CN112985370A - 一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，光路部分包括掺铒光子晶体光纤光源、分束器、Y波导集成光学器件、光纤线圈、探测器；电路部分包括掺铒光子晶体光纤光源驱动电路、带通滤波器、A/D转换器、数字信号处理电路、D/A转换器和放大器；所述的掺铒光子晶体光纤光源包括第一泵浦激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、反射镜、隔离器、滤波器组成，所述的掺铒光子晶体光纤光源由电路部分提供驱动电流；本发明提供的高精度光纤陀螺仪，其光路中传输的光谱宽度可达到80nm且光源更加抗辐照，有效的增加了陀螺精度和抗辐照性能。

Description

一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺仪，具体涉及一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪。

背景技术

干涉式光纤陀螺仪是一种全固态的惯性仪表，具有可靠性高、寿命长等优点，高精度光纤陀螺仪（精度优于0.01°/h）通常采用平均波长为1.55μm的掺铒光子晶体光纤光源。光纤陀螺仪在原理上包括光路和电路两部分，通常光路部分和电路部分装配和封装在同一个结构体内。为了提高性能，研究人员提出了一种光路部分和电路部分隔离的装配形式，对于采用1.55μm波长的高精度光纤陀螺仪，电路部分主要包括光源驱动电路、低通滤波器、AD转换器、数字信号处理电路、DA转换器、放大器，光路部分主要包括掺铒光子晶体光纤光源、分束器、Y波导集成光学器件、光纤线圈和探测器，其中掺铒光子晶体光纤光源包括第一泵浦激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、反射镜、光隔离器、光谱滤波器。

光纤陀螺仪的噪声由随机游走系数表征，而随机游走系数与光纤陀螺中传输的光谱谱宽成反比，因此谱宽越大，光纤陀螺随机游走系数越小，即光纤陀螺噪声越小。目前，普通掺铒光纤光源的谱宽通常为30nm左右，且在辐照环境下损耗较大，会影响光源的发光光谱和功率，将普通掺铒光纤光源改为双泵浦的掺铒光子晶体光纤光源，其谱宽可增加到80nm左右，这可将光纤陀螺的噪声降低一倍以上，同时可增加陀螺的抗辐照性能，对提升光纤陀螺的精度和可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种能够宽谱达到1.5μm且具有更高的抗辐照性能的高精度光纤陀螺仪。

本发明提供如下技术方案：一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分，光路部分和电路部分之间采用光纤和电线连接；光路部分包括掺铒光子晶体光纤光源、分束器、Y波导集成光学器件、光纤线圈、探测器；电路部分包括掺铒光子晶体光纤光源驱动电路、带通滤波器、A/D转换器、数字信号处理电路、D/A转换器和放大器；所述的掺铒光子晶体光纤光源由电路部分提供驱动电流；

电路部分对掺铒光子晶体光纤光源产生驱动电流，驱动掺铒光子晶体光纤光源产生平坦光谱信号，该信号经过分束器后到达Y波导集成光学器件进行分束，产生两束线偏振光进入光纤线圈，两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件、分束器后到达探测器，探测器将光信号转换为电流信号，该电流信号经带通滤波器后变为交流信号，再经过A/D转换器之后变为数字信号，在数字信号处理电路内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，并通过D/A转换器和放大器作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件上，补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现数字闭环控制。

进一步地，所述的掺铒光子晶体光纤光源中包括第一泵浦激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、反射镜、光隔离器、光谱滤波器组成。

进一步地，所述掺铒光子晶体光纤光源驱动电路分别与所述掺铒光子晶体光纤光源的第一泵浦激光器和第二泵浦激光器连接。

进一步地，所述掺铒光子晶体光纤分别与所述第一波分复用器的一端和所述第二波分复用器的一端电连接；所述第二波分复用器的另一端与所述第二泵浦激光器电连接，并接收所述反射镜反射的光源；所述第一波分复用器的另一端分别与所述光隔离器的一端电连接，并与所述第一泵浦激光器电连接，所述光隔离器的另一端与所述光谱滤波器的一端电连接。

进一步地，所述分束器的一端分为F3束和F4束，所述分束器的另一端分为F1束和F2束。

进一步地，所述分束器的F2束与所述探测器电连接。

进一步地，所述分束器的F1束与所述光谱滤波器电连接。

进一步地，所述分束器的F3束与Y波导集成光学器件的一端电相连。

本发明的有益效果为：

本发明提供的光纤陀螺仪，其掺铒光子晶体光纤光源中包括第一泵浦激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、反射镜、光隔离器、光谱滤波器。其工作原理为双泵浦方案，产生的光谱谱宽为80nm，这可将光纤陀螺的噪声降低一倍以上，对提升光纤陀螺的精度具有重要意义，同时由于采用了掺铒光子晶体光纤，其具有更高的抗辐照性能。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪的组成示意图。

