CN105157692A - 小型一体化光纤陀螺imu中屏蔽线使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，其特征在于为了减小设备尺寸，光电转换电路版与信号处理电路板采用分体式设计，位于设备的不同舱位。三轴光纤陀螺分别轴线，为了避免串扰和其他信号对光电转换信号的影响，采用屏蔽线连接光电转换信号，并且确保屏蔽线两端可靠接地。该方法有效地降低了信号间的串扰，提高了非常弱的光电转换信号的抗干扰能力，增加了AD输入端信号的信噪比，有效提高光纤IMU的全温零位重复性。

Description

小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法

技术领域

本发明涉及一种小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，适用于惯性导航、导航制导与控制、光机电一体化领域。

背景技术

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。陀螺作为惯性导航系统的关键器件，广泛应用于军民技术领域，尤其在军用方面，是各种高精尖惯性导航设备的核心，应用在从火箭、核潜艇到战术导弹及各种地面车辆等武器装备上。自从上个世界七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年，美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据萨格奈特(Sagnac)的理论发展起来的。萨格奈特理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

由于光纤陀螺具有结构简单、动态范围宽、启动时间短、无运动部件和磨损部件、寿命长、体积小、重量轻、耐冲击、抗电磁干扰、无加速度引起的漂移、精度高、动态范围大、成本低等特点，目前全世界都在大力发展光纤陀螺仪，光纤陀螺仪将作为新一代的惯性元件，得到广泛应用。

近年来，光纤陀螺由于其潜在的优势和应用前景而倍受重视，已经成为新一代惯性制导、测量系统中的主要器件。对于工程化要求的光纤陀螺，为适应不同领域的应用，一般要求其具有较宽的工作温度范围（通常为-40℃～+60℃），但是由于构成光纤陀螺的主要器件如光纤环、集成光学器件、光源、耦合器等对温度较为敏感，所以当环境温度发生变化时，在陀螺的输出信号中将产生非互易相位误差，导致光纤陀螺零位漂移与标度因数的不稳定，并最终影响着光纤陀螺在不同温度下的检测精度。因此，进行光纤陀螺温度特性的研究并对其实施温度补偿以提高陀螺在不同温度条件下的适用性，是光纤陀螺研究中的重要环节。

温度对光纤陀螺的影响包括噪声和漂移两个方面。噪声决定了光纤陀螺的最小可检测相移，也即最终精度。温度噪声及散粒噪声、光源噪声、电子噪声等共同构成了光纤陀螺噪声，影响着光纤陀螺的检测灵敏度。温度噪声主要由光纤折射率的热涨落引起。光纤中温度的变化将引起折射率波动，从而导致光纤中传输光的相位发生变化，并由此引入温度噪声。

漂移用于评价陀螺输出信号的长期变化，决定了陀螺输出信号的偏移量（零偏漂移）。漂移主要是由材料的物理参数随温度变化而引起的，如导热系数、热膨胀系数、流体粘度、弹性模量等。

热噪声会增加光电探测器中光电二极管的散射噪声与热噪声，以及场效应管放大电路噪声。将探测器贴在远离电源模块的骨架上可以实现散热的目的。探测器的外壳与电路中的地是连在一起的，采用导热衬垫将探测器外壳与IMU骨架绝缘，避免增加探测器的电噪声。

发明内容

本发明公开了一种小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法。该方法有效地降低了信号间的串扰，提高了非常弱的光电转换信号的抗干扰能力，增加了AD输入端信号的信噪比，有效提高光纤IMU的全温零位重复性。

其特征在于为了减小设备尺寸，光电转换电路版与信号处理电路板采用分体式设计，位于设备的不同舱位。三轴光纤陀螺分别轴线，为了避免串扰和其他信号对光电转换信号的影响，采用屏蔽线连接光电转换信号，并且确保屏蔽线两端可靠接地。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果包括如下几点。

1、适用范围广，可以用于多种小型化、一体化设计的弱信号传递领域。

2、可以提高光纤IMU的全温零位重复性，在其余结构不变的条件下，通过使用本发明，大幅度提高产品的性价比。

附图说明

图1单轴全数字闭环保偏光纤陀螺原理图。

图2光纤陀螺控制电路结构图。

全数字闭环保偏光纤陀螺原理如图1所示。光纤陀螺的结构分为光路和电路两个部分。光路部分由光源、耦合器、Y波导集成光学调制器、光纤环和光电探测器组成，图1中除控制电路外的其他部分即为光路。

光纤陀螺的控制电路结构图如图2所示。图2中，实现闭环的关键器件是Y波导，它将光纤陀螺的光路与电路紧密联系起来。数字信号处理电路产生周期为2τ(τ为光纤环的渡越时间)、幅度为π/2的调制方波，在光路中引入调试相移Δφ_m，保证陀螺工作在灵敏度最大的工作点。同时在方波上叠加数字相位阶梯波，在两束光之间附加一个与Δφ_R大小相等、方向相反的相移Δφ_f，使系统始终工作在零相位差状态，形成闭环系统。数字阶梯波的优点是可以实现自动2π复位。串行DA的输出作为并行DA的参考电压，可以实现参考电压的动态调整。

具体实施方式

图1中光源发出的光经过耦合器之后，分为两束，一束不使用，另外一束进入Y波导。Y波导对输入光起偏，使其变为偏振光，并分为两束分别在光纤环中顺时针方向传播与逆时针方向传播。两个方向传输的光线返回Y波导后，在相遇点发生干涉。干涉光再次经过耦合器后，分为两路，一路返回光源，一路被探测器接收。探测器将接收到的光信号转换为电信号，发送到控制电路。控制电路对接收到的电信号进行解调，根据该信号对Y波导进行阶梯波调制，同时输出角速率信息。假设Y波导分光比为理想的1:1，光纤环中传播的两束光光强都为I₀，干涉后的输出为：

I=I₀(1+cos(Δφ_R+Δφ_m+Δφ_f))（1）

式中，Δφ_R为Sagnac相移，Δφ_m为调制相移，Δφ_f为反馈相移。根据Sagnac效应，Δφ_R由陀螺的转动产生，计算公式为：

Δφ_R=2πLDΩ/λc（2）

式中：D为光纤圈直径，L为光纤长度，λ为光在真空中的中心波长，c为光在真空中的传输速度，与光纤线芯的折射率有关，Ω为光纤环的转动角速率。光纤陀螺闭环时Δφ_R=-Δφ_f。

图2中光电转换器和前置放大器之间的连线采用屏蔽线处理。屏蔽线选用直径0.5mm的铁网屏蔽线，不需要双绞，在信号转换电路版的光电转换器后，设计焊接孔与接地孔，屏蔽线的信号线连接光电转换后的弱信号，屏蔽地就近连接电路板上的电源地。确保三轴光纤陀螺的光电转换信号同时有效屏蔽，可以避免三路信号之间的串扰。

Claims (4)

1.本发明涉及一种小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，其特征是：使用屏蔽线，连接一体化设计的光纤陀螺IMU光电转换信号输出端与AD转换输入端。

2.根据权利要求1所述的小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，其特征是：为了减小设备尺寸，光电转换电路版与信号处理电路板采用分体式设计，位于设备的不同舱位。

3.根据权利要求1所述的小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，其特征是：为了减小光电转换信号后的串扰问题，三路电信号需要分别走线，并且尽量远离其他信号线。

4.根据权利要求1所述的小型一体化光纤陀螺IMU中屏蔽线使用方法，其特征是：为了减小其他信号对光电转换信号的干扰，使用屏蔽线连接光电转换信号，并且确保屏蔽线可靠接地。