CN115790565A - 一种分体式超高精度光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种分体式超高精度光纤陀螺仪，包括分体式设置的敏感光学模块及数据处理模块，敏感光学模块的温度监测控制骨架固装于敏感光学模块外壳内，第一电磁屏蔽罩罩设于敏感光学环圈外围，相位调制器固设于第一电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，光源及保偏光纤耦合器均固设于第二电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，第一无线传输模块固设于第二电磁屏蔽罩与敏感光学模块外壳之间，第一无线传输模块与数据处理模块之间通过无线网络通信。本发明提供的装置有效提高了超高精度光纤陀螺仪的稳定性及可靠性。

Description

一种分体式超高精度光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种分体式超高精度光纤陀螺仪。

背景技术

一直以来，超高精度光纤陀螺通过采用分离设计解决光源、电路工作时发热及电路电磁辐射对光纤环圈的影响问题。但是传统的超高精度光纤陀螺分离式设计只是采用光电式分离结构，即为保证光纤环圈的热、电磁环圈的稳定，只将光纤环圈、相位调制器设计封装在一起，将光源、保偏光纤耦合器、光电探测器、数据调制解调处理模块设计封装在一起，上述两个封装之间通过单模光纤、调制信号电线相连接。这种设计考虑了光源发热产生的热干扰，光电探测器热、电干扰，数据调制解调处理模块的电磁干扰、热干扰，可有效改善敏感光纤环圈所处的热、电环境，但是依然需要通过实体将上述封装的两部分再封装连在一起，而没有实现敏感光学模块和数据处理模块真正意义上的物理分离。光纤陀螺在这种分离时，仍然存在相位调制器光学尾纤和信号电线在另个分离实体中间的连接，存在着电互联和光纤互联。这种互联结构会导致在超高精度光纤陀螺使用时容易引起光纤互联弯曲，甚至导致光纤互联中光纤的折断，外界磁场变化也容易对超高精度光纤陀螺产生干扰，从而极大的降低超高精度光纤陀螺仪的稳定性及可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分体式超高精度光纤陀螺仪，通过将敏感光学模块及数据处理模块之间采取分体式设计，敏感光学模块设置一个外壳，并且设置两层电磁屏蔽罩，将敏感光学模块中的敏感光学环圈与相位调制器放置于温度监测控制骨架内并通过第一层电磁屏蔽罩隔离，光源、保偏光纤耦合器再放置于温度监测控制骨架外，并与第一无线传输模块通过第二层电磁屏蔽罩隔离，减少了外界磁场变化对超高精度光纤陀螺产生的干扰及内部部件之间的相互干扰。并且敏感光学模块及数据处理模块之间通过无线网络进行通信，避免了高精度光纤陀螺使用时光纤互联弯曲或折断的现象，有效提高了超高精度光纤陀螺仪的稳定性及可靠性。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其包括分体式设置的敏感光学模块及数据处理模块，所述敏感光学模块包括敏感光学模块外壳、温度监测控制骨架、敏感光学环圈、第一无线传输模块、相位调制器、第一电磁屏蔽罩、第二电磁屏蔽罩、光源及保偏光纤耦合器，所述温度监测控制骨架固定安装于敏感光学模块外壳内，敏感光学环圈及第一电磁屏蔽罩固定设于温度监测控制骨架内，且第一电磁屏蔽罩罩设于敏感光学环圈外围，所述相位调制器固定设于第一电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，所述第二电磁屏蔽罩设于敏感光学模块外壳内且罩设于温度监测控制骨架外围，所述光源及保偏光纤耦合器均固定设于第二电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，所述第一无线传输模块固定设于第二电磁屏蔽罩与敏感光学模块外壳之间，所述光源、保偏光纤耦合器、相位调制器、第一无线传输模块依次通过线缆连接，所述第一无线传输模块与数据处理模块之间通过无线网络通信。

