干涉型光纤陀螺仪的设计与制作综述

1、西安邮电大学毕业设计（论文）题 目：干涉型光纤陀螺仪的设计与制作学 院：电子工程学院系 部: 光电子技术系专 业：电子科学与技术班 级：科技1002班学生姓名：李向阳导师姓名：刘娟职称：讲师起止时间：2014年3月10日 2014年6月15日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文干涉型光纤陀螺仪的设计与制作 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文 献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处, 本人愿承担相应的法律责任。论文作

2、者签名：时间：年 月日指导教师签名：时间：年 月日西安邮电大学毕业设计（论文）任务书学生姓名李向阳指导教师刘娟职称讲师学院电子工程学院系部光电子技术系专业电子科学与技术题目干涉型光纤陀螺仪的设计与制作任务与要求光纤陀螺广泛应用与航空及航海等的导航，其中干涉式光纤陀螺 的技术相应比较成熟。实际中的需求也较大。本课题拟设计一个干涉 式光纤陀螺。要求：了解光纤陀螺的基本原理，对光纤陀螺进行光学 部分的设计，要求进行仿真分析，通过理论分析提出光学上切实可行 的方案，并进行光源选取与驱动，信号的检测电路的设计与调试。开始日期 2014年3月10日完成日期2014年6月15日2014 年主管院长（签字）西

3、安邮电大学毕业设计（论文）工作计划学生姓名李向阳指导教师刘娟职称讲师学院电子工程学院系部光电子技术系专业电子科学与技术题目干涉型光纤陀螺仪的设计与制作工作进程起止时间工作内容2014.3.10 2014.3.20明确任务、查阅资料、制定工作计划，撰写开题 报告2014.3.21 2014.3.31掌握光纤陀螺的基本原理及相关指标2014.4.1 2014.4.9了解各模块的功能，与另一同学确定接口指标2014.4.10 2014.5.19对光纤陀螺进行仿真及计算，得出转速与干涉的 关系，设计系统及相关电路，进行调试和分析2014.5.20 2014.5.31论文撰写2014.6.1 2014.

4、6.15论文打印及答辩主要参考书目（资料）：光学，光纤通信，电子技术，微机原理等主要仪器设备及材料：计算机、Matlab仿真软件、OptiSystem仿真软件等论文（设计）过程中教师的指导安排：固定时间为每周三，其他时间经联系均可安排指导对计划的说明：无指导教师签字:西安邮电大学毕业设计（论文）开题报告课题名称：干涉型光纤陀螺仪的设计与制作（部）电子工程学院学院光电子技术系科技1002班学生姓名:学号： 05102039指导教师:刘娟1. 本课题所涉及的问题及应用现状综述所涉及问题(1) 光纤陀螺的基本原理，光学部分的设计仿真；(2) 前端检测和滤波电路模块的设计。(3) 应用数字信号处理相关

5、知识，将接受到的信号进行处理显示设计；应用现状综述陀螺仪是敏感相对于惯性空间角运动的装置。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动 物体的方位的仪器，是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航 仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意 义。光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一， 目前已经发展为惯性技术领域具有 划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及关键技术与传统的机电式仪表有很大差 别，它具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、 抗冲击、耐过载等优点，在航空、航海、航天和兵器等军用领域和地质、石油勘探等 民用领域具有广阔

6、的发展前景，引起世界各国的关注。2. 本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行 性分析 关键问题(1) 了解光纤陀螺的基本原理，对光纤陀螺光学部分进行设计仿真；(2) 对光源进行选取与驱动，信号的检测电路的设计与调试；(3) 前端检测和滤波电路的设计，光电检测，前置放大，A/D转换等信号处理模块 的设计。解决思路结合所学光学相关知识，查阅相关资料，掌握光纤陀螺仪的基本原理，通过对数 字信号处理相关的知识的复习和相关软件的学习，完成各个模块的设计。可行性分析具备光学和数字信号处理相关知识基础， 具有一定自学能力，能够完成相关软件 的自学，可以顺利完成课题研究。3. 完成本课题

7、的工作方案2014.3.10 2014.3.31明确任务、查阅资料、制定工作计划。2014.4.12014.4.25熟悉光纤陀螺仪所涉及的相关知识，掌握其基本原 理，提出设计方案。2014.4.26 2014.5.16程序建模仿真调试。2014.5.17 2014.6.10撰写论文。2014.6.7 2014.6.15答辩。4. 指导教师审阅意见指导教师（签字）: _2014年 月 日西安邮电大学毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名李向阳性别 男 学号 05102039专业 班级科技1002班课题名称干涉型光纤陀螺仪的设计与制作课题 类型实际 难 一 应用 度般毕业设T论 文时间2013.3.1

