CN109579822A - 一种采用双环结构的光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用双环结构的光纤陀螺仪，包括电路部分和光路部分，光路部分包括光源、3个光纤耦合器、2个集成光学调制器、2个光纤环以及2个光电探测器；2个光纤环形成互补的双环结构；光纤陀螺仪内包括两条光路，每条光路包括1个光纤耦合器、1个集成光学耦合器、1个光纤环和1个光电探测器；光源的光经光纤耦合器分成两部分光分别进入两条光路，依次通过各自光路的光纤耦合器、集成光学调制器到达光纤环，然后回到集成光学调制器上产生干涉，干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器。本发明技术方案在有限空间内，使用同等光纤长度的光纤陀螺，在不增加单个光纤环光纤长度的前提下，提高光纤陀螺的精度，且使其精度达到最高。

Description

一种采用双环结构的光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及光纤陀螺领域，具体地，涉及一种采用双环结构的光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪是基于Sagnac效应的全固态陀螺仪，用于检测旋转角速率，是惯性导航系统中的重要部件，广泛应用于航空、航天、航海、陆用战车等武器装备中，以及石油测井、天线定位民用领域。目前国内光纤陀螺的年产量超过3万轴，其精度已经接近0.0001°/h，而0.01°/h和0.001°/h的陀螺仪已经广泛应用。

传统的光纤陀螺，其光路部分由5个器件组成：光源、光纤耦合器、集成光学调制器、光纤环和光电探测器。较传统的机械式转子陀螺，光纤陀螺具有全固态、启动时间短、无转动部件、寿命长、结构简单等优点。基于此，光纤陀螺已成为惯性领域祈求的主流仪器。因此，进一步提高光纤陀螺精度和可靠性，对惯性器件领域至关重要。而光纤陀螺的精度和可靠性极大的依赖千其重要组成部分光纤环的性能及可靠性。

为了提高光纤陀螺的精度，通常采取的措施有以下两种：1、相同的光纤长度增大光纤环的直径，增大光纤环的直径可以节省光纤节约成本，该方法适用于没有尺寸限制但对成本有严格要求的场合，但是不能用于有尺寸限制的应用场合；2、同样的光纤环直径增加光纤的长度，增加光纤的长度可以节省空间，该方法适用于对尺寸有要求的场合，但是精度提升存在瓶颈。

申请号为201510458044.3的中国发明专利中公开了一种光纤环采用双环设计的光纤陀螺，包括光源、光电探测器、光纤耦合器、信号处理器、光学调制器和干涉部件，干涉部件包括两个光纤环和隔热装置，采用两个光纤环和与之配套的隔热装置来解决光纤陀螺的温度漂移问题，从而提高陀螺精度，但是在实际检测中，光纤陀螺的转速误差主要由光源强度噪声和环境温度变化引起的shupe误差组成，该申请技术采用相互粘接的双环结构，双环缠绕过程不同步，光纤环应力不对称，粘接过程控制难度大，光纤环温度对称性不可控，导致精度提升效果一般，温度性能离散度大，推广难度大。

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，提供一种采用双环结构的光纤陀螺仪，本发明所述技术方案在有限空间内，使用同等光纤长度的光纤陀螺，在不增加单个光纤环光纤长度的前提下，提高光纤陀螺的精度，且使其精度达到最高。

本发明目的通过以下技术方案实现：

提供一种采用双环结构的光纤陀螺仪，包括电路部分和光路部分，所述光路部分包括光源、3个光纤耦合器、2个集成光学调制器、2个光纤环以及2个光电探测器；所述2个光纤环形成互补的双环结构；

所述光纤陀螺仪内包括两条光路，每条所述光路包括1个光纤耦合器、1个集成光学耦合器、1个光纤环和1个光电探测器；

所述光源的输出光经光纤耦合器分成两部分光，所述两部分光分别进入两条光路，依次通过各自所述光路的光纤耦合器、集成光学调制器到达光纤环，产生相位差，然后回到集成光学调制器上产生干涉，形成干涉光，所述干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器。

进一步地，为了有效地实现两个光纤环的温度对称，本发明所述2个光纤环的光纤按照对称方式正交缠绕在一起。

进一步地，为了有效地实现两个光纤环的应力对称，本发明所述2个光纤环在制作过程中同步缠绕、同时固化。

如图3所示，本发明所述干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器后转化为电信号，电信号经放大、A/D转换、解调，得到光纤陀螺载体的转速。

