专利名称：基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性测量领域，尤其涉及基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统。
背景技术：
随着装备技术和武器平台技术的发展，高可靠、高性能惯性技术的发展势在必然， 新一代装备系统在旋转速度上有更进一步的提升，如何测量高速旋转下的大角速度而又能保持较小的分辨率和高灵敏度成为惯性测量系统面临的问题。传统的机械陀螺存在高速转子等活动部件，这使得其存在怕冲击、G和G2敏感性强的缺点，而高速旋转带来的向心加速度和旋转角速度的平方成正比，这综合起来就限制了装备系统的旋转速度，影响其控制精度。光纤陀螺和光学加表是基于干涉原理的全光学传感器，这两项关键技术都具有全固态的特点，不怕冲击，使其成为高速装备系统的最佳测量技术。但是，截止到目前，国内进行高速旋转惯性测量装置研究的单位还不是很多，大多数研究仍处于实验室样机阶段，并且几乎所有的研究都是基于分立的陀螺和加表的组合， 不利于系统的集成化和小型化，另外，陀螺和加表安装在三个相互垂直的方向上，每一个陀螺和加表都是一个完整的本体，各自敏感三个正交方向上的惯性数据，增加了系统的体积和功耗，在数据终端还需要数据的整合处理，限制了惯性测量系统和高速旋转装备系统的发展。
发明内容
本发明的目的就是解决当前高速旋转装备系统面对的困境，提出一种基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统。基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统包括光源、2X3耦合器、1X2X轴耦合器、1 X 2Y轴耦合器、1 X 2Z轴耦合器、X轴光纤陀螺模块、X轴光纤加表�？�、Y轴光纤陀螺模块、Y轴光纤加表�？�、Z轴光纤加表�？�、Z轴光纤陀螺�？椤�3 X 1合束器、第二探测器、 中心处理器、第一探测器和多路复用处理电路；其中，2X3耦合器一端分别与光源、第一探测器相连，2 X 3耦合器另一端分别与1 X 2X轴耦合器、1 X 2Y轴耦合器和1 X 2Z轴耦合器相连，1 X 2X轴耦合器与X轴光纤陀螺�？榈墓庋Ы涌� PI、X轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� P3 相连，1 X 2Y轴耦合器与Y轴光纤陀螺�？榈墓庋Ы涌� P4、Y轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� Ρ6 相连，IX 2Ζ轴耦合器与Z轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� Ρ8、Ζ轴光纤陀螺�？榈墓庋Ы涌� Ρ9 相连，X轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� Ρ2、Y轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� Ρ5、Z轴光纤加表�？榈墓庋Ы涌� Ρ7通过3X1合束器与第二探测器相连，X轴光纤陀螺�？榈牡缏方涌� El、X 轴光纤加表模块的电路接口 Ε2、Υ轴光纤陀螺�？榈牡缏方涌� Ε3、Υ轴光纤加表�？榈牡缏方涌� Ε4、Ζ轴光纤加表�？榈牡缏方涌� Ε5、Ζ轴光纤陀螺�？榈牡缏方涌� Ε6、第二探测器都与中心处理器相连，第一探测器通过多路复用处理电路与中心处理器相连。所述的X轴光纤陀螺�？�、Y轴光纤陀螺�？�、Z轴光纤陀螺�？榫哂邢嗤慕峁梗渲蠿轴光纤陀螺�？