一种微小型三轴一体化光纤陀螺仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种光纤陀螺仪，尤其涉及一种微小型三轴一体化光纤陀螺仪。


背景技术：

2.随着全球化不断深入，大国博弈日趋白热化，国家面临的安全环境也更趋错综复杂。作为支撑国家体系作战力量重要组成的新一代“智能型”中远程防空反导导弹、新一代“灵巧型”精确制导弹药、长航时“察打一体”无人载具等新型武器系统，其内部载荷越来越多，留给惯性测量与导航系统的空间极其有限，因此在保证测量精度的前提下对惯性测量和导航系统提出了更加苛刻的体积重量要求，而陀螺仪的微小型化是实现惯性系统轻小型化的基础和前提。
3.目前常见的应用于各类战术武器系统的陀螺仪主要有液浮陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺等，液浮陀螺和挠性陀螺的制造工艺复杂、体积较大、精度不高，已经逐渐退出历史舞台；激光陀螺内部有分立光学器件，实现工艺复杂，小型化困难，且需高压启动，应用不便；微机械陀螺仪虽具有体积小的天然优势，但受制于国内技术水平，其测量精度、稳定性和可靠性距离当前要求还有很大差距。而光纤陀螺作为一种新型全固态陀螺仪，具有全固体、数字化、环境适应能力强、应用简单等突出优点，应用日趋广泛。但随着武器系统要求的不断提高，现有光纤陀螺已逐渐不能满足新一代武器系统“轻小型”的应用要求。
4.现有的光纤陀螺仪技术缺点主要表现在以下几方面：
5.1.现有三轴光纤陀螺仪部分光器件(光源、耦合器、探测器)是借用光纤通信产品，其输入输出尾纤为125um包层直径的单模光纤，与光纤环所用80um包层直径的保偏光纤不兼容，该问题原来是通过在y波导输入输出端耦合不同包层直径光纤，即输入耦合125um保偏光纤，输出耦合80um保偏光纤，以分别匹配其前后端的不同光路，但存在模场失配问题；
6.2.电路部分所采用的多层印制板体积、重量较大，无法满足轻小型武器系统对内部组件体积重量提出的严格要求，且由于信息处理电路和接口电路均存在对应的软件，极大地增加了项目管理工作量；
7.3.现有三轴光纤陀螺仪的工作温度范围为
‑
40℃～+60℃，但未来战术武器增程是必然的趋势，该工作温度范围恐无法适应未来潜在的工作环境；
8.4.现有三轴光纤陀螺仪通过保证光路最小互易结构来抑制散粒噪声和各种偏振误差，对于光源相对强度噪声基本没有有效抑制措施，而随着光源功率的逐步提升，光源相对强度噪声已一定程度上限制光纤陀螺测量精度。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种设计合理的微小型三轴一体化光纤陀螺仪，解决了柔性外骨骼微小型三轴一体化光纤陀螺仪体积大、重量大、稳定性差、灵活度低等问题，实现了微小型三轴一体化光纤陀螺仪小型轻量化。
10.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
11.本实用新型是一种微小型三轴一体化光纤陀螺仪，其特点是，包括壳体、光路组件及电路组件，壳体内设有固定光路组件和电路组件的导热安装座；
12.所述的光路组件包括光源、耦合器、x轴光纤环组件、y轴光纤环组件以及z轴光纤环组件，x轴光纤环组件、y轴光纤环组件以及z轴光纤环组件均由光纤环、波导及耦合模块依次相接而成，耦合模块通过耦合器与光源相连，不同光纤环组件上的光纤环分开安装在导热安装座的不同位置上；
13.所述的电路组件包括与陀螺内部各轴对应设置的调制解调soc微电路和控制光源的光源驱动soc微电路，调制解调soc微电路设有内埋fpga芯片的信息处理模块，不同调制解调soc微电路之间的信息处理模块通讯连接且还与对应光纤环组件的波导连接，信息处理模块上还设有与光纤环组件的耦合模块实现光信号连接的光学传感模块；光源驱动soc微电路由用于控制光源的光源驱动电路和用于监控光源及壳体内温度的温控电路封装而成，温控电路与光源驱动电路连接。