进一步，第一无线传输模块包括依次通过线缆连接的DDS信号发生器、AD转换模块及光电转换模块，所述光电转换模块与保偏光纤耦合器之间通过线缆连接，DDS信号发生器与相位调制器之间通过线缆连接。

进一步，所述数据处理模块包括数据处理模块外壳及设于数据处理模块外壳内的第二无线传输模块、信号处理模块、DA主回路及DA第二回路，所述第二无线传输模块与信号处理模块、DA主回路及DA第二回路均通过数据总线连接，信号处理模块、DA主回路及DA第二回路之间分别通过线缆连接，第二无线传输模块与第一无线传输模块之间通过无线网络通信。

进一步，温度监测控制骨架上安装有电加热带及第一温度传感器，敏感光学环圈上固定安装有第二温度传感器，第二温度传感器与第一无线传输模块通过线缆连接，电加热带与DDS信号发生器通过线缆连接，所述数据处理模块外壳内还设有温度补偿控制模块，所述温度补偿控制模块与第二无线传输模块通过数据总线连接。

优化的，第一电磁屏蔽罩及第二电磁屏蔽罩分别包括屏蔽环托及屏蔽环托盖，所述屏蔽环托盖密封地盖装于屏蔽环托上。

优化的，光源为高波长稳定性与高功率稳定性的宽带光源。

优化的，相位调制器为高消光比相位调制器。

本发明提供的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，具有如下优点：

1.将敏感光学模块与数据处理模块采取分体式设计，敏感光学模块设置两层电磁屏蔽罩，将敏感光学模块中的敏感光学环圈与相位调制器放置于温度监测控制骨架内并通过第一层电磁屏蔽罩隔离，光源、保偏光纤耦合器再放置于温度监测控制骨架外，并与第一无线传输模块通过第二层电磁屏蔽罩隔离，减少了外界磁场变化对超高精度光纤陀螺产生的干扰及内部部件之间的相互干扰，保证了超高精度光纤陀螺仪的稳定性；

2. 敏感光学模块及数据处理模块分别设有各自的外壳，二者之间通过无线网络进行通信，实现了敏感光学模块及数据处理模块真正物理意义的分离，避免了高精度光纤陀螺使用时光纤互联弯曲或折断的现象，有效提高了超高精度光纤陀螺仪的可靠性。

附图说明

图1是本发明敏感光学模块结构示意图。

图2是本发明数据处理模块结构示意图。

图中：1.敏感光学模块外壳，2. 第二电磁屏蔽罩，3. 相位调制器，4. 电加热带，5. 第一电磁屏蔽罩，6.第二温度传感器，7. 保偏光纤耦合器，8. 光源，9. 敏感光学环圈，10. AD转换模块，11. 第一无线传输模块，12. 光电转换模块，13. DDS信号发生器，14. 温度监测控制骨架，15. 第一温度传感器，16. 数据处理模块外壳，17. 第二无线传输模块，18. 信号处理模块，19. DA主回路，20. DA第二回路，21. 温度补偿控制模块。

具体实施方式

一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其包括分体式设置的敏感光学模块及数据处理模块，所述敏感光学模块结构示意图如附图1所示，其包括敏感光学模块外壳1、温度监测控制骨架14、敏感光学环圈9、第一无线传输模块11、相位调制器3、第一电磁屏蔽罩5、第二电磁屏蔽罩2、光源8及保偏光纤耦合器7，所述温度监测控制骨架固定安装于敏感光学模块外壳内，敏感光学环圈及第一电磁屏蔽罩固定设于温度监测控制骨架内，且第一电磁屏蔽罩罩设于敏感光学环圈外围，所述相位调制器固定设于第一电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，第二电磁屏蔽罩设于敏感光学模块外壳内且罩设于温度监测控制骨架外围，所述光源及保偏光纤耦合器均固定设于第二电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间。

