CN104613955B - 一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一Y波导、第二Y波导、第一光纤环、第二光纤环、第一探测器、第二探测器以及调制电路，所述光源经第一耦合器后同时与第二耦合器和第三耦合器相连，所述第二耦合器经第一Y波导后与第一光纤环的两端相连，第三耦合器经第二Y波导后与第二光纤环相连，所述第一探测器和第二探测器分别与第二耦合器和第三耦合器相连；所述第一探测器、第二探测器与调制电路相连。本发明能够有效提高光纤陀螺的精度和高动态。

Description

一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，尤其涉及一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺近几年取得了快速发展，高精度、大动态范围是光纤陀螺的发展方向之一，也是惯性导航系统对光纤陀螺的需求。目前技术上兼顾高精度和高动态存在一定的困难：高精度光纤陀螺很难做到动态范围宽，大速率光纤陀螺很难做到高精度。从理论上这是一个矛盾，决定因素为光纤环的长径积(长度和直径的积，L*D)。一定范围内，长径积越大光纤陀螺的精度越高；长径积越小光纤陀螺的最大角速率越大。

因此，如何兼顾光纤陀螺的大速率和高精度对于开发高动态高精度光纤陀螺具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有光纤陀螺无法兼顾大角速率和高精度的问题，提供一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，能够有效提高光纤陀螺的精度和高动态。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，其特征在于：包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一Y波导、第二Y波导、第一光纤环、第二光纤环、第一探测器、第二探测器以及调制电路，其中，所述第一光纤环的光纤长度大于第二光纤环的光纤长度；所述光源经第一耦合器后同时与第二耦合器和第三耦合器相连，所述第二耦合器经第一Y波导后与第一光纤环的两端相连，第三耦合器经第二Y波导后与第二光纤环相连，所述第一探测器和第二探测器分别与第二耦合器和第三耦合器相连；

所述调制电路包括第一前置放大电路、第二前置放大电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、数字信号处理电路以及第一D/A转换电路和第二D/A转换电路；所述第一探测器经第一前置放大电路和第一A/D转换电路后与数字信号处理电路相连，所述第二探测器经第二前置放大电路和第二A/D转换电路后与数字信号处理电路相连；数字信号处理电路将反馈信号处理后输出光纤环的旋转角速率信号，同时，数字信号处理电路经第一D/A转换电路后与第一Y波导相连，经第二D/A转换电路后与第二Y波导相连。

进一步地，所述第一光纤环和第二光纤环平行装配。

进一步地，所述光源由一光源驱动电路驱动。

进一步地，所述数字信号处理电路的补偿过程如下：

1)建立本征方波调制下光纤陀螺光功率探测模型：

式中：ΔI为光强差，I₀为干涉幅度的2倍，其可表示为：

式中：I₁，I₂分别为两束光波的光强；Φ₀为方波调制幅度，Φ_S为萨格奈克相移，其中：

式中：L为光纤长度；D为光纤环直径；为光源平均波长；c为真空中的光速；Ω光纤陀螺旋转的角速率；

当光纤环旋转角速率超出范围后，光纤环的光功率差为：

式中：k为整数，Φ为Φ_S关于的余数，并且Φ∈[-π/2,+π/2]；

其中：

Ⅰ)陀螺正转，即Φ_S，k，Φ都为正数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(4)；

式中：n为k关于4的商(n≥0)，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

Ⅱ)陀螺反转，即Φ_S，k，Φ都为负数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(6)；

式中：n为k关于4的商(n≤0)，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

2)建立光纤陀螺的输出模型：F＝K*Ω………(8)；

式中：F为陀螺输出量；K为陀螺的标度因数；Ω为陀螺的旋转角速率；

3)光纤陀螺的实际输出：令第一光纤环为大环、第二光纤环为小环，则有：

a、速率没有超过大环最大角速率，直接输出大环的输出量；

b、转角速率超过大环最大角速率没有超过小环最大角速率时，建立小环对大环的补偿模型：

式中：大环输出量记为F_大，小环输出量记为F_小，大环最大角速率为F_大max，小环最大角速率为F_小max，萨格纳克相移为Φ_S且有F_大max/K_大<Φ_S<F_小max/K_小，其中，K_大，分别为大环和小环对应的标度因数，k为整数且k≠0，Ω为Ω_小关于Φ_大max的余数，并且Ω∈[-Ω_大max,+Ω_大max]，其中，Ω_大max＝F_大max/K_大，Ω_小max＝F_小max/K_大；

Ⅰ)陀螺为正转，即k＞0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(10)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

补偿后的大环数据为：

Ⅱ)陀螺为反转，即k＜0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(12)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

