一种双光源高精度光纤陀螺的制作方法

文档序号:11274392阅读:542来源:国知局
一种双光源高精度光纤陀螺的制造方法与工艺

本发明涉及光纤陀螺的技术领域,具体涉及一种双光源高精度光纤陀螺。



背景技术:

光纤陀螺作为一种发展较为迅速的角速度传感器,现已成为惯性导航系统中重要的组成部分。陀螺的性能除了与本身的结构有关之外,与周围环境的关系也十分密切。机械振动、辐射、磁场、环境温度等对于陀螺的性能都有着不同程度的影响,这些环境因素对于光纤陀螺中的各个器件都有影响。由于光纤陀螺是非常精密的传感器,环境因素的波动将会在最终的测量结果中引入噪声,使得陀螺输出的sagnac相移中混有噪声,导致零偏误差以及测量结果的不准确。

在一般的环境中,环境因素中影响最大的就是温度带来的影响,而光纤陀螺系统中光纤环所受到的影响最大。真实环境中,温度会随着时间不断发生着变化,而光纤环上每一点的温度都各不相同,最终会由于温度分布不均而引起非互易性相移,即shupe效应。shupe效应导致所测量的sagnac相移中混有误差项,光纤陀螺中因光纤环圈数较多,此效应会被放大,导致陀螺性能被严重影响。

在一些特殊环境中,比如在空间辐射、磁场环境、机械振动的环境中,陀螺的性能都会被影响,使最终输出的sagnac相移中混有误差项。

因此,环境因素对于光纤陀螺性能的影响是不可忽视的,若能消除或降低环境因素对于光纤陀螺的影响,对于光纤陀螺性能的提升是十分可观的。环境因素波动在sagnac相移中所带来的误差是随机和难以准确描述的,因此环境因素所造成的影响无法完全消除。现有的方法一般都是使用特殊的结构来对环境因素所带来的影响进行共模抑制,从而使环境因素的影响降到最低。



技术实现要素:

针对环境因素对于光纤陀螺性能的不利影响,本发明基于共模抑制的基本原理,提供了一种能明显降低环境因素影响的光纤陀螺测量装置,使得陀螺的测量结果更为准确和可信。

本发明的技术方案如下:一种双光源高精度光纤陀螺,包括波长为λ1的光源、波长为λ2的光源、第一光电探测器、第二光电探测器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一双窗口耦合器、y波导以及光纤环,波长为λ1的光源和波长为λ2的光源发出的光通过第一波分复用器之后输入到第一双窗口耦合器中,由第一双窗口耦合器耦合后经由y波导分为两路光在光纤环中相向传输,两不同波长的光形成干涉信号返回到y波导中耦合后传输到第一双窗口耦合器中,经过第一双窗口耦合器后传输到第二波分复用器中,经过第二波分复用器后两不同波长的干涉信号被分离开,之后分离的两路干涉信号分别由第一光电探测器和第二光电探测器探测;或者,该光纤陀螺包括波长为λ1的光源、波长为λ2的光源、第一光电探测器、第二光电探测器、第一波分复用器、第一双窗口耦合器、第二双窗口耦合器、y波导以及光纤环,波长为λ1的光源发出的光按顺序经过第一双窗口耦合器与第一波分复用器之后,由y波导分为两路相向传输的光而发生干涉,返回的干涉信号按顺序经过第一波分复用器与第一双窗口耦合器后由第一光电探测器探测,波长为λ2的光源发出的光按顺序经过第二双窗口耦合器与第一波分复用器后,同样由y波导分为两路相向传输的光经过光纤环后发生干涉,此路返回的干涉信号按顺序经过第一波分复用器与第二双窗口耦合器后由第二光电探测器探测。

其中,所使用的第一双窗口耦合器和第二双窗口耦合器都能同时适用于两个不同波长的光源。

其中,对两种不同波长光的干涉信号均采用闭环探测方案,并对探测得到的信号进行差分处理作为陀螺的输出,以减小环境因素对于陀螺输出结果的影响。

本发明的原理在于:分别对两种不同波长光的干涉信号进行闭环探测,两路探测的干涉信号在角速度为ω时的相位差由式(1)和式(2)给出:

式中:l为光纤环的长度,d为光纤环的直径,c为真空中的光速,为环境因素影响对两不同波长光干涉信号带来的相移误差项。在进行信号处理时,将两路sagnac相移信号进行差分处理:

可以看出,在进行差分处理后,对环境因素影响带来的相移误差项起到了一定的抵消作用,因为在相同环境因素的影响下发生的是相同趋势的变化,所以是一个很小的量。这说明了采用差动解调技术能很好的抑制环境因素影响所造成的相位误差,将环境因素波动带来的影响降到最低,甚至可以忽略,在很大程度上加强了光纤陀螺的环境适应性。

本发明的优点在于:

本装置采用双光源陀螺结构,两种波长的光共用一个干涉光路,因此两路干涉信号同处于一个环境中,那么它们所受到环境因素的影响是基本相同的。在处理两路干涉信号时,进行差分处理就能将环境因素波动带来的影响消减掉,即对于环境噪声有着共模抑制的效果,从而对于环境因素造成的影响能起到明显降低的作用。