8、0 2013.6.15指导教师刘娟（职称讲师）课题任务 完成情况论文10602 （千字）；设计、计算说明书（千字）;图纸 （张）;其它 （含附件）:指 导 教 师 意 见分项得分：开题调研论证 分；课题质量（论文内容）分；创新分；论文撰写（规范） 分；学习态度分；外文翻译分指导教师审阅成绩：指导教师签字:年 月曰评 阅 教 师 意 见分项得分诜题分：开题调研论证 分：课题质量论文内容） 分：创新分：论文撰与（规范）分；外文翻译分评阅成绩：评阅教师签字:年 月曰验 收 小 组意 见分项得分：准备情応分；毕业设计（论文）质山分；（操作）回答问肛分 验收成绩：验收教师组长（签字:年 月曰答亠、亠辩小

9、组意见分项得分：准备情况 分；陈述情况 分；回答问题 分；仪表 分 答辩成绩：答辩小组组1签字:年 月 日成绩计算方法指导教师成绩20 ( %)评阅成绩30 (%)验收成绩20 (%)答辩成绩30 (%)学生实得成绩 (百分制指导教师成绩评阅成绩验收成绩答辩成绩总评答亠、亠 辩 委 员 会意 见毕业论文设计总评成绩等级：学院答辩委员会主签字：学院(签章年月日备 注干涉型光纤陀螺仪的设计与制作目录摘要I引言11光纤陀螺21.1光纤陀螺的应用方面 21.2干涉式光纤陀螺21.3干涉式光纤陀螺的发展动向 31.3.1光纤陀螺的小型技术 31.3.2光纤陀螺的多路复用技术 32干涉式光纤陀螺的原理 4

10、2.1 Sagnac 效应42.1.1 真空中的 Sagnac效应42.1.2 介质中的 Sagnac效应42.1.3任意形状的闭合回路 52.2 Sagnac光纤干涉仪的互易性 52.3干涉式光纤陀螺的主要指标 62.4干涉式光纤陀螺的各种误差源 63干涉式光纤陀螺的随机仿真 73.1 Allan方差分析 73.2 Allan方差的噪声系数拟合 83.3建模与仿真94干涉式光纤陀螺光学部分方案 124.1 I-FOG 结构124.2光源124.2.1 1.55um 宽带超荧光掺铒光纤光源（ SFS 124.2.2 超发光二极管（SLD 134.3 光纤耦合器 134.3.1 保偏光纤耦合器

11、13432光学环形器144.4光纤线圈144.4.1 保偏光纤原理144.4.2 保偏光纤优点144.4.3 保偏光纤应力结构 144.5多功能集成光路154.5.1 多功能集成光路结构 154.5.2 多功能集成光路技术指标 164.5.3 多功能集成光路实物图与外观尺寸 164.6探测器164.7波长控制方案164.8前置放大滤波器174.8.1 前置放大器174.8.2 低通滤波器175干涉式光纤陀螺硬件部分方案 195.1引言195.2硬件部分方案195.3干涉型光纤陀螺仪的信号检测 195.4 A/D- D/A 模块205.5 信号处理模块 206总结227致谢238参考文献24I本

12、文介绍了光纤陀螺的特点、应用领域及技术发展动向，在Sag nac原理以及各种误差源的基础上，通过分析光纤陀螺的随机漂移特性对光纤陀螺精度的影 响，运用Allan方差理论对光纤陀螺输出信号的随机误差进行定量分析，用一阶马尔科夫过程来模拟指数相关噪声， 对光纤陀螺进行了随机建模和仿真。 通过对 干涉式光纤陀螺理论分析提出了光学上切实可行的方案，并进行了光源选取与驱动，保偏光纤、多功能集成光路及探测器的选择，波长控制的分析，信号的前置 放大滤波电路的设计。关键字：l-FOG Sagnac原理Allan 方差随机建模前置放大滤波ABSTRACTThe article describes the fea

13、tures, applicatio ns and tech no logy developme nts of FO,G based on Sagnac principle and various error sources, through the analysis of the effects of random drift of FOGs accuracy, using Allan variance theory to FOG output signal of random error for quantitative analysis, using a first-order Marko

14、v process to simulate related no ise, con ducted a ran dom modeli ng and simulati on. Through theoretical analysis of interferometric fiber optic gyro optically proposed practical solutions, and select the source and drive, polarization maintaining fiber, multif unction in tegrated optics and detect

15、or, an alysis wavele ngth con trol and desig n preamplifier filter circuit.Keywords: I-FOG Sagnac prin ciple Alla n varia nce Stochastic Modeli ng Preamp filter干涉型光纤陀螺仪的设计与制作引言光纤陀螺是用于测量惯性系统运载体的角速度，当惯性运载体旋转时，光纤陀螺仪 利用Sagnac效应相移导致光波干涉条纹产生的微小移动，测得陀螺的旋转角速率，是 当前精密物理测量技术，也是惯性系统里的重要部件。因为光纤陀螺具有调整结构的灵 活性、总体质量

