CN101216316A - 降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法。去除光纤陀螺光源的制冷电路，预先按照选取的一系列温度点，通过温箱控制陀螺光源的温度，用光谱仪测量光源输出光的平均波长，得到平均波长和温度点对应的表格，并将其置于校正环节中查表模块的存储器中；增加一个平均波长校正环节，利用温度计实时采集温度信号，根据温度信号查表得到相应温度下的平均波长值，由该值对光纤陀螺原始输出数据进行平均波长校正，将校正后的数据作为光纤陀螺的新输出，新输出数据的标度因数和平均波长无关，从而实现在光源不制冷情况下降低光纤陀螺标度因数的温度灵敏度，既简化了系统、降低了功耗和发热量，又改善了其内部热环境和提高了可靠性。

Description

降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺传感器中信号处理的方法，尤其是涉及一种降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于光学赛格奈克效应的角速度传感器，通过检测光纤干涉仪沿两个互易光路传播的光束之间的赛格奈克光相位差，以获得光纤陀螺所在平台的角速度信息。由于光纤陀螺为全固态传感器，能快速启动及带宽大等原因，作为一种全新角速度传感器受到广泛应用。最典型的应用是在航天航空应用系统中，作为导航计算及姿态控制中的角速度信息传感器。光纤陀螺的输出数据和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，根据光纤陀螺的输出数据和标度因数即可知道运动体的角速度。角速度Ω和光纤陀螺输出的数据φ_FB之间的关系可表示为：

$\mathrm{\Ω}=-\frac{\mathrm{\λC}}{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{FB}}=K*{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{FB}}---\left(1\right)$

其中 $K=-\frac{\mathrm{\λC}}{2\mathrm{\πLD}}$ 为光纤陀螺的标度因数，λ为所用半导体光源的平均波长，C为真空中的光速：L和D为光纤陀螺光纤环的长度和直径。光纤陀螺标度因数是温度的函数，常用标度因数温度灵敏度参数来表征该函数关系，理想状态下该参数为零，即标度因数和温度无关，但实际无法达到，只能将标度因数的温度灵敏度抑制在一定的数值之内。

光纤陀螺所用的光源为半导体光源，其平均波长随温度变化而变化，平均波长随温度的典型变化率为400ppm/摄氏度(ppm：百万分之一)，平均波长的变化将直接传递为标度因数的变化，若不加任何改善措施标度因数也有400ppm/摄氏度的变化。为了保证光纤陀螺标度因数的温度性能，降低其温度灵敏度，现有方法是采用制冷电路对光源进行制冷，使其温度恒定。若要求标度因数温度在温变条件下变化小于100ppm，相应地要求光源平均波长变化小于100ppm，相当于需要用制冷电路将光源的温度控制在0.25度或±0.125度的范围内。但这种方案引入的制冷电路功耗大且使系统变复杂，虽然可满足降低标度因数温度灵敏度性能要求，但也引入一些其他问题。

第一个问题是需要消耗额外的功耗，航天航空应用系统所有功耗都由总功率有限的系统电源系统提供，其对各部分功耗要求严格，同样要求光纤陀螺功耗要低。而光纤陀螺功耗中很大的一个组成部分是所用光源制冷电路的功耗。典型光纤陀螺总功耗小于5瓦，而光源制冷功耗为2瓦左右，制冷电路占用系统的接近一半的功耗。

第二个问题是制冷电路的功耗最终转换为同样数量的热量散发在系统内部，从而恶化光纤陀螺内部的热环境，影响其温度性能。特别是在高温环境运行时，为了保持光源温度恒定，制冷器制冷并发热，而发出热量进一步恶化内部热环境并提升内部温度，而温度提升要求制冷电路制冷量更多，而制冷量更多意味着制冷系统会发出更多的热量，该过程为正反馈的过程，最终会导致整个系统温度过高，意味着系统的不稳定和可靠性降低。并且引入制冷电路需要额外增添不少器件，使系统复杂度增加，同样意味着可靠性的降低。

也即现有的通过对光源温控降低标度因数温度灵敏度的方法具有几个缺点：首先是功耗高，在功耗要求严格的场合如航天航空应用系统中不适合；其次是发热严重，影响光纤陀螺的温度性能；最后还增加了系统的复杂度，降低整体可靠性。若能在降低标度因数温度灵敏性的基础上省却制冷电路，则可有效降低光纤陀螺的功耗，改善其温度性能和提高系统的可靠性。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究中，现有通过光源制冷降低标度因数温度灵敏性的方法功耗大，发热严重且降低系统可靠性的现状，本发明的目的在于提供一种降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，省略光源制冷电路，通过平均波长校正的方法降低标度因数温度灵敏度，同时减小光纤陀螺的功耗和发热量，改善温度性能以及提高系统的靠性。