补偿后的大环数据为：

与现有技术相比，本发明具有如下优点：结构简单，利用两个长度不同的光纤环测试同一个量，既利用大环(长径积较大)的高精度特点，又利用了小环的测量范围宽的特点，从而能够兼顾光纤陀螺的高动态范围和高精度，进而有效提高光纤陀螺的精度和高动态。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1，一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一Y波导、第二Y波导、第一光纤环、第二光纤环、第一探测器、第二探测器以及调制电路，其中，述第一光纤环的光纤长度大于第二光纤环的光纤长度。装配时，所述第一光纤环和第二光纤环平行装配。述光源经第一耦合器后同时与第二耦合器和第三耦合器相连，所述第二耦合器经第一Y波导后与第一光纤环的两端相连，第三耦合器经第二Y波导后与第二光纤环相连，所述第一探测器和第二探测器分别与第二耦合器和第三耦合器相连。所述光源由一光源驱动电路驱动。

所述调制电路包括第一前置放大电路、第二前置放大电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、数字信号处理电路以及第一D/A转换电路和第二D/A转换电路；所述第一探测器经第一前置放大电路和第一A/D转换电路后与数字信号处理电路相连，所述第二探测器经第二前置放大电路和第二A/D转换电路后与数字信号处理电路相连；数字信号处理电路将反馈信号处理后输出光纤环的旋转角速率信号，同时，数字信号处理电路经第一D/A转换电路后与第一Y波导相连，经第二D/A转换电路后与第二Y波导相连。

工作过程具体如下：

1)光纤环对测试精度和最大角速率的影响分析

建立本征方波调制下光纤陀螺光功率探测模型：

式中：ΔI为光强差，I₀为干涉幅度的2倍，其可表示为：

式中：I₁，I₂分别为两束光波的光强；Φ₀为方波调制幅度，Φ_S为萨格奈克相移；

光纤环主要是完成将旋转角速率转换为光学相位差的功能，即萨格奈克效应，二者的关系为：

式中：Φ_S为萨格奈克相移；L为光纤长度；D为光纤环直径；为光源平均波长；c为真空中的光速；Ω光纤陀螺旋转的角速率。

按照光学理论，存在萨格纳克相移的两束光波之间的干涉光强可表示为以下形式：

式中：I为干涉后的光强；I₁为光波1的光强；I₂为光波2的光强；Φ_S为萨格奈克相移；

在本征方波调制(方波的周期等于光纤环渡越时间的2倍，光纤环渡越时间即为光波在光纤环中单程传输时间)下，干涉光强变为：

式中：Φ_m(t)为本征调制的方波，按照本征调制的定义可表示为：

式中：Φ₀为本征调制方波的幅度，τ为光纤环的渡越时间，则干涉光强可表示为：

对上述本征方波调制下的干涉光强在(0，τ)和(τ，2τ)时间内分别采样(称为奇偶采样)并相减可得((τ，2τ)-(0，τ))：

利用三角函数的和差化积公式可推得：

式中ΔI为奇偶采样的光强差，又称为探测信号。令则可简写为

ΔI＝I₀sinΦ₀sinΦ_S…………(3)

对于高精度光纤陀螺来说，需要较小的输入量变化(角速率变化)，即会引起较大的输出变化(响应大)，即要求式(1)中的越大越好，c为真空中的光速，是个常量，光源波长一般选择光纤的低损耗窗口(850nm，1310nm，1550nm)，可调空间很小，因此，光纤陀螺的精度与光纤环的长径积(L*D)有密切关系。一般来说，长径积越大，越有利于提高光纤陀螺精度。

另一方面，在方波调制下，萨格奈克相移Φ_S允许的范围是[-π/2,+π/2]，即能够测量的角速率(Ω_max(°/s))范围是其中正负号代表旋转方向，则光纤环的长径积越大，能够测量的范围越小。

由以上分析可知，光纤环的长径积对测试精度和测量范围的影响不能兼容。

2)光纤环旋转角速率超出范围后对光纤陀螺输出的影响分析

由公式(2)可知，光纤陀螺的旋转角速率与萨格纳克相移是正比例关系(一一对应)，当旋转角速率过大(包括正向过大和反向过大)超出了即相当于旋转引起的萨格纳克相移Φ_S超出[-π/2,+π/2]的范围，这二者是等效的，为了叙述方便，下面对角速率超出范围直接叙述为Φ_S超出[-π/2,+π/2]的范围，此时陀螺会输出错误的结果，该结果并不是随机的，是与真实角速率对应的值存在某种关系的值：

设Φ_S在上述范围[-π/2,+π/2]外，则Φ_S可写成以下形式：

式中：k为整数，Φ为Φ_S关于的余数，并且Φ∈[-π/2,+π/2]。

则探测信号为：

ⅰ陀螺正转(Φ_S，k，Φ都为正数)

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(4)

