一种光纤陀螺仪
阅读说明：本技术 一种光纤陀螺仪 (Optical fiber gyroscope ) 是由 周宏泽 吕钢 吕翀 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤陀螺仪,包括环耦合器和传感环,环耦合器耦合有一根输入光纤和两根输出光纤：输出光纤a和输出光纤b,传感环由所述输出光纤环绕制成；光纤陀螺仪还包括隔热磁屏蔽盒,屏蔽盒上设有微孔,环耦合器和传感环设置在磁屏蔽盒内部；输入光纤通过微孔穿出屏蔽盒并连接到光纤陀螺仪的其余部分。该传感环的光纤中点位置位于光纤环的外侧,而传感环的二尾端处于传感环的内侧,可以有效降低外界环境参数如温度快速变化引起的Shupe效应；同时,隔热磁屏蔽盒和屏蔽盒上仅允许输入光纤穿过的微孔的设置有效隔离了陀螺仪发热元器件的影响。(The invention discloses an optical fiber gyroscope, which comprises a ring coupler and a sensing ring, wherein the ring coupler is coupled with an input optical fiber and two output optical fibers: the sensing ring is made by encircling the output optical fibers; the optical fiber gyroscope also comprises a heat-insulating magnetic shielding box, wherein the shielding box is provided with micropores, and the ring coupler and the sensing ring are arranged in the magnetic shielding box; the input optical fiber passes out of the shield case through the micro-hole and is connected to the rest of the optical fiber gyro. The middle point position of the optical fiber of the sensing ring is positioned at the outer side of the optical fiber ring, and the two tail ends of the sensing ring are positioned at the inner side of the sensing ring, so that the Shupe effect caused by the rapid change of external environment parameters such as temperature can be effectively reduced; meanwhile, the heat insulation and magnetic shielding box and the arrangement of the micropores which only allow the input optical fibers to pass through on the shielding box effectively isolate the influence of the heating components of the gyroscope.)
技术领域
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种时变温度场稳定的光纤陀螺仪。
背景技术
传统的光纤陀螺制作过程如图4所示，用一段长度为数百米至数千米的光纤，从光纤的中间点开始在一个圆柱形支架上按四极子绕法交替绕制，用胶水固化后，去除圆柱形支架，形成光纤传感环8，将光纤传感环8的二根尾纤8-1和8-2分别与铌酸锂Y型波导多功能芯片1(Y波导1)的二根输出尾纤1-2和1-3相熔接，Y波导1的输入光纤1-1与光纤陀螺其余部分2中的源耦合器输出尾纤相连，除源耦合器外，光纤陀螺其余部分2还包含光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路。以上部件安装在一个圆型金属磁屏蔽盒9内。