本发明将敏感光学环圈与相位调制器分别置于第一电磁屏蔽罩内外，实现敏感光学环圈与相位调制器的隔离，可以减少二者之间的热、电干扰，并且减少外界电磁干扰对敏感光学环圈的影响。

将光源及保偏光纤耦合器设于第二电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，可以减少光源及保偏光纤耦合器与敏感光学环圈、相位调制器之间的相互影响以及外界电磁干扰的影响，从而保证超高精度光纤陀螺仪的稳定性。

具体的可以将光源及保偏光纤耦合器放置于温度监测控制骨架外底部，将相位调制器放置于温度监测控制骨架内顶部，尽量增加光源及保偏光纤耦合器与相位调制器之间的距离，从而减小光源及保偏光纤耦合器对相位调制器的影响，提高超高精度光纤陀螺仪的稳定性。

第一无线传输模块固定设于第二电磁屏蔽罩与敏感光学模块外壳之间，第一无线传输模块与数据处理模块之间通过无线网络通信，光源、保偏光纤耦合器、相位调制器、第一无线传输模块依次通过线缆连接。将第一无线传输模块设于第二电磁屏蔽罩与敏感光学模块外壳之间，既可以实现第一无线传输模块与敏感光学模块其他部件之间的隔离与屏蔽，避免相互之间产生影响，也可以保证第一无线传输模块与数据处理模块之间的无线通信，从而实现敏感光学模块及数据处理模块之间的数据和信息交互。

光纤陀螺领域一般将陀螺零偏稳定性≤0.0001°/h称为超高精度光纤陀螺，其精度要求比较高，传统意义的光电分体式光纤陀螺由于只将光纤环圈、相位调制器设计封装在一起，将ASE光源、保偏光纤耦合器、光电探测器、数据处理模块设计封装在一起，上述两个封装之间通过单模光纤、调制信号电线相连接，依然无法实现敏感光学模块与数据处理模块真正物理意义的分离，依然存在外界磁场变化对超高精度光纤陀螺产生的干扰及内部部件之间的相互干扰，很难满足超高精度光纤陀螺精度稳定性的要求。

因此本申请改变了传统的光电分离模式，将敏感光学模块与数据处理模块采取分体式设计，敏感光学模块设置两层电磁屏蔽罩，将敏感光学模块中的敏感光学环圈与相位调制器放置于温度监测控制骨架内并通过第一层电磁屏蔽罩隔离，光源、保偏光纤耦合器再放置于温度监测控制骨架外，并与第一无线传输模块通过第二层电磁屏蔽罩隔离，减少了外界磁场变化对超高精度光纤陀螺产生的干扰及内部部件之间的相互干扰，保证了超高精度光纤陀螺仪的稳定性。

同时敏感光学模块及数据处理模块分别设有各自的外壳，二者之间通过无线网络进行通信，通过在敏感光学模块中完成角速率信息的检测及AD转换来确保准确的原始角速率信息，以及在数据处理模块中实现陀螺信息的调制解调及反馈形成闭环，确保分体式超高精度光纤陀螺仪实现高精度。由于其实现了敏感光学模块及数据处理模块真正物理意义的分离，避免了高精度光纤陀螺使用时光纤互联弯曲或折断的现象，有效提高了超高精度光纤陀螺仪的可靠性。

敏感光学模块外壳及数据处理模块外壳均可以为铝制品，可以和第一层电磁屏蔽罩、第二层电磁屏蔽罩一样设置成环托加环托盖的形式，将环托盖与环托之间密封连接，防止进入灰尘等，既方便打开维修，又有利于散热，且不影响数据传输，保证超高精度光纤陀螺仪的精度及稳定性。

