一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件的制作方法

本发明涉及光纤陀螺，具体涉及一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件。

背景技术：

1、光纤陀螺是一种全固态光电惯性仪表，仅由光学器件和电子器件组成，为一种闭环系统，其通过检测两束光波的相位差来确定自身角速度，具有无运动部件、低成本、抗冲击、灵敏度高、寿命长、动态范围大、启动时间短、精度覆盖面广等优点，已被广泛应用于惯性导航系统中。

2、光纤陀螺中最重要的部件便是由光纤绕制而成的光纤环，因为光纤陀螺的原理是利用萨格奈克(sagnac)效应来检测自身的旋转角速率，其原理如下：在旋转的光纤陀螺中的光纤环内任意一点出发且沿相反方向传播的两束光波，在绕行一周返回至该点时，如果由两束光波绕行一周形成的闭合光路相对惯性空间沿某一方向发生转动，则两束光波的相位将发生变化，这种由光纤陀螺旋转引起的相位变化称为萨格奈克(sagnac)相移它与光纤陀螺旋转角速率ω的关系为：

3、

4、式中：l为光纤长度，r为光纤环半径，λ为平均波长，c为真空中光速。

5、根据上式中的关系可以看出，相同的结构尺寸要求下，减小绕制所用的光纤直径，则需要增加光纤长度l来保证整个结构尺寸不变，而增大光纤长度l则会增强萨格奈克(sagnac)相移进而提高光纤陀螺精度。所以目前在制作光纤环时，通常使用细径光纤来增大光纤长度，常用的细径光纤外部包层直径为135μm，内部芯层直径为80μm。随着技术的不断发展，目前又出现了一种新型超细径光纤，相比于传统细径光纤，新型超细径光纤外部包层直径可以降低到100μm，内部芯层直径可以达到60μm，所以，需要基于新型超细径光纤研发一种光纤陀螺，来满足惯性导航系统对于光纤陀螺小型化、轻量化以及高精度的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决如何基于新型超细径光纤来研发一种光纤陀螺组件，来满足惯性导航系统对于光纤陀螺小型化、轻量化以及高精度需求的技术问题，而提供一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术解决方案：

3、一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件，其特殊之处在于：包括安装架、光路模块、光电转换模块以及电路模块；

4、所述光路模块包括光源、耦合器以及三个光纤环模块，三个光纤环模块分别为x轴光纤环模块、y轴光纤环模块以及z轴光纤环模块，三者均包括光纤环骨架，所述光纤环骨架为环状结构，其内端面开设有环槽，所述环槽与光纤环骨架的中心孔同轴设置，在环槽内绕制有超细径光纤；

5、所述耦合器设置在安装架内部，耦合器包括一个输入端和三个输出端，所述安装架的底面开设有输入孔，前侧面上开设有第一输出孔，右侧面上开设有第二输出孔，顶面上开设有第三输出孔，第一输出孔、第二输出孔以及第三输出孔的轴线两两垂直；耦合器的输入端对应输入孔设置，三个输出端分别对应第一输出孔、第二输出孔以及第三输出孔设置；

6、所述光源设置在输入孔上，x轴光纤环模块、y轴光纤环模块以及z轴光纤环模块分别安装在第一输出孔、第二输出孔以及第三输出孔上；光源发出的光线射入耦合器的输入端，然后被三个输出端分散后分别传送至x轴光纤环模块、y轴光纤环模块以及z轴光纤环模块内，在三者的超细径光纤中形成光信号；

7、所述电路模块包括数字解调模块和输出接口电路，所述光电转换模块有三个，三个光电转换模块的输入端分别用于接收来自x轴光纤环模块、y轴光纤环模块以及z轴光纤环模块的光信号，其输出端与数字解调模块电连接，光信号经过光电转换模块后被转换为电压信号并传入数字解调模块中；

8、所述数字解调模块包括fpga数据处理模块、三个ad转换模块以及三个da转换模块；三个ad转换模块的输入端分别与三个光电转换模块的输出端连接，三个ad转换模块的输出端与fpga数据处理模块的输入端连接，fpga数据处理模块设有一个角速率输出端与三个调制输出端，fpga数据处理模块将输入的电压信号处理后得出旋转角速率信号，并且将旋转角速率信号通过角速率输出端整合为一路rs422输出给输出接口电路，输出接口电路将接收到的旋转角速率信号整合为一路rs422进行输出；同时，fpga数据处理模块将输入的电压信号处理后得到调制信号，fpga数据处理模块的三个调制输出端分别与对应的da转换模块的输入端连接，三个da转换模块的输出端分别用于向x轴光纤环模块、y轴光纤环模块以及z轴光纤环模块的超细径光纤上的y波导调制端发送调制信号。

9、进一步地，所述数字解调模块还包括三个信号放大模块，三个信号放大模块对应三个ad转换模块设置，三个信号放大模块的输入端分别与三个光电转换模块的输出端连接，输出端分别与三个ad转换模块的输入端连接。

10、进一步地，所述光纤环骨架采用1j85软磁合金材料制成。

11、进一步地，所述光纤环骨架的外壁镀有石墨烯隔热膜。

12、进一步地，所述超细径光纤为超细径熊猫型保偏光纤，其内部芯层直径为60μm，外部包层直径为100μm。

13、进一步地，所述安装架为矩形体结构，且每个面上均开设有过线孔。

14、进一步地，所述光源为ase光源。

15、进一步地，所述fpga数据处理模块型号为baf1000。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)本发明提供的一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件包括安装架、光路模块、光电转换模块以及电路模块，采用三轴一体式方案，即采用一个光源经耦合器后分别供给三个光纤环模块的形式，用三个光纤环模块敏感三个方向的角速率，由耦合器分散而来的光在每个光纤环模块中产生光信号，并通过光电转换模块实现信号转换，同时将光路模块与电路模块分离，降低光路与电路的串扰，进一步提升陀螺组件精度，三个光纤环模块的光信号经过ad转换模块后传入fpga数据处理模块中，fpga数据处理模块将输入的三组电压信号处理后得出旋转角速率信号，并且将旋转角速率信号通过角速率输出端整合为一路rs422输出给输出接口电路，输出接口电路将接收到的旋转角速率信号整合为一路rs422进行输出；同时，fpga数据处理模块将输入的电信号处理后得到调制信号，fpga数据处理模块的三个调制输出端分别与对应的da转换模块的输入端连接，三个da转换模块的输出端分别向三个光纤环模块的超细径光纤上的y波导调制端发送调制信号，实现对三个光纤环模块内光信号的闭环控制，进一步提高了测量精度，整体结构简单轻便，满足了惯性导航系统对于光纤陀螺小型化、轻量化以及高精度的需求。

18、(2)本发明提供的一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件中，数字解调模块还包括三个信号放大模块，通过信号放大模块将光电转换模块传来的电压信号进行放大，进一步提高测量精度。

19、(3)本发明提供的一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件的光纤环骨架采用1j85软磁合金材料制成，降低了光纤环模块的磁敏感系数，提升了光纤陀螺组件的抗磁场能力，且1j85软磁合金热稳定性好，在高温环境下不易发生热漂移甚至失磁，加工性能优良，便于加工成各种形状。

20、(4)本发明提供的一种基于超细径光纤的高精度三轴一体光纤陀螺组件中超细径光纤采用超细径熊猫型保偏光纤，相较于传统单模光纤，在受到外界振动、弯曲以及温度影响时，其输出的偏振光不会发生大幅度变化，保证了光纤陀螺组件的精度。