CN116046025B - 基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统，检测的系统包括光源、保偏耦合器、Y波导调制器、少模光纤环圈、光电探测器、数字信号处理器、光时域反射仪、第一光子灯笼及第二光子灯笼，检测的方法包括如下步骤：光时域反射仪的监测光传输给第一光子灯笼并转换为高阶模再通过少模光纤环圈后到达第二光子灯笼后再原路反射回到光时域反射仪；当检测到奇异点时，若应力变化超范围，则将奇异点剔除，若应力变化不超范围，则奇异点保留。本发明提供的方法及系统可以有效剔除陀螺输出中因应力变化导致的奇异点，从而保证导航定位精度。

Description

基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统。
背景技术
惯性导航系统具有自主性、实时性、连续性的技术特点，已成为最佳导航设备。光纤陀螺作为一种高性价比光电惯性元件，具有成本低、高可靠、全固态静默式工作、系统兼容性强等特点，以其为核心的惯性测量产品已在诸多领域应用。
光纤陀螺具有很大的精度潜力，当前高精度光纤陀螺的零偏稳定性可达0.00001°/h，使其成为长航时惯导主要核心器件之一。限制光纤陀螺长航时应用的因素之一是其长期稳定工作的能力，而光纤环圈性能的长期稳定性又成为光纤陀螺能否长期稳定工作的决定性因素。绕制高精度光纤陀螺用光纤环圈通常需要十公里以上光纤，光纤长度的增加导致环圈中存在应力点的可能性大幅升高，而应力释放的需要的时间通常较长。若环圈内部应力分布在光纤陀螺长航应用时发生变化，将可能导致陀螺输出产生奇异点。
现有一篇公布号为CN110990943A的专利申请文件，记载了一种基于控制力矩陀螺群奇异几何意义的奇异点判定方法，其根据各个力矩陀螺的框架角、初始力矩矢量和初始角动量矢量，分别计算SGCMG中各个力矩陀螺的力矩矢量和角动量矢量；再根据各个力矩陀螺的力矩矢量计算SGCMG的准奇异矢量；再根据所述准奇异矢量与所述各个力矩陀螺的力矩矢量，计算SGCMG的奇异系数，并根据奇异系数判断所述各个力矩陀螺的框架角是否为SGCMG的奇异点；若所述各个力矩陀螺的框架角为SGCMG的奇异点，则根据所述各个力矩陀螺的角动量矢量和所述准奇异矢量计算出判定系数，并根据所述判定系数判断SGCMG的奇异点类型，其奇异点的类型分为饱和奇异、双曲奇异、椭圆奇异等，这种奇异点判定方法计算比较复杂，并且其判定出奇异点的类型只是从形状或特性上判断，并没有分析引起奇异点的原因，以及如何处置奇异点。
另有一篇公布号为CN115563720A的专利申请文件，记载了一种单框架控制力矩陀螺群在轨奇异分析方法，其判断奇异点的方法与CN110990943A基本相同，均是基于SGCMG的各个框架角得到SGCMG的角动量矢量，并根据角动量矢量建立SGCMG群的角动量输出方程；根据SGCMG群的角动量输出方程得到SGCMG群的输出力矩方程和所述SGCMG群的力矩矩阵；利用所述SGCMG群的力矩矩阵和奇异状态的奇异框架角，得到所述SGCMG的奇异标准，并根据所述SGCMG的奇异标准判断所述SGCMG的各个框架角是否为奇异点；再根据所述奇异点的判断矩阵判断所述奇异点的类型，并得到所述奇异点的奇异方向；
这两篇专利文件奇异点判定方法计算均比较复杂，并且其判定出奇异点的类型只是从形状或特性上判断，并没有分析引起奇异点的原因，以及如何处置奇异点。
而惯导系统在无法判定奇异点为应力变化导致还是角速率变化导致的情况下，若把奇异点误判为角速率变化予以保留进行导航解算，将会影响导航的精度；若直接将奇异点认定是应力变化导致而将其剔除，可能造成误剔除，同样会影响到惯导系统的精确导航，因此必须对造成奇异点的原因做出正确的判断，并根据具体原因决定是否将奇异点予以剔除，才能保证惯导系统导航的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统，在长航时导航应用中，通过在线检测少模光纤环圈中应力的变化，有效剔除光纤陀螺输出中因少模光纤环圈应力变化导致的奇异点，从而保证光纤陀螺惯导系统的导航定位精度。