CN113804178B - 基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，包含独立模块化形态的主光源模块，冗余光源模块，中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件，提升了系统的可靠性；通过使铒源(即光源模块)中半导体光放大器工作在深度饱和状态，并调整光源模块的参数，使铒源相对强度噪声降低8dB，在相同直径和长度光纤环下陀螺检测精度提升30％，得到具有精度高、体积小、重量轻的光纤陀螺，对战略级惯性导航系统的应用具有重要意义。

Description

基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，更特别的是一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺。

背景技术

随着高精度惯性导航系统对光纤陀螺的要求越来越高，研制战略级高精度光纤陀螺具有重要的理论意义和军事意义。为提高陀螺检测精度，一般采用增大光纤敏感线圈直径和长度的方法。然而，这种方法势必带来陀螺体积和重量的增加，不利于惯性导航系统在空间领域的应用。

掺铒光纤光源是高精度光纤陀螺的首选光源，随着国内外对光纤陀螺研究的不断深入，掺铒光纤光源的相对强度噪声成为限制陀螺测量精度进一步提升的主要原因。为了提高陀螺精度，降低铒源相对强度噪声是一种重要方法，该方法可以在相同直径和长度光纤敏感线圈下获得更高的陀螺检测精度。研究表明，利用半导体光放大器(SOA)的非线性使其工作在“深度饱和状态”，可以降低光源的相对强度噪声。然而，SOA在C波段表现出很大的增益不均，实际应用过程中必须优化掺铒光纤光源的光学参数与SOA增益特性相匹配，以获得最大的降噪效果。目前基于SOA的铒源降噪技术中并未考虑光源最终输出光谱特性，从而限制了噪声抑制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，包含独立模块化形态的主光源模块，冗余光源模块，中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件，提升了系统的可靠性；通过使铒源(即光源模块)中半导体光放大器工作在深度饱和状态，并调整光源模块的参数，使铒源相对强度噪声降低8dB，在相同直径和长度光纤环下陀螺检测精度提升30％，得到具有精度高、体积小、重量轻的光纤陀螺，对战略级惯性导航系统的应用具有重要意义。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，包括光源模块，中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件；

所述光源模块为掺铒光纤光源模块，数量为2，分别为主光源模块和冗余光源模块，每个光源模块包括激光器，波分复用器，掺铒光纤，法拉第旋转镜，光纤隔离器，半导体光放大器和模拟电路；所述模拟电路向激光器注入电流，使激光器发出泵浦光，泵浦光经波分复用器后耦合进掺铒光纤，经掺铒光纤转换为前向超荧光和后向超荧光，前向超荧光经法拉第旋转镜返回掺铒光纤经再次光放大，与后向超荧光一起经波分复用器和光纤隔离器到达半导体光放大器，模拟电路向半导体光放大器注入电流，使半导体光放大器实现对超荧光的放大功能；所述模拟电路向激光器注入的电流和向半导体光放大器注入的电流相互配合，使半导体光放大器处于深度饱和状态；激光器为980nm激光器。

中央光电信号处理模块将光源模块发出的超荧光处理后分为两部分，第一部分传输至光纤敏感环组件，获取由光纤敏感环组件返回的三轴干涉光信号，并转换为电信号进行解调，得到陀螺仪的角速度信息，第二部分用于监测各光源模块的工作状态，并根据工作状态进行主光源模块和冗余光源模块的切换。

进一步的，所述中央光电信号处理模块包括光纤耦合器组，Y波导，信号采集探测器，数字信号处理电路和光源功率监测探测器；

所述数字信号处理电路产生调制信号并输出至Y波导，光源模块发出的超荧光经光纤耦合器组分为两部分，第一部分超荧光经Y波导，在所述调制信号的作用下进行调制，后耦合进光纤敏感环组件，经光纤敏感环组件形成三轴干涉光信号并返回至光纤耦合器组，三轴干涉光信号由光纤耦合器组传输至信号采集探测器后转换为电信号并传输至数字信号处理电路进行信号解调；第二部分超荧光传输至光源功率监测探测器，经光源功率监测探测器转化为电压值，通过电压值监测光源模块的工作状态。