16、轻、实体体积小、抗电磁干扰强于传统陀螺仪、动态范围大、灵敏度高 等特点，被惯性系统得到广泛重视和应用。本课题拟设计一个干涉式光纤陀螺仪，要求了解光纤陀螺的基本原理及 Sagnac效 应，对光纤陀螺的光学部分进行设计，要求进行仿真分析，通过对建模仿真分析提出光 学上光纤陀螺的光学部分的方案，并进行光纤陀螺的光源选取与驱动，保偏光纤、多功 能集成光路及探测器的选择，波长控制的分析，信号的前置放大滤波电路的设计。271光纤陀螺1.1光纤陀螺的应用方面光纤陀螺的许多优点在许多应用领域都广泛的被应用，如在战略导弹系统和潜艇导 航系统应用；卫星定向和跟踪；陆地导航，船舶、巡航导航，军用制导系统和军用飞机

17、惯性导航。1.2干涉式光纤陀螺光纤陀螺按其光学的工作原理可分为三类：干涉式（IFOG、谐振式（RFOG）和受激 布里渊散射式（BFOG）,本课题主要阐述干涉式光纤陀螺的原理及结构。干涉式光纤陀螺（IFOG）的最小互易性结构是个 Sagnac干涉仪，它主要包括光源、 探测器、耦合器、丫集成光路和光纤线圈五大部分（图1.1 ），干涉式光纤陀螺的原理基 于Sagnac效应：当光纤陀螺旋转时，光纤线圈沿两束反方向传播的光波间会产生一个 与旋转角速率Q成正比的相位差：4kRL c（1.1）式（1.1）中：R为光纤线圈的半径；L为光纤的长度；、为光源平均波长；c为真空 中的光速。对于光纤陀螺仪的最小敏感角

18、速率，Sag nac效应不是很好，要检测微弱的相位差， 不能用干涉条纹计数的方法，而采用调制的方法测量干涉条纹的微小光强的变化来测定 相移，而探测器输出的电流正比于输入的光强。1.3干涉式光纤陀螺的发展动向1.3.1光纤陀螺的小型技术1）光路小型化技术光路的小型化是与光学器件的集成化相关的。无源部分集成最典型的是丫分支LiNb集成光学芯片，它集成了一个偏振器、一个分束器和两个宽带相位调制器的功能， 其相位调制器在大的带宽内有一个平坦的响应，允许采用有效地信号处理技术使光纤陀螺在整个动态范围内获得高性能。另外一种集成光学器件是双丫型无源全集成光路，它集成了两个3dB耦合器、两个带宽相位调制器和一

19、个高消光比的偏振器，其中两个丫分支在铌酸锂基片上并行排列，缩短了器件长度。实际上，目前国内研制的双丫集成光路和丫分支多功能集成光学芯片尺寸相同，仅为 35mm10mm5mm电极图1.2光学丫分支光纤陀螺小型化意味着线圈的外径必须很小， 同时又要保持足够的光纤长度以满足 精度要求，这对光纤的结构尺寸和弯曲性能提出更高要求。 采用细小半径的保偏光纤, 但由于涂覆层和直径的减少将会增加光纤中的偏振交叉耦合； 采用单模光纤光圈并辅 以消偏技术，因为单模光纤受涂覆层的影响较少，对弯曲较不敏感。2）电路小型化技术光纤陀螺大多采用目前国际上先进的全数字闭环技术，全部闭环处理功能在一片可 编程集成逻辑电路（A

20、SIC）上完成，减少了体积并提高了电路的可靠性。1.3.2光纤陀螺的多路复用技术惯性导航系统一般要3个正交安装的光纤陀螺，若每个光纤陀螺都需要光源、探测 器等，势必会增加惯性导航系统的质量、成本等。由于Sag nac干涉仪具有严格的平衡干涉光路，许多复用方法很难直接适用于光纤陀螺系统。对于开环光纤陀螺，频分复用（FDM用的较多，对于闭环光纤陀螺，由于 3个陀螺通常具有相同的光纤长度和调制 频率，最简单有效地办法就是采用时分复用（TDM。多路复用通常共用一个激光源/ 一 个探测器，可以较大程度的降低成本和减少体积。2干涉式光纤陀螺的原理2.1 Sag nac 效应2.1.1真空中的Sagnac效

21、应如图2.1所示的光学环路，假设光学环路的半径为 R,旋转角速率为Q，则光学环 路上任一点的切向速度=RQ ,静止时，光波经过N匝光学环路的传输时间 ： 一二-,其中c为真空中的光速。由于旋转，光波在闭合光路内传播N匝又回到初射点时，初射点已经发生移动（从 M到；），ccw = c + RQcccw = c-RflM对应的传输时间分别为気V _二N-2ttRfr =vccw -(a)(b)图2.1圆形光路中的Sagnac效应（a）系统静止（b）系统旋转（2.1）（2.2）(2.3)(2.4)由于J診唸护,沿顺时针和逆时针光波之间的相位差为（2.5）式（2.5 ）中，L=N祈進为光波在闭合回路内

