CN116878479B - 一种三自惯导用光纤陀螺仪 - Google Patents

一种三自惯导用光纤陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三自惯导用光纤陀螺仪，采用传感器、驱动检测分离模式，包括光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块两部分，光学角速度敏感单元包括光纤环、集成光学相位调制器。光电驱动检测模块包括掺铒光源、光纤耦合器、光电探测器、光源驱动电路、信号检测、控制电路与检测模块结构。本发明掺铒光源具有高功率和高波长稳定性特点，提高了系统信噪比和线性度，适用于敏感高分辨率的转速，同时光学角速度敏感单元和驱动检测模块的物理分离可以减小启动漂移。

Description

一种三自惯导用光纤陀螺仪
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种三自惯导用光纤陀螺仪。
背景技术
干涉式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的转动传感器，因具有小功耗、小体积、宽动态范围、快响应速度以及高固态可靠性等一系列优势而被广泛应用。经过多年的发展，我国光纤陀螺技术已日趋成熟。然而光纤陀螺性能受环境温度变化影响较大，其产生的寄生干涉与测量转速引起的干涉无法区分，导致陀螺的零位有缓慢飘移现象，影响对准误差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种三自惯导用光纤陀螺仪，采用传感器、驱动检测分离模式，包括光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块两部分，光学角速度敏感单元包括光纤环、集成光学相位调制器。光电驱动检测模块包括掺铒光源、光纤耦合器、光电探测器、光源驱动电路、信号检测、控制电路与检测模块结构。本发明掺铒光源具有高功率和高波长稳定性特点，提高了系统信噪比和线性度，适用于敏感高分辨率的转速，同时光学角速度敏感单元和驱动检测模块的物理分离可以减小启动漂移。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种三自惯导用光纤陀螺仪，包括光学角速度敏感单元、光电驱动检测模块、连接光纤21和连接导线20；
所述光学角速度敏感单元，包括光纤环17、集成光学相位调制器18、温度传感器19和波导盘22；所述光学角速度敏感单元用于获取由外界物理旋转而引起的顺逆时针传播光的光程差和光纤环的温度；
所述光电驱动检测模块包括掺铒光纤光源、1*2分束器7、光电探测器16、信号检测及处理电路14、接插件24与检测模块结构；
所述掺铒光纤光源包括980泵浦源2、驱动电路3、隔离器4、温控电路5、1*3耦合器6、掺铒光纤8、滤波器9、波分复用器10和反射镜11；所述掺铒光纤光源用于提供高稳定性和高功率的波长为1550nm的光基准信号；
所述检测模块结构包括安装腔体1、保护盖板15、盘纤面23、连接光纤接口13和连接导线接口12；所述安装腔体1和保护盖板15扣在一起形成封闭结构；所述连接光纤接口13和连接导线接口12设置在安装腔体1上，分别用于使连接光纤21和连接导线20穿过安装腔体1；
所述980泵浦源2、隔离器4、1*3耦合器6、滤波器9、波分复用器10和反射镜11尾纤相连盘绕在安装腔体1底部的凹槽内，并用硅橡胶固定在凹槽内；
所述掺铒光纤8盘绕在安装腔体1底部内壁上，并用紫外胶固化；所述驱动电路3及温控电路5分布在980泵浦源2两侧，980泵浦源2的电信号连接到驱动电路3及温控电路5相应焊盘上；
所述1*3耦合器6和3个1*2分束器7、连接光纤21、光电探测器16的尾纤相连并盘绕在盘纤面23上用紫外胶固定，其中3个1*2分束器7分别内嵌安装在盘纤面23的凹槽内并用硅橡胶固定，凹槽两侧设计有挡板，防止硅橡胶溢出；
所述光电探测器16焊接在信号检测及处理电路14背面，信号检测及处理电路板将光路和电路隔开，信号检测及处理电路板上连接有接插件24与外部载体相连输出角速度和温度数据；
所述1*3耦合器6用于波分复用；所述光电探测器16用于将误差光信号转换成电信号；所述信号检测及处理电路14用于采集、放大、降噪微小电信号，将光程差信号转化成的电压信号进行闭环反馈和控制，实现信号的调制解调，达到高精度角速度信号检测；
