CN112083477A - 一种三分量旋转地震仪 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种三分量旋转地震仪，包括：三个光纤陀螺和电路解算模块，其中，三个光纤陀螺的敏感轴相互正交；电路解算模块的输入端连接光纤陀螺的检测信号输出端，电路解算模块用于生成光纤陀螺所需的调制信号，以及解调检测信号输出端输出的检测信号，得到检测角速度，并对检测角速度进行误差补偿。本申请将三个相同的光纤陀螺进行正交组装，并且补偿了三个敏感轴未完全正交带来的测量误差。提供了一种精度高、稳定性高、角速度误差小、可以测量三个正交方向分量的旋转地震仪。进而，应用在地震旋转运动的监测中，能实时、准确、稳定测量旋转地震学中3个旋转运动的指标，在强地面运动地震学、地震工程学及地震仪器的发展中具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本申请涉及地震仪技术领域，具体涉及一种三分量旋转地震仪。
背景技术
地震波是由地球内部的地震源向四周通过地壳辐射的弹性波，对地震波的研究有助于了解到地球内部的真实情况，现代理论证明了地震波中旋转分量的存在，并指出其对于完整地构建出地震模型，了解地震的产生、传播甚至是预测都有至关重要的作用。
传统地震仪仅能测量线性运动，因此在地震波的研究历史中很长时间都局限于平移分量，旋转地震学也因此发展缓慢。但是，光纤陀螺的飞速发展大大促进了其在各领域的应用，三分量光纤陀螺应运而生，作为一种新型的旋转角速度测量设备，在导弹、航空、航天、航海、地质测量和高层监测等领域均有重要的应用，但是目前国内尚未出现成熟的旋转地震仪。
基于基于萨格纳克效应(Sagnac effect)的光纤陀螺是一种测量物体惯性运动角速度的传感器，其特点是仅对旋转运动敏感，可以直接测量旋转运动，因此十分适合用于地震监测领域。具体来说，在闭合光路中由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传输时，如果该光路存在转动，两束光则会产生与该转动角速度相关的相位差，通过检测所述两束光的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出该闭合光路的转动角速度。上述相位差被称作萨格纳克相移φs，其与转动角速度Ω的关系可表示为：
其中λ为光源波长，c表示真空中的光速，L和D表示光纤环的长度和直径。
然而，目前的三轴一体光纤陀螺技术方案较少，实际商用的产品也十分缺乏，为数不多的方案侧重点是通过共享光学器件和电路以减少体积和降低功耗，未考虑由于三轴并未完全正交带来的角速度测量误差，并且这些方案中的光路结构较为传统，不能达到在地震监测领域的角速度传感器的精度要求。
因此，需要提供一种精度高、稳定性高、角速度误差小、三个正交方向分量的旋转地震仪。
发明内容
本申请的目的是提供一种三分量旋转地震仪。
本申请提供一种三分量旋转地震仪，包括：三个光纤陀螺和电路解算模块，其中，所述三个光纤陀螺的敏感轴相互正交；
所述电路解算模块的输入端连接所述光纤陀螺的检测信号输出端，所述电路解算模块用于生成所述光纤陀螺所需的调制信号，以及解调所述检测信号输出端输出的检测信号，得到检测角速度，并对所述检测角速度进行误差补偿。
在本申请的一些实施方式中，所述光纤陀螺包括：光源、偏振分光模块、第一偏振光通路、第二偏振光通路、保偏光纤环；其中，所述光源连接所述偏振分光模块的输入端，所述偏振分光模块的输出端分别连接并联的第一偏振光通路和第二偏振光通路的输入端，所述第一偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第一端，所述第二偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第二端。
在本申请的一些实施方式中，所述光纤陀螺包括：依次串接的光源、起偏器、消偏器和耦合器，并联的第一偏振光通路和第二偏振光通路，以及保偏光纤环；其中，
