CN101408426A - 一种增大光纤陀螺量程的方法 - Google Patents

Abstract

一种增大光纤陀螺量程的方法，包括：双敏感环光路的设计、双敏感环的双解调、跨条纹增大量程和条纹识别及速率修正。在跨条纹处理的基础上，利用量程大的Sagnac从敏感环的输出角速率判断Sagnac主敏感环构成的光纤陀螺工作所处的干涉条纹级别，并对Sagnac主敏感环的输出角速率进行修正，增大了光纤陀螺的量程，解决了光纤陀螺不能在快速旋转情况下通电启动的问题，拓展了光纤陀螺的应用领域，尤其对高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。

Description

一种增大光纤陀螺量程的方法

技术领域

本发明涉及一种增大光纤陀螺量程的方法，特别适用于高速旋转情况下上电启动的光纤陀螺。

背景技术

随着光纤陀螺应用的不断深入和拓展，一些领域对高精度、大量程光纤陀螺的需求日益迫切，而光纤陀螺的量程指标和精度指标之间存在相互制约关系，这导致光纤陀螺在高精度、大量程方面的应用受到了阻碍。

为了不牺牲光纤陀螺的精度性能，而又能提高其量程，可采用跨条纹的方法来增大光纤陀螺的量程。跨条纹方法虽然能够增大光纤陀螺的量程，但不能解决光纤陀螺在快速旋转情况下上电启动的问题应用。因为在这种情况下，光纤陀螺无法分辩自己工作在哪一级条纹上，从而可能输出错误的角速率信号。所以，必须使光纤陀螺在快速旋转情况下上电启动时，能够分辨出所处的条纹级别。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够使光纤陀螺在快速旋转情况下上电启动时正常工作的增大光纤陀螺量程的方法。

本发明的技术解决方案是：增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)光纤陀螺双敏感环光路的设计

光纤陀螺双敏感环光路包括光源、探测器、单模光纤耦合器、集成光学调制器、保偏光纤耦合器和光纤环，保偏光纤耦合器位于集成光学调制器和光纤环之间，保偏光纤耦合器的C1、C3端尾纤分别和集成光学调制器的Y2、Y3端尾纤相连接，保偏光纤耦合器的C2、C4端尾纤分别和光纤环的两尾纤相连接，Y2、C1、C4、光纤环、C2、C3和Y3构成Sagnac主敏感环，Y2、C1、C3和Y3构成Sagnac从敏感环；

(2)采用数字斜波闭环方法对Sagnac主敏感环的信号进行解调得到角速率Ω_M；

(3)采用数字开环方法对Sagnac从敏感环的信号进行解调得到角速率Ω_S；

(4)采用跨条纹方法增大Sagnac主敏感环的量程；

(5)利用Sagnac从敏感环解调得到的角速率Ω_S对Sagnac主敏感环解调得到的角速率Ω_M进行条纹级别判断和速率修正。

所述步骤(5)的条纹级别判断和速率修正的步骤：

(1)标定光纤陀螺，得到Sagnac主敏感环各级条纹对应的最大角速率±Ω_π、±Ω_2π、±Ω_3π和±Ω_4π；

(2)当光纤陀螺通电启动时，Sagnac主敏感环解调得到角速率Ω_M，Sagnac从敏感环解调得到角速率Ω_S；

(3)比较Sagnac从敏感环解调得到角速率Ω_S和各级条纹对应的最大角速率，判断Sagnac主敏感环处于的条纹级别；

(4)利用所在条纹对应的最大角速率对Sagnac主敏感环的角速率Ω_M进行修正，即获得光纤陀螺最终输出的角速率Ω_O。

所述的条纹级别判断和速率修正的标准为：

当|Ω_S|≤Ω_π时，Ω_O＝Ω_M；

当Ω_π≤Ω_S≤Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_2π；

当-Ω_2π≤Ω_S≤-Ω_π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_2π。

当Ω_2π≤Ω_S≤Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_3π；

当-Ω_3π≤Ω_S≤-Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_3π。

当Ω_3π≤Ω_S≤Ω_4π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_4π；

当-Ω_4π≤Ω_S≤-Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_4π。

所述的保偏耦合器尾纤与集成光学调制器尾纤和光纤环尾纤的各熔接点的损耗小于0.1dB，串音小于-30dB。

所述的Sagnac主敏感环的长度为300～3000m。

所述的Sagnac从敏感环的长度为20～30m，可敏感1～2000°/s的角速率。

所述的Sagnac主敏感环和Sagnac从敏感环采用两路A/D转换采集响应的信号，Sagnac从敏感环的信号不滤波，直接进行A/D转换，Sagnac主敏感环的信号进行带通滤波后进行A/D转换。

