本發(fā)明涉及光纖陀螺儀
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種用于測斜的小口徑光纖陀螺儀光纖環(huán)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：陀螺測斜儀主要用于測量井眼的姿態(tài)，包括井斜角、方位角和工具面角，進(jìn)而得到油井的井眼軌跡。隨著我國陸上油田進(jìn)入開發(fā)中后期，小井眼鉆井及老井側(cè)鉆等技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。小井眼測量需要小尺寸的傳感器，目前測斜用的光纖陀螺儀最小口徑已經(jīng)≤32mm。隨著應(yīng)用需求向更高要求發(fā)展，尺寸進(jìn)一步縮小將面臨更大的工程技術(shù)難題的挑戰(zhàn)。sagnac效應(yīng)δφ計(jì)算公式如上式所示，為環(huán)平面的輸入角速率矢量，為光纖環(huán)所圍的面積矢量，λ0為光波在真空中的波長，c為光波在真空中的速度。因此，光纖陀螺儀的精度與其敏感單元光纖環(huán)所圍的等效面積相關(guān)，為了增強(qiáng)sagnac效應(yīng)，光纖環(huán)通常采用多圈繞制的結(jié)構(gòu)。因此單個(gè)光纖環(huán)敏感的sagnac效應(yīng)該是公式再乘以圈數(shù)n。對于圓形環(huán)，其sagnac效應(yīng)計(jì)算公式可以寫成其中，l代表光纖長度，d代表光纖環(huán)直徑。在同樣長度的光纖情況下，光纖環(huán)的直徑越大，能敏感到的sagnac相移越大。同理，如果光纖環(huán)的直徑變小，其他條件不變，要保證所需的靈敏度，就必須增加光纖的長度。隨著測斜用的陀螺儀的口徑變小，光纖環(huán)設(shè)計(jì)考慮的約束越嚴(yán)苛，光纖陀螺儀能達(dá)到的精度將受到顯著限制。這時(shí)就要充分考慮所有設(shè)計(jì)約束，采用合理的設(shè)計(jì)方案使光纖陀螺儀的精度達(dá)到最優(yōu)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何在滿足光纖環(huán)結(jié)構(gòu)約束、光纖陀螺儀精度約束，且降低成本的條件下設(shè)計(jì)出用于測斜的小口徑光纖陀螺儀光纖環(huán)。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于測斜的小口徑光纖陀螺儀光纖環(huán)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：s1、用m個(gè)相同外形的光纖環(huán)串聯(lián)成一個(gè)光纖環(huán)代替單環(huán)的結(jié)構(gòu)，在光纖環(huán)繞制完成后，將光纖和骨架分離，將無骨架的光纖環(huán)固定在光纖陀螺儀本體上，然后裝入套筒中，并根據(jù)根據(jù)測斜用光纖陀螺儀的外形尺寸約束建立結(jié)構(gòu)約束方程；s2、實(shí)驗(yàn)測定或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定與光纖陀螺儀光功率，調(diào)制相位和電路參數(shù)有關(guān)的系數(shù)kf，并計(jì)算光纖環(huán)整體圍成的等效面積s，并根據(jù)光纖陀螺儀精度要求，建立精度約束方程；s3、以光纖環(huán)用的光纖的總長度ltotal作為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；s4、求解所述結(jié)構(gòu)約束方程、精度約束方程和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到光纖環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)選地，步驟s1中，建立如下10個(gè)結(jié)構(gòu)約束方程：ae＝a0+2·n·dfbe＝b0+2·n·dfn＝4,8,12,…其中，光纖環(huán)的內(nèi)橢圓短軸長度為b0，長軸長度為a0,光纖環(huán)的外橢圓短軸長度為be，長軸長度為ae，df為光纖直徑，n為光纖繞制的層數(shù)，為4的整數(shù)倍，m≥1；設(shè)a為光纖環(huán)的外橢圓長度的最大值，k為允許的最大內(nèi)橢圓長短軸比，則滿足：ae≤aa0/b0≤k設(shè)h1為光纖環(huán)的高度，h2為本體高度，套筒外徑為r，e為光纖環(huán)到套筒外壁的最小距離，f為光纖環(huán)短軸外側(cè)與本體外側(cè)的最小間距，本體最小高度為hm，則h1、h2、e、r、be、hm，f滿足以下關(guān)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為每一層所繞的光纖匝數(shù)。優(yōu)選地，步驟s2中，首先得到以下遞推公式：ai＝a0-df+2·i·df,bi＝b0-df+2·i·df,i＝1,…,nai是第i層光纖的纖心處的橢圓長軸長度，bi是第i層光纖的纖心處的橢圓短軸長度；第一層橢圓環(huán)的長軸是a0+df，短軸是b0+df，第i層光纖所圍面積si可以用橢圓面積公式算出：si＝kπaibi/4＝kπ(a0-df+2·i·df)(b0-df+2·i·df)/4,i＝1,…,n因此總的面積stotal為m個(gè)單環(huán)的面積之和：光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性biasstability約束，即精度約束方程通過如下公式表示:式中biasstabilitygive為預(yù)設(shè)的隨機(jī)游走系數(shù)指標(biāo)。優(yōu)選地，步驟s3中，建立的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：其中變量包括m，n，k，a0，b0，h2。優(yōu)選地，步驟s4中，采用matlab做數(shù)值求解，或者采用lingo軟件求解，得到ltotal，m，n，k，a0，b0，h2這7個(gè)值。