CN101451841B - 一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，包括光路单元和电路单元，其中电路单元包括激光器、激光器驱动电路、探测器、低通滤波器、模数转换器和数字信号处理电路；光路单元包括光谱滤波器、光隔离器、第一波分复用器、掺铒光纤、第二波分复用器、反射镜、耦合器、Y波导集成光学器件和光纤线圈，光谱滤波器输出1.55μm波段的超荧光，光路单元中还包括数模转换器和放大器，数模转换器、放大器和Y波导集成光学器件采用金属盒包裹在一起，形成电磁屏蔽。本发明将Y波导集成光学器件的驱动信号和探测器接收到的信号之间的电子串扰在结构上进行隔离，消除了电子串扰引起的死区。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺仪，特别是一种采用1.55μm波长的高精度光纤陀螺仪。
背景技术
干涉式光纤陀螺仪是一种全固态的惯性仪表，具有可靠性高、寿命长等优点，高精度光纤陀螺仪(精度优于0.01°/h)通常采用平均波长为1.55μm的掺铒光纤光源。光纤陀螺仪在原理上包括光路和电路两单元，通常光路单元和电路单元装配和封装在同一个结构体内。为了提高性能，研究人员提出了一种光路单元和电路单元隔离的装配形式，对于采用1.55μm波长的高精度光纤陀螺仪，光路单元主要包括掺铒光纤光源、耦合器、Y波导集成光学器件、光纤线圈和探测器，电路单元主要包括探测器掺铒光纤光源的泵浦激光器、模数转换器、数字信号处理电路、数模转换器、放大器。
高精度光纤陀螺仪基于闭环工作，基于数字方波调制的闭环反馈信号通过数模转换器和放大器施加在Y波导集成光学器件上，用于产生反馈相位差，以和输入角速度产生的相位差相抵消。反馈信号来自于探测器信号解调后的两次积分，并与探测器信号的频率相同，均等于光纤线圈本征频率的整数倍(约MHz)，由于反馈信号为基于方波的信号，含有高频分量，所以施加到Y波导集成光学器件上的反馈信号会通过空间耦合到探测器输出信号中，从而使光纤陀螺仪在输入速率很小时输出为零附近的一个固定值，即光纤陀螺仪进入了死区，设计不好的光纤陀螺仪的死区能够达到1°/h以上，严重限制了高精度光纤陀螺仪的精度，会引起较大导航和制导的误差，为此需要消除高精度光纤陀螺仪的死区。
目前，采用随机调制可以通过周期性的正负耦合量抵消来减小光纤陀螺仪的死区，但是不能完全消除光纤陀螺仪的死区，且随机调制时需要将光纤陀螺仪的相位偏置点调节到п/2。为了获得较高的随机游走性能，高精度光纤陀螺仪通常需要进行过调制，即相位偏置点在п/2～п的范围内。因此采用随机调制的方法降低了光纤陀螺仪的随机游走性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够消除高精度光纤陀螺仪死区的高精度光纤陀螺。
本发明的技术解决方案是：一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，包括光路单元和电路单元，其中电路单元包括激光器、激光器驱动电路、探测器、低通滤波器、模数转换器和数字信号处理电路；光路单元包括光谱滤波器、光隔离器、第一波分复用器、掺铒光纤、第二波分复用器、反射镜、耦合器、Y波导集成光学器件和光纤线圈，光谱滤波器输出1.55μm波段的超荧光，所述的光路单元还包括数模转换器和放大器，数模转换器、放大器和Y波导集成光学器件采用金属盒包裹在一起，形成电磁屏蔽。
所述的Y波导集成光学器件的半波电压小于3.5V。
所述的数字信号处理电路和数模转换器之间采用屏蔽电缆连接。
所述的探测器内部带有放大电路。
所述的模数转换器、数字信号处理电路、数模转换器采用电源电压±3.3V的芯片。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的光纤陀螺仪，采用了光电隔离方案，并且将电路中用于驱动Y波导集成光学器件实现闭环反馈的数模转换器和放大器与光路中的Y波导集成光学期间封装在同一个电磁屏蔽的金属盒内，有效防止了驱动Y波导集成光学器件的反馈信号对探测器输出信号的耦合，从根本上消除了死区，结合1.55μm波段的掺铒光纤光源，能够实现光纤陀螺仪的高精度；
(2)本发明的光纤陀螺仪，采用了半波电压小于3.5V的Y波导集成光学器件，可以有效降低Y波导集成光学器件的驱动电压，减小了反馈信号的大小和反馈信号的辐射大小，减小了反馈信号对探测器输出信号的耦合，有利于消除死区，提高光纤陀螺仪精度；
(3)本发明的光纤陀螺仪，采用了屏蔽电缆连接数字信号处理电路和数模转换器，有利于消除数字信号传输中产生的信号发射，有利于消除死区，提高光纤陀螺仪精度；
(4)本发明的光纤陀螺仪，采用了内部带有放大电路的探测器，有利于提高探测器输出信号的强度，减小反馈信号耦合至探测器输出信号所占的信号器强度比例，减小耦合的影响，有利于消除死区，提高光纤陀螺仪精度；
(5)本发明的光纤陀螺仪，其中的数模转换器、模数转换器和数字信号处理电路均采用了电源电压为±3.3V的芯片，减小了数字信号处理电路与数模转换器之间连接电缆的信号辐射，有利于减小死区，提高光纤陀螺仪精度。
附图说明
