本发明涉及干涉型全光纤陀螺仪， 尤其涉及干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的抑 制技 术， 属于光纤传感技术领域。 背景技术

陀螺仪是测量惯性空间角速度-角位移的仪表� � 其历史可以追朔到数千年以前。 机械陀螺 仪、 激光陀螺仪和光纤陀螺仪被分别称为第一代陀 螺仪、 第二代陀螺仪和第三代陀螺仪。 光 纤陀螺仪于 1976年问世， 20世纪 90年代投入批量生产。 干涉型全光纤陀螺仪是光纤陀螺仪 家族中的重要品种，可广泛应用于导航、制导 、定位、 自动寻北、列车或舰船摇摆的阻尼、 天线 -喵准系统的定向、 油井 /矿井 /隧道的偏斜测量、 大型建筑形变或摇摆监测、 自动化 控制等等领域。

干涉式光纤陀螺仪存在两种基本结构， 全光纤结构和波导 /光纤混合结构， 即通常所说的 开环结构和闭环结构。 当光纤陀螺仪静止或以恒定速度转动时， 陀螺仪的输出角速度会发生 一定幅度的缓慢起伏， 这就是所谓的零点漂移。 干涉式光纤陀螺仪的优点是结构简单、 成本 低廉， 缺点是零点漂移相对较大。 如何克服或抑制干涉式光纤陀螺仪的零点漂移 是人们非常 关心的一个重要问题。

传统的开环干涉型光纤陀螺仪的系统结构如附 图 1(a)所示，其中的元件包括：超辐射发光 二极管 1、 光电检测二极管 2、 光源耦合器 3、 起偏器 4、 光环耦合器 5、 光纤环 6。 根据附图

1， 经典的干涉型全光纤陀螺仪的工作原理是： 由超辐射发光二极管 1发出的偏振光（椭圆偏 振光或圆偏振光）输入光源耦合器 3的①端口， 并被分成两路偏振光； 其中沿直通臂传输并 由③端口输出的偏振光输入起偏器 4; 起偏器 4将输入的偏振光变为线偏振光并将该线偏振 光输入到光环耦合器 5的①端口。 光环耦合器 5将输入的线偏振光分成两路分别从其③、 ④ 端口输出； 光环耦合器 5的③、 ④端口输出的线偏振光分别沿光纤环 6的顺时针和反时针方 向传输， 然后从光环耦合器 5的③、 ④端口返回光环耦合器 5并在其中发生相干叠加； 相干 叠加后的线偏振光又被光环耦合器 5分成两路并分别从光环耦合器 5的①、 ②端口输出。 从 光环耦合器 5的①端口输出的线偏振光中： 从①端口出发的， 沿顺时针方向传输的线偏振光 经过光环耦合器 5的直通臂和耦合臂各一次； 沿反时针方向传输的线偏振光也经过光环耦合 器 5的直通臂和耦合臂各一次。 因此， 从光环耦合器 5的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针 方向传输的线偏振光返回到光环耦合器 5的①端口时所经过的光程是相同的， 所以它们相干 叠加产生的线偏振光被称为互易光， 输出互易光的端口也被称为互易端口。 然而， 从光环耦 合器 5的②端口输出的线偏振光中： 从光环耦合器 5的①端口出发的， 沿顺时针方向传输的 线偏振光经过光环耦合器 5的直通臂共两次， 而沿反时针方向传输的线偏振光则经过光 稱 合器 5的耦合臂共两次。 因此， 从光环耦合器 5的①端口出发的， 沿顺时针、 反时针方向传 输的线偏振光到达光环耦合器 5的②端口时所经过的光程是不相同的， 所以它们相干叠加产 生的线偏振光被称为非互易光， 输出非互易光的端口也被称为非互易端口。 非互易光信号是 不能作为光纤陀螺仪的检测信号使用的。 从光环耦合器 5的①端口 （互易端口）输出的线偏 振光经过起偏器 4输入到光源耦合器 3的③端口， 光源耦合器 3将③端口输入的线偏振光信 号分成两路， 其中一路通过其②端口输入光电检测器 2。 当光纤环 6静止时， 从光环耦合器 5 的①端口出发， 分别沿顺时针、 反时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合 器 5的①端口 时所经过的光程是相同的； 当光纤环 6转动时， 从光环耦合器 5的①端口出发， 分别沿顺时 针、反时针方向传输的两路线偏振光返回光环 耦合器 5的①端口时所经过的光程是不相同的； 在这两种情况下， 光电检测器 2接收到的光信号强度有所不同， 由此则可以计算出光纤环 6 转动的角速度。