所述耦合器的输出端连接所述第一偏振光通路和所述第二偏振光通路的输入端，所述第一偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第一端，所述第二偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第二端；
所述耦合器的输出端和所述第二偏振光通路的输入端之间串接有延时模块。
在本申请的一些实施方式中，所述三个光纤陀螺公用一个光源或三个光纤陀螺仪各自对应一个光源。
在本申请的一些实施方式中，所述第一偏振光通路包括第一Y波导和第一偏振分束合束器；所述第一Y波导的单独端连接所述第一偏振光通路的输入端，所述第一Y波导的两分支端中的一者连接所述第一偏振分束合束器的第一分束端，另一者连接所述第二偏振分束合束器的第一分束端；所述第一偏振分束合束器的合束端为所述第一偏振光通路的输出端；
所述第二偏振光通路包括第二Y波导和第二偏振分束合束器；所述第二Y波导的单独端连接所述第二偏振光通路的输入端，所述第二Y波导的两分支端中的一者连接所述第一偏振分束合束器的第二分束端，另一者连接所述第二偏振分束合束器的第二分束端；所述第二偏振分束合束器的合束端为所述第二偏振光通路的输出端。
在本申请的一些实施方式中，所述第一偏振光通路还包括第一环形器和第一光电探测器，所述第一环形器的第一端为所述第一偏振光通路的输入端，所述第一环形器的第二端连接所述第一Y波导的输入端；所述第一光电探测器的输入端与所述第一环形器的第三端相连；
所述第二偏振光通路还包括第二环形器和第二光电探测器，所述第二环形器的第一端为所述第二偏振光通路的输入端，所述第二环形器的第二端连接所述第二Y波导的输入端；所述第二光电探测器的输入端与所述第二环形器的第三端相连；
所述第一光电探测器的输出端为所述第一偏振光通路的检测信号输出端，所述第二光电探测器的输出端为所述第二偏振光通路的检测信号输出端。
在本申请的一些实施方式中，所述电路解算模块包括与所述三个所述光纤陀螺一一对应的三个信号解调单元和一个误差补偿单元；
所述信号解调单元包括现场可编程门阵列和微处理器，所述现场可编程门阵列的输入端连接所述光纤陀螺的检测输出端，所述现场可编程门阵列的输出端连接所述光纤陀螺的调制信号输入端；所述现场可编程门阵列根据所述检测信号生成所述光纤陀螺所需的调制信号，并将所述调制信号输出至所述光纤陀螺的调制信号输入端；
所述现场可编程门阵列的输出端还连接所述微处理器的输入端；所述现场可编程门阵列对所述检测信号进行预处理，所述微处理器采用相干解调技术对预处理后的信号进行解调，得到所述检测角速度；
所述微处理器的输出端连接所述误差补偿单元的输入端；所述误差补偿单元对所述检测角速度进行误差补偿。
在本申请的一些实施方式中，所述信号解调单元还包括：模拟数字转换器和数字模拟转换器，所述模拟数字转换器串接在所述光纤陀螺的检测信号输出端和所述现场可编程门阵列的输入端之间；所述数字模拟转换器串接在所述现场可编程门阵列的输出端和所述光纤陀螺的调制信号输入端之间。
在本申请的一些实施方式中，所述误差补偿单元将所述检测角速度代入所述光学陀螺的误差补偿数学模型，得到补偿后的角速度。
在本申请的一些实施方式中，所述第一Y波导的的电信号输入端为所述第一偏振光通路的调制信号输入端，所述第二Y波导的的电信号输入端为所述第二偏振光通路的调制信号输入端；所述现场可编程门阵列生成的所述调制信号包括第一调制信号和第二调制信号，所述第一调制信号和所述第二调制信号的相位相反；其中，所述第一调制信号施加在所述第一偏振分束合束器的第一分束端和所述第二偏振分束合束器的第一分束端；所述第二调制信号施加在所述第一偏振分束合束器的第二分束端和所述第二偏振分束合束器的第二分束端。
