CN101709970A - 单端尾纤控温的光纤陀螺线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单端尾纤控温的光纤陀螺线圈。是由将一根连续光纤按照四极绕法绕制于骨架上构成的四极部分与四极部分绕制完成后两端预留光纤段的尾纤组成。所述两端尾纤长度相同，与四极部分最外层光纤位于光纤中点同侧的一端尾纤被缠绕于四极部分外侧，与四极部分最外层光纤位于光纤中点异侧的另一端尾纤安装于温度控制器上。本发明利用四极部分外侧尾纤与恒温尾纤产生的随四极部分温度变化的相位差来补偿四极部分的温度误差，实现线圈温度敏感性引起的系统室温启动误差的降低；采用光学手段补偿，减小光纤陀螺数据处理负担；仅控制单端尾纤的温度恒定，在工程上易于实现。

Description

单端尾纤控温的光纤陀螺线圈

技术领域

本发明涉及光纤陀螺线圈，尤其涉及一种单端尾纤控温的光纤陀螺线圈。

背景技术

干涉式光纤陀螺仪是基于萨格奈克(Sagnac)效应的一种旋转角速率传感器，其最小互易性结构包括以下几部分：一个光源，一个探测器，一个光纤定向耦合器，一个偏振器(有时包括一个或多个消偏器)，一个集成光学Y波导，一个由保偏光纤或普通单模光纤绕制成的光纤传感线圈。光源发出的光经过耦合器，由Y波导分成沿线圈正反两方向传输的光，经过线圈后两束光由Y波导耦合并经过耦合器在探测器的接收端形成干涉。线圈旋转时，两束光经历的光程不同，探测器接收到的干涉光强随之变化，由此检测与线圈固定平台的旋转角速率。

光纤陀螺具有高可靠、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。光纤陀螺的全固态结构，使其比以前采用的机械转子或气体环形激光器的方案具有更重要的优势。但是，由于光纤陀螺线圈的温度敏感性，即使在室温启动时，光纤陀螺仍然会产生输出误差，限制系统精度。室温启动时，光纤陀螺内部光源与电路板等热源向光纤陀螺线圈传递热量，在光纤陀螺线圈达到热平衡之前，线圈内部光纤温度随时间变化且相对光纤中点不对称分布，使得沿光纤正反两方向传输的光波经历不同的相位，产生与线圈旋转无关的相位差，这个相位差与旋转引起的萨格奈克相位差无法区分从而造成启动时的系统误差。对于高精度光纤陀螺，室温启动误差已成为制约其应用的关键问题。

四极等对称绕法虽然可提高光纤陀螺线圈的温度性能，进而减小陀螺的启动误差，但线圈中仍有残余非互易效应存在，启动误差减小程度有限。

现有的一种降低高精度光纤陀螺室温启动误差的方法为温度补偿，即在陀螺启动一段时间内，根据陀螺内部的温度传感器输出建立光纤陀螺的温度模型，对原始的陀螺输出进行补偿，修正光纤陀螺线圈在达到热平衡的过程中产生的输出误差，降低系统的启动误差。该方法使用软件手段降低光纤陀螺线圈的温度敏感性对系统的影响，在一定程度上改善了陀螺室温启动问题，但需实时读取陀螺内部各监测点温度并对原始数据加以补偿，严重增加了陀螺工作过程中数据处理的工作量。

现有的另一种降低高精度光纤陀螺室温启动误差的方法为对光纤陀螺线圈进行温度控制，使之工作于恒定的温度条件下，从而减小了陀螺启动过程中由于线圈的温度敏感性带来的系统误差。该方法减轻了陀螺输出数据处理的工作负担，但控制线圈各处温度同时处于恒定状态在工程实现上存在较大难度。

所以，目前存在一些降低高精度光纤陀螺室温启动误差的方法存在，但要求强大的陀螺数据处理能力或在工程上难以实现，所以寻找一种数据处理能力要求较低且易于实现的降低光纤陀螺室温启动误差的方法是非常必要的。

发明内容

针对已有的降低高精度光纤陀螺室温启动误差的方法过程繁琐及难以实现的问题，本发明的目的在于提供一种单端尾纤控温的光纤陀螺线圈，以简便易行地降低光纤陀螺室温启动误差。

本发明采用的技术方案如下：

本发明是由将一根连续光纤按照四极绕法绕制于骨架上构成的四极部分与四极部分绕制完成后两端预留光纤段的尾纤组成。所述两端尾纤长度相同，与四极部分最外层光纤位于光纤中点同侧的一端尾纤被缠绕于四极部分外侧，与四极部分最外层光纤位于光纤中点异侧的另一端尾纤安装于温度控制器上。

