降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺与流程

5nm之间，这对于滤波器的参数匹配性提出了很高要求。由于光学器件在制作时，同一设计指标下，产品实际指标存在误差，个体间存在差异，比如某款泵浦激光器手册上标明其中心波长范围是973-975nm，谱宽最大值为2nm（主峰），想要在滤波后完整保留主峰且将距离小于主峰谱宽的次峰完全滤除，使用中心波长固定的滤波器是难以满足要求的，与此同时滤波器中心波长也存在个体差异，这更增加了与泵浦光中心波长完全匹配的难度。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺，在全温范围内可将光纤陀螺标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。
8.本发明是通过以下技术方案予以实现：
9.降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括如下步骤：s1：根据光纤陀螺用泵浦激光器手册记载的谱型特点确定光纤bragg光栅的中心波长范围及反射谱宽范围；s2：通过光谱分析仪测试光纤陀螺用泵浦激光器的实际谱型；s3：制作光谱切趾滤波器：将确定的中心波长范围及反射谱宽范围的光纤bragg光栅刻蚀区盘绕在芯轴上，然后将光纤bragg光栅一端尾纤与1
×
2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
×
2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
×
2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤接入光谱分析仪后，将芯轴固定，对光纤bragg光栅两端的尾纤施加拉力，光谱分析仪测试泵浦光经滤波后的谱型，使光纤bragg光栅的中心波长与步骤s2测试出的光纤陀螺用泵浦激光器实际谱型的中心波长一致后停止施加拉力，然后将光纤bragg光栅固化到芯轴上完成光谱切趾滤波器的制作；s4：制作光纤陀螺：将将1
×
2耦合器的尾纤与光谱分析仪拆除后与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与y波导输入端耦合，y波导的尾纤与光纤敏感环的尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与y波导的反馈端耦合；s5：对光纤陀螺进行标度因数建模补偿：将s4制作完成的光纤陀螺进行全温测试，得到标度因数模型曲线，然后将标度因数模型曲线按温度分段进行分段线性拟合，得到分段线性拟合值，在每个分段上，用光纤陀螺原始输出值减去拟合值，得到补偿后的陀螺输出。
10.优化的，s1中确定光纤bragg光栅的中心波长为泵浦激光器手册记载谱型中心波长的最小值，光纤bragg光栅的谱宽范围为泵浦激光器手册记载谱型谱宽范围的1-1.5倍。
11.优选的，1
×
2耦合器工作波长为980
±
10nm，1
×
2耦合器分光比为50:50。
12.优化的，芯轴由金属材料制作而成。
13.进一步，s5中对光纤陀螺进行全温试验时，将光纤陀螺固定在温箱内的转台上，转台匀速水平转动，温箱的温度在全温范围内以匀速变化。
14.优化的，s3中光纤bragg光栅与芯轴之间采用高模量丙烯酸酯或环氧树脂固化。
15.一种降低标度因数温度灵敏度的光纤陀螺，用以执行上述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括泵浦激光器、光谱切趾滤波器、光波分复用器、掺铒光纤、光纤反射镜、光隔离器、光纤滤波器、保偏分束器、调制解调器、y波导、光纤敏感环圈和光电探测器，所述光谱切趾滤波器包括芯轴、1
×
2耦合器及光纤bragg光栅，光纤bragg光栅的刻蚀区固定盘绕在芯轴上且光纤bragg光栅的中心波长与泵浦激光器的中心波长一致，光纤bragg光栅一端尾纤与1
×
2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
×
2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
×
2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与y波导输入端耦合，y波导的尾纤与光纤敏感环圈的尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与y波导的反馈端耦合。
16.优化的，芯轴为金属芯轴。
17.发明的有益效果：本发明提供的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺，在全温范围内可将光纤陀螺标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。
附图说明
18.图1为本发明光纤陀螺具体结构示意图。
19.图2为泵浦激光器未通过光谱切趾滤波器滤波前的谱型图。
20.图3为泵浦激光器通过光谱切趾滤波器滤波后的谱型图。
21.图4为未通过切趾滤波器滤波的光纤陀螺输出建模曲线。
22.图5为通过切趾滤波器滤波的光纤陀螺输出建模曲线。
23.图6为未通过切趾滤波器滤波的补偿后的光纤陀螺输出曲线。
24.图7为通过切趾滤波器滤波的补偿后的光纤陀螺输出曲线。
25.图中：1.泵浦激光器，2.光谱切趾滤波器，21.1
×
