一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法及装置与流程

1.本发明属于光纤陀螺领域，具体地涉及一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法及装置。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种基于sagnac(塞格尼克)原理的无机械运动部件的光学全固态惯性仪表。由于其既有小体积、低功耗、轻质量、长寿命等固有优势，在惯性导航系统中得到了广泛应用。随着现代化武器和惯性导航对传感器精度要求的提高，抑制光纤陀螺在恶劣环境下标度因数的误差已经成为业内最重要的课题。对于数字闭环光纤陀螺来说，其标度因数k可以表示为：
[0003][0004]
其中，l为光纤环的长度，d为光纤环的直径，c为光速，为光信号中心波长，v
pp
为反馈调制电压峰峰值，v
2π
为集成光学调制器(y波导)的2π电压。由此可以看出，影响光纤陀螺标度因数k的参量主要包括光信号中心波长光纤环直径d及长度l和波导电压。通过光纤环的参数设计优化、温度建模等方式，同时结合数字闭环反馈调制解调回路技术，光纤环直径d及长度l已经将波导电压对光纤陀螺标度因数误差影响抑制在10-6
以内。
[0005]
基于以上，光信号中心波长已经成为影响标度因数k误差的决定性因素。对光纤陀螺输出光谱的变化进行实时监测，计算对应的中心波长漂移，据此进行反馈补偿，可显著提高系统的稳定性，但实验室中使用的光谱仪类设备因体积过大无法直接搭载在光纤陀螺上，因此研究一种更为简单有效的可以实时检测光纤陀螺中心波长的漂移方案具有重要意义。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法及装置用以解决上述存在的技术问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤s1，将光纤陀螺输出的光信号输入fp腔中，分别检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率；
[0009]
步骤s2，通过检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值变化情况而得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。
[0010]
进一步的，所述fp腔为光纤fp腔。
[0011]
更进一步的，所述步骤s1还包括：调节光纤fp腔的腔长大小，使得该光纤fp腔的反射光输出光功率与输入光功率的比值随该光纤陀螺中心波长线性变化。
[0012]
进一步的，所述步骤s2具体为：通过试验预先得出该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值随该光纤陀螺中心波长的变化曲线，然后根据检测到的该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值结合变化曲线得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。
[0013]
本发明还公开了一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，采用上述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法进行实时检测光纤陀螺中心波长的漂移。
[0014]
进一步的，包括光源、环形器、y波导、光纤环、2
×
2耦合器、fp腔、第一光信号探测器、第二光信号探测器和处理器，光源与环形器的a端口连接，环形器的b端口与y波导的首端连接，y波导的尾端与光纤环相连，环形器的c端口与2
×
2耦合器的a端口相连，2
×
2耦合器的b端口与fp腔连接，2
×
2耦合器的c端口与第一光信号探测器连接，2
×
2耦合器的d端口与第二光信号探测器连接，第一光信号探测器和第二光信号探测器分别与处理器连接。
[0015]
更进一步的，所述光源为宽谱光源。
[0016]
进一步的，所述fp腔为光纤fp腔。
[0017]
更进一步的，所述光纤fp腔包括单模光纤、毛细管和玻璃膜片，单模光纤的一端与毛细管的第一端熔接固定，玻璃膜片固定设置在毛细管的第二端上。
[0018]
更进一步的，所述单模光纤的外径与毛细管的外径相同。
[0019]
进一步的，所述玻璃膜片通过将另一单模光纤与毛细管的第二端熔接后切除不需要的单模光纤部分而形成。
[0020]
进一步的，所述第一光信号探测器和第二光信号探测器采用光电二极管来实现。
[0021]
本发明的有益技术效果：
[0022]
本发明可以实时检测光纤陀螺中心波长的漂移情况，检测装置结构简单，体积小，易于直接搭载在光纤陀螺上，且只需光信号探测器及fp腔等常见光学器件，成本低，易于实现。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明具体实施例的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法的流程图；