进一步，第一无线传输模块包括依次通过线缆连接的DDS信号发生器13、AD转换模块10及光电转换模块12，所述光电转换模块与保偏光纤耦合器之间通过线缆连接，DDS信号发生器与相位调制器之间通过线缆连接。分体式超高精度光纤陀螺仪敏感光学模块的工作原理如下：光源产生激光输入保偏光纤耦合器，随后激光依次传入保偏光纤耦合器、相位调制器、敏感光纤环圈；在敏感光纤环圈中敏感外界输入角速度后，载有敏感信息的干涉激光回到相位调制器，随后进入保偏光纤耦合器，最后进入第一无线传输模块的光电转换模块进行光电转换后，再由AD转换模块进行转换然后由DDS信号发生器发出无线信号给数据处理模块。

进一步，数据处理模块结构示意图如附图2所示，其包括数据处理模块外壳16及设于数据处理模块外壳内的第二无线传输模块17、信号处理模块18、DA主回路19及DA第二回路20，所述第二无线传输模块与信号处理模块、DA主回路及DA第二回路均通过数据总线连接，信号处理模块、DA主回路及DA第二回路之间分别通过线缆连接，第二无线传输模块与第一无线传输模块之间通过无线网络通信。

数据处理模块的工作原理：通过第二无线传输模块接收第一无线传输模块输入的数据信息，并通过信号处理模块进行本征频率的奇次(如1次谐波、3次谐波)谐波进行调制解调，解调后的角速率数字量直接输出、闭环角速率反馈信号通过DA主回路转换后直接通过数据总线由第二无线传输模块发射出调制波形、反馈角速率阶梯波形传输给第一无线传输模块的DDS信号发生器，DDS信号发生器再将其传输给相位调制器，形成干涉式闭环数字解调回路。

另外数据处理模块通过第二无线传输模块接收第一无线传输模块输入数据，并通过信号处理模块进行本征频率的奇次(如1次谐波、3次谐波)谐波进行调制解调，解调后的相位调制器的复位误差、漂移误差信号通过DA第二回路转换后通过数据总线由第二无线传输模块发射出复位误差补偿波形给第一无线传输模块的DDS信号发生器，DDS信号发生器再将其传输给相位调制器，形成相位调制器误差的补偿回路，从而保证分体式超高精度光纤陀螺仪的稳定性。

第一无线传输模块和所述第二无线传输模块均为毫米波传输模块，利用毫米波在“衰减峰”频段上信号严重衰减的特点，实现分体式超高精度光纤陀螺仪敏感光学模块及数据处理模块之间通信的抗干扰和抗截获能力，由于分体式超高精度光纤陀螺仪采用分体式结构，在确保第一无线传输模块与第二无线传输模块之间毫米波传输的准确性和抗干扰的条件下，数据处理端远离敏感光学模块，实现远程测量与实时监测，提高了超高精度光纤陀螺的精度及稳定性。

进一步，温度监测控制骨架上安装有电加热带4及第一温度传感器15，敏感光学环圈上固定安装有第二温度传感器6，第二温度传感器与第一无线传输模块通过线缆连接，电加热带与DDS信号发生器通过线缆连接，所述数据处理模块外壳内还设有温度补偿控制模块21，所述温度补偿控制模块与第二无线传输模块通过数据总线连接。

当光纤陀螺工作时，电加热带对温度监测控制骨架进行加热至所需温度，且第一温度传感器与第二温度传感器所测数值一致后，第二温度传感器将温度信息传输给第一无线传输模块，第一无线传输模块将其传输给第二无线传输模块，第二无线传输模块再将信息传输给温度补偿控制模块，温度补偿控制模块将其与预设温度进行比较计算出温度差值，然后再将差值传输给第二无线传输模块，第二无线传输模块将差值反馈给第一无线传输模块，第一无线传输模块通过DDS信号发生器传输给电加热带，控制电加热带升温或降温将温度差值进行补偿。这样数据处理模块中的温度补偿控制模块利用温度监控可以精确的补偿敏感环圈的温度漂移，相对于传统的利用陀螺输出数据和温度的相关性进行简单的线性补偿更能够提升超高精度光纤陀螺的精度。

