīng)的信號。該信號可以饋送到帶有下游連接 的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的放大器。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出信號可以在評估電路中處理。
[0014] 借助于評估電路的主控制回路,可以產(chǎn)生數(shù)字相位復(fù)位信號并且可以將數(shù)字相位 復(fù)位信號傳送到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生要被饋送到相位調(diào)制器的復(fù)位信號。這里，控制 回路具有帶有為MI0C所特有的傳遞函數(shù)的多功能集成光學(xué)芯片（MI0C)，因此該傳遞函數(shù) 將被稱為MI0C傳遞函數(shù)。上面已經(jīng)描述了這種多功能集成光學(xué)芯片，并且也同樣描述了已 知的其用于控制相位調(diào)制的功能。通常將MI0C設(shè)置為具有一個光學(xué)輸入端和兩個光學(xué)輸 出端的自給元件。因此，光束的分束以及所產(chǎn)生的束的復(fù)合設(shè)置在MI0C內(nèi)。
[0015] 至少在這兩部分束的一部分束上，例如可以借助于電極來影響相位調(diào)制，執(zhí)行對 關(guān)于其中所引導(dǎo)的光的調(diào)制。在這個過程中，借助于電極而施加的電場可以影響用于引導(dǎo) 光的有效折射率或能力。因此，相位調(diào)制器實質(zhì)上是MI0C的組成部分，或者換言之，由MI0C 來實現(xiàn)相位調(diào)制器。因此，MI0C表示光纖陀螺儀的必要組成部分，并且因此表示整個光纖薩 格納克干涉儀的必要組成部分。在這個過程中，自由的電荷載流子影響MI0C的傳遞函數(shù)， 以使得發(fā)生高通特性并且因此還以較高的調(diào)制頻率生成較高的相位偏移。該特性導(dǎo)致如上 已經(jīng)所述的特殊形式的鎖定效應(yīng)。
[0016] 如所描述的那樣，可以在光纖線圈中由MI0C中的相位調(diào)制器來生成兩個光束相 對于彼此的相移。通常，期望的是，相位調(diào)制器調(diào)節(jié)兩個光束的相移，以使得工作點總是位 于余弦形干涉儀特征上的最大強度的一半處并且因此位于該特征的最大梯度的點處。為 了總是針對干涉儀的旋轉(zhuǎn)運動來調(diào)節(jié)對應(yīng)的相移，生成了要被饋送到相位調(diào)制器的復(fù)位信 號。同時該復(fù)位信號還指示旋轉(zhuǎn)運動的程度，并且該復(fù)位信號基于饋送到帶有下游連接的 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的放大器的光電檢測器單元的信號而依次生成。
[0017] 為了更好的總體上理解，將以不同的方式將對上述技術(shù)再次說明如下。光纖線圈 內(nèi)的所有光束或光信號在模擬域中存在。在數(shù)字域中在評估電路中進行對例如調(diào)制信號以 及光電檢測器裝置的信號或者甚至主控制回路的信號的操縱。為了獲取對相位調(diào)制必要的 復(fù)位信號，在評估電路中生成調(diào)制信號。該調(diào)制信號在由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換之后作為 復(fù)位信號來控制相位調(diào)制器并且因此簡化表示為"陀螺儀"。簡化表示的復(fù)位信號還以模擬 的形式作為數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的輸出信號來通過干涉儀設(shè)備或陀螺儀路徑的模擬域，并且 然后之后作為與兩個光束的組合的所接收的光強度成比例的信號到達解調(diào)器的輸入端。
[0018] 在旋轉(zhuǎn)速率傳感器中的本發(fā)明的光纖薩格納克干涉儀中，數(shù)字濾波器連接到多功 能集成光學(xué)芯片的上游，數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)基本上與MI0C的傳遞函數(shù)的逆對應(yīng)，以使 得可以由濾波器傳遞函數(shù)來補償MI0C傳遞函數(shù)。為此，例如，可以測量或者可以通過使用 仿真或經(jīng)驗值來確定或者可以在精確知道MI0C傳遞函數(shù)的情況下來計算其中反映了上述 頻率或溫度依賴性的特征MI0C傳遞函數(shù)。因此，在所有情況下，基本上的逆MI0C傳遞函數(shù) 可以用作為數(shù)字濾波器的濾波器傳遞函數(shù)。由于在各個仿真或測量中可能總是出現(xiàn)小的 偏差或不精確，所以這里稱為在任何情況下基本上的逆MI0C傳遞函數(shù)。然而，在理想的情 況下，應(yīng)該計算實際上的逆MI0C傳遞函數(shù)來作為濾波器傳遞函數(shù)。例如，由H*(z)來確定 MI0C傳遞函數(shù)，其中T表示采樣時間，并且
[0019] z=eJ"T
[0020] 保持，濾波器傳遞函數(shù)是
[0021] H(z) = 1/H*(z).