(三)有益效果本發(fā)明給出了測斜用光纖陀螺儀光纖環(huán)的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用結(jié)構(gòu)約束和精度約束，建立光纖環(huán)參數(shù)的約束方程組，以成本設(shè)計(jì)為目標(biāo)建立了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過求解約束方程組和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以獲得光纖環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)簡單，能夠有效解決測斜用光纖陀螺儀光纖環(huán)在小孔徑約束下的設(shè)計(jì)問題。附圖說明圖1為橢圓或者類橢圓形光纖環(huán)示意圖；圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中多個(gè)橢圓環(huán)串聯(lián)組成光纖環(huán)示意圖；圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中光纖環(huán)、本體和套筒的橫截面示意圖；圖4為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中光纖環(huán)尺寸示意圖；圖5為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中光纖環(huán)、本體和套筒的橫截面尺寸示意圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。通常，光纖陀螺儀在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各種設(shè)計(jì)約束，其中包括結(jié)構(gòu)約束，精度約束，成本約束，功耗約束，重量約束等。測斜用的光纖陀螺儀最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)約束來自結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)構(gòu)尺寸的約束對光纖環(huán)的設(shè)計(jì)有著關(guān)鍵性的影響，因此本發(fā)明討論結(jié)構(gòu)約束對陀螺設(shè)計(jì)的影響將主要討論光纖環(huán)的設(shè)計(jì)。在滿足結(jié)構(gòu)約束的條件下，光纖陀螺儀還滿足精度約束，同時(shí)盡可能降低成本，這些是測斜的小口徑光纖陀螺儀的設(shè)計(jì)方法的核心。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法具體包括以下設(shè)計(jì)步驟：1)建立結(jié)構(gòu)約束在測斜用光纖陀螺儀中，光纖環(huán)沿徑向放置。為了增加光纖環(huán)圍成的等效面積s，光纖環(huán)骨架通常設(shè)計(jì)成橢圓或者類橢圓形。如圖1所示，光纖繞制在橢圓或者類橢圓形骨架的內(nèi)側(cè)表面1，繞制多層后會達(dá)到骨架的外側(cè)2，但不能超過外側(cè)2。橢圓長軸不宜過長，長軸過長，光纖環(huán)繞制將存在困難。在光纖環(huán)長軸超過限制時(shí)，需要考慮光纖環(huán)是采用單環(huán)還是多環(huán)串聯(lián)的方式，如圖2所示。如圖3所示，光纖環(huán)需要固定在本體6上，然后裝入套筒5中。光纖環(huán)3，4離套筒5內(nèi)壁應(yīng)該保持安全距離。根據(jù)用戶給出的外形尺寸約束，通常主要是測斜用光纖陀螺儀最大外徑，建立光纖環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸約束方程組。基于以上設(shè)計(jì)思想，光纖環(huán)采用脫骨架的方案，就是說在光纖環(huán)繞制完成后，將光纖和骨架分離，直接將無骨架的光纖環(huán)(下面簡稱光纖環(huán))固定在本體上，以充分利用套筒內(nèi)的空間，這樣可以節(jié)省空間。如圖4所示，光纖環(huán)的內(nèi)橢圓短軸長度為b0，長軸長度為a0,光纖環(huán)的外橢圓短軸長度為be，長軸長度為ae，滿足以下關(guān)系：ae＝a0+2·n·dfbe＝b0+2·n·dfn＝4,8,12,…其中，df為光纖直徑(是常數(shù))，n為光纖繞制的層數(shù)，光纖環(huán)通常采用4極對稱繞法，因此n為4的整數(shù)倍。外橢圓長軸過大，和內(nèi)橢圓長短軸比過大，均會對光纖環(huán)繞制帶來困難。需要限制外橢圓長軸長度，當(dāng)長軸方向長度超過限度，光纖陀螺儀性能依然不能滿足要求的情況下，需用多個(gè)相同外形的光纖環(huán)串聯(lián)成一個(gè)光纖環(huán)代替單環(huán)的結(jié)構(gòu)，假設(shè)共有m個(gè)光纖環(huán)串聯(lián)組成，m≥1。設(shè)a為外橢圓長度的最大值，k為最大的內(nèi)橢圓長短軸比，則ae滿足以下關(guān)系。ae≤aa0/b0≤k如圖3和圖5所示，光纖環(huán)固定在本體上后，徑向橫截面示意圖。3和4為光纖環(huán)，5為套筒，6為本體。h1為光纖環(huán)的高度，h2為本體高度。套筒外徑為r，也就是用戶給的結(jié)構(gòu)約束，e為光纖環(huán)到套筒外壁的最小距離，包括了套筒的壁厚和空氣間隙。h2也包含了壁厚和空氣間隙，在這里簡化處理，假設(shè)本體6和套筒5緊耦合。這個(gè)簡化不會影響光纖環(huán)尺寸的計(jì)算。f為光纖環(huán)短軸外側(cè)與本體外側(cè)的最小間距。為了保證本體6的強(qiáng)度，要求本體6高度需要大于一定數(shù)值，設(shè)其最小高度為hm。h1、h2、e、r、be、hm，f滿足以下關(guān)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為每一層所繞的光纖匝數(shù)。