CN101101213B - 一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法。光纤陀螺通过测量赛格奈克相位得到所在系统的转速，数字闭环反馈技术将测量赛格奈克相位转变为测量集成电光相位调制器调制电压引入的反馈相位，而由于电光集成调制器电光调制系数非线性的存在，导致了实用数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度；本发明中用数字万用表预先测试得到补偿函数，通过软件补偿或硬件补偿的方法实现补偿函数，补偿电光集成相位调制器电光调制系数非线性，消除其造成的标度因数非线性度，从而改善数字闭环光纤陀螺的标度因数非线性度，提高数字闭环光纤陀螺输出数据的准确度。

Description

一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感的领域，特别是涉及一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。

光纤陀螺输出的数字信号的大小和输入角速度的比例系数称为光纤陀螺的标度因数，简称为标度因数。理想情况下标度因数为常数，但由于光纤陀螺光源波长变化、结构变化以及信号处理方案的不同，该比例系数不是常数，用标度因数非线性度所描述这个比例系数偏离常数的程度。

很多应用场合中测量参数为旋转角，需要通过对光纤陀螺输出的角速度信息进行积分以获得旋转角，从而要求光纤陀螺在相当宽的范围内都具有很高的精度，因为任何过去的误差都会削弱未来的信息。而且越高精度的应用系统对标度因数非线性度的要求越高，惯性级的应用中要求1ppm～10ppm(ppm：percentper million，百万分之一)的标度因数非线性度。

最早的光纤陀螺采用开环信号处理系统，直接通过探测器探测到的光强信号进行反余弦变换得到相位的信息，但光源光强漂移和电路漂移限制了开环光纤陀螺的标度因数非线性度在1％～0.1％的级别，该形式陀螺只能用于速率级应用中。采用数字闭环信号处理方案的光纤陀螺，采用集成电光相位调制器对系统进行闭环反馈，系统动态偏置在±π/2相位上，此时反馈相位和转动引起的赛格奈克相位大小相同符号相反，通过检测反馈相位得到赛格奈克相位。由于集成电光相位调制器线性度好，且不受系统光源光强影响，从而数字闭环光纤陀螺具有更好的标度因数非线性度参数，其量级在10ppm～100ppm间，能够满足战术级的应用(100ppm～1000ppm)。

集成电光相位调制器工作原理为电光效应：在集成电光相位调制器的调制臂上加载电压信号，在光路上则产生一个和所加电压成正比的调制相位差，该比例系数称为电光调制系数。实用的数字闭环光纤陀螺系统中，调制信号由数字调制信号通过数字模拟转换电路转换得到，通过控制输出到数模转换芯片的数字调制信号，获得相应的反馈相位。集成电光相位调制器生产的实际工艺造成的电光调制系数具有一定非线性，从而数字调制信号和反馈相位并不是严格的线性关系，而是存在一定的偏差，这个偏差存在限制了闭环光纤陀螺标度因数的非线性度指标，使得数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度在10ppm～100ppm的量级，无法进一步改善，并限制了其在惯性级场合中的应用。在未来的高精度光纤陀螺研究中，需要改善标度因数非线性度，将该指标降低到10ppm以下，以满足惯性级应用的需求。

发明内容

针对目前数字闭环光纤陀螺研究中，集成电光相位调制器的相位调制系数非线性限制其标度因数非线性度在10ppm～100ppm量级，无法满足惯性级要求现状，本发明的目的在于提供一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，消除数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度，提高数字光纤陀螺的参数指标。

发明原理：

根据赛格奈克光纤干涉仪，数字闭环光纤陀螺探测器输出信号表示为：

I＝I₀[1+cos(φ_m+φ_Ω+φ_FB)]                    (1)

其中I₀为光强信号，φ_m为调制深度，φ_Ω为转动对应的赛格奈克相移，φ_FB为反馈相位。为了增加灵敏度，一般对系统进行动态偏置，也即令φ_m＝π/2，从而(1)表示为：