附图说明

图1为一种双光源高精度光纤陀螺结构示意图;

图2为另一种双光源高精度光纤陀螺结构示意图;

图3为两不同波长光源各自的陀螺输出信号以及差分信号标度因数曲线;

图4为两不同波长光源各自的陀螺输出信号以及差分信号零偏曲线。

图中附图标记含义为:1为波长为λ1的光源,2为波长为λ2的光源,3为第一光电探测器,4为第二光电探测器,5为第一波分复用器,6为第二波分复用器,7为第一双窗口耦合器,8为y波导,9为光纤环,10为第二双窗口耦合器。

具体实施方式

现在参考附图对本发明做更为详细的说明。附图只是为了说明原理和结构,各部分并不一定按比例绘制,也并不一定反映器件的真实样貌。

实施例1:

图1给出了一种双光源高精度光纤陀螺结构示意图。该光纤陀螺包括两个不同波长的光源、两个光电探测器、两个波分复用器、一个双窗口耦合器7、一个y波导8以及一个光纤环9。两个不同波长的光源分别为波长为λ1的光源1和波长为λ2的光源2,两个光电探测器分别为第一光电探测器3与第二光电探测器4,两个波分复用器分别为第一波分复用器5与第二波分复用器6,波长为λ1的光源1和波长为λ2的光源2的光经由光纤传输到第一波分复用器5的一端,经过第一波分复用器5耦合后从另一端传输到第一双窗口耦合器7的一端,经过第一双窗口耦合器7后由光纤传输到y波导8的一端,之后由y波导8分为两路光在光纤环9中相向传输。两不同波长的光形成干涉信号后再由y波导8耦合后传输到第一双窗口耦合器7的一端,经由第一双窗口耦合器7后由光纤传输到第二波分复用器6的一端,经过第二波分复用器6后两不同波长的干涉信号被分离开。之后分离的两路干涉信号分别由第一光电探测器3和第二光电探测器4探测。最终对探测的两路干涉信号做差分处理就能得到差分信号,就能对环境噪声起到一定的抑制作用。

将该双光源高精度光纤陀螺放置在带转台的温箱中进行测试,即可验证该双光源高精度光纤陀螺对于环境噪声的抑制效果与抗干扰能力。以1310nm和1550nm的宽谱光源为例,对单独使用两种波长光源的陀螺输出信号以及它们的差分信号进行了闭环探测,利用转台设置角速度分别为-160°/s、-80°/s、-40°/s、-10°/s、-1°/s、-0.5°/s、-0.1°/s、0.1°/s、0.5°/s、1°/s、10°/s、40°/s、80°/s、160°/s,然后在常温下测量陀螺输出信号,进行标度因数标定,得到的标度因数曲线如图3所示,1310nm光源的陀螺输出信号标度因数是1888.251/(°/s),1550nm光源的陀螺输出信号标度因数是1595.581/(°/s),差分信号的标度因数是345.931/(°/s)。

之后对变温状态下陀螺的输出进行测量,变温过程为先维持2小时25℃恒温,接着以1℃/min的速度将温度降至-40℃,之后以-40℃的温度保温2小时,接着继续以1℃/min的速度将温度升至60℃,在60℃温度下保温2小时,最后以1℃/min的速度将温度降至25℃,并保温3小时,最终得到变温下的零偏曲线如图4所示。在全温变过程中,1310nm陀螺输出信号的零偏稳定性为6.53×10-3°/h;1550nm陀螺输出信号的零偏稳定性为7.22×10-3°/h;差分输出信号的零偏稳定性为2.64×10-3°/h。可以看出差分处理能明显降低温度等环境因素变化对陀螺输出的影响,从而大大加强了光纤陀螺的环境适应性。

实施例2:

图2给出了另一种双光源高精度光纤陀螺结构示意图。本光纤陀螺包括两个不同波长的光源、两个光电探测器、两个双窗口耦合器、一个波分复用器5、一个y波导8以及一个光纤环9。两个不同波长的光源分别为波长为λ1的光源1与波长为λ2的光源2,两个光电探测器分别为第一光电探测器3与第二光电探测器4,两个双窗口耦合器分别为第一双窗口耦合器7与第二双窗口耦合器10,波长为λ1的光源1发出的光经过第一双窗口耦合器7与第一波分复用器5之后,由y波导8分为两路相向传输的光而发生干涉,返回的干涉信号再次经过第一波分复用器5与第一双窗口耦合器7后由第一光电探测器3探测。波长为λ2的光源2发出的光经过第二双窗口耦合器10与第一波分复用器5后,同样由y波导8分为两路相向传输的光经过光纤环9后发生干涉,此路返回的干涉信号再次经过第一波分复用器5与第二双窗口耦合器10后由第二光电探测器4探测。之后对于两路干涉信号的处理和对光纤陀螺的测试步骤与实施例1相同。

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