刘元元，冯文帅，李 青，高 天，王利超

(北京航天时代光电科技有限公司，北京 100094)

0 引言

在多数导航或姿态控制系统中，测量载体绕三个正交轴的角运动需要三个角速度传感器。简单的实现方案可采用三个单轴光纤陀螺进行组合[1]，但组合后其体积、功耗和成本通常难以达到系统的要求。三轴一体光纤陀螺因其小型化、低功耗、低成本等优点[2]，同时具备敏感三个正交方向的角运动能力，广泛应用于导弹制导、车载导航、无人机等领域。

三轴一体光纤陀螺的实现方案有很多，如共用光源、时分复用、共用电路等[3-5]，都是从减小体积、降低功耗、节约成本等方面考虑。根据项目的研制要求，采用光源共用而Y波导、光纤环、探测器、电路独立使用的方案。光源设计及评价[6-8]代表了三轴一体陀螺总的输入光功率，光学器件及其熔接损耗决定了后端光路的功率损耗水平[9]。光纤环作为光纤陀螺的核心敏感元器件，其评价方法见参考文献[10]。与单轴光纤陀螺相比，三轴一体光纤陀螺需要严格控制光源光功率、耦合器分光、每轴光路的参数，避免差异太大导致某轴探测器电压无法达到规定值，而致调试失败。因此，需要对三轴一体光纤陀螺进行光路参数一致性研究。本文根据光源光功率与注入电流的关系以及现有的光学器件、熔接点等水平，建立了光路损耗不等式约束条件，给出了产品调试成功与否的区域。该控制方法可提高其装配一致性，降低探测器电压离散度，确保产品后续调测成功的合格率。过程中，引入了全光路检测设备进行光路参数检测，可提早发现并解决光路损耗异常的部件。最后，利用此过程控制方法，三轴一体光纤陀螺的调试合格率由75%提高到98%，常温下零偏稳定性优于0.005(°)／h(100s，1σ)，满足任务要求。该控制方法可扩展应用在同类产品的过程装配中。

1 三轴一体光纤陀螺总体方案

三轴一体光纤陀螺的三个光纤线圈采用同一个光源，其原理框图如图1所示。光源发出的光被1×3光纤耦合器分成三部分，分别进入三个环形干涉仪。干涉仪由耦合器、Y波导集成光学器件、光纤线圈和光电探测器组成。光通过耦合器后经Y波导集成光学器件分为相向传输的两束光进入光纤线圈，返回到Y波导后，光纤线圈法向的旋转使两束光之间产生Sagnac相位差φs， 其干涉信号经过耦合器后由光电探测器检测，光电探测器的输出电流为

式(1)中，P为探测器接收到的光功率，Rf为探测器的响应度。

图1 三轴一体光纤陀螺组件方案图Fig.1 Schematic diagram of three-axis integrated FOG

2 三轴光路参数

2.1 过程检测点

根据现有光学器件、熔接损耗水平，计算1km光纤环的光路总损耗，其最大值为18.5dB。对各光学器件及熔接点的损耗进行占比分析，结果如图2所示。可以看出，Y波导损耗占比最大为54%，加入光纤环后占比为59%。因此，在光纤环连接Y波导后，需要对保偏光路进行损耗检测。

图2 各光学器件及其熔接点的损耗占比Fig.2 Loss ratio of each opticaldevice and its fusion point

由于保偏光路对外只有一个熔接点，故只能通过特定的设备进行测试。为此，研发了一种全光路检测设备如图3所示，内含光源、光源驱动电路、耦合器、探测器、探测器接收电路。连接Y波导单端后，光路连接构成回路，探测器接收到光功率并转换为电压，电压值显示在相应的数字屏上。如果保偏光路损耗异常，转换到的电压值也会异常，需要进行排查才能进行后续连接，避免了带隐患装配，该过程可以对光纤环、Y波导进行筛选。

图3 全光路检测设备实物图及原理图Fig.3 Physicaldiagram and schematic diagram of allopticalpath detection equipment

假设保偏光路检测点为必检点1，保偏光路检测无误后进行耦合器装配。在连接探测器前，需要对耦合器端进行光功率检测，为必检点2。如图4所示，该过程可以对光源、耦合器、熔接点进行筛选。

图4 每轴光路引入的必检点1、必检点2Fig.4 Diagram of the required inspection points 1 and 2 of each opticalpath

对三轴一体光纤陀螺的必检点进行光功率检测，结果如表1所示。可以看出，在光源注入电流为100mA的情况下，到达必检点2的光功率为85μW左右，仅为每路输入光功率的2%。

表1 光路中必检点1、必检点2的测试结果Table 1 Test results of the required inspection points 1 and 2 in each optical path

2.2 过程约束条件

测试铒源编号为E04-20007、E04-20008，不同注入电流下的输出光功率如图5所示。以E04-20007为例，光源输出光功率与注入电流的关系如下

式(2)中，x为光源的注入电流，y为光源输出的光功率。

图5 铒源的光功率与注入电流之间的关系Fig.5 Relationship between light power and injection current of Erbium source

光源输出的光功率增量与注入电流增量的关系为

式(3)中，Δx为光源的注入电流增量，Δy为光源输出的光功率增量。由式(3)可知，注入电流以100mA为基准点，注入电流每增加10mA，光源光功率增加1.89mW，探测器处光功率增加12.60μW，而电压增加4.8mV。

