CN1833158B - 用于确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源引起的偏移误差/随机游动误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源(1)引起的偏移/随机游动误差的方法，所述干涉仪使用将操作点随机独立移至具有最高灵敏度的点的调制方法。根据本发明的方法，基准束从由所述干涉仪的光源射出的光束中解耦并沿着光纤线圈方向传播，产生与所述基准束的强度成比例的基准强度信号，使用所述解调形式解调所述基准强度信号，所述解调形式用于所述旋转速率控制回路(7、13)中并且用于解调与旋转速率成比例的旋转速率强度信号，由此获得被解调的基准强度信号，该信号表示有待确定的偏移/随机游动误差的测量。所述基准强度信号与所述旋转速率强度信号同步进行解调，使得每个由同时从所述光源(1)发射出的光的一部分得到的所述基准强度信号和所述旋转速率强度信号的信号分量以相同的方式被解调。

Description

用于确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源引起的偏移误差/随机游动误差的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源引起的偏移/随机游动误差的方法。

背景技术

萨格纳克(Sagnac)干涉仪可实现优良的测量精度，但是对其构件的要求因此也很严格。由于光源噪声会严重地破坏旋转速率信号，所以在这种情况下光源假定有一个中心位置。来自光源的振幅噪声因此会导致被称为“随机游动”的误差。而且，偏移误差可通过电辐射干涉效应而形成为用于光源的供给电压信号。

为了避免诸如此类的误差，已知可从由光源射出的、在被输送入干涉仪的光纤线圈之前的光束中以参考信号的形式分流出一部分光能，借助监视器二极管将其转换为对应的强度信号。该强度信号然后可被评估以减小取决于光源的误差。一种可能的方法是对由监视器二极管供给的强度信号进行解调并且将采用这种方式获得的误差信号从所确定的旋转速率信号中减去(补偿方法)。另一种可能的方法是使用由监视器二极管产生的强度信号作为用于控制光源电流/光源的控制回路的受控变量，该方法通过实例记载于美国专利文件6,204,921中，光源的振幅噪声可通过该方法而被减小。不过，只有P调节器可用于该方法中，因为虽然I调节器会导致在无限长时间上积分的强度信号的控制误差趋向于零，相反，来自陀螺的趋近于零的偏移或随机误差需要与解调器相乘的强度信号的积分，也就是说，通过该调制信号，达到零。该要求不能通过模拟调节器容易地满足。而且，该方法可仅在连续调节器的基础上实施。

文件WO 03/058168 A1公开了一种模拟的、连续宽频带的控制设备，借助该设备，来自光纤干涉仪的光源的光源噪声可被减小特定的量。在这种情况下的，该量取决于该控制方法的带宽。

在本文中，参考了文件WO 95/14907 A1、DE 100 44 197 A1、DE 100 25395 C1、DE 197 30 522 C1和US 6,542,651 B2。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源引起的偏移/随机游动误差的方法，该方法比传统方法更加精确。

根据本发明，该目的是通过确定/补偿由光源引起的偏移/随机游动误差的方法实现的，如权利要求1所述。本发明也提供一种如权利要求4所述的光纤萨格纳克干涉仪。本发明的思想的优选实施例和改进方案体现在各个从属权利要求中。

根据本发明的方法尤其为下述干涉仪设计，该干涉仪使用将干涉仪特性或干涉仪的操作点随机独立变化为具有最高灵敏度的点的调制方法，并且可采用开环方法的形式和闭环方法的形式实现。

根据本发明的方法包含下述步骤：首先，使用耦合器，从通过所述干涉仪的光中输出基准束。输出点在这种情况下被选择为使得所述基准束的强度与进入所述干涉仪的光纤中的光的强度成比例，但是(尽可能地)不经受由干涉仪中的调制和/或重设过程导致的任何强度变化。基准束优选地从由干涉仪的光源射出的并且朝向光纤线圈移动的光束中输出，也就是说，基准束在光源和光纤线圈之间的任何希望点处自从光源向干涉仪的光纤线圈移动的光中输出。然后通过分流来自应用有所述基准束的光电探测器的输出信号，产生与所述基准束的强度成比例的基准强度信号。该信号使用所述解调形式(demodulaion pattern)解调，所述解调形式用于所述旋转速率控制回路中并且使用解调器解调与所述旋转速率成比例的所述旋转速率强度信号。被解调的基准强度信号表示有待确定的偏移/随机游动误差的测量值。在这种情况下的一个主要因素是所述基准强度信号的解调与所述旋转速率强度信号的解调时间相匹配，使得每个由同时从所述光源发射出的光分量得到的所述基准强度信号和所述旋转速率强度信号的信号分量以相同的方式被解调。