由于环境变化如随时间变化的温度空间梯度场的作用，导致光纤环中二束相对传播的光有不同的相移，从而输出一个误差信号。同样的时变热扰动对于光纤环的中间部位影响较小，而对于光纤环的尾端则影响较大。注意到光纤传感环8的尾端处于靠近金属磁屏蔽盒，因此，这种传统结构受随时间变化的温度空间梯度场影响较大。此外，光纤陀螺其余部分2包含的发热元件(光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路)，由于与光纤环没有严格隔离，也会引起较大的热误差。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中由于光纤陀螺仪稳定性受随时间变化的温度空间梯度场影响较大而易输出误差信号的问题，提供一种受随时间变化的温度空间梯度场影响小且信号准确的光纤陀螺仪。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种光纤陀螺仪，包括环耦合器和传感环，所述环耦合器耦合有一根输入光纤和两根输出光纤，所述两根输出光纤分别为输出光纤a和输出光纤b，所述传感环由所述输出光纤绕制而成；
所述光纤陀螺仪还包括隔热磁屏蔽盒(3)，所述磁屏蔽盒(3)上设有微孔(3-1)，所述环耦合器和所述传感环设置在所述屏蔽盒(3)内部；所述输入光纤通过所述微孔(3-1)穿出所述屏蔽盒(3)并连接到所述光纤陀螺仪的其余部分；
所述其余部分包括源耦合器、光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路。
进一步地，所述环耦合器为铌酸锂Y型波导多功能芯片(1)，所述输入光纤、所述输出光纤a和所述输出光纤b为保偏光纤。
进一步地，所述述输出光纤a和输出光纤b分别熔接保偏光纤c(1-5)和保偏光纤d(1-6)，所述保偏光纤c(1-5)和保偏光纤d(1-6)与所述铌酸锂Y型波导多功能芯片(1)二输出端耦合。
进一步地，所述保偏光纤c(1-5)和保偏光纤d(1-6)的主轴与所述铌酸锂Y型波导多功能芯片(1)的两个输出端主轴均成45°角耦合，所述保偏光纤c(1-5)和保偏光纤d(1-6)的长度比为1:2。
进一步地，所述环耦合器为光纤环耦合器(4)，所述隔热磁屏蔽盒(3)内还包括差动光纤相位调制器e(5)和差动光纤相位调制器f(6)，所述差动光纤相位调制器e(5)和差动光纤相位调制器f(6)与所述光纤环耦合器(4)耦合；
所述差动光纤相位调制器e(5)和差动光纤相位调制器f(6)还分别连接所述输出光纤a和所述输出光纤b；
所述输入光纤通过所述微孔(3-1)穿出所述磁屏蔽盒(3)并连接到所述光纤陀螺仪的所述其余部分；
所述其余部分还包括光起偏器。
进一步地，所述差动光纤相位调制器e(5)和差动光纤相位调制器f(6)分别由所述输出光纤a和所述输出光纤b在圆柱体压电陶瓷上绕制而成；
所述传感环由绕制所述差动光纤相位调制器e(5)和差动光纤相位调制器f(6)后剩余的所述输出光纤a和所述输出光纤b绕制而成。
进一步地，所述源耦合器和/或所述光起偏器设置在所述磁屏蔽盒(3)内部。
进一步地，所述输出光纤长度为所述光纤陀螺所需的所述传感环长度的1/2。
进一步地，所述微孔(3-1)的尺寸设置为仅允许所述输入光纤通过；
所述传感环由所述输出光纤a和所述输出光纤b通过四极子绕法绕制而成。
进一步地，依次为用光纤a先按顺时针绕第一层，光纤b再按逆时针绕第二、第三层，光纤a再按顺时针绕第四层；然后重复上述过程，直到将光纤绕完，绕层数为4的整数倍，最后将二根光纤的末端熔接在一起。
本发明取得的有益效果为：
本发明提供的用与铌酸锂Y型波导多功能芯片耦合的二根输出光纤绕制的光纤陀螺仪传感环的光纤中点位置位于光纤环的外侧，而传感环的二尾端处于传感环的内侧，可以有效降低外界环境参数如温度快速变化引起的Shupe效应；同时，隔热磁屏蔽盒和屏蔽盒上仅允许输入光纤穿过的微孔的设置隔离了陀螺仪发热元器件的影响。因此，本发明提供的光纤陀螺仪具有极高的时变空间温度场稳定性。
附图说明
图1是时变温度场稳定的保偏闭环光纤陀螺仪结构示意图；
图2是时变温度场稳定的退偏闭环光纤陀螺仪结构示意图；
图3是时变温度场稳定的开环光纤陀螺仪结构示意图；
图4是传统技术制作的闭环光纤陀螺仪。
附图标记：铌酸锂Y型波导多功能芯片：1；输入光纤：1-1、4-1；输出光纤：1-2、1-3、1-7、1-8、4-2、4-3；保偏光纤c：1-5；保偏光纤d：1-6；熔接点：1-4、1-9、4-4；光纤陀螺仪的其余部分：2、7；磁屏蔽盒：3；微孔：3-1；光纤环耦合器：4；差动光纤相位调制器e：5；差动光纤相位调制器f：6；现有技术光纤传感环：8；现有技术光纤传感环尾纤：8-1、8-2；现有技术磁屏蔽盒：9。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚的阐述。
实施例1
图1是光纤陀螺仪的闭环保偏结构。具体地，光纤陀螺仪用的环耦合器为铌酸锂Y型波导多功能芯片1，该铌酸锂Y型波导多功能芯片1耦合有一根输入光纤(短保偏光纤尾纤)1-1、二根输出光纤1-2和1-3，输出光纤1-2和1-3是尾纤长度为数百米至数千米的保偏光纤，长度为所需光纤陀螺传感环长度的1/2，在此实施例中，将输出光纤1-2命名为光纤a，输出光纤1-3为光纤b。
在一个圆柱体支架上开始绕制光纤环：依次为用光纤a先按顺时针绕第一层，光纤b再按逆时针绕第二、第三层，光纤a再按顺时针绕第四层；然后重复上述过程，直到将光纤基本绕完，并保证所绕层数为4的整数倍，最后将光纤a、b的末端用保偏光纤熔接机焊接在一起，形成熔接点1-4，用胶水将传感环固化后，将圆柱体支架从中间抽掉，形成无骨架光纤环。