榘ǖ谝� Y波导多功能集成光路、光纤线圈、增益控制电路、D/A转换电路；第一 Y波导多功能集成光路与光纤线圈相连，D/A转换电路通过增益控制电路与第一 Y波导多功能集成光路相连。所述的X轴光纤加表�？�、Y轴光纤加表�？�、Z轴光纤加表�？榫哂邢嗤慕峁梗� 其中，X轴光纤加表�？榘ǖ诙� Y波导多功能集成光路、光纤柔性盘、2X1合束器、D/A转换器、乘法器、低通滤波器、积分电路、运算放大器、带通滤波器、复位电路、振荡器；第二 Y 波导多功能集成光路与光纤柔性盘相连，光纤柔性盘与2X1合束器相连，D/A转换器、乘法器、低通滤波器、积分电路、运算放大器依次相连，运算放大器与第二 Y波导多功能集成光路相连，低通滤波器通过带通滤波器将信号输出，复位电路与积分电路相连，并与积分电路共同连接于运算放大器，振荡器分别与乘法器、运算放大器相连。本发明由三组正交结构的光纤陀螺模块和光纤加表模块组成，共用一个光源，利用传统光纤陀螺耦合器的空置端口作为光纤加表�？榈墓庠词淙攵耍晒庀送勇菽？楹凸庀思颖砟？橥辈饬恳桓鲋嵯虻慕撬俣群图铀俣龋迪忠晃咝圆饬康募�。三个轴向的光纤陀螺�？楹腿鲋嵯虻墓庀思颖砟？榉直鸸灿靡桓鎏讲馄鳎捎枚嗦犯从眉际跆崛∪稣环较蛏系脑硕畔ⅲ鱿低秤芍行拇砥魍骋豢刂疲迪止庀送勇菽？楹凸庀思颖砟？榈娜诤希佣迪终龉咝圆饬肯低车娜烫�、全光纤化、一体化和集成化，为装备系统的升级提供了有力的技术支撑。
图1为基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统的结构框图； 图2为图1中X轴光纤陀螺�？榈慕峁箍蛲�3为图1中X轴光纤加表�？榈慕峁箍蛲�。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。如图1所示，基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统包括光源1、2 X 3耦合器2、 1 X 2X轴耦合器3、1 X 2Y轴耦合器4、1 X 2Z轴耦合器5、X轴光纤陀螺�？�6、X轴光纤加表�？�7、Y轴光纤陀螺�？�8、Υ轴光纤加表�？�9、Ζ轴光纤加表�？�10、Ζ轴光纤陀螺�？� 11、3Χ 1合束器12、第二探测器13、中心处理器14、第一探测器15和多路复用处理电路16 ； 其中，2 X 3耦合器2用于分光，一端分别与光源1、第一探测器15相连，另一端分别与1 X 2Χ 轴耦合器3、1 X 2Υ轴耦合器4和1 X 2Ζ轴耦合器5相连，1 X 2Χ轴耦合器3与X轴光纤陀螺�？�6的光学接口 Pl、X轴光纤加表�？�7的光学接口 Ρ3相连，1 X 2Υ轴耦合器4与Y轴光纤陀螺�？�8的光学接口 Ρ4、Υ轴光纤加表�？�9的光学接口 Ρ6相连，1 X 2Ζ轴耦合器5 与Z轴光纤加表模块10的光学接口 Ρ8、Z轴光纤陀螺�？�11的光学接口 Ρ9相连，X轴光纤加表模块7的光学接口 Ρ2、Y轴光纤加表�？�9的光学接口 Ρ5、Z轴光纤加表�？�10的光学接口 Ρ7通过3Χ 1合束器12与第二探测器13相连，X轴光纤陀螺�？�6的电路接口 El、X轴光纤加表�？�7的电路接口 Ε2、Y轴光纤陀螺�？�8的电路接口 Ε3、Υ轴光纤加表�？�9的电路接口 Ε4、Z轴光纤加表�？�10的电路接口 Ε5、Z轴光纤陀螺�？�11的电路接口 Ε6、第二探测器13都与中心处理器14相连，第一探测器15通过多路复用处理电路16与中心处理器14相连。本系统为三轴正交结构。如图2所示，X轴光纤陀螺�？�6、Y轴光纤陀螺�？�8、Ζ轴光纤陀螺�？�11具有相同的结构，其中X轴光纤陀螺�？�6包括第一 Y波导多功能集成光路17、光纤线圈18、增益控制电路19、D/A转换电路20 ；第一 Y波导多功能集成光路17与光纤线圈18相连，D/A 转换电路20通过增益控制电路19与第一 Y波导多功能集成光路17相连。