CN112284371A - 一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，包括多匝光纤环，多匝光纤环同轴设置；超辐射发光管SLD发出的光源经过保偏光纤分束器，分别进入光接收组件和光波导调制器，光波导调制器的第一端和第二端分别连接多匝光纤环最内层的光纤环和最外层的光纤环。本发明将若干个内径不同的光纤环组合成一体，以嵌套的形式将几个光纤环内外叠加，从外层到内层直径逐渐减小，形成一个完整的集成化光纤环，实现干涉型光纤陀螺仪进一步小型化。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环。
背景技术
干涉型光纤陀螺仪是当前广泛应用的惯性导航器件。自萨格奈克效应发现以来，干涉型光纤陀螺仪技术已经发展了近40年。随着无人机、智能机器人等新型科技迅速发展，对陀螺仪的小型化提出了更高的要求。速率级以及战术级陀螺在水下无人航行器、无缆水下机器人、北斗系统域应用广泛，光纤陀螺除了干涉型光纤陀螺仪之外，还包括谐振式、受激布里渊散射式、稀土掺杂式等，因干涉型光纤陀螺仪拥有灵敏度高、无转动部分等优势，中等精度、小型化、轻型化干涉型光纤陀螺仪颇具发展潜力。减光纤环的长度和内径，高效利用空间，是干涉型光纤陀螺仪小型化发展颇为可观的思路。如果能从干涉型光纤陀螺仪的结构设计上，改进光纤敏感环结构，进一步实现小型化，对挖掘其潜力，提高其适用范围具有重要现实意义。
缩短光纤环长度和内径，是减小干涉型光纤陀螺仪尺寸的最重要方式，但由于光纤环长度和内径的减小，陀螺测量精度和零偏稳定性也会变差，所以在陀螺总体尺寸不变的情况下，能够增加光纤环长度和内径，可以提高陀螺测量精度和零偏稳定性。另一方面，光纤环截面高度与宽度比是光纤环的关键设计参数。由于温度和力学环境的适应性，光纤环截面高度与宽度比不能过大也不能过小，一般高度与宽度比在0.25至1.8之间，比值过大或过小会造成较大热扰动和Shupe效应误差。因此若要使陀螺具有较好性能，每个光纤环的截面高度与宽度应折中选择，不能无限增加。所以不能用一个高度和宽度均较大的光纤环来减少光纤环长度、压缩空间，给符合精度要求的小型化陀螺设计带来一定困难。
在现有方案中，光纤陀螺的光纤环内部空间设计还不够完善。现有光纤环只是一个环状体，内部结构是空的，一定程度上浪费了内部空间，还需要进一步改进和优化设计。
发明内容：
本发明的目的是提供一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，能够减光纤环长度和高效利用空间，以克服背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，包括多匝光纤环，多匝光纤环同轴设置；超辐射发光管SLD发出的光源经过保偏光纤分束器，分别进入光接收组件和光波导调制器，光波导调制器的第一端和第二端分别连接多匝光纤环最内层的光纤环和最外层的光纤环。
较佳地，多匝光纤环包括至少两匝光纤环。
较佳地，多匝光纤环包括五匝光纤环，由外到内分别记为第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第四光纤环和第五光纤环。
较佳地，各个光纤环之间通过连接光纤连接。
较佳地，各个光纤环均由单层单轧光纤绕制而成。
较佳地，各个光纤环之间的间距为5mm～10mm。
较佳地，第五光纤环与第四光纤环之间的间距为5mm。
较佳地，第一光纤环和第二光纤环之间的间距为10mm，第二光纤环和第三光纤环之间的间距为10mm，第三光纤环和第四光纤环之间的间距为10mm。
较佳地，最内层的光纤环的内径至少为15mm。
较佳地，第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第四光纤环、第五光纤环的每个小光纤环的光纤线圈均布置在固定的线槽里。
较佳地，每个小光纤环的内层和外层均设有保温层，能够一定程度上减少温度变化和Shupe效应对光纤环造成的影响，提高陀螺稳定性。
较佳地，光纤线圈采用熊猫型保偏光纤,包层直径为60μm、外径为100μm。