所述光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块通过连接光纤21连接形成光路系统；所述光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块通过连接导线20连接形成电路控制系统；
优选地，所述光纤环17被磁屏蔽封装，包括：长度为1400m的60/100μm的细径保偏光纤和材质为1J85的磁屏蔽结构；所述磁屏蔽是内径57mm、外径76mm的磁屏蔽材料。
优选地，所述集成光学相位调制器18是调制波长为1550nm的Y波导。
优选地，所述温度传感器19是微型数字温度传感器DS18B20。
优选地，所述连接导线20包括调制导线和温度传感器导线。
优选地，所述980泵浦源2、驱动电路3和温控电路5安装在安装腔体1的底部，驱动电路3和温控电路5的高度与980泵浦源2的管脚处于同一高度平面，并通过绕焊的方式连接980泵浦源2、驱动电路3和温控电路5。
优选地，所述1*3耦合器6的3根光源输出端尾纤分别和3个1*2分束器的1端连接，3个光电探测器16的3根输出尾纤分别和3个1*2分束器的2端连接，连接光纤21穿过连接光纤接口13顺时针方向和3个1*2分束器的3端连接，盘绕在盘纤面23上，并用紫外光固胶固定。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供了一种小尺寸的高精度光纤陀螺，光纤陀螺的光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块分离，可以有效的降低发热器件对于传感表头的热辐射干扰；磁屏蔽结构可以有效的降低磁场对传感表头的影响。光源采用宽带宽ASE光源可以有效的抑制瑞利散射所产生的寄生干涉，从而进一步提高光纤陀螺精度。
2.本发明提供的高精度光纤陀螺，传感光纤采用60μm/100μm的细径光纤，该光纤较目前广泛使用的80μm/135μm光纤，抗弯曲能力更强，相同体积所盘绕光纤长度更长，本发明陀螺的传感光纤长度达到1400m，陀螺的最终零偏精度（100S，1）可达到0.0035°/h，大幅度提高了相同尺寸、相同重量条件下陀螺的精度水平。
3.本发明光纤陀螺采用分体式结构，通过合理的光学器件和电子元器件紧凑合理布局，实现了高精度陀螺小型化，总重量600g。
附图说明
图1是本发明光纤陀螺仪外观组成示意图。
图2是本发明光纤陀螺仪结构爆炸组成示意图。
图中，安装腔体-1，980泵浦源-2、驱动电路-3、隔离器-4、温控电路-5、1*3耦合器-6、1*2分束器-7、掺铒光纤-8、滤波器-9、波分复用器-10、反射镜-11、连接导线接口-12、连接光纤接口-13、信号检测及处理电路-14、保护盖板-15、光电探测器-16、光纤环-17、集成光学相位调制器-18、温度传感器-19、连接导线-20、连接光纤-21、波导盘-22、盘纤面-23、接插件-24。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明要解决的技术问题是提供一种三自惯导用光纤陀螺仪，其光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块分离，使高精度的敏感环尽可能不受光纤陀螺发热器件的影响。
为解决上述问题，实现本发明的目的，提供以下技术方案：
一种三自惯导用光纤陀螺仪，主要由光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块组成。
光学角速度敏感单元主要包括磁屏蔽封装的光纤环、集成光学相位调制器、温度传感器、波导盘、连接光纤、连接导线。其中磁屏蔽外径76mm，光纤环为长度1400m的60/100μm的细径保偏光纤。
光电驱动检测模块包括掺铒光纤光源、1*2分束器、光电探测器，信号检测及处理电路、接插件与检测模块结构。其中掺铒光纤光源包括：980泵浦源、波分复用器、滤波器、隔离器、掺铒光纤、反射镜、驱动电路、温控电路。
980泵浦源、驱动电路和温控电路安装在检测模块结构的底部，并且调整驱动电路板和温控电路板的高度与980泵浦源的管脚处于同一高度平面，并通过绕焊的方式连接980泵浦源和驱动电路、温控电路，通过该焊接工艺可以使空间更紧凑、焊接强度增强。将隔离器放置在驱动电路板下方的安装槽内，并用704硅橡胶固定在底部，安装槽两侧设有高度1mm的挡板，防止硅橡胶外流。由于底部空间限制，滤波器、波分复用器、反射镜和1*3耦合器均放置在一个公共的安装槽内，且除1*3耦合器外，其他器件均平铺底部，1*3耦合器叠加在上述器件之上，用704硅橡胶涂抹均匀并固定且硅橡胶的高度不得高于盘纤面。安装槽两侧设有高度2mm的挡板，防止硅橡胶外流。
