CN102003957A - 四频激光陀螺零偏补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四频差动激光陀螺零偏补偿系统，采用顺时针或逆时针行波的拍频而非温度传感器作为补偿变量。通过高频光电探测器、放大、整形电路和电子计数器测量顺时针或逆时针拍频信号频率，然后在数字信号处理芯片中根据建立好的补偿模型补偿温度和光功率变化导致的零偏。优点是无延时、真正代表了增益介质的色散特性、既能补偿温度导致的零偏变化也能补偿增益变化导致的零偏变化。
Description
技术领域
本发明涉及四频激光陀螺的零偏补偿，它包光电探测器、计数器、数学运算单元。
背景技术
激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单等优越性，是惯性系统尤其是捷联惯性系统的理想元件，已经大量应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理是萨格纳克(Sagnac)效应，在它的光学谐振腔内至少运行一对相向传播的光波。当它绕敏感轴相对于惯性空间转动时，相向行波的频率产生分裂，形成正比于转动速率的拍频，因而通过测量拍频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。
由于谐振腔内相向行波间的能量耦合，激光陀螺存在闭锁效应，导致它无法测量较低的转速。最常见的克服闭锁的方法是机械抖动偏频，但机械抖动容易对惯性系统中的其它仪表产生干扰，此外还增加了随机游走、降低了带宽。四频激光陀螺采用光学偏频的方法克服闭锁，没有机械抖动部件，因而具有很大的优越性。四频激光陀螺通常包括通过插入石英旋光器或采用非平面腔产生的一对左旋偏振相向行波和一对右旋偏振相向行波，通过在腔内光路中插入法拉第偏频器件或在增益介质上施加纵向磁场使相同偏振的相向行波产生非互易频差以克服闭锁。
由于温度、增益的变化，四频激光陀螺中模式的色散也发生变化，进而影响四频激光陀螺的输出零偏。为了补偿温度的影响，通常采用温度传感器测量陀螺体温度，根据已建立好的补偿模型补偿温度导致的零偏变化。但是采用温度传感器测量温度存在延时，不能代表四频激光陀螺中增益介质的真实温度，也不能补偿增益的变化导致的零偏变化。
发明内容
本发明采用四频激光陀螺的互易偏频而非温度传感器补偿温度和增益变化导致的零偏变化。
为实现本发明采用了如下的技术方案：
一个光电探测器安装在四频激光陀螺一个输出镜上，通过高频光电转换和放大器将四频激光陀螺左、右旋模之间的拍频信号转换成电信号，然后用电子计数器测量互易偏频频率。为了建立补偿模型，首先通过温度循环试验测出零偏和互易偏频的对应关系，然后通过回归分析求得补偿模型系数，最后将模型系数存储在数字信号处理芯片中。
在四频激光陀螺应用时，数字信号处理芯片利用电子计数器所测互易偏频频率，根据建立的补偿模型对零偏进行实时补偿，既可减小温度和增益变化对零偏的影响。
本发明的优点是用来补偿零偏的互易偏频不存在延时、真正代表了增益介质的色散特性、既能补偿温度导致的零偏变化也能补偿增益变化导致的零偏变化。
附图说明
图1是四频激光陀螺的结构及其腔内行波的频谱示意图。
图2是采用温度传感器的补偿系统原理图。
图3是采用互易偏频的补偿系统原理图。
图4是另一种高精度的采用互易偏频的补偿系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式进行详细说明。
图1是四频激光陀螺结构及其增益曲线上的模式分布示意图。在低膨胀腔体1上加工有充气和通光管道，在腔体的四个角上安装四个反射镜5、6、7、8，其中7为输出镜。两个阳极2、3和一个阴极4用来提供增益。10为互易偏频元件，在四频激光陀螺的陀螺1和2之间提供偏频以避免模竞争。9为非互易偏频元件，在四频激光陀螺相同偏振的两个模式间产生非互易偏频以避免闭锁。四频激光陀螺腔内运行有4个模式，模式12和13组成陀螺1，模式14和15组成陀螺2.
