專利名稱：非機(jī)械陀螺行波環(huán)形諧振腔拍頻檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陀螺技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于行波環(huán)形諧振腔的(光纖)陀螺的拍頻來(lái)檢測(cè)慣性系統(tǒng)角速度的方法。
光纖陀螺儀自1976年美國(guó)猶他州立大學(xué)首先研制出試驗(yàn)裝置，隨后，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)都投入了很大的人力、物力和精力研究這一有發(fā)展前途的新型光纖旋轉(zhuǎn)速率傳感器。隨著光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了慣性器件的突破性進(jìn)展。在國(guó)外，1°/h～0.01°/h的工程樣機(jī)已用于飛行器慣性測(cè)量組合裝置。美國(guó)利頓公司已將0.1°h的光纖陀螺儀用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)。新型導(dǎo)航系統(tǒng)FNA2012采用了1°/h的光纖陀螺儀和衛(wèi)星導(dǎo)航GPS，美國(guó)國(guó)防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達(dá)到0.01°/h；2001年達(dá)到0.001°/h；2006年達(dá)到0.0001°/h，有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢(shì)。光纖陀螺儀作為繼激光陀螺儀之后出現(xiàn)的新一代陀螺，各國(guó)的研制工作已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。光纖陀螺儀的研制對(duì)慣性導(dǎo)航和控制領(lǐng)域十分重要，隨著計(jì)算機(jī)、微電子和光纖和光電子等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，它將取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)、沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)啟動(dòng)/結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。光纖陀螺儀按原理上分類，可以分為干涉儀式、諧振腔式和光纖型環(huán)型激光陀螺儀。干涉儀式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為消偏型、全光纖型和集成光學(xué)型。諧振腔式光纖陀螺儀按照光路的組成又可以分為全光纖型和集成光學(xué)型。目前采用的光纖型環(huán)形激光陀螺儀是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)利用Sagnac效應(yīng)檢測(cè)諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。由于無(wú)需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)檢測(cè)技術(shù)，國(guó)際上倍受重視。由于慣導(dǎo)級(jí)干涉儀式光纖陀螺儀的難點(diǎn)是必須采用1km長(zhǎng)度的保偏光纖，如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案，則長(zhǎng)度可減為10m左右的光纖，從而可以實(shí)現(xiàn)光纖陀螺儀的小型化，其難點(diǎn)在于控制電路比干涉儀式光纖陀螺復(fù)雜。隨著ASIC技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)有可能得到滿意的解決，使諧振腔式光纖陀螺成為產(chǎn)品。而采用干涉儀式和諧振腔式混合方案的光纖陀螺儀具有良好的發(fā)展前景。