掺铒光纤由于长度较长约15米且为敏感光纤，所以选择盘纤半径尽可能大，盘绕在底侧内壁上。进一步，980泵浦源、波分复用器、隔离器、反射镜、滤波器、掺铒光纤和1*3耦合器的尾纤连接，并用紫外光固胶固定尾纤和掺铒光纤，上述器件共同组成了一个稳定的高功率、宽带宽、波长稳定性极高的一个3路输出的1550nm的ASE光源。
3根端光源输出光纤通过结构上的导纤槽平稳过度到盘纤面上，该盘纤面如附图中所示，3个1*2耦合器分别放置在盘纤面3侧的安装槽内，并且用704硅橡胶固定，安装槽两侧设有1mm的挡板，防止硅橡胶外流。
1*3耦合器的3根光源输出端尾纤分别和3个1*2分束器的1端连接，3个光电探测器的3根输出尾纤分别和3个1*2分束器的2端连接，光学角速度敏感单元的Y波导连接光纤穿过光纤连接接口顺时针方向和3个1*2分束器的3端连接。盘绕在盘纤面上，并用紫外光固胶固定。上述共同组成了该光纤陀螺的光路部分。
3个光电探测器分别背向焊接在信号检测及处理电路板上，将电路板安装在结构体上的，电路板将光电驱动检测模块分成两部分，电路板下方是光路部分，电路板上方是电器部分。光学角速度敏感单元上的连接导线穿过导线接口连接在电路板上，上述组成了光纤陀螺的电路控制部分。最后将保护盖安装在电路板上方，将光电驱动检测模块得以封装。导线接口和电路接口处都用704硅橡胶固化保护。
实施例：
所述三自惯导用光纤陀螺仪，如图1和和图2所示，包括光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块两部分。
光学角速度敏感单元，包括磁屏蔽封装的光纤环17、集成光学相位调制器18、温度传感器19、波导盘22、连接光纤21、连接导线20，用于获取由外界物理旋转而引起的顺逆时针传播光的光程差和光纤环的温度，其中连接导线包括调制导线和温度传感器导线。
光电驱动检测模块包括掺铒光纤光源、1*2分束器7、光电探测器16、信号检测及处理电路14、接插件24与检测模块结构。其中掺铒光纤光源包括：980泵浦源2、波分复用器10、滤波器9、隔离器4、掺铒光纤8、反射镜11、驱动电路3、温控电路5，用于提供高稳定性和高功率的波长为1550nm的光基准信号。耦合器用于波分复用；光电探测器用于将误差光信号转换成电信号；信号检测及处理电路用于采集、放大、降噪微小电信号；信号处理电路用于光程差信号转化成的电压信号进行闭环反馈和控制，实现信号的调制解调，达到高精度角速度信号检测。检测模块结构包括：安装腔体1、保护盖板15、盘纤面23、连接光纤接口13和连接导线接口12。
980泵浦源、驱动电路和温控电路安装在检测模块结构的底部，并且调整驱动电路板和温控电路板的高度与980泵浦源的管脚处于同一高度平面，并通过绕焊的方式连接泵浦源和驱动电路、温控电路，通过该焊接工艺可以使空间更紧凑、焊接强度增强。将隔离器放置在驱动电路板下方的安装槽内，并用704硅橡胶固定在底部，安装槽两侧设有高度1mm的挡板，防止硅橡胶外流。由于底部空间限制，滤波器、波分复用器、反射镜和1*3耦合器均放置在一个公共的安装槽内，且除1*3耦合器外，其他器件均平铺底部，1*3耦合器叠加在上述器件之上，用704硅橡胶涂抹均匀并固定且硅橡胶的高度不得高于盘纤面。安装槽两侧设有高度2mm的挡板，防止硅橡胶外流。
掺铒光纤由于长度较长约15米且为敏感光纤，所以选择盘纤半径尽可能大，盘绕在底侧内壁上。进一步，980泵浦源、波分复用器、隔离器、反射镜、滤波器、掺铒光纤和1*3耦合器的尾纤连接，并用紫外光固胶固定尾纤和掺铒光纤，上述器件共同组成了一个稳定的高功率、宽带宽、波长稳定性极高的一个3路输出的1550nm的ASE光源。
3根端光源输出光纤通过结构上的导纤槽平稳过度到盘纤面上，该盘纤面如图2所示，3个1*2耦合器分别放置在盘纤面3侧的安装槽内，并且用704硅橡胶固定，安装槽两侧设有1mm的挡板，防止硅橡胶外流。
1*3耦合器的3根光源输出端尾纤分别和3个1*2耦合器的1端连接，3个光电探测器的3根输出尾纤分别和3个1*2耦合器的2端连接，光学角速度敏感单元的Y波导连接光纤穿过光纤连接接口顺时针方向和3个1*2耦合器的3端连接。盘绕在盘纤面上，并用紫外光固胶固定。上述共同组成了该光纤陀螺的光路部分。
3个光电探测器分别背向焊接在信号检测及处理电路板上，将电路板安装在结构体上，电路板将光电驱动检测模块分成两部分，电路板下方是光路部分，电路板上方是电器部分。光学角速度敏感单元上的连接导线穿过导线接口连接在电路板上，上述组成了光纤陀螺的电路控制部分。最后将保护盖安装在电路板上方，将光电驱动检测模块封装。导线接口和电路接口处都用704硅橡胶固化保护。
