專利名稱：基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性測量領(lǐng)域，尤其涉及基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著裝備技術(shù)和武器平臺技術(shù)的發(fā)展，高可靠、高性能慣性技術(shù)的發(fā)展勢在必然， 新一代裝備系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)速度上有更進(jìn)一步的提升，如何測量高速旋轉(zhuǎn)下的大角速度而又能保持較小的分辨率和高靈敏度成為慣性測量系統(tǒng)面臨的問題。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺存在高速轉(zhuǎn)子等活動部件，這使得其存在怕沖擊、G和G2敏感性強(qiáng)的缺點(diǎn)，而高速旋轉(zhuǎn)帶來的向心加速度和旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，這綜合起來就限制了裝備系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度，影響其控制精度。光纖陀螺和光學(xué)加表是基于干涉原理的全光學(xué)傳感器，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都具有全固態(tài)的特點(diǎn)，不怕沖擊，使其成為高速裝備系統(tǒng)的最佳測量技術(shù)。但是，截止到目前，國內(nèi)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)慣性測量裝置研究的單位還不是很多，大多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，并且?guī)缀跛械难芯慷际腔诜至⒌耐勇莺图颖淼慕M合， 不利于系統(tǒng)的集成化和小型化，另外，陀螺和加表安裝在三個相互垂直的方向上，每一個陀螺和加表都是一個完整的本體，各自敏感三個正交方向上的慣性數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的體積和功耗，在數(shù)據(jù)終端還需要數(shù)據(jù)的整合處理，限制了慣性測量系統(tǒng)和高速旋轉(zhuǎn)裝備系統(tǒng)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是解決當(dāng)前高速旋轉(zhuǎn)裝備系統(tǒng)面對的困境，提出一種基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)?；诠饫w結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)包括光源、2X3耦合器、1X2X軸耦合器、1 X 2Y軸耦合器、1 X 2Z軸耦合器、X軸光纖陀螺模塊、X軸光纖加表模塊、Y軸光纖陀螺模塊、Y軸光纖加表模塊、Z軸光纖加表模塊、Z軸光纖陀螺模塊、3 X 1合束器、第二探測器、 中心處理器、第一探測器和多路復(fù)用處理電路；其中，2X3耦合器一端分別與光源、第一探測器相連，2 X 3耦合器另一端分別與1 X 2X軸耦合器、1 X 2Y軸耦合器和1 X 2Z軸耦合器相連，1 X 2X軸耦合器與X軸光纖陀螺模塊的光學(xué)接口 PI、X軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 P3 相連，1 X 2Y軸耦合器與Y軸光纖陀螺模塊的光學(xué)接口 P4、Y軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 Ρ6 相連，IX 2Ζ軸耦合器與Z軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 Ρ8、Ζ軸光纖陀螺模塊的光學(xué)接口 Ρ9 相連，X軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 Ρ2、Y軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 Ρ5、Z軸光纖加表模塊的光學(xué)接口 Ρ7通過3X1合束器與第二探測器相連，X軸光纖陀螺模塊的電路接口 El、X 軸光纖加表模塊的電路接口 Ε2、Υ軸光纖陀螺模塊的電路接口 Ε3、Υ軸光纖加表模塊的電路接口 Ε4、Ζ軸光纖加表模塊的電路接口 Ε5、Ζ軸光纖陀螺模塊的電路接口 Ε6、第二探測器都與中心處理器相連，第一探測器通過多路復(fù)用處理電路與中心處理器相連。