如图3所示，X轴光纤加表�？�7、Y轴光纤加表�？�9、Z轴光纤加表�？�10具有相同的结构，其中，X轴光纤加表模块7包括第二 Y波导多功能集成光路21、光纤柔性盘 22,2X1合束器23、D/A转换器24、乘法器25、低通滤波器26、积分电路27、运算放大器28、 带通滤波器29、复位电路30、振荡器31 ；第二 Y波导多功能集成光路21与光纤柔性盘22相连，光纤柔性盘22与2X 1合束器23相连，D/A转换器24、乘法器25、低通滤波器26、积分电路27、运算放大器28依次相连，运算放大器28与第二 Y波导多功能集成光路21相连，低通滤波器26通过带通滤波器29将信号输出，复位电路30与积分电路27相连，并与积分电路27共同连接于运算放大器28，振荡器31分别与乘法器25、运算放大器28相连。本发明的具体工作过程如下
光源1发光经过2 X 3耦合器2分三路分别进入1 X 2X轴耦合器3、1 X 2Y轴耦合器4、 1X2Z轴耦合器5，X轴、Y轴、Z轴相正交，具有相同的结构，以X轴为例说明，光波经过1X2X 轴耦合器3分光后分成两束，一束由光纤端口 Pl进入X轴光纤陀螺�？�6，另一束由光纤端口 P3进入X轴光纤加表�？�7。通过Pl进入X轴光纤陀螺�？�6的光波经过第一 Y波导多功能集成光路17由2个端口进入光纤线圈18，分别沿顺时针和逆时针在光纤线圈18中传输，此时若有角速度产生，两束沿相反方向传输的光波之间就会有一个与旋转角速度成正比的相位差，通过探测器15、中心处理器14、D/A转换器20、增益控制电路19、第一 Y波导多功能集成光路17的检测便可解算出该相位差从而得到光纤陀螺的旋转角速度，由于X 轴光纤陀螺�？�6、Y轴光纤陀螺�？�8、Z轴光纤陀螺�？�11呈正交结构，通过第一探测器 15、多路复用处理电路16、中心处理器14的监测控制，可同时得到三个轴向的角速度信息， 即系统的角运动姿态。光纤加表是基于Mach-Zehnder双光束干涉原理实现对光纤中微小光程变化的测量。通过光纤端口 P3进入X轴光纤加表模块7的光波经第二 Y波导多功能集成光路21分成两束进入光纤柔性盘22，在加速度作用下，光纤柔性盘22受到等幅反向应力形成推挽结构，光纤柔性盘22干涉臂内的光波的相位发生变化，通过第二探测器13、中心处理器14、D/A转换器24、乘法器25、低通滤波器26、积分电路27、运算放大器28、带通滤波器29、复位电路30、振荡器31组成的相位解调电路即可解算出相应的加速度信息，三个正交的光纤加表�？榭山馑愠鋈鲋嵯虻募铀俣刃畔�。这样整个系统相应的加速度和角速度信息便检测出来，通过辅助解算和信息处理就可将系统的姿态信息输出给终端。本发明的三路正交的光纤陀螺�？楹凸庀思颖砟？樵谝桓鲋行拇砥骺刂葡峦辈饬肯低吃硕颂饭庀送勇菽？楹腿饭庀思颖砟？榉直鸸灿靡桓鎏讲馄鳎捎枚嗦犯从眉际跏凳苯馑阆低车慕撬俣群图铀俣刃畔ⅲ低澄榷ㄐ浴⒖煽啃愿撸沂迪至讼低车娜烫�、集成化、小型化，为新装备系统的升级和原有装备系统的改造提供了强有力的技术支持。
权利要求
1.一种基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统，其特征在于包括光源(1)、2X3耦合器(2)、1乂21轴耦合器(3)、1乂2￥轴耦合器(4)、1乂22轴耦合器(5)、乂轴光纤陀螺�？� (6)、X轴光纤加表�？�(7)、Y轴光纤陀螺�？�(8)、￥轴光纤加表�？�(9)、2轴光纤加表�？�(10)、Z轴光纤陀螺�？