所述的温度控制器为使用热电制冷器的温度控制器。

所述尾纤长度由实验确定，实验步骤如下：(1)将尾纤长度设为非0不同数值，分别读取对应光纤陀螺线圈所属光纤陀螺的室温启动误差；(2)将尾纤长度设为0，读取单纯四极部分所属光纤陀螺的室温启动误差；(3)比较各尾纤长度光纤陀螺线圈对应室温启动误差与单纯四极部分对应室温启动误差，直到找到一个尾纤长度使其对应的室温启动误差在任一时刻均小于单纯四极部分对应的室温启动误差，且在各时刻减小值的平均值最大，将此时的尾纤长度作为所述光纤陀螺线圈的尾纤长度。

所述尾纤被控制温度为该段尾纤在光纤陀螺启动过程结束后所处位置的温度。室温启动误差为光纤陀螺在室温条件下启动过程中的输出误差。

本发明具有的有益效果是：

(1)利用四极部分外侧尾纤与恒温尾纤产生的随四极部分温度变化的相位差来补偿四极部分的温度误差，实现线圈温度敏感性引起的系统室温启动误差的降低；

(2)采用光学手段补偿，减小光纤陀螺数据处理负担；

(3)仅控制单端尾纤的温度恒定，在工程上易于实现。

附图说明

图1是本发明提出的单端尾纤控温的光纤陀螺线圈示意图。

图2是四极绕法示意图。

图中：10、线圈，11、四极部分，12、A端尾纤，13、B端尾纤，14、骨架，15、A段光纤，16、B段光纤，17、温度控制器。

具体实施方式

图1是本发明提出的单端尾纤控温的光纤陀螺线圈示意图；图2是四极绕法示意图。如图1、图2所示，线圈10由四极部分11及A端尾纤12与B端尾纤13组成。四极部分11由一根连续光纤按照四极绕法绕制于骨架14上，层数为4的倍数，与四极部分最外层光纤位于光纤中点同侧的光纤段称为A段光纤15，与四极部分最外层光纤位于光纤中点异侧的光纤段称为B段光纤16。A端尾纤12与B端尾纤13分别为四极部分11绕制完成后A段光纤15与B段光纤16的预留光纤段。A端尾纤12与B端尾纤13长度相等；A端尾纤12被缠绕于四极部分11的外侧并固定，缠绕过程工艺参数与四极部分11绕制过程工艺参数完全相同；B端尾纤13与四极部分11不接触，使用温度控制器17控制其温度恒定，温度控制器17使用热电制冷器控制温度。

光纤陀螺室温启动过程中，光源与电路板等热源向线圈10传递热量，热流方向从线圈10的内侧向外侧，线圈10达到热平衡之前，内部各处光纤温度随时间变化且相对光纤中点不对称分布，由于折射率与光纤长度对温度的敏感性，光纤中正反两方向传输的光波经历不同的光程，产生与萨格奈克相位差无法区分的相位差，造成系统的启动误差。通常将光纤陀螺在室温条件下启动过程中的输出误差称为室温启动误差。

上述过程用公式表示为：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_e\left(t\right)=(-2)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{n_{\mathrm{eff}}}{c}(\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dT}}+n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\α}}_L){\∫}_{-\frac{L}{2}}^{\frac{L}{2}}\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\mathrm{ldl}---\left(1\right)$

其中：t为时间，ΔΦ_e为线圈10产生的温度相位差，λ为系统光源平均波长，n_eff为光纤纤芯折射率，c为真空光速，T为温度，α_L为光纤的热膨胀系数，L为线圈10中光纤总长，l为以线圈10内光纤中点为原点以A段光纤15为正方向沿光纤建立坐标系中光纤各点的坐标，T(l，t)为线圈10中坐标为l的光纤某点在t时刻的温度。

为叙述方便，将(1)式改写为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_e\left(t\right)}{C}={\∫}_0^{\frac{L}{2}}[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}]\×\mathrm{ldl}---\left(2\right)$

$C=(-2)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{n_{\mathrm{eff}}}{c}(\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dT}}+n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\α}}_L)---\left(3\right)$

其中：C为与线圈形式无关的常数。

光纤陀螺室温启动过程中，线圈10中沿热传播方向温度随时间的变化率逐渐减小。由(2)式可知，使用四极绕法可使四极部分11中光纤对称段相互贴近从而减小温度相位差的产生，但是仍然有残余的温度相位差存在，且该残余温度相位差与常数C之商的符号为负。将(2)式改写为四极部分11及A端尾纤12与B端尾纤13分别贡献温度相位差之和的形式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_e}{C}={\∫}_0^{\frac{L_q}{2}}[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}]\×\mathrm{ldl}+{\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_p}[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}]\×\mathrm{ldl}---\left(4\right)$

