CN105547279B - 用于干涉型光纤陀螺的陀螺速率计算 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于干涉型光纤陀螺的陀螺速率计算。提供了一种方法，包括将光学输入以第一频率并且随后以不同的第二频率供应给干涉型光纤陀螺(IFOG)；检测IFOG对处于第一频率和第二频率下的光学输入的响应的差值；并且根据该差值和校正项来计算陀螺速率。

Description

用于干涉型光纤陀螺的陀螺速率计算
技术领域
本公开涉及用于干涉型光纤陀螺(interferometric fiber optic gyro)的陀螺速率(gyro rate)计算的方法和***。
背景技术
在干涉型光纤陀螺(IFOG)的操作期间，随着时间的过去会增加相关偏移误差(drift-related error)。为了校正该相关偏移误差，可以重新校准IFOG的比例因子(scalefactor，换算系数)。
在操作期间，可能发生使IFOG的性能劣化的事件。例如，使IFOG的光纤线圈变暗的事件。为了补偿这种劣化，可以重新校准IFOG的比例因子。
发明内容
根据本文中的实施方式，提供了一种方法，该方法包括：将光学输入以第一频率并且随后以不同的第二频率供应给干涉型光纤陀螺(IFOG)；检测IFOG对第一频率和第二频率的光学输入的响应的差值；并且计算作为该差值和校正项(correction term)的函数的陀螺速率。
根据本文中的另一个实施方式，提供了一种***，该***包括干涉型光纤陀螺(IFOG)；光纤光源(fiber optic light source)，用于将光学输入以第一频率并且随后以不同的第二频率供应给IFOG；光电检测器(photodetector)，用于检测IFOG对第一频率和第二频率的光学输入的响应；以及处理器，计算作为响应的差值和校正项的函数的陀螺速率。
根据本文中的另一个实施方式，提供了一种用于干涉型光纤陀螺(IFOG)的方法，该方法包括：将已知速率应用到IFOG并且确定用于第一频率和第二频率的光学输入的IFOG比例因子；将光学输入以第一频率提供给IFOG并且检测IFOG的第一响应；将光学输入切换为第二频率并且检测IFOG的第二响应；并且使用第一响应与第二响应之间的差值、已知速率以及比例因子来确定IFOG校正项。该校正项表示IFOG的第一响应和第二响应中的时间依赖误差(time-dependent error)的总和。
这些特征与功能可以在各种实施方式中独立地实现或者可以结合在其他实施方式中。参考以下描述和附图可以了解实施方式的更多细节。
附图说明
图1是包括干涉型光纤陀螺的***的示图。
图2是计算干涉型光纤陀螺中的陀螺速率的方法的示图。
图3是在干涉型光纤陀螺的操作期间估计时间依赖误差的方法的示图。
具体实施方式
参照图1，干涉型光纤陀螺***100包括干涉型光纤陀螺(IFOG)110。IFOG 110可包括光纤感测线圈112、光束分离光学件(beam splitting optics)114和耦合器116。该***100进一步包括将光学输入提供给IFOG 110的光纤光源120。光束分离光学件114将光学输入分成在相对方向上通过感测线圈112传播的两个光束。当返回至进入的点时，这两个对向传播的(counter-propagating)光束离开感测线圈112并通过光束分离光学件114重新结合，并且经历干涉。当存在围绕感测线圈112的轴线旋转时，两个离开波束的相对相位根据旋转的角速度而偏移，并且因此，它们的干涉条纹的位置根据旋转的角速度而偏移。这被称为萨格纳克(Sagnac)相移。萨格纳克相移(φ)可以被表示为
Figure BDA0000827991850000031
其中，L和D是感测线圈112的长度和直径，λ是光源在真空中的平均波长并且Ω是陀螺速率。
该***100进一步包括用于检测萨格纳克相移的光电检测器130。光电检测器130具有随着光强度而变化的感应电压。光电检测器130的输出信号(例如，感应电压)通常遵循离开感测线圈112的两个波束之间的相位转变的余弦函数(cosine)。
光纤光源120被配置为将光学输入以第一频率并且随后以切换成的第二频率提供给IFOG 110。例如，光纤光源120可以包括用于以第一频率提供光的第一光源；用于以第二频率提供光的第二光源；以及用于在第一光源与第二光源之间切换光学输入的光学开关。光电检测器130检测两个不同的相移(phase shift)(IFOG响应)。
该***100进一步包括用于响应于光电检测器130的输出而计算陀螺速率的处理器140。该处理器140还可以控制光纤光源120在第一频率与第二频率之间切换光学输入。
另外参考图2，其示出了使用***100感测陀螺速率的方法。在块210中，光纤光源120将光学输入以第一频率并且然后以切换成的不同的第二频率供应给IFOG 110。这产生两个不同的萨格纳克相移。该光电检测器130检测IFOG 110的第一响应和第二响应。