14.优选地，所述壳体内设有远离光纤环的热源放置区，光源和电路组件设在热源放置区。
15.优选地，所述光源直接安装在导热安装座上，与导热安装座相接的光源接触面上涂覆有导热硅脂层。
16.优选地，所述电路组件通过导热支柱装在导热安装座上。
17.优选地，上述光纤环组件与导热安装座之间设有导热系数较低的陶瓷纤维纸。
18.优选地，在所述光纤环和导热安装座的表面均设有黑色磁致阳极化处理层。
19.优选地，在导热安装座上固定有缠绕光纤的盘纤板。
20.优选地，所述光源采用sld光源，光学传感模块采用光电探测器，所述的光源驱动电路采用恒流源驱动电路，温控电路采用智能温控电路。
21.优选地，所述光纤环的长度为220mm，光纤环的直径为32mm；所述光纤环采用基于80um保偏光纤的无骨架光纤环；所述的耦合器采用1
×
3耦合器，所述的耦合模块采用2
×
2耦合器。
22.与现有技术相比，本实用新型以功能模块化的设计思想，以高精度、小体积和低功耗为目标，将光纤陀螺的调制解调电路与含fpga软件的信息处理模块、通信接口电路、电源管理电路等系统封装集成为调制解调soc微电路，将光源驱动电路及温控电路封装成光源驱动soc微电路、配合fpga软件和光学传感模块，实现光源驱动、光纤陀螺调制解调、温度采集、误差补偿、对外数据通讯等全部功能，最终实现载体三轴角速度信息测量并对外输出。与现有技术相比，本实用新型在不降低产品性能的前提下，相对现有产品体积、重量减小了60％以上，并拓宽了工作温度范围，能很好的满足“轻小型”武器系统的应用需求。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
24.图1为本实用新型所述微小型三轴一体化光纤陀螺仪的原理框图；
25.图2为本实用新型所述微小型三轴一体化光纤陀螺仪的三维结构图；
26.图3为本实用新型所述微小型三轴一体化光纤陀螺仪的光路图；
27.图4为调制解调soc微电路的原理框图；
28.图5为恒流源驱动电路的原理框图；
29.图6为相对强度噪声相消原理示意图；
30.图7为调制解调电路的通用软件原理框图；
31.图8为软件接口的原理示意图；
32.图9为调制解调电路的连接关系；
33.图10为光源智能温控的原理框图；
34.附图标记：
[0035]1‑
导热安装座、2
‑
x轴光纤环组件、3
‑
y轴光纤环组件、4
‑
z轴光纤环组件、5
‑
盘纤板、6
‑
光源、7
‑
信息处理模块、8
‑
导热支柱。
具体实施方式
[0036]
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0037]
参照图1
‑
3，本实用新型提供了一种微小型三轴一体化光纤陀螺仪，包括壳体、光路组件及电路组件，壳体内设有固定光路组件和电路组件的导热安装座1；
[0038]
所述的光路组件包括光源6、耦合器、x轴光纤环组件2、y轴光纤环组件3以及z轴光纤环组件4，x轴光纤环组件2、y轴光纤环组件3以及z轴光纤环组件4均由光纤环、波导及耦合模块依次相接而成，耦合模块通过耦合器与光源相连，不同光纤环组件上的光纤环分开安装在导热安装座的不同位置上，在导热安装座1上固定有缠绕光纤的盘纤板5；
[0039]
所述的电路组件包括与陀螺内部各轴对应设置的调制解调soc微电路和控制光源的光源驱动soc微电路，调制解调soc微电路设有内埋fpga芯片的信息处理模块，不同调制解调soc微电路之间的信息处理模块通讯连接且还与对应光纤环组件的波导连接，信息处理模块7上还设有与光纤环组件的耦合模块实现光信号连接的光学传感模块；光源驱动soc微电路由用于控制光源的光源驱动电路和用于监控光源及壳体内温度的温控电路封装而成，温控电路与光源驱动电路连接；