本發(fā)明是利用環(huán)形行波諧振腔測(cè)量非機(jī)械光學(xué)陀螺的拍頻進(jìn)而檢測(cè)慣性系統(tǒng)角速度的方法。將描述的行波環(huán)形諧振腔擱置在以某角速度旋轉(zhuǎn)的慣性系統(tǒng)內(nèi)，光波信號(hào)由2×2波導(dǎo)耦合器饋入該行波環(huán)形諧振腔中，使順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上都有光波場(chǎng)傳播，受Sagnac效應(yīng)的作用，在兩個(gè)相向方向上傳播的光波在光纖環(huán)上受到類似法布里-珀羅諧振腔的作用在系統(tǒng)穩(wěn)定后各自剩下滿足相位條件即諧振頻率的光波。用波導(dǎo)耦合器直接從行波環(huán)形諧振腔上耦合出沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向相向傳播的光信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的頻率分別對(duì)應(yīng)滿足由Sagnac效應(yīng)引起的法-珀腔長(zhǎng)相位條件的諧振頻率；利用波導(dǎo)合波裝置將這兩個(gè)不同頻率的諧振光波信號(hào)疊加。由于在行波環(huán)形諧振腔上引入了波導(dǎo)耦合器，使得取出的光波信號(hào)既包含橫電模又包含橫磁模，即橢圓光，從而經(jīng)疊加后能得到拍頻信號(hào)，并通過(guò)低通濾波取出拍頻信號(hào)。該拍頻信號(hào)的頻率值及其變化對(duì)應(yīng)被檢測(cè)慣性系統(tǒng)的角速度及其變化。
所述的行波環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)可以是由分立元件構(gòu)成，也可以在任意尺度下的集成可得。行波環(huán)形諧振腔可以是任意封閉形狀的環(huán)，構(gòu)成該環(huán)型腔結(jié)構(gòu)的可以是任意種類的波導(dǎo)，包括偏振、單偏以及保偏的光纖。
所述從行波環(huán)形諧振腔上耦合出沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向相向傳播的光信號(hào)的耦合器為一個(gè)2×2波導(dǎo)耦合器或者兩個(gè)1×2定向波導(dǎo)耦合器。
所述光源饋入環(huán)形腔的方法可以稱為雙輸入無(wú)吸收對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，采用兩個(gè)輸入端1和10將信號(hào)通過(guò)2×2波導(dǎo)耦合器2饋入行波環(huán)型諧振腔，兩個(gè)端口輸入的信號(hào)分別有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔，另一部分由耦合器進(jìn)入另一輸入端形成閉合光回路。
這種方案包括兩種耦合拍頻光場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。在圖1(a)中，具有某一頻譜寬度的光源由輸入端1饋入，在耦合器2處一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)入由光纖波導(dǎo)構(gòu)成的Sagnac行波環(huán)形諧振腔3，另一部分由耦合器2到進(jìn)入另一輸入端10形成閉合光回路。被耦合進(jìn)入Sagnac環(huán)形腔中的場(chǎng)在滿足諧振條件即相位匹配條件(即處于諧振狀態(tài)的波場(chǎng)是某一頻率的波場(chǎng)沿Sagnac環(huán)形腔傳輸一周后所經(jīng)歷的波程為該頻率的波場(chǎng)波長(zhǎng)的整倍數(shù))并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，環(huán)形腔中的某一頻率的場(chǎng)將達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，即處于諧振狀態(tài)，而其余頻率的場(chǎng)則由于相位不滿足匹配而被衰耗，這個(gè)環(huán)形腔就稱為行波環(huán)形諧振腔。與此相對(duì)應(yīng)，從進(jìn)入Sagnac環(huán)型腔的(光)的另一輸入端10輸入的波場(chǎng)也有一部分被耦合進(jìn)Sagnac環(huán)形腔中，由于Sagnac效應(yīng)，同樣有另一頻率的波場(chǎng)處于諧振狀態(tài)；處于諧振狀態(tài)的波場(chǎng)同時(shí)還有一部分要在耦合器2處耦合出去。因此，在諧振腔中被激勵(lì)出順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向上的兩個(gè)諧振狀態(tài)。當(dāng)該諧振腔的兩個(gè)相向方向上傳輸?shù)牟▓?chǎng)經(jīng)歷的波程是可互易時(shí)，這兩個(gè)諧振狀態(tài)是簡(jiǎn)并的，諧振頻率相同。