专利名称：一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高角速度测量范围的陀螺，尤其是涉及一种可灵活扩展角速度 测量范围的光纤陀螺。
背景技术：
光纤陀螺是一种新型的角速率测量仪，由于其具有全固态、带宽大及具有多种协 议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。光纤陀螺的工作原理是基于光 学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速率的赛 格奈克相位差，通过检测该相位差，可推算得到环形干涉仪所在系统的角速率。赛格奈克相 移小Sag和系统旋转速率的关系如下(j5Sag = 4w XA Q/c2(1)式中co为光波的角频率，c为光速，黑体的A、Q表示的分别是闭合光路的面积矢 量和旋转速率矢量的标量积，黑点 为标量积符号。在光纤陀螺的应用中，闭合光路使用的 是光纤环的形式，典型的是圆形的光纤线圈组成的光纤环，并且使Q矢量和面积矢量A方 向重合，从而简化公式，此时标量积可以简化为代数积小 Sag = Sign X 4 w A Q /c2(2)其中非黑体的A和Q分别为闭合光路的面积大小和输入角速率的大小；而Sign 则表示了产生赛格耐克相移的方向，根据Q矢量和面积矢量A的相对方向分别取值+1或 者-1，若Q矢量和面积矢量A的方向相同则取+1，反之取-1，这对于光纤陀螺所采用的光 纤环而言实际上是决定于光纤环中光纤的绕制方向。考虑到采用圆形光纤环的情况，该式子可以简化为(j5Sag = SignX2 3i LDQ/( A c) (3)其中L为光纤陀螺光纤环光纤长度，D为光纤环直径，\为光纤陀螺所用光源波 长，c为真空中光速。光纤陀螺为一相位测试系统，0. 1微弧度(0. lurad)相位是工程上可达的测量精 度，其相应的角速率对应于光纤陀螺静态精度，也即光纤陀螺最小可测量角速率；而干涉 仪输入相位信号和输出之间的关系，即本征响应函数为余弦函数，其单调相位区间范围为 2^1，一般来说使用的单调区间为[-JI，^！)，按照上式计算对应的角速率区间，即为光纤陀 螺的能测量的角速率范围，这个是光纤陀螺的基本测量范围。对于典型参数为环长500米， 直径0.1米，光源波长为1.31微米的光纤陀螺，最大可测量角速率分别为225° /s(° /s 度每秒)。若需测量更大的角速率范围，则需要扩展角速度测量范围，根据公式(3)需要减 小光纤长度或环直径。但这种扩展的方法存在缺陷首先是过小的环直径会造成增加系统 弯曲损耗，降低检测信噪比，从而削弱光纤陀螺输出角速率信号的精度，恶化了静态精度， 一般光纤环直径最低不能小于2厘米，最好是在5厘米以上；其次是减小光纤长度同样会 引入其他的问题，光纤越短渡越时间越小，这意味着闭合周期的降低和频率的同比增加，导
3致后续电路处理系统的带宽过高，会在后续信息处理模块引入额外噪声，增加其功耗，增加 其设计难度，通常而言，光纤长度的下限在100米 150米的范围之内。而且通过改变光纤 陀螺光纤长度的方法还有一个缺点，长度改变意味着渡越时间的改变，电路信息处理系统 (在光纤陀螺中也常常成为信息处理模块)需要根据这个时间重新设计调制和解调序列， 这使得不同测量范围的光纤陀螺需要采用具有不同参数的的信息处理模块，这使得光纤陀 螺无法进行的标准化和模块化的生产，这等价于增加了陀螺的制造和维护成本。在某些高机动载体 应用场合，对所用的角速率传感器的测量范围跨越几转到几十 转每秒，并且要求静态测量精度高，已有的光纤陀螺技术的静态测量精度基本可以满足这 个目标，但无法做到几十转每秒的角速度输入测量。

发明内容
针对目前在某些高机动载体应用中对角速度传感器要求能够测量高达几十转的 角速度范围，而在现有技术条件下，光纤陀螺通过降低长度和直径的方法存在过大的难度 而无法达到该目标的问题，本发明的目的在于提供一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤 陀螺，利用两个光纤环串联为一个干涉仪回路，在不增加电路系统负担情况下，实现大角速 度范围内的角速度测量，有效地满足不同高机动性运动载体导航制导的应用需求。发明原理利用两个串联的子干涉回路作为干涉仪的干涉回路，通过使两个子干涉回路敏感 轴方向相反，保持其长度和不变，通过控制其长度差的方法从而实现对于角速度测量范围 的灵活扩展，并且这种方法不需要改动信息处理模块。假设两个子干涉回路各自包含的面积矢量分别为Ap和AN，那么根据式子(3)，角速 度在这两个回路中产生的相移Φ^ρ、分别为(J)sagp = 4ω XAp · Ω/c2(jjSagN = 4ω XAn · Ω/c2(4)由于两个子干涉回路是串联的关系，从而整个干涉环路产生的相位等于串联的两 个子干涉回路的相位之和，也就是说干涉仪产生的相位为Φ Sag = Φ SagP+ Φ SagN = 4 ω X (Ap+Ap) · Ω /c2 (5)其中AP+AN表示的是两个干涉回路的面积矢量之和。在光纤陀螺中，一般采用圆形 绕制的线圈，此时式子(2)可以简化为式子(3)，在这种情况下式子(5)同样可以简化为式 子(6)