本发明的有益效果在于：将若干个内径不同的光纤环组合成一体，以嵌套的形式将几个光纤环内外叠加，从外层到内层直径逐渐减小，形成一个完整的集成化光纤环，实现干涉型光纤陀螺仪进一步小型化。在相同光纤环长度要求下，嵌套式多层多匝光纤环由于内外相嵌套的环数较多，可使最外层半径更小，占用空间更小，从而减小陀螺体积。在相同尺寸要求下，嵌套式多层多匝光纤环由于内外环数增多，光纤长度增大，可提高陀螺的测量精度和零偏稳定性。选择适当环间距的集成光纤环，彼此之间不会因单个环的截面高度与宽度的因素影响性能，也能很好的散热，防止单个光纤环过度热膨胀，同时可减少光纤环长度、压缩空间，可实现干涉型光纤陀螺仪小型化。
附图说明
图1为本发明实施例的多层多匝光纤环结构示意图，
图2为本发明实施例的各个光纤环放大后的部分结构示意图，
图3位本发明实施例在光路输送中的连接结构示意图。
图中：1-第一光纤环，2—第二光纤环，3-第三光纤环，4-第四光纤环，5-第五光纤环，6—连接光纤，7-单层单轧光纤，8-超辐射发光管SLD，9-保偏光纤分束器，10-光接收组件，11-光波导调制器，12-多层多匝光纤环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，采用非理想四极对称缠绕方法，光纤陀螺环圈的温度性能与绕制方法、绕纤精度、固化胶体以及骨架材料、环境温度场等多种复杂因素有关，目前最有效也是国际最通用的方法是采用精密对称绕法抑制Shupe效应。光纤陀螺中通常采用四极对称缠绕方法，个别研究和专利中也有八极对称缠绕方法、十六极对称缠绕方法和梯形缠绕方法等。亦可以使用这些对称方法对光纤环进行绕制和优化设计，来减小温度变化和振动引起的误差。
由于光纤环对称性对陀螺漂移的影响，温度扰动变化造成的非互易误差与环中温度变化率成正比，且距离环中点越远，影响越大。一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，一定程度上减小了非互易性造成的热误差。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环12，包括多匝光纤环，多匝光纤环同轴设置；超辐射发光管SLD8发出的光源经过保偏光纤分束器9，分别进入光接收组件10和光波导调制器11，光波导调制器11的第一端和第二端分别连接多匝光纤环最内层的光纤环和最外层的光纤环。
多匝光纤环包括至少两匝光纤环。本实施例的多匝光纤环包括五匝光纤环，由外到内分别记为第一光纤环1、第二光纤环2、第三光纤环3、第四光纤环4和第五光纤环5。
各个光纤环之间通过连接光纤6连接，各个光纤环均由单层单轧光纤7绕制而成。
各个光纤环之间的间距为5mm～10mm。
本实施例中，第五光纤环5与第四光纤环4之间的间距为5mm，第一光纤环1和第二光纤环2之间的间距为10mm，第二光纤环2和第三光纤环3之间的间距为10mm，第三光纤环3和第四光纤环4之间的间距为10mm。
本实施例中，最内层的光纤环的内径至少为15mm。
本实施例中，第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第四光纤环、第五光纤环的每个小光纤环的光纤线圈均布置在固定的线槽里。
本实施例中，光纤线圈采用四级对称缠绕方法。
本实施例中，每个小光纤环的内层和外层均设有保温层，能够一定程度上减少温度变化和Shupe效应对光纤环造成的影响，提高陀螺稳定性。
本实施例中，光纤线圈采用熊猫型保偏光纤,包层直径为60μm、外径为100μm。
本发明阐述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环结构示意图如图1所示，一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环单个光纤环结构示意图如图2所示。
本发明提出的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，包括第一光纤环1，第二光纤环2，第三光纤环3，第四小光纤4，第五小光纤5，和若干光纤环间连接光纤6。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，把不同直径的光纤环从内到外嵌套组合在一起。每个光纤环尾纤相连，组合成一个集成的大光纤环。