[0040]
工作时，光源经耦合器、耦合模块、波导输送至光纤环；光学传感模块从耦合模块获取光信号，输送到光纤陀螺的调制解调soc电路，经调制解调soc电路的处理输送至信息处理模块，同时，经温控电路获取sld光源的温度情况，反馈至信息处理模块，经信息处理模块控制光源驱动电路的工作。
[0041]
所述壳体内设有远离光纤环的热源放置区，光源和电路组件设在热源放置区。所述光源直接安装在导热安装座上，与导热安装座1相接的光源接触面上涂覆有导热硅脂层。所述电路组件通过导热支柱8装在导热安装座1上。
[0042]
上述光纤环组件与导热安装座1之间设有导热系数较低的陶瓷纤维纸。
[0043]
在所述光纤环和导热安装座1的表面均设有黑色磁致阳极化处理层。
[0044]
所述的调制解调电路为集fpga、前置放大、a/d转换、d/a转换、后端放大功能于一
体的数模混合模块，每采样一个轴对应一个调制解调电路，各轴陀螺采用三片fpga芯片独立进行调制解调。
[0045]
所述光纤环的长度为220mm，光纤环的直径为32mm；所述光纤环采用基于80um保偏光纤的无骨架光纤环；所述的耦合器采用1
×
3耦合器，所述的耦合模块采用2
×
2耦合器。
[0046]
所述光源采用sld光源，光学传感模块采用光电探测器，所述的光源驱动电路采用恒流源驱动电路，温控电路采用智能温控电路，所述恒流源驱动电路和智能温控电路可采用现有技术公开的任一种可实现相应功能的电路系统，不再具体阐述各电路的连接结构。
[0047]
本实用新型所述微小型三轴一体化光纤陀螺仪的设计过程为，微小型三轴一体化光纤陀螺指标要求十分苛刻，需要在极其有限(不大于60mm
×
60mm
×
48mm)的空间内集成优于0.5<
°
>/h的三轴光纤陀螺仪，按照现有常规技术水平实现难度巨大。本实用新型设计采用先进的系统结构设计技术，建立整机数字化三维模型和系统布局布线仿真模型，并对热设计进行仿真分析与优化，以获得最佳结构设计布局。
[0048]
对光纤陀螺来讲，一个好的系统结构设计可以抑制其磁场敏感度，提升其温度稳定性。小型化结构设计是该产品实现小型化低成本的前提，在进行结构设计时，按照光电分离安装、冷热隔离的设计要求，合理布局光器件和电路组件，使光源、探测器组件在合理散热的基础上，共用高度和宽度空间，在保证装配调试方便性以及可维修性、光学器件尾纤的弯曲半径满足要求的前提下，用最小空间实现产品的系统布局。微小型三轴一体化光纤陀螺的系统仿真三维布局如图2所示。
[0049]
本实用新型所述微小型三轴一体化光纤陀螺仪的设计要点如下：
[0050]
1)光电分离
[0051]
光纤陀螺样机光纤环组件远离电路模块、光源等发热部分，减小陀螺样机启动时间。
[0052]
2)热设计
[0053]
主要发热器件sld光源与底座直接接触，装配时在接触面加入导热硅脂，使sld光源产生的热量通过底座快速传导到壳体上；微电路模块产生的热量通过支柱传导到底座上，使其产生的热量通过底座快速传导到壳体上；通过在光纤环组件与安装底座之间增加导热系数较低的陶瓷纤维纸，实现热隔离；增加安装接触面的面积，内、外表面做黑色磁致阳极化处理，加大导热系数。以上热控措施均能避免系统热量对光纤环组件的影响。
[0054]
为验证上述系统模型的可靠性和正确性，对图2所示的结构进行了仿真分析，包括模态分析和热分析。通过反复迭代，直至获得最优系统结构设计方案。
[0055]
a)模态分析
[0056]
模态分析结果显示光纤陀螺一阶谐振频率2045hz，结构形变较大的部位在外屏蔽罩上，而光学敏感模块光纤环组件基本没有形变，该仿真结果表明，微小型三轴一体化光纤陀螺系统结构方案对光纤陀螺性能的影响极小，方案可行。
[0057]
b)热分析
[0058]