[0025]
图2为本发明具体实施例的光源光谱、光纤环输出光谱和光纤fp腔反射光光谱图；
[0026]
图3为本发明具体实施例的光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值随光纤陀螺中心波长的变化曲线图；
[0027]
图4为本发明具体实施例的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置的结构图；
[0028]
图5为本发明具体实施例的光纤fp腔的结构图。
具体实施方式
[0029]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参
考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0030]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
[0031]
如图1所示，一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，包括如下步骤：
[0032]
步骤s1，将光纤陀螺输出的光信号输入fp腔中，分别检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率。
[0033]
fp腔优选为光纤fp腔，结构简单，易于实现，但并不限于，在一些实施例中，fp腔也可以采用现有的其它fp腔来实现。具体的，将光纤陀螺的光纤环输出的两路光信号通过y波导耦合后再按比例分成两路光信号，分别为第一路光信号和第二路光信号，第一路光信号输出给光信号探测器进行功率检测，从而检测出光纤环输出的光功率，也即光纤陀螺的输出光功率。
[0034]
第二路光信号输出给光纤fp腔，经光纤fp腔反射后输出给光信号探测器进行功率检测，从而检测出光纤fp腔的反射光输出光功率。光纤fp腔的反射光输出光功率i
out
与输入光功率i
in
的关系如下式：
[0035][0036]
其中，r为光纤fp腔的反射率，δ为光纤fp腔的的相位差，本实施例中，δ＝4πl1/λ，l1为光纤fp腔的腔长，λ为在光纤fp腔内传输的光信号的波长，因此波长λ的变化体现在相位变化，最终反应在光信号探测器的功率变化，通过调节光纤fp腔的腔长l1的大小，可改变被滤除波长的位置，实现光纤fp腔的反射光输出光功率与输入光功率的比值随光纤陀螺中心波长线性变化，即光纤fp腔的反射光输出光功率与光纤陀螺的输出光功率的比值随光纤陀螺中心波长线性变化，图2示出了本实施例较优的光纤fp腔输出的反射光光谱，其中光源光谱为给光纤环提供光信号的光源的输出光光谱。
[0037]
步骤s2，通过检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值变化情况而得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。
[0038]
具体的，将检测到的光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率在处理器中进行处理计算，得出光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值，由于光纤fp腔的反射光输出光功率与光纤陀螺的输出光功率的比值随光纤陀螺中心波长线性变化，本实施例中，变化曲线如图3所示，当光纤陀螺中心波长发生变化(漂移)时，光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值也将发生变化，且当光纤陀螺中心波长增大时，光纤fp腔的反射光输出光功率与光纤陀螺的输出光功率的比值减小，呈现良好的线性度。因此，通过实时检测光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值变化情况即可得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况，实现光纤陀螺中心波长漂移实时检测。
[0039]
进一步的，可以事先通过试验得出图3的变化曲线，并将其存储在处理器中，在检测过程中，通过实时检测光纤fp腔的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值，然后根据图3的变化曲线可以得出实时的光纤陀螺中心波长，可以用于结合后续波长补偿方法，从而提高光纤陀螺精度。
[0040]
本发明还提供了一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，采用上述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法进行实时检测光纤陀螺中心波长的漂移。
[0041]
