CN102305628A - 一种三轴集成全光纤惯性传感系统 - Google Patents

一种三轴集成全光纤惯性传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴集成全光纤惯性传感系统，包括三个安装方向相互垂直的光纤惯性传感组合模块，每一个模块都是由闭环光纤陀螺和加速度计组成，利用光纤陀螺光路系统中耦合器的空置端口作为光纤加速度计的光源输入端口，同时测量同一轴向角速度和加速度信息，实现一维惯性的集成。同时，三个轴向的光纤陀螺共用一个光源和探测器，对三个陀螺实行多路复用技术，避免了交叉耦合，相对传统全光纤传感系统少用了5个光源和2个探测器，而且又实现了系统集成化、小型化、低成本和低功耗，提高了稳定性和可靠性。

Description

一种三轴集成全光纤惯性传感系统
技术领域
本发明涉及惯性传感领域，尤其涉及三轴集成全光纤惯性传感系统。
背景技术
随着惯性技术及系统技术的快速发展，惯性测量系统已在很多重要领域获得成功应用，光纤陀螺和光学加速度计作为新型的光学惯性传感器，其发展速度及融合程度将影响着装备的升级能力。
目前，几乎所有研制惯性传感系统的单位均采用分立的陀螺和加速度计组合而成，在三轴传感时，三轴陀螺和三轴加速度计分别敏感正交方向上的惯性数据，造成系统结构复杂，冗余设计增加，而且噪声干扰大，稳定性差，此外还需要数据的整合处理，限制了惯性传感系统的发展。
发明内容
本发明的目的在于针对目前惯性传感系统的不足，提出一种三轴集成全光纤惯性传感系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三轴集成全光纤惯性传感系统，它包括：光源、2×3耦合器、X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块、探测器、A/D转换器、处理器和D/A转换器等；其中，2×3耦合器的一端分别与光源和探测器的输入端相连，另一端分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连；探测器通过A/D转换器与处理器相连，处理器通过D/A转换器分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连。
进一步地，所述X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块结构相同，均包括：1×2耦合器、第一集成光学波导、光纤环、第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器和反馈控制电路等；其中，1×2耦合器一端接2×3耦合器，另一端分别与第一集成光学波导和第二集成光学波导相连；第一集成光学波导与光纤环相连；第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器、反馈控制电路顺次相连，形成闭环控制回路。
本发明的有益效果是，本发明包括三个安装方向相互垂直的光纤惯性传感组合模块，每一个模块都是由闭环光纤陀螺和加速度计组成，利用光纤陀螺光路系统中耦合器的空置端口作为光纤加速度计的光源输入端口，同时测量同一轴向角速度和加速度信息，实现一维惯性的集成。同时，三个轴向的光纤陀螺共用一个光源和探测器，对三个陀螺实行多路复用技术，避免了交叉耦合，相对传统全光纤传感系统少用了5个光源和2个探测器，而且又实现了系统集成化、小型化、低成本和低功耗，提高了稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明三轴集成全光纤惯性传感系统的结构框图；
图2是图1中光纤惯性传感组合模块的结构框图；
图3是图2中反馈控制电路的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，三轴集成全光纤惯性传感系统包括：光源、2×3耦合器、X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块、探测器、A/D转换器、处理器和D/A转换器；其中，2×3耦合器的一端分别与光源和探测器的输入端相连，另一端分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连；探测器通过A/D转换器与处理器相连，处理器通过D/A转换器分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连。
如图2所示，X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块都是全光纤设计且安装方向相互垂直。具体来说，X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块结构相同，均包括：1×2耦合器、第一集成光学波导、光纤环、第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器和反馈控制电路；其中，1×2耦合器一端接2×3耦合器，另一端分别与第一集成光学波导和第二集成光学波导相连；第一集成光学波导与光纤环相连；第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器、反馈控制电路顺次相连，形成闭环控制回路。
如图3所示，反馈控制电路包括差分放大器、低通滤波器、带通滤波器、积分电路和复位电路；差分放大器的输入端与加速度计探测器相连，输出端分别与带通滤波器和低通滤波器输入端相连，通过带通滤波器将信号输出，低通滤波器输出端与积分电路相连，复位电路与积分电路相连，复位电路、积分电路输出端都与第二集成光学波导相连。
本发明的具体工作过程如下：
光源发出的光经2×3耦合器衰减后分别送入三路正交的X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块的输入端，每一轴光纤惯性传感组合模块都包括一个光纤陀螺和一个加速度计的主要部件，由X轴光纤惯性传感组合模块的输入的光经1×2耦合器衰减后分成两路，一路光经由第一集成光学波导、光纤环再经第一集成光学波导、1×2耦合器返回到X轴光纤惯性传感组合模块，沿相反方向在光纤环中传播的两束光发生干涉产生相位差，该相位差和光纤环的旋转角速度成正比，借以来探测角速度信息。另一路光依次经过第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器送入加速度计探测器，加速度计探测器把接收到的光转变为电信号后送入反馈控制电路，在反馈控制电路中通过差分放大器、低通滤波器消除低频成分漂移的影响，再通过积分电路返回到第二集成光学波导，实现加速度计的闭环控制。复位电路的作用是当积分电路的输出超出期望范围时使其复位，当有加速度时，光纤柔性盘受到等幅反向应力形成推挽结构，柔性盘干涉臂内的光的相位发生变化，通过相位检测可解算出加速度信息。Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块内部的信号流程和X轴光纤惯性传感组合模块相同，之后返回到X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块的光送入探测器，探测器光信号转换为电信号后经A/D转换器、处理器、D/A转换器分别送入X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块，以实现多路复用功能，将返回到X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块的光传送给探测器。借助系统解算和信息处理便可三个轴向上的角运动，经过数据融合即可获得最终的惯性传感信息。
本发明由三个正交的闭环光纤陀螺和三个加速度计组成，用于同时测量三个正交方向上的角运动，利用闭环光纤陀螺光路中耦合器的空置端口作为光纤加速度计的输入光源，同时测量同一轴向角速度和加速度信息，实现一维惯性的集成。同时，三个轴向的光纤陀螺共用一个光源和探测器，对三个陀螺实行多路复用技术，避免了交叉耦合，节省了成本，降低了功耗，又实现了系统集成化、小型化，同时提高了系统的稳定性和可靠度。

Claims (2)

1.一种三轴集成全光纤惯性传感系统，其特征在于，它包括：光源、2×3耦合器、X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块、Z轴光纤惯性传感组合模块、探测器、A/D转换器、处理器和D/A转换器等；其中，2×3耦合器的一端分别与光源和探测器的输入端相连，另一端分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连；探测器通过A/D转换器与处理器相连，处理器通过D/A转换器分别与X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块相连。
2.根据权利要求1所述三轴集成全光纤惯性传感系统，其特征在于，所述X轴光纤惯性传感组合模块、Y轴光纤惯性传感组合模块和Z轴光纤惯性传感组合模块结构相同，均包括：1×2耦合器、第一集成光学波导、光纤环、第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器和反馈控制电路等；其中，1×2耦合器一端接2×3耦合器，另一端分别与第一集成光学波导和第二集成光学波导相连；第一集成光学波导与光纤环相连；第二集成光学波导、光纤柔性盘、合束器、加速度计探测器、反馈控制电路顺次相连，形成闭环控制回路。
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