相较于现有技术，本申请将三个相同的光纤陀螺进行正交组装(光纤陀螺的敏感轴正交)，并且通过电路解算模块解调三个光纤陀螺检测的光信号，得到三个空间轴的检测角速度，并对检测角速度进行误差补偿，补偿了三个敏感轴未完全正交带来的测量误差。从而，本申请提供了一种精度高、稳定性高、角速度误差小、可以测量三个正交方向分量的旋转地震仪。进而可以将本申请的三分量旋转地震仪应用在地震旋转运动的监测中，完成实时、准确、稳定测量旋转地震学中3个旋转运动的指标，即一个装置可以进行地面地震源的旋转测试，直接测量出地震期间旋转运动的3个分量，在强地面运动地震学、地震工程学及地震仪器的发展中具有重要的指导意义。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本申请的一些实施方式所提供的一种三分量旋转地震仪的光纤陀螺及其信号解调单元的结构示意图；
图2示出了本申请的一些实施方式所提供的另一种三分量旋转地震仪的光纤陀螺及其信号解调单元的结构示意图；
其中，附图标记为：10、光源；11、偏振分光元件；101、起偏器；102、消偏器；103、耦合器；104、延时模块；2a、第一偏振光通路；2b、第二偏振光通路；20、保偏光纤环；211、第一环形器；212、第二环形器；221、第一Y波导；222、第二Y波导；231、第一偏振分束合束器；232、第二偏振分束合束器；241、第一光电探测器；242、第二光电探测器；30、信号解调单元；31、模拟数字转换器；32、微处理器；33、现场可编程门阵列；34、数字模拟转换器；40、误差补偿单元。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
另外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请实施例提供一种三分量旋转地震仪，下面结合实施例及附图进行示例性说明。
本申请的三分量旋转地震仪，可以包括：三个光纤陀螺和电路解算模块，其中，三个光纤陀螺的敏感轴相互正交；
电路解算模块的输入端连接光纤陀螺的检测信号输出端，电路解算模块用于生成光纤陀螺所需的调制信号，以及解调检测信号输出端输出的检测信号，得到检测角速度，并对检测角速度进行误差补偿。
本实施例的光纤陀螺工作时：三个光纤陀螺分别向电路解算模块输出各自检测的光信号，电路解算模块根据光信号解调出各个轴上的旋转运动的分量，然后对三个轴上的旋转运动分量进行误差补偿，即可得到三个轴上高精准度的旋转运动的分量(角速度)。
相较于现有技术，本申请将三个相同的光纤陀螺进行正交组装(光纤陀螺的敏感轴正交)，并且通过电路解算模块解调三个光纤陀螺检测的光信号，得到三个空间轴的检测角速度，并对检测角速度进行误差补偿，补偿了三个敏感轴未完全正交带来的测量误差。从而，本申请提供了一种精度高、稳定性高、角速度误差小、可以测量三个正交方向分量的旋转地震仪。进而可以将本申请的三分量旋转地震仪应用在地震旋转运动的监测中，完成实时、准确、稳定测量旋转地震学中3个旋转运动的指标，即一个装置可以进行地面地震源的旋转测试，直接测量出地震期间旋转运动的3个分量，在强地面运动地震学、地震工程学及地震仪器的发展中具有重要的指导意义。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，如图1所示，光纤陀螺包括：光源10、偏振分光模块、第一偏振光通路2a、第二偏振光通路2b、保偏光纤环20；其中，光源10连接偏振分光模块的输入端，偏振分光模块的输出端分别连接并联的第一偏振光通路2a和第二偏振光通路2b的输入端，第一偏振光通路2a的输出端连接保偏光纤环20的第一端，第二偏振光通路2b的输出端连接保偏光纤环20的第二端。
其中，偏振分光元件11可以为偏振分束器或偏振分束合束器，当然，原则上也可以为其他光学元件，只要能实现从光源10输出的光信号中分离出偏振态正交的两束偏振光即可。
其中，对第一偏振光通路2a输出的检测信号和第二偏振光通路2b输出的检测信号进行加权平均，得到光纤陀螺仪的检测信号。
本实施例光纤陀螺是双偏振光纤陀螺，偏振分光模块对光源10输出的光信号进行了消相干处理，得到了偏振方向正交的第一偏振光和第二偏振光，故第一偏振光和第二偏振光不具有相干性，从而，主轴光(第一偏振光和第二偏振光)在光纤陀螺中传输过程中，耦合光无法与主轴光发生干涉。因此，采集到的检测信号将只包含主轴光(顺时针的偏振光和逆时针的偏振光)彼此的干涉以及耦合光(顺时针的耦合光和逆时针的耦合光)彼此的干涉两个部分信号，从而，降低了发生在保偏光纤环20中的偏振交叉耦合误差，进而，使双偏振光纤陀螺的两个偏振态都得到更好使用，从而提高了光纤陀螺的检测精度。