本发明所述电路部分包括光纤陀螺检测电路，所述光纤陀螺检测电路对两条光路的光电探测器的信号进行差分运算，得到转速信号。

进一步地，本发明所述光纤陀螺检测电路包括数字信号处理器以及与所述两条光路对应的2个放大器、2个A/D转换器，两条光路部分的输出光信号分别依次输入到各自的放大器、A/D转换器后，进入到数字信号处理器进行差分运算，得到转速信号。

本发明采用双环结构的光纤陀螺仪尤其适用于对尺寸有严格限制且常规方法很难实现目标精度的场合。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用双环结构的光纤陀螺仪中2个光纤环形成互补的双环结构，具有良好的应力对称性；而且，为了进一步有效地实现两个光纤环的应力对称，所述2个光纤环在制作过程中同步缠绕、同时固化。光纤陀螺的两条光路的光源强度噪声理论上相同，因此两个光电探测器探测到的噪声信号相同，表现为共模信号，信号处理器对共模信号做差分运算，可以有效地消除光纤陀螺的光源强度噪声。

(2)本发明采用双环结构的光纤陀螺仪中2个光纤环形成互补的双环结构，有良好的温度对称性；而且，为了进一步有效地实现两个光纤环的温度对称，本发明所述2个光纤环的光纤按照对称方式正交缠绕在一起，在检测过程中可以有效地抑制环境温度变化引起的shupe误差。

(3)本发明光纤陀螺仪创造性的采用互补的双环结构，在有限空间内使用同等光纤长度的光纤陀螺，在不增加单个光纤环光纤长度的前提下，提高光纤陀螺的精度，且使其精度达到最高。

附图说明

图1为实施例1一种采用双环结构的光纤陀螺仪光路部分结构原理图。

图2为实施例1光纤陀螺仪对称方式正交缠绕的双环结构截面图。

图3为实施例1一种采用双环结构的光纤陀螺仪电路部分控制原理图。

图4为实施例1光纤陀螺仪电路部分结构原理图。

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

本实施例提供一种采用双环结构的光纤陀螺仪，包括电路部分和光路部分，如图1所示，所述光路部分包括光源、3个光纤耦合器、2个集成光学调制器、2个光纤环以及2个光电探测器；所述2个光纤环形成互补的双环结构。所述3个光纤耦合器分别为光纤耦合器A、光纤耦合器B和光纤耦合器C，所述2个集成光学调制器分别为集成光学调制器A、集成光学调制器B，所述2个光纤环分别为光纤环A和光纤环B，所述2个光电探测器分别为光电探测器A和光电探测器B。所述光源的输出光经光纤耦合器C分成两部分光，所述光纤陀螺仪中包括光路A和光路B，其中，光纤耦合器A、集成光学耦合器A、光纤环A和光线探测器A构成光路A；光纤耦合器B、集成光学耦合器B、光纤环B和光线探测器B构成光路B。

如附图2所示，为本实施例中光纤陀螺仪的双环结构的结构图，光纤环A和光纤环B按照对称的方式正交缠绕，有效地实现两个光纤环的温度对称。另外，在光纤环A和光纤环B制作的时候，光纤环A和光纤环B同步缠绕、同时固化，有效地实现两个光纤环的应力对称。

如图4所示，本实施例光纤陀螺仪的电路部分包括光纤陀螺检测电路，所述光纤陀螺检测电路对两条光路的光电探测器的信号进行差分运算，得到转速信号。光纤陀螺检测电路具体包括2个放大器、2个A/D转换器和1个数字信号处理器，所述2个放大器分别为放大器A和放大器B，2个A/D转换器分别为A/D转换器A和A/D转换器B。本实施例中干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器后转化为电信号，电信号经放大、A/D转换、数字信号处理器解调，得到光纤陀螺载体的转速。

本实施例的工作原理如下所述：

如图1所示，光源的输出光经光纤耦合器C分成两部分，其中一部分，经光纤耦合器A进入集成光学调制器A分成两束光，进入光纤环A的两端，经由光纤环A相向而行回到集成光学调制器A，形成的相位差在光学调制解调器A上产生干涉，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器A，再进入光电探测器A；光源的另外一部分光，经光纤耦合器B进入集成光学调制器B分成两束光，进入光纤环B的两端，经由光纤环B相向而行，回到集成光学调制器B，形成的相位差在光学调制解调器B上产生干涉，形成干涉光，干涉光回到光纤耦合器B再进入光电探测器B。

