CN116380034A - 一种互易结构3×3光纤陀螺及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书涉及光纤陀螺技术领域，公开了一种互易结构3×3光纤陀螺及其使用方法，用以解决典型的非互易结构3×3光纤陀螺存在抗干扰性差、解算复杂、且未考虑温度变化对测试结果带来的影响，环境适应性较差、实用性受限的问题；三个光电探测器、2×2耦合器、3×3耦合器、温度传感器和信号处理模块；所述2×2耦合器、3×3耦合器、第一光电探测器D1、第二光电探测器D2和第三光电探测器D3构成互易结构3×3光纤陀螺光路。本发明提出的互易结构3×3光纤陀螺提取互易端输出信号，利用其作为参考量进行差分解调，消除了光路损耗变化和光源波动对陀螺输出信号的影响，极大提升了陀螺系统的抗干扰性。
Description
技术领域
本文件光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种互易结构3×3光纤陀螺及其使用方法。
背景技术
3×3光纤陀螺在1980年被首次提出，该方案利用3×3耦合器自身的耦合相移引入相位偏置，可构成一种简单结构全光纤开环光纤陀螺，取消了典型结构中相位调制器件的使用，实现了陀螺成本的大幅降低，具有低成本、便于小型化等优势，是低成本光纤陀螺的主要发展方向之一，具有重要的实际应用价值。
目前已有的3×3光纤陀螺方案为非互易结构，利用3×3光纤陀螺中的后向非互易端输出信号以及前向参考端输出信号对角速度进行解调，由于参考端信号中不包含光纤环路损耗因子等非互易端信号中的共模干扰信息，因此无法通过差分运算完全消除共模干扰的影响，抗干扰性较差。典型方案通过三角函数运算实现角速度的解调，在标定和解算过程中涉及计算量较大且不适用于数字信号处理。因此典型的非互易结构3×3光纤陀螺存在抗干扰性差、解算复杂的问题，且未考虑温度变化对测试结果带来的影响，环境适应性较差，是影响3×3光纤陀螺实用化的主要原因之一。
针对上述问题，本发明提出了一种互易结构的3×3光纤陀螺，基于互易端和非互易端输出信号，引入温度变量，建立了全温范围内的多项式解调模型，该模型符合数字信号处理的要求，能很好抑制光纤环路共模干扰以及温度变化的影响，提高了陀螺的环境适应性，构成一种低成本高性能的新型光纤陀螺。
发明内容
本说明书提供了一种互易结构3×3光纤陀螺，用以解决典型的非互易结构3×3光纤陀螺存在抗干扰性差、解算复杂、且未考虑温度变化对测试结果带来的影响，环境适应性较差、实用性受限的问题。所述互易结构3×3光纤陀螺包括：
宽谱光源1、第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9、第三光电探测器D3 8、2×2耦合器3、3×3耦合器4、消偏器5、单模光纤环6、温度传感器7和信号处理模块10；
所述宽谱光源1与2×2耦合器3的端口d连接；
2×2耦合器3的端口e连接3×3耦合器4的端口a1，2×2耦合器3的端口f连接第三光电探测器D3 8，2×2耦合器3的端口g空置；
3×3耦合器4的端口b1和端口c1分别与第一光电探测器D1 2和第二光电探测器D29连接，3×3耦合器4的端口b2通过所述消偏器5连接至单模光纤环6的第一端，3×3耦合器4的端口c2连接至单模光纤环6的第二端，3×3耦合器4的端口a2空置；
温度传感器7，设置于3×3耦合器4和单模光纤环6的同一温度场内；
所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9、第三光电探测器D3 8和温度传感器7分别连接信号处理模块10的不同输入端口；信号处理模块10的输出端口与宽谱光源1连接。
在一些优选的实施方式中，所述2×2耦合器3、3×3耦合器4、第一光电探测器D12、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8构成互易结构3×3光纤陀螺光路。
本发明的第二方面，提出一种互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，基于上述的互易结构3×3光纤陀螺实施，所述使用方法包括：
步骤S100，获取互易结构3×3光纤陀螺中的第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值；
步骤S200，基于所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值，输入多项式信号解算模型，计算角速度；
所述多项式信号解算模型，为通过多次测量不同温度在预设角速度下所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值，并拟合获得的计算模型。
在一些优选的实施方式中，所述方法具体为：
控制宽谱光源1输出第一光源信号；
第一光源信号经由所述2×2耦合器3、3×3耦合器4分解为第一光束和第二光束；
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环6的第一端/单模光纤环6的第二端，绕行一周后分别从单模光纤环的第二端/单模光纤环的第一端获得第三光束和第四光束；