进一步的，所述光纤耦合器组包括第一光纤耦合器C1、第二光纤耦合器C2，第三光纤耦合器C3，第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6；所述光源模块发出的超荧光经第一光纤耦合器C1分别传输至第二光纤耦合器C2和第三光纤耦合器C3，经第二光纤耦合器C2后分为第一路超荧光和第二路超荧光，经第三光纤耦合器C3后分为第三路超荧光和第四路超荧光；第一、二、三路超荧光分别经第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6后形成所述第一部分超荧光，所述第二部分超荧光为第四路超荧光。

进一步的，所述光纤敏感环组件包括3个光纤环；所述Y波导，信号采集探测器和数字信号处理电路均为3个；

第一、二、三路超荧光分别经第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6后输入3个Y波导，经Y波导调制后耦合进3个光纤环，经光纤环形成三路三轴干涉光信号并分别返回至第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6，并由第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6传输至3个信号采集探测器，进而传输至3个数字信号处理电路进行信号解调。

进一步的，所述掺铒光纤的长度为2.4m～2.6m。

进一步的，所述模拟电路向980nm激光器注入的电流包括驱动电流和温控电流；模拟电路向半导体光放大器注入的电流包括驱动电流和温控电流。

进一步的，所述光源模块为低噪声掺铒光纤光源模块，噪声≤-134dB/Hz。

进一步的，所述各光学器件均采用尾纤熔接方式连接。

进一步的，所述光纤陀螺还包括壳体；所述壳体包括上盖，横隔层，底板和侧壁，所述上盖，底板和侧壁围成具有中空腔体的立方体结构，横隔层设于中空腔体中并将中空腔体分隔为上下两部分；所述980nm激光器，波分复用器，掺铒光纤，法拉第旋转镜，光纤隔离器和半导体光放大器安装于上盖下表面，光纤耦合器，Y波导，信号采集探测器和光源功率监测探测器安装于横隔层上表面，模拟电路和数字信号处理电路由高到低设于横隔层上表面和上盖下表面之间；所述3个光纤环分别正交安装于侧壁外表面和横隔层下表面。

进一步的，所述光纤环外部设有用于屏蔽外部电磁信号的光纤环外罩，所述光纤环外罩采用铁镍合金材料，所述上盖，底板，侧壁和横隔层采用铝合金材料。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，采用双铒源冗余设计，且能监测各光源模块的工作状态，并根据工作状态进行主光源模块和冗余光源模块的切换，提升了陀螺系统可靠性；

(2)本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，光源模块采用基于半导体光放大器降噪设计，一方面，通过精确调节半导体光放大器和泵浦激光器的注入电流使得半导体光放大器工作在“深度饱和状态”，另一方面，优化掺铒光纤长度使光源具有最大输出谱宽，使相对强度噪声降低8dB，陀螺精度提升30％；

(3)本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，陀螺采用独立模块化设计，光源模块、中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件均可整体替换，可维修性强；

(4)本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，陀螺采用三轴一体紧凑设计，三轴光纤环共用中央光电信号处理模块，进一步降低系统的体积和重量，在相同精度下具有更小的体积和更轻重量；

(5)本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，精度高、体积小、重量轻，对战略级惯性导航系统的应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺方案原理图；

