一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，属于光纤陀螺仪技术领域。本发明专利技术给出了测斜用光纤陀螺仪光纤环的一种优化设计方法。利用结构约束和精度约束，建立光纤环参数的约束方程组，以成本设计为目标建立了优化目标函数，通过求解约束方程组和优化目标函数，可以获得光纤环的设计参数。本发明专利技术的方法实现简单，能够有效解决测斜用光纤陀螺仪光纤环在小孔径约束下的设计问题。

Design method of optical fiber ring for small caliber fiber optic gyroscope

The invention relates to a design method of an optical fiber ring of a small caliber fiber optic gyroscope used for measuring deflection, belonging to the technical field of fiber optic gyroscope. The invention provides an optimized design method of fiber optic gyroscope fiber ring for inclinometer. Using structural constraints and constraint, constraint equations of fibre loop parameters, establishes the optimization objective function to design cost as the goal, by solving the constraint equations and the optimization objective function, can obtain the design parameters of optical fiber ring. The method of the invention has simple realization, and can effectively solve the design problem of the fiber ring of the fiber optic gyroscope under the small aperture constraint.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤陀螺仪
，具体涉及一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法。
技术介绍
陀螺测斜仪主要用于测量井眼的姿态，包括井斜角、方位角和工具面角，进而得到油井的井眼轨迹。随着我国陆上油田进入开发中后期，小井眼钻井及老井侧钻等技术应用越来越广泛。小井眼测量需要小尺寸的传感器，目前测斜用的光纤陀螺仪最小口径已经≤32mm。随着应用需求向更高要求发展，尺寸进一步缩小将面临更大的工程技术难题的挑战。Sagnac效应ΔΦ计算公式如上式所示，为环平面的输入角速率矢量，为光纤环所围的面积矢量，λ0为光波在真空中的波长，c为光波在真空中的速度。因此，光纤陀螺仪的精度与其敏感单元光纤环所围的等效面积相关，为了增强Sagnac效应，光纤环通常采用多圈绕制的结构。因此单个光纤环敏感的Sagnac效应该是公式再乘以圈数N。对于圆形环，其Sagnac效应计算公式可以写成其中，L代表光纤长度，D代表光纤环直径。在同样长度的光纤情况下，光纤环的直径越大，能敏感到的Sagnac相移越大。同理，如果光纤环的直径变小，其他条件不变，要保证所需的灵敏度，就必须增加光纤的长度。随着测斜用的陀螺仪的口径变小，光纤环设计考虑的约束越严苛，光纤陀螺仪能达到的精度将受到显著限制。这时就要充分考虑所有设计约束，采用合理的设计方案使光纤陀螺仪的精度达到最优。