[发明专利]一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法

说明书

本发明涉及一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，属于光纤陀螺仪技术领域。本发明给出了测斜用光纤陀螺仪光纤环的一种优化设计方法。利用结构约束和精度约束，建立光纤环参数的约束方程组，以成本设计为目标建立了优化目标函数，通过求解约束方程组和优化目标函数，可以获得光纤环的设计参数。本发明的方法实现简单，能够有效解决测斜用光纤陀螺仪光纤环在小孔径约束下的设计问题。

技术领域

本发明涉及光纤陀螺仪技术领域，具体涉及一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法。

背景技术

陀螺测斜仪主要用于测量井眼的姿态，包括井斜角、方位角和工具面角，进而得到油井的井眼轨迹。随着我国陆上油田进入开发中后期，小井眼钻井及老井侧钻等技术应用越来越广泛。小井眼测量需要小尺寸的传感器，目前测斜用的光纤陀螺仪最小口径已经≤32mm。随着应用需求向更高要求发展，尺寸进一步缩小将面临更大的工程技术难题的挑战。

Sagnac效应ΔΦ计算公式如上式所示，为环平面的输入角速率矢量，为光纤环所围的面积矢量，λ₀为光波在真空中的波长，c为光波在真空中的速度。因此，光纤陀螺仪的精度与其敏感单元光纤环所围的等效面积相关，为了增强Sagnac效应，光纤环通常采用多圈绕制的结构。因此单个光纤环敏感的Sagnac效应该是公式再乘以圈数N。对于圆形环，其Sagnac效应计算公式可以写成

其中，L代表光纤长度，D代表光纤环直径。在同样长度的光纤情况下，光纤环的直径越大，能敏感到的Sagnac相移越大。同理，如果光纤环的直径变小，其他条件不变，要保证所需的灵敏度，就必须增加光纤的长度。随着测斜用的陀螺仪的口径变小，光纤环设计考虑的约束越严苛，光纤陀螺仪能达到的精度将受到显著限制。这时就要充分考虑所有设计约束，采用合理的设计方案使光纤陀螺仪的精度达到最优。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在满足光纤环结构约束、光纤陀螺仪精度约束，且降低成本的条件下设计出用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测斜的小口径光纤陀螺仪光纤环的设计方法，包括以下步骤：

S1、用m个相同外形的光纤环串联成一个光纤环代替单环的结构，在光纤环绕制完成后，将光纤和骨架分离，将无骨架的光纤环固定在光纤陀螺仪本体上，然后装入套筒中，并根据根据测斜用光纤陀螺仪的外形尺寸约束建立结构约束方程；

S2、实验测定或者根据经验确定与光纤陀螺仪光功率，调制相位和电路参数有关的系数k_f，并计算光纤环整体围成的等效面积S，并根据光纤陀螺仪精度要求，建立精度约束方程；

S3、以光纤环用的光纤的总长度L_total作为优化目标建立优化目标函数；

S4、求解所述结构约束方程、精度约束方程和优化目标函数，得到光纤环的设计参数。

优选地，步骤S1中，建立如下10个结构约束方程：

a_e＝a₀+2·n·d_f

b_e＝b₀+2·n·d_f

n＝4,8,12,…