CN114509059A - 兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺 - Google Patents

兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺 Download PDF

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CN114509059A CN202210139227.9A CN202210139227A CN114509059A CN 114509059 A CN114509059 A CN 114509059A CN 202210139227 A CN202210139227 A CN 202210139227A CN 114509059 A CN114509059 A CN 114509059A
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黄忠伟
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Abstract

本申请涉及一种兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺包括光源、第一耦合器、控制与处理电路、大环光路和小环光路，大环光路包括第二耦合器、第一Y波导、大光纤环和第一探测器，小环光路包括第三耦合器、第二Y波导、小光纤环和第二探测器，第一耦合器将所述光源的一束光分成第一光束和第二光束，第一光束经过所述大环光路产生角速度敏感信号，第二光束经过所述小环光路产生角速度敏感信号，大光纤环的光纤长度大于小光纤环的光纤长度，第一探测器和第二探测器分别与控制与处理电路连接，解决在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围。

Description

兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺
技术领域
本申请属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺。
背景技术
光纤陀螺最主要的优越性是其本质上具有的固态技术的优势，由于导波光学和低压低耗电子电路的成功运用，使其具有成本低、重量轻、体积小、寿命长、抗冲击和噪声能力强、起动快等优点，并逐步在惯性技术的各个领域得到成功应用，极大地推动了惯性技术的发展，拓展了惯性技术的应用领域。光纤陀螺中，随着光纤传感环圈长度的增加，陀螺的精度逐步提升，但是测量的动态范围却逐步降低，也就是说，光纤陀螺精度越高，需要使用的光纤传感环圈长度越长，而光纤传感环圈长度越长，光纤陀螺测量的动态范围越小。因此现有的光纤陀螺无法同时满足高精度和宽测量范围的应用需求。
发明内容
为至少在一定程度上克服现有的光纤陀螺无法同时满足高精度和宽测量范围的应用需求的问题，本申请提供一种兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，包括：
光源、第一耦合器、控制与处理电路、大环光路和小环光路；
所述大环光路包括第二耦合器、第一Y波导、大光纤环和第一探测器；
所述小环光路包括第三耦合器、第二Y波导、小光纤环和第二探测器；
所述第一耦合器将所述光源的一束光分成第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述大环光路产生角速度敏感信号；
所述第二光束经过所述小环光路产生角速度敏感信号；
所述大光纤环的光纤长度大于小光纤环的光纤长度；
所述第一探测器和第二探测器分别与所述控制与处理电路连接。
进一步的，所述控制与处理电路用于：
根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值。
进一步的，所述根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值，包括：
当载体的角速度不超过大光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为大环光路输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
当载体的角速度超过大光纤环的测量范围且小于小光纤环的测量范围时，小环光路输出角速度值，根据所述小环光路输出角速度值和大光纤环和小光纤环之间的相位相差确定光纤陀螺输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
当载体的角速度超过小光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为在小环光路的最大输出值。
进一步的，所述小光纤环的测量范围根据小光纤环的长度和平均直径的乘积确定。
进一步的，所述小光纤环的测量范围为100°/s-1000°/s时，小光纤环的长度和平均直径的乘积范围为133.3m2-13.3m2。
进一步的，所述光源为1550nm的光源。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例提供的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，包括光源、第一耦合器、控制与处理电路、大环光路和小环光路，大环光路包括第二耦合器、第一Y波导、大光纤环和第一探测器，小环光路包括第三耦合器、第二Y波导、小光纤环和第二探测器，第一耦合器将所述光源的一束光分成第一光束和第二光束，第一光束经过所述大环光路产生角速度敏感信号，第二光束经过所述小环光路产生角速度敏感信号，大光纤环的光纤长度大于小光纤环的光纤长度，第一探测器和第二探测器分别与控制与处理电路连接，解决在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请一个实施例提供的一种兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的功能结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
图1为本申请一个实施例提供的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的功能图，如图1所示，该兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺包括：
光源11、第一耦合器12、控制与处理电路13、大环光路14和小环光路15；
大环光路14包括第二耦合器141、第一Y波导142、大光纤环143和第一探测器144；
小环光路15包括第三耦合器151、第二Y波导152、小光纤环153和第二探测器154；
第一耦合器141将光源11的一束光分成第一光束和第二光束；
第一光束经过大环光路14产生角速度敏感信号；
第二光束经过小环光路15产生角速度敏感信号；
大光纤环143的光纤长度大于小光纤环153的光纤长度；
第一探测器144和第二探测器154分别与控制与处理电路13连接。
一些实施例中，控制与处理电路13用于：
根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值。
本实施例中，根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值，包括：