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何在满足光纤环结构约束、光纤陀螺仪精度约束，且降低成本的条件下设计出用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，包括以下步骤：S1、用m个相同外形的光纤环串联成一个光纤环代替单环的结构，在光纤环绕制完成后，将光纤和骨架分离，将无骨架的光纤环固定在光纤陀螺仪本体上，然后装入套筒中，并根据根据测斜用光纤陀螺仪的外形尺寸约束建立结构约束方程；S2、实验测定或者根据经验确定与光纤陀螺仪光功率，调制相位和电路参数有关的系数kf，并计算光纤环整体围成的等效面积S，并根据光纤陀螺仪精度要求，建立精度约束方程；S3、以光纤环用的光纤的总长度Ltotal作为优化目标建立优化目标函数；S4、求解所述结构约束方程、精度约束方程和优化目标函数，得到光纤环的设计参数。优选地，步骤S1中，建立如下10个结构约束方程：ae＝a0+2·n·dfbe＝b0+2·n·dfn＝4,8,12,…其中，光纤环的内椭圆短轴长度为b0，长轴长度为a0,光纤环的外椭圆短轴长度为be，长轴长度为ae，df为光纤直径，n为光纤绕制的层数，为4的整数倍，m≥1；设A为光纤环的外椭圆长度的最大值，K为允许的最大内椭圆长短轴比，则满足：ae≤Aa0/b0≤K设h1为光纤环的高度，h2为本体高度，套筒外径为r，e为光纤环到套筒外壁的最小距离，f为光纤环短轴外侧与本体外侧的最小间距，本体最小高度为hm，则h1、h2、e、r、be、hm，f满足以下关系：(h1+h2-r/2)2+(be/2)2≤(r/2-e)2h1+h2≤r-ebe≤2·(r/2-e)h2≥hm(r/2)2-(r/2-h2)2≥(f+be/2)2/4h1＝k*df,k＝1,2,3,…k为每一层所绕的光纤匝数。优选地，步骤S2中，首先得到以下递推公式：ai＝a0-df+2·i·df,bi＝b0-df+2·i·df,i＝1,…,nai是第i层光纤的纤心处的椭圆长轴长度，bi是第i层光纤的纤心处的椭圆短轴长度；第一层椭圆环的长轴是a0+df，短轴是b0+df，第i层光纤所围面积Si可以用椭圆面积公式算出：Si＝kπaibi/4＝kπ(a0-df+2·i·df)(b0-df+2·i·df)/4,i＝1,…,n因此总的面积Stotal为m个单环的面积之和：光纤陀螺仪的零偏稳定性BiasStability约束，即精度约束方程通过如下公式表示:式中BiasStabilitygive为预设的随机游走系数指标。优选地，步骤S3中，建立的优化目标函数为：其中变量包括m，n，k，a0，b0，h2。优选地，步骤S4中，采用matlab做数值求解，或者采用Lingo软件求解，得到Ltotal，m，n，k，a0，b0，h2这7个值。(三)有益效果本专利技术给出了测斜用光纤陀螺仪光纤环的一种优化设计方法。利用结构约束和精度约束，建立光纤环参数的约束方程组，以成本设计为目标建立了优化目标函数，通过求解约束方程组和优化目标函数，可以获得光纤环的设计参数。本专利技术的方法实现简单，能够有效解决测斜用光纤陀螺仪光纤环在小孔径约束下的设计问题。附图说明图1为椭圆或者类椭圆形光纤环示意图；图2为本专利技术设计方法中多个椭圆环串联组成光纤环示意图；图3为本专利技术设计方法中光纤环、本体和套筒的横截面示意图；图4为本专利技术设计方法中光纤环尺寸示意图；图5为本专利技术设计方法中光纤环、本体和套筒的横截面尺寸示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。通常，光纤陀螺仪在设计时需要考虑各种设计约束，其中包括结构约束，精度约束，成本约束，功耗约束，重量约束等。测斜用的光纤陀螺仪最关键的设计约束来自结构尺寸，结构尺寸的约束对光纤环的设计有着关键性的影响，因此本专利技术讨论结构约束对陀螺设计的影响将主要讨论光纤环的设计。在满足结构约束的条件下，光纤陀螺仪还满足精度约束，同时尽可能降低成本，这些是测斜的小口径光纤陀螺仪的设计方法的核心。本专利技术的设计方法具体包括以下设计步骤：1)建立结构约束在测斜用光纤陀螺仪中，光纤环沿径向放置。为了增加光纤环围成的等效面积S，光纤环骨架通常设计成椭圆或者类椭圆形。如图1所示，光纤绕制在椭圆或者类椭圆形骨架的内侧表面1，绕制多层后会达到骨架的外侧2，但不能超过外侧2。