阅读说明：本技术 一种微型一体化光纤陀螺仪 (A kind of micro-integrated fibre optic gyroscope ) 是由 杨双收 冯震 吴迪 岳叶 张海峰 于 2018-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及陀螺仪技术领域,公开了一种微型一体化光纤陀螺仪,包括：薄膜太阳能电池以及与薄膜太阳能电池连接的控制芯片、与控制芯片连接的热敏电阻温度传感器、与控制芯片连接的TEC降温器、与控制芯片连接的第一信号回路以及第二信号回路,薄膜太阳能电池用于为光纤陀螺仪提供工作电源；第二信号回路包括：依次连接在探测器输出端的前置放大电路、模数转换电路、处理器、数模转换电路、后置放大电路,其中,后置放大电路的输出端与Y波导的输入端连接。本发明的实施例一方面使得光纤陀螺仪的体积更小、功能更强大,另一方面还使得光纤陀螺仪在工作过程中温度可控,提高了光纤陀螺仪的测量精度。(The present embodiments relate to gyroscope technology fields, disclose a kind of micro-integrated fibre optic gyroscope, it include: that thin-film solar cells and the control chip connecting with thin-film solar cells, the thermistor temperature sensor connecting with control chip, the TEC cooler connecting with control chip, the first signal circuit connecting with control chip and second signal circuit, thin-film solar cells are used to provide working power for fibre optic gyroscope；Second signal circuit includes: the pre-amplification circuit for being connected to detector output end in turn, analog to digital conversion circuit, processor, D/A converting circuit, postposition amplifying circuit, wherein the output end of postposition amplifying circuit and the input terminal of Y waveguide connect.On the one hand the embodiment of the present invention makes the volume of fibre optic gyroscope smaller, with better function, on the other hand also make fibre optic gyroscope temperature-controllable during the work time, improve the measurement accuracy of fibre optic gyroscope.)

一种微型一体化光纤陀螺仪

技术领域

本发明实施例涉及陀螺仪技术领域，特别涉及一种微型一体化光纤陀螺仪。

背景技术

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。

光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论:当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。

光纤陀螺仪所用的光源除了要求体积小、寿命长、可靠性高以外，还应具有相干长度短、谱宽较宽和波长稳定性好等特点。由于光纤陀螺仪中光学器件对光波波长的依赖性，即使光谱很好的SLD光源，其输出光通过光路系统后，光谱特性也会劣化，其中，对光纤陀螺仪性能影响最大的是光谱的调制度受到改变。对于混偏光纤陀螺仪来说，一般采用光源消偏的方法来解决光谱调制所受的影响。研究表明，在光纤陀螺光路中，进入Y波导的光波的偏振度越低，经过起偏后，其光谱调制度所受的影响越小。光源消偏虽然能降低光源本身发射光波的偏振度，但消偏后的光波要经过一段非保偏光路(光源耦合器)后才进入Y波导。光波经过非保偏光路，光波的偏振态(偏振度)会发生变化，继而存在消偏失效的隐患。

虽然光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度，现在光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。但光纤陀螺仪作为高精度的光电器件，环境温度变化对其输出精度影响较大，而且在光纤陀螺仪的实际工作环境中，工作环境温度可能波动很大，波动大的环境温度会极大降低了光纤陀螺仪输出的可靠性和精度。一方面，环境温度的变化使光纤纤芯的折射率以及媒质的热膨胀系系数以及光纤环的面积发生改变，从而影响光在媒质中的传输，直接影响到对转动角度检测的标度因数的稳定性；另一方面，热辐射造成光纤环局部温度梯度，引起左右旋光路光程不等，从而引起非互易相移，这个非互易的相位偏移将叠加在由Sagnac效应产生的非互易相移中，从而影响光纤陀螺仪的精度。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种微型一体化光纤陀螺仪，一方面使得光纤陀螺仪的体积更小、功能更强大，另一方面还使得光纤陀螺仪在工作过程中温度可控，提高了光纤陀螺仪的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种微型一体化光纤陀螺仪，一种微型一体化光纤陀螺仪，包括：薄膜太阳能电池以及与薄膜太阳能电池连接的控制芯片、与控制芯片连接的热敏电阻温度传感器、与控制芯片连接的TEC降温器、与控制芯片连接的第一信号回路以及第二信号回路，薄膜太阳能电池用于为光纤陀螺仪提供工作电源；

