干涉型光纤陀螺仪典型的光路由宽带光源、光纤耦合器、光电探测器、Y波导集成光学器件和光纤线圈(形成闭合回路后,称为光纤环),其中Y波导集成光学器件集成了线圈分束器、调制器和偏振滤波器的功能(见图)。
从光源发出的光经光纤耦合器和Y波导集成光学器件后分为两束进入多匝光纤线圈,在光纤线圈相向传播后,经Y波导集成光学器件而汇合,产生的干涉信号经光纤耦合器进入光电探测器,转换为电信号,通过解调电路得到干涉信号相位差,进而实现对光纤线圈法向输入角速度的测量。数字逻辑芯片中实现偏置调制信号的生成、干涉信号的解调、反馈信号的生成和陀螺信号的输出。反馈信号通过放大器后作用于Y波导集成光学器件,确保陀螺仪工作在正弦信号的零点,使光纤陀螺仪具有很高的标度因数稳定性和一个稳定的零位。
干涉型光纤陀螺光路中采用宽带光源主要用于抑制各种寄生干涉引起的误差。
干涉型光纤陀螺仪需要克服的主要误差包括偏振误差、温度变化率引起的舒普(Shupe)效应误差、磁光法拉第效应引起的磁场误差等。偏振误差主要通过抑制光路中的偏振交叉耦合来降低,例如采用Y波导集成光学器件进行偏振滤波、采用保偏光纤抑制光纤线圈中的偏振交叉耦合,或者采用消偏光路,使偏振交叉耦合最大化后确保50%的光波通过偏振滤波器。由于消偏光路的复杂性和实现高精度的难度,在高精度光纤陀螺仪中应用较少。干涉型光纤陀螺仪中光纤线圈通常采用四极对称、八极对称等对称绕制方法,降低Shupe效应误差。力学条件下光纤线圈不同部位受力不同,引起局部光纤的折射率变化,产生的误差类似Shupe效应误差,通常需要将光纤线圈用胶进行固化以提高其力学环境适应性和长期稳定性。对于磁场误差,由于保偏光纤的不理想和光纤在绕制光纤线圈过程中会产生扭转,一方面需要提高保偏光纤的偏振保持性能,减小绕制中的光纤扭转;另一方面需要采用高磁导率材料(如铁镍合金)对光纤线圈进行磁屏蔽,减小其所面临的磁感应强度。
采用闭环控制的干涉型光纤陀螺仪可以提高整个测量范围内的精度,产品已覆盖了从速率级(优于10°/h)到精密级(0.0001°/h)的应用范围,从20世纪90年代开始,陆续在航天、航空、航海和兵器等多个军民领域得到广泛应用。
由于空芯光纤内部为空气,折射率温度系数和Verdet系数接近于零,因而基于空芯光纤的光纤陀螺仪成为一个新的发展方向。