阅读说明：本技术 一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺 (Differential fiber-optic gyroscope based on temperature drift suppression characteristic of double-core fiber ) 是由 缪立军 石锦 闫景涛 黄腾超 车双良 舒晓武 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺。主要结构包括两个波长不同的光源、两个光耦合器、两个Y型多功能集成光学器件、两个扇入扇出模块、一个双芯光纤环、两个光探测器、一个数字信号采集处理电路板。两个光源发出的光通过各自光路中的光耦合器与Y型多功能集成光学器件,由扇入扇出模块分别引导至双芯光纤环内不同的两根纤芯中并最终独立地发生干涉,从而等效于实现两个时变温度扰动相同的光纤陀螺,通过对干涉信号进行同步探测和差分处理可以有效抑制环境噪声。本发明能够显著抑制环境扰动对光纤陀螺精度的影响,基本消除温度效应等引起的误差,得到载体的精确角速度信息。(The invention discloses a differential fiber optic gyroscope based on a characteristic of inhibiting temperature drift of a double-core fiber. The main structure comprises two light sources with different wavelengths, two optical couplers, two Y-shaped multifunctional integrated optical devices, two fan-in fan-out modules, a double-core optical fiber ring, two optical detectors and a digital signal acquisition and processing circuit board. Light emitted by the two light sources is respectively guided to two different fiber cores in the double-core fiber ring by the fan-in fan-out module through the optical coupler and the Y-shaped multifunctional integrated optical device in respective optical paths and finally independently interfered, so that the method is equivalent to realizing two fiber-optic gyroscopes with the same time-varying temperature disturbance, and the environmental noise can be effectively inhibited by synchronously detecting and differentially processing interference signals. The method can obviously inhibit the influence of environmental disturbance on the precision of the fiber-optic gyroscope, basically eliminate errors caused by temperature effect and the like, and obtain the accurate angular velocity information of the carrier.)

一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体是一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，由于它具有体积小、质量轻、动态范围大、灵敏度高等优点，在惯性导航系统中发挥着重要的作用。光纤陀螺的性能除了与自身精度有关之外，还受到辐射、磁场、振动、温度等周围环境的影响，这些因素都会导致测量精确度的劣化。

通常温度效应对陀螺产生的影响最大。工程应用中为了提高光纤陀螺的灵敏度，往往采用几百米至几千米的光纤绕成多匝线圈，然而由于光纤存在着时变温度扰动，两束反向传播的光波在不同时间经过每一段光纤也会经历不同的相移，即Shupe效应。Shupe效应在光纤陀螺中将产生很大的偏置误差。

温度因素带来的误差往往是随机且难以描述的，目前的解决方法除了利用先进的线圈绕制技术，采用隔热处理和对陀螺作温度建模补偿等以外，主要是利用两种不同波长的光在单个敏感线圈中进行传播，在对角速度信息作同步处理时通过差分来消除温度效应的影响。但是对于不同波长的光束而言，如果波长差小可能会在光路中产生相互干扰，而波长差大时，由于光学器件都有其特定的工作波长，很难同时高质量传输这两种光，最终影响了陀螺性能的提高。

发明内容

为了降低环境因素对光纤陀螺性能的影响，本发明提供一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺，在同一根双芯光纤中实现两个不同工作波长的光纤陀螺，利用双芯光纤内部同一位置处的纤芯温度相近的特点，根据共模抑制的基本原理，通过差分抑制温度效应误差，提升光纤陀螺的稳定性。

本发明的技术方案如下：一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺，包括第一光源、第二光源、第一光耦合器、第二光耦合器、第一Y型多功能集成光学器件、第二Y型多功能集成光学器件、第一扇入扇出模块、第二扇入扇出模块、双芯光纤环、第一光探测器、第二光探测器、数字信号采集处理电路板；

双芯光纤环包层内的两根纤芯两端端口分别为：A端口与C端口、B端口与D端口， A端口和B端口与第一扇入扇出模块相连， C端口和D端口与第二扇入扇出模块相连；第一光源发出的光经过第一光耦合器和第一Y型多功能集成光学器件后被分为两束，一束由第一扇入输出模块进入A端口，另一束由第二扇入扇出模块进入C端口，通过双芯光纤环中的当前纤芯后返回到第一Y型多功能集成光学器件重新合成一路光，干涉光信息最终由第一光探测器转换成电信号；第二光源在另一条光路同样经过第二光耦合器、第二Y型多功能集成光学器件、第一扇入输出模块、第二扇入扇出模块以及B端口、D端口和双芯光纤环，相应的干涉光信息由第二光探测器转换成电信号；第一光探测器与第二光探测器生成的电信号进入数字信号采集处理电路板解调出两条光路对应的转速信息，一方面进行差分后用于陀螺输出，另一方面分别产生相应的调制电压加载到第一Y型多功能集成光学器件和第二Y型多功能集成光学器件上实现闭环反馈以及偏置调制。