为了提高全光纤陀螺仪的检测灵敏度， 可以在光纤环 6的一端放置一个 PZT压电陶瓷调 相器 7。该调相器是一个圆盘形的陶瓷片， 简称 PZT圆盘。光纤环 6中的很小一段（约 1米） 缠绕在 PZT圆盘的外圆上。当给 PZT圆盘施加交变电压信号时， PZT圆盘的半径将随交变电 压信号发生改变， 从而使光纤环 6的长度发生微小的改变。 由于沿顺时针 /反时针方向传输的 光信号达到 PZT压电陶瓷调相器 7的时刻不相同， 所以在光电检测二极管 2上可检测到一个 交流信号， 陀螺仪静止和转动时这个交流信号的频谱和幅 度都将发生相应的变化， 根据这个 变化就可计算出陀螺仪的转动速度。

参考文献： ( 1 ) Herve C. Lefevre, "The Fiber-Optic Gyroscope", Artech House, Boston, 1993. (2)光纤陀螺原理与技术， 张桂才编著， 国防工业出版社， 2008年。 发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题 ， 提供一种抑制干涉型全光纤陀螺仪的零 点漂移的方法以及相应的干涉型全光纤陀螺仪 。

本发明依据开环干涉型光纤陀螺仪的零点漂移 具有： （1 ) 与陀螺仪转动方向无关； （2) 变化缓慢的特点， 对施加在 PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号进行快速 倒相， 同时对输 出转速信号进行计算处理， 从而使干涉型全光纤陀螺仪零点漂移得到了明 显的抑制， 可大幅 度提高陀螺仪的技术指标。 本发明采用以下技术方案实现本发明的目的。

干涉型全光纤陀螺仪的零点漂移的抑制方法， 其包括：按照设定的半周期切换施加于 PZT 压电陶瓷调相器的交变电压的极性， 并以所述陀螺仪在两个相邻半周期内输出的转 速之差的 一半作为陀螺仪在该周期内的输出转速。

其中， 交变电压极性的切换通过倒相开关来实现， 即： 在产生交变电压的振荡器和所述

PZT压电陶瓷调相器之间设置一倒相开关， 所述倒相开关周期性地切换施加于 PZT压电陶瓷 调相器的交变电压的极性。 上述 "快速倒相"指的是倒相开关从一个状态向另一� ��态转换的 速度非常快， 而不涉及倒相开关在任意一个状态的维持时间 。

所述倒相开关通过方波信号来控制， 方波信号的周期和交变电压的周期之比优选大 于

1000。

本发明还公开了采用上述零点漂移抑制方法的 干涉型全光纤陀螺仪。 和现有技术相同， 该陀螺仪也包括： 超辐射发光二极管、 光源耦合器、 起偏器、 光环耦合器、 光纤环、 振荡器、

PZT压电陶瓷调相器、 光电检测二极管、 和解调 /放大电路；

其中， 所述光源耦合器和所述超辐射发光二极、 所述起偏器、 和所述光电检测二极管信 号连接； 所述光环耦合器和所述起偏器和所述光纤环信 号连接； 所述解调 /放大电路和所述光 电检测二极管信号连接； 所述振荡器向所述 PZT压电陶瓷调相器施加交变电压， 所述光纤环 一端的一部分缠绕于所述 PZT压电陶瓷调相器的外圆上；

