一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，涉及干涉式光纤陀螺技术领域。该装置包括光收发模块、敏感环模块和信号处理模块，光收发模块包括850nm光源、光电探测器、光源驱动电路和前放电路；敏感环模块包括三个Y波导和三个光纤环；信号处理模块包括A/D转换器，现场可编程门阵列，三个D/A转换器和三个驱动电路。光纤陀螺每个轴的工作采用时分调制方式。首先根据三个轴光纤环的长度分别计算三个光纤环的渡越时间和三个轴的工作时间；然后确定三个光纤环的工作时序，保证在同一时刻只有当前工作的轴工作在闭环控制通道，另外两个轴工作在深度调制通道。本发明专利技术质量轻、体积小、功耗低，保证工作轴精度，轴对信号的干扰程度减到最小。

A Miniature Multiplexed Integrated Fiber Optic Gyroscope Based on 850 nm Uncooled Light Source

The invention discloses a miniature multiplexing integrated fiber optic gyroscope based on 850 nm uncooled light source, which relates to the technical field of interferometric fiber optic gyroscope. The device consists of an optical transceiver module, a sensitive ring module and a signal processing module. The optical transceiver module includes an 850nm light source, a photodetector, a light source driver circuit and a preamplifier circuit. The sensing ring module consists of three Y waveguides and three optical fiber rings. The signal processing module includes an A/D converter, a field programmable gate array, three D/A converters and three driving circuits. Each axis of FOG works in time division modulation mode. Firstly, the transit time and the working time of the three axes are calculated according to the length of the three axes. Then the working time of the three axes is determined to ensure that only the current axes work in the closed-loop control channel at the same time, and the other two axes work in the deep modulation channel. The invention has the advantages of light weight, small volume and low power consumption, ensures the accuracy of the working shaft, and minimizes the interference degree of the shaft to the signal.

【技术实现步骤摘要】
一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺
本专利技术涉及干涉式光纤陀螺
，具体是一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺。
技术介绍
干涉式光纤陀螺是一种高可靠、高精度的惯性角速度传感器，通过光纤环敏感待测角速度，产生非互易相位差，具有动态范围大、无运动部件和抗冲击等优点，可广泛应用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。光纤陀螺因其可靠性高、精度高、体积小和重量轻等优势在空间任务中有很好的应用和可行性。随着卫星系统朝着高精度、轻小型和低功耗的方向发展，对惯性测量系统也提出了轻小型和高集成度的要求，进而对所使用的陀螺提出了体积小、重量轻、功耗低和集成度高的要求，在微机械陀螺(MEMS)的精度和环境适应性还有很大差距的情况下，光纤陀螺的微型化是必然选择。在光纤陀螺微型化的实践中，存在以下几个问题：(1)微型化而减弱了光纤陀螺的性能指标。(2)光源驱动电路包括恒流和温控，温控光源方案复杂，主要是温控方案增加了功耗、复杂度和成本。(3)器件集成度低，结构松散，不紧凑，可靠性低，同时微型化设计给装配带来了一定的复杂性。
技术实现思路
