CN100494897C - 采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，由光学表头和电路信号处理部分组成，光学表头包括：光源、Y波导、探测器、耦合器和光纤环，其中光源为低偏振光源，单模尾纤耦合；Y波导输入端采用单模光纤，Y波导输出端光纤采用保偏光纤；所述的探测器输入尾纤为单模光纤；耦合器为2×2偏振无关的单模光纤耦合器；光纤环为保偏光纤。本发明通过采用低偏和保偏混合的光路方案及全数字闭环控制、随机过调制等信号处理方法，降低了光路偏振串扰的影响，简化了装配工艺，易于批量生产，保证了良好的标度因数线性度性能和较低的噪声水平，并通过温度建模和补偿，使得光纤陀螺在全温范围内零位的漂移量较小，实现了具有优异性能且能够工程应用的光纤陀螺。

Description

采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，特别是一种低成本、抗干扰、易于批量生产的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的能够测量角速度的仪表，主要用于惯性测量系统。目前比较成熟而且大量使用的主要是干涉式数字闭环光纤陀螺。光源经过耦合器以及Y波导后，分为两束相向传播的光，当光纤环的敏感轴方向有角速度输入时，在两束光之间产生Sagnac相位差，并产生干涉，通过探测器转换为电信号并经过处理就可以获得对应的输入角速度。

光纤陀螺具有体积小、重量轻、启动快、可靠性高、寿命长等优点，而被广泛应用于导航、控制等系统中。目前，国内外的光纤陀螺大多采用保偏光纤耦合器用作光源分束器，光路上采用全保偏方案，技术已经比较成熟，而且国外已经批量生产全保偏方案的光纤陀螺。但是全保偏光路方案对光源和保偏光纤耦合器的偏振保持特性及偏振稳定特性要求高，容易受到外界环境的影响，另外全保偏光路方案对装配工艺和对轴精度要求高，光路成本较高，不利于批量生产。而且由于国内保偏光纤耦合器的制作工艺还不是很成熟，因此需要研究以单模光纤耦合器为基础的非全保偏光路的光纤陀螺，并争取尽快实现工程化和批量生产，以满足我国的导航、控制等系统对光纤陀螺的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题之一：克服全保偏光路方案的不足，提供一种采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，它降低了光路偏振串扰的影响，简化了装配工艺，提高了生产效率和装配一致性，易于批量生产。

另外，本发明另一技术解决问题：通过电路信号处理部分，实现全数字的闭环控制，提高动态范围，降低噪声水平，提高光纤陀螺的标度因数性能以及温度适应性。

本发明的技术解决方案是：采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，由光学表头和电路信号处理部分组成，其中光学表头包括：光源、Y波导、探测器、耦合器和光纤环。其特征在于：所述的光学表头采用低偏和保偏混合光路，即所述的光源为低偏振光源，单模尾纤耦合；所述的Y波导输入端采用单模光纤，Y波导输出端光纤采用保偏光纤；所述的探测器输入尾纤为单模光纤；所述的耦合器为2×2偏振无关的单模光纤耦合器；所述的光纤环为保偏光纤。

所述的电路信号处理部分采用全数字闭环控制，至少包含前置放大器、A/D转换器、FPGA逻辑电路、D/A转换器和调制驱动电路，干涉信号经过探测器及前放电路之后，转换为电压信号，再经过A/D转换器变为数字信号，在FPGA逻辑电路内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出，另一方面FPGA逻辑电路将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波。数字阶梯波与随机过调制数字信号相叠加后，通过D/A转换器和调制驱动电路作为反馈信号施加到Y波导上，引入偏置调制并补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现全数字闭环控制。

所述的偏置调制为随机过调制，即调制波形为伪随机序列，且调制深度为2π/3，频率为光纤环本征频率2倍的方波信号。

在所述的电路信号处理部分的输出端进行温度建模补偿，即将温度传感器置于光纤环附近，测量光纤环的温度数据，建立光纤陀螺的温度模型为：

Ω＝K₀(T)+K₁(T)ω_in+ε                  (1)