其中：L_q为四极部分11的光纤长度，L_p为A端尾纤12或B端尾纤13的长度。

因为B端尾纤13恒温，所以

${\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_p}\left[\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}=0---\left(5\right)$

故(4)式可写为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_e\left(t\right)}{C}={\∫}_0^{\frac{L_q}{2}}[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}]\×\mathrm{ldl}+{\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_p}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}---\left(6\right)$

其中：

由四极部分11产生，启动过程中符号为负；

由A端尾纤12产生，启动过程中符号为正。因此由(6)式可知，对于光纤陀螺室温启动过程中任一时刻t，L_p存在最佳取值L_p0使得

即满足启动t时刻陀螺温度误差最小的要求。随启动过程中时间变化，因线圈10中温度场变化，不同的时刻t对应不同的最佳取值L_p0，即L_p0是时间t的函数L_p0(t)。本发明所述单端尾纤控温的光纤陀螺线圈中，尾纤长度理论取值为L_p0(t)函数在启动过程中的最小值L_p00，理由如下：

由于

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_e\left(t\right)}{C}={\∫}_0^{\frac{L_q}{2}}[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dT}(-l,t)}{\mathrm{dt}}]\×\mathrm{ldl}+{\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_{p}0}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}=0---\left(7\right)$

所以启动过程中任一时刻t，对于尾纤长度取值L_p00的线圈有

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_e\left(t\right)}{C}={\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_{p}00}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}-{\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_{p}0}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}---\left(8\right)$

对(8)式进行积分运算得：

单纯四极部分11产生的温度相位差与C之商为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{eq}}\left(t\right)}{2}=-{\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_{p}0}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}---\left(10\right)$

由于

${\∫}_{\frac{L_q}{2}}^{\frac{L_q}{2}+L_{p}0}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}-{\∫}_{L_{p}00}^{L_{p}0}\left[\frac{\mathrm{dT}(l,t)}{\mathrm{dt}}\right]\×\mathrm{ldl}>0---\left(11\right)$

所以

|ΔΦ_e(t)|＜|ΔΦ_eq(t)|        (12)

即在陀螺室温启动过程中任一时刻t，预留长度为L_p00的A端尾纤12与B端尾纤13得到的线圈10的温度相位差绝对值小于单纯四极部分11，达到了降低线圈10温度敏感性导致陀螺启动误差的目的。

加工线圈10时，通过实验方法确定L_p00。将L_p设为不同值，分别读取线圈10在陀螺启动过程中造成的输出误差，比较各L_p对应启动误差与单纯四极部分11产生的启动误差，直到找到一个合适的L_p使得在启动过程中任一时刻t线圈10导致的启动误差均小于单纯四极部分11导致的启动误差，且对启动误差减小程度最大，将此时的L_p作为该批次线圈10的尾纤长度L_p00。

B端尾纤13的控制温度取该段尾纤在光纤陀螺启动过程结束后所处位置的温度。在陀螺启动过程结束后，将温度控制器17关断，由于关断前温度控制器17控制目标与非控温度相同，故不会在关断后存在温度控制器17工作状态改变引起的温度场突变，避免了因此造成的系统二次启动误差，有效控制了系统的启动时间。

由此可见，本发明提出的单端尾纤控温的光纤陀螺线圈利用四极部分外侧尾纤与恒温尾纤产生的随四极部分温度变化的相位差来补偿四极部分的温度误差，在有效控制系统启动时间的同时显著降低了系统启动误差；相对软件启动温度补偿，使用尾纤光程补偿减轻了数据处理负担；相对光纤陀螺线圈整体控温方案，仅控制单端尾纤温度使工程实现难度降低。

Claims (2)

1.一种单端尾纤控温的光纤陀螺线圈，是由将一根连续光纤按照四极绕法绕制于骨架上构成的四极部分与四极部分绕制完成后两端预留光纤段的尾纤组成，其特征在于：所述两端尾纤长度相同，与四极部分最外层光纤位于光纤中点同侧的一端尾纤被缠绕于四极部分外侧，与四极部分最外层光纤位于光纤中点异侧的另一端尾纤安装于温度控制器上。

2.根据权利要求1所述的一种单端尾纤控温的光纤陀螺线圈，其特征在于：所述的温度控制器为使用热电制冷器的温度控制器。

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