本实施例的光纤陀螺是双偏振光纤陀螺，双偏振光纤陀螺通过对结构的优化实现了两个正交偏振态的利用。由于这两个偏振方向传播的光具有相同的传播路径，即经历的噪声也一致，两偏振态中的部分噪声可以相互补偿，经过补偿后的结果短时游走与长时稳定性能均得到很大提高。因此，本实施例的三分量旋转地震仪具有高灵敏度、低噪声、性能稳定、高集成度、高完成度、应用领域广泛和环境适应性强优点。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，在本申请实施例的一些变更实施方式中，如图2所示，光纤陀螺包括：依次串接的光源10、起偏器101、消偏器102和耦合器103，并联的第一偏振光通路2a和第二偏振光通路2b，以及保偏光纤环20；其中，
耦合器103的输出端连接第一偏振光通路2a和第二偏振光通路2b的输入端，第一偏振光通路2a的输出端连接保偏光纤环20的第一端，第二偏振光通路2b的输出端连接保偏光纤环20的第二端；
耦合器103的输出端和第二偏振光通路2b的输入端之间串接有延时模块104。
其中，延时模块104为单模光纤或保偏光纤。延时模块104的光纤长度与保偏光纤环20的保偏光纤长度正相关。本实施例中通过在耦合器103的输出端和第二偏振光通路2b之间设置延时光纤，其可以是单模光纤或者保偏光纤，作用在于将检测光的传输距离增加，从而达到了时间上的延迟。
其中，对第一偏振光通路2a输出的检测信号和第二偏振光通路2b输出的检测信号进行加权平均，得到光纤陀螺仪的检测信号。
本实施例的光纤陀螺是双偏振光纤陀螺，起偏器101从光源10输出的光信号中产生一偏振光，第一偏振光和第二偏振光是消偏器102一同产生的，从而能够很好的保证第一偏振光和第二偏振光的功率均衡。同时，利用延时模块104使得输入至第一偏振光通路2a的检测光和输入第二偏光通路的检测光之间有相位差，也就是使得第一偏振光和第二偏振光之间有相位差，故能降低耦合光和主轴光(即第一偏振光和第二偏振光)之间的干涉效果，使光纤陀螺的两个偏振态都得到更好使用，从而降低耦合光和主轴光的干涉对顺时针、逆时针传输的主轴干涉的影响，即降低了由于第一偏振光和第二偏振光在光路传输过程中的偏振交叉耦合噪声分量，大大提高了光纤陀螺的零偏性能，提高了检测精度。
更进一步地，如图1和图2所示，图1和图2中，第一偏振光通路2a和第二偏振光通路2b的结构相同，但是光信号的传输方式是不同的。具体地，
第一偏振光通路2a包括第一Y波导221和第一偏振分束合束器231；第一Y波导221的单独端连接第一偏振光通路2a的输入端，第一Y波导221的两分支端中的一者连接第一偏振分束合束器231的第一分束端，另一者连接第二偏振分束合束器232的第一分束端；第一偏振分束合束器231的合束端为第一偏振光通路2a的输出端；
第二偏振光通路2b包括第二Y波导222和第二偏振分束合束器232；第二Y波导222的单独端连接第二偏振光通路2b的输入端，第二Y波导222的两分支端中的一者连接第一偏振分束合束器231的第二分束端，另一者连接第二偏振分束合束器232的第二分束端；第二偏振分束合束器232的合束端为第二偏振光通路2b的输出端。
在图1中，光源10输出的光信号的传输过程具体包括：
首先，光源10发出的光信号(如宽谱光)经偏振分束元件后输出偏振方向正交的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光经偏振分束元件的输出端分别输入第一Y波导221和第二Y波导222。