所述的采用数字斜波闭环方法的Sagnac主敏感环、采用数字开环方法的Sagnac从敏感环的两路信号的调制解调以及角速率修正等信号处理可由一套信号处理电路完成。

所述的信号处理电路包括带通滤波器、A/D、D/A、信号放大器和FPGA。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用双敏感环设计，利用量程大的Sagnac从敏感环的输出角速率判断Sagnac主敏感环构成的光纤陀螺工作所处的干涉条纹级别，并对Sagnac主敏感环的输出角速率进行修正，解决了光纤陀螺不能在快速旋转情况下通电启动的问题。

(2)本发明增大了光纤陀螺的量程，拓展了光纤陀螺的应用领域，尤其对高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。

(3)本发明提高光纤陀螺的动态特性，提高了惯性导航***的性能。

(4)本发明不会影响光纤陀螺的环境适应性和体积，仅会使光纤陀螺的重量和成本轻微升高。

附图说明

图1为本发明双敏感环的光纤陀螺光路结构示意图；

图2为本发明信号处理电路结构示意图。

具体实施方式

1、制作光纤陀螺双敏感环光路

如图1所示，光纤陀螺双敏感环光路包括光源11、探测器12、单模光纤耦合器13、集成光学调制器14、保偏光纤耦合器15和光纤环16，保偏光纤耦合器15位于集成光学调制器14和光纤环16之间，保偏光纤耦合器15的C1、C3端尾纤分别和集成光学调制器14的Y2、Y3端尾纤相连接，保偏光纤耦合器15的C2、C4端尾纤分别和光纤环16的两尾纤相连接，Y2、C1、C4、光纤环、C2、C3和Y3构成Sagnac主敏感环，Y2、C1、C3和Y3尾纤构成Sagnac从敏感环。

保偏耦合器15尾纤与集成光学调制器14尾纤、光纤环16尾纤的各熔接点的损耗应小于0.1dB，串音应小于-30dB。

光纤陀螺输出角速率与输入角速率引起的Sagnac相位差的关系可以表示为：

其中，Ω为输出角速率、λ为光信号波长、c为光速、L为光纤线圈长度、D为光纤线圈有效直径，

为输入角速率引起的相位差。光纤陀螺存在一个以零为中心的±πrad的单调相位测量范围，对应的角速率也有一个的±Ω_π单值测量范围，即量程：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λc}}{2\mathrm{LD}}---\left(2\right)$

上式说明，光纤陀螺的量程取决于光纤线圈的长度、有效直径以及光信号的波长。

由图1可知，Sagnac主敏感环的长度远大于Sagnac从敏感环的长度，但二者的有效直径基本相等。由公式(2)可知，前者的量程远远小于后者的量程。

Sagnac主敏感环的长度通常为300～3000m，其功能和普通光纤陀螺的Sagnac敏感环相同，是光纤陀螺测量角速率的敏感部件，对光纤陀螺的精度起决定作用。Sagnac从敏感环的长度通常为20～30m，可敏感1～2000°/s的角速率，在较大的角速率输入下起作用，对光纤陀螺所处的工作条纹和进行判断。

2、对Sagnac主敏感环和Sagnac从敏感环分别进行闭环和开环双解调

Sagnac主敏感环的信号解调采用数字斜波闭环方式，解调得到角速率Ω_M，和普通闭环光纤陀螺的解调方式相同，Sagnac从敏感环的信号解调采用数字开环方式，解调得到角速率Ω_S，两路信号的调制解调可由一套信号处理电路完成。

如图2所示，信号处理电路包括带通滤波器21、第一A/D23、第二A/D22、D/A25、信号放大器26和FPGA24。由于Sagnac主敏感环的信号是光纤陀螺的输出信号的依据，所以需要采用数字斜波闭环解调方案，以实现较高的精度，该闭环解调方案和普通闭环光纤陀螺的解调方式相同。为了增大光纤陀螺的量程，Sagnac主敏感环的信号还要采用跨条纹处理。Sagnac从敏感环的信号用于判断主信号的工作条纹级别，只是用来检测较大的角速率，所需精度很低，所以采用数字开环解调方案。