温度是导致四频激光陀螺零偏变化的一大原因，为了减小温度的影响，通常采用温度补偿的方法。图2是利用温度传感器测量四频激光陀螺表面温度然后用以补偿零偏的系统原理图。输出镜7上装有合光棱镜和光电管组件50，其作用是将四频激光陀螺的输出光信号转换成电信号，再经电子信号处理组件51后得到差频信号，该信号中包括四频激光陀螺感测的角速度信号和零偏。差频信号输入到数字信号处理芯片53以便进行进一步处理。温度传感器61敏感四频激光陀螺腔体的温度，经调理电路63后转换成与温度成确定函数关系的电信号，然后由模数转换器64转换成数字信号，送入到数字信号处理芯片53。在数字信号处理芯片63内，存有建立好的温度补偿模型，利用温度补偿温度变化导致的零偏，从而得到四频激光陀螺更精确的测量结果60。
本发明的原理由图3给出，其特点在于采用互易偏频补偿零偏。互易偏频是四频激光陀螺中两个单陀螺之间的频率间隔。根据激光原理，增益介质在为激光器提供增益的同时，还使激光振荡频率发生变化，即所谓的模牵引效应。模牵引效应与温度和激光器增益密切相关，在四频激光陀螺中，零偏在很大程度上是由模牵引效应所引起，是零偏随温度和激光器增益变化的主要原因。四频激光陀螺的各模式频率都受到模牵引效应的影响，互易偏频中含有一项与模牵引效应有关的项。当温度或激光器增益发生变化时，零偏和互易偏频两者的变化量之间存在一个确定的比例系数，因而可以利用互易偏频补偿零偏。图3给出了一种具体实现方式。从反射镜6透射的部分光波54在高频光电探测器55上混合，产生频率等于顺时针(或逆时针)对模频率的正弦光电信号，经高频放大器56放大到合适的幅度，又经整形电路57整形为脉冲信号。电子计数器59对脉冲信号进行计数，将计数值以一定时间间隔送入到数字信号处理芯片53。在数字信号处理芯片内，根据建立好的模型利用互易偏频补偿温度和激光器增益变化导致的零偏，从而得到不受温度和激光器增益变化的差频输出60。
图4是另一种实现方式，它在图3的基础上进行了改进，将反射镜6透射的部分光波61在高频光电探测器62上混合，产生频率等于逆时针对模频率的正弦光电信号，经高频放大器63放大到合适的幅度，然后与高频放大器56输出的电信号在混频器64处进行混频(相乘)，用带通滤波器65取出混频器输出中频率为2倍互易偏频的信号，该信号经过整形电路57后成为数字脉冲，送入到电子计数器59进行计数。将计数值以一定时间间隔送入到数字信号处理芯片53。在数字信号处理芯片内，根据建立好的模型利用互易偏频补偿温度和激光器增益变化导致的零偏，从而得到不受温度和激光器增益变化的差频输出60。
Claims (3)
1.一种四频激光陀螺零偏补偿方法，其特征是它包括腔内含有4个行波运行的环形谐振腔，高频光电探测器将顺时针或逆时针透射光转换成电信号，经高频放大、整形后送给电子计数器，电子计数器将计数值按设定时间间隔传送给数字信号处理芯片，在数字信号处理芯片内补偿温度和光功率变化导致的零偏，从而消除温度和光功率变化导致的零偏漂移。
2.根据权利要求1所述的顺时针或逆时针频率测量组件，其特征是将四频差动激光陀螺输出的顺时针或逆时针光束拍频转换成高频电信号，由电子计数器以一定时间间隔将高频信号的频率传送到数字信号处理芯片。
3.根据权利要求1所述的顺时针或逆时针频率测量组件，其特征是将四频差动激光陀螺输出的顺时针或逆时针光束转换成高频电信号，然后进行混频得到2倍的互易偏频，由电子计数器以一定时间间隔将互易偏频传送到数字信号处理芯片。
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