然后，第一偏振光被第一Y波导221调制为两束第一偏振光，两束第一偏振光中的一者经第一偏振分束合束器231输入至保偏光纤环20的第一端，并由保偏光纤环20的第二端输出至第二偏振分束合束器232合束端，即该第一偏振光在保偏光纤环20内进行顺时针传输；该两束第一偏振光中的另一者经第二偏振分束合束器232输入至保偏光纤环20的第二端，并由保偏光纤环20的第一端输出至第一偏振分束合束器231，即该第一偏振光在保偏光纤环20内进行逆时针传输。同样地，第二偏振光被第二Y波导222调制为两束第二偏振光，两束第二偏振光中的一者经第二偏振分束合束器232输入至保偏光纤环20的第二端，并由保偏光纤环20的第一端输出至第一偏振分束合束器231，即该第二偏振光在保偏光纤环20内进行逆时针传输；该两束第二偏振光中的另一者经第一偏振分束合束器231输入至保偏光纤环20的第一端，并由保偏光纤环20的第二端输出至第二偏振分束合束器232，即该第二偏振光在保偏光纤环20内进行顺时针传输。
最后，第一偏振分束合束器231将第一偏振光输出至第一Y波导221，第二偏振光输出至第二Y波导222；同样地，第二偏振分束合束器232将第一偏振光输出至第一Y波导221，第二偏振光输出至第二Y波导222。
在图2中，光源10输出的光信号的传输过程具体包括：
首先，起偏器101从光源10输出的光信号中分离出一偏振光，并将该偏振光输出至消偏器102；消偏器102利用偏振光产生第一偏振光和第二偏振光，两偏振光相互正交，共同输出至耦合器103；耦合器103产生两束检测光，并将两束检测光分别经第一环形器211和第二环形器212输出至第一Y波导221和第二Y波导222。
然后，第一Y波导221根据检测光产生两束第一偏振光，两束第一偏振光中的一者经第一偏振分束合束器231输入至保偏光纤环20的第一端，并由保偏光纤环20的第二端输出至第二偏振分束合束器232，即该第一偏振光在保偏光纤环20内进行顺时针传输；该两束第一偏振光中的另一者经第二偏振分束合束器232输入至保偏光纤环20的第二端，并由保偏光纤环20的第一端输出至第一偏振分束合束器231，即该第一偏振光在保偏光纤环20内进行逆时针传输。同样地，第二Y波导222根据检测光产生两束第二偏振光，两束第二偏振光中的一者经第二偏振分束合束器232输入至保偏光纤环20的第二端，并由保偏光纤环20的第一端输出至第一偏振分束合束器231，即该第二偏振光在保偏光纤环20内进行逆时针传输；该两束第二偏振光中的另一者经第一偏振分束合束器231输入至保偏光纤环20的第一端，并由保偏光纤环20的第二端输出至第二偏振分束合束器232，即该第二偏振光在保偏光纤环20内进行顺时针传输。
最后，第一偏振分束合束器231将第一偏振光输出至第一Y波导221，第二偏振光输出至第二Y波导222，顺时针传输的第一偏振光和逆时针传输的第一偏振光在第一Y波导221内发生干涉；同样地，第二偏振分束合束器232将第一偏振光输出至第一Y波导221，第二偏振光输出至第二Y波导222，顺时针传输的第一偏振光和逆时针传输的第一偏振光在第一Y波导221内发生干涉。
在本实施例中，在每个偏振方向上传输的主轴光(即第一偏振光和第二偏振光)，都会经过两次进入保偏光纤环20和从保偏光纤环20离开的过程，任意主轴光(第一偏振光或第二偏振光)进入保偏光纤环20所经过的Y波导和离开保偏光纤环20所经过的Y波导是同一个Y波导，故一方面顺时针传输的主轴光和逆时针传输的主轴光经历的偏振模式是一样的，即偏振互易性得到了保证；另一方面，顺时针传输的主轴光和逆时针传输的主轴光经过耦合器103(Y波导)的方式是一样的，即耦合器103互易性得到了保证。也就是，顺时针传输的主轴光和逆时针传输的主轴光所经历的光路完全一致，即满足互易性的要求。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，第一偏振光通路2a还包括第一环形器211和第一光电探测器241，第一环形器211的第一端为第一偏振光通路2a的输入端，第一环形器211的第二端连接第一Y波导221的输入端；第一光电探测器241的输入端与第一环形器211的第三端相连；
第二偏振光通路2b还包括第二环形器212和第二光电探测器242，第二环形器212的第一端为第二偏振光通路2b的输入端，第二环形器212的第二端连接第二Y波导222的输入端；第二光电探测器242的输入端与第二环形器212的第三端相连；