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其包括光源、保偏耦合器、Y波导调制器、少模光纤环圈、光电探测器、数字信号处理器、光时域反射仪、第一光子灯笼及第二光子灯笼，所述光源与保偏耦合器耦合连接，保偏耦合器与Y波导调制器耦合连接，Y波导调制器的两个尾纤分别与第一光子灯笼及第二光子灯笼的基模输入端耦合连接，第一光子灯笼及第二光子灯笼的输出端分别与少模光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光时域反射仪的检测端与第一光子灯笼的高阶模输入端耦合连接，保偏耦合器的探测端与光电探测器的输入端耦合连接，光电探测器与模数转换器连接，模数转换器与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的反馈端与数模转换器的输入端连接，数模转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字信号处理器的输出端及光时域反射仪的输出端分别与上位机连接。
优化的，光源为ASE宽带光源。
优化的，第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼。
进一步，光电探测器与模数转化器之间连接有前置放大器。
一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其包括如下步骤：
S1：光源输出的光经保偏耦合器到达Y波导调制器后，分为两束基模光分别输出给第一光子灯笼基模输入端、第二光子灯笼基模输入端，两束基模光分别经第一光子灯笼、第二光子灯笼转化成少模光纤的基模光在少模光纤环圈内相向传输后，再次经过相应的光子灯笼转换成单模光纤的基模光，回到Y波导调制器形成干涉光，干涉光再经过保偏耦合器进入光电探测器，再经过AD转换器进行模式转换，到达数字信号处理器对信号进行采集解算获得Sagnac相移后，一方面将陀螺输出信息传输给上位机用于系统解算，同时将Sagnac相移交由第一DA模块进行模式转换后反馈给Y波导调制器；
S2：光时域反射仪的监测光传输给第一光子灯笼高阶模输入端，经第一光子灯笼转化成高阶模光后输出给少模光纤环圈，高阶模光经少模光纤环圈传输后到达第二光子灯笼，再经第二光子灯笼的悬空端反射回第二光子灯笼后，再通过少模光纤环圈及第一光子灯笼原路返回至光时域反射仪；
S3：上位机实时监测陀螺输出信息并绘制成陀螺输出曲线，光时域反射仪实时监测反射回来的光波，并绘制出应力分布图传输给上位机；
S4：当上位机监测到陀螺输出信息超出预设范围时，将此刻的陀螺输出信息作为奇异点，并通过应力分布图查看此刻的应力变化，若此刻应力变化超出预设应力变化范围，则判断此奇异点为由于应力变化引起而将此奇异点剔除，若此刻应力变化在预设应力变化范围内，则判断此奇异点不是由于应力变化引起而予以保留。
进一步，步骤S4中剔除奇异点时，上位机将前一时刻的陀螺输出作为此时的陀螺输出用于系统解算。
优化的，光源为宽带光源。
优化的，第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼。
进一步，步骤S1中干涉光进入光电探测器后，先经过前置放大器将信号放大后再进入模数转换器。
发明的有益效果：
1. 本发明提出的方案，在实现光纤陀螺角速度传感功能的同时，可实现光纤环圈中应力变化的在线监测，从而达到辅助惯导系统剔除光纤陀螺输出中因应力变化引起的奇异点的目的。有效避免了光纤陀螺长时间工作时光纤环圈中应力变化影响导航精度，使高精度光纤陀螺满足长航时导航应用领域的需求，并且可以防止误剔除奇异点。
2.本发明提出的方案，相比传统光纤陀螺，增加了光纤环圈中的传感通道，将光纤环圈变为少模光纤环圈，利用少模光纤中的不同模式作为信道，并搭配用于模式转换、复用、解复用的光子灯笼，可实现光纤环圈性能参数的在线监测，支撑光纤陀螺长期工作能力的提升。
附图说明
图1为本发明系统结果示意图。
图2本发明陀螺输出曲线应力变化所致奇异点示意图。
图3为本发明三模光子灯笼结构示意图。
图4为本发明三模光子灯笼锥区模式转换过程示意图。
图中：1.光源，2.保偏耦合器，3.光时域反射仪，4.第一光子灯笼，5.少模光纤环圈，6.第二光子灯笼，7.Y波导调制器，8.光电探测器,9.前置放大器，10.模数转换器，11.数字信号处理器，12.数模转换器,13.上位机，501.基模转换端，502.高阶模转换端，503.高阶模转换端。
具体实施方式