I＝I₀[1+sin(φ_Ω+φ_FB)]                         (2)

赛格奈克相移φ_Ω和转速Ω成严格正比：

φ_Ω＝K_osfΩ                                    (3)

比例系数K_osf为光学标度因数，由光源波长、光纤环直径和光纤长度决定；φ_FB为反馈相位，在闭环工作情况下和φ_Ω等值反号，即：

φ_Ω＝-φ_FB                                     (4)

从而将转速产生的赛格奈克相位转换为反馈相位的测量：

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{FB}}}{K_{\mathrm{osf}}}---\left(5\right)$

数字闭环光纤陀螺通过方波调制实现动态偏置φ_m和反馈相位调制φ_FB，模拟调制信号可以表示为：

Φ(t)=k_oe*DAC_SQR(t)*k_DA    (6)

其中k_oe。为集成电光相位调制器电光调制系数，DAC_SQR(f)为数字调制信号，k_DA为数字模拟转换电路的比例系数，数字模拟转换电路将数字调制信号变为模拟调制信号，系统为时延差分调制，从而光纤陀螺受到差分调制相位为：

φ_τ=Φ(t)-Φ(t-τ)=k_oe*DAC_SOR(t)*k_DA-k_oe*DAC_SQR(t-τ)*k_DA   (7)

其中φ_τ为调制相位，DAC_SOR(t)为数字调制信号，τ为光纤陀螺的渡越时间，k_oe为电光相位调制系数，表示为

k_oe=k_oe{1-f[Φ(t)])    (8)

式中k_oe0表示在调制电压为0时候的电光调制系数，而f[(Φ(t)]表示电光调制系数非线性项，对于理想集成电光相位调制器f[Φ(t)]=0，电光调制系数k_oe=k_oe0。为常数，不影响标度因数非线性度；实用的集成电光相位调制器，由于制作工艺造成f[Φ(t)]≠0，从而电光调制系数k_oe不是常数，而是和加载在电光调制器调制电极上的调制信号相关的函数，并随着调制信号Φ(t)的增加而减小。f[Φ(t)】≠0是限制数字闭环光纤陀螺系统中标度因数非线性度的原因。

从而实际相位调制器的差分调制相位(7)改写为：

φ_τ=k_oe0{1-fΦ(t)])DAC_SQR(t)*k_DA-k_oe0{1-f[(Φ(t-τ)]}DAC_SQR(t-τ)*k_DA  (9)

利用预先补偿，通过调整实际模拟调制信号的方法，补偿电光调制系数非线性导致的标度因数非线性度。虽然．f[(Φ(t)]≠0，但是对于一个特定的集成电光相位调制器，f[Φ(t)]为一个固定的函数，使用数字万用表预先测试得到f[(Φ(f)]，然后用软件或者硬件的方法补偿。

通过对输出调制信号乘以一个补偿函数值加以补偿，以消除电光相位系数非线性造成的实际调制相位的变化，以保持正确的调制相位。补偿函数值可以用式子表达如下

cf((Φ(t))=1/{1-f(Φ(t)])    (10)

将(10)式代入(6)式，得到校正后调制相位为：

Φ(t)=k_oe*DAC_SQR(t)*k_DA    (11)

从而校正后的的差分调制相位为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\τ}}^{\′}=k_{\mathrm{oe}0}{\mathrm{DAC}}_{\mathrm{SQR}}\left(t\right)*k_{\mathrm{DA}}-k_{\mathrm{oe}0}{\mathrm{DAC}}_{\mathrm{SQR}}(t-\mathrm{\τ})*k_{\mathrm{DA}}---\left(15\right)$

校正后的调制相位

和调制信号为线性关系，从而补偿了电光调制系数k_oe非线性造成的标度因数非线性度。

在实际使用中，补偿函数以表格的形式存在中央处理器内部，由中央处理器在发送数字调制信号的同时，通过软件改变数字调制信号的数值或硬件改变数字模拟转换电路的比例系数实现。