第一光电探测器241的输出端为第一偏振光通路2a的检测信号输出端，
第二光电探测器242的输出端为第二偏振光通路2b的检测信号输出端。
其中，环形器是一个多端器件，光信号在环形器中的传输只能沿单方向环行。
在本实施例中，在实现光信号按照预定的路径传输的前提下，简化了光纤陀螺的硬件结构。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，电路解算模块包括与三个光纤陀螺一一对应的三个信号解调单元30和一个误差补偿单元40；
信号解调单元30包括现场可编程门阵列33和微处理器32，现场可编程门阵列33的输入端连接光纤陀螺的检测输出端，现场可编程门阵列33的输出端连接光纤陀螺的调制信号输入端；现场可编程门阵列33根据检测信号生成光纤陀螺所需的调制信号，并将调制信号输出至光纤陀螺的调制信号输入端；
现场可编程门阵列33的输出端还连接微处理器32的输入端；现场可编程门阵列33对检测信号进行预处理，微处理器32采用相干解调技术对预处理后的信号进行解调，得到检测角速度；
微处理器32的输出端连接误差补偿单元40的输入端；误差补偿单元40对检测角速度进行误差补偿。
进一步地，第一Y波导221的的电信号输入端为第一偏振光通路2a的调制信号输入端，第二Y波导222的的电信号输入端为第二偏振光通路2b的调制信号输入端；现场可编程门阵列33生成的调制信号包括第一调制信号和第二调制信号，第一调制信号和第二调制信号的相位相反；其中，第一调制信号施加在第一偏振分束合束器231的第一分束端和第二偏振分束合束器232的第一分束端；第二调制信号施加在第一偏振分束合束器231的第二分束端和第二偏振分束合束器232的第二分束端。
在本实施例中，以本征频率的奇次倍频作为调制频率，将调制频率搬移至宽带噪声频段，从而可以大幅降低噪底，提高光纤陀螺的短时游走性能。
本实施例中，通过此双偏振光路配合高速低噪声电路解算结构，可以实现光纤内的两个正交偏振模式同时传播与角速度信号的实时解调，由于正交偏振干涉信号的非互易相位误差存在涨落互补现象，在满足电域均衡、时域消相干以及反向调制的条件下，可实现完美的环境适应性及误差与噪声抑制特征。
更进一步地，信号解调单元30还包括：模拟数字转换器31和数字模拟转换器34，模拟数字转换器31串接在光纤陀螺的检测信号输出端和现场可编程门阵列33的输入端之间；数字模拟转换器34串接在现场可编程门阵列33的输出端和光纤陀螺的调制信号输入端之间。
本实施例中，光电探测器负责将光信号转换为电信号交由信号解调单元30处理。数字信号进入现场可编程门阵列33(FPGA)中进行放大、滤波等处理，处理后的数字信号进行直接数字合成(DDS)，通过模拟数字转换器31(DAC)将数字信号转换成正弦模拟信号(电压信号)，输入Y波导对光路系统进行调制；通过现场可编程门阵列33(FPGA)处理后数字信号采用相干解调的技术在微处理器32(ARM)做进一步解调处理，最后采用RS232协议通过串口输出角速度。
相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘：现场可编程门阵列33(FPGA)给到的信号Acos(ωt+θ)，引入相干(同频同相)的参考信号cos(ωt+θ)，则得到：
Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ)利用积化和差公式可以得到
A*1/2*[cos(ωt+θ+ωt+θ)+cos(ωt+θ-ωt-θ)]
＝A*1/2*[cos(2ωt+2θ)+cos(0)]
＝A/2*[cos(2ωt+2θ)+1]
＝A/2+A/2cos(2ωt+2θ)
利用低通滤波器将高频信号cos(2ωt+2θ)滤除，即得原始信号A(角速度)。
