CN103776465B - 一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法。本发明方法是：将光源工作温度范围均分为段，选择每段的算术平均温度点作为该段的特征温度点，将每个特征温度点的驱动电流及标度因数存入到光纤陀螺内部ROM中，光纤陀螺启动时，根据环境温度设定目标温度，继而设定光源的驱动电流，当两者达到设定值时，读取目标温度下的标度因数，让光纤陀螺开始工作。通过将光纤陀螺工作温度分段，根据光纤陀螺启动时的环境温度设定光源管芯温控的目标温度，大大减小光源管芯温控的目标温度与环境温度的差距，短时间内使光源管芯温度稳定，同时给光源加驱动电流，从而使光纤陀螺能快速进入稳定工作状态，大大减少了光纤陀螺在高低温条件下的启动时间。

Description

一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感的领域，尤其涉及一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法。

背景技术

光纤陀螺是一种敏感角速度的传感器，其工作原理是基于萨格奈克效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于转速的相移，通过检测该相移即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。萨格奈克相移与角速度的关系为

其中：

为萨格奈克相移，单位为rad；

R为光纤环半径，单位为m；

L为光纤长度，单位为m；

c为光速；

Ω为光纤陀螺输入角速度。

光纤陀螺的输出为数字量表示的萨格奈克相移，表示为其与关系为

其中，a为转换系数。

光纤陀螺标度因数k定义为光纤陀螺输出数字量与输入角速度之比，因此，标度因数k可表示为

$k=b\frac{\mathrm{RL}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}---\left(3\right)$

其中，b为综合转换系数。

由式（3）可知，光纤陀螺标度因数与光纤环半径、光纤长度成正比，与光源中心波长成反比。

目前光纤陀螺所用光源大多为SLD光源，SLD光源的管芯温度对中心波长有很大的影响，具体表现为中心波长随光源管芯温度的升高而增大。

实际应用中，光纤陀螺在高低温条件下启动后的数秒内，环境温度变化对光纤环半径和长度的影响较小，此时光源管芯温度变化引起的中心波长变化是导致光纤陀螺启动过程中标度因数不稳定的主要因素。

解决高低温启动下光纤陀螺工作不稳定的一种传统方法是先对光源管芯进行温控，使光源管芯温度达到目标温度，然后给光源加驱动电流使光纤陀螺开始工作。一般地，目标温度设定为室温，即25℃。然而，当陀螺处于高低温条件下启动时，光源管芯温控到目标温度所需的时间很长，一般需要十几秒甚至数十秒，且考虑光源性能和寿命，给光源加驱动电流也不是一个阶跃过程，而是让驱动电流以固定斜率增大直至达到所需的驱动电流，这又会耗费一定时间，该方法使得光纤陀螺从启动到稳定工作的时间很长，大大增加了启动时间，其启动过程如图1所示。另一种传统方法是在对光源管芯温控的同时给光源加驱动电流，使得当温控到目标温度时，光源的驱动电流也刚好满足驱动要求，这可以减小加驱动电流的时间，由于光源管芯温控所需时间远大于加驱动电流的所需时间，该方法对启动时间减小的效果非常有限，其启动过程如图2所示。

本发明通过将光纤陀螺工作温度分段，根据光纤陀螺启动时的环境温度设定光源管芯温控的目标温度，大大减小光源管芯温控的目标温度与环境温度的差距，短时间内使光源管芯温度稳定，并根据光源管芯温控的目标温度查表得到对应的标度因数，同时给光源加驱动电流，从而使光纤陀螺能快速进入稳定工作状态，大大减少了光纤陀螺在高低温条件下的启动时间。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的不足，针对目前光纤陀螺在高低温条件下标度因数不能快速稳定的问题，提供一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法。

光纤陀螺标度因数快速稳定方法的步骤如下：

1）假设光源工作温度范围为[T₁,T₂]，将该温度范围平均分为n段，每段温度宽度为(T₂-T₁)/n；

2）选择第i个温度段的算术平均温度点作为该段的特征温度点T_i，设置光源的管芯温控的目标温度为T_i，测试光纤陀螺的标度因数K_i，以及该温度下光源功率达到所需值时的驱动电流I_i，将所有的T_i，K_i和I_i存入到光纤陀螺内部ROM中，i＝1～n；

3）光纤陀螺启动时，根据环境温度T_e设定光源管芯温控的目标温度T_s，T_s应满足：T_s＝T_j，且|T_j-T_e|取最小值，j＝1～n，此时光源工作在第j温度段，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的驱动电流I_j，得到对应温度下的光源驱动电流I_p＝I_j；

4）根据光源管芯温控的目标温度Ts，即T_j，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的标度因数K_j，得到对应温度下的光纤陀螺标度因数K_a＝K_j；

5）对光源管芯进行温控同时给光源加驱动电流，当光源管芯温度达到目标温度T_s且光源驱动电流达到光源的驱动电流I_p时，设定光纤陀螺标度因数为K_a，让光纤陀螺开始工作。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明通过将光纤陀螺工作温度分段，根据光纤陀螺启动时的环境温度设定光源管芯温控的目标温度，大大减小光源管芯温控的目标温度与环境温度的差距，短时间内使光源管芯温度稳定，并根据光源管芯温控的目标温度查表得到对应的标度因数，同时给光源加驱动电流，从而使光纤陀螺能快速进入稳定工作状态，大大减少了光纤陀螺在高低温条件下的启动时间。

