CN115326047A - 一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，包括相连的光源组件（1）、多功能Y波导组件（2）以及多个光纤环组件（4）、多功能Y波导组件（2）和光纤环组件（4）之间还设有信号处理电路组件（3）；所述光纤环组件（4）包含依次相连的第一环行器（401）、光纤环（402）、第二环行器（403）、2*1光纤耦合器（404）和光电探测器（405），第一环行器（401）的a端作为光纤环组件（4）的顺时针光波输入端，第二环行器（403）的a端作为光纤环组件（4）的逆时针光波输入端。本发明不仅可以复用光源组件和Y波导组件并使其具有良好实用性，还可以降低多轴光纤陀螺仪的成本和体积。

Description

一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺仪，特别是一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪可以分为闭环光纤陀螺仪和开环光纤陀螺仪两种方案。闭环光纤陀螺仪采用阶梯波反馈技术，该技术中的阶梯波反馈信号可以补偿载体旋转角速度产生的Sagnac相移信号，从而使旋转角速度误差信号始终处于零位状态，进而提升光纤陀螺仪大动态范围的标度因数性能。然而，阶梯波反馈技术中变化的阶梯波反馈电信号会与调制电信号产生交叉串扰，导致在陀螺仪零速输出附近存在一个“死区”。该“死区”效应范围内光纤陀螺仪的输出信号不随载体输入旋转角速度信号变化而变化。通过优化阶梯波调制技术和电路串扰抑制技术可以大大降低死区范围，然而对于一些高精度应用场景，死区抑制技术仍是制约高精度光纤陀螺仪性能的关键因素之一。在对光纤陀螺仪的精度要求高而对动态范围要求不高的应用领域，如高精度稳定平台、旋转地震仪等应用领域，开环高精度光纤陀螺仪由于没有死区效应而具有较大的应用优势。

光纤陀螺仪的光路主要由光源、Y波导、耦合器、光纤环和光电探测器组成，其中光源和Y波导是光纤陀螺仪成本的重要组成部件。通过光路复用技术，可以降低多轴光纤陀螺仪的成本、减小体积，具有重要的意义。多轴光纤陀螺仪采用共用一只光源的光路复用技术是当前的主流方案。该方案由于仅复用了光源组件，而成本较高的Y波导组件未能实现复用，导致成本降低程度有限。采用时分复用技术在复用光源组件的同时，也有潜力实现Y波导组件的复用；然而时分复用技术导致分配到单个光纤陀螺仪的信号采集时间大大缩短，从而带来较大的精度损失，不适合高精度光纤陀螺仪。在采用时分技术的闭环光纤陀螺仪中，还要面临着多轴信号重复锁定过程带来的误差信号，限制了时分复用技术的应用。一种采用光开关串联多个光纤环的形式可以实现复用光源组件和Y波导组件的目的，然而串联多个光纤环的方式严重破坏了单轴光纤环组件光路的对称性，引起较大的Shupe误差，导致该方案的实用性大大降低。因此，现有的光纤陀螺仪光路复用技术均存在着不同的缺点，应用效果均不佳，急需开发一款可以同时复用光源组件和Y波导组件，且具有良好实用性的光纤陀螺仪。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪。本发明不仅可以复用光源组件和Y波导组件并使其具有良好实用性，还可以降低多轴光纤陀螺仪的成本和体积，具有显著的效果和意义。

本发明的技术方案：一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，包括相连的光源组件、多功能Y波导组件以及多个光纤环组件，多功能Y波导组件和光纤环组件之间还设有信号处理电路组件；所述光纤环组件包含依次相连的第一环行器、光纤环、第二环行器、2*1光纤耦合器和光电探测器，第一环行器的a端作为光纤环组件的顺时针光波输入端，第二环行器的a端作为光纤环组件的逆时针光波输入端。

前述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪中，所述的多功能Y波导组件包括Y波导调制器，Y波导调制器连接有两个1*3光纤耦合器；Y波导调制器还设有调制信号输入端和光源输入端。