本实施例通过此双偏振光路配合高速低噪声电路解算结构，可以实现光纤内的两个正交偏振模式同时传播与角速度信号的实时解调，由于正交偏振干涉信号的非互易相位误差存在涨落互补现象，在满足电域均衡、时域消相干以及反向调制的条件下，可实现完美的环境适应性及误差与噪声抑制特征。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，误差补偿单元40将检测角速度代入光学陀螺的误差补偿数学模型，得到补偿后的角速度。
其中，误差数学模型为：
式中，Fgx、Fgy、Fgz分别为三个光纤陀螺补偿后的角速度；Kgx、Kgy、Kgz分别为三个光纤陀螺的标度因数误差补偿系数；Egx、Egy、Egz分别为三个光纤陀螺的失准角误差补偿系数；ωx、ωy、ωz分别为三个光纤陀螺检测的角速度；Bgx、Bgy、Bgz分别为三个光纤陀螺的零偏误差补偿系数。
三分量旋转地震仪本身工作过程及在正交安装过程中，会引入零偏误差、标度因数误差及失准角误差，所以在使用前需要通过标定实验确定出三分量旋转地震仪的各项误差系数，并且测量中进行实时补偿。
实验室对三分量旋转地震仪的三个性能指标进行分立式标定，之后在三轴信号处理电路系统写入对应系数，并且在角速度的实时测量中根据补偿系数及三个轴的角速度输出进行相应补偿。根据分立式标定，即可确定出模型中的标度因数、零偏、安装系数。
在本申请实施例的一些变更实施方式中，三个光纤陀螺公用一个光源或三个光纤陀螺仪各自对应一个光源10。从而保证了三个光纤陀螺传输的光信号一致。
进一步地，光源10的带宽、波长稳定性、输出功率、寿命等对于光纤陀螺的性能有着非常重要的影响。光纤陀螺必须要采用宽谱光源10，而且存在谱宽越宽性能越好的可能性，因为更宽的谱宽意味着更短的相干长度，可以减少背向瑞利散射光波与主光波相干涉带来的噪声。
因此，在本实施例中，光源10可以采用宽带掺铒超荧光光纤光源10(ASE)，宽带掺铒超荧光光纤光源10(ASE)的光源10理论基础主要是掺铒光纤的光放大原理，用特定波长的半导体激光器泵浦掺铒光纤后光纤内不同能级的铒离子将呈现粒子数反转，高能级原子产生的自发辐射光在光纤内传输时，不断地受激放大，形成放大的自发辐射，实现光纤陀螺所需的超荧光输出。自发辐射的特点是各个光波场的相位是不干涉的，光波场的传输方向和偏振态也是无规分布。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种三分量旋转地震仪，其特征在于，包括：三个光纤陀螺和电路解算模块，其中，所述三个光纤陀螺的敏感轴相互正交；
所述电路解算模块的输入端连接所述光纤陀螺的检测信号输出端，所述电路解算模块用于生成所述光纤陀螺所需的调制信号，以及解调所述检测信号输出端输出的检测信号，得到检测角速度，并对所述检测角速度进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述光纤陀螺包括：光源、偏振分光模块、第一偏振光通路、第二偏振光通路、保偏光纤环；其中，
所述光源连接所述偏振分光模块的输入端，所述偏振分光模块的输出端分别连接并联的第一偏振光通路和第二偏振光通路的输入端，所述第一偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第一端，所述第二偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第二端。
3.根据权利要求1所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述光纤陀螺包括：依次串接的光源、起偏器、消偏器和耦合器，并联的第一偏振光通路和第二偏振光通路，以及保偏光纤环；其中，
所述耦合器的输出端连接所述第一偏振光通路和所述第二偏振光通路的输入端，所述第一偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第一端，所述第二偏振光通路的输出端连接所述保偏光纤环的第二端；
所述耦合器的输出端和所述第二偏振光通路的输入端之间串接有延时模块。
4.根据权利要求2或3所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述三个光纤陀螺公用一个光源或三个光纤陀螺仪各自对应一个光源。
