基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪及其检测方法，设置两个光纤陀螺，实时比较两个光纤陀螺的积分数据，在受到大冲击时，以参考光纤陀螺的积分数据为参考，判断主光纤陀螺是否正常工作，在主光纤陀螺正常工作时，输出主光纤陀螺的检测数据，在主光纤陀螺出现跨条纹检测问题而工作异常时，输出参考光纤陀螺的检测数据，可以保证干涉式光纤陀螺仪在大冲击情况下仍能保持正常工作，在判断大冲击结束后，对主光纤陀螺的积分器清零，以参考光纤陀螺为参考，将主光纤陀螺拉回至初始正常工作点，使主光纤陀螺恢复正常，输出主光纤陀螺的检测数据，特别适用于高精度干涉式光纤陀螺仪，可以提高高精度干涉式光纤陀螺仪的抗冲击性能。

Impact-Resistant Interferometric Fiber Optic Gyroscope Based on Double-Ring Structure and Its Detection Method

【技术实现步骤摘要】
基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪及其检测方法
本专利技术涉及光纤陀螺
，尤其涉及一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪及其检测方法。
技术介绍
干涉式光纤陀螺仪凭借其全固态、灵敏度高、动态范围大、体积小以及寿命长等突出优点，已经广泛应用于导弹制导、空间飞行器姿态控制以及飞机导航等领域，近年来已成为全世界的研究热点。干涉式光纤陀螺仪是一种角速率敏感装置，如图1所示，主要包括：光源101、耦合器102、相位调制器103、敏感光纤环104、探测器105和信号处理器106。干涉式光纤陀螺仪的工作原理为：光源101发出光束，经过耦合器102与相位调制器103后分成相位相同且传播方向相反的两束光，若敏感光纤环104发生转动，由于萨格纳克(Sagnac)效应，正/反向两束光经过在敏感光纤环104内的传播后会产生相位差，进而在耦合器102内发生干涉后光强发生变化，探测器105接收光信号并将其转换为电压信号后发送给信号处理器106，信号处理器106通过解调检测光强变化得到敏感光纤环104转动的角速率信息。全数字闭环方法是干涉式光纤陀螺仪的主流检测方法，探测器的输出信号可表示为：其中，I是到达探测器的光强，I0是到达探测器的最大光强，ΔΦm是调制方波施加的相位差，ΔΦb是调制方波的偏置相位值，ΔΦs是敏感光纤环转动引起的相位差，ΔΦf是闭环反馈的相位差，τ是渡越时间，t为时间。根据Sagnac效应的相关推导：其中，ΔΦs为由敏感光纤环转动引起的Sagnac相移，D为敏感光纤环的光纤直径，L为敏感光纤环的光纤长度，c为真空中的光速，λ为平均波长，Ω为敏感光纤环转动的角速率。图2为干涉式光纤陀螺仪的方波调制信号及对应的探测器的输出信号，方波调制信号表示相位差ΔΦ随时间t的变化，探测器的输出信号表示干涉光强I随时间t的变化，如图2所示，当ΔΦs＝0时，即0至4τ时间段，探测器输出为带有尖峰脉冲的直流信号，当ΔΦs≠0时，即6τ至10τ时间段，探测器输出为带有尖峰脉冲的方波信号。随着干涉式光纤陀螺仪的应用的不断拓展，干涉式光纤陀螺仪在特定环境中受到的冲击高达几十G甚至上百G，冲击已经成为干涉式光纤陀螺仪的应用中不可忽略的环境因素之一。任何作用在敏感光纤环上的冲击均可分解为轴向冲击与径向冲击，轴向和径向分别是干涉式光纤陀螺仪的不敏感方向和敏感方向。理想情况下，在不敏感方向上，轴向冲击不会产生敏感方向的Sagnac相移，但在实际情况中，由于干涉式光纤陀螺仪的减振器安装误差、系统装配误差等会引起轴向的扭转，这会使得轴向冲击产生一些径向的分量，进而在敏感方向产生相应的Sagnac相移，并且，在敏感方向上，径向冲击会使干涉式光纤陀螺仪在一个反馈周期内产生很大的瞬时角速率，瞬时角速率会与正常敏感角速率叠加在一起产生Sagnac相移进入闭环检测回路中。在干涉式光纤陀螺仪的正常工作状态下，当瞬时冲击在一个闭环周期内引起的Sagnac相移满足-π＜ΔΦs＜π时，根据数字闭环的原理，干涉式光纤陀螺仪能够完成闭环检测并将工作点闭环至原始工作点，不会影响其后续工作；但当瞬时冲击在一个闭环周期内引起的Sagnac相移满足ΔΦs≤-π或ΔΦs≥π时，由于余弦干涉条纹的特点和闭环的工作原理，干涉式光纤陀螺仪会出现跨条纹检测现象，此时系统闭环失调，使得检测出现“盲判”，将工作点闭环至2πn(n＝±1，±2…)处，输出的角速率值有误且工作状态无法恢复正常。