利用微小型三轴一体化光纤陀螺数字化系统仿真三维结构模型，建立热仿真模型，分析结果显示，微小型三轴一体化光纤陀螺热源集中在恒流源驱动模块、调制解调模块、光源等，且有快速的外泄通道，均远离光纤环，对光纤陀螺的性能指标影响较小。
[0059]
针对微小型光路设计，对光纤陀螺而言，其测量精度由光路和电路共同决定。当前
数字闭环光纤陀螺的调制解调电路技术已经十分成熟，无论陀螺精度高低，其调制解调电路原理和采用的电路原理基本相同，因此大幅度减小光纤环圈等效面积之后不降低光纤陀螺陀螺测量精度只能从光路设计着手。
[0060]
光纤陀螺的极限精度主要由散粒噪声和光源相对强度噪声决定。其具体关系见下式：
[0061][0062]
式中：e为电子电量，rd为探测器响应度，p为光功率，φ0为偏置相位，c为真空中的光速，λ为平均光波长，f为光源带宽，l为光纤长度，d为光纤环直径。
[0063]
散粒噪声和光源相对强度噪声作为光电探测过程中的固有噪声，很难被彻底消除，只能加以抑制。从上述公式可知，在采取了宽谱光源、相位过调制等措施后，增大光纤环等效面积(ld)成为提高陀螺精度最根本、最有效的措施。但简单增大光纤环等效面积(光纤长度或者光纤环直径)与微小型要求又是一对矛盾，无法同时兼顾。微小型三轴一体化光纤陀螺仪外形尺寸仅为60mm
×
60mm
×
48mm，如图3所示，其采用基于常规80/135um保偏光纤的一拖三式闭环光纤陀螺方案，光纤环长度220，光纤环直径32mm，其测量精度极限仅能达到约0.3
°
/h，考虑各种噪声干扰的影响后，无法达到预期的测量精度。因此，本项目拟在此微小型三轴光纤陀螺仪的技术为基础，针对性研究提升测量精度的各种技术方案，在不加大光纤环外形尺寸的基础上重点考虑采取基于80um保偏光纤的无骨架光纤环、双光程干涉光路等措施来大幅增加光纤环等效面积，抑制光路噪声，最终实现优于0.5
°
/h的测量精度要求。
[0064]
3、高集成低功耗soc电路设计
[0065]
微小型三轴一体化光纤陀螺的电路组件主要由调制解调soc微电路和光源驱动soc微电路，调制解调soc微电路设有内埋fpga芯片的信息处理模块，不同调制解调soc微电路之间的信息处理模块通讯连接且还与对应光纤环组件的波导连接，信息处理模块上还设有与光纤环组件的耦合模块实现光信号连接的光学传感模块；光源驱动soc微电路由用于控制光源的光源驱动电路和用于监控光源及壳体内温度的温控电路封装而成，温控电路与光源驱动电路连接。
[0066]
1)调制解调soc微电路
[0067]
微小型三轴一体化光纤陀螺的调制解调soc微电路是集fpga、前置放大、a/d转换、d/a转换、后端放大等功能于一体的数模混合电路，处理的是微伏级的微弱信号，调制解调电路的性能的优劣限制陀螺噪声、阈值和分辨率等技术参数。同时，又是基于fpga技术设计的高速数字信号处理电路，其信息处理周期在5ns左右，温度变化时内部电路延迟时间的微小变化也可能会引发灾难性后果。因此，为了降低系统设计风险，减小轴与轴之间的串扰，陀螺内部采样一个轴对应一个调制解调电路，各轴陀螺采用三片fpga芯片独立进行调制解调，原理框图见图4。
[0068]
本设计将a/d采样解调、d/a输出调制、电源电路、通信接口等全部功能集成为微系统电路模块，整体尺寸要求不大于30mm
×
30mm
×
6mm，相对传统设计集成化要求非常高，因此，考虑综合采用封装集成(soc)和pcb芯片内埋工艺两种小型化集成技术实现。首先，需要根据系统需求确定微电路模块所需要包括的功能、性能指标；其次，需要根据两种小型化技
术特点合理进行微系统模块的架构设计，合并、划分功能单元，确定需要采用封装集成实现的单元和需要采用pcb内埋工艺实现的单元；最后，需要考虑微电路设计的集成优化问题及对外的结构设计问题。同时调制解调soc微电路功耗进行分析优化，确保每个模块的静态功耗不大于0.8w。
[0069]
2)光源驱动soc微电路
