干涉型光纤陀螺仪项目设计方案

1 干涉型光纤陀螺仪项目设计方案 本人声明：本人所提交的毕业论文 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。 本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。 论文作者签名： 时间： 年 月 日 指导教师签名： 时间 ： 年 月 日 2 3 西 安 邮 电 大 学 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 李向阳 指导教师 刘娟 职称 讲师 学 院 电子工程学院 系 部 光电子技术系 专 业 电子科学与技术 题 目 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 任务与要求 光纤陀螺广泛应用与航空及航海等的导航，其中干涉式光纤陀螺的技术相应比较成熟。实际中的需求也较大。本课题拟设计一个干涉式光纤陀螺。要求：了解光纤陀螺的基本原理，对光纤陀螺进行光学部分的设计，要求进行仿真分析，通过理论分析提出光学上切实可行的方案， 并进行光源选取与驱动，信号的检测电路的设计与调试。 开始日期 2014 年 3 月 10 日 完成日期 2014 年 6 月 15 日 主管院长 (签字 ) 2014 年 月 日 4 西 安 邮 电 大 学 毕 业 设 计 (论文 ) 工 作 计 划 学生姓名 李向阳 指导教师 刘娟 职称 讲师 学 院 电子工程学院 系 部 光电子技术系 专 业 电子科学与技术 题 目 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 工作进程 起止时间 工 作 内 容 明确任务、查阅资料、制定工作计划，撰写开题报告 掌握光纤陀螺的基本原理及相关指标 了解各模块的功能，与另一同学确定接口指标 对光纤陀螺进行仿真及计算，得出转速与干涉的关系， 设计系统及相关电路，进行调试和分析 论文撰写 论文打印及答辩 5 主要参考书目 (资料 )： 光学，光纤通信，电子技术，微机原理等 主要仪器设备及材料： 计算机、 论文 (设计 )过程中教师的指导安排： 固定时间为每周三，其他时间经联系均可安排指导 对计划的说明： 无 指 导教师签字： 6 西安邮电大学 毕业设计 (论文 )开题报告 课题名称： 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 电子工程学院 学院 光电子技术 系（部） 班 学生姓名 ： 学号 ： 指导教师 ： 报告日期 ： 2014 年 3 月 10 日 7 1 本课题所涉及的问题及应用现状综述 所涉及问题 （ 1） 光纤陀螺的基本原理，光学部分的设计仿真； （ 2） 前端检测和滤波电路模块的设计。 （ 3） 应用数字信号处理相关知识，将接受到的信号进行处理显示设计； 应用现状综述 陀螺仪是敏感相对于惯性空间角运动的装置。 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，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。 光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，目前已经发展为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及关键技术与传统的机电式仪表有很大差别，它具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点，在航空、航海、航天和兵器等军用领域和地质、石油勘探等民用领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注。 2 本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析 关键问题 （ 1） 了解光纤陀螺的基本原理，对光纤陀螺光学 部分进行设计仿真； （ 2） 对光源进行选取与驱动，信号的检测电路的设计与调试； （ 3） 前端检测和滤波电路的设计，光电检测，前置放大， A/ 解决思路 结合所学光学相关知识，查阅相关资料，掌握光纤陀螺仪的基本原理，通过对数字信号处理相关的知识的复习和相关软件的学习，完成各个模块的设计。 