[0022] 這里，可以由ω建立Z變換中的角頻率的關(guān)系。
[0023] 由于MI0C涉及光纖陀螺儀的模擬調(diào)制，所以MI0C的頻率響應(yīng)影響模擬域。連接 到MI0C的上游的數(shù)字濾波器，如已經(jīng)由其名稱表明的那樣，布置在數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器前邊， 并且主要對數(shù)字域起作用。由于這里集成了與MI0C傳遞函數(shù)相逆的濾波器傳遞函數(shù)，所以 數(shù)字濾波器影響了數(shù)字域的信號處理。因此，在數(shù)字域中由數(shù)字濾波器將模擬域中的MI0C 傳遞函數(shù)的逆映射集成到信號處理中。更精確地，基于數(shù)字濾波器的輸出信號來生成要被 饋送到相位調(diào)制器的復(fù)位信號和調(diào)制信號。這補償了在MI0C傳遞函數(shù)中分別反映的MI0C 的頻率或溫度依賴性。
[0024] 在實際中，通?？梢杂上薅▽斎胄盘柣蜉敵龊瘮?shù)的相應(yīng)頻率響應(yīng)的相應(yīng)系數(shù)來 描述濾波器傳遞函數(shù)。根據(jù)另一實施方式的光纖薩格納克干涉儀包括用于調(diào)節(jié)濾波器傳遞 函數(shù)的系數(shù)的調(diào)節(jié)單元，以及將系數(shù)提供給調(diào)節(jié)單元的系數(shù)計算單元。例如，可以由函數(shù) Η*(ζ，％，&1)來描述單純的傳遞函數(shù)，并且單純的傳遞函數(shù)可以包括系數(shù)aQ和系數(shù)叫，其中， 保持
[0025] z = eJwT.
[0026] 因此，由此得到逆濾波器傳遞函數(shù)
[0027] H(z, a0, a) = 1/H*(z, a0, a),
[0028] 其中，保持
[0029] H(z, a0, a) · H*(z, a0, a) = 1·
[0030] 在實際中，例如，可以以良好的近似來描述H*(z)如下：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有光纖薩格納克干涉儀（1)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其中，所述光纖薩格納克干 涉儀（1)包括光源（2)、偏振器、光纖線圈（4)、光電檢測器裝置（5)、帶有下游連接的模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7)的放大器（6)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（8)、評估電路（9)以及相位調(diào)制器（10)， 并且其中， 來自所述光源（2)的、由所述偏振器偏振的并且通過分束生成的兩個光束能夠以彼此 相反的方向注入所述光纖線圈（4)并且隨后能夠復(fù)合，并且其中，所述兩個光束能夠由布置 在所述光纖線圈（4)中的所述相位調(diào)制器（10)調(diào)制， 并且其中，所述光電檢測器裝置（5 )能夠暴露于通過所述光束的復(fù)合而生成的干涉信 號，其中，能夠由所述光電檢測器裝置（5)來傳送與所述干涉信號的光強度對應(yīng)的信號，所 述信號要被饋送到帶有下游連接的所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7 )的所述放大器（6 )，所述模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7)的輸出信號能夠由所述評估電路（9)處理，并且其中， 借助于所述評估電路（9)的主控制回路，能夠產(chǎn)生數(shù)字相位復(fù)位信號并且能夠?qū)⑺?數(shù)字相位復(fù)位信號傳送到所述數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（8)以產(chǎn)生要被饋送到所述相位調(diào)制器 (10) 的復(fù)位信號，其中，所述主控制回路包括具有MIOC傳遞函數(shù)的多功能集成光學(xué)芯片 (11) ， 其特征在于，在所述多功能集成光學(xué)芯片（11)的上游連接有數(shù)字濾波器（53)，所述數(shù) 字濾波器（53)的濾波器傳遞函數(shù)基本上對應(yīng)于逆MIOC傳遞函數(shù)以使得能夠由所述濾波器 傳遞函數(shù)來補償所述MIOC傳遞函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述光纖薩格納克干涉儀（1) 還包括： 用于調(diào)節(jié)所述濾波器傳遞函數(shù)的系數(shù)的調(diào)節(jié)單元，以及 用于將所述系數(shù)提供給所述調(diào)節(jié)單元的系數(shù)計算單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述系數(shù)能夠由所述系數(shù)計 算單元基于所述多功能集成光學(xué)芯片的輸出信號來計算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述濾波器傳遞函數(shù)的所述 系數(shù)在所述系數(shù)計算單元中作為預(yù)定值存在。