22、传播 N匝的长度；淀浮为闭合回路光路围成的总面积2.1.2介质中的Sagnac效应为了得到有效折射率:的真实光纤中的Sagnac效应，直接将 - ：:代入 式（2.5 ）中得到二二”.-是不对的。光在静止介质中传播时，对于不动的监测而 言，光相对介质的传播速度-如果介质以速度1运动，对于随介质一起运动的观测者来说，光仍以速度传播，光在介质中的传播速度却会由于介质的运动而变化。该情况下，产生了多普勒效应，补偿了折射率的效应，因此（2.5 ）仍然成立，与介质无关。2.1.3任意形状的闭合回路图2.2任意形状的闭合光路的Sagnac效应Sagnac效应也适合于图2.2的任意形状的闭合光纤光路。光路上

23、任意一点沿传播方T1向的线微分矢量，：.二，.，式中I为切向的单位矢量，寸|为：的矢量模。设光路系统以 0点为中心，以垂直于纸面的角速度 旋转，其在方向的线速度分量込-”，其中为 沿显方向的线速度矢量，且V ： C）；：.；,为由0点到任意点的径向坐标矢量。由于一一,则有.一（ 2.6）%氓C吟ffG将式（2.6）沿光路积分，得.-I -；. _： -（27）式（2.7 ）中：.为任意形状的闭合光路的长度。,一 :. - （2.8）式（2.8 ）中：S为闭合光路包围的面积；ds为面积的矢量。对于CCW光波，同理可得（2.9）式（2.8 ）求出的是对应CW的光的情况。=血+勿0 caSagn a

24、c相移为由式（2.8 ）和（2.9 ）得到(2.10)于是得到与式（2.5 ）相同的表达式，对于N匝的闭合光路。式（2.10 ）中的S为 总面积通过以上不同介质的Sagnac效应可得以下结论：（1）Sagnac效应是与传播介质无关的空间延迟，其折射率对相移没有影响;（2）Sagnac相移只与光纤线圈的直径成正比，与其它无关。2.2 Sagnac光纤干涉仪的互易性光纤陀螺仪的互易性有以下三个方面：（1） 光纤耦合器的互易性确保两束反向传播光波经过环耦合器式经历的耦合相移 和传输相移相等，从而使干涉信号的固有相位抵消为零。（2）单模互易性一个理想的“共模抑制”，由于两束波的反向传播将其绝对的相 位

25、累积抵消了（3）偏振互易性 光纤的双折射会产生寄生相位差，必须使两束反向传播光波为同 一种偏振模式，这样为了确保干涉条纹的清晰度。2.3干涉式光纤陀螺的主要指标干涉式光纤陀螺仪的主要性能指标大致可以分为零偏、标度因数、噪声、动态范围 和带宽五类。1. 零偏零偏稳定性定义为一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差。漂移也称为零位漂移或零偏稳定性，理解为陀螺输出围绕其均值的起伏或波动，用标准偏差或均方根 差表示，因而，零偏的随机过程的概率特性是正态分布。2. 噪声光纤陀螺的噪声主要由光学和光电检测部分造成的，通常为白噪声。3. 标度因数标度因数是光纤陀螺的输出量与输入角速率的比值决定的。光纤陀螺

26、在一个大的范围内要求具有较高的精度，因此要求有一个稳定的标度因数。4. 动态范围对于干涉式光纤陀螺来说，由最大输入角速率与最小可检测旋转速率的比值决定。5. 带宽干涉式光纤陀螺的理论带宽是很高的，可达几百千赫。为提高陀螺的灵敏度将陀螺 的调制信号频率增加到光纤线圈的本征频率，例如对于中等精度的光纤陀螺，其带宽的 典型值约为几百千赫或几兆赫。2.4干涉式光纤陀螺的各种误差源Sagnac相移不是干涉式光纤陀螺中唯一的非互易相移， 还有许多，它们共同构成了 干涉式光纤陀螺的误差源。这种不需要的非互易行主要由以下原因：（1）偏振效应 采用保偏光纤和理想的偏振器来抑制偏振效应。（2）线圈内的背向反射和散

27、射 采用宽谱光源，如超发光二极管有效地消除。（3）沿光纤分布的与时间有关的温度梯度 通过采用特殊的光纤线圈绕制方法减 小。（4）外部磁场通过采用磁屏蔽减小该效应。（5） 电子漂移误差通过优化电路设计减少。在闭环工作中对标度因数有影响的参数如下：（1）光源波长的变化 通过温控或稳定光源波长减少。（2）线圈直径和光纤长度的变化 通过稳定的机械设计和对陀螺环境进行温控小。3干涉式光纤陀螺的随机仿真由于光纤陀螺的输出信号中存在较大的随机误差，随机漂移是干涉式光纤陀螺影响精度的最重要指标，对干涉式光纤陀螺建立随机模型，运用数字信号处理的方法来模拟 系统的各种随机噪声，调整不同类型的随机噪声成分组合，使随

28、机信号最大程度的模拟 实际信号，为光纤陀螺误差分析、性能评估、滤波器设计等方面提供参考。3.1 Allan方差分析Allan方差分析的步骤如下：(1) 数组生成。假定有n个在采样时间为一.的获得连续数据兀.倉箱,把k个连续数据 作为一个数组，则数组的时间长度T为虽。 平均数据。分别取等于to、2t(j、 (kvn/2 )，并求出每一个时间长度的数 组的数据平均值。.(3.1)式(4.1 )中表示n个在采样时间为.的连续数据中始于第p个数据点的一个数组 上的输出角速率的群平均。(3) 计算方差。数组的时间长度X味，则Allan方差可按式(3.2 )计算：(32)对于数组时间长度T, Allan方

