降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺技术

本发明专利技术涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺，包括如下步骤：确定光纤Bragg光栅的中心波长范围及反射谱宽范围；测试泵浦激光器的实际谱型；制作光谱切趾滤波器；制作光纤陀螺；对光纤陀螺进行标度因数建模补偿：将光纤陀螺进行全温测试，得到标度因数模型曲线，然后将标度因数模型曲线分段线性拟合，得到分段线性拟合值，在每个分段上，用陀螺原始输出值减去拟合值，得到补偿后的陀螺输出。本发明专利技术提供的方法在全温范围内可将光纤陀螺标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。标度因数的性能。标度因数的性能。

【技术实现步骤摘要】
降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺


[0001]本专利技术涉及光纤陀螺
，尤其涉及降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺。

技术介绍

[0002]光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率传感器，具有精度高、寿命长、成本低、全固态等诸多优点，已成为惯性导航核心元件。光纤陀螺实现高精度的一个重要原因在于光纤陀螺光路中宽谱光源的使用，在干涉式光纤陀螺中，宽谱光源具有抑制背向反射及散射、偏振耦合、法拉第效应、克尔效应等引起的误差的优势。结构合理的掺铒光纤光源可以同时具备功率较大、带宽较宽且波长稳定性较好等多种优良特性，是高精度光纤陀螺的理想光源。但随着高精度惯导系统的性能需求快速提升，对光纤陀螺的要求也大幅提升，特别是标度因数性能，是能否实现系统精度保持、延长重调时间的关键。随着应用的深入，标度因数的性能已经成为光纤陀螺性能的最重要指标之一。
[0003]光纤陀螺Sagnac标度因数可由式（1）表示：（1）
[0004]其中，L为环圈长度，D为环圈直径，为光路平均波长，C为真空中光速，由于L、D、三个参数均随温度变化，式（1）可表示为式（2）：（2）其中，表示光纤陀螺温度变化下Sagnac标度因数，T为陀螺温度，表示温度变化下环圈长度，表示温度变化下环圈直径,表示温度变化下光路平均波长。
[0005]由于光纤陀螺存在光电转换与闭环数字调制解调，则光纤陀螺温度变化下标度因数可表示为式（3）：（3）其中为闭环调制比例系数。
[0006]受宽谱光源中泵浦激光器的光谱和光路其他器件的损耗谱随温度变化的影响，在无补偿措施情况下，的全温变化达到几百甚至上千ppm，这对于高精度光纤陀螺应用的影响是巨大的，必须降低光纤陀螺标度因数灵敏度。通常的做法是对光纤陀螺进行标度因数建模，然后按温度进行分段线性补偿。所以影响光纤陀螺标度因数温度灵敏度的是补偿残差。而补偿残差的大小与标度因数模型在各段内的线性度密切相关。若存在极值点，则会严重影响补偿效果。实际光纤陀螺中，光纤陀螺宽谱光源中泵浦光的谱型不理想，存在多峰，会导致光纤陀螺光路波长
‑
温度曲线存在大量极值点，严重影响标度因数补偿效果，造成光纤陀螺标度因数温度灵敏度过大。对泵浦光进行滤波是解决此问题的一种方法，但存在的困难是，由于泵浦光的光谱宽度较窄、不理想谱型的主峰与次峰距离很近，通常在1
‑
5nm之间，这对于滤波器的参数匹配性提出了很高要求。由于光学器件在制作时，同一设计指标下，产品实际指标存在误差，个体间存在差异，比如某款泵浦激光器手册上标明其中心波长范围是973
‑
975nm，谱宽最大值为2nm（主峰），想要在滤波后完整保留主峰且将距离小于主峰谱宽的次峰完全滤除，使用中心波长固定的滤波器是难以满足要求的，与此同时滤波器中心波长也存在个体差异，这更增加了与泵浦光中心波长完全匹配的难度。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是提供降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺，在全温范围内可将光纤陀螺标度因数温度灵敏度的补偿残差减小近一个数量级，从而降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度，大幅提升光纤陀螺标度因数的性能。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案予以实现：
[0009]降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括如下步骤：S1：根据光纤陀螺用泵浦激光器手册记载的谱型特点确定光纤Bragg光栅的中心波长范围及反射谱宽范围；S2：通过光谱分析仪测试光纤陀螺用泵浦激光器的实际谱型；S3：制作光谱切趾滤波器：将确定的中心波长范围及反射谱宽范围的光纤Bragg光栅刻蚀区盘绕在芯轴上，然后将光纤Bragg光栅一端尾纤与1
×
2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤Bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
×
2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
×
2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤接入光谱分析仪后，将芯轴固定，对光纤Bragg光栅两端的尾纤施加拉力，光谱分析仪测试泵浦光经滤波后的谱型，使光纤Bragg光栅的中心波长与步骤S2测试出的光纤陀螺用泵浦激光器实际谱型的中心波长一致后停止施加拉力，然后将光纤Bragg光栅固化到芯轴上完成光谱切趾滤波器的制作；S4：制作光纤陀螺：将将1
×