不同直径的光纤环用光纤环间连接光纤6连接在一起，第一光纤环1与第二光纤环2通过光纤环间连接光纤6连接，第二光纤环2与第三光纤环3通过光纤环间连接光纤6连接，第三光纤环3与第四光纤环4通过光纤环间连接光纤6连接，第四光纤环4与第五光纤环5通过光纤环间连接光纤6连接。
每个光纤环缠绕成多层多匝结构，单个光纤环由若干单层单轧光纤7组成。
实践中，每个光纤环截面高度与宽度考虑到温度变化率、线圈上的温度梯度和环境振动等影响，折中选择优化的窗口比，保持每个环良好性能。集成的大光纤环既具有每个光纤环的热膨胀性能，又增加了光纤环总长度，节省了陀螺总体空间。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，可由不同光纤环数目组成，最少两个，无上限数目，可根据环内空间大小以及光纤环间距具体确定。
实践中，每个光纤环理论上选择相同的保偏光纤以及尾纤连接材料。本实施例所述光纤环间距5-10mm，确保较好的散热性。每个光纤环均具有互易性，最内侧的光纤环的内径不宜小于15mm，避免使陀螺检测精度变得过小，避免产生较大误差。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环也基于萨格奈克效应。
一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其光信号在嵌套式多层多匝光纤环的传播流程如下：光源发出的光信号，首先经过光路传播到达光纤环。到达光纤环的光信号，被分成两路。其中一路光信号进入最外侧的第一光纤环1，在第一光纤环1的每个单层单轧光纤7中进行顺时针传播。在第一光纤环1的每个单层单轧光纤7中旋转一圈后由光纤环间连接光纤6进入第二光纤环2继续传播。同样在第二光纤环2的每个单层单轧光纤7中沿顺时针传播一圈后，进入第三光纤环3。以此类推，依次进入第四光纤环4、第五光纤环5中传播。直到传播至第五光纤环5的每个单层单轧光纤7一圈后，直接沿线圈传到进入光纤环起始点。另一路光信号首先进入最内侧的第五光纤环5，并在第五光纤环5的每个单层单轧光纤7中进行逆时针传播。在最内侧第五光纤环5的每个单层单轧光纤7中旋转一圈后由光纤环间连接光纤6进入第四光纤环4继续传播。同样在第四光纤环4的每个单层单轧光纤7中沿逆时针传播一圈后，进入第三光纤环3。以此类推，依次进入第二光纤环2、第一光纤环1中传播。直至传播到最外侧的第一光纤环1的每个单层单轧光纤7一圈后，直接沿线圈传到进入光纤环起始点。
本实施例中，顺时针、逆时针传播的两束光经过各自路径返回起点发生干涉，如果运载体静止不动，则干涉发生在起始点不变。若运载体沿某一方向旋转，则两束光发生干涉之前经过的路程不同，存在渡越时间和相位差，通过检测相位差即可得到运载体旋转角速度。
本实施例中，由渡越时间可求得两束光波相位差，由相位差即可求得旋转角速度。存在一定旋转角速度情况下，由于光纤环个数不同、每个光纤环层数轧数不同、每个光纤环内径不同、光纤环之间的距离设置不同等因素，所产生的渡越时间和相位差也不同，从而需要根据实际情况设计旋转角速度计算方法。
本实施例中，采用非理想四极对称缠绕方法，光纤陀螺环圈的温度性能与绕制方法、绕纤精度、固化胶体以及骨架材料、环境温度场等多种复杂因素有关，目前最有效也是国际最通用的方法是采用精密对称绕法抑制Shupe效应。光纤陀螺中通常采用四极对称缠绕方法，个别研究和专利中也有八极对称缠绕方法、十六极对称缠绕方法和梯形缠绕方法等。亦可以使用这些对称方法对光纤环进行绕制和优化设计，来减小温度变化和振动引起的误差。
本实施例中，由于光纤环对称性对陀螺漂移的影响，温度扰动变化造成的非互易误差与环中温度变化率成正比，且距离环中点越远，影响越大。一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，一定程度上减小了非互易性造成的热误差。
嵌套式多层多匝光纤环最外侧小光纤环直径和一般光纤环的平均直径、每个光纤环长度相同情况下，嵌套式光纤环可以增加内部光纤长度，从而使角速度测量精度较一般光纤环提高了约38％至61％。设计成嵌套式多层多匝光纤环，陀螺具有较高的检测精度。