此外，轴向冲击引起的弹光效应还会使得干涉式光纤陀螺仪产生附加相移，附加相移与正常敏感角速率产生的相移无法区分，也会影响干涉式光纤陀螺仪的正常工作。随着干涉式光纤陀螺仪的不断发展，国内外的干涉式光纤陀螺仪已经突破1‰°/h的精度量级(零偏稳定性)，全世界范围内已经进入高精度干涉式光纤陀螺仪的研发与应用阶段。干涉式光纤陀螺仪精度方面的技术突破，已经基本满足光纤惯性导航系统的高精度需求，为高精度光纤惯性导航系统的发展奠定了坚实的基础。随着干涉式光纤陀螺仪的不断发展，高精度干涉式光纤陀螺仪的应用场景不断拓展，振动、冲击也成为了高精度干涉式光纤陀螺仪的重要考核指标之一。在高精度干涉式光纤陀螺仪的研制与应用过程中，仍然无法克服大冲击与大范围振动情况下所引起的跨条纹故障，这严重制约着高精度干涉式光纤陀螺仪在导弹、舰船等实战场景下的发展应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪及其检测方法，用以提高高精度干涉式光纤陀螺仪的抗冲击性能。因此，本专利技术实施例提供了一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪，包括：光源、第一耦合器、主光纤陀螺、参考光纤陀螺及信号处理器；其中，所述第一耦合器分别与所述光源、所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于接收所述光源发出的光，并将接收的光分成两束分别传输给所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺；所述信号处理器分别与所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于在检测之前对所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺进行信号同步处理，实时比较所述主光纤陀螺的积分数据与所述参考光纤陀螺的积分数据；以所述参考光纤陀螺的积分数据为参考，判断所述主光纤陀螺是否正常工作；若是，则输出所述主光纤陀螺的检测数据；若否，则输出所述参考光纤陀螺的检测数据，在冲击结束后对所述主光纤陀螺的积分器进行清零，以所述参考光纤陀螺为参考，将所述主光纤陀螺拉回至初始正常工作点，输出所述主光纤陀螺的检测数据。在一种可能的实现方式中，在本专利技术实施例提供的上述干涉式光纤陀螺仪中，所述主光纤陀螺包括第二耦合器、第一相位调制器、第一探测器和第一敏感光纤环；所述参考光纤陀螺包括第三耦合器、第二相位调制器、第二探测器和第二敏感光纤环；其中，所述第二耦合器和所述第三耦合器分别与所述第一耦合器连接，用于分别接收所述第一耦合器分成的两束光；所述第一相位调制器分别与所述第二耦合器和所述第一敏感光纤环连接，用于对进入所述第一相位调制器的光进行相位调制；所述第二相位调制器分别与所述第三耦合器和所述第二敏感光纤环连接，用于对进入所述第二相位调制器的光进行相位调制；所述第一探测器分别与所述第二耦合器和所述信号处理器连接，用于接收所述第二耦合器输出的光信号，并将接收的光信号转换为电压信号发送给所述信号处理器；所述第二探测器分别与所述第三耦合器和所述信号处理器连接，用于接收所述第三耦合器输出的光信号，并将接收的光信号转换为电压信号发送给所述信号处理器；所述第一敏感光纤环的长度与直径的乘积大于所述第二敏感光纤环的长度与直径的乘积。