高功率ASE光源输出光功率约15mw，带宽约11nm，1*3耦合器采用拉椎式1550nm单模光纤，1*2分束器采用膜片式1550nm单模光纤。光电探测器采用跨阻为20KΩ陶瓷封装。光纤敏感环磁屏蔽材料采用1J85铁镍合金，结构外径76mm，内径54mm，高度15mm。传感光纤采用细径60μm/100μm的保偏光纤，长度1400m。上述措施可获取高光路信噪比，最终可获得陀螺的最终零偏精度（100S，1）可达到0.0035°/h，整体重量约600g。

Claims (6)

1.一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，包括光学角速度敏感单元、光电驱动检测模块、连接光纤和连接导线；
所述光学角速度敏感单元，包括光纤环、集成光学相位调制器、温度传感器和波导盘；所述光学角速度敏感单元用于获取由外界物理旋转而引起的顺逆时针传播光的光程差和光纤环的温度；
所述光电驱动检测模块包括掺铒光纤光源、1*2分束器、光电探测器、信号检测及处理电路、接插件与检测模块结构；
所述掺铒光纤光源包括980泵浦源、驱动电路、隔离器、温控电路、1*3耦合器、掺铒光纤、滤波器、波分复用器和反射镜；所述掺铒光纤光源用于提供高稳定性和高功率的波长为1550nm的光基准信号；
所述检测模块结构包括安装腔体、保护盖板、盘纤面、连接光纤接口和连接导线接口；所述安装腔体和保护盖板扣在一起形成封闭结构；所述连接光纤接口和连接导线接口设置在安装腔体上，分别用于使连接光纤和连接导线穿过安装腔体；
所述980泵浦源、隔离器、1*3耦合器、滤波器、波分复用器和反射镜尾纤相连盘绕在安装腔体底部的凹槽内，并用硅橡胶固定在凹槽内；
所述掺铒光纤盘绕在安装腔体底部内壁上，并用紫外胶固化；所述驱动电路及温控电路分布在980泵浦源两侧，980泵浦源的电信号连接到驱动电路及温控电路相应焊盘上；
所述1*3耦合器和3个1*2分束器、连接光纤、光电探测器的尾纤相连并盘绕在盘纤面上用紫外胶固定，其中3个1*2分束器分别内嵌安装在盘纤面的凹槽内并用硅橡胶固定，凹槽两侧设计有挡板，防止硅橡胶溢出；
所述光电探测器焊接在信号检测及处理电路背面，信号检测及处理电路板将光路和电路隔开，信号检测及处理电路板上连接有接插件与外部载体相连输出角速度和温度数据；
所述1*3耦合器用于波分复用；所述光电探测器用于将误差光信号转换成电信号；所述信号检测及处理电路用于采集、放大、降噪微小电信号，将光程差信号转化成的电压信号进行闭环反馈和控制，实现信号的调制解调，达到高精度角速度信号检测；
所述光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块通过连接光纤连接形成光路系统；所述光学角速度敏感单元和光电驱动检测模块通过连接导线连接形成电路控制系统；
所述1*3耦合器的3根光源输出端尾纤分别和3个1*2分束器的1端连接，3个光电探测器的3根输出尾纤分别和3个1*2分束器的2端连接，连接光纤穿过连接光纤接口顺时针方向和3个1*2分束器的3端连接，盘绕在盘纤面上，并用紫外光固胶固定。
2.根据权利要求1所述的一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，所述光纤环被磁屏蔽封装，包括：长度为1400m的60/100μm的细径保偏光纤和材质为1J85的磁屏蔽结构；所述磁屏蔽是内径57mm、外径76mm的磁屏蔽材料。
3.根据权利要求1所述的一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，所述集成光学相位调制器是调制波长为1550nm的Y波导。
4.根据权利要求1所述的一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，所述温度传感器是微型数字温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，所述连接导线包括调制导线和温度传感器导线。
6.根据权利要求1所述的一种三自惯导用光纤陀螺仪，其特征在于，所述980泵浦源、驱动电路和温控电路安装在安装腔体的底部，驱动电路和温控电路的高度与980泵浦源的管脚处于同一高度平面，并通过绕焊的方式连接980泵浦源、驱动电路和温控电路。
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