图2为本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺结构图；

图3为本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺结构爆炸图；

图4为本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺光源模块光路装配图；

图5为本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺中央光电信号处理模块光路装配图；

图6是本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺输出Allan方差曲线。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明的目的是提供一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，该光纤陀螺由两个低噪声掺铒光纤光源模块、中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件构成，总体包括两个980nm激光器、两个波分复用器、两段掺铒光纤、两个法拉第旋转镜、两个光纤隔离器、两个半导体光放大器、两路模拟电路、六个光纤耦合器、三只Y波导、三只保偏光纤环、三只信号采集探测器、一只光源功率监测探测器及三路数字信号处理电路。陀螺采用双铒源冗余设计，结合半导体光放大器优化铒源设计参数，双铒源具有较小的相对强度噪声特性。陀螺三轴光纤环采用正交安装设计，光纤环由超细径保偏光纤绕制而成，具有低损耗、高偏振消光比特性。该三轴一体光纤陀螺精度高、体积小、重量轻，对战略级惯性导航系统的应用具有重要意义，具体方案如下：

低噪声掺铒光纤光源模块A1和A2具体包括980nm激光器L1和980nm激光器L2、波分复用器W1和波分复用器W2、掺铒光纤E1和掺铒光纤E2、法拉第旋转镜F1和法拉第旋转镜F2、光纤隔离器I1和光纤隔离器I2、半导体光放大器S1和半导体光放大器S2、模拟电路D1和模拟电路D2。掺铒光纤光源模块为冗余设计，掺铒光纤光源A2为A1的冷备份。

所述的980nm激光器L1和980nm激光器L2是泵浦激光器，为掺铒光纤光源模块工作提供泵浦光，工作波长为974.2nm。

波分复用器W1一方面将980nm泵浦光耦合进掺铒光纤E1，另一方面将掺铒光纤产生的1550nm波段超荧光传输给光纤隔离器I1；所述波分复用器W2一方面将980nm泵浦光耦合进掺铒光纤E2，另一方面将掺铒光纤产生的1550nm波段超荧光传输给光纤隔离器I2。

所述的掺铒光纤E1和掺铒光纤E2为来自Fibercore的M12光纤，用来将980nm泵浦光转换为1550nm超荧光。掺铒光纤在980nm和1550nm吸收损耗为11.5dB/m和18.7dB/m。

所述的法拉第旋转镜F1用来将由掺铒光纤E1发出的前向ASE超荧光返回进掺铒光纤E1，提高光源的输出功率；所述的法拉第旋转镜F2用来将掺铒光纤E2发出前向ASE超荧光返回进掺铒光纤E2，提高光源的输出功率。

所述的光纤隔离器I1和光纤隔离器I2保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，降低掺铒光纤的放大噪声，输出稳定的宽谱光。

所述的半导体光放大器S1和半导体光放大器S2工作在“深度饱和状态”，用来抑制掺铒光纤光源的相对强度噪声。“深度饱和状态”通过精确调节半导体光放大器和泵浦激光器的注入电流实现。

所述的模拟电路D1为980nm激光器L1及半导体光放大器S1提供驱动和温控电流；模拟电路D2为980nm激光器L2及半导体光放大器S2提供驱动和温控电流。

中央光电信号处理模块A3具体包括光纤耦合器C1、光纤耦合器C2、光纤耦合器C3、光纤耦合器C4、光纤耦合器C5、光纤耦合器C6、Y波导Y1、Y波导Y2、Y波导Y3、陀螺信号采集探测器P1、陀螺信号采集探测器P2、陀螺信号采集探测器P3、光功率监测探测器N1、数字信号处理电路T1、数字信号处理电路T2及数字信号处理电路T3。光纤敏感环组件A4具体包括光纤环G1、光纤环G2、光纤环G3。

光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3将掺铒光纤光源模块发出的超荧光分为四路，其中三路分别传输至光纤耦合器C4、光纤耦合器C5和光纤耦合器C6，为陀螺工作提供干涉光，一路接光源功率监测探测器N1。

光纤耦合器C4一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第一路超荧光传送给Y波导Y1，另一方面将由波导Y1输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P1；光纤耦合器C5一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第二路超荧光传送给Y波导Y2，另一方面将由波导Y2输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P2；光纤耦合器C6一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第三路超荧光传送给Y波导Y3，另一方面将由波导Y3输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P3。