式中：n为k关于4的商(n≥0)，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

ⅱ陀螺反转(Φ_S，k，Φ都为负数)

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(6)

式中：n为k关于4的商(n≤0)，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

本应该输出却输出公式(5)或公式(7)右边的某个公式中第二个正弦的角度值(这取决于k的值)，即输出Φ(m＝0)，π/2-Φ(m＝1)，-Φ(m＝±2)，Φ-π/2(m＝3)，-π/2-Φ(m＝-1)，π/2+Φ(m＝-3)中的某一个值，具体是哪一个值与k的取值有关，表明光纤陀螺输出错误。

3)探测信号与陀螺输出值之间的关系：

公式ΔI＝I₀sinΦ₀sinΦ_S是指在本征方波调制下经过奇偶采样的光强差，由于光功率与光强成正比，因此将公式ΔI＝I₀sinΦ₀sinΦ_S中的I换成P也是成立的，并不改变公式的形式。即可写成以下形式：

ΔP＝P₀sinΦ₀sinΦ_S；

对于实际光纤陀螺，最终干涉的光信号通过探测器进行光电转换后输出电路板进行解算的，探测器输出的是电压值，输入为光路的输出光功率。探测器的光电转换是线性转换，即输出的电压值与输入的光功率值成正比。因此公式ΔI＝I₀sinΦ₀sinΦ_S也可表示为以下形式：

ΔU＝U₀sinΦ₀sinΦ_S；

ΔI，ΔP，ΔU，都可称为探测信号，ΔU为解算数字电路的输入值。

对于某只确定的光纤陀螺来说，U₀和Φ₀都为常数，因此公式ΔU＝U₀sinΦ₀sinΦ_S可写为以下形式：

ΔU＝AsinΦ_S；

式中：A为常数。

数字电路通过奇偶采样得到电压差ΔU可通过公式ΔU＝AsinΦ_S反解得到Φ_S(或Φ_S的倍数)，该值即为陀螺的输出值，记为F。即有以下关系：

将代入有：

令则公式可写为

F＝K*Ω…………(8)；

K称为光纤陀螺的标度因数。

从而建立光纤陀螺的输出模型，即：F＝K*Ω。

4)兼顾光纤陀螺最大角速率和精度方法：

令第一光纤环为大环、第二光纤环为小环，则有：

a、旋转角速率没有超过大环最大角速率；

此时大、小环输出量都正常，不需要进行补偿，由于大环输出量精度较高，因此直接输出大环输出量即可。

b、旋转角速率超过大环最大角速率没有超过小环最大角速率；

当载体旋转时，大环由于超过了最大角速率，因此发生溢出现象，小环能够反映载体的旋转角速率(精度较差)，此时可用小环的输出量对大环的输出量进行矫正，从而使得大环输出量不再溢出，将矫正后的大环输出量作为输出，这样解决了大环数据溢出的问题，而且保证了陀螺精度与原大环精度水平相当(不损失精度)。具体补偿过程如下：

大环输出量记为F_大，小环输出量记为F_小，大环最大角速率对应的陀螺输出量为F_大max，小环最大角速率对应的陀螺输出量为F_小max，光纤陀螺转速为Ω(未知量)且有F_大max/K_大<Ω<F_小max/K_小(K_大，K_小分别为大环和小环对应的标度因数)，设Ω_大max＝F_大max/K_大，Ω_小max＝F_小max/K_小，则：

式中：k为整数且k≠0，Ω为Ω_小关于Ω_大max的余数，并且Ω∈[-Ω_大max,+Ω_大max]。

ⅰ若陀螺为正转

即k＞0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(10)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

则补偿后的大环输出量为：

ⅱ若陀螺为反转

即k＜0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(12)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

则补偿后的大环输出量为：

本发明，大环测得精度高但能够测量的范围小而小环能够测量的范围大但精度差，当没有超过大环测量范围，即不需要对大环测试的数据进行补偿，直接输出即可；当超过大环测量范围，利用小环数据及大环最大范围值计算溢出次数k，再根据k值对大环数据进行补偿，补偿后输出极为整个光纤环的输出。无论上述两种情况的哪一种，均由大环输出整个陀螺的输出数据，即由大环输出旋转角速率。

c、旋转角速率超过小环最大角速率

此时小环数据出错，不能正确补偿大环数据，从而导致陀螺输出错误，此时光纤陀螺不能正常工作。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，其特征在于：包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一Y波导、第二Y波导、第一光纤环、第二光纤环、第一探测器、第二探测器以及调制电路，其中，所述第一光纤环的光纤长度大于第二光纤环的光纤长度；所述光源经第一耦合器后同时与第二耦合器和第三耦合器相连，所述第二耦合器经第一Y波导后与第一光纤环的两端相连，第三耦合器经第二Y波导后与第二光纤环相连，所述第一探测器和第二探测器分别与第二耦合器和第三耦合器相连；