具体实施例方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明光纤陀螺仪的组成示意图，本发明提供的抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪包括光路部分20和电路部分21，光路部分20和电路部分21之间采用光纤和电线连接；光路部分20包括掺铒光子晶体光纤光源19、分束器9、Y波导集成光学器件10、光纤线圈11、探测器12；电路部分21包括掺铒光子晶体光纤光源驱动电路18、带通滤波器13、A/D转换器14、数字信号处理电路15、D/A转换器16和放大器17；的掺铒光子晶体光纤光源19由电路部分21提供驱动电流；

电路部分21对掺铒光子晶体光纤光源19产生驱动电流，驱动掺铒光子晶体光纤光源19产生平坦光谱信号，该信号经过分束器9后到达Y波导集成光学器件10进行分束，产生两束线偏振光进入光纤线圈11，两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件10、分束器9后到达探测器12，探测器12将光信号转换为电流信号，该电流信号经带通滤波器13后变为交流信号，再经过A/D转换器14之后变为数字信号，在数字信号处理电路15内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，并通过D/A转换器16和放大器17作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件10上，补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现数字闭环控制。

光路部分20和电路部分21采用两个独立的金属盒体实现，暴露在两个盒体之外的光纤采用抗辐照的热缩套管进行保护，该热缩套管可以购买到。掺铒光子晶体光纤光源19输出1520nm~1610nm波段的超荧光。

掺铒光子晶体光纤光源19中包括第一泵浦激光器1、第一波分复用器2、掺铒光子晶体光纤3、第二波分复用器4、第二泵浦激光器5、反射镜6、光隔离器7、光谱滤波器8组成。

掺铒光子晶体光纤光源驱动电路18分别与掺铒光子晶体光纤光源19的第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器5连接。

掺铒光子晶体光纤3分别与第一波分复用器2的一端和第二波分复用器4的一端电连接；第二波分复用器的另一端与第二泵浦激光器5电连接，并接收反射镜6反射的光源；第一波分复用器2的另一端分别与光隔离器7的一端电连接，并与第一泵浦激光器1电连接，光隔离器7的另一端与光谱滤波器8的一端电连接。

分束器9的一端分为F3束和F4束，分束器9的另一端分为F1束和F2束，分束器9的F2束与探测器12电连接，F1束与光谱滤波器8电连接，F3束与Y波导集成光学器件10的一端电相连。

本发明的光纤陀螺仪工作原理为：

掺铒光子晶体光纤光源驱动电路18驱动泵浦激光器1产生980nm的激光，该激光经第一波分复用器2后进入掺铒光子晶体光纤3，在掺铒光子晶体光纤3靠近第一波分复用器2的那段，该激光被转换为1520nm~1570nm波段的超荧光，该超荧光在掺铒光子晶体光纤3的另一段被转换为1570nm~1620nm波段的超荧光，上述两个波段的光波经过第二波分复用器4，到达反射镜6，并被反射回掺铒光子晶体光纤3，1520nm~1570nm波段的超荧光会再次被转换为1570nm~1620nm波段的超荧光，和被反射回的1570nm~1620nm波段的超荧光一起通过第一波分复用器2输出；在上述工作的同时，掺铒光子晶体光纤光源驱动电路18驱动泵浦激光器2也产生980nm的激光，该激光在掺铒光子晶体光纤3靠近第二波分复用器4的那段，该激光被转换为1520nm~1570nm波段的超荧光，该超荧光在掺铒光子晶体光纤3的另一段被转换为1570nm~1620nm波段的超荧光，上述两个波段的光波叠加在一起通过第一波分复用器2输出；上述通过第一波分复用器2输出的1520nm~1570nm波段和1570nm~1620nm波段的超荧光经过光谱滤波器8整形为平坦度优于1.5dB的平坦谱，该平坦谱的超荧光再经过分束器9后到达Y波导集成光学器件10进行分束，产生两束线偏振光进入光纤线圈11，根据光纤陀螺仪的输入角速度产生相位差，携带有相位差的两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件10、分束器9后到达探测器12，探测器12将光信号转换为电信号，该电信号经带通滤波器13后变为交流信号，再经过A/D转换器14之后变为数字信号，在数字信号处理电路15内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，并通过D/A转换器16和放大器17作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件10上，补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现数字闭环控制。