一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，包括光源1、保偏耦合器2、Y波导调制器7、少模光纤环圈5、光电探测器8、数字信号处理器11、光时域反射仪3、第一光子灯笼4及第二光子灯笼6，所述光源与保偏耦合器耦合连接，保偏耦合器与Y波导调制器耦合连接，Y波导调制器的两个尾纤分别与第一光子灯笼及第二光子灯笼的基模输入端耦合连接，第一光子灯笼及第二光子灯笼的输出端分别与少模光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光时域反射仪的检测端与第一光子灯笼的高阶模输入端耦合连接，保偏耦合器的探测端与光电探测器的输入端耦合连接，光电探测器与模数转换器10连接，模数转换器与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的反馈端与数模转换器12的输入端连接，数模转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字信号处理器的输出端及光时域反射仪的输出端分别与上位机13连接。基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统体结构示意图如附图1所示，其中光电探测器8与模数转换器10之间的虚线表示光电探测器8与模数转换器10之间可以直接连接，也可以在光电探测器8与模数转换器10之间连接前置放大器等器件。
优化的，光源为ASE宽带光源。
优化的，第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼。
进一步，光电探测器与模数转化器之间连接有前置放大器9。
一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其包括如下步骤：
S1：光源输出的光经保偏耦合器到达Y波导调制器后，分为两束基模光分别输出给第一光子灯笼基模输入端、第二光子灯笼基模输入端，两束基模光分别经第一光子灯笼、第二光子灯笼转化成少模光纤的基模光后在少模光纤环圈内相向传输后，再次经过相应的光子灯笼转换成单模光纤的基模光，回到Y波导调制器形成干涉光，干涉光再经过保偏耦合器进入光电探测器，再经过AD转换器进行模式转换，到达数字信号处理器对信号进行采集解算获得Sagnac相移后，一方面将陀螺输出信息传输给上位机用于系统解算，同时将Sagnac相移交由第一DA模块进行模式转换后反馈给Y波导调制器；
S2：光时域反射仪的监测光传输给第一光子灯笼高阶模输入端，经第一光子灯笼转化成高阶模光后输出给少模光纤环圈，高阶模光经少模光纤环圈传输后到达第二光子灯笼，再经第二光子灯笼的悬空端反射回第二光子灯笼后，再通过少模光纤环圈及第一光子灯笼原路返回至光时域反射仪；
S3：上位机实时监测陀螺输出信息并绘制成陀螺输出曲线，光时域反射仪实时监测反射回来的光波，并绘制出应力分布图传输给上位机；具体陀螺输出曲线应力变化所致奇异点示意图如附图2所示；
S4：当上位机监测到陀螺输出信息超出预设范围时，将此刻的陀螺输出信息作为奇异点，并通过应力分布图查看此刻的应力变化，若此刻应力变化超出预设应力变化范围，则判断此奇异点为由于应力变化引起而将此奇异点剔除，若此刻应力变化在预设应力变化范围内，则判断此奇异点不是由于应力变化引起而予以保留。
传统的高精度光纤陀螺所用的光纤环圈通常由单模保偏光纤绕制而成，其内部只支持基模（
Figure SMS_1
模）传输，作为光信号干涉后实现角速度传感。
本发明的光纤陀螺其光纤环圈改用少模保偏光纤绕制而成，少模光纤环圈内可支持多个光模式传输，包括
Figure SMS_2
、/>
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、/>
Figure SMS_4
以及更高阶模式。此时，可视为光纤环圈内存在多个信道，利用基模实现角速度传感的同时，可利用高阶模式光实现光纤环圈参数的监测，如应力分布、长度变化等等。但是由于目前光学测量仪器的光信号多为单模光纤输出的基模光，因此本发明在现有光纤陀螺方案中添加模式转换及复用、解复用器件-光子灯笼，并将光学测量仪器的信号光转换后与光纤陀螺角速度传感用信号光共同耦合进光纤环圈。
本申请中的光子灯笼为全光纤型光子灯笼，其具有损耗低、串扰小、抗电磁干扰能力强等优点，成为实现模式转换及复用、解复用功能的理想器件。以三模光子灯笼为例，其在制作过程中，在光子灯笼输入端可以把三根单模光纤束作为输入光纤，插入折射率比输入光纤包层还低的玻璃套管内，然后进行绝热拉锥，在拉锥过程中，输入光纤的尺寸逐渐减小，慢慢的不足以束缚光场，光场将会泄漏到包层内传输。到光子灯笼输出端时，输入光纤的纤芯几乎消失，或只是成为一个可以忽略的微扰结构，失去对光场的束缚作用，原输入光纤的包层和低折射率的玻璃套管层，重新形成新的少模波导结构，称为光子灯笼的尾纤。在整个拉锥过程中，输入光纤中的基模也逐渐过渡为少模尾纤中的各阶模式。具体三模光子灯笼结构示意图如附图3所示，三模光子灯笼锥区模式转换过程如附图4所示。