所述的X軸光纖陀螺模塊、Y軸光纖陀螺模塊、Z軸光纖陀螺模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，其中X軸光纖陀螺模塊包括第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路、光纖線圈、增益控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路；第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路與光纖線圈相連，D/A轉(zhuǎn)換電路通過增益控制電路與第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路相連。所述的X軸光纖加表模塊、Y軸光纖加表模塊、Z軸光纖加表模塊具有相同的結(jié)構(gòu)， 其中，X軸光纖加表模塊包括第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路、光纖柔性盤、2X1合束器、D/A轉(zhuǎn)換器、乘法器、低通濾波器、積分電路、運(yùn)算放大器、帶通濾波器、復(fù)位電路、振蕩器；第二 Y 波導(dǎo)多功能集成光路與光纖柔性盤相連，光纖柔性盤與2X1合束器相連，D/A轉(zhuǎn)換器、乘法器、低通濾波器、積分電路、運(yùn)算放大器依次相連，運(yùn)算放大器與第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路相連，低通濾波器通過帶通濾波器將信號輸出，復(fù)位電路與積分電路相連，并與積分電路共同連接于運(yùn)算放大器，振蕩器分別與乘法器、運(yùn)算放大器相連。本發(fā)明由三組正交結(jié)構(gòu)的光纖陀螺模塊和光纖加表模塊組成，共用一個光源，利用傳統(tǒng)光纖陀螺耦合器的空置端口作為光纖加表模塊的光源輸入端，由光纖陀螺模塊和光纖加表模塊同時測量一個軸向的角速度和加速度，實(shí)現(xiàn)一維慣性測量的集成。三個軸向的光纖陀螺模塊和三個軸向的光纖加表模塊分別共用一個探測器，采用多路復(fù)用技術(shù)提取三個正交方向上的運(yùn)動信息，整個系統(tǒng)由中心處理器統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺模塊和光纖加表模塊的融合，從而實(shí)現(xiàn)整個慣性測量系統(tǒng)的全固態(tài)、全光纖化、一體化和集成化，為裝備系統(tǒng)的升級提供了有力的技術(shù)支撐。


圖1為基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為圖1中X軸光纖陀螺模塊的結(jié)構(gòu)框圖3為圖1中X軸光纖加表模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。如圖1所示，基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)包括光源1、2 X 3耦合器2、 1 X 2X軸耦合器3、1 X 2Y軸耦合器4、1 X 2Z軸耦合器5、X軸光纖陀螺模塊6、X軸光纖加表模塊7、Y軸光纖陀螺模塊8、Υ軸光纖加表模塊9、Ζ軸光纖加表模塊10、Ζ軸光纖陀螺模塊 11、3Χ 1合束器12、第二探測器13、中心處理器14、第一探測器15和多路復(fù)用處理電路16 ； 其中，2 X 3耦合器2用于分光，一端分別與光源1、第一探測器15相連，另一端分別與1 X 2Χ 軸耦合器3、1 X 2Υ軸耦合器4和1 X 2Ζ軸耦合器5相連，1 X 2Χ軸耦合器3與X軸光纖陀螺模塊6的光學(xué)接口 Pl、X軸光纖加表模塊7的光學(xué)接口 Ρ3相連，1 X 2Υ軸耦合器4與Y軸光纖陀螺模塊8的光學(xué)接口 Ρ4、Υ軸光纖加表模塊9的光學(xué)接口 Ρ6相連，1 X 2Ζ軸耦合器5 與Z軸光纖加表模塊10的光學(xué)接口 Ρ8、Z軸光纖陀螺模塊11的光學(xué)接口 Ρ9相連，X軸光纖加表模塊7的光學(xué)接口 Ρ2、Y軸光纖加表模塊9的光學(xué)接口 Ρ5、Z軸光纖加表模塊10的光學(xué)接口 Ρ7通過3Χ 1合束器12與第二探測器13相連，X軸光纖陀螺模塊6的電路接口 El、X軸光纖加表模塊7的電路接口 Ε2、Y軸光纖陀螺模塊8的電路接口 Ε3、Υ軸光纖加表模塊9的電路接口 Ε4、Z軸光纖加表模塊10的電路接口 Ε5、Z軸光纖陀螺模塊11的電路接口 Ε6、第二探測器13都與中心處理器14相連，第一探測器15通過多路復(fù)用處理電路16與中心處理器14相連。本系統(tǒng)為三軸正交結(jié)構(gòu)。如圖2所示，X軸光纖陀螺模塊6、Y軸光纖陀螺模塊8、Ζ軸光纖陀螺模塊11具有相同的結(jié)構(gòu)，其中X軸光纖陀螺模塊6包括第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路17、光纖線圈18、增益控制電路19、D/A轉(zhuǎn)換電路20 ；第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路17與光纖線圈18相連，D/A 轉(zhuǎn)換電路20通過增益控制電路19與第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路17相連。