四軸光纖陀螺儀及其尋北方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航及其相關(guān)領(lǐng)域，尤其涉及一種四軸光纖陀螺儀及其尋北方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺尋北儀是一種測量北向方位角的的快速定向裝置，具有精度高、壽命長、 結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，廣泛用于戰(zhàn)車或武器的初始方位瞄準(zhǔn)。
[0003] 光纖陀螺尋北儀中使用的光纖陀螺，是一種敏感角速率的傳感器，其原理是基于 光學(xué)Sagnac效應(yīng)的光纖干涉儀。傳統(tǒng)光纖陀螺儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi) 部的環(huán)形干涉光路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)角速率的Sagnac相移，Sagnac相移和系統(tǒng)旋 轉(zhuǎn)速率的關(guān)系如下：
[0004]
(1)
[0005] 式中ω為光波的角頻率，c為光速，A、行表不的分別是閉合光路的面積矢量和旋 轉(zhuǎn)速率矢量的標(biāo)量積，黑點(diǎn)?為標(biāo)量積符號。
[0006] 在光纖陀螺尋北儀中，光纖陀螺的敏感軸在水平面內(nèi)，且與載體縱軸方向一致，通 過敏感地球自轉(zhuǎn)角速率在地理坐標(biāo)系中的水平分量，便可以解算出載體縱軸向與真北的夾 角或直接確定北向所在的方位。
[0007] 地球自轉(zhuǎn)角速度矢量ω e( ω e= 15.04° /h)是地球坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角 速度。在地球上任一點(diǎn)煒度，光纖陀螺的實(shí)際輸出表達(dá)式為：
[0008] ω =k ω ecos Φ cosH+ ω 〇 (2)
[0009] 式（1)中，k為光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)，Φ為測量地點(diǎn)所在的地球煒度，ω〇為陀螺漂移， Η為偏北角，即光纖陀螺敏感軸正向與真北方向的夾角。
[0010]在尋北儀設(shè)計(jì)參數(shù)中，尋北時(shí)間和尋北精度是很重要的參數(shù)，要求尋北儀啟動(dòng)后 能夠在最短的時(shí)間內(nèi)輸出準(zhǔn)確的北向方位角。在現(xiàn)有的四位置尋北方案中，需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 帶動(dòng)光纖陀螺，依次在間隔90°的四個(gè)位置完成信號采集后，求解北向方位角，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的 轉(zhuǎn)位過程需要消耗時(shí)間，從而降低了尋北儀的尋北效率;另外，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位誤差也會(huì)引 入到尋北結(jié)果中，從而降低了尋北結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這種方案中，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位過程是制 約尋北時(shí)間和尋北精度的重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對四位置尋北方案中轉(zhuǎn)位過程所帶來的問題，本發(fā)明提供一種四軸光纖陀螺儀 及其尋北方法，實(shí)現(xiàn)了在間隔90°的四個(gè)軸向同時(shí)完成信號采集，進(jìn)而直接解算北向方位角 的工作方式，采用本發(fā)明的尋北儀不再需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，可以有效降低尋北時(shí)間，提高尋北精 度。
[0012]為了達(dá)到上述目的，本法所采用的技術(shù)方案如下：一種四軸光纖陀螺儀，包括光 源、1 X 4光纖親合器、第一2 X 2光纖親合器、第二2 X 2光纖親合器、第三2 X 2光纖親合器、第 四2X2光纖耦合器、第一 Y波導(dǎo)調(diào)制器、第二Y波導(dǎo)調(diào)制器、第三Y波導(dǎo)調(diào)制器、第四Y波導(dǎo)調(diào) 制器、第一光纖環(huán)、第二光纖環(huán)、第三光纖環(huán)、第四光纖環(huán)、第一探測器、第二探測器、第三探 測器、第四探測器、第一減法器、第二減法器、信號處理模塊；