光子灯笼应用时，其每一根输入光纤分别与一根单模光纤熔接，输出端的少模尾纤则与光纤环圈的少模光纤进行熔接，从而把每根单模光纤中传输的基模，转换为少模光纤中对应的各阶模式，实现模式的转换和复用。在传输系统输出端，将系统少模光纤与光子灯笼的单端熔接，即可将各高阶模式转换成单模输出到相应端口，实现相应的检测、监测功能。
本发明在实现光纤陀螺的光纤环圈应力在线检测时，包含角速度传感和光纤环圈应力在线监测两部分：
一、角速度传感部分：光源输出光经保偏耦合器、Y波导调制器后被分为两束，Y波导调制器双端尾纤分别与光子灯笼输入端尾纤相熔接，此时选用光子灯笼的基模转换端501，使Y波导调制器输出的基模光经光子灯笼后转换为少模光纤中的基模光。光子灯笼的少模输出端与少模光纤环圈相熔接，使转换后的信号光输入少模光纤环圈，信号光经少模光纤环圈后再次经过光子灯笼转化为单模光纤中的基模光，在Y波导调制器单端完成干涉，干涉光经保偏耦合器进入到光电探测器，将光信号转化为电信号，经数字信号处理器解调后完成角速度传感。
二、光纤环圈应力监测部分：本发明利用成熟的光时域反射仪实现光纤环圈应力的监测，将光时域反射仪的监测光输出端与光子灯笼的输入端尾纤相连，此时选用光子灯笼的高阶模转换端502或503，监测光经光子灯笼转换后变为高阶模
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或/>
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输入到光纤环圈中独立于光纤陀螺信号光传输，用于监测光纤环圈中的应力变化。
由于这两部分的光波独立传输，互不影响，可同时将角速度传感过程中获得的陀螺输出与光纤环圈应力监测过程中的应力分布情况传输给上位机，当上位机监测到陀螺输出信息超出预设范围时，将此刻的陀螺输出信息作为奇异点，并通过应力分布图查看此刻的应力变化，若此刻应力变化超出预设应力变化范围，则判断此奇异点为由于应力变化引起而将此奇异点剔除，若此刻应力变化在预设应力变化范围内，则判断此奇异点不是由于应力变化引起而予以保留，这样在长航时导航应用中，可以根据实时检测的少模光纤环圈中应力变化，有效剔除光纤陀螺输出中因少模光纤环圈应力变化导致的奇异点，从而保证光纤陀螺惯导系统的导航定位精度，既可以防止把奇异点误判为角速率变化予以保留进行导航解算而影响导航的精度，也可以防止将由于角速度变化引起的奇异点认定是应力变化导致而将其误剔除，从而影响系统正确导航。
进一步，步骤S4中剔除奇异点时，上位机将前一时刻的陀螺输出作为此时的陀螺输出用于系统解算。
一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其用以执行上述任意一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，包括光源1、保偏耦合器2、Y波导调制器7、少模光纤环圈5、光电探测器8、数字信号处理器11、光时域反射仪3、第一光子灯笼4及第二光子灯笼6，光源的输出端与保偏耦合器的输入端耦合连接，保偏耦合器的输出端与Y波导调制器的输入端耦合连接，Y波导调制器的两个尾纤分别与第一光子灯笼及第二光子灯笼的基模输入端耦合连接，第一光子灯笼及第二光子灯笼的输出端分别与少模光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光时域反射仪的检测端与第一光子灯笼的高阶模输入端耦合连接，保偏耦合器的探测端与光电探测器的输入端耦合连接，光电探测器的输出端与模数转换器10的输入端连接，模数转换器的输出端与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的反馈端与数模转换器12的输入端连接，数模转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字信号处理器的输出端及光时域反射仪的输出端分别与上位机13连接。
优化的，光源为ASE宽带光源，其具有高输出功率、低噪声等优点，更加有利于系统检测效果。
优化的，第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼，既能满足本系统现有功能，还具有相应的升级及备用空间。
进一步，光电探测器的输出端与模数转化器的输入端之间连接有前置放大器9，步骤S1中干涉光进入光电探测器后，先经过前置放大器将信号放大后再进入模数转换器，这样更加有助于后期信号的传输与解算。