所述的Y波导Y1一方面对由光纤耦合器C4输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G1，另一方面将由光纤环G1输入的干涉光信号传送给耦合器C4；Y波导Y2一方面对由光纤耦合器C5输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G2，另一方面将由光纤环G2输入的干涉光信号传送给耦合器C5；Y波导Y3一方面对由光纤耦合器C6输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G3，另一方面将G3输入的干涉光信号传送给耦合器C6。

所述的光纤环G1、光纤环G2和光纤环G3用来敏感陀螺旋转角速度。绕制光纤环用超细径保偏光纤来自长飞光纤光缆股份有限公司，光纤包层直径60μm，涂覆层直径100μm。

所述的数字信号处理电路T1一方面产生调制信号作用到Y波导Y1对由光纤耦合器C4输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G1输入的干涉光信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量；数字信号处理电路T2一方面产生调制信号作用到Y波导Y2对由光纤耦合器C5输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G2输入的干涉信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量；数字信号处理电路T3一方面产生调制信号作用到Y波导Y3对由光纤耦合器C6输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G3输入的干涉信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量。

实施例1

本发明的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺是一种适用于战略级高精度惯性组合的光纤陀螺。

如图1所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺方案原理图，陀螺由两个低噪声掺铒光纤光源模块A1和A2、中央光电信号处理模块A3和光纤敏感环组件A4构成。

低噪声掺铒光纤光源模块A1和A2具体包括980nm激光器L1和980nm激光器L2、波分复用器W1和波分复用器W2、掺铒光纤E1和掺铒光纤E2、法拉第旋转镜F1和法拉第旋转镜F2、光纤隔离器I1和光纤隔离器I2、半导体光放大器S1和半导体光放大器S2、模拟电路D1和模拟电路D2。

中央光电信号处理模块A3具体包括光纤耦合器C1、光纤耦合器C2、光纤耦合器C3、光纤耦合器C4、光纤耦合器C5、光纤耦合器C6、Y波导Y1、Y波导Y2、Y波导Y3、陀螺信号采集探测器P1、陀螺信号采集探测器P2、陀螺信号采集探测器P3、光功率监测探测器N1、数字信号处理电路T1、数字信号处理电路T2及数字信号处理电路T3。

光纤敏感环组件A4具体包括光纤环G1、光纤环G2、光纤环G3。

下述为本实施例中各元器件实现的具体功能及参数：

(一)980nm激光器L1和980nm激光器L2

在本发明中，所述的980nm激光器L1和980nm激光器L2用于输出980nm激光，980nm激光泵浦铒离子在前后两个方向产生1550nm波段向超荧光。980nm激光器为武汉光迅的PL974-B8-C-2-SM-6型泵浦激光器，工作波长为974.2nm。

(二)波分复用器W1和波分复用器W2

在本发明中，所述的波分复用器W1一方面将980nm泵浦光耦合进掺铒光纤E1，另一方面将掺铒光纤产生的1550nm波段超荧光传输给光纤隔离器I1；所述波分复用器W2一方面将980nm泵浦光耦合进掺铒光纤E2，另一方面将掺铒光纤产生的1550nm波段超荧光传输给光纤隔离器I2。

(三)掺铒光纤E1和掺铒光纤E2

在本发明中，所述的掺铒光纤E1和掺铒光纤E2为来自Fibercore的M12光纤，用来将980nm泵浦光转换为1550nm超荧光。掺铒光纤在980nm和1550nm吸收损耗为11.5dB/m和18.7dB/m。掺铒光纤长度根据半导体光放大器的输出特性进行优化设计，最终确定为2.5m。

(四)法拉第旋转镜F1和法拉第旋转镜F2

在本发明中，所述的法拉第旋转镜F1用来将由掺铒光纤E1发出前向ASE超荧光返回进掺铒光纤E1，提高光源的输出功率；所述的法拉第旋转镜F2用来将由掺铒光纤E2发出前向ASE超荧光返回进掺铒光纤E2，提高光源的输出功率。

