四軸光纖陀螺儀及其尋北方法技術

本發明專利技術公開了一種四軸光纖陀螺儀及其尋北方法，屬于慣性導航及其相關領域；本發明專利技術中所述的用于尋北應用的四軸光纖陀螺儀，通過水平軸向的四個互成90°的光纖環同時敏感四個軸向的地球自轉角速度分量，因此該陀螺可以直接輸出北向信息，不再需要傳統尋北儀中的轉位機構，可以有效降低尋北時間，提高尋北精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及慣性導航及其相關領域，尤其涉及一種四軸光纖陀螺儀及其尋北方 法。
技術介紹
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、 結構簡單等特點，廣泛用于戰車或武器的初始方位瞄準。 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Sagnac效應的光纖干涉儀。傳統光纖陀螺儀的光路結構如圖1所示，發生旋轉時，其內 部的環形干涉光路會產生一個正比于旋轉角速率的Sagnac相移，Sagnac相移和系統旋 轉速率的關系如下：(1) 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 轉速率矢量的標量積，黑點?為標量積符號。 在光纖陀螺尋北儀中，光纖陀螺的敏感軸在水平面內，且與載體縱軸方向一致，通 過敏感地球自轉角速率在地理坐標系中的水平分量，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。 地球自轉角速度矢量ω e( ω e= 15.04° /h)是地球坐標系相對慣性坐標系的轉動角 速度。在地球上任一點煒度，光纖陀螺的實際輸出表達式為： ω =k ω ecos Φ cosH+ ω 〇 (2) 式（1)中，k為光纖陀螺標度因數，Φ為測量地點所在的地球煒度，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。在尋北儀設計參數中，尋北時間和尋北精度是很重要的參數，要求尋北儀啟動后 能夠在最短的時間內輸出準確的北向方位角。在現有的四位置尋北方案中，需要轉位機構 帶動光纖陀螺，依次在間隔90°的四個位置完成信號采集后，求解北向方位角，轉位機構的 轉位過程需要消耗時間，從而降低了尋北儀的尋北效率;另外，轉位機構的轉位誤差也會引 入到尋北結果中，從而降低了尋北結果的準確性。在這種方案中，轉位機構的轉位過程是制 約尋北時間和尋北精度的重要因素。
技術實現思路
針對四位置尋北方案中轉位過程所帶來的問題，本專利技術提供一種四軸光纖陀螺儀 及其尋北方法，實現了在間隔90°的四個軸向同時完成信號采集，進而直接解算北向方位角 的工作方式，采用本專利技術的尋北儀不再需要轉位機構，可以有效降低尋北時間，提高尋北精 度。為了達到上述目的，本法所采用的技術方案如下：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波導調制器、第二Y波導調制器、第三Y波導調制器、第四Y波導調 制器、第一光纖環、第二光纖環、第三光纖環、第四光纖環、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； 其中，所述第一光纖環的敏感軸、第二光纖環的敏感軸、第三光纖環的敏感軸、第 四光纖環的敏感軸均在XY水平面內且各敏感軸方向朝外呈放射狀圓周均勻分布； 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波導調制器的輸入端口，第一2 X2耦合器的第二輸出端口處于自由狀態;第二2X2耦合器的第一輸出端口接第二Y波導調 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;第三2 X 2耦合器的第一 輸出端口接第三Y波導調制器的輸入端口，第三2X2耦合器的第二輸出端口處于自由狀態； 第四2X2耦合器的第一輸出端口接第四Y波導調制器的輸入端口，第四2X2耦合器的第二 輸出端口處于自由狀態;第一調制器的第一輸出端口接第一光纖環的第一輸入端口，第一 調制器的第二輸出端口接第一光纖環的第二輸入端口；第二調制器的第一輸出端口接第二 光纖環的第一輸入端口，第二調制器的第二輸出端口接第二光纖環的第二輸入端口；第三 調制器的第一輸出端口接第三光纖環的第一輸入端口，第三調制器的第二輸出端口接第三 光纖環的第二輸入端口；第四調制器的第一輸出端口接第四光纖環的第一輸入端口，第四 調制器的第二輸出端口接第四光纖環的第二輸入端口；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 字輸出端口與信號處理模塊的第二輸入端口相連。 -種如權利要求1所述的四軸光纖陀螺儀的尋北方法，具體方法如下： 光源發出的光，經過1X4光纖耦合器被分成等狀態的四路，每一路均由2X2光纖 耦合器、Y波導調制器、光纖環、探測器構成一個獨立的Sagnac干涉系統，即第一干涉系統由 第一 2X2光纖耦合器、第一 Y波導調制器、第一光纖環、第一探測器組成，第二干涉系統由第 二2X2光纖耦合器、第二Y波導調制器、第二光纖環、第二探測器組成，第三干涉系統由第三 2X2光纖耦合器、第三Y波導調制器、第三光纖環、第三探測器組成，第四干涉系統由第四2 X2光纖耦合器、第四Y波導調制器、第四光纖環、第四探測器組成；則四路Sagnac干涉系統 的輸出可以分別表不為： ω i = k ω ecos Φ cosH+ω 〇1 (1) ω 2 = k ω ecos Φ cos(H+90° )+ ω 〇2 (2) ω 3 = k ω ecos Φ cos(H+180。）