本发明采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1、一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，中央处理器接收采样通道采样得到信号，进行解调后产生转速信号累加到反馈累加器；反馈累加器数值与数字调制波发生器产生的数字调制波的数值通过加法器累加和产生一个数字调制信号，该数字调制信号发送到数字模拟转换电路，转换为模拟调制信号，加载到集成电光相位调制器，实现对数字闭环光纤陀螺光信号的相位调制。加法器累加和产生一个数字调制信号经乘法器后再发送到数字模拟转换电路，中央处理器在将转速信号累加到反馈累加器的同时，发送出一个补偿函数值，通过寄存器输入到乘法器的另外一端，实现补偿功能。

所述的补偿函数值是通过数字万用表预先测试得到，并制作成表格存于中央处理器内部。所述的补偿方法是软件的补偿方法。

2、一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，中央处理器接收采样通道采样得到信号，进行解调后产生转速信号累加到反馈累加器；反馈累加器数值与数字调制波发生器产生的数字调制波的数值通过加法器累加和产生一个数字调制信号，该数字调制信号发送到数字模拟转换电路，转换为模拟调制信号，加载到集成电光相位调制器，实现对数字闭环光纤陀螺光信号的相位调制。中央处理器在将转速信号累加到反馈累加器的同时，发送出一个补偿函数值，通过寄存器输入到数字模拟转换电路，改变数字模拟转化电路的比例系数，以实现补偿功能。

所述的补偿函数值是通过数字万用表预先测试得到，并制作成表格存于中央处理器内部。所述的补偿方法是硬件的补偿方法。

本发明具有的有益效果是：利用补偿函数对系统进行的补偿，经补偿后的数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度从原来的几十个百万分之一降低到十个百万分之一以下，提高数字闭环光纤陀螺输出数据的准确度。

附图说明

图1是不进行补偿的光纤陀螺调制通道的框图。

图2是不进行补偿光纤陀螺的标度因数非线性度典型的分布图。

图3是本发明通过数字调制信号补偿的光纤陀螺调制通道框图。

图4是本发明通过数字模拟转换电路比例系数补偿的光纤陀螺调制通道框图。

图5本发明采用补偿技术光纤陀螺标度因数非线性度的典型分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是不进行补偿的光纤陀螺调制通道的框图：中央处理器11接受到来自采样通道10的采样信号，通过解调以后得到转速信号，并累加到反馈累加器13里面，数字调制波发生器12产生数字调制波，并和反馈累加器13的数字反馈信号通过加法器16求和，得到数字调制信号后送到数字模拟转换电路14，数字模拟转换电路14将数字调制信号转变为模拟调制信号，并加载到集成电光相位调制器15上，实现对系统的光相位调制。

图2是不进行补偿光纤陀螺的标度因数非线性度典型的分布图：图中横坐标为输入的角速度，纵坐标为测试得到的光纤陀螺的标度因数非线性度，在整个测试范围内，标度因数非线性度的最大值在正负一百个百万分之一的量级上。

图3是本发明通过数字调制信号补偿的光纤陀螺调制通道框图：中央处理器11接受到来自采样通道10的采样信号，通过解调以后得到转速信号，并累加到反馈累加器13里面，同时根据转速信号的大小查表得到相应的补偿函数值存放于寄存器18中；数字调制波发生器12产生数字调制波，并和反馈累加器13的数字反馈信号通过加法器16求和，得到数字调制信号，数字调制信号通过乘法器17和寄存器18中的补偿函数值相乘得到补偿后的数字调制信号，并发送到数字模拟转换电路14，由数字模拟转换电路14将数字调制信号转变为模拟调制信号，并加载到集成电光相位调制器15上，实现对系统的光相位调制。乘法器是利用软件方法实现的。