(五)光纤隔离器I1和光纤隔离器I2

在本发明中，所述的光纤隔离器I1和光纤隔离器I2保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，降低掺铒光纤的放大噪声，输出稳定的宽谱光。

(六)半导体光放大器S1和半导体光放大器S2

在本发明中，所述的半导体光放大器S1和半导体光放大器S2为INPHENIX公司1550nm波段定制器件，工作在“深度饱和状态”，用来抑制掺铒光纤光源相对强度噪声。“深度饱和状态”通过精确调节半导体光放大器和泵浦激光器的注入电流实现。

(七)光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3

在本发明中，光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3将掺铒光纤光源模块发出的超荧光分为四路，其中三路分别传输至光纤耦合器C4、光纤耦合器C5和光纤耦合器C6，为陀螺工作提供干涉光，一路接光源功率监测探测器N1。

(八)光纤耦合器C4、光纤耦合器C5和光纤耦合器C6

在本发明中，所述的光纤耦合器C4一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第一路超荧光传送给Y波导Y1，另一方面将由波导Y1输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P1；光纤耦合器C5一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第二路超荧光传送给Y波导Y2，另一方面将由波导Y2输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P2；光纤耦合器C6一方面将由光纤耦合器C1、光纤耦合器C2和光纤耦合器C3分光后得到的第三路超荧光传送给Y波导Y3，另一方面将由波导Y3输入的干涉光信号传送给信号采集探测器P3。

(九)Y波导Y1、Y波导Y2和Y波导Y3

在本发明中，所述的Y波导Y1一方面对由光纤耦合器C4输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G1，另一方面将由光纤环G1输入的干涉光信号传送给耦合器C4；Y波导Y2一方面对由光纤耦合器C5输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G2，另一方面将由光纤环G2输入的干涉光信号传送给耦合器C5；Y波导Y3一方面对由光纤耦合器C6输入的超荧光进行调制并将其耦合进光纤环G3，另一方面将G3输入的干涉光信号传送给耦合器C6。

(十)光纤环G1、光纤环G2和光纤环G3

在本发明中，所述的光纤环G1、光纤环G2和光纤环G3用来敏感陀螺旋转角速度。绕制光纤环用超细径保偏光纤来自长飞光纤光缆股份有限公司，光纤包层直径60μm，涂覆层直径100μm。光纤环长度1500m，环直径80mm。

(十一)陀螺信号采集探测器P1、陀螺信号采集探测器P2和陀螺信号采集探测器P3

在本发明中，所述的陀螺信号采集探测器P1、陀螺信号采集探测器P2和陀螺信号采集探测器P3用来将接收到的三轴干涉光信号转换为电信号，并输入陀螺数字处理电路进行信号解调。

(十二)光源功率监测探测器N1

在本发明中，所述的光源功率监测探测器N1监测光源功率值。N1探测器电压值稳定则表明主份光源工作状态稳定；如N1探测器电压降低超过一定阈值，则认为光源性能衰减严重，此时系统发出指令切换至备份光源。

(十三)模拟电路D1和模拟电路D2

在本发明中，所述的模拟电路D1为980nm激光器L1及半导体光放大器S1提供驱动和温控电流；模拟电路D2为980nm激光器L2及半导体光放大器S2提供驱动和温控电流。

(十四)数字信号处理电路T1、数字信号处理电路T2和数字信号处理电路T3

在本发明中，所述的数字信号处理电路T1一方面产生调制信号作用到Y波导Y1对由光纤耦合器C4输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G1输入的干涉光信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量；数字信号处理电路T2一方面产生调制信号作用到Y波导Y2对由光纤耦合器C5输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G2输入的干涉信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量；数字信号处理电路T3一方面产生调制信号作用到Y波导Y3对由光纤耦合器C6输入的超荧光进行调制，另一方面对由光纤环G3输入的干涉信号进行解调，输出陀螺旋转角速度数字量。