當(dāng)Sagnac環(huán)形腔中兩個(gè)方向上的波程非互易時(shí)，這兩個(gè)諧振狀態(tài)將發(fā)生分裂，得到兩個(gè)諧振頻率?，F(xiàn)有非機(jī)械的諧振型光纖陀螺的檢測(cè)諧振頻率的方案一般是檢測(cè)兩個(gè)方向因諧振產(chǎn)生的陷波頻率值(即諧振頻率)的差異來(lái)測(cè)量慣性系統(tǒng)的角速度。在如圖1(a)中，本發(fā)明的方法采用1×2光纖波導(dǎo)耦合器5和12分別將部分順時(shí)針方向的諧振波場(chǎng)(諧振光)11和逆時(shí)針方向的諧振波場(chǎng)(諧振光)4耦合進(jìn)光纖波導(dǎo)6和8，它們?cè)诤喜ㄑb置——光纖波導(dǎo)合波器7處疊加。由于耦合器2、5和12的引入，實(shí)際進(jìn)入光纖波導(dǎo)6和8中的光波在不連續(xù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸將激發(fā)出橫電模和橫磁模，使得在合波裝置7處合波后肯定能得到拍頻。經(jīng)合波裝置7輸出的波場(chǎng)通過(guò)在拍頻測(cè)量與角速度顯示模塊9進(jìn)行探測(cè)(如光電轉(zhuǎn)換)、低通濾波、瞬時(shí)頻率測(cè)量，得到拍頻頻率值。當(dāng)諧振腔的兩個(gè)相向方向上傳輸?shù)牟▓?chǎng)經(jīng)歷的波程是可互易時(shí)，兩個(gè)諧振狀態(tài)是簡(jiǎn)并的，即無(wú)Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生，慣性系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，拍頻值為零；當(dāng)諧振腔的兩個(gè)相向方向上傳輸?shù)牟▓?chǎng)經(jīng)歷的波程是非互易時(shí)，兩個(gè)諧振狀態(tài)是分裂的，得到的拍頻就是由Sagnac效應(yīng)引起的非互易性產(chǎn)生的頻率差，并由此頻率可得到角速度值。因此，只要慣性系統(tǒng)處于非靜止?fàn)顟B(tài)，存在角轉(zhuǎn)動(dòng)就有拍頻產(chǎn)生，不僅不會(huì)存在閉鎖現(xiàn)象，其測(cè)量精度也將比現(xiàn)有的光學(xué)陀螺要高。
這種光源饋入結(jié)構(gòu)的另一種耦合拍頻的方案如圖1(b)所示，以2×2的光纖波導(dǎo)耦合器15代替圖1(a)中的1×2光纖波導(dǎo)耦合器5和12。且該2×2耦合器15在波導(dǎo)6和8上的輸出均為在順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向諧振波場(chǎng)功率的一小部分(如百分之十)，以保證Sagnac環(huán)形諧振腔中諧振波場(chǎng)處于平衡狀態(tài)。
所述的光源饋入環(huán)形腔的方法可以稱為單輸入的再入式結(jié)構(gòu)，如圖2，采用一個(gè)輸入端1將信號(hào)通過(guò)2×2波導(dǎo)耦合器2饋入行波環(huán)型諧振腔3，該端口輸入的信號(hào)有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔3，另一部分通過(guò)耦合器2進(jìn)入反射端14并被反射回輸入端1。這種方案也包括兩種拍頻耦合結(jié)構(gòu)，與圖1相比，除了信號(hào)饋入方式不同外，其余結(jié)構(gòu)相同，分別如圖2(a)和2(b)所示。
所述的光源饋入環(huán)形腔的方法可以稱為對(duì)稱雙輸入吸收結(jié)構(gòu)，如圖3，兩個(gè)輸入端1和10分別將信號(hào)通過(guò)2×2波導(dǎo)耦合器2和15饋入行波環(huán)型諧振腔3，各端口輸入的信號(hào)有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔3，另一部分分別通過(guò)耦合器2和15進(jìn)入吸收或隔離端16和17。這種方案也包括兩種拍頻耦合結(jié)構(gòu)，與圖1和2相比，除了信號(hào)饋入方式不同外，其余結(jié)構(gòu)相同，分別如圖3(a)和3(b)所示。
如圖4所示，在進(jìn)到7之前，波導(dǎo)6或者8可以經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振分束器13，以避免波導(dǎo)6和8過(guò)來(lái)的波場(chǎng)是正交波場(chǎng)(兩個(gè)完全正交的線偏振光)。但是，由上述分析可知，從波導(dǎo)耦合器輸出的波場(chǎng)同時(shí)有橫電模和橫磁模，進(jìn)到7的波場(chǎng)信號(hào)肯定能產(chǎn)生拍頻，該偏振分束器不是必須的，其有無(wú)并不影響拍頻的位置，但會(huì)影響其峰值。給出此圖的目的是為防止僅從幾何光學(xué)上解釋產(chǎn)生的歧義。