4 g - Signp X l7C\pDp Ω + SignN χ 2nL^ Ω = ^(SignpLpDp + SignNLNDN) (6)
ACAcAC式中LP、DP、Signp和LN、DN、SignN分别为两个串联子干涉回路的光纤长度、直径和 产生相位信号的方向符号。如果使得其直径大小相同，而各自产生相位的方向符号相反，例 如使得=Dp = Dn = D ；Signp = +1，Signp = _1，那么(6)进一步可以化简为φ^=——(LP-LN)(7)
AC当产生的赛格奈克相移等于π相位的时候对应的角速度为能够测量的最大角速度，记为Ω ，从而可知Ω π = Ac/[2D X (Lp-Ln) ](8)系统的渡越时间为在干涉仪干涉光路中的传播时间，在这里等于纤长度 中光传播的时间，这决定了后续信息处理电路的调制和解调频率，根据式子(8)，可以在保 证Lp+Ln长度不变的情况下，改变Lp-Ln长度的值，此时系统的渡越时间不变。而由于测量最 大角速度Ω 决定于Lp-Ln,从而可以改变最大可测试角速度的大小，从而实现动态范围的 扩展。并且可以计算在相同的总光纤长度下，也就是光纤长度保持为LP+LNF变前提下，本 发明中能够测试的最大角速度Ω π和采用单个光纤环下能够测量的最大角速度Qci之间的 比值k如式子(9)所示，k值的大小表示了角速度测量范围的扩展倍数 由于LP、Ln都为正数，可见k不小于1，并且仅在Lp或Ln为0的时候取1，这对应 于只有一个干涉回路，也即一个光纤环的情况。从(9)中可见角速度扩展的倍数k的值决 定于Lp-Ln,也就是决定于所采用的两个干涉回路所绕制的光纤环的环长差.理论上说如果 两个干涉回路的长度无限接近于相等，那么k的理论值将无限大，实际上根据所需要测试 的最大的角速度要求，则可以根据(8)，同时考虑Lp+Ln的数值不变，从而计算所需要的环长 差，那么这样可以方便的根据要求扩充光纤陀螺的角速度测量范围，并且又不需改动信息 处理电路，这意味着只需要针对Lp+Ln长度对应的渡越时间设计一个信息处理模块，则该模 块可以作为一个类似光源或者探测器等标准化的模块，从而满足不同需要的要求，这种设 计有利于实现光纤陀螺设计的模块化和标准化，降低等效成本。本发明所采用的技术方案的步骤如下一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，该光纤陀螺包括光源、光电探测器、 光纤耦合器、相位调制器以及信号处理模块；光源的尾纤和光电探测器分别接光纤耦合器 同一侧的光纤，光纤耦合器另一侧一根尾纤接相位调制器的入纤，光纤耦合器另一侧的另 一根处于自由状态，光电探测器将光信号转换为电信号后送给信号处理模块，信号处理模 块对其进行采样，同时信号处理模块为相位调制器提供调制信号；该光纤陀螺还包括第一 光纤环和第二光纤环，光纤陀螺的干涉回路的光纤长度为第一光纤环和第二光纤环的光纤 长度和，而面积矢量为两个光纤环的面积矢量之和；通过控制第一光纤环和第二光纤环的 面积矢量参数实现对于角速度测试范围的灵活配置。所述第一光纤环和第二光纤环具有以下特征A、第一光纤环和第二光纤环之间为串联关系，第一光纤环的一个光纤端口和第二 光纤环的一个光纤端口相互连接，而第一光纤环和第二光纤环的另外一个光纤端口分别和 相位调制器的两个尾纤相互连接；第一光纤环和第二光纤环串联起来作为光纤陀螺的干涉 环路，干涉环路的长度为第一光纤环和第二光纤环的长度之和，渡越时间为光在第一光纤 环和第二光纤环中传播的时间之和，渡越时间是光纤陀螺调制解调周期的基本单位，如果 渡越时间不变，则调制解调的周期和频率保持固定不变；B、光纤陀螺中的第一光纤环和第二光纤环的面积矢量方向相反，具体是使得两个光纤环的敏感轴相互平行，并且方向相反，对应于两个光纤环的绕线平面在同一个平面内， 但绕线方向相反；C、第一光纤环和第二光纤环的直径相等，通过控制光纤环光纤绕制长度实现面积 矢量参数的灵活配置；D、通过控制面积矢量的参数实现系统角速度测量范围的灵活配置。所述角速度测量范围的配置方法如下记所述第一光纤环(6)和第二光纤环(7) 的直径为D，长度分别为LP、Ln，记L = LP+LN, dL = LP_LN，那么其可测量的最大角速度Ω π 为Ω π = λ c/(2D XdL)