2耦合器的尾纤与光谱分析仪拆除后与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与Y波导输入端耦合，Y波导的尾纤与光纤敏感环的尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与Y波导的反馈端耦合；S5：对光纤陀螺进行标度因数建模补偿：将S4制作完成的光纤陀螺进行全温测试，得到标度因数模型曲线，然后将标度因数模型曲线按温度分段进行分段线性拟合，得到分段线性拟合值，在每个分段上，用光纤陀螺原始输出值减去拟合值，得到补偿后的陀螺输出。
[0010]优化的，S1中确定光纤Bragg光栅的中心波长为泵浦激光器手册记载谱型中心波长的最小值，光纤Bragg光栅的谱宽范围为泵浦激光器手册记载谱型谱宽范围的1
‑
1.5倍。
[0011]优选的，1
×
2耦合器工作波长为980
±
10nm，1
×
2耦合器分光比为50:50。
[0012]优化的，芯轴由金属材料制作而成。
[0013]进一步，S5中对光纤陀螺进行全温试验时，将光纤陀螺固定在温箱内的转台上，转台匀速水平转动，温箱的温度在全温范围内以匀速变化。
[0014]优化的，S3中光纤Bragg光栅与芯轴之间采用高模量丙烯酸酯或环氧树脂固化。
[0015]一种降低标度因数温度灵敏度的光纤陀螺，用以执行上述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其包括泵浦激光器、光谱切趾滤波器、光波分复用器、掺铒光纤、光纤反射镜、光隔离器、光纤滤波器、保偏分束器、调制解调器、Y波导、光纤敏感环圈和光电探测器，所述光谱切趾滤波器包括芯轴、1
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2耦合器及光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅的刻蚀区固定盘绕在芯轴上且光纤Bragg光栅的中心波长与泵浦激光器的中心波长一致，光纤Bragg光栅一端尾纤与1
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2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤Bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
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2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
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2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：根据光纤陀螺用泵浦激光器手册记载的谱型特点确定光纤Bragg光栅的中心波长范围及反射谱宽范围；S2：通过光谱分析仪测试光纤陀螺用泵浦激光器的实际谱型；S3：制作光谱切趾滤波器：将确定的中心波长范围及反射谱宽范围的光纤Bragg光栅刻蚀区盘绕在芯轴上，然后将光纤Bragg光栅一端尾纤与1
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2耦合器的公共端尾纤熔接，光纤Bragg光栅另一端尾纤斜切消除反射，1
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2耦合器双端尾纤中的一个尾纤与光纤陀螺用泵浦激光器熔接，1
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2耦合器双端尾纤中的另一个尾纤接入光谱分析仪后，将芯轴固定，对光纤Bragg光栅两端的尾纤施加拉力，光谱分析仪测试泵浦光经滤波后的谱型，使光纤Bragg光栅的中心波长与步骤S2测试出的光纤陀螺用泵浦激光器实际谱型的中心波长一致后停止施加拉力，然后将光纤Bragg光栅固化到芯轴上完成光谱切趾滤波器的制作；S4：制作光纤陀螺：将1
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2耦合器的尾纤与光谱分析仪拆除后与光波分复用器一个输入端口耦合，光波分复用器公共端与掺铒光纤一端耦合，掺铒光纤另一端与光纤反射镜耦合，光波分复用器的另一个输入端口与光隔离器输入端耦合，光隔离器输出端与光纤滤波器输入端耦合，光纤滤波器输出端与保偏分束器的一个分束端口耦合，保偏分束器的另一个分束端口与光电探测器输入端耦合，保偏分束器的公共端口与Y波导输入端耦合，Y波导的尾纤与光纤敏感环圈的尾纤耦合，光电探测器的输出端与调制解调器输入端耦合，调制解调器的反馈端与Y波导的反馈端耦合；S5：对光纤陀螺进行标度因数建模补偿：将S4制作完成的光纤陀螺进行全温测试，得到标度因数模型曲线，然后将标度因数模型曲线按温度分段进行分段线性拟合，得到分段线性拟合值，在每个分段上，用光纤陀螺原始输出值减去拟合值，得到补偿后的陀螺输出。2.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法，其特征在于：S1中确定光纤Bragg光栅的中心波长为泵浦激光器手册记载谱型中心波长的最小值，光纤Bragg光栅的反射谱宽范围为泵浦激光器手册记载谱型谱宽范围的1
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1.5倍。3.根据权利要求1所述的降低光...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗巍，陈馨，颜苗，于杰，冯菁，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：