本发明的原理：

光纤陀螺光源的为半导体光源，其发光机理为受激辐射，其发出光的平均波长决定于有源层的折射率和禁带宽度；而有源层的折射率和禁带宽度都受温度的影响，在温度变化下有规律地变化，从而导致了光纤陀螺所用半导体光源的平均波长随温度的变化而有规律地变化。典型的光纤陀螺用半导体光源平均波长随温度的典型变化率为400ppm/摄氏度。

根据式子(1)可知标度因数K和光源的平均波长λ成正比，温度变化通过平均波长变化造成了光纤陀螺标度因数的变化，要消除平均波长对标度因数的影响，一种方法是通过制冷电路使光源温度稳定，但如前所述，温控方法存在很大的不足；另一种方法是用光源的平均波长对光纤陀螺的原始输出数据进行校正，使校正后输出数据的标度因数和平均波长无关，从而消除光源平均波长随温度漂移带来的标度因数温度灵敏度。

平均波长和温度是复杂的函数关系，该函数由有源层的禁带宽度和折射率的温度性能所决定，该函数关系也为确定的函数关系，从而可通过预先测试得到所用光源在不同温度点下的平均波长，制作成平均波长和温度对应的表格。通过引入一个校正环节，由温度计实时地进行温度检测，根据得到的温度值查找该表得到当前温度下光源的平均波长，用该值校正光纤陀螺输出数据，将校正后的数据作为光纤陀螺新的输出，即可消除平均波长变化对标度因数的影响。若光纤陀螺原始输出为φ_FB，校正后的输出为φ，检测到的温度为T，查表得到该温度对应的平均波长为λ(T)，则校正公式为：

φ＝λ(T)φ_FB      (2)

结合式(1)可知角速度Ω如下式，此处光源波长即查表得的平均波长λ(T)：

$\mathrm{\Ω}=-\frac{\mathrm{\λC}}{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{FB}}=-\frac{C}{2\mathrm{\πLD}}\mathrm{\λ}\left(T\right){\mathrm{\φ}}_{\mathrm{FB}}=-\frac{C}{2\mathrm{\πLD}}\mathrm{\φ}=K_{\mathrm{cal}}\mathrm{\φ}---\left(3\right)$

其中K_cal为校正后光纤陀螺输出数据φ和角速度Ω的之间的标度因数K_cal，满足： $K_{\mathrm{cal}}=-\frac{C}{2\mathrm{\πLD}}.$ 校正后的标度因数K_cal和光纤陀螺的平均波长无关，从而消除了平均波长的温度漂移，相应的消除了标度因数温度灵敏性。

实际系统中T为离散点，查表得的光源平均波长λ(T)是对实际平均波长λ采样近似，并不能完全消除标度因数温度灵敏性，只能将之抑制在一定的数值之下。例如对于-55～75的温度范围，按照0.1度的间隔测试平均波长，制作的表格长度为(75+55)/0.1+1＝1301字，用该表格进行光源平均波长校正，其标度因数随温度的变化小于±0.05度×400ppm/摄氏度＝±20ppm，等效于光源制冷方案中温度控制在小于±0.05度范围内的标度因数温度灵敏度。

平均波长对应于温度的表格可结合温箱和光谱仪测量得到，具体的可预先选取一系列温度点，如-55度～75度的温度范围内按照0.25度步长设定温箱温度，将光源放在温箱中，通过光谱仪测量在各个温度点下光源的平均波长，整个测量过程可由计算机控制自动进行。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，在光纤陀螺应用温度范围内按照选取的温度步长，测量光纤陀螺光源在一系列温度点下的平均波长，得到光源平均波长和温度对应的表格，并存于平均波长校正环节中查表模块的内部存储器中；由温度计实时采集温度信号，根据温度信号查表得到相应温度下的平均波长，对光纤陀螺的输出信号进行校正，不需对光源进行制冷即可降低标度因数温度灵敏度。

所述的温度步长：由所设计光纤陀螺标度因数温度灵敏度的目标值Kmax决定，按下式选择温度步长：温度步长＝Kmax/(400ppm/摄氏度)；对标度因数温度灵敏度小于100ppm的光纤陀螺，温度步长为0.25度。