在本发明中，各个光学器件均采用尾纤熔接方式连接。

本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，该陀螺由两个低噪声掺铒光纤光源模块A1和A2、中央光电信号处理模块A3和光纤敏感环组件A4构成。

陀螺采用双铒源冗余设计，主光源工作时，另一只光源冷备份，提高了系统整体可靠性。为降低光源相对强度噪声，从两个方面进行优化设计。一方面，精确调节半导体光放大器和泵浦激光器的注入电流使得半导体光放大器工作在“深度饱和状态”；另一方面，优化掺铒光纤长度使光源具有“最大输出谱宽”；采用噪声抑制措施后，两只铒源相对强度噪声降低8dB，陀螺精度提升30％。

陀螺采用独立模块化设计，低噪声掺铒光纤光源模块、中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件均可整体替换，可维修性强。陀螺光纤敏感环由超细径保偏光纤绕制而成，具有低损耗、高偏振消光比特性。

该三轴一体光纤陀螺精度高、体积小、重量轻，对战略级惯性导航系统的应用具有重要意义。

如图2所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺结构图。

本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，陀螺侧壁，上盖及底板采用铝合金材料，光纤环外罩采用铁镍合金材料。陀螺总重量1.5kg，体积161mm×157mm×117mm。

如图3所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺结构爆炸图，图中所标数字与下文第1～4层相对应。

本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，由低噪声掺铒光纤光源模块A1和A2、中央光电信号处理模块A3和光纤敏感环组件A4构成。

陀螺低噪声双铒源模块A1和A2安装于陀螺上盖；结构爆炸图第1层上盖下表面安装双铒源光学器件，第2层安装模拟电路D1和D2。中央光电信号处理模块A3安装于中部横隔层；爆炸图第3层安装陀螺数字信号处理电路T1、T2和T3，第4层为横隔层上表面安装中央光电信号处理模块的光学器件。三只光纤环采用正交安装方式，其中X轴和Y轴光纤环安装于侧壁外表面，Z轴光纤环安装于横隔层下表面。

如图4所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺双铒源光路装配图。

掺铒光纤光源模块A1和A2包括980nm激光器L1和980nm激光器L2、波分复用器W1和波分复用器W2、掺铒光纤E1和掺铒光纤E2、法拉第旋转镜F1和法拉第旋转镜F2、光纤隔离器I1和光纤隔离器I2、半导体光放大器S1和半导体光放大器S2；其中，掺铒光纤E1和掺铒光纤E2绕制在上盖中央导纤槽，其余光学器件对称安装在上盖两侧。

如图5所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺中央光电信号处理模块光路装配图。

中央光电信号处理模块A3光路器件包括光纤耦合器C1、光纤耦合器C2、光纤耦合器C3、光纤耦合器C4、光纤耦合器C5、光纤耦合器C6、Y波导Y1、Y波导Y2、Y波导Y3、陀螺信号采集探测器P1、陀螺信号采集探测器P2、陀螺信号采集探测器P3、光功率监测探测器N1。各光学器件均匀分布在本体横隔层上表面，器件尾纤紧贴陀螺本体四周盘绕。

如图6所示，本发明一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺输出Allan方差曲线，陀螺三轴精度相当，随机游走系数达8×10^-4o/h^1/2，较采用铒源降噪措施前陀螺精度提升30％。

陀螺参数：光纤环长度1500m，光纤环直径80mm，陀螺调制深度7π/8。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，包括光源模块，中央光电信号处理模块和光纤敏感环组件；

所述光源模块为掺铒光纤光源模块，数量为2，分别为主光源模块和冗余光源模块，每个光源模块包括激光器，波分复用器，掺铒光纤，法拉第旋转镜，光纤隔离器，半导体光放大器和模拟电路；所述模拟电路向激光器注入电流，使激光器发出泵浦光，泵浦光经波分复用器后耦合进掺铒光纤，经掺铒光纤转换为前向超荧光和后向超荧光，前向超荧光经法拉第旋转镜返回掺铒光纤经再次光放大，与后向超荧光一起经波分复用器和光纤隔离器到达半导体光放大器，模拟电路向半导体光放大器注入电流，使半导体光放大器实现对超荧光的放大功能；所述模拟电路向激光器注入的电流和向半导体光放大器注入的电流相互配合，使半导体光放大器处于深度饱和状态；