掺铒光子晶体光纤光源19（包括第一泵浦激光器1、第一波分复用器2、掺铒光子晶体光纤3、第二波分复用器4、第二泵浦激光器5、反射镜6、光隔离器7、光谱滤波器8）输出谱型为平坦谱，谱宽80nm，功率10mW的输出。数字信号处理电路15采用可编程逻辑门阵列，用于实现对探测器12输出信号的解调、陀螺输出信号的产生和Y波导集成光学器件10驱动信号的形成，具体可以参见国防工业出版社《光纤陀螺及其应用》2008年12月第一版P102~103中关于数字逻辑电路的相关介绍。AD转换器14采用14位精度，提高信号处理精度；DA转换器16采用16位精度，满足对反馈的精度要求。

光路部分20和电路部分21之间的光纤采用抗辐照的热缩套管进行保护。

通过测试，结果表明采用常规方法设计的某高精度光纤陀螺仪精度为0.001°/h，而采用本发明原理设计的光纤陀螺仪在同等条件和测试环境下，陀螺精度达到了0.0004°/h，由此可以看出采用本发明原理设计的高精度光纤陀螺仪精度得到了较大的提升。此外采用常规方法设计的光纤陀螺仪在辐照总剂量为17.28krad（剂量率为0.1rad/s）的辐照下，陀螺零位漂移了0.3°/h，而采用本发明原理设计的光纤陀螺仪在同等条件的辐照环境下，陀螺零位漂移了0.2°/h，，由此可以看出采用本发明原理设计的高精度光纤陀螺仪还可以较好的降低辐照对光纤陀螺仪的零位的影响。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，包括光路部分（20）和电路部分（21），光路部分（20）和电路部分（21）之间采用光纤和电线连接；光路部分（20）包括掺铒光子晶体光纤光源（19）、分束器（9）、Y波导集成光学器件（10）、光纤线圈（11）、探测器（12）；电路部分（20）包括掺铒光子晶体光纤光源驱动电路（18）、带通滤波器（13）、A/D转换器（14）、数字信号处理电路（15）、D/A转换器（16）和放大器（17）；所述的掺铒光子晶体光纤光源（19）由电路部分（21）提供驱动电流；

电路部分（21）对掺铒光子晶体光纤光源（19）产生驱动电流，驱动掺铒光子晶体光纤光源（19）产生平坦光谱信号，该信号经过分束器（9）后到达Y波导集成光学器件（10）进行分束，产生两束线偏振光进入光纤线圈（11），两束线偏振光反向经Y波导集成光学器件（10）、分束器（9）后到达探测器（12），探测器（12）将光信号转换为电流信号，该电流信号经带通滤波器（13）后变为交流信号，再经过A/D转换器（14）之后变为数字信号，在数字信号处理电路（15）内部完成数字解调、数字积分以及数字滤波获得陀螺的输出角速度，另一方面将陀螺的输出进一步积分产生数字阶梯波，并通过D/A转换器（16）和放大器（17）作为反馈信号施加到Y波导集成光学器件（10）上，补偿因输入引起的Sagnac相移，从而实现数字闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述的掺铒光子晶体光纤光源（19）中包括第一泵浦激光器（1）、第一波分复用器（2）、掺铒光子晶体光纤（3）、第二波分复用器（4）、第二泵浦激光器（5）、反射镜（6）、光隔离器（7）、光谱滤波器（8）组成。

3.根据权利要求2所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述掺铒光子晶体光纤光源驱动电路（18）分别与所述掺铒光子晶体光纤光源（19）的第一泵浦激光器（1）和第二泵浦激光器（5）连接。

4.根据权利要求2所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述掺铒光子晶体光纤（3）分别与所述第一波分复用器（2）的一端和所述第二波分复用器（4）的一端电连接；所述第二波分复用器的另一端与所述第二泵浦激光器（5）电连接，并接收所述反射镜（6）反射的光源；所述第一波分复用器（2）的另一端分别与所述光隔离器（7）的一端电连接，并与所述第一泵浦激光器（1）电连接，所述光隔离器（7）的另一端与所述光谱滤波器（8）的一端电连接。

5.根据权利要求2所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述分束器（9）的一端分为F3束和F4束，所述分束器（9）的另一端分为F1束和F2束。

6.根据权利要求5所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述分束器（9）的F2束与所述探测器（12）电连接。

7.根据权利要求5所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述分束器（9）的F1束与所述光谱滤波器（8）电连接。

8.根据权利要求5所述的一种抗辐照的宽谱高精度光纤陀螺仪，其特征在于，所述分束器（9）的F3束与Y波导集成光学器件（10）的一端电相连。

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