2耦合器,22.光纤bragg光栅,23. 芯轴,3.光波分复用器，4.掺铒光纤，5.光纤反射镜，6.光隔离器，7.光纤滤波器，8.保偏分束器,9.y波导,10.光纤敏感环圈,11.光电探测器,12.调制解调器。
具体实施方式
26.降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括如下步骤：s1：根据光纤陀螺用泵浦激光器手册记载的谱型特点确定光纤bragg光栅的中心波长范围及反射谱宽范围；泵浦激光器手册记载的谱型包括中心波长范围、谱宽范围，查阅泵浦激光器手册，可以获得光纤陀螺所用泵浦激光器的中心波长范围和谱宽最大值，光纤bragg光栅谱宽和中心波长的选择遵循以下原则：保证泵浦激光器的光谱经光纤bragg光栅滤波后完整保留
主峰，并滤除其他次峰。s2：通过光谱分析仪测试光纤陀螺用泵浦激光器的实际谱型。由于同一型号泵浦激光器个体间存在参数差异，需测试当前光纤陀螺用泵浦激光器中心波长、谱宽等参数，据此对光谱切趾滤波器进行参数调整，才能使光纤陀螺的输出更加精准；s3：制作光谱切趾滤波器：将确定的中心波长范围及反射谱宽范围的光纤bragg光栅刻蚀区盘绕在芯轴上，然后将光纤bragg光栅一端尾纤与1
×
2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，斜切的角度可优选8
°
，可以很好的消除端面反射。1
×
2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
×
2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤接入光谱分析仪后，将芯轴固定，对光纤bragg光栅两端的尾纤施加拉力，光谱分析仪测试泵浦光经滤波后的谱型，使光纤bragg光栅的中心波长与步骤s2测试出的光纤陀螺用泵浦激光器实际谱型的中心波长一致后停止施加拉力，然后将光纤bragg光栅固化到芯轴上完成光谱切趾滤波器的制作；
27.由于同种型号光学器件包括泵浦激光器和光纤bragg光栅，个体间存在参数差异，其参数并不能完全一致，只能控制在一定的波动范围内，所以通过光谱切趾滤波器对泵浦激光器进行滤波，完整保留主峰，并滤除其他次峰，需要根据泵浦激光器中心波长调整光纤bragg光栅中心波长。由于光纤bragg光栅中心波长随应力变化近似线性变化，所以可以通过施加应力方式调整光纤bragg光栅中心波长，使光谱分析仪上显示滤波后的泵浦光谱型与原泵浦光谱型主峰一致，不存在谱宽损失且除主峰外其他次峰已被滤除，这样可以达到很好的滤波效果。
28.具体泵浦激光器未通过光谱切趾滤波器滤波前的谱型图如附图2所示，泵浦激光器通过光谱切趾滤波器滤波后的谱型图如附图3所示，可见泵浦激光器通过光谱切趾滤波器滤波后，除主峰外的其他次峰已经被滤除。s4：制作光纤陀螺：将1
×
2耦合器的尾纤与光谱分析仪拆除后与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与y波导输入端耦合，y波导的尾纤与光纤敏感环的尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与y波导的反馈端耦合，从而完成光纤陀螺的制作，制作成的光纤陀螺具体结构示意图如附图1所示；
29.光纤陀螺的工作原理：泵浦激光器1输出的泵浦光经光谱切趾滤波器2进行切趾整形滤波后，再通过光波分复用器3进入掺铒光纤4形成前向和后向放大自发幅射光，掺铒光纤的另一端连接光纤反射镜5，前向放大自发辐射光经光纤反射镜反射后与后向放大自发辐射光经光波分复用器3、光隔离器6和光纤滤波器7输出，上述部分组成光纤陀螺光路结构中的光源部分。光源输出光经保偏分束器8进入y波导9单端，等分成两束光波后由双端输出，分别与光纤敏感环圈10连接，两束光波分别延顺时针和逆时针方向进入光纤敏感环圈，在光纤陀螺存在角速度时，顺逆时针光波光程不同，产生相位差，两束光波经过光纤敏感环圈后返回y波导汇合后发生干涉，干涉光强的大小反映了光纤陀螺角速度，干涉光由y波导单端输出至保偏分束器8，再经保偏分束器输出至光电探测器11进行光电转换成电信号后
由调制解调电路进行检测和角速度解算，然后再将结果反馈给y波导形成闭环。
30.s5：对光纤陀螺进行标度因数建模补偿：将s4制作完成的光纤陀螺进行全温测试，得到标度因数模型曲线，然后将标度因数模型曲线按温度分段进行分段线性拟合，得到分段线性拟合值，在每个分段上，用光纤陀螺原始输出值减去拟合值，得到补偿后的光纤陀螺输出。
31.具体进行全温测试时，将光纤陀螺固定安装在温箱内的转台上，转台水平匀速旋转，通常转速设定为
±
30
°
／ｓ，温箱温度在全温范围内匀速变化。通常温箱的全温范围为－40～60℃，温度以１℃／min的速率匀速变化。
32.具体的建模测试过程为：启动转台，将温箱定值到－40℃保温2ｈ后开始测试，温箱由－40℃匀速升温到60℃，保温2ｈ，再匀速降温到－40℃，保温2ｈ，光纤陀螺经历一个完整的全温循环后结束测试，得到光纤陀螺输出的序列值，其中表示函数值在序列出现的序号，将光纤陀螺输出的序列值绘制成曲线，得到光纤陀螺输出建模曲线， 如附图4、5所示，附图4表示未通过切趾滤波器滤波得到的光纤陀螺输出建模曲线，附图5表示通过切趾滤波器滤波后得到的光纤陀螺输出建模曲线。
33.根据陀螺输出等于陀螺角速率与陀螺标度因数的乘积关系，即式（4），可以得知，光纤陀螺输出建模曲线即为标度因数建模曲线：（4）其中：为转速，是一个常量，表示离散的光纤陀螺标度因数序列。然后将标度因数建模曲线按温度分段，通常以10℃为间隔进行分段，以20℃时光纤陀螺输出值为基点，进行分段线性拟合，拟合模型为，