[0013] 其中，所述第一光纖環(huán)的敏感軸、第二光纖環(huán)的敏感軸、第三光纖環(huán)的敏感軸、第 四光纖環(huán)的敏感軸均在XY水平面內(nèi)且各敏感軸方向朝外呈放射狀圓周均勻分布；
[0014] 所述光源的輸出端口接1 X4耦合器的輸入端口； 1 X4耦合器的四個(gè)輸出端口分別 接第一2 X 2親合器的第一輸入端口、第二2 X 2親合器的第一輸入端口、第三2 X 2親合器的 第一輸入端口、第四2 X 2親合器的第一輸入端口；第一2 X 2親合器的第二輸入端口接第一 探測器的輸入端口；第二2 X 2耦合器的第二輸入端口接第二探測器輸入端口；第三2 X 2耦 合器的第二輸入端口接第三探測器的輸入端口；第四2X2耦合器的第二輸入端口接第四探 測器的輸入端口；第一2X2親合器的第一輸出端口接第一Y波導(dǎo)調(diào)制器的輸入端口，第一2 X2耦合器的第二輸出端口處于自由狀態(tài);第二2X2耦合器的第一輸出端口接第二Y波導(dǎo)調(diào) 制器的輸入端口，第二2 X 2耦合器的第二輸出端口處于自由狀態(tài);第三2 X 2耦合器的第一 輸出端口接第三Y波導(dǎo)調(diào)制器的輸入端口，第三2X2耦合器的第二輸出端口處于自由狀態(tài)； 第四2X2耦合器的第一輸出端口接第四Y波導(dǎo)調(diào)制器的輸入端口，第四2X2耦合器的第二 輸出端口處于自由狀態(tài);第一調(diào)制器的第一輸出端口接第一光纖環(huán)的第一輸入端口，第一 調(diào)制器的第二輸出端口接第一光纖環(huán)的第二輸入端口；第二調(diào)制器的第一輸出端口接第二 光纖環(huán)的第一輸入端口，第二調(diào)制器的第二輸出端口接第二光纖環(huán)的第二輸入端口；第三 調(diào)制器的第一輸出端口接第三光纖環(huán)的第一輸入端口，第三調(diào)制器的第二輸出端口接第三 光纖環(huán)的第二輸入端口；第四調(diào)制器的第一輸出端口接第四光纖環(huán)的第一輸入端口，第四 調(diào)制器的第二輸出端口接第四光纖環(huán)的第二輸入端口；第一探測器的輸出端口接第一減法 器的第一輸入端口，第三探測器的輸出端口接第一減法器的第二輸入端口；第二探測器的 輸出端口接第二減法器的第一輸入端口，第四探測器的輸出端口接第二減法器的第二輸入 端口；第一減法器的數(shù)字輸出端口與信號處理模塊的第一輸入端口相連，第二減法器的數(shù) 字輸出端口與信號處理模塊的第二輸入端口相連。
[0015] -種如權(quán)利要求1所述的四軸光纖陀螺儀的尋北方法，具體方法如下：
[0016] 光源發(fā)出的光，經(jīng)過1X4光纖耦合器被分成等狀態(tài)的四路，每一路均由2X2光纖 耦合器、Y波導(dǎo)調(diào)制器、光纖環(huán)、探測器構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的Sagnac干涉系統(tǒng)，即第一干涉系統(tǒng)由 第一 2X2光纖耦合器、第一 Y波導(dǎo)調(diào)制器、第一光纖環(huán)、第一探測器組成，第二干涉系統(tǒng)由第 二2X2光纖耦合器、第二Y波導(dǎo)調(diào)制器、第二光纖環(huán)、第二探測器組成，第三干涉系統(tǒng)由第三 2X2光纖耦合器、第三Y波導(dǎo)調(diào)制器、第三光纖環(huán)、第三探測器組成，第四干涉系統(tǒng)由第四2 X2光纖耦合器、第四Y波導(dǎo)調(diào)制器、第四光纖環(huán)、第四探測器組成；則四路Sagnac干涉系統(tǒng) 的輸出可以分別表不為：
[0017] ω i = k ω ecos Φ cosH+ω 〇1 (1)
[0018] ω 2 = k ω ecos Φ cos(H+90° )+ ω 〇2 (2)
[0019] ω 3 = k ω ecos Φ cos(H+180。）+ω 〇3 (3)
[0020] ω 4=k ω ecos Φ cos(H+270。)+ω 〇4 (4)
[0021]式（1) - (4)中，ω :為第一干涉系統(tǒng)輸出量，ω 2為第二干涉系統(tǒng)輸出量，ω 3為第三 干涉系統(tǒng)輸出量，ω4為第四干涉系統(tǒng)輸出量，k為光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)，是地球坐標(biāo)系相對 慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Φ為測量地點(diǎn)所在的地球煒度，Η為偏北角，coQ1、ω〇2、ω〇 3、ω04 分別為每路Sagnac干涉系統(tǒng)所對應(yīng)的陀螺漂移，因?yàn)樵?路Sagnac干涉系統(tǒng)中，選用的器件 性能幾乎相同，且光路系統(tǒng)是完全對稱的，所以認(rèn)為：
[0022] ω 〇1= ω 〇2= ω 〇3= ω 〇4 (5)
