CN112781579B - 一种六轴一体光纤陀螺光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构，该光路结构包括光源、第一级耦合器、第二级耦合器、第三级耦合器、探测器、陀螺敏感模块，光源与第一级耦合器的一输入端连接，第一级耦合器的输出端分别与不同的第二级耦合器的一输入端连接，各第二级耦合器的输出端分别与不同的第三级耦合器的一输入端连接，各第三级耦合器的一个输出端分别连接有一陀螺敏感模块，各陀螺敏感模块均分别连接有一光纤环，每两个光纤环将通过一绕环夹具绕制为一个绕制光纤环，绕制光纤环中的两个光纤环的大小不同。本发明实现了绕制光纤环中大小不同的大环和小环光路不同时工作，满足了高精度光纤陀螺静态对准精度高、振动环境动态性能要求高的两种不同应用需求。

Description

一种六轴一体光纤陀螺光路结构

技术领域

本申请涉及光纤陀螺光路技术领域，具体而言，涉及一种六轴一体光纤陀螺光路结构。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速率传感器，由于其成本低、工艺简单、可靠性高、抗冲击振动能力强，其应用前景备受重视，已经成为主流的传感器之一。但目前光纤陀螺主要通过增大光纤环有效直径以及加长光纤环长度提高精度，导致其单条纹工作区间减小，在大量级振动、冲击条件下更容易产生跨条纹现象，使其工作在错误的条纹区间，这影响了光纤陀螺在对高动态环境要求较高领域的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构。采用大环光纤环内部嵌套小环光纤环的方式，在静态测试对准时采用大环光纤环体，在恶劣振动环境中采用小环光纤环体，解决了静态对准测量和恶劣振动姿态测量两种光纤陀螺的不同应用场景需求，解决高精度陀螺在恶劣动态环境下跨条纹的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构，所述光路结构包括：光源、第一级耦合器、第二级耦合器、第三级耦合器、探测器、陀螺敏感模块，所述光源与所述第一级耦合器的一个输入端连接，所述第一级耦合器的输出端分别与不同的所述第二级耦合器的一个输入端连接，各所述第二级耦合器的输出端分别与不同的所述第三级耦合器的一个输入端连接，各所述第三级耦合器没有与所述第二级耦合器连接的另一输入端还分别连接有一所述探测器，各所述第三级耦合器的一个输出端分别连接有一所述陀螺敏感模块，各所述陀螺敏感模块均分别连接有一光纤环，每两个所述光纤环将通过一个绕环夹具绕制为一个绕制光纤环，且所述绕制光纤环中的两个所述光纤环的长度不同。

优选的，所述光路结构包括一个所述第一级耦合器、两个所述第二级耦合器、六个所述第三级耦合器，且所述第一级耦合器以及所述第三级耦合器为2X2光纤耦合器，所述第二级耦合器为1X3光纤耦合器。

优选的，所述2X2光纤耦合器和所述1X3光纤耦合器均为单模光纤耦合器，所述2X2光纤耦合器的分光比为50：50，所述1X3光纤耦合器的分光比为33：33：33。

优选的，所述光纤环包括大环光纤环和小环光纤环，所述光路结构包括三个所述大环光纤环与三个所述小环光纤环，所述大环光纤环的总长度大于小环光纤环的总长度。

优选的，所述光纤环为包层直径为80μm，涂覆层直径为135μm的保偏光纤烧制的光纤环，所述大环光纤环与小环光纤环具有相同的环高度和安装面，所述大环光纤环的最内层光纤绕制在所述小环光纤环的最外一层保偏光纤上，用以形成一个双层内外嵌套的绕制光纤环。

优选的，所述陀螺敏感模块包括Y波导，所述Y波导的输入端与所述第三级耦合器的一个输出端连接，所述Y波导的两输出端分别与所述光纤环的两根尾纤连接，用以将输入的光信号分成两束并起偏后注入所述光纤环。

