一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺的制作方法

本发明涉及干涉式光纤陀螺技术领域，具体是一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺。

背景技术：

干涉式光纤陀螺是一种高可靠、高精度的惯性角速度传感器，通过光纤环敏感待测角速度，产生非互易相位差，具有动态范围大、无运动部件和抗冲击等优点，可广泛应用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。

光纤陀螺因其可靠性高、精度高、体积小和重量轻等优势在空间任务中有很好的应用和可行性。随着卫星系统朝着高精度、轻小型和低功耗的方向发展，对惯性测量系统也提出了轻小型和高集成度的要求，进而对所使用的陀螺提出了体积小、重量轻、功耗低和集成度高的要求，在微机械陀螺(mems)的精度和环境适应性还有很大差距的情况下，光纤陀螺的微型化是必然选择。

在光纤陀螺微型化的实践中，存在以下几个问题：

(1)微型化而减弱了光纤陀螺的性能指标。

(2)光源驱动电路包括恒流和温控，温控光源方案复杂，主要是温控方案增加了功耗、复杂度和成本。

(3)器件集成度低，结构松散，不紧凑，可靠性低，同时微型化设计给装配带来了一定的复杂性。

技术实现要素：

针对上述所述问题，本发明提出了一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺；通过集成化、模块化和微小型化，有效降低了光纤陀螺的重量、体积和功耗，满足了微小卫星对光纤陀螺精度、可靠性、小体积、低功耗和低成本的要求。

所述的微小型复用集成光纤陀螺，包括光收发模块、敏感环模块和信号处理模块，采用时分复用方案，在每一个工作时刻，只有一个轴正常工作处于闭环控制通道，进行方波调制和阶梯波闭环反馈，其余两个轴处于深度调制通道，不工作在敏感区；光收发模块采用光控原理，利用探测器的直流信号作为反馈量形成闭环控制系统，设计光源驱动电路。

光收发模块作为发光和检测光信号的模块，包括集成在一起的850nm光源、光电探测器、光源驱动电路和前放电路；光源和光电探测器分别连接光源驱动电路和前放电路，提供光信号和检测；光源驱动电路一端与光源相连接提供恒定电流，另一端连接光电探测器，获取探测器的光功率信号直流分量作为反馈量调整自身的驱动输出；光电探测器同时连接前放电路一端，将探测器的交流分量作为陀螺信号，前放电路的另一端与外部信号处理模块连接；

光源和光电探测器同时通过耦合器连接敏感环模块；敏感环模块包括三个y波导和三个光纤环；三个光纤环包括x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环；每个光纤环分别连接一个y波导；同时三个y波导各自连接信号处理模块中的一个驱动电路；三个光纤环选取中心波长为850nm的细光纤。

信号处理模块由a/d转换器(模拟/数字转换器)，现场可编程门阵列(fpga)，三个d/a(数字/模拟转换器)转换器和三个驱动电路集成在一起。

a/d转换器引出一个端口用来与光收发模块的前放电路相连接，另一个端口连接集成fpga，fpga内部集成了闭环控制通道，深度调制通道以及三个双选数字开关组合的时序控制通道。

三个双选数字开关选用数字逻辑设置，分别与三个d/a转换模块一一相连接，每个d/a转换模块各自对应一个驱动电路，每个驱动电路各连接一个y波导，进而分别驱动x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环；

前放电路将探测到的陀螺信号传递给a/d转换模块，转换为数字信号后传给fpga，fpga通过双选数字开关在不同的工作周期内，使x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环分别工作在不同通道，处于不同的工作状态以便分时工作；

分时复用的原理如下：

首先，根据三个轴光纤环的长度分别计算x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环的渡越时间；

x-轴光纤环的渡越时间为：

lx为x-轴光纤环的长度；c为真空中的光速，n为光纤的折射率；

y-轴光纤环的渡越时间为：ly为y-轴光纤环的长度；

z-轴光纤环的渡越时间为：lz为z-轴光纤环的长度；

然后，利用三个轴光纤环的渡越时间计算三个轴的工作时间；

x-轴光纤环的工作时间为：tx＝nx×δτx；nx为x-轴光纤环的调制次数。

y-轴光纤环的工作时间为：ty＝ny×δτy；ny为y-轴光纤环的调制次数。

z-轴光纤环的工作时间为：tz＝nz×δτz；nz为z-轴光纤环的调制次数。

最后，确定x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环的工作时序，按照工作时序使不同的轴工作在不同的通道，保证在同一时刻只有当前工作的轴工作在闭环控制通道，另外两个轴工作在深度调制通道。

本发明采用无制冷光源，通过模拟闭环光功率控制的光源驱动，无需温控电路，恒流驱动的原理如下：

首先，光源驱动电路滤波获取探测器输出信号的直流分量，传递函数为z^-1，反馈后的直流分量放大得到k2，并与给定值p对比形成误差信号εp；放大滤波和传递函数得到ka·z^-1；然后将输出电流信号i通过电压取样得到k1反馈形成误差信号εi，并与ka·z^-1进行积分运算，形成恒定的电流信号kp作为光源的恒流驱动。