如圖3所示，X軸光纖加表模塊7、Y軸光纖加表模塊9、Z軸光纖加表模塊10具有相同的結(jié)構(gòu)，其中，X軸光纖加表模塊7包括第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路21、光纖柔性盤 22,2X1合束器23、D/A轉(zhuǎn)換器24、乘法器25、低通濾波器26、積分電路27、運(yùn)算放大器28、 帶通濾波器29、復(fù)位電路30、振蕩器31 ；第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路21與光纖柔性盤22相連，光纖柔性盤22與2X 1合束器23相連，D/A轉(zhuǎn)換器24、乘法器25、低通濾波器26、積分電路27、運(yùn)算放大器28依次相連，運(yùn)算放大器28與第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路21相連，低通濾波器26通過帶通濾波器29將信號輸出，復(fù)位電路30與積分電路27相連，并與積分電路27共同連接于運(yùn)算放大器28，振蕩器31分別與乘法器25、運(yùn)算放大器28相連。本發(fā)明的具體工作過程如下
光源1發(fā)光經(jīng)過2 X 3耦合器2分三路分別進(jìn)入1 X 2X軸耦合器3、1 X 2Y軸耦合器4、 1X2Z軸耦合器5，X軸、Y軸、Z軸相正交，具有相同的結(jié)構(gòu)，以X軸為例說明，光波經(jīng)過1X2X 軸耦合器3分光后分成兩束，一束由光纖端口 Pl進(jìn)入X軸光纖陀螺模塊6，另一束由光纖端口 P3進(jìn)入X軸光纖加表模塊7。通過Pl進(jìn)入X軸光纖陀螺模塊6的光波經(jīng)過第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路17由2個端口進(jìn)入光纖線圈18，分別沿順時針和逆時針在光纖線圈18中傳輸，此時若有角速度產(chǎn)生，兩束沿相反方向傳輸?shù)墓獠ㄖg就會有一個與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的相位差，通過探測器15、中心處理器14、D/A轉(zhuǎn)換器20、增益控制電路19、第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路17的檢測便可解算出該相位差從而得到光纖陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度，由于X 軸光纖陀螺模塊6、Y軸光纖陀螺模塊8、Z軸光纖陀螺模塊11呈正交結(jié)構(gòu)，通過第一探測器 15、多路復(fù)用處理電路16、中心處理器14的監(jiān)測控制，可同時得到三個軸向的角速度信息， 即系統(tǒng)的角運(yùn)動姿態(tài)。光纖加表是基于Mach-Zehnder雙光束干涉原理實(shí)現(xiàn)對光纖中微小光程變化的測量。通過光纖端口 P3進(jìn)入X軸光纖加表模塊7的光波經(jīng)第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路21分成兩束進(jìn)入光纖柔性盤22，在加速度作用下，光纖柔性盤22受到等幅反向應(yīng)力形成推挽結(jié)構(gòu)，光纖柔性盤22干涉臂內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化，通過第二探測器13、中心處理器14、D/A轉(zhuǎn)換器24、乘法器25、低通濾波器26、積分電路27、運(yùn)算放大器28、帶通濾波器29、復(fù)位電路30、振蕩器31組成的相位解調(diào)電路即可解算出相應(yīng)的加速度信息，三個正交的光纖加表模塊可解算出三個軸向的加速度信息。這樣整個系統(tǒng)相應(yīng)的加速度和角速度信息便檢測出來，通過輔助解算和信息處理就可將系統(tǒng)的姿態(tài)信息輸出給終端。本發(fā)明的三路正交的光纖陀螺模塊和光纖加表模塊在一個中心處理器控制下同時測量系統(tǒng)運(yùn)動姿態(tài)，三路光纖陀螺模塊和三路光纖加表模塊分別共用一個探測器，采用多路復(fù)用技術(shù)實(shí)時解算系統(tǒng)的角速度和加速度信息，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高，且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全固態(tài)、集成化、小型化，為新裝備系統(tǒng)的升級和原有裝備系統(tǒng)的改造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)，其特征在于包括光源(1)、2X3耦合器(2)、1乂21軸耦合器(3)、1乂2￥軸耦合器(4)、1乂22軸耦合器(5)、乂軸光纖陀螺模塊 (6)、X軸光纖加表模塊(7)、Y軸光纖陀螺模塊(8)、￥軸光纖加表模塊(9)、2軸光纖加表模塊(10)、Z軸光纖陀螺模塊(11)、3Χ1合束器(12)、第二探測器(13)、中心處理器(14)、第一探測器(15)和多路復(fù)用處理電路(16);其中，2X3耦合器(2) —端分別與光源(1)、第一探測器(15)相連，2X3耦合器(2)另一端分別與1Χ2Χ軸耦合器(3)、1Χ2Υ軸耦合器(4) 和1 X 2Ζ軸耦合器(5)相連，1 X 2Χ軸耦合器(3)與X軸光纖陀螺模塊(6)的光學(xué)接口 Pl、 X軸光纖加表模塊(7)的光學(xué)接口 Ρ3相連，1 X 2Υ軸耦合器(4)與Y軸光纖陀螺模塊(8)的光學(xué)接口 Ρ4、Y軸光纖加表模塊(9)的光學(xué)接口 Ρ6相連，1 X 2Ζ軸耦合器(5)與Z軸光纖加表模塊(10)的光學(xué)接口 Ρ8、Z軸光纖陀螺模塊(11)的光學(xué)接口 Ρ9相連，X軸光纖加表模塊(7)的光學(xué)接口 Ρ2、Y軸光纖加表模塊(9)的光學(xué)接口 Ρ5、Z軸光纖加表模塊(10)的光學(xué)接口 Ρ7通過3 X 1合束器(12)與第二探測器(13)相連，X軸光纖陀螺模塊(6)的電路接口 El、X軸光纖加表模塊(7)的電路接口 Ε2、Y軸光纖陀螺模塊(8)的電路接口 Ε3、Y軸光纖加表模塊(9)的電路接口 Ε4、Z軸光纖加表模塊(10)的電路接口 Ε5、Z軸光纖陀螺模塊 (11)的電路接口 Ε6、第二探測器(13)都與中心處理器(14)相連，第一探測器(15)通過多路復(fù)用處理電路(16)與中心處理器(14)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的X軸光纖陀螺模塊(6)、Y軸光纖陀螺模塊(8)、Z軸光纖陀螺模塊(11)具有相同的結(jié)構(gòu)，其中X軸光纖陀螺模塊(6)包括第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路(17)、光纖線圈(18)、增益控制電路(19)、D/A轉(zhuǎn)換電路(20);第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路(17)與光纖線圈(18)相連， D/A轉(zhuǎn)換電路(20)通過增益控制電路(19)與第一 Y波導(dǎo)多功能集成光路(17)相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的X軸光纖加表模塊(7)、Y軸光纖加表模塊(9)、Z軸光纖加表模塊(10)具有相同的結(jié)構(gòu)，其中，X軸光纖加表模塊(7)包括第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路(21)、光纖柔性盤(22)、 2X1合束器(23)、D/A轉(zhuǎn)換器(24)、乘法器(25)、低通濾波器(26)、積分電路(27)、運(yùn)算放大器(28)、帶通濾波器(29)、復(fù)位電路(30)、振蕩器(31)；第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路(21) 與光纖柔性盤(22)相連，光纖柔性盤(22)與2X1合束器(23)相連，D/A轉(zhuǎn)換器(24)、乘法器(25)、低通濾波器(26)、積分電路(27)、運(yùn)算放大器(28)依次相連，運(yùn)算放大器(28)與第二 Y波導(dǎo)多功能集成光路(21)相連，低通濾波器(26)通過帶通濾波器(29)將信號輸出，復(fù)位電路(30)與積分電路(27)相連，并與積分電路(27)共同連接于運(yùn)算放大器(28)，振蕩器 (31)分別與乘法器(25)、運(yùn)算放大器(28)相連。
全文摘要
本發(fā)明公布一種基于光纖結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)，它的三組正交的光纖陀螺模塊和光纖加表模塊共用一個光源，并且三個軸向的光纖陀螺模塊和三個軸向的光纖加表模塊分別共用一個探測器，采用多路復(fù)用技術(shù)提取三個正交方向上的運(yùn)動信息，整個系統(tǒng)由中心處理器統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺模塊和光纖加表模塊的融合。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了整個慣性測量系統(tǒng)的全固態(tài)、全光纖化、一體化和集成化，不但為系統(tǒng)節(jié)約了資源和成本，降低了功耗，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為裝備系統(tǒng)的升級提供了有力的技術(shù)支撐。
文檔編號G01C19/72GK102297691SQ20111012798
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉承, 李賡, 郭文正, 黃騰超 申請人:浙江大學(xué)