所述调制电路包括第一前置放大电路、第二前置放大电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、数字信号处理电路以及第一D/A转换电路和第二D/A转换电路；所述第一探测器经第一前置放大电路和第一A/D转换电路后与数字信号处理电路相连，所述第二探测器经第二前置放大电路和第二A/D转换电路后与数字信号处理电路相连；数字信号处理电路将反馈信号处理后输出光纤环的旋转角速率信号，同时，数字信号处理电路经第一D/A转换电路后与第一Y波导相连，经第二D/A转换电路后与第二Y波导相连；

其中，所述数字信号处理电路的补偿过程如下：

1)建立本征方波调制下光纤陀螺光功率探测模型：

$\mathrm{\&Delta;}I({\mathrm{\&Phi;}}_S,{\mathrm{\&Phi;}}_0)=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_S=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_{0}sin\frac{2\mathrm{\&pi;}LD}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}}c}\mathrm{\&Omega;}...\left(1\right);$

式中：ΔI为光强差，I₀为干涉幅度的2倍，其可表示为：

式中：I₁，I₂分别为两束光波的光强；Φ₀为方波调制幅度，Φ_S为萨格奈克相移，其中：

${\mathrm{\&Phi;}}_S=\frac{2\mathrm{\&pi;}LD}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}}c}\mathrm{\&Omega;}...\left(2\right);$

式中：L为光纤长度；D为光纤环直径；为光源平均波长；c为真空中的光速；Ω光纤陀螺旋转的角速率；

当光纤环旋转角速率超出范围后，光纤环的光功率差为：

$\mathrm{\&Delta;}I=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_S=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*k+\mathrm{\&Phi;})...\left(3\right);$

式中：k为整数，Φ为Φ_S关于的余数，并且Φ∈[-π/2,+π/2]；

其中：

Ⅰ)陀螺正转，即Φ_S，k，Φ都为正数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(4)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

$\mathrm{\&Delta;}I=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*k+\mathrm{\&Phi;})=\left\{\begin{array}{c}{I}_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin \left(\mathrm{\&Phi;}\right)\mathrm{.........................}m=0\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&Phi;})\mathrm{...................}m=1\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (-\mathrm{\&Phi;})\mathrm{.......................}m=2\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (\mathrm{\&Phi;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\mathrm{...................}m=3\end{array}\right....\left(5\right);$

Ⅱ)陀螺反转，即Φ_S，k，Φ都为负数，

对于任意整数k都可以表示为：

k＝4*n+m………(6)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

则公式(3)只可能有4个值，具体表示如下：

$\mathrm{\&Delta;}I=I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_{0}sin(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*k+\mathrm{\&Phi;})=\left\{\begin{array}{c}{I}_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin \left(\mathrm{\&Phi;}\right)\mathrm{.........................}m=0\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&Phi;})\mathrm{...................}m=-1\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (-\mathrm{\&Phi;})\mathrm{.......................}m=-2\\ I_0{\mathrm{sin\&Phi;}}_0\sin (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\mathrm{\&Phi;})\mathrm{...................}m=-3\end{array}\right....\left(7\right);$

2)建立光纤陀螺的输出模型：F＝K*Ω………(8)；

式中：F为陀螺输出量；K为陀螺的标度因数；Ω为陀螺的旋转角速率；

3)光纤陀螺的实际输出：令第一光纤环为大环、第二光纤环为小环，则有：

a、速率没有超过大环最大角速率，直接输出大环的输出量；

b、转角速率超过大环最大角速率没有超过小环最大角速率时，建立小环对大环的补偿模型：

式中：大环输出量记为F_大，小环输出量记为F_小，大环最大角速率为F_大max，小环最大角速率为F_小max，萨格纳克相移为Φ_S且有F_大max/K_大<Φ_S<F_小max/K_小，其中，K_大，K_小分别为大环和小环对应的标度因数，k为整数且k≠0，Ω为Ω_小关于Φ_大max的余数，并且Ω∈[-Ω_大max,+Ω_大max]，其中，Ω_大max＝F_大max/K_大，Ω_小max＝F_小max/K_小；

Ⅰ)陀螺为正转，即k＞0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(10)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,1,2,3；

补偿后的大环数据为：

Ⅱ)陀螺为反转，即k＜0，则k可以表示为：

k＝4*n+m………(12)；

式中：n为k关于4的商，m为k关于4的余数，且m＝0,-1,-2,-3；

补偿后的大环数据为：

2.根据权利要求1所述的一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，其特征在于：所述第一光纤环和第二光纤环平行装配。

3.根据权利要求1所述的一种兼顾大角速率和高精度的光纤陀螺，其特征在于：所述光源由一光源驱动电路驱动。