所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器4并发生干涉，在3×3耦合器4的端口b1和端口c1分别输出第一干涉光P1和第二干涉光P2，在3×3耦合器4的第一端口a1输出干涉信号经过2×2耦合器3的端口e输出第三干涉光P3；
第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3分别经由第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8传输至信号处理模块10；
温度传感器7实时采集3×3耦合器4和单模光纤环6的温度T并传输至信号处理模块10；
信号处理模块10基于第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3和温度T建立多项式信号解算模型计算角速度。
在一些优选的实施方式中，所述多项式信号解算模型，具体为：
其中，Ω′表示陀螺所敏感角速度的解算值，c1、c2、c3、c4、c5和c6为通过标定统计获得的系数，其中，c2、c4和c6为温度无关项系数，c1、c3和c5为温度相关项补偿系数，T0表示第一基准温度值，T表示温度测量值。
在一些优选的实施方式中，所述方法还包括多项式信号解算模型标定的步骤，具体为：
在设定的第一基准温度T0下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3；
设定T＝T0，向所述多项式信号解算模型输入第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度无关项系数c2、c4和c6的标定值；
在设定的第二基准温度T1下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’；
设定T＝T1，向所述多项式信号解算模型输入T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度相关项补偿系数c1、c3和c5的标定值；
将测得的温度无关项系数、温度相关项补偿系数和第一基准温度T0代入所述多项式信号解算模型，完成模型标定。
在一些优选的实施方式中，所述第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3，其理论输出值为：
P3＝[a3+b3cos(KΩ)]·ds·I0
其中，a1、a2和a3分别表示第一干涉光的直流幅值、第二干涉光的直流幅值和第三干涉光的直流幅值，b1、b2和b3分别表示第一干涉光的交流幅值、第二干涉光的交流幅值和第三干涉光的交流幅值，
和/>
表示由3×3耦合器4引入的附加的耦合相移，K表示陀螺灵敏度，Ω表示表示输入陀螺的已知角速度，ds表示光纤环路的衰减系数，I0表示光源输入功率。
在一些优选的实施方式中，所述绕行一周后分别从单模光纤环6的第二端/单模光纤环6的第一端获得第三光束和第四光束，具体为：
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环6的第一端/单模光纤环6的第二端；
由于光纤环平面旋转引起两光束之间的Sagnac相移
得到第三光束和第四光束。
在一些优选的实施方式中，所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器4并发生干涉，具体包括：
第三光束和第四光束在3×3耦合器4中发生干涉，同时受到固有相移的影响，端口b1和端口c1分别输出与端口a1的输出相位差为
和/>
的干涉光；
三路干涉光信号中包含相同的共模干扰因子，由于第三干涉光P3由端口a1即互易端输出在零位处灵敏度最低，且不受耦合相移干扰，将第三干涉光P3作为基准，通过差分运算来消除共模因子的影响，获得过度项为：
差分运算后，过度项与光源输入功率I0和光纤环路的衰减系数ds无关，通过所述过度项完成多项式信号模型的解算。
在一些优选的实施方式中，所述
和/>
受到耦合相移-温度模型的控制，所述耦合相移-温度模型为：
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
(1)本发明提出的互易结构3×3光纤陀螺提取互易端输出信号，利用其作为参考量进行差分解调，消除了光路损耗变化和光源波动对陀螺输出信号的影响，极大提升了陀螺系统的抗干扰性；
(2)本发明提出的互易结构3×3光纤陀螺计算过程仅涉及四则运算，运算复杂度低、计算速度快，提高了解调效率，降低了软硬件成本；
(3)本发明提出的互易结构3×3光纤陀螺根据耦合相移随温度变化规律，建立了多项式信号解算模型，实现了全温范围内陀螺的准确解调，且运算复杂度小，速度快，适应于数字信号处理，进一步降低了陀螺成本，构成了一种低成本高性能的新型光纤陀螺，提高了3×3光纤陀螺方案的实用性；
(4)本发明提出的互易结构3×3光纤陀螺，仅需要在两个温度下进行两组计算，即可完成全温度范围内解调公式的标定，提高了制备效率和扩宽了运用场景范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书一实施例提供的互易结构3×3光纤陀螺的结构原理示意图；