29、差曲线是通过对相邻群平均之差的平方求平均再乘以1/2得到的。Allan方差分析的运算程序如图3.1所示，图3.1 Allan方差分析运算程序3.2 Allan方差的噪声系数拟合1. 随机游走系数朋诚随机游走系数的定义是白噪声随光纤陀螺的工作时间累积的输出产生而误差系数。2. 零偏不稳定性沁息零偏不稳定性是因为磁场感应与温度变化等的效应引起的漂移、低频噪声、探测器 的闪烁噪声造成的。3. 速率斜坡 耳琴速率斜坡是测试数据中的一种趋势性漂移。4. 量化噪声 強量化噪声是硬件部分的A/D、D/A转换器的数字特性引起的，噪声大小由数据系统 的精度和采样时间等决定的。5. 速率随机游走沁邦逆其误差来源目

30、前尚且不清楚。6. 指数相关噪声斑虽指数相关噪声用一个具有有限时间相关时间的指数衰减时间表证。7. 各项噪声系数拟合光纤陀螺测试数据的不同噪声出现在不同域。假定以上的各种噪声的随机过程在 统计学上都是独立的，则总的 Allan方差应是各项噪声的Allan方差的和，即帀冋& W = %&） + OflJtRW2（T）+%如冷）+ %孑（工 +=R2!2 Kst . r2i N2 3Q2-ln2+- + （呵3.3建模与仿真在建立陀螺漂移数据的模型中，通常由平稳随机过程与非平稳过程组合而成。针对 陀螺随机漂移误差，理想化建模时常常假设角速率随机漂移由三部分组成，表示为：（3.4）式（3.4 ）中：

31、、分别为随机常值漂移、一阶马尔可夫过程和白噪声，是各态遍历的平稳随机过程，而平稳但非各态遍历，各态遍历但非平稳。对光纤陀螺输出进行模拟仿真，具体程序如下，仿真结果如下图：图3.3光纤陀螺输出数据这种随机噪声是光纤陀螺输出所固有的，是由光纤陀螺的光学元件特性决定的， 而这种光学噪声具有白噪声的统计特性。由于随机噪声成为影响光纤陀螺精度和性能的 主要指标，所以光纤陀螺中的白噪声用随机游走系数表示，是一种综合性分析光纤陀螺 误差源的指标。对光纤陀螺的模拟输出数据进行功率谱分析，仿真结果如下图:Figure 2目Fi e Edit View Insert Tools Desktop Aindow He

32、lp口已P -2-3 o o 仝工Eg&sd10o_u90706040o -4-o图3.4光纤陀螺输出数据的PSD由图3.4，光纤陀螺的PSD俞出模拟显示，噪声能量没有集中在某个频段上，而是 均匀的分布在频率轴上，说明光纤陀螺的输出噪声呈现为白噪声，这是因为陀螺内部做 了低通滤波而在低频段能量稍大，是由光路或光电检测过程中的噪声引起的，而与电路 设计无关。仿真程序及参数如下： % 它螺漂移误差仿真arcdeg=pi/180;hur=3600;dph=arcdeg/hur;Hz=1; eb=0.1*dph*ra ndn (1,1);tauG=50;beta=1/tauG;R0=0.01*dphA

33、2; q=2*beta*R0;N2=0.0001*dphA2/H z; fB=400*H z; fs=200;Ts=1/fs;t=1000;len=floor(t/Ts); er=zeros(le n,1);er(1)=sqrt(R0)*ra ndn (1,1);Phi=1-beta*Ts;sQkr=sqrt(q*Ts);for k=2:le ner(k)=Phi*er(k-1)+sQkr*ra ndn (1,1);endsQkg=sqrt(N2*fB);wg=sQkg*ra ndn (le n,1);figure(1)plot(1:le n*Ts,eb+er+wg/dph);grid onx

34、label(ittrm/s);ylabel(itepsilo nrm/(circ)/h);%p=psd(eb+e r+wg)/dph,1024);p=psd(eb+e r+wg)/dph,1024)/fs;p(2:e nd)=p(2:e nd)*2;%semilogy(0:512*fs/1024,p/fs);grid onfigure(2)semilogy(0:511*fs/1024,p(1:512);grid onxlabel(itfrm/Hz);ylabel(itPSDrm/(circ)/h)A2/Hz);陀螺随机漂移误差的Allan方差分析，就是将陀螺输出的角速率误差信号，输入一 系列不