第一信号回路包括：光源驱动模块、与光源驱动模块连接的光源、探测器、光源耦合器、 Lyot型光纤消偏器、Y波导、偏振合束器、光纤调节环、偏振分束器以及保偏光纤环，其中，光源和探测器分别与光源耦合器的输入端连接，光源耦合器的一个输出端依次连接有Lyot型光纤消偏器和Y波导；Y波导的输出端依次连接有偏振合束器、光纤调节环和偏振分束器连接，偏振分束器的两个分束端口分别与保偏光纤环连接；其中，光源选用具有高偏振度的宽谱SLD光源或ASE光源；

第二信号回路包括：依次连接在探测器输出端的前置放大电路、模数转换电路、处理器、数模转换电路、后置放大电路，其中，后置放大电路的输出端与Y波导的输入端连接。

本发明实施方式相对于现有技术而言，一方面将各个功能模块集成到一个控制电路中，使得光纤陀螺仪的体积更小、功能更强大，另一方面通过设置热敏电阻温度传感器以及与控制芯片连接的TEC降温器，还使得光纤陀螺仪在工作过程中温度可控，提高了光纤陀螺仪的测量精度。

优选地，偏振分束器与保偏光纤环相连的角度为0度。

优选地，偏振合束器与Y波导相连的角度为90度。

优选地，光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比≥20dB。

优选地，光源耦合器为2×2或1×2结构的耦合器。

优选地，偏振分束器选用PBS-1*2-1550-S-N型偏振分束器。

优选地，探测器为PFTM901-001型光电探测器。

优选地，处理器为用于姿态解算的FPGA芯片。

优选地，光源耦合器为采用熔锥型熊猫保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。

优选地，保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例中微型一体化光纤陀螺仪示意图；

图2是本发明实施例中第一信号回路示意图；

图3是本发明实施例中第二信号回路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的实施方式涉及一种微型一体化光纤陀螺仪，如图1～3所示，包括：薄膜太阳能电池1以及与薄膜太阳能电池1连接的控制芯片2、与控制芯片2连接的热敏电阻温度传感器3、与控制芯片2连接的TEC降温器4、与控制芯片2连接的第一信号回路5以及第二信号回路6，薄膜太阳能电池1用于为光纤陀螺仪提供工作电源；

具体地，薄膜太阳能电池1可以将太阳能转化成电能，用薄膜太阳能电池1作为光纤陀螺仪用电部件的电源，这样就避免了外接电源带来的安装不便。

热敏电阻温度传感器3可以检测控制芯片2的工作温度，并将检测得到的控制芯片2的工作温度发送给TEC降温器4，TEC降温容器4根据控制芯片2的工作温度对控制芯片2进行降温。

第一信号回路5包括：光源驱动模块7、与光源驱动模块7连接的光源8、探测器9、光源耦合器10、Lyot型光纤消偏器11、Y波导12、偏振合束器13、光纤调节环14、偏振分束器15以及保偏光纤环16，其中，光源8和探测器9分别与光源耦合器10的输入端连接，光源耦合器10的一个输出端依次连接有Lyot型光纤消偏器11和Y波导12；Y波导12的输出端依次连接有偏振合束器13、光纤调节环14和偏振分束器15连接，偏振分束15器的两个分束端口分别与保偏光纤环16连接；其中，光源8选用具有高偏振度的宽谱SLD光源或ASE 光源；

其中，保偏光纤环16是利用MCVD预制棒制备系统、光纤拉丝塔、PK2600预制棒检测系统、PK2500光纤检测设备等研制了耐研磨、大拍长、高数值孔径的细径的细径保偏光纤，该光纤的特点包括：1)光纤可直接进行斜面研磨抛光并保证应力区不开裂，进而将研磨过的光纤与Y波导器件进行粘结，取代了传统的熔接工艺，降低了熔点对光纤陀螺性能的影响； 2)该光纤包层直接60um、数值孔径大于0.2(传统保偏光纤包层直接80um，数值孔径小于 0.17)，因此极大的提高了光纤的耐弯曲性能，为绕制微型(光纤环直径小于15mm)光纤陀螺仪提供了良好的基础。通过使用新的熔接工艺得到的保偏光纤环绕制的光纤陀螺仪性能优于1°/h。