[0023] 第一干涉系統(tǒng)、第三干涉系統(tǒng)的輸出端接入第一減法器，第二干涉系統(tǒng)、第四干涉 系統(tǒng)的輸出端接入第二減法器，得到的兩個(gè)減法器輸出結(jié)果如下式：
[0024] ω 1- ω 3 = 2k ω ecos Φ cosH (6)
[0025] ω 2_ω4 = 2kω ecos Φ cosH (7)
[0026] 將兩個(gè)減法器的輸出結(jié)果送入信號處理模塊，信號處理模塊采集信號并濾波后， 可以通過下式解算出偏北角H:
[0027]
" ~ 〇
[0028] 本發(fā)明的有益效果是:首次提出一種用于尋北應(yīng)用的四軸光纖陀螺，通過水平軸 向的四個(gè)互成90°的光纖環(huán)同時(shí)敏感四個(gè)軸向的地球自轉(zhuǎn)角速度分量，經(jīng)過信號處理模塊 解算后直接輸出北向信息，省卻了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。避免了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)帶來的轉(zhuǎn)位時(shí)間和轉(zhuǎn)位誤差， 縮減了尋北時(shí)間，提高了尋北精度。
【附圖說明】
[0029] 圖1是傳統(tǒng)光纖陀螺的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明的四軸光纖陀螺儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明的四軸光纖陀螺儀的光纖環(huán)安裝軸向示意圖；
[0032]圖中，光源1、1 X 4光纖耦合器2、第一2 X 2光纖耦合器3、第二2 X 2光纖耦合器4、第 三2 X 2光纖耦合器5、第四2 X 2光纖耦合器6、第一Y波導(dǎo)調(diào)制器7、第二Y波導(dǎo)調(diào)制器8、第三Y 波導(dǎo)調(diào)制器9、第四Y波導(dǎo)調(diào)制器10、第一光纖環(huán)11、第二光纖環(huán)12、第三光纖環(huán)13、第四光纖 環(huán)14、第一探測器15、第二探測器16、第三探測器17、第四探測器18、第一減法器19、第二減 法器20、信號處理模塊21。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
[0034] 圖1所示，是傳統(tǒng)光纖陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，光源發(fā)出的光，經(jīng)過2X2耦合器之后，經(jīng)過 Y波導(dǎo)調(diào)制器，在光纖環(huán)中形成順時(shí)針、逆時(shí)針兩束相向的光，兩束光的干涉光強(qiáng)被探測器 采集后發(fā)送給信號處理模塊，信號處理模塊的輸出結(jié)果正比于光纖陀螺旋轉(zhuǎn)的角速率。 [0035] 如圖2所不，本發(fā)明包括光源1、1 X4光纖親合器2、第一2 X 2光纖親合器3、第二2 X 2光纖親合器4、第三2 X 2光纖親合器5、第四2 X 2光纖親合器6、第一Y波導(dǎo)調(diào)制器7、第二Y波 導(dǎo)調(diào)制器8、第三Y波導(dǎo)調(diào)制器9、第四Y波導(dǎo)調(diào)制器10、第一光纖環(huán)11、第二光纖環(huán)12、第三光 纖環(huán)13、第四光纖環(huán)14、第一探測器15、第二探測器16、第三探測器17、第四探測器18、第一 減法器19、第二減法器20、信號處理模塊21;
[0036]其中，該光纖陀螺有四個(gè)光纖環(huán)，分別為第一光纖環(huán)11、第二光纖環(huán)12、第三光纖 環(huán)13、第四光纖環(huán)14,本發(fā)明所述的用于尋北應(yīng)用的四軸光纖陀螺儀，對四個(gè)光纖環(huán)的結(jié)構(gòu) 安裝位置有特殊的要求，如圖3，在X軸、Y軸、Z軸標(biāo)度的空間中，X軸、Y軸為水平方向，Z軸為 法線方向，第一光纖環(huán)11的敏感軸、第二光纖環(huán)12的敏感軸、第三光纖環(huán)13的敏感軸、第四 光纖環(huán)14的敏感軸均在XY所標(biāo)示的同一水平面內(nèi)且呈圓周均勻分布，第一光纖環(huán)11的敏感 軸的軸向?yàn)閅軸負(fù)向，第二光纖環(huán)12的敏感軸的軸向?yàn)閄軸正向，第三光纖環(huán)13的敏感軸的 軸向?yàn)閅軸正向，第四光纖環(huán)14的敏感軸的軸向?yàn)閄軸負(fù)向，四個(gè)光纖環(huán)軸線與水平面平行 且相鄰兩個(gè)互成90°夾角，呈放射狀圓周均勻分布；四個(gè)光纖環(huán)軸線均與法線軸Z軸垂直且 互成90度。
[0037]所述光源1的輸出端口接1X4耦合器2的輸入端口； 1X4耦合器2的四個(gè)輸出端口 分別接第一2X2親合器3的第一輸入端口、第二2