35、同频域带通参数的Allan方差中，仿真结果绘制出 -双对数曲线，仿真结果如下图：图3.4光纤陀螺Allan方差双对数图仿真结果表明，光纤陀螺的Allan方差曲线主要表现为斜率为-1的量子噪声、-1/2 的角随机游走、1/2的速率随机游、+1的速率斜坡，斜率为零的曲线很短，可认为零偏 不稳定性影响很小或不存在。模拟仿真实际陀螺随机误差的部分统计性，对硬件电路的 优化设计，提高光纤陀螺的精度性能，提供了一个预测评估参考。仿真程序及参数如下：%Allan方差估计仿真function sigma,tau,Err= avar(y0,tau0)N=le ngth(yO);y=yo；NL=N;for k=1

36、:i nfsigma(k,1)=sqrt(1/(2*(NL-1)*sum(y(2:NL)-y(1:NL-1)A2);tau(k,1)=2A(k-1)*tauO;Err(k,1)=1/sqrt(2*(NL-1);NL=floor(NL/2);if NL3break;endy=1/2*(y(1:2:2*NL)+y(2:2:2*NL);endfigure(1)plot(0.1*1:N,y0);grid on xlabel(ittrm/s);ylabel(ity);figure(2)loglog(tau,sigma);grid on xlabel(ittrm/s);ylabel(itsigma_Arm

37、(tau);4干涉式光纤陀螺光学部分方案4.1 I-FOG 结构图4.1所示的I-FOG结构，它包括了采用丫型多功能集成光路的耦合器与全数字闭 环处理电路。赛芾进源弋施测器A/ DCPU1 0L ASLD魏码管显示图4.1 I-FOG结构4.2光源4.2.1 1.55um宽带超荧光掺铒光纤光源（SFS对于在1.55um的长波区工作的光纤陀螺来说，在该波长区里能够减少高能辐射照后的光纤传输恢复时间。对于波长二一 谱宽的SFS来说，根据公式:（4.1）得到相应的光学带宽为.二量级采用1.55um宽带超荧光掺铒光纤光源（SFS作为高精度光纤陀螺的光源优点具体 如下:（1）输出功率高SFS与SLD相比

38、，提供了很高的放大增益，无需腔反馈，可以获得 大功率的带宽辐射。（2）宽谱光纤陀螺仪的光源宽谱有利于减小散射、相干误差，使光纤陀螺保持有 稳定的零偏，检测误差小。（3）无偏振辐射 宽带光纤光源射出的往往是非偏振光，这有利于减少双折射引起 的偏振非互易性，同时允许人们采用一般的单模光纤耦合器作为光纤陀螺的光源耦合SLD的寿命长，这已经成为选SFS作（4）工作时间长 使用时间比目前广泛使用的 为光纤陀螺的光源的重要原因。4.2.2超发光二极管（SLD对于SLD来说优点是体积小、输出功率适中、光谱较宽等，在中低精度光纤陀螺中 获得广泛应用，但相比于SFS仍从在如下缺点：（1） SLD的发散角较大，光

39、功率不能有效地耦合进单模光纤中，因而输出功率较低， 出纤功率通常限制在1mW以下，这限制了光纤的精度。（2）这种超发光二极管的寿命有限，对于卫星等长寿命应用来说显然不够。（3）由于半导体材料的固有问题，大多数 SLD的平均波长变化较大，未加制冷器时的典型变化为継撕科：0书量级，加制冷器后的典型变化为 疋R魏：/雹量级，这意味着 温度必须控制在，才能实现1ppm的光谱稳定性目标，增加了系统复杂性和成本。由于光纤陀螺的标度因数是用光源的平均波长决定的，温度引起的波长漂移会造成旋转 速率的检测误差。4.3光纤耦合器4.3.1保偏光纤耦合器保偏光纤耦合器为熔融型3dB光纤耦合器，用于将返回的光波信号引

40、导至探测器。 熔融型保偏光纤耦合器较磨抛型保偏光纤耦合器更具有更高的机械可靠性，这项技术目前已经成熟，在-二二I的温度范围内偏振消光比优于20dB，光学损耗小于0.3dB，分光比可以控制在（50_3） %勺范围内。同时，保偏光纤耦合器抑制光源强度噪 声时，确保两端探测器是同一种偏振模式。4.3.2光学环形器采用光学环行器与保偏光纤耦合器相比，功能结构与电子环行器接近。光学环行器是三端口器件，光只能沿一个方向传播。信号若从端口1输入，则从端口 2输出；而信号从端口 2输入，则将从端口 3输出，其输出损耗都很小。但是，光从端口2输入时，从端口 1输出时损耗很大，同样光从端口 3输入时，从端口 1，

41、2中输出时损耗也很大。 光学环行器是不可逆光学器件，意味着穿过该设备引起的光的任何性质改变，当光反向 输入时并不会得到相反的结果。由于其隔离性高，插入损耗小，光纤环行器广泛用在先 进通信系统中，例如分插复用器，双向泵浦系统和色散补偿装置。由于光学环形器的成本较保偏光纤耦合器高很多，最终决定采用保偏光纤耦合器。4.4光纤线圈4.4.1保偏光纤原理保偏光纤的原理是产生一个强双折射，使在普通单模光纤中简并的偏振模式能够在 保偏光纤中分开。在光纤陀螺中，这种偏振保持特性提供了互易性主波的大部分功率， 避免了信号衰减。只有少量功率转化为交叉的非互易性光波，另外，当采用宽带光源时，这种交叉的非互易性偏振光