前述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪中，所述信号处理电路组件上设有AD采样电路、调制信号输出端和陀螺仪信号输出端。

前述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪中，所述光源组件的输出与多功能Y波导组件的输入相连，多功能Y波导组件的输出分别与各个光纤环组件的输入相连，各个光纤环组件各自的光电探测器分别与信号处理电路组件的AD采样电路相连，信号处理电路组件的调制信号输出端与多功能Y波导组件的调制信号输入端相连。

前述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪中，所述的多功能Y波导组件的顺时针光波输出端和逆时针光波输出端分别与每个光纤环组件的顺时针输入端和逆时针输入端相连。

前述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪中，光纤环组件输出的光路干涉信号包含其所在载体的旋转角速度信息，该干涉信号的产生方法为：

选取多功能Y 波导组件输出顺时针光输出端和逆时针光输出端的各一路光波，分别输入到光纤环组件的顺时针光输入端和逆时针光输入端；顺时针光波和逆时针光波，分别经过各自的环行器a端输入，经各自环行器b端、光纤环和对方环行器的b端后，经对方环行器的c端输出，该两束输出光波经2*1光纤耦合器干涉后由光电探测器检测，形成对应该光纤环组件的干涉信号，该干涉信号包含该光纤环组件所在载体的旋转角速度信息。

与现有技术相比，本发明由依次相连的光源组件、多功能Y波导组件、信号处理电路组件和多个光纤环组件构成，在不破坏每个单轴光纤环圈组件光路对称性的条件下通过复用光源和Y波导组件，对于降低多轴光纤陀螺仪的成本和减小体积具有重要的效果和意义；经计算，对于典型0.01°/h高精度三轴光纤陀螺仪，通过复用光源和Y波导，成本降低约35%，即光源和Y波导占单只光纤陀螺成本的约50%（Y波导和光源bom成本约6:4））；体积可以减小15%左右（由于体积最大的为光纤环圈，降低2个光源为主要降低的体积，体积降低约15%左右）。而且该方法适用于敏感轴数目≥2的多轴光纤陀螺仪，特别对于没有死区效应的多轴高精度开环光纤陀螺仪具有重要意义。综上所述，本发明不仅可以复用光源组件和Y波导组件并使其具有良好实用性，还可以降低多轴光纤陀螺仪的成本和体积，具有显著的效果和意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图中的标记为：1-光源组件，2-多功能Y波导组件，3-信号处理电路组件，4-光纤环组件，201-Y波导调制器，202-1*3光纤耦合器，401-第一环行器，402-光纤环，403-第二环行器，404-2*1光纤耦合器，405-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，构成如图1所示，包括依次相连的光源组件1、多功能Y波导组件2、信号处理电路组件3以及3个光纤环组件4，光纤环组件包含第一环行器401、光纤环402、第二环行器403、2*1光纤耦合器404和光电探测器405，第一环行器的a端作为光纤环组件的顺时针光波输入端，第二环行器的a端作为光纤环组件的逆时针光波输入端。

3个光纤环组件4分别为第一光纤环组件、第二光纤环组件和第三光纤环组件。

所述光源组件1的输出与多功能Y波导组件2的输入相连，多功能Y波导组件2的输出分别与第一光纤环组件、第二光纤环组件和第三光纤环组件的输入相连，第一光纤环组件、第二光纤环组件和第三光纤环组件各自的光电探测器分别与信号处理电路组件3的AD采样电路相连，信号处理电路组件3的调制信号输出端与多功能Y波导组件的调制信号输入端相连，信号处理电路3还设有陀螺仪输出信号端。

所述的多功能Y波导组件2包括Y波导调制器201和两个1*3光纤耦合器202。

所述的多功能Y波导组件2的顺时针光波输出端R1、R2、R3和逆时针光波输出端L1、L2和L3分别与第一光纤环组件、第二光纤环组件和第三光纤环组件的顺时针输入端R1、R2和R3和逆时针输入端L1、L2和L3相连。