综上所述，本发明提出的基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法及系统，在长航时导航应用中，可以通过在线检测少模光纤环圈中应力的变化，有效剔除光纤陀螺输出中因少模光纤环圈应力变化导致的奇异点，从而保证光纤陀螺惯导系统的导航定位精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其特征在于：包括光源、保偏耦合器、Y波导调制器、少模光纤环圈、光电探测器、数字信号处理器、光时域反射仪、第一光子灯笼及第二光子灯笼，所述光源与保偏耦合器耦合连接，保偏耦合器与Y波导调制器耦合连接，Y波导调制器的两个尾纤分别与第一光子灯笼及第二光子灯笼的基模输入端耦合连接，第一光子灯笼及第二光子灯笼的输出端分别与少模光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光时域反射仪的检测端与第一光子灯笼的高阶模输入端耦合连接，保偏耦合器的探测端与光电探测器的输入端耦合连接，光电探测器与模数转换器连接，模数转换器与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的反馈端与数模转换器的输入端连接，数模转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字信号处理器的输出端及光时域反射仪的输出端分别与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其特征在于：所述光源为ASE宽带光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其特征在于：第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的系统，其特征在于：光电探测器与模数转化器之间连接有前置放大器。
5.一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：光源输出的光经保偏耦合器到达Y波导调制器后，分为两束基模光分别输出给第一光子灯笼基模输入端、第二光子灯笼基模输入端，两束基模光分别经第一光子灯笼、第二光子灯笼转化成少模光纤的基模光在少模光纤环圈内相向传输后，再次经过相应的光子灯笼转换成单模光纤的基模光，回到Y波导调制器形成干涉光，干涉光再经过保偏耦合器进入光电探测器，再经过AD转换器进行模式转换，到达数字信号处理器对信号进行采集解算获得Sagnac相移后，一方面将陀螺输出信息传输给上位机用于系统解算，同时将Sagnac相移交由第一DA模块进行模式转换后反馈给Y波导调制器；
S2：光时域反射仪的监测光传输给第一光子灯笼高阶模输入端，经第一光子灯笼转化成高阶模光后输出给少模光纤环圈，高阶模光经少模光纤环圈传输后到达第二光子灯笼，再经第二光子灯笼的悬空端反射回第二光子灯笼后，再通过少模光纤环圈及第一光子灯笼原路返回至光时域反射仪；
S3：上位机实时监测陀螺输出信息并绘制成陀螺输出曲线，光时域反射仪实时监测反射回来的光波，并绘制出应力分布图传输给上位机；
S4：当上位机监测到陀螺输出信息超出预设范围时，将此刻的陀螺输出信息作为奇异点，并通过应力分布图查看此刻的应力变化，若此刻应力变化超出预设应力变化范围，则判断此奇异点为由于应力变化引起而将此奇异点剔除，若此刻应力变化在预设应力变化范围内，则判断此奇异点不是由于应力变化引起而予以保留。
6.根据权利要求5所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其特征在于：步骤S4中剔除奇异点时，上位机将前一时刻的陀螺输出作为此时的陀螺输出用于系统解算。
7.根据权利要求5所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其特征在于：所述光源为宽带光源。
8.根据权利要求5所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其特征在于：所述第一光子灯笼及第二光子灯笼均为三模光子灯笼。
9.根据权利要求5所述的一种基于光子灯笼实现光纤陀螺在线检测的方法，其特征在于：步骤S1中干涉光进入光电探测器后，先经过前置放大器将信号放大后再进入模数转换器。
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