如图4所示，本具体实施例的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置包括光源1、环形器2、y波导3、光纤环4、2
×
2耦合器5、fp腔6、第一光信号探测器7、第二光信号探测器8和处理器(图中未示出)，光源1与环形器2的a端口连接，本具体实施例中，光源1为宽谱光源，适应性更好。光源1可以是led光源，激光光源等，光源1的输出端通过光纤与环形器2的a端口连接。
[0042]
环行器2是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件，是有数个端的非可逆器件，能够单向传输高频信号能量。环形器2的b端口与y波导3的首端连接，y波导3的尾端与光纤环4的两端口相连。
[0043]
y波导3集偏振器，分光器和相位调制器于一体，具有良好的幅频特性，可实现高频率，多谐波调制，并且其集成度高，体积小，不仅减小了光纤陀螺的体积，而且提高了光纤陀螺的稳定性和可靠性。
[0044]
优选的，本具体实施例中，y波导3为铌酸锂y波导，不仅可以减小光纤陀螺的尺寸，而且还有利于批量生产和减低成本，同时增大调制带宽，但并不以此为限。
[0045]
环形器2的c端口与2
×
2耦合器5的a端口相连，2
×
2耦合器5具有两个输入端a、c和两个输出端b、d，由输入端a或c输入的光信号，经耦合区分配，由输出端b和d输出；由输出端b或d输入的光信号，经耦合区分配，由输入端a和c输出。分配的比例称为耦合比，耦合比可在1％～99％间选定。
[0046]2×
2耦合器5的b端口与fp腔6连接，2
×
2耦合器的c端口与第一光信号探测器7连接，2
×
2耦合器5的d端口与第二光信号探测器8连接，第一光信号探测器7和第二光信号探测器8分别与处理器连接。
[0047]
优选的，本具体实施例中，fp腔6为光纤fp腔，结构简单，易于实现，成本低，但并不以此为限，在一些实施例中，fp腔6也可以采用现有的其它fp腔来实现。
[0048]
具体的，如图5所示，fp腔6包括单模光纤61、毛细管62和玻璃膜片63，单模光纤61的一端与毛细管62的第一端熔接固定，玻璃膜片63固定设置在毛细管62的第二端上。
[0049]
优选的，本具体实施例中，单模光纤61的外径与毛细管62的外径相同，方便二者进行熔接，且结构更紧凑，但并不以此为限，在一些实施例中，单模光纤61的外径也可以略小于毛细管62的外径；或单模光纤61的外径也可以略大于毛细管62的外径。
[0050]
fp腔6的腔长须与y波导3的光程差匹配。本具体实施例中，fp腔6的制备工艺为：将切割好平整端面的单模光纤61的平整端与外径相同的毛细管62的第一端熔接；根据匹配腔长，沿熔接面一定距离的毛细管62上切出平整端面(第二端面)；将切好的平整端面与另一单模光纤熔接；切除不需要的另一单模光纤部分而获得玻璃膜片63，即得到fp腔6结构。采用该制备工艺，工艺简单，易于实现，成本低，但并不以此为限。
[0051]
本具体实施例中，第一光信号探测器7和第二光信号探测器8优选采用光电二极管来实现，结构简单，体积小，成本低。当然，在一些实施例中，第一光信号探测器7和第二光信号探测器8也可以采用ccd传感器等其它光电传感器来实现。
[0052]
处理器可以采用mcu处理器、可编程逻辑电路(fpga)等可逻辑编程器件来实现。优选的，处理器可以采用光纤陀螺的处理器来实现，无需额外增加处理器，不仅节省成本，且
结构简单，体积小。
[0053]
光纤环4由玻璃光纤环绕而成，光源1、环形器2、y波导3、光纤环4、2
×
2耦合器5、fp腔6、第一光信号探测器7和第二光信号探测器8之间均采用光纤进行连接，不仅易于连接，且光传输损耗小，成本低。
[0054]
检测过程：
[0055]
光源1发出的宽谱光信号从环形器2的a端口输入，从环形器2的b端口输出给y波导3，经过y波导3进行相位调制、分光等处理后，分成两路光信号输出给光纤环4的两端口，光纤环4输出的两路光信号经过y波导3耦合后输入到环形器2的b端口，经过环形器2后，由环形器2的c端口输出至2
×
2耦合器5的a端口，通过2
×
2耦合器5分配后，一路从2
×
2耦合器5的b端口输出给fp腔6，另一路从2
×
2耦合器5的d端口输出给第二光信号探测器8进行光功率检测(光纤陀螺的输出光功率检测)。
[0056]
fp腔6的反射光从2
×
2耦合器5的b端口输入，通过2
×
2耦合器5分配后，一路从2
×
2耦合器5的c端口输出给第一光信号探测器7进行光功率检测(fp腔6的反射光输出光功率检测)。第一光信号探测器7和第二光信号探测器8将检测到的光功率传输给处理器，处理器对第一光信号探测器7和第二光信号探测器8检测到的光功率进行处理计算，得出fp腔6的反射光输出光功率和光纤陀螺(即光纤环4)的输出光功率的比值，然后判断该fp腔6的反射光输出光功率和光纤陀螺的输出光功率的比值是否发生变化，若是发生变化，则说明光纤陀螺中心波长发生漂移；若是没有发生变化，则说明光纤陀螺中心波长没有漂移，即实现了实时检测光纤陀螺中心波长的漂移情况。