作为本发明的基础的一个思想是，当使用将操作点随机独立变化为具有最高灵敏度的点的调制方法时，在确定特定于光源的偏移/随机游动误差中应该考虑旋转速率控制回路的解调形式。这是因为在具有最高灵敏度的点处的强度曲线的梯度具有不同的数学符号，如果它们不被考虑，将导致“错误的”强度信号。

所述基准强度信号的解调优选地比所述旋转速率强度信号的解调提前一个干涉仪工作时钟循环。在这种情况下，表述“工作时钟循环”基本上意味着光通过光纤线圈的时刻。

为了补偿被确定的偏移/随机游动误差，对应的驱动信号为光源而产生，也就是说，光源能量根据被解调的基准强度信号进行控制，使得所确定的偏移/随机游动误差得以补偿。

为了实现上述方法，本发明提供了一种使用将操作点随机独立变化为具有最高灵敏度的点的调制方法的光纤萨格纳克干涉仪。该干涉仪的一个优选实施例具有：

-耦合器，用以自从所述干涉仪的光源发射出的并且朝向干涉仪的光纤线圈移动的光束中输出基准束；

-光电探测器，所述基准束应用于该光电探测器，该探测器的输出信号与所述基准束的强度成比例；

-解调器，用以使用所述解调形式解调所述基准强度信号，所述解调形式用于所述旋转速率控制回路中并且用于解调与所述旋转速率成比例的所述旋转速率强度信号。

如上面已经描述的，基准束能够在光源与干涉仪的光纤线圈之间的任何希望的点输出。在这种情况下，应该考虑下述因素：在原理上，基准束可在任何其强度与供给于FOG的光纤中的强度成比例并且仍然独立于借助FOG的操作而应用的调制和重设信号的点处被分流。如果需要，该信号也可从直接邻近于光源定位的监视器探测器被分流。不过，应该记住，来自光源的光在进入光纤之后直接由比这种情况更大的偏振状态和模式组成，最终，在整个光学路径的端部，也就是说，正好在旋转速率调节器的光电探测器的上游，因为该路径包含模式和偏置滤波器。现在，对于监视器探测器来说重要的是精确地“看到”那些用于旋转速率调节器的探测器同样“看到”的模式和偏振状态。这是因为，如果监视器探测器将被供给有其他模式和偏振状态，那么，平均地，该探测器将所有这些分量的被解调的和调节为零。然后，有效状态/模式将补偿无效状态/模式。这会导致旋转速率控制回路中的只对有效状态/模式起作用的旋转速率误差/随机游动增加。这当然会对根据本发明的思想的目的“起反作用”。

解调器的输出信号是有待被确定的偏移/随机游动误差的测量值。所述解调器与所述旋转速率强度信号的解调时间相匹配，使得每个由同时从所述光源发射出的光分量得到的所述基准强度信号和所述旋转速率强度信号的信号分量以相同的方式被解调。为了实现这一点，例如，可使光从所述光源到所述光电探测器从而产生与所述旋转速率成比例的旋转速率强度信号，以及到达所述光电探测器从而产生所述基准强度信号所必须经过的路径长度相互关联，使得它们在一个干涉仪工作时钟循环内通过光所经过的路径的长度区别开。所述解调方式(相同的)因此在一个干涉仪工作时钟循环内相互变化。

干涉仪优选地具有调节器，该调节器根据所述解调器的输出信号控制所述光源能量，使得所确定的偏移/随机游动误差得以补偿。该调节器与解调器和光电探测器共同形成对应的控制路径。

附图说明

本发明将通过下文采用示例性实施例形式的文字并参照附图进行更详细地说明，其中：

图1示出了根据本发明的干涉仪的一个优选实施例的示意性设计图；

图2示出了根据本发明的调节器的第一优选实施例；

图3示出了根据本发明的调节器的第二优选实施例；

图4示出了根据本发明的调节器的第三优选实施例；以及

图5示出了根据现有技术的光纤萨格纳克干涉仪的闭环方案。

具体实施方式

为了帮助理解本发明，下文将再次简要描述闭环萨格纳克干涉仪的操作方法，该干涉仪使用了将干涉仪特性或干涉仪的操作点随机独立变化为最高灵敏度的点的调制方法(图5)。

强度和波长稳定的光源1的光经由光纤路径传送至第一分束器2，并且从那里经由起偏器3传送至第二分束器4。通过光束分离而产生的光束元素从远离于光源1的两个输入/输出传输至光纤线圈5的两个输入/输出，相位调制器6布置于第二分束器4的输出/输入和光纤线圈5的输入/输出之间。通过光束线圈5之后在第二分束器4中干涉的光束元素再次通过起偏器3，并且它们中尽可能多的部分经由第一分束器2被传输至光电探测器7。光电探测器7的输出信号首先被放大器8放大，并且一方面被应用于解调器9，另一方面被应用于同步解调器10。解调器9与放大滤波器11共同形成比例因数控制路径。同步解调器10使用滤波器12驱动斜坡发生器13，该发生器用于产生重设信号。由调制振荡器14产生的用于使操作点变化为最高灵敏度的点的信号和重设信号通过加法器15相结合以形成单独信号，并且形成输入可控放大器16的输入信号，该放大器通过放大滤波器11的输出信号放大该输入信号，该输出信号用作增益系数。采用这种方式从可控放大器16产生的输出信号又被用于驱动相位调制器6。