K₀(T)＝K₀₀+K₀₁T+K₀₂ΔT            (2)

K₁(T)＝K₁₀+K₁₁T+K₁₂ΔT             (3)

式中Ω为光纤陀螺输出，ω_in为输入角速率，ε为随机漂移，T为温度，ΔT为温差，K_ij为误差系数。

本发明的原理：通过对混合光路偏振特性影响光纤陀螺性能的机理进行深入研究，光路的偏振性能引起的光纤陀螺相位误差φ_e如下式所示：

${\mathrm{\φ}}_e=\sqrt{\frac{1-d}{1+d}}\mathrm{\ϵ}\sqrt{\mathrm{hl}}$

其中d表示光源的偏振度，ε表示Y波导的偏振抑制比，h与l之积表示线圈中偏振交叉耦合的统计影响。由上式可见，采用单模光纤耦合器和低偏振光源，虽然d接近0，但只要偏振抑制比足够小，光源偏振度稳定，偏振误差可以足够小，并且稳定。事实上ε可以达到10^-6，h可以小至10^-5m^-1，对于1000m长的光纤，误差可以小至10^-7rad。因此采用单模光纤耦合器和低偏振光源为基础的非全保偏光路，同样可以获得较小的相位误差，能够确保相位误差满足了各种精度光纤陀螺的要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的前光路采用无偏光路，即光源采用低偏振光源，探测器、Y波导前端及耦合器均采用单模光纤，可以降低对后续光学元器件的偏振保持特性及偏振稳定特性的要求，并且在很大程度上降低了光路偏振串扰的影响，提高了光纤陀螺的抗温度变化及力学干扰的性能；而现有技术的前光路为保偏光路，采用的是高偏振光源(偏振度≥90％)，则对后续光学元器件的偏振保持特性及偏振稳定特性要求高，容易引起光路的偏振串扰。

(2)采用了偏振无关的单模光纤耦合器，降低了偏振串扰。

(3)由于前光路器件尾纤采用了单模光纤，并且采用了低成本的单模光纤耦合器，因此降低了光路的成本。

(4)Y波导前光路焊接无需对轴，降低了硬件成本，提高了生产效率和装配一致性，适合于大批量生产；而保偏光纤的纤芯焊接前需要精确对轴，导致生产效率比较低，而且装配一致性较差。

(5)采用全数字闭环控制，提高了动态范围，降低了对电子元件的性能要求。

(6)采用过调制，可以获得较高的信噪比，而通过随机调制可以避免由于固定调制波形造成的死区现象，并可以提高标度因数的线性度。

(7)通过建立光纤陀螺的温度模型，且在DSP内完成补偿算法，可以减小光纤陀螺全温范围内的零位波动，提高光纤陀螺的温度适应性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明采用的随机过调制波形示意图；

图3为光纤陀螺温度补偿前陀螺的输出示意图；

图4为采用温度后补偿陀螺的输出示意图；

图5为图1中的FPGA逻辑电路实现框图。

图中：101.光源，102.探测器，103.耦合器，104.Y波导，105.光纤环，106.光纤熔接焊点，107.光纤熔接焊点，108.光纤熔接焊点，109.光纤熔接焊点，110.光纤熔接焊点，111.耦合器的空头端，112.前置放大器，113.A/D转换器，114.FPGA逻辑电路，115.D/A转换器，116.温度传感器，117.调制驱动电路，118.光源驱动电路，119.DSP芯片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光路方案实施方式是由光源101、探测器102、耦合器103、Y波导104和光纤环105构成，其中光源101为低偏振光源波长为1310nm，偏振度≤5％，其尾纤为单模尾纤耦合，模场直径为6.5±0.5μm，包层直径为125μm，低偏振光源的制作过程主要是基于半导体能带理论，在工艺上采用脊形波导结构，结合吸收区制作工艺技术，并且在端面镀制高增透膜技术，来保证光源管芯的消光比指标满足低偏振要求；探测器102输入尾纤为单模光纤，对反射损耗指标要求：≥40dB；耦合器103为2×2单模光纤且偏振无关的耦合器，要求偏振相关损耗PDL≤0.03dB，光纤模场直径为6.5±0.5μm，包层直径为125μm，单模耦合器可以采用平行烧结技术制备，而且在光纤烧结熔锥拉伸过程中，不断地旋转烧结光纤的角度，并且通过控制旋转光纤的角度，来制备偏振无关的单模耦合器；Y波导104输入端采用模场直径为6.5±0.5μm、包层直径为125μm的单模光纤，输出端光纤采用80μm细径扁椭圆形保偏光纤；光纤环105为80μm细径扁椭圆型保偏光纤。本发明中所有单模尾纤在光路装配中，尾纤长度控制在≤0.30m。

