[发明专利]光纤萨格纳克干涉仪及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤Sagnac(萨格纳克)干涉仪以及一种用于控制光纤萨格纳克干涉仪的方法。

背景技术

光纤萨格纳克干涉仪通常用于航空器和水运工具，但也可以用于陆运工具。光纤萨格纳克干涉仪的优点在于当获知移动速度时能够自主确定空间中的位置，从而允许精确确定车辆的位置。因此，没有必要例如经由GPS信号或经由卫星通信从外部提供相应的定向用数据。

在大多数情况下，光纤萨格纳克干涉仪是惯性导航系统的组成部分，利用光纤萨格纳克干涉仪可以确定物体在空间中的位置或旋转运动。基于以惯性导航系统的三个空间轴为基准所记录的作用于物体的转动速度和加速度来进行这种确定。通过获知特定时间段内作用于物体的转动速度和加速度，可以精确地确定物体相对于初始位置的位置。当准确得知初始位置时，还总是可以确定物体在空间中的当前绝对位置。

可以以多种方式来实现惯性导航系统，原则上检测作用于物体的转动速度和加速度构成位置确定的基础。代替机械效应，惯性导航系统还可以利用光学效应。这种惯性导航系统可以基于至少一个光纤萨格纳克干涉仪。光纤萨格纳克干涉仪利用萨格纳克效应，根据萨格纳克效应，响应于光学光纤光导环绕其法线的转动，在光纤光导环中以相反方向行进的两个光波之间出现相位差。当观察从光纤光导环发出并叠加后的以相反方向行进的两个光波的光时，在转动期间可以看到强度变化，并可以利用将该强度变化描述为两个光波的相位差的函数的干涉仪特性曲线来说明该强度变化。

优选地，针对物体绕三个空间轴之一的可能转动均设置萨格纳克干涉仪，以使得相应的惯性系统包含三个萨格纳克干涉仪，并且这三个萨格纳克干涉仪的转动敏感轴在各情况下均相互垂直。当然，经由两个或三个萨格纳克干涉仪的相应分量可以检测到绕不与任一空间轴相一致的轴的转动。

光纤萨格纳克干涉仪的相移与转动速度、光纤光导环或光纤光导线圈中光路的路径长度以及圆形光路的直径直接成正比。另外，该相移与所使用的光的波长成反比。

上述描述用作确定转动用的观察变量的光强度相对于相位差的相关性的干涉仪特性曲线呈余弦形状。由于余弦曲线的最大值的相应传递函数对小输入值不敏感并且无法确定与转动方向相对应的相移的代数符号这一事实，因此经常将萨格纳克干涉仪的工作点调整为位于余弦函数的最大斜率点。对此，例如可采用正弦调制或方波调制。因而，确保了干涉仪对小的旋转运动的最大灵敏度。

通常，响应于数字/模拟转换器所进行的处理而产生了因量化性能有限所引起的噪声(还被称为量化噪声)。量化噪声会妨碍高度精确的转动速度测量。

专利文献US 20100026535A1公开了一种光纤萨格纳克干涉仪，其中模拟/数字转换器的信号被划分成MSB(最高有效位)或LSB(最低有效位)部分。并行的数字/模拟转换器将所划分出的23比特的MSB/LSB数据转换成模拟信号，由此使得MSB信号和LSB信号可以组合起来控制集成的光学芯片。所输出的MSB信号和LSB信号输入至放大器电路，并在放大器电路出组合成具有23比特精度的模拟信号。

发明内容

本发明的基本目的是提供一种光纤萨格纳克干涉仪，其能够有效地使因数字/模拟转换器进行的量化所引起的噪声最小，并且即使在转动速度非常低的情况下也可以执行高度精确的转动速度测量。本发明的该目的通过根据专利权利要求1所述的主题得以解决。另外，本发明的该目的通过根据专利权利要求11所述的主题得以解决。在各个从属权利要求中具体说明了本发明的其它实施例。

根据本发明的一种光纤萨格纳克干涉仪，包括光源、偏光器、光纤线圈、光检测器装置、包含下游所连接的模拟/数字转换器的放大器、数字/模拟转换器、评价电路、加法器以及相位调制器。例如，光纤环形干涉仪配置与光纤萨格纳克干涉仪同义。因而，优选光源能够发出波长可以确定的光。如上所述以及如以下将更详细地说明，要确定细微的相移。所谓的超发光二极管(SLD)经常用作光纤萨格纳克干涉仪的光源，这是因为SLD与激光光源相比光学带宽较高并因而相干长度较短。相干长度较短(通常为25μm)的优点在于有用信号与在例如反射位置或散射位置处产生的其它光信号不相干。

偏光器用于对光源的光进行偏振。光纤线圈与上述的光纤光导线圈相对应并且基本上包括缠绕成线圈的光纤。光纤例如可以是微结构光纤或微结构光纤组，以使得该光纤构成光导材料的全部或仅一部分。光检测器装置用于将入射光转换成电信号，以使得电信号例如包含与光强度、波长、干涉或干涉信号、或者相移有关的信息。相位调制器配置在光纤线圈的上游，并且用于对光束的相位进行调制。