可行性分析 具备光学和数字信号处理相关知识基础，具有一定自学能力，能够完成相关软件的自学，可以顺利完成课题研究。 8 3 完成本课题的工作方案 明确任务、 查阅 资料 、制定工作计划。 熟悉光纤陀螺仪所涉及的相关知识，掌握其基本原 理，提出设计方案。 程序建模仿真调试。 撰写论文。 答辩 。 4 指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 2014年 月 日 9 西安邮电大学毕业设计 (论文 )成绩评定表 学生姓名 李向阳 性别 男 学号 05102039 专 业班 级 科技 1002班 课题名称 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 课题 类型 实际应用 难度 一般 毕业设计（论文）时间 导教师 刘娟 (职称 讲师 ) 课题任务 完成情况 论文 10602 (千字 )； 设计、计算说明书 (千字 )； 图纸 (张 )； 其它 (含附件 )： 指导教师意见 分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分； 论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分 指导教师审阅成绩： 指导教师 (签字 )： 年 月 日 评阅教师意见 分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分； 论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分 评阅成绩： 评阅教师 (签字 )： 年 月 日 验收小组意见 分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分 验收成绩： 验收教师 (组长 )(签字 )： 年 月 日 10 答辩小组意见 分项得分：准备情况 分 ； 陈述情况 分 ； 回答问题 分 ； 仪表 分 答辩成绩： 答辩小组组长 (签字 )： 年 月 日 成绩计算方法 指导教师 成绩 20 ( ) 评阅成绩 30 ( ) 验收成绩 20 ( ) 答辩成绩 30 ( ) 学生实得成绩 (百分制 ) 指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见 毕业论文 (设计 )总评成绩 (等级 )： 学院答辩委员会主任 (签字 )： 学院 (签章 ) 年 月 日 备 注 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 1 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 惯性导航。 涉式光纤陀螺 光纤陀螺按其光学的工作原理可分为三类：干涉式（ 、谐振式 (受激布里渊散射式 (本课题主要阐述干涉式光纤陀螺的原理及结构。 干涉式光纤陀螺 (最小互易性结构是个 涉仪，它主要包括光源、探测器、耦合器、 干涉式光纤陀螺的原理基于 应：当光纤陀螺旋转时，光纤线圈沿两束反方向传播的光 波间会产生一个与旋转角速率成正比的相位差 错误 !未找到引用源。 ： 式 (： 错误 !未找到引用源。 为光源平均波长； 对于光纤陀螺仪的最小敏感角速率， 检测微弱的相位差，不能用干涉条纹计数的方法，而采用调制的方法测量干涉条纹的微小光强的变化来测定相移，而探测器输出的电流正比于输入的光强。 图 涉式光纤陀螺的结构 涉式光纤陀螺的发展动向 纤陀螺的小型技术 1) 光路小型化技术 光路的小型化 是与光学器件的集成化相关的。无源部分集成最典型的是 未找到引用源。 集成光学芯片，它集成了一个偏振器、一个分束器和两个宽带相位调制器的功能，其相位调制器在大的带宽内有一个平坦的响应，允许采用有效地信号干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 2 处理技术使光纤陀螺在整个动态范围内获得高性能。另外一种集成光学器件是双 集成了两个 3个带宽相位调制器和一个高消光比的偏振器，其中两个 短了器件长度。实际上，目前国内研制的双 分支多功能集成光学芯片尺寸相同，仅为 35未找到引用源。 