+ω 〇3 (3) ω 4=k ω ecos Φ cos(H+270。)+ω 〇4 (4)式（1) - (4)中，ω :為第一干涉系統輸出量，ω 2為第二干涉系統輸出量，ω 3為第三 干涉系統輸出量，ω4為第四干涉系統輸出量，k為光纖陀螺標度因數，是地球坐標系相對 慣性坐標系的轉動角速度，Φ為測量地點所在的地球煒度，Η為偏北角，coQ1、ω〇2、ω〇 3、ω04 分別為每路Sagnac干涉系統所對應的陀螺漂移，因為在4路Sagnac干涉系統中，選用的器件 性能幾乎相同，且光路系統是完全對稱的，所以認為： ω 〇1= ω 〇2= ω 〇3= ω 〇4 (5) 第一干涉系統、第三干涉系統的輸出端接入第一減法器，第二干涉系統、第四干涉 系統的輸出端接入第二減法器，得到的兩個減法器輸出結果如下式： ω 1- ω 3 = 2k ω ecos Φ cosH (6) ω 2_ω4 = 2kω ecos Φ cosH (7) 將兩個減法器的輸出結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:" ~ 〇 本專利技術的有益效果是:首次提出一種用于尋北應用的四軸光纖陀螺，通過水平軸 向的四個互成90°的光纖環同時敏感四個軸向的地球自轉角速度分量，經過信號處理模塊 解算后直接輸出北向信息，省卻了轉位機構。避免了轉位機構帶來的轉位時間和轉位誤差，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種四軸光纖陀螺儀，其特征在于，包括光源(1)、1×4光纖耦合器(2)、第一2×2光纖耦合器(3)、第二2×2光纖耦合器(4)、第三2×2光纖耦合器(5)、第四2×2光纖耦合器(6)、第一Y波導調制器(7)、第二Y波導調制器(8)、第三Y波導調制器(9)、第四Y波導調制器(10)、第一光纖環(11)、第二光纖環(12)、第三光纖環(13)、第四光纖環(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)等；其中，所述第一光纖環(11)的敏感軸、第二光纖環(12)的敏感軸、第三光纖環(13)的敏感軸、第四光纖環(14)的敏感軸均在XY水平面內且各敏感軸方向朝外呈放射狀圓周均勻分布；所述光源(1)的輸出端口接1×4耦合器(2)的輸入端口；1×4耦合器(2)的四個輸出端口分別接第一2×2耦合器(3)的第一輸入端口、第二2×2耦合器(4)的第一輸入端口、第三2×2耦合器(5)的第一輸入端口、第四2×2耦合器(6)的第一輸入端口；第一2×2耦合器(3)的第二輸入端口接第一探測器(15)的輸入端口；第二2×2耦合器(4)的第二輸入端口接第二探測器(16)輸入端口；第三2×2耦合器(5)的第二輸入端口接第三探測器(17)的輸入端口；第四2×2耦合器(6)的第二輸入端口接第四探測器(18)的輸入端口；第一2×2耦合器(3)的第一輸出端口接第一Y波導調制器(7)的輸入端口，第一2×2耦合器(3)的第二輸出端口處于自由狀態；第二2×2耦合器(4)的第一輸出端口接第二Y波導調制器(8)的輸入端口，第二2×2耦合器(4)的第二輸出端口處于自由狀態；第三2×2耦合器(5)的第一輸出端口接第三Y波導調制器(9)的輸入端口，第三2×2耦合器(5)的第二輸出端口處于自由狀態；第四2×2耦合器(6)的第一輸出端口接第四Y波導調制器(10)的輸入端口，第四2×2耦合器(6)的第二輸出端口處于自由狀態；第一調制器(7)的第一輸出端口接第一光纖環(11)的第一輸入端口，第一調制器(7)的第二輸出端口接第一光纖環(11)的第二輸入端口；第二調制器(8)的第一輸出端口接第二光纖環(12)的第一輸入端口，第二調制器(8)的第二輸出端口接第二光纖環(12)的第二輸入端口；第三調制器(9)的第一輸出端口接第三光纖環(13)的第一輸入端口，第三調制器(9)的第二輸出端口接第三光纖環(13)的第二輸入端口；第四調制器(10)的第一輸出端口接第四光纖環(14)的第一輸入端口，第四調制器(10)的第二輸出端口接第四光纖環(14)的第二輸入端口；第一探測器(15)的輸出端口接第一減法器(19)的第一輸入端口，第三探測器(17)的輸出端口接第一減法器(19)的第二輸入端口；第二探測器(16)的輸出端口接第二減法器(20)的第一輸入端口，第四探測器(18)的輸出端口接第二減法器(20)的第二輸入端口；第一減法器(19)的數字輸出端口與信號處理模塊(21)的第一輸入端口相連，第二減法器(20)的數字輸出端口與信號處理模塊(21)的第二輸入端口相連。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳賢，周一覽，楊建華，舒曉武，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33