42、波的传播速度与主偏振模式不同，因而得以消偏。在实际中，如不采用保偏光纤需加一个消偏器，采用消偏器不如采用保偏光纤的效 果好，采用消偏器的主要优势是光纤线圈的成本，而对整个系统来说，由于附加消偏器 增加了其复杂性，成本节省并不太明显。4.4.2保偏光纤优点采用保偏光纤构成的敏感线圈能够获得最佳的性能。（1）为了限制线圈的体积，光纤的尺寸应尽可能小。典型包层直径为 80um的陀螺 专用光纤，要取代包层直径为125um的通信用标准单模光纤。保护涂覆层也应尽可能薄。 必须使微弯最小，以避免产生损耗或削弱偏振保持，这实际上限制了涂覆层的最小厚度。（2）为了避免军用或空间应用中光纤衰减在辐射条件下增大，最

43、好工作在长波长（1.33um 或 1.55um）上。（3）光纤的可靠性。在绕制线圈过程中，光纤表面收到张力，引起的形变等于光 纤直径与线圈直径之比。为了确保好的可靠性，整个光纤长度必须在高形变水平下接受 检测。4.4.3保偏光纤应力结构光纤陀螺中常用的大多数保偏光纤均基于光纤包层中附加的应力结构引起的线性 双折射。通常采用两种方法实现大的内部应力双折射：一种是采用非对称的区域掺杂以 改变热膨胀系数；另一种是采用一个椭圆包层。前者称为应力双折射保偏光纤，后者称 为几何双折射保偏光纤。应力结构不同，保偏光纤的类型也不同，产生内部双折射的效率也不同。常见的光纤结构有椭圆包层型、领结型和熊猫型，如图4

44、.2所示图4.2三种保偏光纤的应力结构保偏光纤的折射率分布具有双峰，它支持两个非简并的正交偏振模式，内部双折射 率的量级一般用两个偏振模式的拍长表征，。保偏光纤的拍长典型值在1mm-5m范围内，意味着当激发其中一个本征偏振态时，保偏光纤能够在光纤陀螺所 需的典型传播距离（50m-500m上很好地保持这种偏振。4.5多功能集成光路4.5.1多功能集成光路结构多功能集成光路由丫分支、相位调制器和较理想的偏振器组成。其中丫分支作为线圈分支器，一个在线光纤接头或光纤耦合器作为光源分束器，其尾纤充当空间滤波器。 其中偏振器的作用，光在输入时被滤波，在输出端，经过该偏振器返回的两束光波完全 同相。丫型接头

45、或丫型耦合器结构中，其中线圈分束器是一个集成光学丫分支，光源分束器是一个全光纤的3dB接头。互易性所需的空间滤波通过连接在 丫分支基波导上的尾纤 就可实现，利用3dB接头把50%勺返回功率送到探测器，且附加损耗很低。相位调制器 制作在丫分支的两个臂上，可以用一个调制器作为偏置调制，另一个调制器作为闭环处 理器所需的反馈调制。倘若用于分束功能，并不是非要一个3dB单模耦合器。经丫分支的输入尾纤返回的光已经发生干涉，信号由强度调制携带。因此，这种耦合器可用一个 3dB的分接头代替，它有一个单模输出端口，比耦合器容易制作。最佳的多功能陀螺芯片的典型尺寸是：厚度为1mm宽度为几毫米，长20-35mm它

46、由一个丫分支构成，两臂间隔约200-300um,以便与光纤线圈的两端连接。在两臂上 制作推挽式相位调制器，金属被覆在偏振器制作的基波导上，或直接采用质子交换法获 得的偏振抑制。陀螺芯片呈平行四边形，以避免集成光路和光纤界面的背向反射。4.5.2多功能集成光路技术指标工作波长1310 nm1550nm插入损耗4.5dB （典型值 4dB）5.0dB （典型值 4.5dB） H分束比47/53*53/47 （全温范围内47/53-53/47（%）（全温范围45/55 *55/45）内 45/55 55/45）尾纤偏振串音30dB-30dB半波电压5V背向反射50dB60dB60dB工作温度-55

47、C+70C-55C+70乜生产能力1000只/年700只/年外形尺寸30mrK 18mM 5mm35mrK 18mM 5mm表4.1 丫型集成光路的指标对比4.5.3多功能集成光路实物图与外观尺寸图4.3 丫型集成光路的实物图与尺寸4.6探测器采用跨阻抗放大器的高灵敏度PIN-FET光接收元件，用来探测旋转引起的光强变换。 探测器通常安装在电路板上，使光二极管与其前方离得近些，从而减少光相位调制引起 的串扰和接地不良产生的误差，对于 1.33um或1.55um长波长来说，InGaAs最合适。 4.7波长控制方案在研制高性能光纤陀螺必须解决的问题当中，波长控制有关的内容文章不是很多。 与互易性光