10未找到引用源。 5 图 学 Y 分支 光纤陀螺小型化意味着线圈的外径必须很小，同时又要保持足够的光纤长度以满足精度要求，这对光纤的结构尺寸和弯曲性能提出更高要求。采用细小半径的保偏光纤，但由于涂覆层和直径的减少将会增加光纤中的偏振交叉耦合；采用单模光纤光圈并辅以消偏技术，因为单模光纤受涂覆层的影响较少，对弯曲较不敏感。 2) 电路小型化技术 光纤陀螺大多采用目前国际上先进的全数字闭环技术，全部闭环处理功能在一片可编程集成逻辑电路（ 上完成，减少了体积并提高了电路的可靠性。 纤陀螺的多路复用技术 惯性导航系统一般要 3个正交安装的光纤陀螺，若每个光纤陀螺都需要光源、探测器等，势必会增加惯性导航系统的质量、成本等。由于 多复用方法很难直接适用于光纤陀螺系统。对于开环光纤陀螺，频分复用（ 的较多，对于闭环光纤陀螺，由于 3个陀螺通常具有相同的光纤长度和调制频率，最简单有效地办法就是采用时分复用（ 多路复用通常共用一个激光源 /一个探测器，可以较大程度的降低成本和减少体积。 2 干涉式光纤陀螺的原理 应 空中的 应 如图 设光学环路的半径为 R，旋转角速率为，则光学环路上任一点的切向速度 错误 !未找到引用源。 =R 错误 !未找到引用源。 ,静止时，光波经过 误 !未找到引用源。 ,其中 于旋转，光波在闭合光路内传播 N 匝又回到初射点时，初射点已经发生移动（从 误 !未找到引用源。 ）， 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 3 图 形光路中的 (a)系统静止 (b)系统旋转 错误 ! 未 找 到 引 用 源 。 (错误 ! 未 找 到 引 用 源 。 (对应的传输时间分别为 错误 !未找到引用源。 (错误 !未找到引用源。 (由于 错误 !未找到引用源。 ,沿顺时针和逆时针光波之间的相位差为 错误 !未找到引用源。 (式（ ， L=N 错误 !未找到引用源。 为光波在闭合回路内传播 N 匝的长度； 错误 !未找到引用源。 为闭合回路光路围成的总面积。 质中的 应 为了得 到有效折射率 错误 !未找到引用源。 的真实光纤中的 接将 错误 !未找到引用源。 代入式（ 得到 错误 !未找到引用源。 是不对的。光在静止介质中传播时，对于不动的监测而言，光相对介质的传播速度 错误 !未找到引用源。 ;如果介质以速度 错误 !未找到引用源。 运动，对于随介质一起运动的观测者来说，光仍以速度 错误 !未找到引用源。 传播，光在介质中的传播速度却会由于介质的运动而变化。该情况下，产生了多普勒效应，补偿了折射率 错误 !未找到引用源。 的效应，因此（ 然成立 ，与介质无关。 意形状的闭合回路 ( a )MMl( b )C 涉型光纤陀螺仪的设计与制作 4 图 意形状的闭合光路的 路上任意一点沿传播方向的线微分矢量， 错误 !未找到引用源。 ,式中 错误 !未找到引用源。 为切向的单位矢量，错误 !未找到引用源。 为 错误 !未找到引用源。 的矢量模。设光路系统以 垂直于纸面的角速度 错误 !未找到引用源。 旋转，其在 错误 !未找到引用源。 方向的线速度分量 错误 !未找到引用源。 ,其中 错误 !未找到引用源。 为沿 错误 !未找到引用源。 方向的线速度矢量，且 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 为由 由于 错误 !未找到引用源。 ,则有 错误 !未找到引用源。 （ 将式（ 光路积分，得 错误 !未找到引用源。 (式（ ： 错误 !未找到引用源。 为任意形状的闭合光路的长度。 错误 !未找到引用源。 (式（ ： 面积的矢量。 式（ 出的是对应 于 理可得 错误 !未找到引用源。 (由式（ （ 到 错误 !未找到引用源。 (于是得到与式（ 同的表达式，对于 N 匝的闭合光路。式（ 的 通过以上不同介质的 （ 1） 折射率对相移没有影响； （ 2） 其它无关。 纤干涉仪的互易性 光纤陀螺仪的互易性有以下三个方面： （ 1）光纤耦合器的互易性 确保两束反向传播光波经过环耦合器式经历的耦合相移和传输相移相等，从而使干涉信号的固有相 位抵消为零。 （ 2）单模互易性 一个理想的“共模抑制”，由于两束波的反向传播将其绝对的相位累积抵消了。 （ 3）偏振互易性 光纤的双折射会产生寄生相位差，必须使两束反向传播光波为同一种偏振模式，这样为了确保干涉条纹的清晰度。 涉 式光纤陀螺的主要指标 干涉式光纤陀螺仪的主要性能指标大致可以分为零偏、标度因数、噪声、动态范围干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 5 和带宽五类。 1. 零偏 零偏稳定性定义为一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差。漂移也称为零位漂移或零偏稳定性，理解为陀螺输出围绕其均值的起伏或波动，用标准偏差或均方根差表示，因而 ，零偏的随机过程的概率特性是正态分布。 2. 噪声 光纤陀螺的噪声主要由光学和光电检测部分造成的，通常为白噪声。 3. 标度因数 标度因数是光纤陀螺的输出量与输入角速率的比值决定的。光纤陀螺在一个大的范围内要求具有较高的精度，因此要求有一个稳定的标度因数。 4. 动态范围 对于干涉式光纤陀螺来说，由最大输入角速率与最小可检测旋转速率的比值决定。 5. 带宽 干涉式光纤陀螺的理论带宽是很高的，可达几百千赫。为提高陀螺的灵敏度将陀螺的调制信号频率增加到光纤线圈的本征频率，例如对于中等精度的光纤陀螺，其带宽的典型值约为几百千赫或几兆赫。 涉式光纤陀螺的各种误差源 有许多，它们共同构成了干涉式光纤陀螺的误差源。这种不需要的非互易行主要由以下原因： （ 1）偏振效应 采用保偏光纤和理想的偏振器来抑制偏振效应。 （ 2） 线圈内的背向反射和散射 采用宽谱光源，如超发光二极管有效地消除。 （ 3） 沿光纤分布的与时间有关的温度梯度 通过采用特殊的光纤线圈绕制方法减小。 （ 4）外部磁场 通过采用磁屏蔽减小该效应。 （ 5）电子漂移误差 通过优化电路设计减少。 在闭环工作中对标度因数有影响 的参数如下： （ 1）光源波长的变化 通过温控或稳定光源波长减少。 （ 2）线圈直径和光纤长度的变化 通过稳定的机械设计和对陀螺环境进行温控小。 3 干涉式光纤陀螺的随机仿真 由于光纤陀螺的输出信号中存在较大的随机误差，随机漂移是干涉式光纤陀螺影响精度的最重要指标，对干涉式光纤陀螺建立随机模型，运用数字信号处理的方法来模拟系统的各种随机噪声，调整不同类型的随机噪声成分组合，使随机信号最大程度的模拟干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 6 实际信号，为光纤陀螺误差分析、性能评估、滤波器设计等方面提供参考。 差分析 如下： (1)数组生成。假定有 误 !未找到引用源。 的获得连续数据 错误 !未找到引用源。 ,把 数组的时间长度 错误 !未找到引用源。为 错误 !未找到引用源。 。 (2)平均数据。分别取 错误 !未找到引用源。 等于 错误 !未找到引用源。 、 2错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源 。 （ kn/2） ，并求出每一个时间长度的数组的数据平均值。 错误 !未找到引用源。 (错误 !未找到引用源。 (式（ 错误 !未找到引用源。 (错误 !未找到引用源。 表示 误 !未找到引用源。 的连续数据中始于第 （ 3）计算方差。数组的时间长度 错误 !未找到引用源。 ，则 算： 错误 !未找到引用源。 (对于数组时间长度 错误 !未找到引用源。 ， 通过对相邻群平均之差的平方求平均再乘以 1/2得到的。 图 图 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 7 图 型 差的噪声系数拟合 1. 随机游走系数 错误 !未找到引用源。 随机游走系数的定义是白噪声随光纤陀螺的工作时间累积的输出产生而误差系数。 2. 零偏不稳定性 错误 !未找到引用源。 零偏不稳定性是因为磁场感应与 温度变化等的效应引起的漂移、低频噪声、探测器的闪烁噪声造成的。 3. 速率斜坡 错误 !未找到引用源。 速率斜坡是测试数据中的一种趋势性漂移。 4. 量化噪声 错误 !未找到引用源。 量化噪声是硬件部分的 A/D、 D/声大小由数据系统的精度和采样时间等决定的。 5. 速率随机游走 错误 !未找到引用源。 其误差来源目前尚且不清楚。 6. 指数相关噪声 错误 !未找到引用源。 指数相关噪声用一个具有有限时间相关时间的指数衰减时间表证。 7. 