现在将参照图1更加详细地描述根据本发明的干涉仪。在这种情况下，与图4所示相对应的构件和器件由相同的附图标记标示。

由光源1产生的光经由第一耦合器2、空间滤波器3和第二耦合器17被传送至主分束器4。在主分束器4中产生的光束元素通过光线线圈5并且被再次结合以形成干涉束。该干涉束经由第二耦合器17和空间滤波器3被传送至第一耦合器2，该耦合器输出一定比例的干涉束并且将该干涉束传送至旋转速率探测器7。作为与旋转速率成比例的强度信号的来自旋转速率探测器7的输出信号被应用于旋转速率调节器13，该旋转速率调节器控制相位调制器(未示出)使得测得的旋转速率消失。图1中为简单起见没有示出用于使干涉仪特性或干涉仪的操作点随机独立变化为最高灵敏度的点的元件。

图1所示的干涉仪与图5所示的干涉仪的不同之处基本上在于额外设置有用于控制光源能量的控制回路。该控制回路具有第二耦合器17、光源探测器18和光能调节器19。第二耦合器17输出来自光源并且朝向光纤线圈5传送的光束的基准束，并且将该基准束供给至光源探测器18。来自于光源探测器18的与基准束的强度成比例的输出信号σ(v)被应用于光能调节器19，该光能调节器作为该光源能量的函数控制光源能量从而补偿偏移/随机游动误差。图1所示的示例性实施例中的表述“干涉仪中的光纤”尤其表示由附图标记1、2、3、4、5和17注释的元件，也表示它们之间的路径。

光能调节器19的一个优选实施例20将在下文中参照图2进行描述。在这种情况下描述了时间离散方法，该方法可数字化实现。不过，只可能提供连续(模拟)的方案。

由光能探测器18产生并且采样(优选地与旋转速率探测器同步)的信号σ(v)在解调器21中被解调，也就是说，该信号与解调信号m(v+1)相乘。该解调信号m(v)∈{-1，1}是同样用于旋转速率控制回路中的相同解调信号，也就是说，来自主控制回路的随机解调信号，也就是说，由图5中附图标记9和10标注的解调器所使用的并且由调制振荡器14所产生的解调信号。原理上，解调信号与主要控制回路的解调信号相同。对解调信号的特定选择是开放的。例如，也可使用确定性的调制/解调。在这种情况下，参数v表示离散的与时间相关的值。由于作为同时来自光源1的输出的信号分量在不同的时间到达旋转速率探测器7和光能探测器18，所以解调信号和解调形式(demodulationpattern)m(v)必须在不同的时间到达两个探测器。在该实施例中，通向探测器7和18的各个光纤路径设计成使得延迟时间差值为干涉仪的一个工作时钟循环。由于光能探测器18比旋转速率探测器7早一个工作时钟循环接收光，所以该探测器已经设置了具有负延迟(“领先”一个工作时钟循环)的解调信号m(v)。被解调信号，也就是说与m(v+1)相乘的信号，经由加法器阶段22被传送至累加器23，该累加器积分该输出信号并且向调制器24供给对应的积分输出信号。调制器24将该积分信号与解调信号m(v+1)相乘并且产生对应的输出信号clq(v)从而驱动光源1，采用这种方法，由m(v+1)调制的积分信号被应用于光源电流(具有负符号)。这确保考虑到在最高灵敏度的点处的强度曲线的不同的梯度被考虑在内，也就是说，σ(v)与m(v+1)的长期相关性消失。因此消除了光源噪声与旋转速率调节器7的解调信号的长期相关性。

如果从光源到旋转速率探测器7以及到光能探测器18的五条路径被选择为具有相同的长度(例如通过在第二耦合器17与光能探测器18之间设置额外的光纤线圈)，那么就不需要将解调形式偏移一个工作时钟循环。所有必需做的是确保相同地调制每个由从光源1发出的光分量导致的来自旋转速率探测器7的输出信号和来自光能探测器18的输出信号中的信号分量。

下面将参照图3描述如图1所示的光能调节器19的一项更加可行的实施例。

光能调节器30将来自光能探测器18的输出信号经由加法器阶段31供给至累加器32。累加器32的积分输出信号被供给至解调器33，该解调器使用信号Δm(v+1)＝m(v+1)·m(v)解调该信号。图2和3所示的调节器是可相互更换的，也就是说，它们对相同输入信号产生相同输出信号。