[0057]
进一步的，处理器得出fp腔6的反射光输出光功率和光纤陀螺(即光纤环4)的输出光功率的比值后，再根据图3的变化曲线得出实时的光纤陀螺中心波长，可以用于结合后续波长补偿方法，从而提高光纤陀螺精度。
[0058]
本发明可以实时检测光纤陀螺中心波长的漂移情况，检测装置结构简单，体积小，易于直接搭载在光纤陀螺上，且只需光信号探测器及fp腔等常见光学器件，成本低，易于实现。
[0059]
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1，将光纤陀螺输出的光信号输入fp腔中，分别检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率；步骤s2，通过检测该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值变化情况而得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。2.根据权利要求1所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，其特征在于：所述fp腔为光纤fp腔。3.根据权利要求2所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，其特征在于，所述步骤s1还包括：调节光纤fp腔的腔长大小，使得该光纤fp腔的反射光输出光功率与输入光功率的比值随该光纤陀螺中心波长线性变化。4.根据权利要求1所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：通过试验预先得出该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值随该光纤陀螺中心波长的变化曲线，然后根据检测到的该fp腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值结合变化曲线得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。5.一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法进行实时检测光纤陀螺中心波长的漂移。6.根据权利要求5所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于：包括光源、环形器、y波导、光纤环、2
×
2耦合器、fp腔、第一光信号探测器、第二光信号探测器和处理器，光源与环形器的a端口连接，环形器的b端口与y波导的首端连接，y波导的尾端与光纤环相连，环形器的c端口与2
×
2耦合器的a端口相连，2
×
2耦合器的b端口与fp腔连接，2
×
2耦合器的c端口与第一光信号探测器连接，2
×
2耦合器的d端口与第二光信号探测器连接，第一光信号探测器和第二光信号探测器分别与处理器连接。7.根据权利要求6所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于：所述光源为宽谱光源。8.根据权利要求6所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于：所述fp腔为光纤fp腔，光纤fp腔包括单模光纤、毛细管和玻璃膜片，单模光纤的一端与毛细管的第一端熔接固定，玻璃膜片固定设置在毛细管的第二端上。9.根据权利要求8所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于：所述玻璃膜片通过将另一单模光纤与毛细管的第二端熔接后切除不需要的单模光纤部分而形成。10.根据权利要求6所述的光纤陀螺中心波长漂移实时检测装置，其特征在于：所述第一光信号探测器和第二光信号探测器采用光电二极管来实现。

技术总结
本发明涉及光纤陀螺领域，特别地涉及一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法及装置。本发明公开了一种光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法及装置，其中，光纤陀螺中心波长漂移实时检测方法包括如下步骤：步骤S1，将光纤陀螺输出的光信号输入FP腔中，分别检测该FP腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率；步骤S2，通过检测该FP腔的反射光输出光功率和该光纤陀螺的输出光功率的比值变化情况而得出该光纤陀螺中心波长的漂移情况。本发明可以实时检测光纤陀螺中心波长的漂移情况，检测装置结构简单，体积小，易于直接搭载在光纤陀螺上，且成本低，易于实现。易于实现。易于实现。


技术研发人员：马东营 王超 高福宇 宋凝芳 徐小斌
受保护的技术使用者：厦门赛飞智传科技有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/13