嵌套式多层多匝光纤环和一般光纤环占用相同体积的情况下，嵌套式多层多匝光纤环具有更小的振幅型偏振误差，预估的零偏漂移更好。
嵌套式多层多匝光纤环可以提高陀螺性能，并且可以减光纤环长度，高效利用空间，有利于实现IFOG小型化。该设计为光纤陀螺仪小型化研制提供了一定的参考途径。
嵌套式多层多匝光纤环可以增加几倍的光纤长度换得精度，对某些精度要求高、体积要求苛刻、不太考虑成本的应用具有参考价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本说明书中未作详细描述的部分属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：包括多层多匝光纤环(12)，多匝光纤环同轴设置；超辐射发光管SLD(8)发出的光源经过保偏光纤分束器(9)，分别进入光接收组件(10)和光波导调制器(11)，光波导调制器(11)的第一端和第二端分别连接多匝光纤环最内层的光纤环和最外层的光纤环。
2.根据权利要求1所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：所述多层多匝光纤环(12)包括至少两匝光纤环。
3.根据权利要求1所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：所述多匝光纤环包括五匝光纤环，由外到内分别记为第一光纤环(1)、第二光纤环(2)、第三光纤环(3)、第四光纤环(4)和第五光纤环(5)。
4.根据权利要求1或2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：各个所述光纤环之间通过连接光纤(6)连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：各个所述光纤环均由单层单匝光纤(7)绕制而成。
6.根据权利要求1或2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：各个所述光纤环之间的间距为5mm～10mm；最内层的光纤环的内径至少为15mm。。
7.根据权利要求2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：所述第五光纤环(5)与所述第四光纤环(4)之间的间距为5mm。
8.根据权利要求2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：所述第一光纤环(1)和所述第二光纤环(2)之间的间距为10mm，所述第二光纤环(2)和所述第三光纤环(3)之间的间距为10mm，所述第三光纤环(3)和所述第四光纤环(4)之间的间距为10mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：所述第一光纤环(1)、所述第二光纤环(2)、所述第三光纤环(3)、所述第四光纤环(4)、所述第五光纤环(5)的每个小光纤环的光纤线圈均布置在固定的线槽里；所述第一光纤环(1)、所述第二光纤环(2)、所述第三光纤环(3)、所述第四光纤环(4)、所述第五光纤环(5)的每个小光纤环的内层和外层均设有保温层，能够一定程度上减少温度变化和Shupe效应对光纤环造成的影响，提高陀螺稳定性。
10.根据权利要求1或2所述的一种干涉型光纤陀螺仪嵌套式多层多匝光纤环，其特征在于：光纤环使用光纤线圈按照非理想四极对称缠绕方法绕制；光纤线圈采用熊猫型保偏光纤,包层直径为60μm、外径为100μm。
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| 常扬: "光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计", 传感器与微系统, 6 June 2023 (2023-06-06) * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112284371B (zh) | 2024-07-05 |
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