本發(fā)明涉及光纖陀螺技術領域，尤其涉及一種三軸一體式光纖陀螺及其解調(diào)方法。

背景技術：

光纖陀螺是實現(xiàn)角速度測量的敏感器件。單軸光纖陀螺只能實現(xiàn)沿光纖環(huán)軸向單個方向的角速度測量。實際應用中常把三只單軸光纖陀螺按兩兩正交的方式安裝在同一個本體結(jié)構上組成陀螺慣組，以實現(xiàn)對空間中三個方向角速度的測量。三只單軸光纖陀螺按兩兩正交的方式組成的陀螺慣組，在體積和重量上通常較大，不適合小型載體安裝使用；同時，現(xiàn)有三軸一體光纖陀螺采用了光源一拖三技術，相比三個單軸陀螺節(jié)省了兩個光源，然而仍然需要三套解算電路及三套敏感光路(三個y波導、三個光纖環(huán)及三個探測器)，成本依然較高。

因此，探索新的光纖陀螺方案、進一步縮小體積、減輕重量并且節(jié)省光學器件對于降低系統(tǒng)成本具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種三軸一體式光纖陀螺及其解調(diào)方法，能夠有效縮小光纖陀螺的體積，減輕整體重量，并且大大降低光纖陀螺的成本。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是這樣的：一種三軸一體式光纖陀螺，其特征在于：包括一個光源、一個耦合器、一個y波導、一個探測器、一塊光源驅(qū)動板、一塊主電路板以及一個三軸一體光纖環(huán)；所述三軸一體光纖環(huán)由一根光纖繞制而成，其具有三個環(huán)面和兩根尾纖，且三個環(huán)面兩兩正交；所述光源驅(qū)動板與光源相連，所述光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器后輸入y波導，該y波導的兩根輸出尾纖分別與三軸一體光纖環(huán)的兩根尾纖相連；

所述探測器與耦合器相連，用于探測繞三軸一體光纖環(huán)一周后經(jīng)y波導返回的干涉光波信號，并將探測到的光波信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入主電路板，通過主電路板進行解算后輸出三個環(huán)面的旋轉(zhuǎn)角速率信號；同時，主電路板對y波導輸入三軸一體光纖環(huán)的光波施加本征調(diào)制信號，并對繞三軸一體光纖環(huán)一周后返回到y(tǒng)波導的光波信號施加反饋閉環(huán)信號。

一種上述三軸一體式光纖陀螺的解調(diào)方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)根據(jù)三軸一體光纖環(huán)及各環(huán)面的長度計算出對應的傳輸時間：

其中：l為三軸一體光纖環(huán)的總長度，l1為環(huán)面ⅰ的繞制長度，l2為環(huán)面ⅱ的繞制長度，l3為環(huán)面ⅲ的繞制長度，c為真空中光速，n為光纖的折射率；

2)對y波導施加本征調(diào)制信號，使其產(chǎn)生方波調(diào)制信號，且通過調(diào)制引入光路中的相位差滿足：

式中：φm為通過調(diào)制引入的光學相位差，φ0為方波調(diào)制幅度，τ為光纖環(huán)的傳輸時間；

3)通過探測器探測干涉光波信號，得到與光波傳輸路徑相對應的梳狀波信號，該梳狀波信號的周期為2τ，其包括兩個τ1，兩個τ2，兩個τ3；

4)對步驟3)探測到的信號進行解算：

根據(jù)各環(huán)面的傳輸時間，對環(huán)面的正負調(diào)制的兩個傳輸時間內(nèi)采樣，得到光纖陀螺環(huán)面的正負采樣值：

式中：i為環(huán)面編號；

奇偶采樣值相減得：

δp＝p-(i)-p+(i)＝p0sinφ0sinφs(i)……………(4)

由于方波調(diào)制幅度一旦確定即為定值，因此p0sinφ0為常數(shù)項，用a表示；同時，當φs(i)為小量時，有sinφs(i)＝φs(i)，于是正負采樣的差值為：

δp＝aφs(i)..........................(5)

由(5)式可知，方波調(diào)制下奇偶采樣的差值與旋轉(zhuǎn)引起的相位差成正比，能夠作為旋轉(zhuǎn)角速率輸出；同時，通過閉環(huán)控制將總相位差伺服控制的零附近；

閉環(huán)控制后奇偶采樣值為：

式中：φf(i)為環(huán)面i的閉環(huán)反饋相位，其滿足：

φf(i)＝-φs(i).............................(7)

通過以上解調(diào)和閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)各環(huán)面敏感軸旋轉(zhuǎn)角速率的解調(diào)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：通過制作三軸一體光纖環(huán)，從而實現(xiàn)了利用一套光路組件和一套電路組件實現(xiàn)三軸角速率的測量，不僅有效縮小了整體體積，減輕了整體重量，并且大大降低了三軸光纖陀螺的成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中三軸一體光纖環(huán)的示意圖。