所述的平均波长的测量方法如下：通过光纤陀螺光纤耦合器的死头光纤将光源光输入到光谱仪，由光谱仪对死头光纤出射光的光谱测量直接得到光源的平均波长。

所述的光源平均波长和温度对应的表格：是通过如下的步骤测试：首先将光源置于温箱中，按权利要求2中选定的温度步长在光纤陀螺应用的温度范围得到一系列温度点，由温箱逐次使光源温度稳定在每个温度点上，用权利要求3中所述的测试方法测量光源在对应温度点处的平均波长；所有选定温度点的测量结果组成平均波长和温度的对应表格；该表格被置于校正环节查表模块内部的存储单元中作为平均波长的查表表格。

所述的平均波长校正环节：由温度计、查表模块和乘法器组成，温度计采用数字温度计18B20，温度读取最高精度为1/16摄氏度；查表模块内存储器中存有平均波长和温度对应的表格，根据数字温度计的温度值查表得到当前温度对应的光源平均波长，由乘法器实现平均波长对光纤陀螺输出数据的校正。

所述的信号进行校正：是按下式进行：φ＝λ(T)φ_FB，其中φ_FB为光纤陀螺原始输出数据，φ为校正后的新输出，T为温度计的温度，λ(T)为查表得到的当前温度下光源的平均波长，校正后光纤陀螺输出的标度因数和温度无关。

本发明具有的有益效果是：消除了原有用温控光源方案降低标度因数温度灵敏度的不足，通过波长校正的方法降低了光纤陀螺标度因数的温度灵敏度，同时省略了原有复杂且功耗大的光源制冷电路，降低了系统的发热量，改善其内部的热环境，从而改善了光纤陀螺的温度性能以及提高整个系统的可靠性，具有很大的技术效益。

附图说明

图1是采用有制冷电路光源的光纤陀螺原理框图。

图2是采用光源非制冷方法的光纤陀螺原理框图。

图3是光纤陀螺数据校正环节的原理框图。

图4是光纤陀螺光源平均波长测试原理框图。

图中：1、光纤陀螺所用的光源模块，2、制冷电路，3、光源，4、光纤耦合器，5、相位调制器，6、光纤环，7、光电探测器，8、死头光纤，9、电路系统，10、通信模块，11、平均波长校正环节，12、乘法器，13、查表模块，14、温度计，15、温箱，16、光谱仪，17、计算机，18、光纤陀螺系统，19、平均波长测试系统

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

如图1所示是采用有制冷电路光源的光纤陀螺原理框图；其中1为光纤陀螺所用的光源模块，其由制冷电路2和光源3构成，制冷电路2通过温度控制使得光源的温度恒定，从而保证了其输出光平均波长的稳定；光源输出光后进入光纤耦合器4，光纤耦合器将光分为两个部分，一部分输出到相位调制器5，一部分输出到死头光纤8，输出到死头光纤8的光是光纤陀螺中不用的部分；相位调制器5接受到光纤耦合器5的光，受光纤陀螺的电路系统9发出的调制信号的相位调制后分为两束光分别输送到光纤环6的两端；进入光纤环6两端的光传播后重新会合到相位调制器5，并反向传输到光纤耦合器4，通过光纤耦合器4反向输出的一段输出到光电探测器7，光电探测器7将光信号转换为电信号后送到电路系统9，由电路系统实现调制解调计算后得到角速度信号，并发送给通信模块10提供给应用系统，电路系统9同时还发送相位调制信号到相位调制器5，对光进行相位调制以提高检测的灵敏度。

如图2所示是采用光源非制冷方法的光纤陀螺原理框图，其相比图1省略了光源3的制冷电路2，同时在电路系统9和通信模块10之间加入了平均波长校正环节11，在电路系统9完成解调计算得到角速度信号后，将角速度信号发送到平均波长校正环节11中，由校正环节11实现数据的校正，并将校正后的数据作为新的光纤陀螺输出数据发送到通信模块10，由其发送并提供给应用系统之中，从而使得新的输出陀螺输出数据和平均波长无关。

如图3所示是光纤陀螺数据校正环节的原理框图，其中虚线框图内即为平均波长校正环节11的结构构成，其包含乘法器12、温度计14以及查表模块13；电路系统9解调计算得到的角速度信号输入到平均波长校正环节11后被发送到乘法器12的一个输入端；系统的温度计14实时读取系统的温度，并将温度信息发送到查表模块13中，查表模块13根据温度值，在预先测试并存储的平均波长对应温度的表格中查找相应温度下的平均波长，并将查表得到的平均波长发送到乘法器12的另外一个输入端，由乘法器12将角速度信号和查表得到的平均波长进行乘积，实现角速度信号的校正，并将乘积作为新的陀螺输出发送到通信模块10，由其发送并提供给应用系统之中，从而使得新的输出陀螺输出和平均波长无关。