各项噪声系数拟合 光纤陀螺测试数据的不同噪声出现在不同 错误 !未找到引用源。 域。假定以上的各种噪声的随机过程在统计学上都是独立的，则总的 8 差的和，即 模与仿真 在建立陀螺漂移数据的模型中，通常由平稳随机过程与非平稳过程组合而成。针对陀螺随机漂移误差，理想化建模时常常假设角速率随机漂移 错误 !未找到引用源。 由三部分组成，表示为： 错误 !未找到引用源。 (式（ ： 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 分别为随机常值漂移、一阶马尔可夫过程和白噪声， 错误 !未找到引用源。 是各态遍历的平稳随机过程，而 错误 !未找到引用源。 平稳但非各态遍历， 错误 !未找到引用源。 各态遍历但非平稳。 对光纤陀螺输出进行模拟仿真，具体程序如下，仿真结果如下图： 图 这种随机噪声是光纤陀螺输出所固有的，是由光纤陀螺的光学元件特性决定的，而这种光学噪声具有白噪声的统计特性。由于随机噪声成为影响光纤陀螺精度和性能的干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 9 主要指标，所以光纤陀螺中 的白噪声用随机游走系数表示，是一种综合性分析光纤陀螺误差源的指标。 对光纤陀螺的模拟输出数据进行功率谱分析，仿真结果如下图： 图 图 纤陀螺的 声能量没有集中在某个频段上，而是均匀的分布在频率轴上，说明光纤陀螺的输出噪声呈现为白噪声，这是因为陀螺内部做了低通滤波而在低频段能量稍大，是由光路或光电检测过程中的噪声引起的，而与电路设计无关。 仿真程序及参数如下： %陀螺漂移误差仿真 80;600;z=1; .1*,1); 0; q=2*0; ;00* 00; t=1000;t/ er=);)=0)*,1); s;q* 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 10 k=2:er(k)=er(,1); 2* wg=); ) 1:eb+er+on rm/s);ith); %p=eb+er+024); p=eb+er+024)/fs;p(2:p(2:2; %0:512*024,p/on ) 0:511*024,p(1:512);on z);(h)2/; 陀螺随机漂移误差的 是将陀螺输出的角速率误差信号，输入一系列不同频域带通参数 错误 !未找到引用源。 的 差中，仿真结果绘制出 错误 !未找到引用源。 双对数曲线，仿真结果如 下图： 图 纤陀螺 仿真结果表明，光纤陀螺的 1的量子噪声、 的角随机游走、 1/2的速率随机游、 +1的速率斜坡，斜率为零的曲线很短，可认为零偏不稳定性影响很小或不存在。模拟仿真实际陀螺随机误差的部分统计性，对硬件电路的干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 11 优化设计，提高光纤陀螺的精度性能，提供了一个预测评估参考。 仿真程序及参数如下： % y0,N= y=; k=1:k,1)=(2*(*y(2:y(1:.2); k,1)=2(k,1)=1/*(; NL=L/2); L3 y=1/2*(y(1:2:2*y(2:2:2*; ) 1:N,on rm/s); ) on rm/s);it); 4 干涉式光纤陀螺光学部分方案 构 图 构，它包括了采用 图 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 12 源 带超荧光掺铒光纤光源（ 对于在 该波长区里能够减少高能辐射照后的光纤传输恢复时间。对于波长 错误 !未找 到引用源。 谱宽 错误 !未找到引用源。 的据公式： 错误 !未找到引用源。 (得到相应的光学带宽为 错误 !未找到引用源。 量级。 采用 作为高精度光纤陀螺的光源优点具体如下： （ 1）输出功率高 供了很高的放大增益，无需腔反馈，可以获得大功率的带宽辐射。 （ 2）宽谱 光纤陀螺仪的光源宽谱有利于减小散射、相干误差，使光纤陀螺保持有稳定的零偏，检测误差小。 （ 3）无偏振辐射 宽带光纤光源射出的往往是非偏振光，这有利于减少双折射引起的偏振非互易性 ，同时允许人们采用一般的单模光纤耦合器作为光纤陀螺的光源耦合器。 （ 4）工作时间长 使用时间比目前广泛使用的 已经成为选 发光二极管（ 对于 出功率适中、光谱较宽等，在中低精度光纤陀螺中获得广泛应用，但相比于 （ 1） 功率不能有效地耦合进单模光纤中，因而输出功率较低，出纤功率通常限制在 1下，这限制了光纤的精度。 （ 2）这种超发光二极管的寿命有限，对于卫星等长寿命应 用来说显然不够。 （ 3）由于半导体材料的固有问题，大多数 平均波长变化较大，未加制冷器时的典型变化为 错误 !未找到引用源。 量级，加制冷器后的典型变化为 错误 !未找到引用源。 量级，这意味着温度必须控制在 错误 !未找到引用源。 ，才能实现 1光谱稳定性目标，增加了系统复杂性和成本。由于光纤陀螺的标度因数是用光源的平均波长决定的，温度引起的波长漂移会造成旋转速率的检测误差。 纤耦合器 偏光纤耦合器 保偏 光纤耦合器为熔融型 3于将返回的光波信号引导至探测器 。熔融型保偏光纤耦合器较磨抛型保偏光纤耦合器更具有更高的机械可靠性，这项技术目干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 13 前已经成熟，在 错误 !未找到引用源。 的温度范围内偏振消光比优于 20学损耗小于 光比可以控制在（ 50 错误 !未找到引用源。 3） %的范围内。同时，保偏光纤耦合器抑制光源强度噪声时，确保两端探测器是同一种偏振模式。 学环形器 采用 光学环行器 与保偏光纤耦合器相比，功能结构与 电子环行器接近。光学环行器是三端口器件，光只能沿一个方向传播。信号若从端口 1输入，则从端口 2 输出；而信号从端口 2输入，则将从端口 3输出，其输出损耗都很小。 但是， 光从端口 2输入时，从端口 1输出时损耗很大，同样光从端口 3输入时，从端口 1， 2中输出时损耗也很大。光学环行器是不可逆光学器件 ， 意味着穿过该设备引起的光的任何性质改变，当光反向输入时并不会得到相反的结果。由于其隔离性高，插入损耗小，光纤环行器广泛用在先进通信系统中，例如分插复用器，双向泵浦系统和色散补偿装置。 由于光学环形器的成本较保偏光纤耦合器高很多，最终决定采用保偏光纤耦合器。 纤线圈 偏光纤原理 保偏光纤的原理是产生一个强双折射，使在普通单模光纤中简 并的偏振模式能够在保偏光纤中分开。在光纤陀螺中，这种偏振保持特性提供了互易性主波的大部分功率，避免了信号衰减。只有少量功率转化为交叉的非互易性光波，另外，当采用宽带光源时，这种交叉的非互易性偏振光波的传播速度与主偏振模式不同，因而得以消偏。 在实际中，如不采用保偏光纤需加一个消偏器，采用消偏器不如采用保偏光纤的效果好，采用消偏器的主要优势是光纤线圈的成本，而对整个系统来说，由于附加消偏器增加了其复杂性，成本节省并不太明显。 偏光纤优点 采用保偏光纤构成的敏感线圈能够获得最佳的性能。 （ 1）为了 限制线圈的体积，光纤的尺寸应尽可能小。典型包层直径为 80陀螺专用光纤，要取代包层直径为 125护涂覆层也应尽可能薄。必须使微弯最小，以避免产生损耗或削弱偏振保持，这实际上限制了涂覆层的最小厚度。 （ 2）为了避免军用或空间应用中光纤衰减在辐射条件下增大，最好工作在长波长（ 。 （ 3）光纤的可靠性。在绕制线圈过程中，光纤表面收到张力，引起的形变等于光纤直径与线圈直径之比。为了确保好的可靠性，整个光纤长度必须在高形变水平下接受检测。 偏光纤 应力结构 光纤陀螺中常用的大多数保偏光纤均基于光纤包层中附加的应力结构引起的线性干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 14 双折射。通常采用两种方法实现大的内部应力双折射：一种是采用非对称的区域掺杂以改变热膨胀系数；另一种是采用一个椭圆包层。前者称为应力双折射保偏光纤，后者称为几何双折射保偏光纤。应力结构不同，保偏光纤的类型也不同，产生内部双折射的效率也不同。常见的光纤结构有椭圆包层型、领结型和熊猫型，如图 图 保偏光纤的折射率分布具有双峰，它支持两个非简并的正交偏振模式，内部双折射率的量级一般用两个偏振模式 的拍长表征， 错误 !未找到引用源。 。保偏光纤的拍长典型值在 1味着当激发其中一个本征偏振态时，保偏光纤能够在光纤陀螺所需的典型传播距离（ 50上很好地保持这种偏振。 功能集成光路 功能集成光路结构 多功能集成光路由 Y 分支、相位调制器和较理想的偏振器组成。其中 Y 分支作为线圈分支器，一个在线光纤接头或光纤耦合器作为光源分束器，其尾纤充当空间滤波器。