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述濾波器傳遞函數(shù)的所述 系數(shù)能夠借助于所述系數(shù)計算單元基于所述多功能集成光學(xué)芯片（11)的MIOC系數(shù)來計 算。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述濾波器傳遞函數(shù)的所述 系數(shù)能夠借助于所述系數(shù)計算單元基于解調(diào)信號來計算，所述解調(diào)信號用作為主控制器的 輸入并且所述主控制器根據(jù)所述解調(diào)信號來計算所述復(fù)位信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，借助于所述系數(shù)計算單元， 第一相位調(diào)制信號能夠根據(jù)所述相位復(fù)位信號而產(chǎn)生，其中，所述數(shù)字濾波器（53)和 所述多功能集成光學(xué)芯片（11)對所述相位復(fù)位信號沒有影響， 第二相位調(diào)制信號能夠根據(jù)所述相位復(fù)位信號而產(chǎn)生，其中，所述數(shù)字濾波器（53)和 所述多功能集成光學(xué)芯片（11)對所述相位復(fù)位信號有影響， 相位調(diào)制誤差信號能夠被計算作為所述第一相位調(diào)制信號與所述第二相位調(diào)制信號 之間的差，并且 所述濾波器傳遞函數(shù)的所述系數(shù)能夠基于所述相位調(diào)制誤差信號來計算。
8. -種用于控制具有光纖薩格納克干涉儀（1)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的方法，其中，所述 光纖薩格納克干涉儀（1)包括光源（2)、偏振器、光纖線圈（4)、光電檢測器裝置（5)、帶有下 游連接的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7)的放大器（6)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（8)、評估電路（9)以及相 位調(diào)制器（10)，并且其中， 將來自所述光源（2)的、由所述偏振器偏振的并且通過分束生成的兩個光束以彼此相 反的方向注入所述光纖線圈（4)并且隨后進行復(fù)合， 并且其中，在所述光束通過所述偏振器之后，將所述光電檢測器裝置（5 )暴露于通過復(fù) 合所述光束而生成的干涉信號，其中，由所述光電檢測器裝置（5 )傳送與所述干涉信號的光 強度對應(yīng)的信號，所述信號要被饋送到帶有下游連接的所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7)的所述 放大器（6)，在所述評估電路（9)中處理所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（7)的輸出信號，并且其中， 借助于所述評估電路（9)的主控制回路，產(chǎn)生數(shù)字相位復(fù)位信號并且將所述數(shù)字相位 復(fù)位信號提供給所述數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（8)以用于產(chǎn)生要被饋送到所述相位調(diào)制器（10) 的復(fù)位信號，其中，在具有MIOC傳遞函數(shù)的多功能集成光學(xué)芯片（11)內(nèi)實現(xiàn)所述相位調(diào)制 器， 其特征在于下述步驟： 在所述多功能集成光學(xué)芯片（11)的上游連接數(shù)字濾波器（53)，其中，所述數(shù)字濾波器 (53)的濾波器傳遞函數(shù)基本上對應(yīng)于逆MIOC傳遞函數(shù)；并且 由所述數(shù)字濾波器（53)的所述濾波器傳遞函數(shù)來補償所述MIOC傳遞函數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于下述步驟： 去活或避開所述數(shù)字濾波器（53)和所述多功能集成光學(xué)芯片（11)并且基于所述相位 復(fù)位信號來生成第一相位調(diào)制信號， 激活或包含所述數(shù)字濾波器（53)和所述多功能集成光學(xué)芯片（11)并且基于所述相位 復(fù)位信號來生成第二相位調(diào)制信號， 計算相位調(diào)制誤差信號作為所述第一相位調(diào)制信號與所述第二相位調(diào)制信號之間的 差， 基于所述相位調(diào)制誤差信號來確定所述數(shù)字濾波器（53)的所述濾波器傳遞函數(shù)的系 數(shù)，以及 調(diào)節(jié)所確定的所述濾波器傳遞函數(shù)的系數(shù)。
【文檔編號】G01P3/36GK104049099SQ201410090483
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】京特·斯帕林格爾, 奧拉夫·德普-賴博爾特 申請人:諾思羅普·格魯曼·利特夫有限責(zé)任公司