式中λ、c分别为光源波长和真空中的光速，配置过程保持L不变，改变dL的参数 大小，从而改变Ω π的大小；由于L不变，所以渡越时间不变，从而信息处理模块不需改变调 制解调周期和频率即可满足不同角速度测量范围的信息处理要求，这实现了光纤陀螺的标 准化和模块化。本发明具有的有益效果是首次提出一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，通过采用两个光纤环作为 子干涉回路构建成为差分干涉仪，从而在保证渡越时间不变的前提下，能够根据应用要求 任意扩展测量范围，这种技术方案不需要修改系统的信息处理模块，对于不同的应用要求 能够保持信息处理模块的一致性，而不需要增加其他的任何光学或者电学器件，能够为用 户节省制作和维护成本，并且由于器件没有增加，可以保持和原来光纤陀螺一样的高可靠 性。该发明能够满足高机动性运动载体对于大角速率范围测量的苛刻需求，具有很高的实 用价值，可促进光纤陀螺的模块化和标准化。


附图是本发明中光纤陀螺的结构示意图。图中1、光源，2、光电探测器，3、光纤耦合器，4、相位调制器，5、信号处理模块，6、 第一光纤环，7第二光纤环
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图是本发明中光纤陀螺的结构示意图，其中1为光源、2为光电探测器、3为光纤 耦合器、4为相位调制器，5为信号处理模块，6、7分别为第一光纤环和第二光纤环，6、7分别 相当于光纤陀螺的一个子干涉回路。光源的尾纤和光电探测器分别接光纤耦合器同一侧的 光纤，光纤耦合器另一侧一根尾纤接相位调制器的入纤，光纤耦合器另一侧的另一根处于 自由状态，第一光纤环6和第二光纤环7之间为串联关系，第一光纤环6的一个出纤端口和 第二光纤环7的一个出纤端口相互连接，而第一光纤环6和第二光纤环7的另外一个端口 分别和相位调制器4的两个尾纤相互连接；第一光纤环6和第二光纤环7串联起来作为光 纤陀螺的干涉环路，干涉环路的长度为第一光纤环6和第二光纤环7的长度之和，渡越时间 为光在第一光纤环6和第二光纤环7中传播的时间之和。渡越时间是光纤陀螺调制解调周 期的基本单位，如果渡越时间不变，则调制解调的周期和频率保持固定不变；第一光纤环6和第二光纤环7的面积矢量方向相反，在本发明中，由于采用的是同样半径的光纤线圈，从 而面积矢量相反是通过使得两个光纤环绕线方向相反实现的。如图所示，第一光纤环6的 绕线方向是顺时针方向，第二光纤环7的绕线方向是逆时针方向，从而光在其中传播的时 候，转动在第一光纤环6和第二光纤环7中分别产生的的赛格奈克相位差符号相反。
面积矢量的大小在绕线半径固定的前提下等价于光纤环长度的大小，只要改变光 纤环相对长度的不同则可以实现面积矢量参数的灵活配置；进而实现系统角速度测量范围 的灵活配置。在图中例子，若记第一光纤环6和第二光纤环7的直径为D，长度分别为LP、 Ln，记L = LP+LN, dL = Lp-Ln，那么其测量范围Ω π为Ω π = λ c/(2D XdL)配置过程保持L不变，只改变dL的参数大小，从而实现对于测量范围Ω π的控制； 由于L不变，从而系统的渡越时间不变，从而信息处理模块不需改变调制解调周期和频率， 从而能够满足不同测量范围的信息处理需求，实现光纤陀螺的标准化和模块化。例如在L = 500米，半径为5厘米的参数下，只需分别使得dL为500米(Lp = 500 米，Ln = 0 米)，300 米(Lp = 400 米，Ln = 100 米)，100 米(Lp = 300 米，Ln = 200 米)， 50 米(Lp = 275 米，Ln = 225 米)，10 米(Lp = 255 米，Ln = 245 米)，光源波长为 1. 31 微 米，那么这五种情况下的可以测量的最大角速率分别约为450° /s、750° /s,2252° /s、 4503° /s、22517° /s，这种情况下能够测量的最大角度扩展了 50倍左右。如果采用方波调 制解调的方法，那么在这几种应用过程中光纤陀螺的渡越时间不变，都是2. 5微秒左右，对 应的调制解调频率为200千赫兹。在跨越这么大的最大可测量角速度变化范围内，不需要 对信息处理模块进行任何改进即可完成工作。这有助于光纤陀螺的模块化和标准化制作， 最终降低了等效的成本和维护的成本，并且有助于提高可靠性。在实际的应用过程中，也可以通过控制绕线的面积实现对面积矢量的控制，从而 实现对于角速度测量范围的扩展，但这种方法不如控制长度有效，一般可以考虑作为辅助 的扩展控制方法。