图2为本说明书二实施例提供的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法的流程示意图；
图3为现有技术的光纤陀螺的原理示意图；
图4为本说明书二实施例的耦合相移-温度变化规律曲线图；
图5为本说明书二实施例的多项式信号解算模型的借条理论误差曲线图；
图6为本说明书二实施例的多项式信号解算模型标定的流程示意图；
图7为本说明书二实施例中互易结构3×3光纤陀螺实际输出信号曲线图；
图8为本说明书二实施例中互易结构3×3光纤陀螺多项式解调模型测试流程图；
图9为本说明书二实施例中互易结构3×3光纤陀螺多项式解调模型的测试结果图；
图10为本说明书二实施例中互易结构3×3光纤陀螺多项式解调模型解调实际误差曲线图。
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，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书一实施例提供的一种互易结构3×3光纤陀螺的结构原理示意图，参见图1，所述陀螺具体可以包括如下结构：
宽谱光源1、第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9、第三光电探测器D3 8、2×2耦合器3、3×3耦合器4、消偏器5、单模光纤环6、温度传感器7和信号处理模块10。
所述宽谱光源1与2×2耦合器3的端口d连接。宽谱光源可采用任一波长的SLD光源、ASE光源或其它宽谱光源，用于输出宽谱光至消偏单模光纤环；
2×2耦合器3的端口e连接3×3耦合器4的端口a1，2×2耦合器3的端口f连接第三光电探测器D3 8，2×2耦合器3的端口g空置。
3×3耦合器4的端口b1和端口c1分别与第一光电探测器D1 2和第二光电探测器D29连接，3×3耦合器4的端口b2通过所述消偏器5连接至单模光纤环6的第一端，3×3耦合器4的端口c2连接至单模光纤环6的第二端，3×3耦合器4的端口a2空置。所述消偏器5可根据需要连接在单模光纤环6的第一端或第二端中的任一处。
3x3耦合器由3根光纤耦合而成，其输入输出端口之间存在对应关系，一般情况下，使用如附图1中除光源输入端口a1(陀螺中称为互易端口)以外的两个非互易(b1、c1)端口所对应的输出端口(b2、c2)来连接光纤环。
在本实施例中，所述2×2耦合器3、3×3耦合器4、第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8构成互易结构3×3光纤陀螺光路。3×3耦合器4与2×2耦合器3相互连接的端口a1为光源输入和信号输出的共同端口，从该端口输出的顺逆时针光束传输路径完全一致，具有互易性，输出的干涉信号P3不受耦合器附加相移的干扰，称为互易端口，相应的，3×3耦合器4的端口b1和端口c1称为非互易端口，综合三个端口的输出信号对陀螺转速进行解调，构成互易结构的3×3光纤陀螺光路。
温度传感器7，设置于3×3耦合器4和单模光纤环6的同一温度场内。温度传感器选用标准铂电阻、温度计等检测仪器，用于测量3×3耦合器4和单模光纤环6的温度。
所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9、第三光电探测器D3 8和温度传感器7分别连接信号处理模块10的不同输入端口；信号处理模块10的输出端口与宽谱光源1连接。信号处理模块10用于驱动和控制宽谱光源1，收集光电探测器接收的干涉光和温度传感器回传的温度，并计算角速度。信号处理模块可以是计算机、单片机、或其它微处理模块。
本实施例提出的互易结构光纤陀螺相较于如图3所示的现有技术的非互易结构3×3光纤陀螺，增加了一个2×2耦合器用于提取互易端输出信号，并添加了温度传感器来对温度变化进行检测和补偿，在保证低成本优势的前提下实现高适应性、高性能的角速度检测。
本发明的第二实施例，提供一种互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，所述方法基于上述的互易结构3×3光纤陀螺实施，所述方法包括：
步骤S100，获取互易结构3×3光纤陀螺中的第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值；具体为：
控制宽谱光源1输出第一光源信号；本实施例中，选用1310nm的SLD光源；
第一光源信号经由所述2×2耦合器3、3×3耦合器4分解为第一光束和第二光束；
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环6的第一端/单模光纤环6的第二端，绕行一周后分别从单模光纤环6的第二端/单模光纤环6的第一端获得第三光束和第四光束；
在本实施例中，所述绕行一周后分别从单模光纤环6的第二端/单模光纤环6的第一端获得第三光束和第四光束，具体为：
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环6的第一端/单模光纤环6的第二端；
由于光纤环平面旋转引起两光束之间的Sagnac相移
得到第三光束和第四光束。
