一种光路复用的多轴闭环光纤陀螺的制作方法

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光路复用的多轴闭环光纤陀螺。

背景技术：

国内主流的多轴闭环光纤陀螺(fog)产品普遍采用了共用一只光源的方案来节省成本，但每个轴的光信号仍然完全独立地进行解调与调制，因此各轴光路均需配置独立的光电探测器(pin-fet)、相位调制器(y波导)、2×2耦合器等光学器件，同时还需在信号处理电路板上严格地划分出各轴独立的ad采样电路、da反馈电路，以避免交叉干扰。以三轴闭环光纤陀螺为例，光源发出的光信号经过1×3耦合器分成三路，进入三个轴向的光路中传播，各轴的光信号互相独立地敏感各自光纤环中的sagnac相位差，各轴的光电探测器、y波导依次焊装在信号处理电路板上对应的ad采样电路区、da反馈电路区，互相独立、无连接，数据处理逻辑芯片在逻辑编程时也会将各轴的功能独立划分、实现，因此此类三轴陀螺实质上是三只独立的陀螺组合，仅共用了光源而已。采用此设计方案的多轴闭环光纤陀螺本质上是将多只独立的陀螺组合而成，因此它难以克服许多问题，譬如器件繁多、结构复杂、装配难度大、产品一致性差、成本难以降低等等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光路复用的多轴闭环光纤陀螺，将原本多轴陀螺的复杂光路用单轴陀螺的光路来实现，大大地降低光学器件数量，节省了成本，是一种新型的光路复用技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光路复用的多轴闭环光纤陀螺，2﹡2耦合器的输入端1熔接光源，输入端2熔接光电探测器的输入端，2﹡2耦合器的一个输出端与y波导的输入端连接，y波导的输出端1与光纤环1的一端连接，在光纤环1的另一端与y波导的输出端2之间连接一个2﹡2光开关1和光纤环2，2﹡2光开关1的输入端1与光纤环1的另一端连接，2﹡2光开关1的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关1的2个输出端分别与光纤环2的2端连接；光电探测器位于信号处理电路板上，信号处理电路板还包括ad采样电路、数据处理逻辑芯片、da反馈电路、光开关控制电路1，ad采样电路的ad波形为光电探测器的ad采样信号波形，光电探测器的ad采样信号波形经过数据处理逻辑芯片的处理，输出的da波形为da反馈电路施加到y波导的电压信号波形，同时输出信号到光开关控制电路，光开关控制电路1对2﹡2光开关1进行控制。

按上述技术方案，还包括2﹡2光开关2和光纤环3，设置在2﹡2光开关1的输入端2与y波导的输出端2之间，2﹡2光开关1的输入端2与2﹡2光开关2的输入端1连接，2﹡2光开关2的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关2的2个输出端分别与光纤环3的2端连接。

按上述技术方案，还包括2﹡2光开关3和光纤环4，设置在2﹡2光开关2的输入端2与y波导的输出端2之间，2﹡2光开关2的输入端2与2﹡2光开关3的输入端1连接，2﹡2光开关3的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关3的2个输出端分别与光纤环4的2端连接。

按上述技术方案，还包括光开关控制电路2，光开关控制电路2对2﹡2光开关2进行控制。

按上述技术方案，数据处理逻辑芯片同步控制2×2光开关1的电压信号、y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成2个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出光纤环1和光纤环2的输入角速度之和与输入角速度之差，通过代数运算得到光纤环1和光纤环2各自的输入角速度。

按上述技术方案，用数据处理逻辑芯片同步控制2×2光开关1、2×2光开关2的电压信号以及y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成3个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出光纤环1、光纤环2和光纤环3的输入角速度之间的3个加减运算结果，通过代数运算得到光纤环1、光纤环2和光纤环3各自的输入角速度。

按上述技术方案，还包括光开关控制电路3，光开关控制电路3对2﹡2光开关3进行控制。

本发明采用分时控制的思路来设计，需将原陀螺数据更新的单位周期分成2个、3个……时域周期，解算出多个闭环数据，再进行逻辑运算，得到每个轴向输入角速度的数据。

本发明产生的有益效果是：本发明光路复用的多轴闭环光纤陀螺能将原本多轴陀螺的复杂光路用单轴陀螺的光路来实现，大大地降低光学器件数量，节省了成本，是真正意义上的光路复用技术。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例光路复用的两轴闭环光纤陀螺结构示意图；

图2是本发明实施例光路复用的三轴闭环光纤陀螺结构示意图；

图3是三轴闭环光纤陀螺分时控制波形图；

图4是现有技术中多轴闭环光纤陀螺结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种真正意义上的光路复用的多轴闭环光纤陀螺的设计方案，从原理上创新，从根本上解决多轴陀螺产品在生产、使用中的困境。本方案增加了2×2光开关这类光学器件，通过在其电极上施加或切断电压信号可控制其光波在“直行传播”与“交叉传播”两种模式上的切换，从而可以根据需要控制光路中光波的传播方向，此功能在本方案中至关重要。光纤环敏感sagnac相位差时，是具备方向性的，其敏感轴方向可能垂直于环面朝上，也可能垂直于环面朝下。影响敏感轴方向的因素有光纤环绕制方向、光波传播方向等。通常光纤环的绕制方向是固定不变的，但光波传播方向却可以改变，因此利用2×2光开关控制光波传播方向，则可使光纤环的敏感轴方向反向，即输出极性反向。