椭圆长轴不宜过长，长轴过长，光纤环绕制将存在困难。在光纤环长轴超过限制时，需要考虑光纤环是采用单环还是多环串联的方式，如图2所示。如图3所示，光纤环需要固定在本体6上，然后装入套筒5中。光纤环3，4离套筒5内壁应该保持安全距离。根据用户给出的外形尺寸约束，通常主要是测斜用光纤陀螺仪最大外径，建立光纤环结构尺寸约束方程组。基于以上设计思想，光纤环采用脱骨架的方案，就是说在光纤环绕制完成后，将光纤和骨架分离，直接将无骨架的光纤环(下面简称光纤环)固定在本体上，以充分利用套筒内的空间，这样可以节省空间。如图4所示，光纤环的内椭圆短轴长度为b0，长轴长度为a0,光纤环的外椭圆短轴长度为be，长轴长度为ae，满足以下关系：ae＝a0+2·n·dfbe＝b0+2·n·dfn＝4,8,12,…其中，df为光纤直径(是常数)，n为光纤绕制的层数，光纤环通常采用4极对称绕法，因此n为4的整数倍。外椭圆长轴过大，和内椭圆长短轴比过大，均会对光纤环绕制带来困难。需要限制外椭圆长轴长度，当长轴方向长度超过限度，光纤陀螺仪性能依然不能满足要求的情况下，需用多个相同外形的光纤环串联成一个光纤环代替单环的结构，假设共有m个光纤环串联组成，m≥1。设A为外椭圆长度的最大值，K为最大的内椭圆长短轴比，则ae满足以下关系。ae≤Aa0/b0≤K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、用m个相同外形的光纤环串联成一个光纤环代替单环的结构，在光纤环绕制完成后，将光纤和骨架分离，将无骨架的光纤环固定在光纤陀螺仪本体上，然后装入套筒中，并根据根据测斜用光纤陀螺仪的外形尺寸约束建立结构约束方程；S2、实验测定或者根据经验确定与光纤陀螺仪光功率，调制相位和电路参数有关的系数kf，并计算光纤环整体围成的等效面积S，并根据光纤陀螺仪精度要求，建立精度约束方程；S3、以光纤环用的光纤的总长度Ltotal作为优化目标建立优化目标函数；S4、求解所述结构约束方程、精度约束方程和优化目标函数，得到光纤环的设计参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、用m个相同外形的光纤环串联成一个光纤环代替单环的结构，在光纤环绕制完成后，将光纤和骨架分离，将无骨架的光纤环固定在光纤陀螺仪本体上，然后装入套筒中，并根据根据测斜用光纤陀螺仪的外形尺寸约束建立结构约束方程；S2、实验测定或者根据经验确定与光纤陀螺仪光功率，调制相位和电路参数有关的系数kf，并计算光纤环整体围成的等效面积S，并根据光纤陀螺仪精度要求，建立精度约束方程；S3、以光纤环用的光纤的总长度Ltotal作为优化目标建立优化目标函数；S4、求解所述结构约束方程、精度约束方程和优化目标函数，得到光纤环的设计参数。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，建立如下10个结构约束方程：ae＝a0+2·n·dfbe＝b0+2·n·dfn＝4,8,12,…其中，光纤环的内椭圆短轴长度为b0，长轴长度为a0,光纤环的外椭圆短轴长度为be，长轴长度为ae，df为光纤直径，n为光纤绕制的层数，为4的整数倍，m≥1；设A为光纤环的外椭圆长度的最大值，K为允许的最大内椭圆长短轴比，则满足：ae≤Aa0/b0≤K设h1为光纤环的高度，h2为本体高度，套筒外径为r，e为光纤环到套筒外壁的最小距离，f为光纤环短轴外侧与本体外侧的最小间距，本体最小高度为hm，则h1、h2、e、r、be、hm，f满足以下关系：(h1+h2-r/2)2+(be/2)2≤(r/2-e)2h1+h2≤r-ebe≤2·(r/2-e)h2≥hm(r/2)2-(r/2-h2)2≥(f+be/2)2/4h1＝k*df,k＝1,2,3,…k为每一层所绕的光纤匝数。3.如权利要求2所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓学文，马潇，吕英进，朱奎宝，
申请(专利权)人：北京计算机技术及应用研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11