优化的，第一电磁屏蔽罩及第二电磁屏蔽罩分别包括屏蔽环托及屏蔽环托盖，所述屏蔽环托盖密封地盖装于屏蔽环托上，方便制作，并且便于打开屏蔽环托盖进行安装、维修，同时能够保证电磁屏蔽罩的屏蔽效果。

优化的，光源为高波长稳定性与高功率稳定性的宽带光源。所谓高波长稳定性指在全温-40℃-60℃范围波长稳定性优于10ppm，高功率稳定性指全温-40℃-60℃范围全温功率稳定性优于2%。采用高波长稳定性与高功率稳定性的宽带光源，可以进一步保证超高精度光纤陀螺仪的精度。

优化的，相位调制器为高消光比相位调制器，高消光比指相位调制器芯片消光比≥80dB，采用高消光比相位调制器，可以进一步保证超高精度光纤陀螺仪的精度。

综上所述，本发明提出的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，通过将敏感光学模块及数据处理模块之间采取分体式设计，减少了外界磁场变化对超高精度光纤陀螺产生的干扰及内部部件之间的相互干扰，并且敏感光学模块及数据处理模块之间通过无线网络进行通信，避免了高精度光纤陀螺使用时光纤互联弯曲或折断的现象，有效提高了超高精度光纤陀螺仪的稳定性及可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：包括分体式设置的敏感光学模块及数据处理模块，所述敏感光学模块包括敏感光学模块外壳、温度监测控制骨架、敏感光学环圈、第一无线传输模块、相位调制器、第一电磁屏蔽罩、第二电磁屏蔽罩、光源及保偏光纤耦合器，所述温度监测控制骨架固定安装于敏感光学模块外壳内，敏感光学环圈及第一电磁屏蔽罩固定设于温度监测控制骨架内，且第一电磁屏蔽罩罩设于敏感光学环圈外围，所述相位调制器固定设于第一电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，所述第二电磁屏蔽罩设于敏感光学模块外壳内且罩设于温度监测控制骨架外围，所述光源及保偏光纤耦合器均固定设于第二电磁屏蔽罩与温度监测控制骨架之间，所述第一无线传输模块固定设于第二电磁屏蔽罩与敏感光学模块外壳之间，所述光源、保偏光纤耦合器、相位调制器、第一无线传输模块依次通过线缆连接，所述第一无线传输模块与数据处理模块之间通过无线网络通信。

2.根据权利要求1所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述第一无线传输模块包括依次通过线缆连接的DDS信号发生器、AD转换模块、光电转换模块，所述光电转换模块与保偏光纤耦合器之间通过线缆连接，DDS信号发生器与相位调制器之间通过线缆连接。

3.根据权利要求2所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述数据处理模块包括数据处理模块外壳及设于数据处理模块外壳内的第二无线传输模块、信号处理模块、DA主回路及DA第二回路，所述第二无线传输模块与信号处理模块、DA主回路及DA第二回路均通过数据总线连接，信号处理模块、DA主回路及DA第二回路之间分别通过线缆连接，第二无线传输模块与第一无线传输模块之间通过无线网络通信。

4.根据权利要求3所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述温度监测控制骨架上安装有电加热带及第一温度传感器，敏感光学环圈上固定安装有第二温度传感器，第二温度传感器与第一无线传输模块通过线缆连接，电加热带与DDS信号发生器通过线缆连接，所述数据处理模块外壳内还设有温度补偿控制模块，所述温度补偿控制模块与第二无线传输模块通过数据总线连接。

5.根据权利要求1所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述第一电磁屏蔽罩及第二电磁屏蔽罩分别包括屏蔽环托及屏蔽环托盖，所述屏蔽环托盖密封地盖装于屏蔽环托上。

6.根据权利要求1所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述光源为高波长稳定性与高功率稳定性的宽带光源。

7.根据权利要求1所述的一种分体式超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述相位调制器为高消光比相位调制器。

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