优选的，所述Y波导为陶瓷封装或不锈钢封装的集成光学调制器，用以完成分光、合光、起偏、调制功能，所述Y波导的输入端尾纤为包层直径为125μm的保偏光纤，所述Y波导的输出端尾纤为包层直径为80μm的保偏光纤。

优选的，所述光纤环为保偏光纤环，所述Y波导的两输出端与所述光纤环尾纤通过0°对轴熔接。

优选的，所述探测器为InGaAs异质结光敏二极管和FET电路组成的PIN-FET探测器组件，所述探测器的连接端尾纤为包层直径为125μm的单模尾纤。

优选的，所述光源为工作波长为1550nm波段的ASE光源。

本发明的有益效果为：通过光纤环组成的绕制光纤环中大小不同的大环和小环光路不同时工作，即采用模式切换的方式，在静态测试对准的工作时间启动大环光路工作，提高陀螺光路的自对准精度，在恶劣振动环境下启动小环光路工作，提高了陀螺抗过载特性，满足了高精度光纤陀螺静态测试精度高、恶劣振动环境动态性能要求高的两种不同应用场景。而且在本光路中，大环光纤环与小环光纤环采用同一个绕环夹具绕制，形成一个双层内外嵌套的绕制光纤环，其具有相同的安装面，消除了安装误差，且解决了同轴冗余方案中的多次标定问题，提升了系统精度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构的结构举例示意图；

图2为本申请实施例提供的一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构的原理举例示意图。

其中，1-ASE光源、2-第一2×2单模光纤耦合器、3-第一1×3单模光纤耦合器、4-第二1×3单模光纤耦合器、5-第二2×2单模光纤耦合器、6-第三2×2单模光纤耦合器、7-第四2×2单模光纤耦合器、8-第五2×2单模光纤耦合器、9-第六2×2单模光纤耦合器、10-第七2×2单模光纤耦合器、11-第一Y波导、12-第二Y波导、13-第三Y波导、14-第四Y波导、15-第五Y波导、16-第六Y波导、17-第一光纤环、18-第二光纤环、19-第三光纤环、20-第四光纤环、21-第五光纤环、22-第六光纤环、23-第一探测器、24-第二探测器、25-第三探测器、26-第四探测器、27-第五探测器、28-第六探测器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种六轴一体星载光纤陀螺光路结构在光纤环未嵌套时的结构举例示意图，所述光路结构包括：光源、第一级耦合器、第二级耦合器、第三级耦合器、探测器、陀螺敏感模块，所述光源与所述第一级耦合器的一个输入端连接，所述第一级耦合器的输出端分别与不同的所述第二级耦合器的一个输入端连接，各所述第二级耦合器的输出端分别与不同的所述第三级耦合器的一个输入端连接，各所述第三级耦合器没有与所述第二级耦合器连接的另一输入端还分别连接有一所述探测器，各所述第三级耦合器的一个输出端分别连接有一所述陀螺敏感模块，各所述陀螺敏感模块均分别连接有一光纤环，每两个所述光纤环将通过一个绕环夹具绕制为一个绕制光纤环，且所述绕制光纤环中的两个所述光纤环的长度不同。

在一种可实施方式中，所述光路结构包括一个所述第一级耦合器、两个所述第二级耦合器、六个所述第三级耦合器，且所述第一级耦合器以及所述第三级耦合器为2X2光纤耦合器，所述第二级耦合器为1X3光纤耦合器。

在一种可实施方式中，所述2X2光纤耦合器和所述1X3光纤耦合器均为单模光纤耦合器，所述2X2光纤耦合器的分光比为50：50，所述1X3光纤耦合器的分光比为33：33：33。在实际使用中，选用的单模光纤耦合器的分光比偏差应不大于3％。光纤耦合器分光比具有较小偏差使得六轴陀螺中的光信号功率保持较好的一致性。单模光纤耦合器可以采用熔融拉锥型、微光元件型或集成波导型耦合器。