本发明的优点在于：

1)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，将三轴数字闭环光纤陀螺模块化，分为光收发模块、信号处理模块和敏感环模块三个模块；具有质量轻、体积和功耗低等方面的优点。

2)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用波长为850nm的光源方案，在减小陀螺体积和功耗等方面的基础上又能够保证光纤陀螺精度。

3)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用模拟闭环控制的光源驱动电路，可以避免大量的温控电路的设计，同时相对于数字闭环控制的驱动电路，结构简单，节省ad和da转换器等电子元器件。

4)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用时分复用技术，三个轴共用一个光收发模块、一个耦合器和一个信号处理模块，陀螺体积大大减小、结构更加紧凑、元器件数量缩减。

5)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，fpga集成了闭环控制通道和深度调制通道，以及三个双选数字开关。通过三个开关可以保证任意时刻只有一个轴处于闭环控制通道，另外两个轴处于深度调制通道。在保证工作轴精度的同时，通过深度调制通道使另外两个轴对信号的干扰程度减到最小。

附图说明

图1是本发明一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺的整体框图；

图2是本发明基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺时分复用的工作时序图；

图3是本发明基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺信号处理模块的集成图；

图4是本发明基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺的光源驱动原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种基于850nm无制冷光源的微小型时分复用模块化光纤陀螺，如图1所示，采用了模块化和集成技术，按模块划分并分模块集成。模块化技术体现在：将光纤陀螺分为三个模块：光收发模块、敏感环模块和信号处理模块。每个模块集成化为体积微小的一个小模块，尤其信号处理模块将更多功能的检测控制技术集成在一起；模块化的光纤陀螺在保证光纤陀螺结构紧凑的情况下，也可以方便陀螺装配。

通过集成化技术将光纤陀螺的光收发模块和信号处理模块进行高度集成；集成技术体现在：将光源、探测器、光源驱动电路和前放电路集成为光收发模块；使得电路噪声降低并方便装配；y波导和光纤环构成敏感环模块；将a/d转换模块、fpga、d/a转换模块和驱动电路集成为信号处理模块；其中fpga内部集成了闭环控制通道和深度调制通道，以及三个双选数字开关组成的时序控制通道。

所述的光收发模块中，光源采用波长为850nm的sld光源，其优点在于850nm光源理论精度相对于常用的1550nm和1310nm光源较高，这样就使得在保证光纤陀螺小型化和集成化的基础上又能够保证光纤陀螺的精度不受影响；降低功耗体积节省成本。

光源和光电探测器分别连接光源驱动电路和前放电路，提供光信号和检测；光源驱动电路一端与光源相连接提供恒定电流，另一端连接光电探测器，光源驱动电路获取探测器的光功率信号直流分量作为反馈量调整自身的驱动输出；光电探测器同时连接前放电路一端，获取探测器的交流分量作为陀螺信号，前放电路的另一端与外部信号处理模块连接，将探测到的信号在信号处理模块中进行处理。

光源和探测器同时通过耦合器连接敏感环模块；敏感环模块包括三个y波导和三个光纤环；三个光纤环包括x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环；每个光纤环分别连接一个y波导；同时三个y波导各自连接信号处理模块中的一个驱动电路。

信号处理模块由a/d转换模块，集成的fpga，三个d/a转换模块和三个驱动电路集成在一起。a/d转换模块引出一个端口用来与光收发模块的前放电路相连接，另一个端口连接集成fpga，fpga内部集成了闭环控制通道，深度调制通道以及三个双选数字开关组合的时序控制通道。三个双选数字开关选用数字逻辑设置，分别与三个d/a转换模块一一相连接，每个d/a转换模块各自对应一个驱动电路，每个驱动电路各连接一个y波导，进而分别驱动x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环；开关的作用用于控制三个轴分别工作在哪一个通道。

前放电路将探测到的陀螺信号传递给a/d转换模块，转换为数字信号后传给fpga，fpga通过数字逻辑设置三个双选数字开关在不同的工作周期内，使x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环分别工作在不同通道，使三个轴处于不同的工作状态以便三轴分时工作；

光纤陀螺信号处理模块集成框图如图3所示。图3中的通道1为闭环控制通道，通道2为深度反馈通道，通道3为工作时序控制逻辑。通道1中，分为第一闭环控制①和第二闭环控制②。①实现信号解调处理，以及对y波导进行方波调制(其调制频率为光纤环的本征频率的1/2)，调制误差相位反馈。方波调制和阶梯波反馈信号同时加在y波导上实现某一个陀螺轴向的闭环控制①。②闭环对信号进行2π复位探测，用来实现半波电压不稳定造成的误差，以实现第二闭环控制。图3中的通道，fpga产生方波对处于该通道的两个轴进行深度调制以使y波导上产生±π的相位调制。深度调制通道的目的是为了使不工作的两个轴输出的光功率降到最小，减小这两个轴对工作状态的轴向的干扰，提高陀螺的精度。