在块220中，处理器140确定IFOG对光学输入的响应的差值。可以通过测量表示第一响应和第二响应的电压上的差值来确定该响应的差值。
在块230中，处理器140基于该差值和校正项来计算陀螺速率。在以下等式(4)中提供了用于计算陀螺速率的等式的实例。
根据针对IFOG 110以第一频率和第二频率预先确定的第一比例因子和第二比例因子预计算校正项。例如，可以在将IFOG 110投入服务之前在工厂中预计算比例因子和校正项。
在IFOG 110的操作期间，将随着时间的过去改变偏置以及第一比例因子和第二比例因子。影响因素包括输入轴的变化、光纤劣化和温度变化。对于传统的IFOG来说，将要求重新校准这些时间依赖误差。而IFOG 110不是这样的。只要第一比例因子和第二比例因子的偏移粗略地相同，则校正项是稳定的，并且仍然可以计算作为差值和校正项的函数的陀螺速率。即，可在没有重新校准IFOG 110的情况下重复块230中的功能。
在IFOG 110的操作期间，可能发生使IFOG 110的性能劣化的事件。例如，使感测线圈112变暗的事件。该事件将使第一比例因子和第二比例因子偏移相同。对于传统的IFOG来说，该事件将导致重新校准。而IFOG110不是这样的。可在没有重新校准IFOG 110的情况下重复块230中的功能。
参考图3。现在将描述确定校正项(C)的方法。该***100可用于确定其自身的校正项(C)。
在块310中，确定IFOG 110的第一比例因子和第二比例因子(SF1和SF2)。已知速率可以被应用于IFOG 110，光纤光源120将光学输入以第一频率或者第二频率(f1或者f2)提供给IFOG 110，光电检测器130测量IFOG响应，并且处理器140使用模式来确定比例因子(SF1或SF2)。例如，可以通过
Figure BDA0000827991850000041
Ω求出比例因子。
在块320中，光纤光源120将光学输入以第一频率(f1)提供给IFOG110，并且光电检测器130检测IFOG 110的第一响应。然后，光纤光源120将光学输入切换为第二频率(f2)，并且光电检测器130检测IFOG 110的第二响应。因此，光电检测器130检测两个不同的比例因子(SF1和SF2)的两个不同的萨格纳克相移。
在块330中，处理器140使用第一响应和第二响应之间的差值、已知速率以及比例因子来确定IFOG 110的校正项(C)。如下可以求出用于计算校正项(C)的模式。
从IEEE标准952-1997(“用于单一轴线干涉型光纤陀螺的IEEE标准规范格式引导和测试程序(IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure forSingle-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros)”)中考虑以下模式：
s0*(Δn/Δt)＝(I+E+D)*sOer (1)
其中，s0是比例因子，(Δn/Δt)是IFOG 110的输出响应，I是到达IFOG110的光学输入(°/hr)，E是IFOG 110的环境敏感量(°/hr)，D是偏移率(°/hr)，并且sOer是比例因子误差项。
项(Δn1/Δt)可以被重写为Ω+Df。项Df表示时间依赖误差，其可包括偏移率(D)以及其他环境敏感量(E)。因此，在等式(2)和等式(3)中提出了对处于第一频率f1和第二频率f2下的光学输入的第一响应和第二响应。
(Δn1/Δt)＝Ω+Df1 (2)
(Δn2/Δt)＝Ω+Df2 (3)
等式(4)表示根据所测量的IFOG响应、所测量的比例因子(SF1和SF2)以及校正项(C)的已知的陀螺速率(Ω)：
Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/(1/SF1-1/SF2) (4)
其中，Df2+Df2＝C。校正项(C)表示在第一IFOG响应和第二IFOG响应中的时间依赖误差的总和。可以从等式(4)计算出校正项(C)。
在块340中，处理器140可以存储在计算陀螺速率中稍后所使用的校正项(C)。比例因子(SF1和SF2)可以被简化为恒定值。例如，如果(1/SF1-1/SF2)＝2，则处理器140可使用等式(5)计算陀螺速率。
Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/2 (5)
只要两个频率可以精确地测量陀螺速率，则在第一频率与第二频率之间不存在最小差值或者最大差值。各频率取决于光纤类型、相位调制、线圈弯曲和线圈长度。该频率可以是红外线频率。
本文中的***和方法不限于上述实例。例如，光纤光源可以以两个以上的输入频率来提供光。各个额外的频率可用于以第一频率和第二频率验证执行的校准。
IFOG 110可具有开环构造或者闭环构造。IFOG 110可以是有源的或者无源的、多模式或者单模式、数字的或者模拟的。该***100的典型应用包括勘测、稳定性和惯性导航***。