中央光电信号处理模块将光源模块发出的超荧光处理后分为两部分，第一部分传输至光纤敏感环组件，获取由光纤敏感环组件返回的三轴干涉光信号，并转换为电信号进行解调，得到陀螺仪的角速度信息，第二部分用于监测各光源模块的工作状态，并根据工作状态进行主光源模块和冗余光源模块的切换；

所述中央光电信号处理模块包括光纤耦合器组，Y波导，信号采集探测器，数字信号处理电路和光源功率监测探测器；

所述数字信号处理电路产生调制信号并输出至Y波导，光源模块发出的超荧光经光纤耦合器组分为两部分，第一部分超荧光经Y波导，在所述调制信号的作用下进行调制，后耦合进光纤敏感环组件，经光纤敏感环组件形成三轴干涉光信号并返回至光纤耦合器组，三轴干涉光信号由光纤耦合器组传输至信号采集探测器后转换为电信号并传输至数字信号处理电路进行信号解调；第二部分超荧光传输至光源功率监测探测器，经光源功率监测探测器转化为电压值，通过电压值监测光源模块的工作状态；

所述光纤耦合器组包括第一光纤耦合器C1、第二光纤耦合器C2，第三光纤耦合器C3，第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6；所述光源模块发出的超荧光经第一光纤耦合器C1分别传输至第二光纤耦合器C2和第三光纤耦合器C3，经第二光纤耦合器C2后分为第一路超荧光和第二路超荧光，经第三光纤耦合器C3后分为第三路超荧光和第四路超荧光；第一、二、三路超荧光分别经第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6后形成所述第一部分超荧光，所述第二部分超荧光为第四路超荧光。

2.根据权利要求1所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述光纤敏感环组件包括3个光纤环；所述Y波导，信号采集探测器和数字信号处理电路均为3个；

第一、二、三路超荧光分别经第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6后输入3个Y波导，经Y波导调制后耦合进3个光纤环，经光纤环形成三路三轴干涉光信号并分别返回至第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6，并由第四光纤耦合器C4、第五光纤耦合器C5和第六光纤耦合器C6传输至3个信号采集探测器，进而传输至3个数字信号处理电路进行信号解调。

3.根据权利要求1所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述掺铒光纤的长度为2.4m～2.6m。

4.根据权利要求1所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述模拟电路向激光器注入的电流包括驱动电流和温控电流；模拟电路向半导体光放大器注入的电流包括驱动电流和温控电流。

5.根据权利要求1所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述光源模块为低噪声掺铒光纤光源模块，噪声≤-134dB/Hz。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，各光学器件均采用尾纤熔接方式连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述光纤陀螺还包括壳体；所述壳体包括上盖，横隔层，底板和侧壁，所述上盖，底板和侧壁围成具有中空腔体的立方体结构，横隔层设于中空腔体中并将中空腔体分隔为上下两部分；所述激光器，波分复用器，掺铒光纤，法拉第旋转镜，光纤隔离器和半导体光放大器安装于上盖下表面，光纤耦合器，Y波导，信号采集探测器和光源功率监测探测器安装于横隔层上表面，模拟电路和数字信号处理电路由高到低设于横隔层上表面和上盖下表面之间；所述3个光纤环分别正交安装于侧壁外表面和横隔层下表面。

8.根据权利要求7所述的一种基于双铒源冗余设计的高精度、小型化三轴一体光纤陀螺，其特征在于，所述光纤环外部设有用于屏蔽外部电磁信号的光纤环外罩，所述光纤环外罩采用铁镍合金材料，所述上盖，底板，侧壁和横隔层采用铝合金材料。

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