在一种可实施方式中，所述光纤环包括大环光纤环和小环光纤环，所述光路结构包括三个所述大环光纤环与三个所述小环光纤环，所述大环光纤环的总长度大于小环光纤环的总长度。

在一种可实施方式中，所述光纤环为包层直径为80μm，涂覆层直径为135μm的保偏光纤烧制的光纤环，所述大环光纤环与小环光纤环具有相同的环高度和安装面，所述大环光纤环的最内层光纤绕制在所述小环光纤环的最外一层保偏光纤上，用以形成一个双层内外嵌套的绕制光纤环。

具体的，由于光纤陀螺的光路结构一般是需要检测X、Y、Z三维上的数据，故一般情况下多选用三个耦合器来分别连接三个陀螺敏感模块，进而使三个陀螺敏感模块分别连接三个光纤环，以使得三个光纤环分别检测三个维度上的数据。本申请由于将长度较短的小环光纤环嵌套至长度较长的大环光纤环中来形成绕制光纤环，故共设置有六个第三级耦合器来分别与六个陀螺敏感模块连接，再将陀螺敏感模块中的三个分别与大环光纤环连接，另外三个分别与小环光纤环连接，以此使得由大环光纤环与小环光纤环组成绕制光纤环一共也是三个，能够分别对XYZ三维数据进行检测的同时，还能够根据工作环境的不同选择切换使用其中的大环光纤环或小环光纤环，适用性强且由于光纤环的嵌套设计，不会额外占用过多的空间。

具体的，小环光纤环可以是总长度小于1km的光纤环，大环光纤环可以是总长度大于2km的光纤环。

在一种可实施方式中，所述陀螺敏感模块包括Y波导，所述Y波导的输入端与所述第三级耦合器的一个输出端连接，所述Y波导的两输出端分别与所述光纤环的两根尾纤连接，用以将输入的光信号分成两束并起偏后注入所述光纤环。

在一种可实施方式中，所述Y波导为陶瓷封装或不锈钢封装的集成光学调制器，用以完成分光、合光、起偏、调制功能，所述Y波导的输入端尾纤为包层直径为125μm的保偏光纤，所述Y波导的输出端尾纤为包层直径为80μm的保偏光纤。

在一种可实施方式中，所述光纤环为保偏光纤环，所述Y波导的两输出端与所述光纤环尾纤通过0°对轴熔接。其中，0°对轴即Y波导的输出端尾纤与光纤环尾纤熔接处的相对角度为0°。

在一种可实施方式中，所述探测器为InGaAs异质结光敏二极管和FET电路组成的PIN-FET探测器组件，所述探测器的连接端尾纤为包层直径为125μm的单模尾纤。用于根据Y波导返回的信号数据来探测由Y波导和光纤环组成的敏感环路中由旋转角速率引起的Sagnac效应相移造成的干涉光功率的变化。

在一种可实施方式中，所述光源为工作波长为1550nm波段的ASE光源。其包层直径为125μm的单模尾纤输出，光谱宽度不小于15nm，偏振度不大于0.2dB，出光功率不小于12mW，以保证每轴陀螺分配到足够的光功率。

其中，1550nm波段的光源有利于提升陀螺标度因数稳定性，包层直径为125μm的单模尾纤输出有利于陀螺光路装配弯曲可卡性。光谱宽度不小于15nm，有利于降低陀螺相对强度噪声及偏振、温度、背向反射等非互易型误差。偏振度不大于0.2dB有利于提高陀螺光路功率的稳定性。出光功率不小于12mW有利于保证分光后为各路敏感轴提供足够的光功率。大环内部嵌套小环有利于减小陀螺装配体积。

