CN109579821B - 一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，所述光路部分包括双光源、耦合器、光学调制器、光纤环、波分复用器、光电探测器和激光探测器；所述双光源包括激光光源和宽谱光源，分别输入所述耦合器，所述耦合器与光学调制器、光纤环依次连接；所述耦合器与波分复用器相连，所述波分复用器的输出端分别连接激光探测器和光电探测器；所述光电探测器和激光探测器的输出端分别与电路部分相连。本发明的修正功能对标定时间、温度均无限制，能实时在线调整光纤陀螺仪的标度因数，其光纤陀螺标度因数性能稳定性好，具有重要的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及光源领域，具体地，涉及一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪。
背景技术
光纤陀螺作为一种新兴传感器件，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。
与激光陀螺相比，光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术，能够有效地克服激光陀螺的闭锁现象，具有结构简单、价格低、体积小、重量轻等特点，从市场化角度看，光纤陀螺具有全面替代激光陀螺的发展趋势。
随着技术的不断进步，光纤陀螺的精度水平已经超越了激光陀螺；然而，由于光纤陀螺采用宽谱光源技术，而激光陀螺采用的是窄谱激光光源，在标度因数稳定性方面，光纤陀螺与激光陀螺还存在一定的差距。
标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，在坐标轴上可以用某一特定直线斜率表示，它是反映陀螺灵敏度的指标，其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标，综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。
申请号为CN201510498131.1公开的《一种稳定光纤陀螺保持标度因数的方法和装置》采用在光纤陀螺工作波段内波长稳定的激光光源作为Sagnac干涉仪的光源，仅将Y波导集成光学调制器放置于温箱中，在陀螺工作温度范围内，等间隔改变温箱内温度，测量不同温度下Y波导的半波电压Vπ，Vπ＝Gλ/n3γ33lГ，其中：G为电极间距、λ为光源的平均波长、n为非寻常光折射率、γ33为电光系数、l为电极长度、Γ为电光重叠积分因子，用测得的半波电压值除以激光光源波长值得到Y波导波长无关的本征调制参数m，m＝G/n3γ33lГ，建立m参数的温度特性方程，在采用该Y波导的光纤陀螺中，实时监测Y波导的工作温度，并基于获得的m参数的温度特性方程调节光纤陀螺调制基准电压Vpp，使m/Vpp稳定到设定值，进而稳定光纤陀螺的标度因数；进行Y波导集成光学调制器半波电压测试采用的光源是波长处于光纤陀螺工作波段内的高稳定激光光源。
但上述方法使用的激光光源修正标度为离线的，其变量为温度，仅能实现温度的标定，且存在标定周期的限定，修正功能有限，不能实时对激光陀螺进行标度因数的修正。现有的光纤陀螺仪在需在光纤陀螺仪外部检测装置，不但测试手段复杂，而且测试误差较大，并不能实时对标度因数进行检测。因此，需要一种标度因数稳定的光纤陀螺仪。
本文中，ASE光纤陀螺代表采用ASE光源的光纤陀螺。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，将光纤陀螺仪内部设有双波长复用结构，通过光路部分的设计，使双波长同时进行耦合和调制，再次调制后和再次耦合后，形成干涉后的激光信号和宽光谱信号，通过输入电路部分进行检测，能实时调整光纤陀螺仪的标度因数。本发明目的通过以下技术方案实现：
提供一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，所述光路部分包括双光源、耦合器、光学调制器、光纤环、波分复用器、光电探测器和激光探测器；所述双光源包括激光光源和宽谱光源，分别输入所述耦合器，所述耦合器与光学调制器、光纤环依次连接；所述耦合器与波分复用器相连，所述波分复用器的输出端分别连接激光探测器和光电探测器；所述光电探测器和激光探测器的输出端分别与电路部分相连。
其中，所述耦合器和所述光学调制器用于将双光源分成两个光束；所述光纤环使两个光束两端相向而行，使光束返回光学调制器内；所述光学调制器用于将两个光束干涉光，所述耦合器和波分复用器用于得到干涉后的激光信号和宽谱光信号，所述激光信号和宽谱光信号分别通过激光探测器和光电探测器探测，传入电路部分。
进一步地，所述耦合器为光纤耦合器，所述耦合器包括耦合器一和耦合器二；所述双光源经过所述耦合器一，输送至耦合器二中，再进入光学调制器，形成两束光，进入光纤环，经由光纤环相向而行，再回到光学调制器，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器二中，经过波分复用器得到干涉后的激光信号和干涉后的宽谱光信号。
进一步地，所述耦合器包括耦合器一和耦合器二，所述双光源经过所述耦合器一，再进入光学调制器，形成两束光，进入光纤环，经由光纤环相向而行，再回到光学调制器，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器二中，经过波分复用器得到干涉后的激光信号和干涉后的宽谱光信号。
进一步地，所述宽谱光源为ASE光源或SLD光源。
进一步地，所述激光光源为高稳定激光器。
进一步地，所述光学调制器为集成光学调制器。
进一步地，所述光电探测器和激光探测器均与前置放大器、A/D转换器和信号处理器连接。
进一步地，所述前置放大器、A/D转换器和信号处理器分别包括两个，所述光电探测器的输出信号通过前置放大器一、A/D转换器一和信号处理器一进行处理；所述激光探测器的输出信号由前置放大器二、A/D转换器二和信号处理器二进行处理。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明设计了一种双波长复用结构的光纤陀螺仪的光路，在光路中创造性地引入了激光作为输入光源，使激光在光纤陀螺光路中传输，形成激光干涉信号并采用了波分复用技术实现光纤陀螺光路上激光的分离，将检测后的激光干涉信号作为参考信号。本发明的修正功能对标定时间、温度均无限制，能实时在线调整光纤陀螺仪的标度因数。本实施例的光纤陀螺标度因数性能稳定性好，具有重要的推广价值。
