CN115585801A - 一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪及方法，包括依次相连的光源(1)、光纤环行器(2)、Y波导(4)和分布式光纤环(5)；所述光纤环行器(2)还连接有光电探测器(3)。方法为光源发出的光波经光纤环行器和Y波导后分为两束光波，两束光波分别接入分布式光纤环的两个输入端，作为分布式光纤环内顺时针和逆时针传输的两束光路互易性光波。本发明不仅光纤环绕制难度小、光路互易性强；而且光纤环单体尺寸小、可分布式安装、应用场景适应性强，特别适合高精度光纤陀螺仪。

Description

一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪及方法
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺仪，特别是一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪及方法。
背景技术
光纤陀螺仪的基本原理是基于Sagnac效应，即沿闭合光路相向传输的两束光波，再返回起始点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。光纤陀螺仪的精度与敏感光纤环的闭合光路面积成正比，即与光纤环的长度和直径成正比。因此，通过增加光纤环长和直径是提高光纤陀螺仪精度的最直接有效方法。
在光纤陀螺仪中，由于外界温度随时间的变化，光纤环中的每一点的折射率都随温度变化而变化，而光纤环中顺时针和逆时针传输的两束光波经过该点的时刻不同(除光纤环中点)，从而导致两束光波产生由温度引起的相位差变化，最终引起光纤陀螺仪信号漂移误差。这个效应称为Shupe效应，是光纤陀螺最重要的干扰噪声源之一。为抑制Shupe效应，通常采用四级、八级或十六级等环圈对称绕制技术。然而，随着光纤环长度的增加，导致光纤环绕制层数和匝数增加，大大增加了保持环圈绕制精度的难度。由于逐层工艺误差累积，导致光纤环的光路互易性随长度增加而大大降低，最终导致光纤陀螺仪抗温度变化性能的降低。
现在的光纤陀螺仪普遍采用单个光纤环的形式，典型的高精度光纤陀螺仪用光纤环圈长度为数千米，导致其单体环圈绕制层数较多、体积较大，一方面在现有工艺水平下很难保障光纤环的光路互易性，另一方面较大的体积也限制其在某些异形空间应用场景的使用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪及方法。本发明不仅光纤环绕制难度小、光路互易性强；而且光纤环单体尺寸小、可分布式安装、应用场景适应性强，特别适合高精度光纤陀螺仪。
本发明的技术方案：一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪，包括依次相连的光源、光纤环行器、Y波导和分布式光纤环；所述光纤环行器还连接有光电探测器。
前述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪中，所述分布式光纤环包括多段依次相连的光纤环段，相邻的光纤环段之间设有光纤环并纤。
前述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪中，所述光纤环段的数量N≥2，光纤环并纤的数量M＝N-1。
一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪的使用方法，光源发出的光波经光纤环行器和Y波导后分为两束光波，两束光波分别接入分布式光纤环的两个输入端，作为分布式光纤环内顺时针和逆时针传输的两束光路互易性光波。
前述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪的使用方法中，各光纤环段中的顺时针和逆时针光纤相对于整个光纤环长度中心点对称，各个光纤环并纤中的两束光纤长度一致且相邻并排走纤，保证整个光纤环关于长度中心点的光路互易性。
与现有技术相比，本发明由光源、光纤环行器、光电探测器、Y波导和分布式光纤环组成，整体尺寸小、可分布式安装、应用场景适应性强，特别适合高精度光纤陀螺仪。本发明通过采用分布式光纤环形式，分布式光纤环中的各光纤环段中的顺时针和逆时针光纤相对于整个光纤环长度中心点对称，各个光纤环并纤中的两束光纤长度一致且相邻并排走纤，从而保证整个光纤环关于长度中心点的光路互易性，进而保障光纤陀螺仪的抗温度变化干扰能力。本发明采用分布式光纤环形式，从而可以有效降低光纤环绕制难度、而且光路的互易性也强。综上所述，本发明不仅光纤环绕制难度小、光路互易性强；而且光纤环单体尺寸小、可分布式安装、应用场景适应性强，特别适合高精度光纤陀螺仪。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是分布式光纤环机理图。