所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器4并发生干涉，在3×3耦合器4的端口b1和端口c1分别输出第一干涉光P1和第二干涉光P2，在3×3耦合器4的端口a1输出干涉信号经过2×2耦合器3的端口e输出第三干涉光P3；
第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3分别经由第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8传输至信号处理模块10；本实施例采用的光电探测器均为PIN-FET光电探测器进行光电转换。
温度传感器7实时采集3×3耦合器4和单模光纤环6的温度T并传输至信号处理模块10。
步骤S200，基于所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值，输入多项式信号解算模型，计算角速度；
所述多项式信号解算模型，为通过多次测量不同温度在预设角速度下所述第一光电探测器D1 2、第二光电探测器D2 9和第三光电探测器D3 8的测量值，并拟合获得的计算模型。
具体为：
信号处理模块10基于第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3和温度T建立多项式信号解算模型计算角速度。
在本实施例中，所述多项式信号解算模型，具体为：
其中，Ω′表示陀螺所敏感角速度的解算值，c1、c2、c3、c4、c5和c6为通过标定统计获得的系数，其中，c2、c4和c6为温度无关项系数，c1、c3和c5为温度相关项补偿系数，T0表示第一基准温度，T表示温度测量值。
在本实施例中，所述方法还包括多项式信号解算模型标定的步骤，如图6所示，具体为：
在设定的第一基准温度T0下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3；本实施例采用标准铂电阻检测光纤陀螺结构所处环境的温度值，利用温箱和铂电阻温度传感器将整个互易结构3×3光纤陀螺环境温度控制在T0＝25℃，记录±100°/s测量范围内多个已知角速度，对应的各干涉光的输出如图7所示；
在本实施例中，所述第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3，其理论输出值为：
P3＝[a3+b3cos(KΩ)]·ds·I0
其中，a1、a2和a3分别表示第一干涉光的直流幅值、第二干涉光的直流幅值和第三干涉光的直流幅值，b1、b2和b3分别表示第一干涉光的交流幅值、第二干涉光的交流幅值和第三干涉光的交流幅值，
和/>
表示由3×3耦合器4引入的附加的耦合相移，K表示陀螺灵敏度，Ω表示输入陀螺的已知角速度，ds表示光纤环路的衰减系数，I0表示光源输入功率。
在本实施例中，所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器4并发生干涉，具体包括：
第三光束和第四光束在3×3耦合器4中发生干涉，同时受到固有相移的影响，端口b1和端口c1分别输出与端口a1的输出相位差为
和/>
的的干涉光；
三路干涉光信号中包含相同的共模干扰因子，由于第三干涉光P3由端口a1即互易端输出在零位处灵敏度最低，且不受耦合相移干扰，将第三干涉光P3作为基准，通过差分运算来消除共模因子的影响，获得过度项为：
差分运算后，过度项与光源输入功率I0和光纤环路的衰减系数ds无关，通过所述过度项完成多项式信号模型的解算。利用上述两变量对角速度进行解调，可以避免陀螺系统中光源波动和光路损耗波动对陀螺输出信号的影响，达到提升陀螺系统抗干扰性的目的。
设定T＝T0，向所述多项式信号解算模型输入第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度无关项系数c2、c4和c6的标定值；
在本实施例中，所述
和/>
受到耦合相移-温度模型的控制，所述耦合相移-温度模型为：
在小信号范围内
进行化简和计算，得到输入角速度Ω关于第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3和T的多项式信号解算模型，得到：
可见当耦合器在常温下的参数以及耦合相移的温度变化因子kT确定后，公式(6)中的各项系数c1～c6均为常数，因此可通过标定确定多项式模型中各项系数的值，得到角速度解调公式，对任意温度下陀螺的输出信号进行解调，完成角速度的测试。
在设定的第二基准温度T1下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’；改变温度如将互易结构3×3光纤陀螺的温度控制在30℃，重复测量，将采集到的多组干涉光输入信号处理器8进行标定。
设定T＝T1，向所述多项式信号解算模型输入T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度相关项补偿系数c1、c3和c5的标定值；本实施例测得的温度无关项系数c2＝1.73、c4＝-334.06、c6＝362.23，温度相关项系数c1＝0.73、c3＝-0.31、c5＝-0.38，得到标定后的解调公式为：