如图3和图4所示，本实施例中，两条光路部分的输出光信号分别通过各自的光电探测器后转化为电信号，然后依次输入到各自对应电路部分的放大器A和放大器B、A/D转换器A和A/D转换器B后，进入到数字信号处理器进行信号处理，所述信号处理包括对两路A/D转换后的信号进行差分运算，得到转速信号。可以理解的是，对于除差分运算外的其他信号处理过程与常规光纤陀螺相同即可。

本实施例的双环结构具有良好的应力对称性，因此光纤陀螺的两条光路的光源强度噪声理论上是相同的，则两个光电探测器探测到的噪声信号也是相同的，表现为共模信号，数字信号处理器对共模信号做差分运算，可以有效地消除光纤陀螺的光源强度噪声。

对比例1

本对比例提供一种市面上常规的光纤陀螺仪，其光路部分由5个器件组成：光源、光纤耦合器、集成光学调制器、光纤环和光电探测器。对比例中有1个光纤环，该光纤环长度与实施例1采用双环结构的光纤陀螺仪中的单个光纤环长度和直径相同，所述光纤环直径设为R，光纤长度设为L。

对比例2

本对比例提供一种光纤陀螺仪，本对比例中光纤陀螺仪与对比例1基本一致，区别点在于：本对比例中光纤环直径为2R。

对比例3

本对比例提供一种光纤陀螺仪，本对比例中光纤陀螺仪与对比例1基本一致，区别点在于：本对比例中光纤长度为2L。

实施例2：精度测试试验

本实施例对实施例1、对比例1～3中所述光纤陀螺仪进行零偏稳定性测试，其中，R＝120mm，L＝1200m。具体方法如下：将光纤陀螺放置在水平的大理石平台上(利用大理石平台的稳定性)，用数据采集计算机采集光纤陀螺输出的零偏，每100s对光纤陀螺输出零偏求一次平均，连续采集72个数，计算72个零偏数的标准差，其结果即零偏稳定性，其数值越小表明光纤陀螺的精度越高。试验结果如表1所示：

表1：

从表1中可以看出：本发明实施例1中提供的一种采用双环结构的光纤陀螺仪，在有限空间内，使用同等光纤长度的光纤陀螺，在不增加单个光纤环光纤长度的前提下，提高光纤陀螺的精度，且使其精度达到最高。

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)

1.一种采用双环结构的光纤陀螺仪，包括电路部分和光路部分，其特征在于，所述光路部分包括光源、3个光纤耦合器、2个集成光学调制器、2个光纤环以及2个光电探测器；所述2个光纤环形成互补的双环结构；

所述光纤陀螺仪内包括两条光路，每条所述光路包括1个光纤耦合器、1个集成光学耦合器、1个光纤环和1个光电探测器；

所述光源的输出光经光纤耦合器分成两部分光，所述两部分光分别进入两条光路，依次通过各自所述光路的光纤耦合器、集成光学调制器到达光纤环，产生相位差，然后回到集成光学调制器上产生干涉，形成干涉光，所述干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器。

2.根据权利要求1所述的采用双环结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述2个光纤环的光纤按照对称方式正交缠绕在一起。

3.根据权利要求1或2所述的采用双环结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述2个光纤环在制作过程中同步缠绕、同时固化。

4.根据权利要求1所述的采用双环结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述干涉光通过光纤耦合器进入光电探测器后转化为电信号，电信号经放大、A/D转换、解调，得到光纤陀螺载体的转速。

5.根据权利要求4所述的采用双环结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述电路部分包括光纤陀螺检测电路，所述光纤陀螺检测电路对两条光路的光电探测器的信号进行差分运算，得到转速信号。

6.根据权利要求5所述的采用双环结构的光纤陀螺仪，其特征在于，所述光纤陀螺检测电路包括数字信号处理器以及与所述两条光路对应的2个放大器、2个A/D转换器，两条光路部分的输出光信号分别依次输入到各自的放大器、A/D转换器后，进入到数字信号处理器进行差分运算，得到转速信号。