所述的測(cè)量方法采用的饋入信號(hào)源除光波信號(hào)外，還可以是紅外、微波信號(hào)或射頻信號(hào)等的信號(hào)源；相應(yīng)采用的行波環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)可以是環(huán)形波導(dǎo)或光纖、微波環(huán)形行波波導(dǎo)、紅外或射頻諧振腔。
本發(fā)明方法的主要特點(diǎn)是直接從行波環(huán)形諧振腔上耦合出兩個(gè)方向上的諧振波場(chǎng)，并同時(shí)利用了橫電模和橫磁模(偏振光)來(lái)檢測(cè)它們之間的拍頻來(lái)確定慣性系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，從而在原理和結(jié)構(gòu)上不僅有別于現(xiàn)有非機(jī)械的陀螺檢測(cè)兩個(gè)方向上因諧振產(chǎn)生陷波的諧振光纖陀螺，同時(shí)也有別于受激布里淵散射光纖陀螺。
現(xiàn)有非機(jī)械的光學(xué)陀螺尤其是光纖陀螺受到噪聲和偏振不確定性等的困擾，使得精度和小型化受到影響，并對(duì)工藝(如Y波導(dǎo)等)有較高的要求。本發(fā)明以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用波場(chǎng)耦合與行波諧振腔，在信號(hào)檢測(cè)方式和機(jī)理上有別于現(xiàn)有各種非機(jī)械的光學(xué)陀螺，不僅對(duì)組成環(huán)形諧振腔的光纖或波導(dǎo)的保偏特性沒有要求；在理論上本發(fā)明既有諧振陀螺的原理又有干涉式陀螺的特性，同時(shí)又克服了現(xiàn)有諧振式和干涉式的許多寄生效應(yīng)帶來(lái)的弊端，從而能使測(cè)量精度大大提高，并易于實(shí)現(xiàn)小型化。


圖1為采用雙輸入無(wú)吸收對(duì)稱結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置示意圖；圖2為采用再入式結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置示意圖；圖3為采用對(duì)稱雙輸入吸收結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置示意圖；其中，圖1(a)、圖2(a)、圖3(a)均為兩個(gè)1×2光纖波導(dǎo)耦合器耦合出諧振波場(chǎng)光信號(hào)，圖1(b)、2(b)、3(b)均為一個(gè)2×2光纖波導(dǎo)耦合器耦合出諧振波場(chǎng)光信號(hào)。
圖4為合波前加偏振分束裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為用光纖實(shí)現(xiàn)的一個(gè)檢測(cè)裝置示意圖。
圖中1、10-進(jìn)入Sagnac環(huán)型腔的(光)輸入端2、15、18-2×2波導(dǎo)(光纖)耦合器3-Sagnac行波環(huán)形諧振腔4-逆時(shí)針方向諧振波場(chǎng)(光)5、12-1×2波導(dǎo)(光纖)耦合器6、8-波導(dǎo)(光纖)線7-波導(dǎo)(光纖)合波裝置9-拍頻測(cè)量與角速度顯示模塊11-順時(shí)針方向諧振波場(chǎng)(光)13-偏振分束裝置14-反射端16、17-吸收或隔離端將如圖5中所示的裝置放置于某一慣性系統(tǒng)中，由光源LR發(fā)出的光，經(jīng)耦合器C1后分成兩束，并且通過(guò)2×2耦合器C2都將部分光波耦合進(jìn)光纖行波環(huán)形諧振腔R中，其余部分光各自與C1形成光回路。進(jìn)入諧振腔R中的光達(dá)到穩(wěn)定后，從耦合器C3出來(lái)的光僅有與Sagnac效應(yīng)有關(guān)的頻率成份。其中一路信號(hào)經(jīng)偏振分束后(也可省去此步)，在合波器C4處信號(hào)疊加。通過(guò)低通濾波電路BD，得到拍頻信號(hào)。該信號(hào)值通過(guò)S計(jì)算出角速度值并顯示或送到慣性系統(tǒng)的控制中心。
權(quán)利要求