5.根据权利要求2或3所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述第一偏振光通路包括第一Y波导和第一偏振分束合束器；所述第一Y波导的单独端连接所述第一偏振光通路的输入端，所述第一Y波导的两分支端中的一者连接所述第一偏振分束合束器的第一分束端，另一者连接所述第二偏振分束合束器的第一分束端；所述第一偏振分束合束器的合束端为所述第一偏振光通路的输出端；
所述第二偏振光通路包括第二Y波导和第二偏振分束合束器；所述第二Y波导的单独端连接所述第二偏振光通路的输入端，所述第二Y波导的两分支端中的一者连接所述第一偏振分束合束器的第二分束端，另一者连接所述第二偏振分束合束器的第二分束端；所述第二偏振分束合束器的合束端为所述第二偏振光通路的输出端。
6.根据权利要求5所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述第一偏振光通路还包括第一环形器和第一光电探测器，所述第一环形器的第一端为所述第一偏振光通路的输入端，所述第一环形器的第二端连接所述第一Y波导的输入端；所述第一光电探测器的输入端与所述第一环形器的第三端相连；
所述第二偏振光通路还包括第二环形器和第二光电探测器，所述第二环形器的第一端为所述第二偏振光通路的输入端，所述第二环形器的第二端连接所述第二Y波导的输入端；所述第二光电探测器的输入端与所述第二环形器的第三端相连；
所述第一光电探测器的输出端为所述第一偏振光通路的检测信号输出端，所述第二光电探测器的输出端为所述第二偏振光通路的检测信号输出端。
7.根据权利要求5所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述电路解算模块包括与所述三个所述光纤陀螺一一对应的三个信号解调单元和一个误差补偿单元；
所述信号解调单元包括现场可编程门阵列和微处理器，所述现场可编程门阵列的输入端连接所述光纤陀螺的检测输出端，所述现场可编程门阵列的输出端连接所述光纤陀螺的调制信号输入端；所述现场可编程门阵列根据所述检测信号生成所述光纤陀螺所需的调制信号，并将所述调制信号输出至所述光纤陀螺的调制信号输入端；
所述现场可编程门阵列的输出端还连接所述微处理器的输入端；所述现场可编程门阵列对所述检测信号进行预处理，所述微处理器采用相干解调技术对预处理后的信号进行解调，得到所述检测角速度；
所述微处理器的输出端连接所述误差补偿单元的输入端；所述误差补偿单元对所述检测角速度进行误差补偿。
8.根据权利要求7所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，所述信号解调单元还包括：模拟数字转换器和数字模拟转换器，所述模拟数字转换器串接在所述光纤陀螺的检测信号输出端和所述现场可编程门阵列的输入端之间；所述数字模拟转换器串接在所述现场可编程门阵列的输出端和所述光纤陀螺的调制信号输入端之间。
9.根据权利要求7所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述误差补偿单元将所述检测角速度代入所述光学陀螺的误差补偿数学模型，得到补偿后的角速度。
10.根据权利要求7所述的三分量旋转地震仪，其特征在于，
所述第一Y波导的的电信号输入端为所述第一偏振光通路的调制信号输入端，所述第二Y波导的的电信号输入端为所述第二偏振光通路的调制信号输入端；所述现场可编程门阵列生成的所述调制信号包括第一调制信号和第二调制信号，所述第一调制信号和所述第二调制信号的相位相反；其中，所述第一调制信号施加在所述第一偏振分束合束器的第一分束端和所述第二偏振分束合束器的第一分束端；所述第二调制信号施加在所述第一偏振分束合束器的第二分束端和所述第二偏振分束合束器的第二分束端。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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