针对上述所述问题，本专利技术提出了一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺；通过集成化、模块化和微小型化，有效降低了光纤陀螺的重量、体积和功耗，满足了微小卫星对光纤陀螺精度、可靠性、小体积、低功耗和低成本的要求。所述的微小型复用集成光纤陀螺，包括光收发模块、敏感环模块和信号处理模块，采用时分复用方案，在每一个工作时刻，只有一个轴正常工作处于闭环控制通道，进行方波调制和阶梯波闭环反馈，其余两个轴处于深度调制通道，不工作在敏感区；光收发模块采用光控原理，利用探测器的直流信号作为反馈量形成闭环控制系统，设计光源驱动电路。光收发模块作为发光和检测光信号的模块，包括集成在一起的850nm光源、光电探测器、光源驱动电路和前放电路；光源和光电探测器分别连接光源驱动电路和前放电路，提供光信号和检测；光源驱动电路一端与光源相连接提供恒定电流，另一端连接光电探测器，获取探测器的光功率信号直流分量作为反馈量调整自身的驱动输出；光电探测器同时连接前放电路一端，将探测器的交流分量作为陀螺信号，前放电路的另一端与外部信号处理模块连接；光源和光电探测器同时通过耦合器连接敏感环模块；敏感环模块包括三个Y波导和三个光纤环；三个光纤环包括X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环；每个光纤环分别连接一个Y波导；同时三个Y波导各自连接信号处理模块中的一个驱动电路；三个光纤环选取中心波长为850nm的细光纤。信号处理模块由A/D转换器(模拟/数字转换器)，现场可编程门阵列(FPGA)，三个D/A(数字/模拟转换器)转换器和三个驱动电路集成在一起。A/D转换器引出一个端口用来与光收发模块的前放电路相连接，另一个端口连接集成FPGA，FPGA内部集成了闭环控制通道，深度调制通道以及三个双选数字开关组合的时序控制通道。三个双选数字开关选用数字逻辑设置，分别与三个D/A转换模块一一相连接，每个D/A转换模块各自对应一个驱动电路，每个驱动电路各连接一个Y波导，进而分别驱动X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环；前放电路将探测到的陀螺信号传递给A/D转换模块，转换为数字信号后传给FPGA，FPGA通过双选数字开关在不同的工作周期内，使X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环分别工作在不同通道，处于不同的工作状态以便分时工作；分时复用的原理如下：首先，根据三个轴光纤环的长度分别计算X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环的渡越时间；X-轴光纤环的渡越时间为：Lx为X-轴光纤环的长度；c为真空中的光速，n为光纤的折射率；Y-轴光纤环的渡越时间为：Ly为Y-轴光纤环的长度；Z-轴光纤环的渡越时间为：Lz为Z-轴光纤环的长度；然后，利用三个轴光纤环的渡越时间计算三个轴的工作时间；X-轴光纤环的工作时间为：Tx＝nx×Δτx；nx为X-轴光纤环的调制次数。Y-轴光纤环的工作时间为：Ty＝ny×Δτy；ny为Y-轴光纤环的调制次数。Z-轴光纤环的工作时间为：Tz＝nz×Δτz；nz为Z-轴光纤环的调制次数。最后，确定X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环的工作时序，按照工作时序使不同的轴工作在不同的通道，保证在同一时刻只有当前工作的轴工作在闭环控制通道，另外两个轴工作在深度调制通道。本专利技术采用无制冷光源，通过模拟闭环光功率控制的光源驱动，无需温控电路，恒流驱动的原理如下：首先，光源驱动电路滤波获取探测器输出信号的直流分量，传递函数为Z-1，反馈后的直流分量放大得到K2，并与给定值P对比形成误差信号εP；放大滤波和传递函数得到Ka·Z-1；然后将输出电流信号I通过电压取样得到K1反馈形成误差信号εI，并与Ka·Z-1进行积分运算，形成恒定的电流信号KP作为光源的恒流驱动。本专利技术的优点在于：1)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，将三轴数字闭环光纤陀螺模块化，分为光收发模块、信号处理模块和敏感环模块三个模块；具有质量轻、体积和功耗低等方面的优点。2)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用波长为850nm的光源方案，在减小陀螺体积和功耗等方面的基础上又能够保证光纤陀螺精度。3)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用模拟闭环控制的光源驱动电路，可以避免大量的温控电路的设计，同时相对于数字闭环控制的驱动电路，结构简单，节省AD和DA转换器等电子元器件。4)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，采用时分复用技术，三个轴共用一个光收发模块、一个耦合器和一个信号处理模块，陀螺体积大大减小、结构更加紧凑、元器件数量缩减。5)一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，FPGA集成了闭环控制通道和深度调制通道，以及三个双选数字开关。通过三个开关可以保证任意时刻只有一个轴处于闭环控制通道，另外两个轴处于深度调制通道。在保证工作轴精度的同时，通过深度调制通道使另外两个轴对信号的干扰程度减到最小。