[发明专利]一种多光纤环串联的单轴光纤陀螺仪及多光纤环串联方法

说明书

技术领域

本发明具体是涉及一种多光纤环串联的单轴光纤陀螺仪及多光纤环串联方法，由两个或两个以上光纤环串联组成单轴光纤陀螺的敏感环，用于安装条件特殊的角速率测量应用。

背景技术

光纤陀螺是一种较新型的角速率传感器，由于其高精度、高带宽、大动态范围等特点在惯性导航、姿态控制、惯性稳定等领域均得到了广泛的应用。光纤陀螺是基于萨格奈克效应原理工作的光纤干涉仪。其原理是在环形干涉仪中，两束反向传播的光会发生干涉；当环形干涉仪相对于惯性空间有角速率运动时，两束反向传播的光由于萨格奈克相移产生相位差，相位差大小正比于角速率大小，通过干涉方法得到相位差大小即可计算角速率信息。萨格奈克相移φ_S与旋转角速率Ω关系如下：

其中L为光纤总长度，D为光纤环平均直径，λ为传播光平均波长，c为真空中光速。

对于波长确定的光源和一定的相位噪声水平，光纤陀螺的精度主要与光纤总长度与光纤环直径有关。光纤总长度越长，光纤环直径越大，光纤陀螺精度就越高。对于一般的光纤陀螺，可选择的光纤环直径变化范围相对光纤长度可选范围小，因此实际当中光纤总长度是决定光纤陀螺精度可达到水平的最重要因素。

一些如惯性稳定平台等特殊的应用环境中，由于安装的限制，光纤陀螺并不能安装于系统的中心。又由于这种应用系统大多都有对系统结构质心平衡的要求，因此通常还需要额外的机构进行质心的配平。

目前最常用的单轴光纤陀螺仪采用单光纤环设计。一般高精度的光纤陀螺仪均采用较长的光纤，绕制技术限制了光纤绕制厚度和绕制层数，因此高精度光纤陀螺仪的直径也较大，在直径较小的飞行器等应用系统中无法得到很好的应用。

在要求质心在中心且传感器无法安装于中心的应用环境中，则可根据安装需要将光纤环对称分布于质心的两侧。这样，相对于只有一个同样光纤环的单轴光纤陀螺，光纤总长度提高为光纤环总个数倍，其精度也相应提高约同等倍数，同时解决需要额外配平问题。在对传感器精度和直径要求均较高的应用环境中，采用两个或两个以上光纤环串联组成光纤陀螺，则可在每个光纤环上采用单环绕制方法绕制直径满足要求的光纤环，通过光纤环串联提高光纤的总长度，从而满足精度的要求。

为了保证光纤陀螺中两束反向传播的光的相位差完全是由Sagnac相移产生，要求两束光传播经过的路径完全相同，这即是光纤陀螺互易性要求。目前光纤陀螺多采用四极对称绕法、交叉子四极对称绕法或八极对称绕法等方法，以保证两束光波在同一时刻经历的温度效应和应力效应相同，不会带来非互易性相移。如果简单地将多个绕制好的单光纤环串联，则由于两束光反方向进入光纤环系统，在绝大多数时刻两束光在不同的光纤环中传播，破坏了绕法的对称性，会带来非互易性相移，不满足非互易性要求；将多个绕制好的光纤环采用熔接的方式串联，也会使系统中的熔接点增加，影响光纤陀螺的性能。因此，应采用特殊的绕制顺序和方法保证光纤环串联后系统的互易性。

发明内容

由于现有的单轴光纤陀螺方案在一些有特殊安装要求的应用系统中无法很好的满足应用要求，本发明的目的是提供一种一种多光纤环串联的单轴光纤陀螺仪及多光纤环串联方法，通过将两个或两个以上光纤环串联组成光纤陀螺的一个敏感轴，同时按照特定的顺序和方法采用一根完整的光纤完成多个光纤环的绕制，保证光纤陀螺的互易性要求并不增加额外的熔接点，使光纤陀螺更灵活地适应应用系统的安装要求。

本发明的发明原理是：典型的单轴光纤陀螺包括光源(1)、光电探测器(2)、光纤耦合器(3)、集成相位调制器(4)、单个光纤环(5)和信号处理电路(6)等，如图1所示。其中，光纤环是两束光间产生萨克奈克相移的位置，通常光纤的长度是决定光纤陀螺精度的最重要因素。在惯性稳定平台等要求质心位于系统旋转中心且传感器无法安装到中心的应用中，通常需要额外的配重抵消光纤陀螺带来的质心偏移，限制了系统的性能；由于现有绕制工艺的限制单个光纤环无法同时满足光纤总长度长和光纤环直径小两个要求，使得光纤陀螺在小口径飞行器等对传感器精度和直径都要求较高的系统中的应用受到限制。本发明的思想就是：通过将两个或两个以上光纤环串联组成光纤陀螺的一轴，使光纤环满足对称安装或精度高直径小的要求；同时，将一根完整的光纤按照特定的顺序和方法直接绕制在多个光纤环上，使系统满足光纤陀螺互易性要求，并不增加额外的光纤熔接点。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

一、多光纤环串联的单轴光纤陀螺仪