1.非機(jī)械陀螺行波環(huán)形諧振腔拍頻檢測(cè)方法，其特征是將行波環(huán)形諧振腔擱置在以某角速度旋轉(zhuǎn)的慣性系統(tǒng)內(nèi)，光波信號(hào)由2×2波導(dǎo)耦合器饋入該行波環(huán)形諧振腔中，使順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上都有光波場(chǎng)傳播，用波導(dǎo)耦合器直接從行波環(huán)形諧振腔上耦合出沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向相向傳播的光信號(hào)，利用波導(dǎo)合波裝置將這兩個(gè)不同頻率的諧振光波信號(hào)疊加得到拍頻信號(hào)，并通過(guò)低通濾波取出拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)的頻率值及其變化對(duì)應(yīng)被檢測(cè)慣性系統(tǒng)的角速度及其變化。
2.如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于從行波環(huán)形諧振腔上耦合出光信號(hào)的耦合器為一個(gè)2×2波導(dǎo)耦合器或者兩個(gè)1×2定向波導(dǎo)耦合器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于所述光波信號(hào)饋入環(huán)形腔采用的是雙輸入無(wú)吸收對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即，采用兩個(gè)輸入端將信號(hào)通過(guò)2×2波導(dǎo)耦合器饋入行波環(huán)型諧振腔，兩個(gè)端口輸入的信號(hào)分別有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔，另一部分由耦合器進(jìn)入另一輸入端形成閉合光回路。
4.如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于所述光波信號(hào)饋入環(huán)形腔采用的是單輸入的再入式結(jié)構(gòu)，即，采用一個(gè)輸入端將信號(hào)通過(guò)2×2波導(dǎo)耦合器饋入行波環(huán)型諧振腔，該端口輸入的信號(hào)有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔，另一部分通過(guò)耦合器進(jìn)入反射端并被反射回輸入端。
5.如權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述光波信號(hào)饋入環(huán)形腔采用的是對(duì)稱雙輸入吸收結(jié)構(gòu)，即，采用兩個(gè)輸入端分別將信號(hào)通過(guò)兩個(gè)2×2波導(dǎo)耦合器饋入行波環(huán)型諧振腔，各端口輸入的信號(hào)有一部分場(chǎng)被耦合進(jìn)行波環(huán)形諧振腔，另一部分分別通過(guò)耦合器進(jìn)入吸收或隔離端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用環(huán)形行波諧振腔測(cè)量非機(jī)械光學(xué)陀螺的拍頻進(jìn)而檢測(cè)慣性系統(tǒng)角速度的方法。該方法是將行波環(huán)形諧振腔擱置在以某角速度旋轉(zhuǎn)的慣性系統(tǒng)內(nèi),光波信號(hào)由2×2波導(dǎo)耦合器饋入該行波環(huán)形諧振腔中,使順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上都有光波場(chǎng)傳播,用波導(dǎo)耦合器直接從行波環(huán)形諧振腔上耦合出沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向相向傳播的光信號(hào),利用波導(dǎo)合波裝置將這兩個(gè)不同頻率的諧振光波信號(hào)疊加得到拍頻信號(hào),通過(guò)低通濾波取出拍頻信號(hào),該拍頻信號(hào)的頻率值及變化對(duì)應(yīng)被檢測(cè)慣性系統(tǒng)的角速度及變化。本發(fā)明的檢測(cè)方法對(duì)組成環(huán)形諧振腔的光纖或波導(dǎo)的保偏特性沒有要求,測(cè)量精度提高,易于實(shí)現(xiàn)小型化。
文檔編號(hào)G01C19/58GK1382958SQ0212409
公開日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
發(fā)明者李正斌, 吳德明, 徐安士 申請(qǐng)人:北京大學(xué)