[發明專利]一種高精度光纖陀螺用光纖環圈設計方法

有效

• 申請號: 202010987474.5
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112129280B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 王玥澤;劉伯晗;陳桂紅;李朝卿;李凡;李茂春;于杰;唐若祥
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七0七研究所
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 劉英梅

1.一種高精度光纖陀螺用光纖環圈設計方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、確認光纖環圈設計過程中的限制條件：

包括：光纖陀螺的最小靜態精度要求和光纖環圈的最大尺寸限制，其中光纖環圈的最大尺寸限制包含：環圈外徑尺寸限制D_外、環圈高度尺寸限制H、環圈內徑尺寸限制D_內；

步驟2：光纖環圈具體設計過程：

步驟2.1光纖環圈所用光纖的最小長度設計；

光纖環圈的光纖長度L、等效直徑 D影響光纖陀螺的測量靈敏度和陀螺的外形尺寸；在滿足陀螺外形尺寸要求及最小靜態精度要求的前提下，環圈長度L與有效直徑D的乘積應滿足下式(1)

其中：

I——調制后探測器接收的光功率，單位：uW；

φ_b——陀螺調制深度；

L——光纖環圈長度，m；

D——光纖環圈等效直徑，m；

λ₀——光波平均波長，m；

c——真空中的光速，m/s；

η_D——探測器的量子效率；

h——普朗克常數；

τ_c——光源的相干時間；

△f——噪聲測量的帶寬，Hz；

Ω_min——陀螺最小需滿足的精度，°/h；

從表示式(1)中可以得到滿足最小靜態精度時，光纖環圈LD乘積的存在最小值；設光纖環圈的設計內徑為D₁，設計外徑為D_k，K為光纖環圈的繞制層數；采用四極對稱繞制時，K為4的整數倍；采用八極對稱繞制時，K為8的整數倍，采用十六極繞制時，K為16的整數倍，其中D＝(D₁+D_k)/2；當極限情況時，D＝D_k＝D_外，因此光纖環圈采用的光纖長度需滿足表達式(2)

步驟2.2環圈繞制層數與每層繞制光纖的匝數及環圈內徑、外徑與高度的設計：

設n為光纖每層繞制的匝數，φ為光纖的直徑，則光纖環圈的繞制高度等于h＝n×φ；根據步驟1的設計限制條件，需滿足D_k≤D_外，D₁≥D_內，h≤H；

基于光纖環圈繞制均在采用正交式繞制工藝，D₁用式(3)表示：

設D_i為光纖環圈中每層光纖的對應的光纖環圈等效直徑，則用下式進行表示：

式中i為從1到k的正整數；

由式(4)可得光纖環圈繞制用光纖長度須滿足下式：

根據光纖環圈瞬態溫度誤差模型的仿真結果，可知，在LD乘積不變的情況下，當環圈每層繞制匝數n與光纖環圈繞制層數k的比值近似為1時，該環圈有較好的抗溫度誤差能力，此處得到下式:

k＝n (6)

其中k采用四極對稱繞法，為4的整數倍；采用八極對稱繞法，為8的整數倍；采用十六對稱繞法，為16的整數倍；

并采用Matlab軟件聯立式(3)、(4)、(5)、(6)，將K的不同取值，從小到大代入，當全部滿足(3)、(4)、(5)、(6)要求時，可得出對應的環圈內徑、繞制層數、每層繞制匝數的設計值。