不同温度下所述解调模型的理论误差曲线如附图5所示，在φS∈(-0.5，0.5)rad范围内，最大理论误差为171ppm，相较于3×3光纤陀螺实际应用中要求的2000ppm非线性误差，可忽略不计，因此所提出的多项式解调方案可以在保证精度的前提下极大地简化计算，实现全温范围内的低成本高性能角速度检测。
利用标定后的解调公式，对随机温度下的互易结构3×3光纤陀螺的解调结果进行检验，如图8所示，得到各转速下的解调结果如图9所示，实际的解调误差曲线如图10所示，实验中的最大解调误差为1206ppm，符合非线性误差小于2000ppm的指标要求，验证了互易型3×3光纤陀螺结构及其温度补偿多项式解调方案的有效性。
将测得的温度无关项系数、温度相关项补偿系数和第一基准温度T0代入所述多项式信号解算模型，完成模型标定。
相较于传统光纤陀螺采用的2×2的互易结构，本实施例不需要采用光电调制器即可完成最终转速信号的解调，降低了制作成本，同时省去了光电调制器精度的门槛。
现有的3×3光纤陀螺均采用“非互易结构”对互易端信号关注较少，本实施例特有的将3×3光纤陀螺运用互易结构，利用互易端信号，提高了3×3陀螺系统的抗干扰性，并通过多项式信号解算模型实现了全温范围内的解算，降低了计算复杂度，降低了陀螺成本并提高了温度环境适应性。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种互易结构3×3光纤陀螺，其特征在于，所述陀螺包括：
宽谱光源(1)、第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)、第三光电探测器D3(8)、2×2耦合器(3)、3×3耦合器(4)、消偏器(5)、单模光纤环(6)、温度传感器(7)和信号处理模块(10)；
所述宽谱光源(1)与2×2耦合器(3)的端口d连接；
2×2耦合器(3)的端口e连接3×3耦合器(4)的端口a1，2×2耦合器(3)的端口f连接第三光电探测器D3(8)，2×2耦合器(3)的端口g空置；
3×3耦合器(4)的端口b1和端口c1分别与第一光电探测器D1(2)和第二光电探测器D2(9)连接，3×3耦合器(4)的端口b2通过所述消偏器(5)连接至单模光纤环(6)的第一端，3×3耦合器(4)的端口c2连接至单模光纤环(6)的第二端，3×3耦合器(4)的端口a2空置；
温度传感器(7)，设置于3×3耦合器(4)和单模光纤环(6)的同一温度场内；
所述第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)、第三光电探测器D3(8)和温度传感器(7)分别连接信号处理模块(10)的不同输入端口；信号处理模块(10)的输出端口与宽谱光源(1)连接。
2.根据权利要求1所述的互易结构3×3光纤陀螺，其特征在于，所述2×2耦合器(3)、3×3耦合器(4)、第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)和第三光电探测器D3(8)构成互易结构3×3光纤陀螺光路。
3.一种互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求1或2任一项的互易结构3×3光纤陀螺实施，所述方法包括：
步骤S100，获取互易结构3×3光纤陀螺中的第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)和第三光电探测器D3(8)的测量值；
步骤S200，基于所述第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)和第三光电探测器D3(8)的测量值，输入多项式信号解算模型，计算角速度；
所述多项式信号解算模型，为通过多次测量不同温度在预设角速度下所述第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)和第三光电探测器D3(8)的测量值，并拟合获得的计算模型。
4.根据权利要求3所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述方法具体为：
控制宽谱光源(1)输出第一光源信号；
第一光源信号经由所述2×2耦合器(3)、3×3耦合器(4)分解为第一光束和第二光束；
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环(6)的第一端/单模光纤环(6)的第二端，绕行一周后分别从单模光纤环(6)的第二端/单模光纤环(6)的第一端获得第三光束和第四光束；
所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器(4)并发生干涉，在3×3耦合器(4)的端口b1和端口c1分别输出第一干涉光P1和第二干涉光P2，在3×3耦合器(4)的端口a1输出干涉信号经过2×2耦合器(3)的端口e输出第三干涉光P3；
第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3分别经由第一光电探测器D1(2)、第二光电探测器D2(9)和第三光电探测器D3(8)传输至信号处理模块(10)；