附图中的标记为：1-光源，2-光纤环行器，3-光电探测器，4-Y波导，5-分布式光纤环，501-光纤环段，502-光纤环并纤。
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。一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪，构成如图1和2所示，包括依次相连的光源1、光纤环行器2、Y波导4和分布式光纤环5；所述光纤环行器2还连接有光电探测器3。
所述分布式光纤环5包括多段依次相连的光纤环段501，相邻的光纤环段501之间设有光纤环并纤502。
所述光纤环段501的数量N≥2，光纤环并纤502的数量M＝N-1。
一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪的使用方法，光源发出的光波经光纤环行器和Y波导后分为两束光波，两束光波分别接入分布式光纤环的两个输入端，作为分布式光纤环内顺时针和逆时针传输的两束光路互易性光波。
各光纤环段中的顺时针和逆时针光纤相对于整个光纤环长度中心点对称，各个光纤环并纤中的两束光纤长度一致且相邻并排走纤，保证整个光纤环关于长度中心点的光路互易性。
光源发出的光波经光纤环行器和Y波导后分为两束光波，分别接入分布式光纤环的两个输入端，作为分布式光纤环内顺时针和逆时针传输的两束光路互易性光波。各光纤环段中的顺时针和逆时针光纤相对于整个光纤环长度中心点对称，各个光纤环并纤中的两束光纤长度一致且相邻并排走纤，从而保证整个光纤环关于长度中心点的光路互易性，进而保障光纤陀螺仪的抗温度变化干扰能力。
本发明工作原理：
光纤环圈中两束顺时针和逆时针光波的相位差与载体旋转角速度的关系，即Sagnac效应可以表示为：
Figure BDA0003835884710000051
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。
由(1)式可知，光纤陀螺仪的精度与光纤环的长度和直径成正比。因此，通过增加光纤环长和直径是提高光纤陀螺仪精度的最直接有效方法。
在光纤陀螺仪中，为抑制Shupe效应，通常采用四级、八级或十六级等环圈对称绕制技术。
随着光纤环长度的增加，导致光纤环绕制层数和匝数增加，大大增加了保持环圈绕制精度的难度。由于逐层工艺误差累积，导致光纤环的光路互易性随长度增加而大大降低，最终导致光纤陀螺仪抗温度变化性能的降低。
本发明通过采用分布式光纤环形式，具有光纤环绕制难度小、光路互易性强的特点；具有光纤环单体尺寸小、可分布式安装、应用场景适应性强的特点，特别适合高精度光纤陀螺仪。

Claims (5)

1.一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪，其特征在于：包括依次相连的光源(1)、光纤环行器(2)、Y波导(4)和分布式光纤环(5)；所述光纤环行器(2)还连接有光电探测器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述分布式光纤环(5)包括多段依次相连的光纤环段(501)，相邻的光纤环段(501)之间设有光纤环并纤(502)。
3.根据权利要求2所述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述光纤环段(501)的数量N≥2，光纤环并纤(502)的数量M＝N-1。
4.使用权利要求1-3中任一项所述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪的方法，其特征在于：光源发出的光波经光纤环行器和Y波导后分为两束光波，两束光波分别接入分布式光纤环的两个输入端，作为分布式光纤环内顺时针和逆时针传输的两束光路互易性光波。
5.根据权利要求4所述的一种分段光路互易的分布式高精度光纤陀螺仪的使用方法，其特征在于：各光纤环段中的顺时针和逆时针光纤相对于整个光纤环长度中心点对称，各个光纤环并纤中的两束光纤长度一致且相邻并排走纤，保证整个光纤环关于长度中心点的光路互易性。
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