信号处理设计需要考虑消除或抑制开环、闭环两路解调信号之间的串扰。考虑到Sagnac从敏感环的本征频率比Sagnac主敏感环的高一个数量级，所以采用两路A/D转换分别采集两个Sagnac敏感环响应的信号，对Sagnac从敏感环的信号不滤波，直接进行A/D转换，对Sagnac主敏感环的信号进行带通滤波后进行A/D转换，以削弱Sagnac从敏感环的高频信号对其产生的干扰。

3、跨条纹方法增大Sagnac主敏感环的量程

Sagnac主敏感环信号解调在数字斜波闭环方案的基础上采用跨条纹方法增大量程。对存储在数字斜波闭环解调的相位寄存器中相位台阶幅值进行调整，使其大于±π的相位，即实现跨条纹。光纤陀螺通常在第一级干涉条纹上完成调制解调，可检测的最大相位差为±π，对应的最大角速率为±Ω_π。跨条纹该方法允许光纤陀螺在第二级条纹甚至是更高级条纹上完成调制解调。如果跨到第二级条纹，则对应的可检测相位差为2π，对应的最大角速率为±Ω_2π，光纤陀螺的量程就增大为未跨条纹的2倍；依此类推，跨的条纹级数越多，则量程越大。

跨条纹会使光纤陀螺的最小角增量变大。在一些应用领域中，尤其是稳定和定位的应用，需要光纤陀螺有较小的角增量。因此，在实际应用中，如采用跨条纹方法，通常不超过第四级条纹。

4、条纹级别的识别和速率的修正

Sagnac主敏感环和Sagnac从敏感环的信号都解调出来后，通过对比分析两路信号的大小，可判断Sagnac主敏感环的信号是工作在第一级条纹、还是第二级、或第三级条纹，判断结果得出后，根据条纹的级别对Sagnac主敏感环响应的角速率进行修正，然后再作为光纤陀螺的输出角速率输出。Sagnac从敏感环测量大角速率，可采用开环方案，利用其判断光纤陀螺工作所处的条纹级别，修正光纤陀螺的输出速率。

利用Sagnac从敏感环解调得到的角速率Ω_S对Sagnac主敏感环解调得到的角速率Ω_M进行条纹级别判断和速率修正，可以保证光纤陀螺在旋转中通电时保持正常的角速率输出。

条纹识别方法的具体做法是：

首先对光纤陀螺进行标定，分别得到主敏感环各级条纹对应的最大角速率±Ω_π、±Ω_2π、±Ω_3π和±Ω_4π。当光纤陀螺通电时，Sagnac主敏感环闭环解调得到角速率Ω_M，Sagnac从敏感环开环解调得到角速率Ω_S，光纤陀螺最终输出的角速率Ω_O为：

当|Ω_S|≤Ω_π，时，Ω_O＝Ω_M；

当Ω_π≤Ω_S≤Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_2π；

当-Ω_2π≤Ω_S≤-Ω_π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_2π。

当Ω_2π≤Ω_S≤Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_3π；

当-Ω_3π≤Ω_S≤-Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_3π。

当Ω_3π≤Ω_S≤Ω_4π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_4π；

当-Ω_4π≤Ω_S≤-Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_4π。

本发明的工作过程：低偏振光源11在光源控制电路的控制下发出信号光，经过单模光纤耦合器13后进入集成光学调制器14，在集成光学调制器14内光信号被起偏、调制，成为线偏光，并分为两路，分别从集成光学调制器14的两端尾纤耦合输出，再经过保偏耦合器15耦合分光后，进入光纤环16，形成传播方向相反的两束光，再次通过保偏耦合器15后返回到集成光学调制器14中，并形成干涉，干涉信号经由单模光纤耦合器13进入探测器12，探测器12将含有角速率信息的干涉信号转换为电信号，并放大，Sagnac主敏感环的信号经过带通滤波器21，第二A/D22转换后进入FPGA24中进行闭环解调、跨条纹处理并得到其对应的角速率信号，Sagnac从敏感环的信号经过第一A/D23转换后也进入FPGA24中进行开环解调，得到其对应的角速率信号，将Sagnac从敏感环的角速率信号和Sagnac主敏感环的角速率信号进行比较分析，判断光纤陀螺工作的条纹级别，然后对Sagnac主敏感环的角速率信号进行修正，最终将修正后的角速率信号输出。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1、一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)制作光纤陀螺双敏感环光路