结合现有光学器件、熔接点损耗等技术水平，建立的光路损耗不等式约束条件如下

式(4)中，x为注入电流，y为铒源光功率，s1、s2、s3为1×3光纤耦合器输出端的分光比，P1、P2、P3为1×3光纤耦合器输出端的光功率，gs1、gs2、gs3为3轴光路的损耗，RD为探测器的跨阻，Rf为探测器的响应度，Φs为光路调制深度，v1、v2、v3为3轴光路的探测器电压。

由式(4)可知，小光功率光源对后端光路参数的要求较严格，而大光功率光源可承受后端光路参数一定范围的波动。如编号E04-20007的铒源，加调制后探测器电压为50mV，注入电流为145mA；编号E04-20008的铒源，加调制后探测器电压为50mV，注入电流为130mA。因此，对于小光功率光源，需要严格检测后端光路中各光学器件的损耗，防止损耗过大，注入电流超差。针对该三轴陀螺，调试结果如表2所示，规定注入电流不高于150mA，探测器电压不低于50mV，则认为陀螺调试成功，其他情况认为陀螺调试失败。

表2 三轴一体陀螺调试结果Table 2 Debugging results of three-axis integrated FOG

利用式(4)可得到两铒源装配陀螺后调试成功的区域，如图6所示。由于光学器件光损耗的波动范围，每轴光路需要的光功率存在波动。当光源提供的输入光功率值大于需要的光功率时，陀螺可以调试成功；若光源提供的输入光功率值小于需要的光功率时，陀螺不能调试成功。由于1×3光纤耦合器本身存在分光不均的情况，所以光源提供的输入光功率存在最大值和最小值。由图6可知，由于编号E04-20007的铒源光功率小，存在不能调试成功和可能调试成功的区域，设计、操作等人员必须严格控制后端光路的损耗，避开这两个区域。相反，E04-20008的铒源光功率大，只有调试成功和可能调试成功的区域，且大部分区域为调试成功的区域。

图6 陀螺调试成功区域图Fig.6 Diagram of FOG debugging success zone

3 实验结果与分析

对已经装配的14套三轴一体光纤陀螺进行状态梳理，其中4套未施加任何控制方法，探测器电压的离散情况如图7(a)所示；另外10套施加上述过程控制方法，探测器电压的离散情况如图7(b)所示。统计探测器电压的最大值、最小值、平均值、标准差，如表3所示。可以看出，未加控制手段的陀螺其探测器电压离散度(标准差)为11.00，最大值为82mV，最小值为48mV。第3号陀螺的Y轴探测器电压低于50mV，此时注入电流为150mA，不满足指标要求，因此认为调试不成功。所以，三轴一体陀螺装配后的调试成功率为75%。加控制手段后的陀螺其探测器电压离散度(标准差)为4.00，最大值为69mV，最小值为51mV，调试成功率基本为100%，但仍存在不确定性因素，如测试误差，因此调试成功率为98%。

图7 三轴一体光纤陀螺探测器电压测试值Fig.7 Detector voltage test values of three-axis integrated FOG

表3 三轴一体光纤陀螺探测器电压统计数据Table 3 Statisticaldata about detector voltage of three-axis integrated FOG

在10套产品中，随机选取2套产品，一个是E04-20007小功率铒源，一个是E04-20008大功率铒源，装配过程的测试结果如表4所示。由于必检点1的测试结果最终反映在必检点2的测试结果上，因此必检点1的数据未列入表4中。由表4可知，小功率铒源装配后注入电流离规定值的余量较小，若光路装配过程控制不严格，很可能造成注入电流超差，影响铒源的可靠性及寿命。因此，提前测试铒源光功率对陀螺装配过程很重要，尤其是小功率铒源。

表4 三轴一体光纤陀螺过程测试结果Table 4 Proceduraltest results of three-axis integrated FOG

对上述2套产品进行常温及全温零偏稳定性测试，结果如表5所示。由表5可知，常温零偏稳定性均优于0.005(°)／h(100s，1σ)，补偿后全温零偏稳定性均优于0.01(°)／h(100s，1σ)，满足常温及全温零偏稳定性指标要求。

表5 三轴一体光纤陀螺测试结果Table 5 Test results of three-axis integrated FOG

图8 三轴一体光纤陀螺常温测试曲线Fig.8 Test curves of three-axis integrated FOG at room temperature

图9 三轴一体光纤陀螺全温测试曲线Fig.9 Test curves of three-axis integrated FOG at fulltemperature

常温测试时间为3h，陀螺及温度传感器的输出频率为1Hz。对陀螺零偏数据进行百秒平滑，常温测试曲线如图8所示。由图8可知，温度随测试时间逐渐上升并趋于稳定值，陀螺零偏随测试时间漂移并趋于稳定值。扣掉前期漂移部分，陀螺零偏稳定性均优于0.004(°)／h(100s，1σ)。全温测试曲线如图9所示，温度范围为-40℃～+60℃，温度变化率为1℃／min，高低温保持时间为2h，补偿后全温零偏稳定性最优为0.0045(°)／h。

4 结论

本文对三轴一体光纤陀螺装配一致性进行了研究，为保证组合调试成功的合格率，引入了两个过程必检点，对必检点进行损耗估计，提前排除了损耗异常的元器件。其次，对光源进行了多注入电流点测试，得到了光功率与注入电流的关系。最后，建立了光路参数约束不等式方程组，并根据约束条件得到了陀螺调试成功与否的区域。若存在非调试成功的区域，需要操作人员严格控制后端光路的损耗，避免落入此区域。通过上述过程控制方法，三轴一体光纤陀螺调试的成功率由原来的75%提高到98%，三轴光纤陀螺的常温零偏稳定性均优于0.005(°)／h(100s，1σ)。该方法对同类产品的装配具有重要的参考价值。