权利要求
一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，该光纤陀螺包括光源(1)、光电探测器(2)、光纤耦合器(3)、相位调制器(4)以及信号处理模块(5)；光源(1)的尾纤和光电探测器(2)分别接光纤耦合器(3)同一侧的光纤，光纤耦合器(3)另一侧一根尾纤接相位调制器的入纤，光纤耦合器另一侧的另一根处于自由状态，光电探测器(2)将光信号转换为电信号后送给信号处理模块(5)，信号处理模块(5)对其进行采样，同时信号处理模块(5)为相位调制器提供调制信号；其特征在于该光纤陀螺还包括第一光纤环(6)和第二光纤环(7)，光纤陀螺的干涉回路的光纤长度为第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的光纤长度和，而面积矢量为两个光纤环的面积矢量之和；通过控制第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的面积矢量参数实现对于角速度测试范围的灵活配置。
2.根据权利要求1所述的一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，其特征在于所 述第一光纤环(6)和第二光纤环(7)具有以下特征A、第一光纤环(6)和第二光纤环(7)之间为串联关系，第一光纤环(6)的一个光纤端 口和第二光纤环(7)的一个光纤端口相互连接，而第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的另 外一个光纤端口分别和相位调制器(4)的两个尾纤相互连接；第一光纤环(6)和第二光纤 环(7)串联起来作为光纤陀螺的干涉环路，干涉环路的长度为第一光纤环(6)和第二光纤 环(7)的长度之和，渡越时间为光在第一光纤环(6)和第二光纤环(7)中传播的时间之和， 渡越时间是光纤陀螺调制解调周期的基本单位，如果渡越时间不变，则调制解调的周期和 频率保持固定不变；B、光纤陀螺中的第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的面积矢量方向相反，具体是使得 两个光纤环的敏感轴相互平行，并且方向相反，对应于两个光纤环的绕线平面在同一个平 面内，但绕线方向相反；C、第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的直径相等，通过控制光纤环光纤绕制长度实现 面积矢量参数的灵活配置；D、通过控制面积矢量的参数实现系统角速度测量范围的灵活配置。
3.根据权利要求1所述的一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺，其特征在于 所述角速度测量范围的配置方法如下记所述第一光纤环(6)和第二光纤环(7)的直径为 D，长度分别为LP、LN，记L = LP+LN, dL = Lp-Ln,那么其可测量的最大角速度Ω π为Ω π = λ c/(2D XdL)式中λ、c分别为光源波长和真空中的光速，配置过程保持L不变，改变dL的参数大 小，从而改变Ω π的大小；由于L不变，所以渡越时间不变，从而信息处理模块不需改变调制 解调周期和频率即可满足不同角速度测量范围的信息处理要求，这实现了光纤陀螺的标准 化和模块化。
全文摘要
本发明公开了一种可灵活扩展角速度测量范围的光纤陀螺。在光纤陀螺中还包括两个光纤环，光纤陀螺的干涉回路的光纤长度为两个光纤环的光纤长度和，而面积矢量为两个光纤环的面积矢量之和；通过控制两个光纤环的面积矢量参数实现对于角速度测试范围的灵活配置。实现了对于光纤陀螺测量范围的灵活扩展；可根据用户的要求灵活地修改参数而扩展其角速度测量范围。该光纤陀螺所采用的实现方法不需增加其他昂贵或复杂的器件，从而提高了可靠性，降低成本；并且不需要改变电路和信息处理结构，有助于光纤陀螺生产的模块化和标准化，同时满足不同高机动载体的导航制导的要求。该光纤陀螺的成本低，效益高，具有很好的应用价值。
文档编号G01P9/00GK101871781SQ201010206578
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者刘承, 王磊, 舒晓武, 陈杏藩 申请人:浙江大学