温度传感器(7)实时采集3×3耦合器(4)和单模光纤环(6)的温度T并传输至信号处理模块(10)；
信号处理模块(10)基于第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3和温度T建立多项式信号解算模型计算角速度。
5.根据权利要求3所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述多项式信号解算模型，具体为：
其中，Ω′表示陀螺所敏感角速度的解算值，c1、c2、c3、c4、c5和c6为通过标定统计获得的系数，其中，c2、c4和c6为温度无关项系数，c1、c3和c5为温度相关项补偿系数，T0表示第一基准温度值，T表示温度测量值。
6.根据权利要求5所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述方法还包括多项式信号解算模型标定的步骤，具体为：
在设定的第一基准温度值T0下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3；
设定T＝T0，向所述多项式信号解算模型输入第一干涉光P1、第二干涉光P2、第三干涉光P3，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度无关项系数c2、c4和c6的标定值；
在设定的第二基准温度T1下，通过所述互易结构3×3光纤陀螺记录测量范围内多个已知角速度输入时测得的T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’；
设定T＝T1，向所述多项式信号解算模型输入T1下的第一干涉光P1’、T1下的第二干涉光P2’、T1下的第三干涉光P3’，将已知角速度作为Ω，通过最小二乘法拟合获得温度相关项补偿系数c1、c3和c5的标定值；
将测得的温度无关项系数、温度相关项补偿系数和第一基准温度T0代入所述多项式信号解算模型，完成模型标定。
7.根据权利要求6所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述第一干涉光P1、第二干涉光P2和第三干涉光P3，其理论输出值为：
P3＝[a3+b3cos(KΩ)]·ds·I0
其中，a1、a2和a3分别表示第一干涉光的直流幅值、第二干涉光的直流幅值和第三干涉光的直流幅值，b1、b2和b3分别表示第一干涉光的交流幅值、第二干涉光的交流幅值和第三干涉光的交流幅值，
和/>
表示由3×3耦合器(4)引入的附加的耦合相移，K表示陀螺灵敏度，Ω表示输入陀螺的已知角速度，ds表示光纤环路的衰减系数，I0表示光源输入功率。
8.根据权利要求7所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述绕行一周后分别从单模光纤环(6)的第二端/单模光纤环(6)的第一端获得第三光束和第四光束，具体为：
第一光束和第二光束分别沿顺/逆时针方向同时输入单模光纤环(6)的第一端/单模光纤环(6)的第二端；
由于光纤环平面旋转引起两光束之间的Sagnac相移
得到第三光束和第四光束。
9.根据权利要求8所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述第三光束和第四光束回到所述3×3耦合器(4)并发生干涉，具体包括：
第三光束和第四光束在3×3耦合器(4)中发生干涉，同时受到固有相移的影响，端口b1和端口c1分别输出与端口a1的输出相位差为
和/>
的干涉光；
三路干涉光信号中包含相同的共模干扰因子，由于第三干涉光P3由端口a1即互易端输出在零位处灵敏度最低，且不受耦合相移干扰，将第三干涉光P3作为基准，通过差分运算来消除共模因子的影响，获得过度项为：
差分运算后，过度项与光源输入功率I0和光纤环路的衰减系数ds无关，通过所述过度项完成多项式信号模型的解算。
10.根据权利要求9所述的互易结构3×3光纤陀螺的使用方法，其特征在于，所述
和
受到耦合相移-温度模型的控制，所述耦合相移-温度模型为：
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|---|---|---|---|
| CN202310140363.4A CN116380034A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种互易结构3×3光纤陀螺及其使用方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116625349A (zh) * | 2023-07-26 | 2023-08-22 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种提升光纤罗经振动性能的方法 |
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2023
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