尽管上文描述了具有单个IFOG 110的***100，但是本文中的***不限于此。多轴***可具有用于各个轴的IFOG 110。各个IFOG 110可具有其自身的校正项。

Claims (11)

1.一种用于感测陀螺速率的方法，包括：
将光学输入以第一频率并且随后以不同的第二频率供应至干涉型光纤陀螺；
检测所述干涉型光纤陀螺对处于所述第一频率和所述第二频率下的所述光学输入的响应的差值；并且
计算作为所述差值和校正项的函数的陀螺速率，
其中，所述陀螺速率Ω被计算为：
Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/(1/SF1-1/SF2)
其中，SF1和SF2是与所述第一频率和所述第二频率相对应的预先确定的干涉型光纤陀螺比例因子，C是所述校正项，并且(Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)是所述干涉型光纤陀螺对处于所述第一频率和所述第二频率下的所述光学输入的响应的差值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校正项表示在所述干涉型光纤陀螺的响应中的时间依赖误差的总和。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述陀螺速率通过Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/2计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据与所述第一频率和所述第二频率相对应的初始的第一比例因子和第二比例因子，来预计算所述校正项。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括如果出现使所述第一比例因子和所述第二比例因子偏移相同的时间依赖误差或者事件，则在没有校准所述第一比例因子和所述第二比例因子的情况下继续重复计算所述陀螺速率。
6.一种用于感测陀螺速率的***，包括：
干涉型光纤陀螺；
光纤光源，用于将光学输入以第一频率并且随后以不同的第二频率供应给所述干涉型光纤陀螺；
光电检测器，用于检测所述干涉型光纤陀螺对处于所述第一频率和所述第二频率下的所述光学输入的响应；以及
处理器，用于计算作为所述响应的差值和校正项的函数的陀螺速率，
其中，所述陀螺速率Ω被计算为：
Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/(1/SF1-1/SF2)
其中，SF1和SF2是与所述第一频率和所述第二频率相对应的预先确定的干涉型光纤陀螺比例因子，C是所述校正项，并且(Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)是所述干涉型光纤陀螺对处于所述第一频率和所述第二频率下的所述光学输入的响应的差值。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述校正项表示在所述干涉型光纤陀螺的所述响应中的时间依赖误差的总和。
8.根据权利要求6所述的***，其中，所述陀螺速率通过Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/2计算。
9.根据权利要求6所述的***，其中，根据处于所述第一频率和所述第二频率下的初始的第一比例因子和第二比例因子预计算所述校正项。
10.根据权利要求9所述的***，进一步包括如果出现使所述第一比例因子和所述第二比例因子偏移相同的时间依赖误差或者事件，则在没有校准所述第一比例因子和所述第二比例因子的情况下重复计算所述陀螺速率。
11.一种用于干涉型光纤陀螺的方法，包括：
将已知的陀螺速率应用于所述干涉型光纤陀螺，并且确定用于处于第一频率和第二频率下的光学输入的干涉型光纤陀螺比例因子；
将光学输入以所述第一频率提供给所述干涉型光纤陀螺并且检测所述干涉型光纤陀螺的第一响应；
将所述光学输入切换到所述第二频率并且检测所述干涉型光纤陀螺的第二响应；并且
使用所述第一响应与所述第二响应之间的差值、所述已知的陀螺速率以及所述比例因子来确定所述干涉型光纤陀螺的校正项，所述校正项表示在所述干涉型光纤陀螺的所述第一响应和所述第二响应中的时间依赖误差的总和，其中，通过下式计算所述校正项C：
Ω＝((Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)-C)/(1/SF1-1/SF2)
其中，Ω是已知的所述陀螺速率，SF1和SF2是与所述光学输入的所述第一频率和所述第二频率相对应的比例因子，并且(Δn1/Δt)-(Δn2/Δt)是所述干涉型光纤陀螺的所述第一响应与所述第二响应的差值。
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