光纤陀螺时分复用结构，三个轴共用一个光收发模块、一个耦合器和一个信号处理模块。能够有效减少光电元器件的使用，使得结构更加紧凑，最大程度上减小了陀螺的重量和体积，同时节省了成本。为了实现三个轴的时分复用，需要对信号处理模块进行分时控制。为此，在fpga内部集成了闭环控制通道、深度调制通道、工作时序控制逻辑以及三个双选数字开关s1、s2、s3分别控制三个轴工作在不同的通道，三个轴的工作时序流程图如图2所示，

首先，根据三个轴光纤环的长度分别计算x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环的渡越时间；

x-轴光纤环的渡越时间为：

lx为x-轴光纤环的长度；c为真空中的光速，n为光纤的折射率；

y-轴光纤环的渡越时间为：ly为y-轴光纤环的长度；

z-轴光纤环的渡越时间为：lz为z-轴光纤环的长度；

然后，利用三个轴光纤环的渡越时间计算三个轴的工作时间；

x-轴光纤环的工作时间为：tx＝nx×δτx；nx为x-轴光纤环的调制次数。

y-轴光纤环的工作时间为：ty＝ny×δτy；ny为y-轴光纤环的调制次数。

z-轴光纤环的工作时间为：tz＝nz×δτz；nz为z-轴光纤环的调制次数。

最后，确定x-轴光纤环，y-轴光纤环和z-轴光纤环的工作时序，按照工作时序使不同的轴工作在不同的通道，保证在同一时刻只有当前工作的轴在闭环控制通道，另外两个轴工作在深度调制通道。

本发明为了进一步实现光纤陀螺的微小型化，采用850nm光源无制冷方案，通过模拟闭环光功率控制的光源驱动，无需专门的温控电路，无制冷方案可以避免复杂的光源温控电路，只需要将探测器的信号取直流分量反馈到光源驱动电路的输入端，然后通过放大滤波和积分运算来控制光源的驱动电流，进而保证光源恒定的驱动电流。温度变化所引起的光源光功率的变化最终都可以通过这种闭环的控制方式使其光功率趋于稳定。恒流驱动的原理如图4所示，如下：

第一个反馈环路是通过获取探测器输出信号的直流分量(即负偏)，取直流分量方法为滤波，传递函数为z^-1，直流分量反应了光源输出功率的大小，所以将该反馈后的分量进行放大k2后与给定值p对比形成误差信号εp，然后放大滤波，传递函数为ka·z^-1；为了解决实际应用中控制电路可能出现的闭环震荡问题，将输出电流信号i通过电压取样k1反馈形成误差信号εi，然后与ka·z^-1进行积分运算，形成恒定的电流信号kp作为光源的恒流驱动。

无制冷的光源驱动方案，当温度改变引起光源输出功率变化时，会形成相应的负反馈回路最终可以将光功率稳定在设定值。当温度上升，光源输出光功率下降，这样就会引起输出光功率与给定p的误差信号εp的产生，误差信号可以调整驱动电路使得驱动电路增大，最终光功率又会稳定在给定值。同理，当温度下降时最终也可以使光功率稳定在设定值。

由sagnac效应的公式(1)，可以明显看出，在光纤陀螺的光纤环长度一定的情况下，850nm方案的光纤陀螺的精度会更高。

式中，l为光纤长度；r为光纤环的半径；为光源的平均波长；ω为旋转角速度；φs为sagnac相移。

换言之，在保证光纤陀螺精度的情况下，850nm光源方案的光纤陀螺所使用的光纤环的长度更小，所以通过850nm光源方案可以进一步缩减光纤陀螺的体积，减小重量。

本发明与传统的分时复用技术相比，传统的分时复用技术主要采用电子开关或光开关的方法实现轴向之间的切换，这种方法噪声大，精度差，体积大，本发明设计的分时复用，使三轴光纤陀螺共用部分光电元器件；通过fpga中设置闭环控制通道、深度反馈通道，按照工作时序控制不同的轴工作在不同的通道来实现分时调制的，三个轴的工作通过集成在fpga内部的数字开关控制，其中深度反馈通道的作用在于抑制轴间的信号串扰，使当前时刻不工作的轴向工作在不敏感区域，降低噪声和串扰。在每一时刻，处于闭环控制通道的轴向，方波调制、阶梯波闭环反馈，另外两个轴向进行深度调制，使其工作在不敏感区。同时，通过对光功率模拟信号闭环反馈技术方案设计恒流驱动电路驱动光源；通过采用850nm波长的无制冷光源方案简化陀螺结构同时又能保证陀螺精度。