48、学结构问题、采用宽带光源的各种噪声和漂移问题或采用偏置调制和相位反 馈的信号处理方案相反，对这个问题还没有一个明确的答案。与其说是一个可以公开发 表的基本理论分析，不如说是一个工程问题，其解决方案通常保密。波长控制方案的稳 定参考：一个稳定的参考滤波器，稳定的参考波长，或稳定的参考分光计。4.8前置放大滤波器4.8.1前置放大器光纤陀螺仪中的两束反向传播光波之间会产生相位差，该相位差由旋转角速率引 起。对于光纤陀螺仪的旋转角速率信号信息，首先将光信号转化为电信号，然后通过信 号处理技术得到所需的旋转角速率。实现光电转换的组件是前置放大器。图4.4跨阻抗前置放大器电路图在通常的应用中，光纤陀螺的

49、角速率敏感下线非常小，对于精度为匚1 ： /h的陀螺，检测的相位差约为琦诂，相应的干涉光强的变化则非常小，因此，其信号检测 属于微弱信号的处理，一般采用低噪声的跨阻抗前置放大器，这种跨阻抗前置放大器是 在高阻抗前置放大器基础上加一个反馈电阻构成，以满足输入输出阻抗的匹配，并兼顾 前置放大器的低噪声特性、适中的带宽要求和足够的放大倍数。前置放大器的放大倍数 应满足在陀螺的偏置工作点上，旋转角速率引起的最大输出电压变化等于后面的A/D转换器的量程，如果前置放大器组件的放大倍数较小，可能还需要在A/D转换器之前加一后置放大器。采用LMH6629芯片，跨阻抗前置放大器原理图如图 4.4所示。4.8.2

50、低通滤波器光纤陀螺仪的探测器的带宽一般不小于 4MHz如果带宽过窄，造成光纤陀螺仪在探 测器的输出端口输出的信号采样区域变窄；如果带宽过宽，探测器输出会引入较大的高 频噪声，造成输出波形失真。如果 A/D转换器的采样点位于高频串扰的位置，在这些位 置对环境的变化较为敏感，将会大大影响陀螺精度，另外这种叠加在输出信号上的高频 串扰还会影响A/D转换器的多点采样。因此，在A/D转换器前引入低通滤波电路对探测 器输出的模拟信号进行滤波处理。图4.5低通滤波电路（滤掉探测器输出的高频串扰）在设计滤波电路时，由于闭环光纤陀螺的模拟输出信号等于光纤陀螺的本征频率, 应合理选择低通滤波器的截止频率，一般采用

51、有源低通滤波电路实现。5干涉式光纤陀螺硬件部分方案5.1引言干涉型光纤陀螺仪的硬件部分主要包括：前置放大滤波模块、A/D和D/A模块、数字信号处理模块等。5.2硬件部分方案通过对光纤陀螺主要光学器件的性能分析和各种调制方案讨论，确定数字闭环光纤陀螺的基本结构如图5.2所示。以89C52单片机作为信号处理器，pcf8591A/D D/A模块 为DA AD转换。下图是干涉式光纤陀螺的硬件设计部分的整体框图。图5.1干涉式光纤陀螺的硬件设计框图输岀图5.2数字闭环干涉式光纤陀螺仪系统框图5.3干涉型光纤陀螺仪的信号检测光纤陀螺仪的光路相位变化直接影响到光强的变化，用光电探测器将光强转化为电 流，其波

52、形图如图5.3所示：输入光強图5.3光纤陀螺光电探测器输入与相移关系图5.4 A/D- D/A 模块DA/AD转换功能使用：PCF8591T使用I2C与单片机通信，P2.1(SDA)串行数据线、P2.0(SCL)串行时钟线。AD0 和AD1是两路模拟输入，改变AD0和AD1位置的电位器，实现了 2两路模拟输入，在数 码管中可以看到数值变化。当PCF859仃数模端口数据变化时，DA位置的LED亮度随之 改变。PCF859仃电路如图5.4图5.4 PCF859仃 电路图5.5信号处理模块单片机最小系统CPU为STC89系列增强型8位单片机如图5.5，频率高达80MHz可工作于6Clock，32 I

53、/O，3定时器，内置 WDT EEPRQM支持ISP，ESD晶振采用12M/11.0592M(可更换)。PIO1P112P123?13TP145?156P167P178RT9RXD10TXDLIP32/CS112F33 CS2 UP34L4P3515P3616P3717EL8XT119GND208石,回1654数码管原理如图5.6-IADCaGtl：4-；2；lTT节lwi-34 J67SQOG1Q2邙 Qs-s-b 篙P1.0vrcPl 1PO.ODI 7PO 1Pl.3m.2Pl.4P0.3Pl.5P0.4Pl.tiP0.5Pl.7P0.6RSTVPDP07P3.0EUDEAVppP3.1 TxDALE PRCGP3 INTOPENP33INT)P2.7P3.4.T)P2.6P3.5T1P2.5P3 E IVRP2AP3.7.KDP2iXTAL2叭XTAL1P2.1GNDP2 0CPU40 rc39 POO38