本发明实施例中，提供一种光路复用的多轴闭环光纤陀螺，如图1所示，2﹡2耦合器的输入端1熔接光源，输入端2熔接光电探测器的输入端，2﹡2耦合器的一个输出端与y波导的输入端连接，y波导的输出端1与光纤环1的一端连接，在光纤环1的另一端与y波导的输出端2之间连接一个2﹡2光开关1和光纤环2，2﹡2光开关1的输入端1与光纤环1的另一端连接，2﹡2光开关1的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关1的2个输出端分别与光纤环2的2端连接；光电探测器位于信号处理电路板上，信号处理电路板还包括ad采样电路、数据处理逻辑芯片、da反馈电路、光开关控制电路1，ad采样电路的ad波形为光电探测器的ad采样信号波形，光电探测器的ad采样信号波形经过数据处理逻辑芯片的处理，输出的da波形为da反馈电路施加到y波导的电压信号波形，同时输出信号到光开关控制电路，光开关控制电路1对2﹡2光开关1进行控制。

进一步地，如图2所示，还包括2﹡2光开关2和光纤环3，设置在2﹡2光开关1的输入端2与y波导的输出端2之间，2﹡2光开关1的输入端2与2﹡2光开关2的输入端1连接，2﹡2光开关2的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关2的2个输出端分别与光纤环3的2端连接。

进一步地，还包括2﹡2光开关3和光纤环4，设置在2﹡2光开关2的输入端2与y波导的输出端2之间，2﹡2光开关2的输入端2与2﹡2光开关3的输入端1连接，2﹡2光开关3的输入端2与y波导的输出端2连接，2﹡2光开关3的2个输出端分别与光纤环4的2端连接。

进一步地，还包括光开关控制电路2，光开关控制电路2对2﹡2光开关2进行控制。

进一步地，数据处理逻辑芯片同步控制2×2光开关1的电压信号、y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成2个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出光纤环1和光纤环2的输入角速度之和与输入角速度之差，通过代数运算得到光纤环1和光纤环2各自的输入角速度。

进一步地，用数据处理逻辑芯片同步控制2×2光开关1、2×2光开关2的电压信号以及y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成3个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出光纤环1、光纤环2和光纤环3的输入角速度之间的3个加减运算结果，通过代数运算得到光纤环1、光纤环2和光纤环3各自的输入角速度。

进一步地，还包括光开关控制电路3，光开关控制电路3对2﹡2光开关3进行控制。

本方案实施例如图1、图2所示，其中图1是两轴方案，图2是三轴方案，四轴及其他多轴方案也可如此类推。以两轴方案为例，如图1所示，原本陀螺闭环解算数据等效于光纤环1和光纤环2的输入角速度之和，一旦光纤环2的敏感轴方向反向，则陀螺闭环解算数据应等效于光纤环1和光纤环2的输入角速度之差。利用了这个原理，同步控制2×2光开关的电压信号、y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成2个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出两只光纤环的输入角速度之和与输入角速度之差，再通过简单代数运算，即可得到两只光纤环各自的输入角速度。这种方案不会降低陀螺精度，但却能将原本多轴陀螺的复杂光路用单轴陀螺的光路来实现，大大地降低光学器件数量，节省了成本，是真正意义上的光路复用技术。图4是现有技术中多轴闭环光纤陀螺结构图。

在三轴方案中，也仅需再增加了一只光纤环和2×2光开关，即可用单轴陀螺光路来复用、实现三轴陀螺光路的功能。用逻辑芯片同步控制2×2光开关1、2×2光开关的电压信号以及y波导的电压信号，将陀螺数据更新的单位周期分成3个周期来对光电探测器的采样信号进行分时解调，闭环解算出三只光纤环的输入角速度之间的3个加减运算结果，再通过代数运算，得到3只光纤环各自的输入角速度。

本发明可大幅简化多轴陀螺的光路方案，但其陀螺闭环逻辑算法应采用分时控制的思路来设计，需将原陀螺数据更新的单位周期分成2个、3个……时域周期，解算出多个闭环数据，再进行逻辑运算，才能得到每个轴向输入角速度的数据。如图3所示，以三轴方案为例，假设陀螺数据输出更新周期为t，即原单位周期为t，将其分为t0～t1、t1～t2、t2～t3共3个时域周期。其中，ad波形为光电探测器的ad采样信号波形，da波形为da反馈电路施加到y波导的电压信号波形，k1波形为光开关1的控制信号波形，k2波形为光开关2的控制信号波形。t0～t1时间内，k1、k2波形为低电平，光纤环2和光纤环3的敏感轴方向与光纤环1同向，闭环解调数据(d1)等效于三只光纤环的输入角速度之和；t1～t2时间内，k1波形为高电平，光纤环2敏感轴方向反向，闭环解调数据(d2)等效于光纤环1输入角速度(ω1)-光纤环2输入角速度(ω2)+光纤环3输入角速度(ω3)；t2～t3时间内，k2波形为高电平，光纤环3敏感轴方向反向，闭环解调数据(d3)等效于光纤环1输入角速度(ω1)+光纤环2输入角速度(ω2)-光纤环3输入角速度(ω3)。很显然，有以下公式可计算出ω1、ω2、ω3的数值：

ω1∝(d2+d3)/2(1)

ω2∝(d1-d2)/2(2)

ω3∝(d1-d3)/2(3)

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。