本发明实施例中的光纤陀螺仪的所述光源8可采用ASE光源，ASE，AmplifiedSpontaneous Emission的缩写，中文名为：放大自发辐射，ASE光源是一种高稳定、高功率输出的光源，同时具有很低的偏振度；本发明实施例中的光纤陀螺仪的所述光源3也可采用SLD 光源，SLD，Super Luminescent Diode的缩写，中文名为：超辐射发光二极管，SLD光源具有高光功率、宽光谱和较好的波长稳定性的优点。

第二信号回路6包括：依次连接在探测器9输出端的前置放大电路17、模数转换电路18、处理器19、数模转换电路20、后置放大电路21，其中，后置放大电路21的输出端与Y波导 12的输入端连接。

光源8产生波长和功率稳定的光信号，与光源耦合器10相连。光信号经过光源耦合器 10进入Y波导12，Y波导12将一束光分为三束相干光，并且可对相干光信号进行相位调制。光纤调节环14是敏感角速率的部件。三束光经过光纤调节环14又回到Y波导12，发生干涉。干涉光经过光源耦合器10进入探测器9，探测器9将光强信号转换为电压信号。

第一信号回路5的终点经探测器9转换为电信号输出至第二信号回路6，第二信号回路6 包括依次连接在探测器输出端的前置放大电路、模数转换电路、处理器、数模转换电路、后置放大电路，前置放大电路与探测器连接，后置放大电路与Y波导连接。光源通过光源耦合器，向各个敏感元件头供应光能量。第一信号回路的终点由探测器承接汇总，经过前置放大电路、模数转换电路转换成数字信号，由处理器实施陀螺算法，而后通过数模转换器、后置放大电路驱动Y波导进行光电控制，完成整个工作循环，同时处理器把处理得到的结果通过光纤陀螺仪上的输出接口输出。

本发明的处理器为集成了角速率解算单元和姿态解算单元的FPGA芯片，能直接输出姿态方位角。

由于信号解调的需要，保偏光纤环内光纤的长度是有一定的限制的，要保证测量精度，光纤长度需要达到150米以上，但这会使得保偏光纤环的体积变大，而目前很多应用场所，对保偏光纤环的体积大小有严格的要求，这就使光纤陀螺仪的测量精度和体积之间存在矛盾。本发明提供的这种光纤陀螺仪，在Y波导和保偏光纤环之间增设依次连接的偏振合束器、光纤调节环和偏振分束器，使得在不改变保偏光纤环的基础上通过改变本征频率从而保证所需测量精度。相比现有技术，本发明提供的这种光纤陀螺仪，可以实现保偏光纤环与其他部件的分离，光纤调节环与保偏光纤环之间的部件内承载两个方向的光的传输，从根本上避免了对保偏光纤环测量的影响，拓展了本发明提供的这种光纤陀螺仪的适用范围，进一步提高了陀螺仪的测量精度和可靠性。

因为整个光路只有保偏光纤环能够敏感感应载体的角速率变化，而光纤调节环内的两路振动方向相互垂直的光束对外界信息的敏感是严格互易的，在后续的干涉解调过程中，光纤调节环不会发出干涉信号，从而保证了保偏光纤环的测量精度，解决了光纤陀螺仪体积和测量精度之间的矛盾。

保偏光纤环得到载体信息，并依次通过偏振分束器、光纤调节环和偏振合束器，在Y波导处发生干涉，干涉信号经过单模耦合器后传输给探测器，之后再经过电信号回路处理得到载体的角速度信息。

具体地，偏振分束器与保偏光纤环相连的角度为0度。

具体地，偏振合束器与Y波导相连的角度为90度。

具体地，光源耦合器的直通臂的输出偏振消光比≥20dB。

具体地，光源耦合器为2×2或1×2结构的耦合器。

具体地，偏振分束器选用PBS-1*2-1550-S-N型偏振分束器。

具体地，探测器为PFTM901-001型光电探测器。

具体地，处理器为用于姿态解算的FPGA芯片，FPGA(Field-Programmable GateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

具体地，光源耦合器为采用熔锥型熊猫保偏光纤耦合器制备方法制备的耦合器。

具体地，保偏光纤环为保偏光纤绕制的光纤线圈。

与现有技术相比，本发明实施例一方面使得光纤陀螺仪的体积更小、功能更强大，另一方面还使得光纤陀螺仪在工作过程中温度可控，提高了光纤陀螺仪的测量精度。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。