在一种可能的实现方式中，在本专利技术实施例提供的上述干涉式光纤陀螺仪中，所述信号处理器包括：数字信号处理器以及与所述数字信号处理器分别电性连接的第一模拟信号检测电路和第二模拟信号检测电路；其中，所述第一模拟信号检测电路的第一输入端与所述第一探测器电性连接，所述第一模拟信号检测电路的第一输出端和第二输入端与所述数字信号处理器电性连接，所述第一模拟信号检测电路的第二输出端与所述第一相位调制器电性连接；所述第二模拟信号检测电路的第一输入端与所述第二探测器电性连接，所述第二模拟信号检测电路的第一输出端和第二输入端与所述数字信号处理器电性连接，所述第二模拟信号检测电路的第二输出端与所述第二相位调制器电性连接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，包括：光源、第一耦合器、主光纤陀螺、参考光纤陀螺及信号处理器；其中，所述第一耦合器分别与所述光源、所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于接收所述光源发出的光，并将接收的光分成两束分别传输给所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺；所述信号处理器分别与所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于在检测之前对所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺进行信号同步处理，实时比较所述主光纤陀螺的积分数据与所述参考光纤陀螺的积分数据；以所述参考光纤陀螺的积分数据为参考，判断所述主光纤陀螺是否正常工作；若是，则输出所述主光纤陀螺的检测数据；若否，则输出所述参考光纤陀螺的检测数据，在冲击结束后对所述主光纤陀螺的积分器进行清零，以所述参考光纤陀螺为参考，将所述主光纤陀螺拉回至初始正常工作点，输出所述主光纤陀螺的检测数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于双环结构的抗冲击干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，包括：光源、第一耦合器、主光纤陀螺、参考光纤陀螺及信号处理器；其中，所述第一耦合器分别与所述光源、所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于接收所述光源发出的光，并将接收的光分成两束分别传输给所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺；所述信号处理器分别与所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺连接，用于在检测之前对所述主光纤陀螺和所述参考光纤陀螺进行信号同步处理，实时比较所述主光纤陀螺的积分数据与所述参考光纤陀螺的积分数据；以所述参考光纤陀螺的积分数据为参考，判断所述主光纤陀螺是否正常工作；若是，则输出所述主光纤陀螺的检测数据；若否，则输出所述参考光纤陀螺的检测数据，在冲击结束后对所述主光纤陀螺的积分器进行清零，以所述参考光纤陀螺为参考，将所述主光纤陀螺拉回至初始正常工作点，输出所述主光纤陀螺的检测数据。2.如权利要求1所述的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述主光纤陀螺包括第二耦合器、第一相位调制器、第一探测器和第一敏感光纤环；所述参考光纤陀螺包括第三耦合器、第二相位调制器、第二探测器和第二敏感光纤环；其中，所述第二耦合器和所述第三耦合器分别与所述第一耦合器连接，用于分别接收所述第一耦合器分成的两束光；所述第一相位调制器分别与所述第二耦合器和所述第一敏感光纤环连接，用于对进入所述第一相位调制器的光进行相位调制；所述第二相位调制器分别与所述第三耦合器和所述第二敏感光纤环连接，用于对进入所述第二相位调制器的光进行相位调制；所述第一探测器分别与所述第二耦合器和所述信号处理器连接，用于接收所述第二耦合器输出的光信号，并将接收的光信号转换为电压信号发送给所述信号处理器；所述第二探测器分别与所述第三耦合器和所述信号处理器连接，用于接收所述第三耦合器输出的光信号，并将接收的光信号转换为电压信号发送给所述信号处理器；所述第一敏感光纤环的长度与直径的乘积大于所述第二敏感光纤环的长度与直径的乘积。3.如权利要求2所述的干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，所述信号处理器包括：数字信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春熹，孔令海，郑月，王夏霄，宋凝芳，金靖，
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