将铌酸锂Y型波导多功能芯片1及由输出光纤1-2和输出光纤1-3绕制而成的传感环安装在一个防时变温度梯度场的隔热磁屏蔽盒3中。屏蔽盒3开一个仅能通过一二根光纤的微孔3-1，让铌酸锂Y型波导多功能芯片1的输入光纤1-1通过微孔3-1穿出屏蔽盒3，用光纤熔接机将输入光纤1-1焊接到光纤陀螺其余部分2的源耦合器输出尾纤上。光纤陀螺其余2部分具体包含源耦合器、光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路，光纤陀螺其余部分2安装在屏蔽盒3的外部。
实施例2
图2是光纤陀螺仪的闭环退偏结构。具体地，光纤陀螺仪用的环耦合器为铌酸锂Y型波导多功能芯片1，该铌酸锂Y型波导多功能芯片1耦合有一根输入光纤(短保偏尾纤)1-1、保偏光纤c 1-5和保偏光纤d 1-6，保偏光纤c 1-5和保偏光纤d 1-6为长度为数米。其中，保偏光纤c 1-5和保偏光纤d 1-6的主轴与铌酸锂Y型波导多功能芯片1的二输出波导主轴均成45°角耦合，它们的长度比为1:2。保偏尾纤c 1-5和保偏光纤d 1-6再分别熔接二段长度为所需光纤陀螺传感环长度的1/2的输出光纤1-7和1-8，输出光纤1-7和1-8为长单模光纤，在此实施例中，输出光纤1-7命名为光纤a，长输出光纤1-8命名为光纤b。
在一个圆柱体支架上开始绕制光纤环：依次为用光纤a先按顺时针绕第一层，光纤b再按逆时针绕第二、第三层，光纤a再按顺时针绕第四层；然后重复上述过程，直到将光纤基本绕完，并保证所绕层数为4的整数倍，最后将a、b光纤末端用光纤熔接机焊接在一起，形成熔接点1-9。用胶水将传感环固化后，将圆柱体支架从中间抽掉，形成无骨架光纤环。
将铌酸锂Y型波导多功能芯片1及由二根输出光纤1-7和1-8绕制而成的传感环安装在一个隔热磁屏蔽盒3中。屏蔽盒开一个仅能通过一二根光纤的微孔3-1，让铌酸锂Y型波导多功能芯片1的输入光纤1-1通过微孔3-1穿出屏蔽盒3，用光纤熔接机将输入光纤1-1焊接到光纤陀螺其余部分2的源耦合器输出尾纤上。光纤陀螺其余部分2具体包含源耦合器、光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路，光纤陀螺其余部分2安装在屏蔽盒3的外部。
实施例3
图3是光纤陀螺仪的开环结构。具体地，光纤陀螺仪的环耦合器为光纤环耦合器4，该光纤环耦合器4有一根输入光纤4-1和二根输出光纤4-2、4-3，输出光纤4-2和4-3尾纤长度约为数百米并且为所需光纤陀螺传感环长度的1/2，输出光纤4-2和输出光纤4-3先分别先在二个圆柱体压电陶瓷上绕制同样长度的数米光纤，构成差动光纤相位调制器e5和差动光纤相位调制器f 6。
差动光纤相位调制器e 5和差动光纤相位调制器f 6绕制完成后，在此实施例中，将余下的输入光纤4-2命名为光纤a，余下的输出光纤4-3为光纤b，在一个圆柱体支架上开始绕制光纤环：依次为用光纤a先按顺时针绕第一层，光纤b再按逆时针绕第二、第三层，光纤a再按顺时针绕第四层；然后重复上述过程，直到将光纤基本绕完，并保证所绕层数为4的整数倍，最后将光纤a、b末端用光纤熔接机焊接在一起，形成熔接点4-4。用胶水将传感环固化后，将圆柱体支架从中间抽掉，形成无骨架光纤环。
将环耦合器4及由二根输出光纤4-2、4-3绕制而成的二个差动光纤相位调制器5和6、传感环安装在一个防时变温度梯度场磁屏蔽盒3中。磁屏蔽盒3一个仅能通过一二根光纤的微孔3-1，让环耦合器4的输入光纤4-1通过微孔3-1穿出屏蔽盒3，用光纤熔接机将输入光纤4-1焊接到光纤陀螺其余部分7内部的起偏器输出尾纤上。
光纤陀螺其余部分7具体包含起偏器、源耦合器、光源、光源驱动板、探测器和信号处理电路，光纤陀螺其余部分7安装在屏蔽盒3的外部，其中的起偏器、源耦合器也可以安装在屏蔽盒3的内部。
具体地，以实施例1的方案为例，铌酸锂集成光学多功能芯片1(铌酸锂Y型波导多功能芯片)为1310nm波段器件，它的输入保偏光纤1-1是1.5米，二根长180米长的保偏光纤直接耦合到铌酸锂Y型波导多功能芯片1的二个输出端，这二根长180米的光纤按上述办法绕制成外径为60mm的传感环，上胶并脱支架。将传感环连同铌酸锂Y型波导多功能芯片1一起安装在一个外径为66mm、厚为1.5mm的μ金属磁屏蔽盒内3，铌酸锂Y型波导多功能芯片1的输入尾纤通过一个300um的微孔连接光纤陀螺其余部分2，其余部分2含有源耦合器、超辐射发光管(SLD)、光源控制板、光电探测器组件(PIN-FET)和FPGA信号处理单元。在1℃/分钟变温条件下测得陀螺的零偏稳定性小于0.1度/小时。对比传统制作同样尺寸同样光纤长度的传感环的光纤陀螺，其在1℃/分钟变温条件下零偏稳定性约0.3度/小时。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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