光源101通过熔接焊点106与耦合器103相连接；探测器102通过熔接焊点107与耦合器103相连接；耦合器103通过接焊点110与Y波导104相连接；Y波导104分别通过接焊点108和109与光纤环105相连接。在装配过程中控制光源101、探测器102、耦合器103、Y波导104的单模尾纤长度≤0.30m。当光源101与耦合器103输入端连接后，在耦合器103输出空头端111监测输出光信号的偏振度，要求偏振度(DOP)≤6％。将耦合器103的空头端111的末端辗碎，并将光纤盘成两个直径为10mm的圆，用固化胶固定。

图1中光源驱动电路118要求控制光源管芯的温度变化不能超过0.1℃，光源的光功率变化不能超过3％。

本发明的数字闭环控制部分至少包含前置放大器112、A/D转换器113、FPGA逻辑电路114、D/A转换器115和调制驱动电路117。干涉信号经过探测器102及前置放大器112之后，转换为电压信号，再经过A/D转换器113之后变为数字信号，在FPGA逻辑电路114内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波。数字阶梯波与随机过调制数字信号相叠加后，通过D/A转换器115和调制驱动电路117作为反馈信号施加到Y波导104上，引入偏置调制并补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现全数字闭环控制。

如图5所示，FPGA逻辑电路的工作过程：A/D转换器113转换的数字量分别存放到正周期寄存器和负周期寄存器中，然后经过减法器将正周期寄存器和负周期寄存器中的数字量相减，完成数字解调，获得数字闭环角速率误差信号，将该信号存放到角速率误差寄存器中，该信号再经过第一加法器与阶梯高寄存器中的数据相加，进行数字积分，积分的结果存放在阶梯高寄存器中，阶梯高寄存器中的数据再经过数字滤波环节送给DSP芯片119进行温度补偿，最终获得能够满足实际需要的陀螺输出信号；另一方面将阶梯高寄存器中的数据作为阶梯波的阶梯高通过第二加法器数字阶梯波寄存器中的数据相加，再一次数字积分，产生数字阶梯波信号。然后该阶梯波信号与随机过调制数字信号通过第三加法器相叠加，最终将叠加后的数字信号送给D/A转换器115。

图2所示为本发明的随机过调制波形，调制深度为2π/3，而且是一个伪随机序列，周期为光纤环本征频率的2倍。通过随机调制可以避免因固定调制波形造成的死区现象，而且由于调制深度为2π/3，所以可以获得比较高的信噪比。在FPGA逻辑电路114中产生该波形对应的数字量，然后与反馈阶梯波的数字量相叠加，通过D/A转换器115和调制驱动电路117作为调制信号施加到Y波导104上，实现随机过调制。

本发明的温度建模实现方式如下：可以将四只以上的温度传感器116分别放置在光纤环105内侧和外侧，测量光纤环105的温度以及温度梯度的数据。建立的光纤陀螺温度模型为：

Ω＝K₀(T)+K₁(T)ω_in+ε               (1)

K₀(T)＝K₀₀+K₀₁T+K₀₂ΔT         (2)

K₁(T)＝K₁₀+K₁₁T+K₁₂ΔT          (3)