所述的多轴开环光纤陀螺仪的敏感轴数量N≥2，对应采用N个光纤环组件，对应多功能Y波导组件内部光纤耦合器的分光功能为将输入光分光为N束光输出。

光纤环组件输出的光路干涉信号包含其所在载体的旋转角速度信息，该互易性干涉信号的产生方法为：

选取多功能Y波导组件输出顺时针光输出端和逆时针光输出端的各一路光波，分别输入到光纤环组件的顺时针光输入端和逆时针光输入端；顺时针光波和逆时针光波，分别经过各自的环行器a端输入，经各自环行器b端、光纤环和对方环行器的b端后，经对方环行器的c端输出，该两束输出光波经2*1光纤耦合器干涉后由光电探测器检测，形成对应该光纤环组件的干涉信号，该干涉信号包含该光纤环组件所在载体的旋转角速度信息。

本发明工作原理：

光纤陀螺仪光纤环组件中顺时针光波和逆时针光波相位差与载体旋转角速度的关系，即Sagnac效应可以表示为：

（1）

其中，L为光纤环长，D为光纤环直径，λ为光源光波波长，c为光速，Ω为载体旋转角速度。

光纤陀螺仪在输入角速度为零时，理想情况下要求光纤环中顺时针光波和逆时针光波的相位差应为零，且不受温度和振动等外界环境变化的干扰。因此，敏感光纤环组件的光路互易性是保障光纤陀螺仪性能的重要前提。

本发明在不破坏每个单轴光纤环圈组件光路对称性的同时，通过复用光源和Y波导组件，对于降低多轴光纤陀螺仪的成本和减小体积具有重要的效果和意义。而且该方法适用于敏感轴数目≥2的多轴光纤陀螺仪，特别对于没有死区效应的多轴高精度开环光纤陀螺仪具有重要意义。

Claims (6)

1.一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于：包括相连的光源组件（1）、多功能Y波导组件（2）以及多个光纤环组件（4），多功能Y波导组件（2）和光纤环组件（4）之间还设有信号处理电路组件（3）；所述光纤环组件（4）包含依次相连的第一环行器（401）、光纤环（402）、第二环行器（403）、2*1光纤耦合器（404）和光电探测器（405），第一环行器（401）的a端作为光纤环组件（4）的顺时针光波输入端，第二环行器（403）的a端作为光纤环组件（4）的逆时针光波输入端。

2.根据权利要求1所述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于：所述的多功能Y波导组件（2）包括Y波导调制器（201），Y波导调制器（201）连接有两个1*3光纤耦合器（202）；Y波导调制器（201）还设有调制信号输入端和光源输入端。

3.根据权利要求1所述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于：所述信号处理电路组件（3）上设有AD采样电路、调制信号输出端和陀螺仪信号输出端。

4.根据权利要求3所述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源组件（1）的输出与多功能Y波导组件（2）的输入相连，多功能Y波导组件（2）的输出分别与各个光纤环组件（4）的输入相连，各个光纤环组件（4）各自的光电探测器分别与信号处理电路组件（3）的AD采样电路相连，信号处理电路组件（3）的调制信号输出端与多功能Y波导组件的调制信号输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于：所述的多功能Y波导组件（2）的顺时针光波输出端和逆时针光波输出端分别与每个光纤环组件（4）的顺时针输入端和逆时针输入端相连。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种光路复用的多轴开环光纤陀螺仪，其特征在于，光纤环组件输出的光路干涉信号包含其所在载体的旋转角速度信息，该干涉信号的产生方法为：

选取多功能Y波导组件输出顺时针光输出端和逆时针光输出端的各一路光波，分别输入到光纤环组件的顺时针光输入端和逆时针光输入端；顺时针光波和逆时针光波，分别经过各自的环行器a端输入，经各自环行器b端、光纤环和对方环行器的b端后，经对方环行器的c端输出，该两束输出光波经2*1光纤耦合器干涉后由光电探测器检测，形成对应该光纤环组件的干涉信号，该干涉信号包含该光纤环组件所在载体的旋转角速度信息。

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