如图2所示，具体而言，ASE光源1的输出单模尾纤1-1与第一2X2单模光纤耦合器2的尾纤2-1熔接，第一2X2单模光纤耦合器2将ASE光源1的输出光信号分成两份，分别从第一2X2单模光纤耦合器2的尾纤2-1、2-2输出。第一2X2单模光纤耦合器2的尾纤2-1与第一1X3单模光纤耦合器3的尾纤3-1熔接，第一2×2单模光纤耦合器2的2-2与第二1×3单模光纤耦合器4的尾纤4-1熔接，光信号经该耦合器后分成6路光源分别从尾纤3-2、3-3、3-4、4-2、4-3、4-4输出。尾纤3-2与第二2×2单模光纤耦合器5的尾纤5-1熔接，光信号经该耦合器后从尾纤5-3输出。尾纤5-3与与第一Y波导11的输入尾纤11-1熔接，光信号经第一Y波导11起偏、分成两束，分成的两束光分别从第一Y波导11输出尾纤11-2和11-3输出，第一Y波导11输出尾纤11-2和第一光纤环17尾纤17-1以0°对轴熔接，第一Y波导11输出尾纤11-3和第一光纤环17尾纤17-2以0°对轴熔接。第一Y波导11输出的两路光信号从第一光纤环17的两根尾纤17-1和17-2分别进入第一光纤环17，在第一光纤环11中分别沿顺指针方向和逆时针方向传输，当光纤环轴向存在旋转角速率时，在光纤环中产生Sagnac相移，即沿顺时针和逆时针方向传输的两路光信号在第一Y波导11重新合光时，产生相位差。相位差影响了干涉光强，干涉光信号经第一Y波导11输入尾纤11-1后由耦合器分成两束，其中一束光信号第二2×2单模光纤耦合器5的尾纤5-3输出，尾纤5-3与第一探测器23的尾纤23-1熔接，则干涉光信号注入第一探测器23检测，完成光电转换，以电压形式输出，输出电压反映了干涉信号光强，进一步反映了两束干涉信号的光程差，更进一步反映了光纤环沿敏感轴的旋转角速率。

在本方案中一只第三级耦合器、一只Y波导、一只光纤环和一只探测器构成一路光纤陀螺的敏感模块，一路敏感模块与第二级耦合器中的2只1×3单模光纤耦合器的一个分光支路构成一个敏感轴。第一1X3单模光纤耦合器3尾纤3-3与第三2×2单模光纤耦合器6的输入尾纤6-1熔接，光信号进入第二个敏感模块中的第二Y波导12，工作原理与第一个敏感模块相同，第一1X3单模光纤耦合器3尾纤3-4与第四2×2单模光纤耦合器7的输入尾纤7-1熔接，光信号进入第三个敏感模块中的第三Y波导13，工作原理与第一个敏感模块相同，第二1X3单模光纤耦合器4的尾纤4-2与第五2×2单模光纤耦合器8的输入尾纤8-1熔接，光信号进入第四个敏感模块中的第四Y波导14，工作原理与第一个敏感模块相同，第二1X3单模光纤耦合器4的尾纤4-3与第六2×2单模光纤耦合器的输入尾纤9-1熔接，光信号进入第五个敏感模块中的第五Y波导15，工作原理与第一个敏感模块相同，第二1X3单模光纤耦合器4的尾纤4-4与第七2×2单模光纤耦合器10的输入尾纤10-1熔接，光信号进入第六个敏感模块中的第六Y波导16，工作原理与第一个敏感模块相同。同时，第二2×2单模光纤耦合器5与第一探测器23连接，第三2×2单模光纤耦合器6与第二探测器24连接，第四2×2单模光纤耦合器7与第三探测器25连接，第五2×2单模光纤耦合器8与第四探测器26连接，第六2×2单模光纤耦合器9与第五探测器27连接，第七2×2单模光纤耦合器10与第六探测器28连接。