其中偏振器的作用，光在输入时被滤波，在输出端，经过该偏振器返回的两束光波完全同相。 型耦合器结 构中，其中线圈分束器是一个集成光学 源分束器是一个全光纤的 3易性所需的空间滤波通过连接在 用 30%的返回功率送到探测器，且附加损耗很低。相位调制器制作在 以用一个调制器作为偏置调制，另一个调制器作为闭环处理器所需的反馈调制。倘若用于分束功能，并不是非要一个 3 号由强度调制携带。因此，这种耦合器可用一个3有一个单模输出端口，比耦合器容易制作。 最佳的多功能 陀螺芯片的典型尺寸是：厚度为 1度为几毫米，长 20由一个 臂间隔约 200便与光纤线圈的两端连接。在两臂上制作推挽式相位调制器，金属被覆在偏振器制作的基波导上，或直接采用质子交换法获得的偏振抑制。陀螺芯片呈平行四边形，以避免集成光路和光纤界面的背向反射。 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 15 功能集成光路 技术指标 工作波长 1310550入损耗 型值 4 型值 分束比 47/5353/47（全温范围内45/5555/45） 47/5353/47(%)（全温范围内 45/5555/45） 尾纤偏振串音 波电压 5V 5V 背向反射 片偏振消光比 6060作温度 +70C +70C 生产能力 1000 只年 700只年 外形尺寸 308358表 型集成光路的指标对比 功能集成光路 实物图与外观尺寸 图 型集成光路的 实物图与尺寸 测器 采用跨阻抗放大器的高灵敏度 来探测旋转引起的光强变换。探测器通常安装在电路板上，使光二极管与其前方离得近些，从而减少光相位调制引起的串扰和接地不良产生的误差，对于 波长来说， 合适。 长控制方案 在研制高性能光纤陀螺必须解决的问题当中，波长控制有关的内容文章不是很多。与互易性光学结构问题、采用宽带光源的各种噪声和漂移问题或采用偏置调制和相位反馈的信号处理方案相反，对这个问题还没有一个明确的答案。与其说是一 个可以公开发表的基本理论分析，不如说是一个工程问题，其解决方案通常保密。波长控制方案的稳定参考：一个稳定的参考滤波器，稳定的参考波长，或稳定的参考分光计。 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 16 置放大滤波器 置放大器 光纤陀螺仪中的两束反向传播光波之间会产生相位差，该相位差由旋转角速率引起。对于光纤陀螺仪的旋转角速率信号信息，首先将光信号转化为电信号，然后通过信号处理技术得到所需的旋转角速率。实现光电转换的组件是前置放大器。 图 阻抗前置放大器电路图 在通常的应用中，光纤陀螺的角速率敏感下线非常小，对于精度为 错误 !未找到引用源。 的陀螺，检测的相位差约为 错误 !未找到引用源。 ，相应的干涉光强的变化则非常小，因此，其信号检测属于微弱信号的处理，一般采用低噪声的跨阻抗前置放大器，这种跨阻抗前置放大器是在高阻抗前置放大器基础上加一个反馈电阻构成，以满足输入输出阻抗的匹配，并兼顾前置放大器的低噪声特性、适中的带宽要求和足够的放大倍数。前置放大器的放大倍数应满足在陀螺的偏置工作点上，旋转角速率引起的最大输出电压变化等于后面的 A/果前置放大器组件的放大倍数较小，可能还需要在 A/器。采用 片， 通滤波器 光纤陀螺仪的探测器的带宽一般不小于 4果带宽过窄，造成光纤陀螺仪在探测器的输出端口输出的信号采样区域变窄；如果带宽过宽，探测器输出会引入较大的高频噪声，造成输出波形失真。如果 A/这些位置对环境的变化较为敏感，将会大大影响陀螺精度，另外这种叠加在输出信号上的高频串扰还会影响 A/此，在 A/D 转换器前引入低通滤波电路对探测器输出的模拟信号进行滤波处理。 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 17 图 通滤波电路（滤掉探测器输出的高频串扰） 在设计滤波电路时，由于闭环光纤陀螺的模拟输出信号等于光纤陀螺的本征频率，应合理选择低通滤波器的截止频率，一般采用有源低通滤波电路实现。 干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 18 5 干涉式光纤陀螺 硬件部分 方案 言 干涉型光纤陀螺仪的硬件部分主要包括：前置放大滤波模块、 A/D 和 D/A 模块、数字信号处理模块等。 件部分方案 通过对光纤陀螺主要光学器件的性能