圖2是本發(fā)明三軸一體光纖陀螺結(jié)構示意圖。

圖3是三軸一體光纖陀螺探測器信號示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例：參見圖1、圖2，一種三軸一體式光纖陀螺，包括一個光源、一個耦合器、一個y波導、一個探測器、一塊光源驅(qū)動板、一塊主電路板以及一個三軸一體光纖環(huán)。所述三軸一體光纖環(huán)由一根光纖繞制而成，其具有三個環(huán)面和兩根尾纖，且三個環(huán)面兩兩正交；具體實施時，該三軸一體光纖環(huán)由一根光纖采用特殊的對稱繞制方法繞制而成，能夠敏感三個軸的角速率；且光纖在環(huán)面之間通過槽過渡。所述光源驅(qū)動板與光源相連，所述光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器后輸入y波導，該y波導的兩根輸出尾纖分別與三軸一體光纖環(huán)的兩根尾纖相連。

所述探測器與耦合器相連，用于探測繞三軸一體光纖環(huán)一周后經(jīng)y波導返回的干涉光波信號，并將探測到的光波信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入主電路板，通過主電路板進行解算后輸出三個環(huán)面的旋轉(zhuǎn)角速率信號。同時，主電路板對y波導輸入三軸一體光纖環(huán)的光波施加本征調(diào)制信號，并對繞三軸一體光纖環(huán)一周后返回到y(tǒng)波導的光波信號施加反饋閉環(huán)信號。

參見圖3，一種如權利要求1所述三軸一體式光纖陀螺的解調(diào)方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)三軸一體光纖環(huán)及各環(huán)面的長度計算出對應的傳輸時間：

其中：l為三軸一體光纖環(huán)的總長度，l1為環(huán)面ⅰ的繞制長度，l2為環(huán)面ⅱ的繞制長度，l3為環(huán)面ⅲ的繞制長度，c為真空中光速，n為光纖的折射率。

2)對y波導施加本征調(diào)制信號，使其產(chǎn)生方波調(diào)制信號，且通過調(diào)制引入光路中的相位差滿足：

式中：φm為通過調(diào)制引入的光學相位差，φ0為方波調(diào)制幅度，τ為光纖環(huán)的傳輸時間。

3)通過探測器探測干涉光波信號，得到與光波傳輸路徑相對應的梳狀波信號，該梳狀波信號的周期為2τ，其包括兩個τ1，兩個τ2，兩個τ3。

4)對步驟3)探測到的信號進行解算：

根據(jù)各環(huán)面的傳輸時間，對環(huán)面的正負調(diào)制的兩個傳輸時間內(nèi)采樣，得到光纖陀螺環(huán)面的正負采樣值：

式中：i為環(huán)面編號。

奇偶采樣值相減得：

δp＝p-(i)-p+(i)＝p0sinφ0sinφs(i)……………(4)

由于方波調(diào)制幅度一旦確定即為定值，因此p0sinφ0為常數(shù)項，用a表示；同時，當φs(i)為小量時，有sinφs(i)＝φs(i)，于是正負采樣的差值為：

δp＝aφs(i).............................(5)

由(5)式可知，方波調(diào)制下奇偶采樣的差值與旋轉(zhuǎn)引起的相位差成正比，能夠作為旋轉(zhuǎn)角速率輸出；同時，通過閉環(huán)控制將總相位差伺服控制的零附近。

閉環(huán)控制后奇偶采樣值為：

式中：φf(i)為i環(huán)面的閉環(huán)反饋相位，其滿足：

φf(i)＝-φs(i).............................(7)

通過以上解調(diào)和閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)各環(huán)面敏感軸旋轉(zhuǎn)角速率的解調(diào)。

作為一種具體實施方式，假設光波從y波導進入光纖環(huán)時按環(huán)面ⅰ→環(huán)面ⅱ→環(huán)面ⅲ順序傳播(其他順序道理類似)，則經(jīng)過以上調(diào)制后，探測器處可探測到梳狀波信號，梳狀波的周期為2τ，其具體組成為(按時間順序)τ1，τ2，τ3，τ1，τ2，τ3，即兩個τ1，兩個τ2，兩個τ3。兩個τ1解調(diào)環(huán)面ⅲ的角速率，兩個τ2解調(diào)環(huán)面ⅱ的角速率，兩個τ3解調(diào)環(huán)面ⅲ的角速率。下面以解調(diào)環(huán)面ⅰ角速率為例進行解調(diào)方法說明。

經(jīng)過以上方波調(diào)制，分別對正負調(diào)制的兩個τ1時間內(nèi)采樣，得到光纖陀螺環(huán)面ⅰ的正負采樣值：

奇偶采樣值相減得：

δp＝p--p+＝p0sinφ0sinφs1.............................(9)

方波調(diào)制幅度一旦確定即為定值，因此p0sinφ0為常數(shù)項，可用a表示。另一方面，當φs1為小量時，有sinφs1＝φs1，于是正負采樣的差值為：

δp＝aφs1.............................(10)

由(5)式可知，方波調(diào)制下奇偶采樣的差值與旋轉(zhuǎn)引起的相位差成正比，可以作為旋轉(zhuǎn)角速率輸出，同時通過閉環(huán)控制將總相位差伺服控制的零附近。閉環(huán)控制后奇偶采樣值為：

式中：φf1為閉環(huán)反饋相位，其滿足：

φf1＝-φs1.............................(12)

通過以上解調(diào)和閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)繞環(huán)面ⅰ敏感軸旋轉(zhuǎn)角速率的解調(diào)。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。