2)建立精度約束本步驟的思路是，實(shí)驗(yàn)測定或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定與光纖陀螺儀光功率，調(diào)制相位和電路參數(shù)有關(guān)的系數(shù)kf。計(jì)算光纖陀螺儀精度需要先計(jì)算光纖環(huán)圍成的等效面積s，等效面積s利用數(shù)值積分獲得。根據(jù)用戶給出的光纖陀螺儀精度要求，建立精度約束方程。光纖陀螺儀精度和光纖環(huán)所圍的面積有關(guān)，可用每一圈光纖所圍面積的和來表示。光纖環(huán)上共有n層光纖，每一層有k匝，因此共有n*k圈光纖。相同層的光纖環(huán)路的都可以近似為相同的橢圓環(huán)，其長短軸長度滿足以下遞推公式：ai＝a0-df+2·i·df,bi＝b0-df+2·i·df,i＝1,…,nai是第i層光纖的纖心處的橢圓長軸長度，bi是第i層光纖的纖心處的橢圓短軸長度。由于光是在光纖纖芯傳播，因此第一層橢圓環(huán)的長軸是a0+df，短軸是b0+df。第i層光纖所圍面積si可以用橢圓面積公式算出：si＝kπaibi/4＝kπ(a0-df+2·i·df)(b0-df+2·i·df)/4,i＝1,…,n因此總的面積stotal為m個(gè)單環(huán)的面積之和：光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性biasstability(10秒)約束(精度約束方程)可以通過如下公式表示:式中biasstabilitygive為用戶給出的隨機(jī)游走系數(shù)指標(biāo)，kf為與光纖陀螺儀光功率、調(diào)制相位和電路參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測得或者通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)得到。3)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)將成本最小作為優(yōu)化目標(biāo)。光纖環(huán)的成本來自于結(jié)構(gòu)件，光纖，膠，人工等。除光纖長度和結(jié)構(gòu)件尺寸與設(shè)計(jì)方案有關(guān)，其他成本為固定成本。結(jié)構(gòu)件的成本相對與光纖的成本可以忽略不計(jì)。光纖環(huán)的成本可以只考慮光纖長度不同帶來的影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇使光纖的長度最小的參數(shù)作為光纖環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，本步驟中，以光纖環(huán)用的光纖的總長度ltotal作為優(yōu)化目標(biāo)，ltotal可以表示為其中變量包括m，n，k，a0，b0，h2。4)求解優(yōu)化模型上面的約束包括整數(shù)約束和非線性約束，包括上面的10個(gè)結(jié)構(gòu)約束方程、1個(gè)精度約束方程和一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可采用matlab做數(shù)值求解，也可用專門的軟件如lingo求解，得到ltotal，m，n，k，a0，b0，h2這7個(gè)光纖環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。下面用本發(fā)明中的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)測斜用光纖陀螺儀光纖環(huán)。計(jì)算需要用的具體的參數(shù)值見表1所示。這里限制串聯(lián)環(huán)的數(shù)量為1，如果不能解出合適的結(jié)果再增加串聯(lián)環(huán)的數(shù)量。求出的結(jié)果如表2所示，對應(yīng)光纖長度為636.5392m，光纖內(nèi)橢圓長軸為140.3mm，內(nèi)橢圓短軸為15.53mm，繞制層數(shù)為36層滿足4的倍數(shù)要求，每一層的匝數(shù)為68匝。如果改變本體限高為11mm，求出的結(jié)果如表3所示，對應(yīng)的光纖長度為660.3589m，光纖內(nèi)橢圓長軸為139.2mm，內(nèi)橢圓短軸為14.2mm，繞制層數(shù)為40層滿足4的倍數(shù)要求，每一層的匝數(shù)為64匝。在光纖長度變化不大的情況下，選擇本體高度為11mm的方案二，有助于提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。表1參數(shù)數(shù)值表2計(jì)算結(jié)果一m1n36k68a0/m0.1403b0/m1.553e-02h2/m1.00e-02表3計(jì)算結(jié)果二m1n40k64a0/m0.1392b0/m1.42e-02h2/m1.10e-02可以看出，本發(fā)明給出了測斜用光纖陀螺儀光纖環(huán)的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用結(jié)構(gòu)約束和精度約束，建立光纖環(huán)參數(shù)的約束方程組，以成本設(shè)計(jì)為目標(biāo)建立了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過求解約束方程組和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以獲得光纖環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)簡單，能夠有效解決測斜用光纖陀螺儀光纖環(huán)在小孔徑約束下的設(shè)計(jì)問題。該方法對于其他類型光纖環(huán)的設(shè)計(jì)也有指導(dǎo)意義。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12