上述方法是时间离散法，该方法可被包括于干涉仪的数字电子设备。该方法计及给定的解调形式并且消除光源噪声与来自主(旋转速率)调节器的解调信号之间的长期相关性。该方法以额外调节器(光能调节器)为基础，该调节器从监视器光电二极管获得其输入信号并且其输出信号调制光源能量，使得“旋转速率分量”从光信号中消失。

上述方法也可采用模拟的形式实现。模拟调节器40用于该目的，如图4所示，并且将光能探测器18的输出信号供给至模拟乘法器41，在此处该信号与来自主控制回路的解调信号m(v+1)相乘。被解调信号被输入模拟积分器42，来自模拟积分器42的输出信号被输入模拟乘法器43，该乘法器将该信号与解调信号m(v+1)相乘，同时，对应的输出信号clq(v)控制光源电流。

根据本发明的方法/干涉仪与现有技术相比具有下述特征：

-由于其还包括随机调制/解调形式，所以适于具有随机调制的光纤陀螺(随机调制方法的更详细说明参见欧洲专利文件EP 0 551 537 B1的实例)。

-根据本发明的方法执行可选择的模拟或离散的积分控制回路，该回路包括监视器二极管和光源强度调制器，使光源信号中会导致陀螺信号中长期误差(随机游动和偏移)的干涉和噪声信号为零。

-该方法允许旋转速率探测器和光能探测器进行相同的设计(包括采样时间、最优滤波器和间隔)，因此允许最大的补偿。

Claims (6)

1.一种确定/补偿由光纤萨格纳克干涉仪中的光源(1)引起的偏移/随机游动误差的方法，所述干涉仪使用将操作点随机独立变化为具有最高灵敏度的点的调制方法，包括下述步骤：

-使用耦合器从通过所述干涉仪的光中输出基准束，使得所述基准束的强度与进入所述干涉仪的光纤中的光的强度成比例，但是不经受由调制和/或重设过程导致的任何变化；

-通过从输入有所述基准束的光电探测器中分出输出信号而产生与所述基准束的强度成比例的基准强度信号；

-利用解调器使用解调形式解调所述基准强度信号，可获得被解调的基准强度信号，其中所述解调形式用于旋转速率控制回路中并且用于解调与旋转速率成比例的旋转速率强度信号，该被解调的基准强度信号表示有待确定的偏移/随机游动误差的测量值，

-所述基准强度信号的解调与所述旋转速率强度信号的解调时间上相匹配，使得每个由同时从所述光源发射出的光分量得到的所述基准强度信号和所述旋转速率强度信号的信号分量以相同的方式被解调。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基准强度信号的解调比所述旋转速率强度信号的解调提前一个干涉仪工作时钟循环。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，光源能量根据所述被解调的基准强度信号被控制，使得被确定的偏移/随机游动误差得以补偿。

4.一种使用将操作点随机独立变化为具有最高灵敏度的点的调制方法的光纤萨格纳克干涉仪，具有：

-用于从由所述干涉仪的光源(1)发射出的光中输出基准束的耦合器(17)，使得所述基准束的强度与进入所述干涉仪的光纤中的光的强度成比例，但是不经受由调制和/或重设过程导致的任何变化；

-光电探测器(18)，所述基准束应用于该光电探测器，被称为基准强度信号的该光电探测器的输出信号与所述基准束的强度成比例；

-解调器(21、33)，用于使用解调形式解调所述基准强度信号，所述解调形式用于旋转速率控制回路中并且用于解调与旋转速率成比例的旋转速率强度信号，使得所述解调器(21、33)的输出信号表示有待确定的偏移/随机游动误差的测量值，

-所述基准强度信号的解调与所述旋转速率强度信号的解调在时间上相匹配，使得每个由同时从所述光源(1)发射出的光分量得到的所述基准强度信号和所述旋转速率强度信号的信号分量以相同的方式被解调。

5.根据权利要求4所述的干涉仪，其特征在于，所述光从所述光源(1)到达第二光电探测器(7)从而产生与所述旋转速率成比例的旋转速率强度信号所必须经过的路径长度，以及所述光从所述光源(1)到达所述光电探测器(18)从而产生所述基准强度信号所必须经过的路径长度相互关联，使得这两个路径长度相差光于一个干涉仪工作时钟循环内所经过的路径的长度，所述解调形式以对应的方式相互变化一个干涉仪工作时钟循环。

6.根据权利要求4或5所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括调节器，该调节器根据所述解调器的输出信号控制所述光源的能量，使得所确定的偏移/随机游动误差得以补偿。

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