图4是本发明通过数字模拟转换电路比例系数补偿的光纤陀螺调制通道框图：中央处理器11接受到来自采样通道10的采样信号，通过解调以后得到转速信号，并累加到反馈累加器13里面，数字调制波发生器12产生数字调制波，并和反馈累加器13的数字反馈信号通过加法器16求和，得到数字调制信号，并发送到数字模拟转换电路14；中央处理器11在得到转速的同时，根据转速信号的大小查表得到相应的补偿函数值存于18，并发送到数字模拟转换电路，改变数字模拟转换电路参考电平，改变数字模拟转换电路的比例系数，从而在数字模拟转换电路14将数字调制信号转变为模拟调制信号的同时实现调制信号的补偿，模拟调制信号加载到集成电光相位调制器15上，实现对系统的光相位调制。其中改变数字模拟转换电路的比例系数是通过硬件改变转换电路的放大系数来实现的。

图5是本发明采用补偿技术光纤陀螺标度因数非线性度的典型分布图：图中横坐标为输入的角速度，纵坐标为测试得到的光纤陀螺的标度因数非线性度，利用数字万用表预先测试得到补偿函数值。先通过给数字模拟转换电路给相位调制加上一个调制信号，用数字万用表测试此时光纤陀螺输出的电平，该电平的倒数就是对应于该调制信号的补偿函数值，修改调制信号的大小，重复这个过程就可以得到一系列调制信号对应的补偿函数值，将这些值制作为表格存放于中央处理器11中，实用的时候根据相应的调制信号的大小查表即可得到对应的补偿函数值。

对系统按照补偿函数进行补偿后，在整个测试范围内，标度因数非线性度被抑制在十个百万分之一以内。

Claims (2)

1.一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，中央处理器(11)接收采样通道(10)采样得到信号，进行解调后产生转速信号累加到反馈累加器(13)；反馈累加器(13)数值与数字调制波发生器(12)产生的数字调制波的数值通过加法器(16)累加求和，产生一个数字调制信号，该数字调制信号发送到数字模拟转换电路(14)，转换为模拟调制信号，加载到集成电光相位调制器(15)，实现对数字闭环光纤陀螺光信号的相位调制；其特征在于：加法器(16)累加和产生一个数字调制信号经乘法器(18)后再发送到数字模拟转换电路(14)，中央处理器(11)在将转速信号累加到反馈累加器(13)的同时，发送出一个补偿函数值，通过寄存器(18)输入到乘法器的另外一端，实现补偿功能；

所述的补偿函数值是通过数字万用表预先测试得到，具体过程是先通过给数字模拟转换电路给电光相位调制器加上一个调制信号，用数字万用表测试此时光纤陀螺输出的电平，该电平的倒数就是对应于该调制信号的补偿函数值；修改调制信号的大小，重复这个过程就可以得到一系列调制信号对应的补偿函数值，并制作成表格存于中央处理器(11)内部。

2.一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，中央处理器(11接收采样通道(10)采样得到信号，进行解调后产生转速信号累加到反馈累加器(13)；反馈累加器(13)数值与数字调制波发生器(12)产生的数字调制波的数值通过加法器(16)累加求和，产生一个数字调制信号，该数字调制信号发送到数字模拟转换电路(14)，转换为模拟调制信号，加载到集成电光相位调制器(15)，实现对数字闭环光纤陀螺光信号的相位调制；其特征在于：中央处理器(11)在将转速信号累加到反馈累加器(13)的同时，发送出一个补偿函数值，通过寄存器(18)输入到数字模拟转换电路(14)，改变数字模拟转化电路(14)的比例系数，以实现补偿功能；

所述的补偿函数值是通过数字万用表预先测试得到，具体过程是先通过给数字模拟转换电路给电光相位调制器加上一个调制信号，用数字万用表测试此时光纤陀螺输出的电平，该电平的倒数就是对应于该调制信号的补偿函数值；修改调制信号的大小，重复这个过程就可以得到一系列调制信号对应的补偿函数值，并制作成表格存于中央处理器(11)内部。

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