当载体的角速度不超过大光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为大环光路输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
当载体的角速度超过大光纤环的测量范围且小于小光纤环的测量范围时，小环光路输出角速度值，根据所述小环光路输出角速度值和大光纤环和小光纤环之间的相位相差确定光纤陀螺输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
例如大光纤环测量范围为Ωπ(大)＝67°/s，当载体角速度为250°/s，小环光路可以正常输出，由此可计算出大环输出应该增加一个2π对应的角速度值，才是真实的角速度大小，而此时大环尺寸下的精度水平不受影响，如此既保证了精度又提升了动态范围；
当载体的角速度超过小光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为在小环光路的最大输出值。
一些实施例中，小光纤环的测量范围根据小光纤环的长度和平均直径的乘积确定。
一些实施例中，小光纤环的测量范围为100°/s-1000°/s时，小光纤环的长度和平均直径的乘积范围为133.3m2-13.3m2。
一些实施例中，光源为1550nm的光源。
传统光纤陀螺中，随着光纤传感环圈长度的增加，陀螺的精度逐步提升，但是测量的动态范围却逐步降低，也就是说，光纤陀螺精度越高，需要使用的光纤传感环圈长度越长，而光纤传感环圈长度越长，光纤陀螺测量的动态范围越小。因此现有的光纤陀螺无法同时满足高精度和宽测量范围的应用需求。
根据闭环光纤陀螺仪的原理，Sagnac相移在(-π,π)区间内输入角速率Ω与Sagnac相移
Figure BDA0003505995370000051
之间是一一对应的，据此选取陀螺仪的测量范围为(-Ωπ,Ωπ)。Ωπ可按下式进行计算：
Figure BDA0003505995370000052
式中：
λ——光源的平均波长，为1550nm；
c——真空中的光速，为3×108m/s；
L——光纤长度；
D——光纤传感环圈的平均直径。
通常情况下，高精度光纤陀螺的光纤传感环圈长度1000米-5000米，精度为0.01°/h-0.0001°/h，通过公式(1)计算得到的动态范围往往只有几十°/h。假设陀螺仪的光纤长度取2000m，光纤传感环圈平均直径约为0.1m，计算得到Ωπ≈67°/s，无法满足几百°/s的测量范围要求。因此，必须扩展光纤陀螺的动态范围。一般情况下，通常要求-300°/s～+300°/s的测量范围指标，需要针对上述指标的陀螺需要将动态范围扩大5倍以上。
高精度光纤陀螺往往采用1000m以上的光纤传感环圈，并且直径较大，通常在100mm左右，而低精度光纤陀螺，通常使用长度200m左右，直径30mm的光纤环，因此，其动态范围相差几倍，甚至十几倍，因此，可以将二者结合起来，构成一个具有双路结构的光纤陀螺，分别采用一个小尺寸和小长度的光纤传感环圈，一个大尺寸和大长度的光纤传感环圈，利用大光纤环作为小光纤环的辅助，小光纤环是该光纤陀螺的角速度敏感部件。当大光纤环敏感到的载体角速度超出Ωπ，产生复位从而无法分辨出真实的角速度时，而小光纤环却可以提供真实的角速度值，直到载体的角速度同时也超过了小光纤传感环圈的动态范围。对于-300°/s～+300°/s通常要求的测量范围，一般小光纤传感环圈都可以满足要求，测量范围主要取决于L和D的乘积。只要L×D≤44.4m2,就可以满足要求，例如光纤长度L＝444m，光纤直径D＝0.1m。
本申请可以根据应用需求，进行动态范围的专门设计，提升效果达到几倍，甚至十几倍。
本实施例中，兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺包括光源、第一耦合器、控制与处理电路、大环光路和小环光路，大环光路包括第二耦合器、第一Y波导、大光纤环和第一探测器，小环光路包括第三耦合器、第二Y波导、小光纤环和第二探测器，第一耦合器将所述光源的一束光分成第一光束和第二光束，第一光束经过所述大环光路产生角速度敏感信号，第二光束经过所述小环光路产生角速度敏感信号，大光纤环的光纤长度大于小光纤环的光纤长度，第一探测器和第二探测器分别与控制与处理电路连接，解决在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，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模块中，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模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，包括：
光源、第一耦合器、控制与处理电路、大环光路和小环光路；
所述大环光路包括第二耦合器、第一Y波导、大光纤环和第一探测器；
所述小环光路包括第三耦合器、第二Y波导、小光纤环和第二探测器；
所述第一耦合器将所述光源的一束光分成第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述大环光路产生角速度敏感信号；
所述第二光束经过所述小环光路产生角速度敏感信号；
所述大光纤环的光纤长度大于小光纤环的光纤长度；
所述第一探测器和第二探测器分别与所述控制与处理电路连接。
2.根据权利要求1所述的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，所述控制与处理电路用于：
根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值。
3.根据权利要求2所述的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，所述根据输入载体的角速度、大光纤环的测量范围和小光纤环的测量范围确定所述兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺的输出值，包括：
当载体的角速度不超过大光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为大环光路输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
当载体的角速度超过大光纤环的测量范围且小于小光纤环的测量范围时，小环光路输出角速度值，根据所述小环光路输出角速度值和大光纤环和小光纤环之间的相位相差确定光纤陀螺输出角速度值，并且光纤陀螺的精度为大光纤环尺寸下的精度水平；
当载体的角速度超过小光纤环的测量范围时，光纤陀螺输出角速度值为在小环光路的最大输出值。
4.根据权利要求3所述的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，所述小光纤环的测量范围根据小光纤环的长度和平均直径的乘积确定。
5.根据权利要求4所述的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，所述小光纤环的测量范围为100°/s-1000°/s时，小光纤环的长度和平均直径的乘积范围为133.3m2-13.3m2。
6.根据权利要求1所述的兼顾测量范围和测量精度的光纤陀螺，其特征在于，所述光源为1550nm的光源。
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