34.其中：为每一分段光纤陀螺输出的拟合补偿值，为每一分段拟合直线斜率，为每一分段内随着变变化的温度值，为每一分段拟合直线的纵截距，在每一个分段上通过式（5）进行计算，就可以得到补偿后的光纤陀螺输出值：（5）其中：为补偿后的光纤陀螺输出值，可以绘制成补偿后的陀螺输出曲线，如附图6、7所示，附图6表示未通过切趾滤波器滤波得到的补偿后的光纤陀螺输出曲线，附图7表示通过切趾滤波器滤波后得到的补偿后的光纤陀螺输出曲线。
35.从补偿后的光纤陀螺输出曲线数据中可以读出最大值与最小值。
36.根据附图6可以得知，未通过切趾滤波器滤波得到的补偿后的光纤陀螺输出曲线的最大值为-62396562，最小值为-62407941。根据附图7可以得知，应用本发明的切趾滤波器滤波后得到的补偿后的光纤陀螺输出曲线的最大值为-62396241，最小值为-62397468。
37.根据式（6）及式（7），则可以计算出本发明光纤陀螺的标度因数温度灵敏度：=(6)
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(7)
其中，为标度因数补偿残差，为标度因数温度灵敏度，为温度范围，为20℃时的标度因数，为20℃时的光纤陀螺输出。本实施例中，，，未应用本发明的陀螺输出曲线为62402701，应用本发明的陀螺输出曲线为62396616，通过式（6）（7）可以计算出，未应用本发明的切趾滤波器滤波的标度因数补偿残差，标度因数温度灵敏度；
38.应用本发明的切趾滤波器滤波后，标度因数补偿残差，标度因数温度灵敏度sk=9.8ppm/100℃=0.098ppm/℃。将应用前后的两个标度因数温度灵敏度比较可以看出，本发明的标度因数温度灵敏度降低了近一个数量级。
39.因此，采用本发明提供的方法之后，光纤陀螺标度因数建模图形，去除了应用前的拐点，即极值点，光纤陀螺标度因数补偿图形的光路波长随温度单调变换无极值点，且补偿残余误差减小，标度因数温度灵敏度降低了近一个数量级。
40.优化的，s1中确定光纤bragg光栅的中心波长为泵浦激光器手册记载谱型中心波长的最小值，光纤bragg光栅的谱宽范围为泵浦激光器手册记载谱型谱宽范围的1-1.5倍。为保证泵浦激光器的光谱经光纤bragg光栅滤波后完整保留主峰，并滤除其他次峰，选定光纤bragg光栅谱宽为泵浦激光器谱宽1-1.5倍为最佳，若光纤bragg光栅谱宽过小，会对泵浦光主峰滤波造成能量损失，若光纤bragg光栅谱宽过大可能无法完全滤除次峰；由于光纤bragg光栅受应力后中心波长增大，为保证光栅中心波长的可调整至与泵浦激光器中心波长一致，光栅中心波长选定为泵浦激光器中心波长范围的最小值为最佳。
41.优化的，s3中光纤bragg光栅与芯轴之间采用高模量丙烯酸酯或环氧树脂固化，固化效果比较好。
42.一种降低标度因数温度灵敏度的光纤陀螺，用以执行上述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括泵浦激光器1、光谱切趾滤波器2、光波分复用器3、掺铒光纤4、光纤反射镜5、光隔离器6、光纤滤波器7、保偏分束器8、调制解调器12、y波导9、光纤敏感环圈10和光电探测器11，所述光谱切趾滤波器包括23、1
×
2耦合器21及光纤bragg光栅22，光纤bragg光栅的刻蚀区固定盘绕在芯轴上且光纤bragg光栅的中心波长与泵浦激光器的中心波长一致，光纤bragg光栅一端尾纤与1
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2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
×
2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
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2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与y波导输入端耦合，y波导的尾纤与光纤敏感环圈的
尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与y波导的反馈端耦合。上述降低标度因数温度灵敏度的光纤陀螺采用上述方法对光纤陀螺进行标度因数建模补偿，可以使光纤陀螺在全温范围内的标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。
43.优选的，1
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2耦合器工作波长为980
±
10nm，1
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2耦合器分光比为50:50。
44.优化的，芯轴由金属材料制作而成。芯轴材料应具有线胀系数小的特点，以避免芯轴自身尺寸变化带来的光栅应力变化。这里的金属材料优选硬铝合金、铜钛合金等热膨胀系数小于２５
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／℃的金属材料，保证芯轴材料线胀系数符合要求。
45.综上所述，本发明提出的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺，在全温范围内可将光纤陀螺标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。