三只大环光纤环(即第一光纤环17、第二光纤环18、第三光纤环19)和三只小环光纤环(即第四光纤环20、第五光纤环21、第六光纤环22)不同时工作，即采用模式切换的方式，在进行静态测试自对准的工作时间启动三大环光路工作，提高了陀螺的自对准精度，在进行恶劣振动环境下启动三只小环光路工作，提高了陀螺抗过载能力，满足了光纤陀螺静态测试精度高，恶劣振动环境下动态性能要求高的两种不同应用场景。而且在本光路中，大环与小环采用同一个绕环夹具绕制，形成一个双层内外嵌套的光纤环，其具有相同的安装面，消除了安装误差，而且解决了同轴冗余方案中的多次标定问题，提升了系统精度和可靠性。

六轴陀螺共用一只光源的方式降低了陀螺体积和功耗，且耦合器数量较少，采用小型化封装器件，也有利于降低体积和功耗。保偏光纤环采用涂覆层直径为135μm的光纤绕制，各器件尾纤均采用包层直径为80μm的尾纤进一步降低了光纤陀螺的体积和重量。符合光纤陀螺体积小、重量轻、低功耗的要求。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种六轴一体光纤陀螺光路结构，其特征在于，所述光路结构包括：光源、第一级耦合器、第二级耦合器、第三级耦合器、探测器、陀螺敏感模块，所述光源与所述第一级耦合器的一个输入端连接，所述第一级耦合器的输出端分别与不同的所述第二级耦合器的一个输入端连接，各所述第二级耦合器的输出端分别与不同的所述第三级耦合器的一个输入端连接，各所述第三级耦合器没有与所述第二级耦合器连接的另一输入端还分别连接有一所述探测器，各所述第三级耦合器的一个输出端分别连接有一所述陀螺敏感模块，各所述陀螺敏感模块均分别连接有一光纤环，每两个所述光纤环将通过一个绕环夹具绕制为一个绕制光纤环，且所述绕制光纤环中的两个所述光纤环的长度不同；

所述光路结构包括一个所述第一级耦合器、两个所述第二级耦合器、六个所述第三级耦合器，且所述第一级耦合器以及所述第三级耦合器为2X2光纤耦合器，所述第二级耦合器为1X3光纤耦合器；

其中，所述光纤环包括大环光纤环和小环光纤环，所述光路结构包括三个所述大环光纤环与三个所述小环光纤环，所述大环光纤环的总长度大于小环光纤环的总长度；

所述光纤环组成的所述绕制光纤环中所述大环光纤环和所述小环光纤环不同时工作。

2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述2X2光纤耦合器和所述1X3光纤耦合器均为单模光纤耦合器，所述2X2光纤耦合器的分光比为50：50，所述1X3光纤耦合器的分光比为33：33：33。

3.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述光纤环为包层直径为80μm，涂覆层直径为135μm的保偏光纤烧制的光纤环，所述大环光纤环与小环光纤环具有相同的环高度和安装面，所述大环光纤环的最内层光纤绕制在所述小环光纤环的最外一层保偏光纤上，用以形成一个双层内外嵌套的绕制光纤环。

4.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述陀螺敏感模块包括Y波导，所述Y波导的输入端与所述第三级耦合器的一个输出端连接，所述Y波导的两输出端分别与所述光纤环的两根尾纤连接，用以将输入的光信号分成两束并起偏后注入所述光纤环。

5.根据权利要求4所述的光路结构，其特征在于，所述Y波导为陶瓷封装或不锈钢封装的集成光学调制器，用以完成分光、合光、起偏、调制功能，所述Y波导的输入端尾纤为包层直径为125μm的保偏光纤，所述Y波导的输出端尾纤为包层直径为80μm的保偏光纤。

6.根据权利要求4所述的光路结构，其特征在于，所述光纤环为保偏光纤环，所述Y波导的两输出端与所述光纤环尾纤通过0°对轴熔接。

7.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述探测器为InGaAs异质结光敏二极管和FET电路组成的PIN-FET探测器组件，所述探测器的连接端尾纤为包层直径为125μm的单模尾纤。

8.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述光源为工作波长为1550nm波段的ASE光源。

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