图1为本发明光纤陀螺仪的组成示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明光纤陀螺仪的组成示意图，包括光路单元19和电路单元20，其中电路单元20包括激光器9、激光器驱动电路10、探测器3、低通滤波器5、模数转换器7和数字信号处理电路8；光路单元19包括光谱滤波器18、光隔离器17、第一波分复用器13、掺铒光纤14、第二波分复用器15、反射镜16、耦合器1、Y波导集成光学器件2、光纤线圈4、数模转换器11和放大器12。光路单元19和电路单元20采用两个独立的金属盒体实现，其中数模转换器11与放大器12在一块单独的电路板上，该电路板和Y波导集成光学器件2通过螺钉固定在金属铜盒内，形成电磁屏蔽，金属铜盒的两端留有Y波导集成光学器件2的尾纤出口和来自数字信号处理电路8的数字信号线和电源线的出口。金属铜盒也可采用铜合金、铝、铝合金等材料的盒体替代。数模转换器11、放大器12和Y波导集成光学器件2的一起电磁屏蔽封装能防止反馈控制信号辐射到金属铜封装盒的外面，避免了反馈信号耦合至探测器3的输出信号。数字信号处理电路8和数模转换器11之间采用屏蔽电缆连接。
其工作原理为：激光器驱动电路10驱动激光器9产生激光，激光经第一波分复用器13后进入掺铒光纤14，掺铒光纤14将部分激光转换为超荧光，未经转换的激光经第二波分复用器15后输出，超荧光经第二波分复用器15后到达反射镜16反射，反射后反向经第二波分复用器15、掺铒光纤14、第一波分复用器13后到达光隔离器17，而后经光谱滤波器18(光谱滤波器18输出1.55μm波段的超荧光)滤波后经耦合器1到达Y波导集成光学器件2进行分束，产生两束线偏振光进入光纤线圈4，根据光纤陀螺仪的输入角速度产生相位差，携带有相位差的两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件2、耦合器1后到达探测器3，探测器3将光信号转换为电信号，而后依次经低通滤波器5、模数转换器7后送至数字信号处理电路8，数字信号处理电路8对传来的电信号进行解调得到角速度信号，并对角速度信号进行积分获得反馈控制信号，反馈控制信号依次经数模转换器11和放大器12后送入Y波导集成光学器件2，完成对两束线偏振光的相位置零闭环控制.
掺铒光纤光源(包括激光器9、光谱滤波器18、光隔离器17、第一波分复用器13、掺铒光纤14、第二波分复用器15、反射镜16)经过滤波后形成谱型为高斯谱，谱宽7nm，功率5mW的输出，探测器3采用牌号为PFTM91系列的探测器，该探测器内部带有放大电路，主要是为了增强探测器输出信号的强度，减小耦合信号对探测器输出信号的影响。数字信号处理电路8采用可编程逻辑门阵列，用于实现对探测器3信号的解调、陀螺输出信号的产生和Y波导集成光学器件2驱动信号的形成。模数转换器7采用14位精度，提高信号处理精度，数模转换器11采用16位精度，满足对反馈的精度要求。数字信号处理电路8、模数转换器7和数模转换器11采用电源电压±3.3V的芯片，减小反馈控制信号的辐射强度。
为了减小放大器12输出信号的幅度，减小放大器12输出信号的辐射强度，Y波导集成光学器件2的半波电压小于3.5V，可以使放大器电源电压采用±5V，而不是通常的±15V。
通过多次测试，结果表明采用常规方法设计的光纤陀螺仪的死区大于0.02°/h，而采用本发明原理设计的光纤陀螺仪在0.001°/h精度上未测量到死区，由此可以看出采用本发明原理设计的高精度光纤陀螺仪可以很好的消除光纤陀螺仪的死区。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，包括光路单元(19)和电路单元(20)，其中电路单元(20)包括激光器(9)、激光器驱动电路(10)、探测器(3)、低通滤波器(5)、模数转换器(7)和数字信号处理电路(8)；光路单元(19)包括光谱滤波器(18)、光隔离器(17)、第一波分复用器(13)、掺铒光纤(14)、第二波分复用器(15)、反射镜(16)、耦合器(1)、Y波导集成光学器件(2)和光纤线圈(4)，光谱滤波器(18)输出1.55μm波段的超荧光，其特征在于：所述的光路单元(19)还包括数模转换器(11)和放大器(12)，数模转换器(11)、放大器(12)和Y波导集成光学器件(2)采用金属盒包裹在一起，形成电磁屏蔽。
2.根据权利要求1所述的一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的Y波导集成光学器件(2)的半波电压小于3.5V。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的数字信号处理电路(8)和数模转换器(11)之间采用屏蔽电缆连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的探测器(3)内部带有放大电路。
5.根据权利要求1或2所述的一种消除死区的1.55μm波长高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述的模数转换器(7)、数字信号处理电路(8)、数模转换器(11)采用电源电压为±3.3V的芯片。
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