光纤陀螺双敏感环光路包括光源(11)、探测器(12)、单模光纤耦合器(13)、集成光学调制器(14)、保偏光纤耦合器(15)和光纤环(16)，保偏光纤耦合器(15)位于集成光学调制器(14)和光纤环(16)之间，保偏光纤耦合器(15)尾纤的C1、C3端分别和集成光学调制器(14)尾纤的Y2、Y3端相连接，保偏光纤耦合器(15)尾纤的C2、C4端分别和光纤环(16)的两尾纤相连接，集成光学调制器(14)尾纤的Y2端、保偏光纤耦合器(15)尾纤的C1和C4端、光纤环、保偏光纤耦合器(15)尾纤的C2和C3端、集成光学调制器(14)尾纤的Y3端构成Sagnac主敏感环，集成光学调制器(14)尾纤的Y2端、保偏光纤耦合器(15)尾纤C1和C3端、集成光学调制器(14)尾纤的Y3端构成Sagnac从敏感环；

(2)采用数字斜波闭环方法对Sagnac主敏感环的信号进行解调得到角速率Ω_M；

(3)采用数字开环方法对Sagnac从敏感环的信号进行解调得到角速率Ω_S；

(4)采用跨条纹方法增大Sagnac主敏感环的量程；

(5)利用Sagnac从敏感环解调得到的角速率Ω_S对Sagnac主敏感环解调得到的角速率Ω_M进行条纹级别判断和速率修正，得到修正后的光纤陀螺的角速率Ω_O。

2、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述步骤(5)的条纹级别判断和速率修正的步骤：

(1)标定光纤陀螺，得到Sagnac主敏感环各级条纹对应的最大角速率±Ω_π、±Ω_2π、±Ω_3π和±Ω_4π；

(2)当光纤陀螺通电启动时，Sagnac主敏感环解调得到角速率Ω_M，Sagnac从敏感环解调得到角速率Ω_S；

(3)比较Sagnac从敏感环解调得到角速率Ω_S和各级条纹对应的最大角速率，判断Sagnac主敏感环处于的条纹级别；

(4)利用所在条纹对应的最大角速率对Sagnac主敏感环的角速率Ω_M进行修正，即获得光纤陀螺最终输出的角速率Ω_O。

3、根据权利要求1或2所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的条纹级别判断和速率修正的标准为：

当|Ω_S|≤Ω_π时，Ω_O＝Ω_M；

当Ω_π≤Ω_S≤Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_2π；

当-Ω_2π≤Ω_S≤-Ω_π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_2π；

当Ω_2π≤Ω_S≤Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_3π；

当-Ω_3π≤Ω_S≤-Ω_2π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_3π；

当Ω_3π≤Ω_S≤Ω_4π时，Ω_O＝Ω_M+Ω_4π；

当-Ω_4π≤Ω_S≤-Ω_3π时，Ω_O＝Ω_M-Ω_4π。

4、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的保偏耦合器(15)尾纤与集成光学调制器(14)尾纤和光纤环(16)尾纤的各熔接点的损耗小于0.1dB，串音小于-30dB。

5、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的Sagnac主敏感环的长度为300～3000m。

6、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的Sagnac从敏感环的长度为20～30m，可敏感1～2000°/s的角速率。

7、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的Sagnac主敏感环和Sagnac从敏感环采用两路A/D转换采集响应的信号，Sagnac从敏感环的信号不滤波，直接通过第一A/D(23)进行转换，Sagnac主敏感环的信号进行带通滤波(21)后通过第二A/D(22)进行转换。

8、根据权利要求1所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的采用数字斜波闭环方法的Sagnac主敏感环、采用数字开环方法的Sagnac从敏感环的两路信号的调制解调以及角速率修正等信号处理可由一套信号处理电路完成。

9、根据权利要求8所述的一种增大光纤陀螺量程的方法，其特征在于：所述的信号处理电路包括带通滤波器(21)、第一A/D(23)、第二A/D(22)、D/A(25)、信号放大器(26)和FPGA(24)，探测器输出的信号经带通滤波器(21)、第二A/D(22)、FPGA(24)、D/A(25)和信号放大器(26)形成Sagnac主敏感环的闭环解调和控制，探测器输出的信号经第一A/D(23)、FPGA(24)、D/A(25)和信号放大器(26)形成Sagnac从敏感环的开环解调。

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