附图说明图1是本专利技术一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺的整体框图；图2是本专利技术基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺时分复用的工作时序图；图3是本专利技术基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺信号处理模块的集成图；图4是本专利技术基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺的光源驱动原理图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术一种基于850nm无制冷光源的微小型时分复用模块化光纤陀螺，如图1所示，采用了模块化和集成技术，按模块划分并分模块集成。模块化技术体现在：将光纤陀螺分为三个模块：光收发模块、敏感环模块和信号处理模块。每个模块集成化为体积微小的一个小模块，尤其信号处理模块将更多功能的检测控制技术集成在一起；模块化的光纤陀螺在保证光纤陀螺结构紧凑的情况下，也可以方便陀螺装配。通过集成化技术将光纤陀螺的光收发模块和信号处理模块进行高度集成；集成技术体现在：将光源、探测器、光源驱动电路和前放电路集成为光收发模块；使得电路噪声降低并方便装配；Y波导和光纤环构成敏感环模块；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，其特征在于，包括光收发模块、敏感环模块和信号处理模块，采用时分复用方案，在每一个工作时刻，只有一个轴正常工作处于闭环控制通道，进行方波调制和阶梯波闭环反馈，其余两个轴处于深度调制通道，不工作在敏感区；光收发模块采用光控原理，利用探测器的直流信号作为反馈量形成闭环控制系统，设计光源驱动电路；光收发模块作为发光和检测光信号的模块，包括集成在一起的850nm光源、光电探测器、光源驱动电路和前放电路；光源和光电探测器分别连接光源驱动电路和前放电路，提供光信号和检测；光源驱动电路一端与光源相连接提供恒定电流，另一端连接光电探测器，获取探测器的光功率信号直流分量作为反馈量调整自身的驱动输出；光电探测器同时连接前放电路一端，将探测器的交流分量作为陀螺信号，前放电路的另一端与外部信号处理模块连接；光源和光电探测器同时通过耦合器连接敏感环模块；敏感环模块包括三个Y波导和三个光纤环；三个光纤环包括X‑轴光纤环，Y‑轴光纤环和Z‑轴光纤环；每个光纤环分别连接一个Y波导；信号处理模块由A/D转换器，现场可编程门阵列，三个D/A转换器和三个驱动电路集成在一起；A/D转换器引出一个端口用来与光收发模块的前放电路相连接，另一个端口连接集成FPGA，FPGA内部集成了闭环控制通道，深度调制通道以及三个双选数字开关组合的时序控制通道；三个双选数字开关分别与三个D/A转换模块一一相连接，每个D/A转换模块各自对应一个驱动电路，每个驱动电路各连接一个Y波导，进而分别驱动X‑轴光纤环，Y‑轴光纤环和Z‑轴光纤环；前放电路将探测到的陀螺信号传递给A/D转换模块，转换为数字信号后传给FPGA，FPGA通过双选数字开关在不同的工作周期内，使X‑轴光纤环，Y‑轴光纤环和Z‑轴光纤环分别工作在不同通道，处于不同的工作状态以便分时工作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于850nm无制冷光源的微小型复用集成光纤陀螺，其特征在于，包括光收发模块、敏感环模块和信号处理模块，采用时分复用方案，在每一个工作时刻，只有一个轴正常工作处于闭环控制通道，进行方波调制和阶梯波闭环反馈，其余两个轴处于深度调制通道，不工作在敏感区；光收发模块采用光控原理，利用探测器的直流信号作为反馈量形成闭环控制系统，设计光源驱动电路；光收发模块作为发光和检测光信号的模块，包括集成在一起的850nm光源、光电探测器、光源驱动电路和前放电路；光源和光电探测器分别连接光源驱动电路和前放电路，提供光信号和检测；光源驱动电路一端与光源相连接提供恒定电流，另一端连接光电探测器，获取探测器的光功率信号直流分量作为反馈量调整自身的驱动输出；光电探测器同时连接前放电路一端，将探测器的交流分量作为陀螺信号，前放电路的另一端与外部信号处理模块连接；光源和光电探测器同时通过耦合器连接敏感环模块；敏感环模块包括三个Y波导和三个光纤环；三个光纤环包括X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环；每个光纤环分别连接一个Y波导；信号处理模块由A/D转换器，现场可编程门阵列，三个D/A转换器和三个驱动电路集成在一起；A/D转换器引出一个端口用来与光收发模块的前放电路相连接，另一个端口连接集成FPGA，FPGA内部集成了闭环控制通道，深度调制通道以及三个双选数字开关组合的时序控制通道；三个双选数字开关分别与三个D/A转换模块一一相连接，每个D/A转换模块各自对应一个驱动电路，每个驱动电路各连接一个Y波导，进而分别驱动X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环；前放电路将探测到的陀螺信号传递给A/D转换模块，转换为数字信号后传给FPGA，FPGA通过双选数字开关在不同的工作周期内，使X-轴光纤环，Y-轴光纤环和Z-轴光纤环分别工作在不同通道，处于不同的工作状态以便分时工作。2.如权利要求1所述的一种基于850n...

【专利技术属性】
技术研发人员：金靖，贺纪亮，马坤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11