和现有技术的区别集中体现在， 所述陀螺仪还包括：

倒相开关， 所述倒相开关设置于所述振荡器和所述 PZT压电陶瓷调相器之间， 用于控制 所述交变电压的极性；

单片机， 所述单片机和所述倒相开关和所述解调 /放大电路信号连接， 用于：

输出方波信号， 控制所述倒向开关按照设定的半周期切换施加 于 PZT压电陶瓷调相器的 交变电压的极性； 以及

根据所述解调 /放大电路的输出信号和所述方波信号的相位� � 计算陀螺仪在两个相邻半周 期内输出的转速之差的一半， 作为陀螺仪在该周期内的输出转速。

同样， 所述交变电压极性的切换周期和交变电压的周 期之比应大于 1000。

与现有技术相比， 本发明的积极效果如附图 2所示， 其中： 曲线 12—是某全光纤陀螺仪 采用本发明技术前的输出信号曲线。 曲线 13—是某全光纤陀螺仪采用本发明技术后输出� ��号 曲线。 为了对两条曲线进行观察对比， 将曲线 13做了向下平移。 陀螺仪的输出角速度可以表示为： R+A。 R为陀螺仪的输入角速度， Δ为输出角速度的漂 移分量。 当 PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号的极性反 转时， 相当于陀螺仪的输入角速 度发生反转， 由于角速度漂移分量与陀螺仪的输入角速度无 关且随时间的变换速度缓慢， 所 以， 此时陀螺仪的输出角速度可以近似表示为： -R+A。 在交变电压极性切换的一个周期内， 将 （R+Δ) - (-R+Δ) 并除以 2， 则可求得输入角速度 R。

与现有技术相比， 此时陀螺仪的输出角速度中， 漂移分量将大幅度下降， 本发明的目的 由此得以实现。 附图说明

图 1(a)和 (b)分别表示现有技术和本发明实施例的干涉型 全光纤陀螺仪的系统框图； 其中： 1一超辐射发光二极管； 2—光电检测二极管； 3—光源耦合器； 4一起偏器； 5— 光环耦合器； 6—光纤环； 7— PZT压电陶瓷调相器； 8—倒相开关； 9一单片机； 10—振荡器；

11一解调 /放大电路。

图 2表示全光纤陀螺仪采用本发明技术前、 后输出角速度信号的曲线对比；

其中： 曲线 12是某全光纤陀螺仪采用本发明技术前的输出� ��号曲线； 曲线 13是该全光 纤陀螺仪采用本发明技术后输出信号曲线。为 了便于对两条曲线进行观察对比， 将曲线 13做 了向下平移， 平移量为 - 0.0025度 /秒。 具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细地说明本发 明。

如附图 1(b)所示， 本发明实施例涉及的干涉型全光纤陀螺仪包括 两个部分，

第一部分是经典的干涉型全光纤陀螺仪， 其中包括： 1一超辐射发光二极管， 2—光电检 测二极管， 3—光源耦合器， 4一起偏器， 5—光环耦合器， 6—光纤环， 10—振荡器； 11一解 调 /放大电路

第二部分是本发明涉及的电路单元， 其中包括： 7— PZT压电陶瓷调相器， 8—倒相开关， 9一单片机共三个单元。

PZT压电陶瓷调相器 7为圆柱形薄片， 光纤环的部分光纤 （约 1米） 缠绕并粘在其外圆 上， PZT压电陶瓷调相器 7上的交变电压信号由振荡器 10产生， PZT压电陶瓷调相器 7上 的交变电压信号的极性由高速倒相幵关 8控制， 高速倒相开关 8由单片机 9输出的方波信号 控制， 单片机 9根据解调 /放大电路 11输出信号以及方波信号的相位进行运算处理� ��输出陀 螺仪转速信号。 在极性切换的一个周期中， 假设陀螺仪在前半周期的输出角速度表示为： R+A。 R 为陀 螺仪的输入角速度， Δ为输出角速度的漂移分量。 当 PZT压电陶瓷调相器上的交变电压信号 的极性反转时， 相当于陀螺仪的输入角速度的方向发生反转。 由于输出角速度的漂移分量与 陀螺仪的输入角速度无关且随时间的变换比较 缓慢， 所以， 陀螺仪在后半周期的输出角速度 可以近似表示为： -R+A。 因此在该周期内， 将 （R+Δ) 减去 （-R+Δ) 并除以 2， 便可得到输 入角速度1。 与现有技术相比， 此时陀螺仪的输出角速度中的漂移分量可得到 明显抑制。