式中Ω为光纤陀螺输出，ω_in为输入角速率，ε为随机漂移，T为温度，ΔT为温度梯度，K_ij为误差系数。

当温度梯度ΔT为零时，在整个温度范围内选取不同的温度点T_i。在每个温度点T_i下，通过单轴速率转台对光纤陀螺进行速率标定测试，针对不同的速率输入ω_i，获取不同的陀螺输出Ω_i，对陀螺的输入输出数据进行最小二乘拟合处理，获取(1)式中的系数K₀(T_i)与K₁(T_i)。利用每个温度点T_i和不同的温度梯度ΔT_i与K₀(T_i)对(2)式进行最小二乘拟和处理，获取参数K₀₀、K₀₁与K₀₂。利用每个温度点Ti和不同的温度梯度ΔT_i与K₁(T_i)对(3)式进行最小二乘拟合处理，获取参数K₁₀、K₁₁与K₁₂。

建立上述3个模型，在DSP芯片119中完成温度误差的补偿。

补偿前后陀螺的输出曲线分别如图3和图4所示。通过对比可以发现，经过温度补偿后，光纤陀螺在全温范围内零位的漂移得到明显改善。

Claims (12)

1、采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，由光学表头和电路信号处理部分组成，其中光学表头包括：光源、Y波导、探测器、耦合器和光纤环。其特征在于：所述的光学表头采用低偏和保偏混合光路，即所述的光源为低偏振光源，单模尾纤耦合；所述的Y波导输入端采用单模光纤，Y波导输出端光纤采用保偏光纤；所述的探测器输入尾纤为单模光纤；所述的耦合器为2×2偏振无关的单模光纤耦合器；所述的光纤环为保偏光纤。

2、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的低偏振光源的波长为1310nm，偏振度≤5％，单模尾纤耦合的模场直径为6～7μm，包层直径为125μm。

3、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的Y波导输入端采用的单模光纤的模场直径为6～7μm、包层直径为125μm的单模光纤，输出端保偏光纤采用80μm细径扁椭圆型保偏光纤。

4、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的探测器输入尾纤为单模光纤，对反射损耗指标要求≥40dB。

5、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的2×2偏振无关的单模光纤耦合器的偏振相关损耗≤0.03dB，光纤模场直径为6～7μm，包层直径为125μm。

6、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的光纤环为80μm细径扁椭圆型保偏光纤。

7、根据权利要求1或2所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的单模尾纤在光路装配中，尾纤长度控制在≤0.30m。

8、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：在所述的光源与耦合器输入端连接后，在耦合器输出端空头监测输出光信号的偏振度，偏振度≤6％。

9、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述耦合器的空头处理方式是将输出端的末端辗碎，并将光纤盘成两个直径为10mm的圆，采用固化胶固定。

10、根据权利要求1所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的电路信号处理部分采用全数字闭环控制，至少包含前置放大器、A/D转换器、FPGA逻辑电路、D/A转换器和调制驱动电路，干涉信号经过探测器及前置放大器之后，转换为电压信号，再经过A/D转换器变为数字信号，在FPGA逻辑电路内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出，另一方面FPGA逻辑电路将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，数字阶梯波与随机过调制数字信号相叠加后，通过D/A转换器和调制驱动电路作为反馈信号施加到Y波导上，引入偏置调制并补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现全数字闭环控制。

11、根据权利要求10所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：所述的偏置调制为随机过调制，即调制波形为伪随机序列，且调制深度为，频率为光纤环本征频率2倍的方波信号。

12、根据权利要求10所述的采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，其特征在于：在所述陀螺的闭环输出并经过数字滤波后的数据进行温度建模补偿，即将温度传感器置于光纤环附近，测量光纤环的温度数据，建立光纤陀螺的温度模型为：

Ω＝K₀(T)+K₁(T)ω_in+ε      (1)

K₀(T)＝K₀₀+K₀₁T+K₀₂ΔT     (2)

K₁(T)＝K₁₀+K₁₁T+K₁₂ΔT     (3)

式中Ω为光纤陀螺输出，ω_in为输入角速率，ε为随机漂移，T为温度，ΔT为温差，K_ij为误差系数。

Images