[0070]
光纤陀螺内部使用的光源必须采用恒流驱动与管芯温控相结合的方案才能保证光源在全温范围内的光功率稳定性和平均波长稳定性，本项目将恒流驱动、温控功能集成为微系统电路模块，整体尺寸要求不大于24mm
×
24mm
×
8mm，恒流源驱动电路原理见图5。从图中可知，恒流源驱动电路功耗主要消耗在光源芯片和采样电阻rs上，需要合理优化该电路原理，研究两部分功率分配的最佳比例，提高电路驱动效率。对光源驱动soc微电路功耗进行分析优化，确保该模块的静态功耗不大于2w。从而确保微小型三轴一体化光纤陀螺的静态功耗不大于5w。
[0071]
4、光源相对强度噪声抑制设计
[0072]
光源相对强度噪声为光纤陀螺中的主要噪声之一，当光纤陀螺的光纤敏感组件
‑‑
光纤环圈的直径减小后，弯曲损耗和弯曲应力随之增大，带来的衰减增大，因此，只能提高光纤陀螺的光源的输出光功率。而随着光源功率的逐步提升，光源相对强度噪声已成为限制光纤陀螺测量精度的关键因素，微小型三轴一体化光纤陀螺相对上一代产品精度不降低，光源相对强度噪声抑制技术是关键技术之一。本项目采用单探测器强度相消技术，将参考光的强度控制到与信号光一致且参考光与信号光到达探测器处的时间始终相差一个，利用光纤陀螺闭环原理—相邻的光信号相减，从而实现相对强度噪声相消。相对强度噪声相消原理见图6。
[0073]
5、通用调制解调软件设计
[0074]
调制解调软件采用基于单并行d/a转换器的外合成式差分调制方案，对反馈信号、调制信号的位数、叠加方式等进行优化改进从而尽可能地抑抑制噪声源。基于单并行d/a转换器的外合成式差分调制方案的实现方式是将反馈阶梯波的复位由16位自动溢出(0～65535)设置为15位自动溢出(0～32767)，再与15位的偏置调制信号进行数字叠加，从而保证叠加后的结果不会超出16位二进制数据表示的最大范围，软件原理框图见图7。
[0075]
微小型三轴一体化光纤陀螺包含三轴调制解调微电路模块，但用户使用时需要通过单个串行通讯接口对外发送x、y、z三轴光纤陀螺仪数据，为使三个轴数据同步且软件通用，因此需要在调制解调软件中增加数据协调通信模块，完成三个轴陀螺数据的同步、组帧、发送等功能。考虑软件通用性后，调制解调软件接口原理示意图见图8所示，三轴调制解调微电路的硬件连接关系如图9所示。
[0076]
6、智能温控设计
[0077]
sld光源管芯通常被恒温控制在+25℃，而其内部采用温差电致冷方案，最大致冷温差不能大于67℃。测试数据显示：光源的稳定稳定工作温度范围可达
‑
45℃至+65℃，当环境温度到达70℃时，可能会有两种情况发生：
①
致冷能力足够，温控电流大幅增加，整机功耗增加；
②
致冷能力不足，温控系统失控，无法实现恒温控制。为降低光源驱动微系统全温范围内的功率消耗不大于2w，并保证在
‑
45℃至+70℃范围内稳定可靠工作，必须解决光源的宽温度范围工作问题。如图10所示，本设计根据sld光源特点，采用sld光源智能温控系
统，根据环境初始温度将光源恒温点设置为20℃(环境温度为
‑
45℃至+60℃时，现有技术)和35℃可调(环境温度大于+60℃时)两个点，以保证光纤陀螺在全温范围内均能可靠工作，缩小温控温差，降整机功耗。
[0078]
综上所述，本实用新型设计全80um细径光纤光路，达到了最好的匹配特性，使光纤陀螺使用较短的光纤环(190m～210m)，实现小型化的同时能满足产品精度；设计通用调制解调微电路，实现了主、从电路板的一致化，缩减了产品内部电路板种类；设计通用fpga软件，将传统方案的接口电路用spi通信实现，为光纤陀螺小型化创造条件；光源采用智能温控设计，拓宽了光纤陀螺的工作温度范围，可适应更为严苛的工作环境。
[0079]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。