其中，第一光源和第二光源分别采用波长为1530nm与1560nm，谱宽为30nm的SLD光源。所述的双芯光纤环中有两根纤芯相对光纤中线呈对称分布，光纤环长3240m，直径12.5cm。

所述的数字信号采集处理电路板包括双路模数转换器、数字信号处理芯片以及双路数模转换器，实现对双路干涉信号的同步处理；由于双芯光纤内部同一位置处的纤芯温度和应力特征等可看作近似相同，通过对同一时刻的两路转速信息进行差分处理，可以抵消环境带来的非互易相位误差，从而将温度等因素导致的漂移降到最低甚至彻底消除，极大程度上提升了光纤陀螺的环境适应性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明采用双路结构，通过两束不同波长的光在同一双芯光纤环的不同纤芯中传播，等效实现了两个光纤陀螺系统。由于两根纤芯所处的环境因素基本相同，两路干涉信号中包含的温度漂移也近似，通过在数字信号处理器中对二者进行差分解算即可抑制温度效应等环境误差，对光纤陀螺的性能起到较大的提升效果。

附图说明

图1是基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺。

其中，第一光源1、第二光源2、第一光耦合器3、第二光耦合器4、第一Y型多功能集成光学器件5、第二Y型多功能集成光学器件6、第一扇入扇出模块7、第二扇入扇出模块8、双芯光纤环9、第一光探测器10、第二光探测器11、数字信号采集处理电路板12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明，以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1，一种基于双芯光纤抑制温度漂移特性的差分光纤陀螺，具体包括波长为1530nm的第一光源1、波长为1560nm的第二光源2、第一光耦合器3、第二光耦合器4、第一Y型多功能集成光学器件5、第二Y型多功能集成光学器件6、第一扇入扇出模块7、第二扇入扇出模块8、双芯光纤环9、第一光探测器10、第二光探测器11、数字信号采集处理电路板12。

光路连接方式及光束传输过程如下：

双芯光纤环9包层内的两根纤芯两端端口分别为：A端口与C端口、B端口与D端口，A端口和B端口与第一扇入扇出模块7相连， C端口和D端口与第二扇入扇出模块8相连；的第一光源1发出的光经过第一光耦合器3和第一Y型多功能集成光学器件5后被分为两束，一束由第一扇入输出模块7进入A端口，另一束由第二扇入扇出模块8进入C端口，通过双芯光纤环9中的当前纤芯后返回到第一Y型多功能集成光学器件5重新合成一路光，干涉光信息最终由第一光探测器10转换成电信号；第二光源2在另一条光路同样经过第二光耦合器4、第二Y型多功能集成光学器件6、第一扇入输出模块7、第二扇入扇出模块8以及B端口、D端口和双芯光纤环9，相应的干涉光信息由第二光探测器11转换成电信号。

信号传输过程如下：

第一光探测器10与第二光探测器11生成的电信号进入数字信号采集处理电路板12解调出两条光路对应的转速信息，一方面进行差分后用于陀螺输出，另一方面分别产生相应的调制电压加载到第一Y型多功能集成光学器件5和第二Y型多功能集成光学器件6上实现闭环反馈以及偏置调制；该过程应注意避免两路电路间的耦合串扰。

其中，第一光源1与第二光源2是谱宽均为30nm的SLD光源；双芯光纤环9为双芯保偏光纤环，两根纤芯相对光纤中线呈对称分布，光纤环长3240m，直径12.5cm；数字信号采集处理电路板12包括双路模数转换器、数字信号处理芯片以及双路数模转换器，实现对双路干涉信号的同步处理。

本发明采用双路结构，通过两束波长不同的光在同一双芯光纤环的不同纤芯中传播，从而等效实现两个光纤陀螺系统。由于两根纤芯的环境因素基本相同，两路干涉信号中包含的温度漂移也近似，通过在数字信号处理器中对二者进行差分解算即可在很大程度上抑制温度效应等环境误差，对光纤陀螺的性能起到较大的提升效果。

上述实施例对本发明做了具体公开，本领域普通技术人员根据本发明的教导和启示，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在同一双芯光纤或多芯光纤中等效地实现两个不同工作波长的光纤陀螺，并通过对两路角速度信息差分以消除温度效应的等效变换或是修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。