也即说光纤陀螺的数字输出信号的校正方法是按照下式进行校正：φ＝λ(T)φ_FB，其中φ_FB为原光纤陀螺输出为，φ为校正后的陀螺输出，T为当前的温度，λ(T)为查表得到的当前温度下光源的平均波长，经校正后的输出φ和角速度之间的标度因数和温度无关。实际中可采用数字温度计18B20，其温度最高精度为1/16摄氏度，最高可达到400ppm×1/16＝25ppm的平均波长精确度，同样的可将标度因数灵敏度抑制在小于25ppm之内。且该方法的光源不需要复杂且功耗大的制冷电路，在降低标度因数温度灵敏度的同时节省了功耗并改善了光纤陀螺的内部温度环境。

如图3所示是光纤陀螺光源平均波长测试原理框图；其中可以分为两个部分，包括光纤陀螺系统18部分和平均波长测试系统19部分；光纤陀螺18部分即为图2中采用光源非制冷方法的光纤陀螺，平均波长测试系统19含有温箱15、计算机17和光谱仪16。利用温箱15稳定光源3的温度，并在光源温度稳定时候由光谱仪16测量光源的平均波长。实际中可将光源3置于温箱中，将光纤耦合器4输出死头光纤接到光谱仪中进行平均波长的测量，整个测量过程由计算机17控制进行。计算机17按照预先选取的温度点序列，使温箱15逐渐稳定在各温度点，并让光谱仪16测量相应温度点下的平均波长，重复这个过程即可得光纤陀螺所用光源3的平均波长和温度对应的表格，将该表格置于平均波长校正环节11中查表模块13的存储器中。

计算机17控制温箱15的温度点的选取根据光纤陀螺的应用温度范围和温度步长产生，温度步长由所设计光纤陀螺的标度因数温度灵敏度的目标值Kmax决定，按下式选择温度步长：温度步长＝Kmax/(400ppm/摄氏度)；对要求标度因数温度灵敏度小于100ppm的光纤陀螺，温度步长为：0.25度。平均波长的测量方法，不需改变陀螺结构，只利用光纤陀螺中光纤耦合器的死头光纤8输出不使用的那部分光信号。

Claims (6)

1.降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于：在光纤陀螺应用温度范围内按照选取的温度步长，测量光纤陀螺光源在一系列温度点下的平均波长，得到光源平均波长和温度对应的表格，并存于平均波长校正环节中查表模块的内部存储器中；由温度计实时采集温度信号，根据温度信号查表得到相应温度下的平均波长，对光纤陀螺的输出信号进行校正，不需对光源进行制冷即可降低标度因数温度灵敏度。

2.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于所述的温度步长：由所设计光纤陀螺标度因数温度灵敏度的目标值Kmax决定，按下式选择温度步长：温度步长＝Kmax/(400ppm/摄氏度)；对标度因数温度灵敏度小于100ppm的光纤陀螺，温度步长为0.25度。

3.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于所述的平均波长的测量方法如下：通过光纤陀螺光纤耦合器的死头光纤将光源光输入到光谱仪，由光谱仪对死头光纤出射光的光谱测量直接得到光源的平均波长。

4.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于所述的光源平均波长和温度对应的表格：是通过如下的步骤测试：首先将光源置于温箱中，按权利要求2中选定的温度步长在光纤陀螺应用的温度范围得到一系列温度点，由温箱逐次使光源温度稳定在每个温度点上，用权利要求3中所述的测试方法测量光源在对应温度点处的平均波长；所有选定温度点的测量结果组成平均波长和温度的对应表格；该表格被置于校正环节查表模块内部的存储单元中作为平均波长的查表表格。

5.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于所述的平均波长校正环节：由温度计、查表模块和乘法器组成，温度计采用数字温度计18B20，温度读取最高精度为1/16摄氏度；查表模块内存储器中存有平均波长和温度对应的表格，根据数字温度计的温度值查表得到当前温度对应的光源平均波长，由乘法器实现平均波长对光纤陀螺输出数据的校正。

6.根据权利要求1所述的降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的光源非制冷方法，其特征在于所述信号进行校正：是按下式进行：φ＝λ(T)φ_FB，其中φ_FB为光纤陀螺原始输出数据，φ为校正后的新输出，T为温度计的温度，λ(T)为查表得到的当前温度下光源的平均波长，校正后光纤陀螺输出的标度因数和温度无关。

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