�(11)、3Χ1合束器(12)、第二探测器(13)、中心处理器(14)、第一探测器(15)和多路复用处理电路(16);其中，2X3耦合器(2) —端分别与光源(1)、第一探测器(15)相连，2X3耦合器(2)另一端分别与1Χ2Χ轴耦合器(3)、1Χ2Υ轴耦合器(4) 和1 X 2Ζ轴耦合器(5)相连，1 X 2Χ轴耦合器(3)与X轴光纤陀螺�？�(6)的光学接口 Pl、 X轴光纤加表�？�(7)的光学接口 Ρ3相连，1 X 2Υ轴耦合器(4)与Y轴光纤陀螺�？�(8)的光学接口 Ρ4、Y轴光纤加表�？�(9)的光学接口 Ρ6相连，1 X 2Ζ轴耦合器(5)与Z轴光纤加表�？�(10)的光学接口 Ρ8、Z轴光纤陀螺�？�(11)的光学接口 Ρ9相连，X轴光纤加表�？�(7)的光学接口 Ρ2、Y轴光纤加表�？�(9)的光学接口 Ρ5、Z轴光纤加表模块(10)的光学接口 Ρ7通过3 X 1合束器(12)与第二探测器(13)相连，X轴光纤陀螺模块(6)的电路接口 El、X轴光纤加表模块(7)的电路接口 Ε2、Y轴光纤陀螺�？�(8)的电路接口 Ε3、Y轴光纤加表模块(9)的电路接口 Ε4、Z轴光纤加表�？�(10)的电路接口 Ε5、Z轴光纤陀螺�？� (11)的电路接口 Ε6、第二探测器(13)都与中心处理器(14)相连，第一探测器(15)通过多路复用处理电路(16)与中心处理器(14)相连。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统，其特征在于所述的X轴光纤陀螺�？�(6)、Y轴光纤陀螺�？�(8)、Z轴光纤陀螺�？�(11)具有相同的结构，其中X轴光纤陀螺�？�(6)包括第一 Y波导多功能集成光路(17)、光纤线圈(18)、增益控制电路(19)、D/A转换电路(20);第一 Y波导多功能集成光路(17)与光纤线圈(18)相连， D/A转换电路(20)通过增益控制电路(19)与第一 Y波导多功能集成光路(17)相连。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统，其特征在于所述的X轴光纤加表�？�(7)、Y轴光纤加表模块(9)、Z轴光纤加表�？�(10)具有相同的结构，其中，X轴光纤加表�？�(7)包括第二 Y波导多功能集成光路(21)、光纤柔性盘(22)、 2X1合束器(23)、D/A转换器(24)、乘法器(25)、低通滤波器(26)、积分电路(27)、运算放大器(28)、带通滤波器(29)、复位电路(30)、振荡器(31)；第二 Y波导多功能集成光路(21) 与光纤柔性盘(22)相连，光纤柔性盘(22)与2X1合束器(23)相连，D/A转换器(24)、乘法器(25)、低通滤波器(26)、积分电路(27)、运算放大器(28)依次相连，运算放大器(28)与第二 Y波导多功能集成光路(21)相连，低通滤波器(26)通过带通滤波器(29)将信号输出，复位电路(30)与积分电路(27)相连，并与积分电路(27)共同连接于运算放大器(28)，振荡器 (31)分别与乘法器(25)、运算放大器(28)相连。
全文摘要
本发明公布一种基于光纤结构的全固态高速旋转测量系统，它的三组正交的光纤陀螺�？楹凸庀思颖砟？楣灿靡桓龉庠矗⑶胰鲋嵯虻墓庀送勇菽？楹腿鲋嵯虻墓庀思颖砟？榉直鸸灿靡桓鎏讲馄鳎捎枚嗦犯从眉际跆崛∪稣环较蛏系脑硕畔ⅲ鱿低秤芍行拇砥魍骋豢刂疲迪止庀送勇菽？楹凸庀思颖砟？榈娜诤�。本发明实现了整个惯性测量系统的全固态、全光纤化、一体化和集成化，不但为系统节约了资源和成本，降低了功耗，而且提高了系统的稳定性和可靠性，为装备系统的升级提供了有力的技术支撑。
文档编号G01C19/72GK102297691SQ20111012798
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者刘承, 李赓, 郭文正, 黄腾超 申请人:浙江大学