附图说明
图1为实施例1的基于双波长复用结构的光纤陀螺仪光路框图。
图2为实施例1的基于双波长复用机构的光纤陀螺信号检测原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
本实施例提供一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，光路部分包括双光源、耦合器、光学调制器、光纤环、波分复用器、光电探测器和激光探测器；双光源包括激光光源和宽谱光源，分别输入所述耦合器，所述耦合器与光学调制器、光纤环依次连接；耦合器与波分复用器相连，所述波分复用器的输出端分别连接激光探测器和光电探测器；光电探测器和激光探测器的输出端分别与电路部分相连。
耦合器为光纤耦合器，所述耦合器包括耦合器一和耦合器二；双光源经过所述耦合器一，输送至耦合器二中，再进入光学调制器，形成两束光，进入光纤环，经由光纤环相向而行，再回到光学调制器，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器二中，经过波分复用器得到干涉后的激光信号和干涉后的宽谱光信号。
如图1所示，在光纤陀螺光路内传输具体为：将双光源(ASE光源和高稳定激光器发出的激光光源)的输出端经过光纤耦合器一进行一次耦合，并将双光源传至光纤耦合器二中，再进行光学调制器(本实施例为集成光学调制器)进行一次调制分成两个光束，通过光纤环，经由光纤环相向而行，回到集成光学调制器再次调制后，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器二中再次耦合后，采用波分复用器进行窄谱光信号与宽谱光信号的分离后的形成干涉后的窄谱光信号和宽谱光信号。
如图2，干涉后的的激光信号和宽光谱信号分别经激光探测器和光电探测器进行处理，干涉后的激光进入激光探测器，激光探测器的信号经放大、A\D转化和数字处理后，作为标度因数的参考值；干涉后的宽谱光进入光电探测器，光电探测器信号经放大、A\D转化和数字处理后，作为转速值，转速值经过数字信号处理器进行标度因数参考值修正后，作为最终结果输出。
光电探测器和激光探测器均与前置放大器、A/D转换器和信号处理器连接。其中，前置放大器、A/D转换器和信号处理器分别包括两个，所述光电探测器通过前置放大器1、A/D转换器1和信号处理器1进行处理和所述激光探测器由前置放大器2、A/D转换器2和信号处理器进行处理2。
本实施例方法可以用于实时检测光纤陀螺仪标度因数的状态，有效调整光纤陀螺仪的标度因数，通过双光源的激光光源的标度因数作为参考值，
效果测试：
将本实施例的光纤陀螺固定在单轴速率转台上，利用速率转台结合数据采集计算机测定光纤陀螺的标度因数，重复测试多次得到重复性，计算在不同速率下光纤陀螺的标度因数误差得到标度因数线性度，计算在正、反转情况下光纤陀螺的标度因数误差得到标度因数对称性。
本实施例基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，与传统的光纤陀螺仪、传统的激光陀螺仪的比对试验结果见表1。
表1
通过对比，本实施例基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其标度因数重复性、标度因数对称性、标度因数线性度优于ASE光纤陀螺，其标度因数性能达到了激光陀螺的同等水平，且其技术实现难度低于激光陀螺，相较而言易于工程实现，生产成本也远低于激光陀螺。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，其特征在于，所述光路部分包括双光源、耦合器、光学调制器、光纤环、波分复用器、光电探测器和激光探测器；所述双光源包括激光光源和宽谱光源，分别输入所述耦合器，所述耦合器与光学调制器、光纤环依次连接；所述耦合器与波分复用器相连，所述波分复用器的输出端分别连接激光探测器和光电探测器；所述光电探测器和激光探测器的输出端分别与电路部分相连，所述耦合器为光纤耦合器，包括耦合器一和耦合器二；所述双光源经过所述耦合器一，输送至耦合器二中，再进入光学调制器，形成两束光，进入光纤环，经由光纤环相向而行，再回到光学调制器，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器二中，经过波分复用器得到干涉后的激光信号和干涉后的宽谱光信号；干涉后的激光信号进入激光探测器进行处理后，再进入电路部分中进行放大、A\D转化和数字处理后，作为标度因数的参考值；干涉后的宽谱光信号进入光电探测器进行处理后，再进入电路部分中进行放大、A\D转化和数字处理后，作为转速值，转速值进入电路部分的信号处理器中进行标度因数参考值修正后，作为最终结果输出。
2.根据权利要求1所述基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述宽谱光源为ASE光源或SLD光源。
3.根据权利要求1所述基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述激光光源为高稳定激光器。
4.根据权利要求1所述基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述光学调制器为集成光学调制器。
5.根据权利要求1所述基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述光电探测器和激光探测器均与前置放大器、A/D转换器和信号处理器依次连接。
6.根据权利要求5所述基于双波长复用结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述前置放大器、A/D转换器和信号处理器分别包括两个，所述光电探测器的输出信号通过前置放大器一、A/D转换器一和信号处理器一进行处理，所述激光探测器的输出信号由前置放大器二、A/D转换器二和信号处理器二进行处理。
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