附图说明：

图1是传统方法一启动过程示意图；

图2是传统方法二启动过程示意图；

图3是光纤陀螺标度因数快速稳定方法的流程图；

图4是光源光功率与温度关系曲线。

具体实施方式

一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法的流程如图3所示，其步骤如下：

光纤陀螺标度因数快速稳定方法的步骤如下：

1）假设光源工作温度范围为[T₁,T₂]，将该温度范围平均分为n段，每段温度宽度为(T₂-T₁)/n；

2）选择第i个温度段的算术平均温度点作为该段的特征温度点T_i，设置光源的管芯温控的目标温度为T_i，测试光纤陀螺的标度因数K_i，以及该温度下光源功率达到所需值时的驱动电流I_i，将所有的T_i，K_i和I_i存入到光纤陀螺内部ROM中，i＝1～n；

3）光纤陀螺启动时，根据环境温度T_e设定光源管芯温控的目标温度T_s，T_s应满足：T_s＝T_j，且|T_j-T_e|取最小值，j＝1～n，此时光源工作在第j温度段，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的驱动电流I_j，得到对应温度下的光源驱动电流I_p＝I_j；

4）根据光源管芯温控的目标温度T_s，即T_j，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的标度因数K_j，得到对应温度下的光纤陀螺标度因数K_a＝K_j；

5）对光源管芯进行温控同时给光源加驱动电流，当光源管芯温度达到目标温度T_s且光源驱动电流达到光源的驱动电流I_p时，设定光纤陀螺标度因数为K_a，让光纤陀螺开始工作。

假设光纤陀螺工作温度范围为[T₁,T₂]，将该温度范围平均分为n段，则第i段温度范围为第i段特征温度点为设置光源管芯温控的目标温度为T_i，测试光纤陀螺的标度因数K_i，光纤陀螺的标度因数测试由GJB2426A-2004光纤陀螺仪测试方法和具体光纤陀螺型号的产品协议书确定，具体的标度因数测试方法不属于本发明保护的内容，根据i的取值范围不难得到需要进行n次标度因数测试，并将所有的T_i和K_i存入到光纤陀螺内部ROM中，此处光纤陀螺内部ROM实际上指的是光纤陀螺内部处理单元的ROM，一般为DSP芯片的ROM。

光纤陀螺启动时，若环境温度为T_e，设光源管芯温控的目标温度为T_s，T_s应满足：T_s＝T_j，且|T_s-T_e|取最小值，j＝1～n，此时光源工作在第j温度段，其管芯温控的目标温度为 $T_j=T_1+\frac{2j-1}{2n}(T_2-T_1).$

SLD光源的管芯温度对光功率有很大影响，光源模型可采用ArcTan模型来进行分析。

中心波长为1310nm、驱动电流为50mA的SLD光源的ArcTan模型为：

$P=255.88\·\arctan (-\frac{-2.16-T}{T_0})+347.9---\left(4\right)$

其中：

T₀为特征温度，取25℃；

P为光源光功率，单位为uW；

T为光源管芯温度，单位为℃。

由（4）式模型得到的光源光功率-管芯温度曲线如图4所示。由图4可知，SLD光源的输出光功率随温度的升高而迅速变小。因此，应根据光源管芯温控的目标温度T_s设定光源的驱动电流I_p，即当低温启动时，设置小的驱动电流I_p，当高温启动时，设定大的驱动电流I_p，驱动电流的预设值应根据光纤陀螺所用SLD光源的功率-温度关系决定，但应大于SLD的阈值电流。

确定光源管芯温控的目标温度T_s以及SLD的驱动电流后，立即启动光源管芯温控并开始给光源加驱动电流，直至光源管芯温度达到目标温度且驱动电流达到预设值，通过查表获取光源管芯的目标温度T_s＝T_j对应的标度因数K_a＝K_j。

本发明通过将光纤陀螺工作温度分段，根据光纤陀螺启动时的环境温度设定光源管芯温控的目标温度，大大减小光源管芯温控的目标温度与环境温度的差距，短时间内使光源管芯温度稳定，并根据光源管芯温控的目标温度查表得到对应的标度因数，同时给光源加驱动电流，从而使光纤陀螺能快速进入稳定工作状态，大大减少了光纤陀螺在高低温条件下的启动时间。

Claims (1)

1.一种光纤陀螺标度因数快速稳定方法，其特征在于它的步骤如下：

1）假设光源工作温度范围为[T₁,T₂]，将该温度范围平均分为n段，每段温度宽度为(T₂-T₁)/n；

2）选择第i个温度段的算术平均温度点作为该段的特征温度点T_i，设置光源的管芯温控的目标温度为T_i，测试光纤陀螺的标度因数K_i，以及该温度下光源功率达到所需值时的驱动电流I_i，将所有的T_i，K_i和I_i存入到光纤陀螺内部ROM中，i＝1～n；

3）光纤陀螺启动时，根据环境温度T_e设定光源管芯温控的目标温度T_s，T_s应满足：T_s＝T_j，且|T_j-T_e|取最小值，j＝1～n，此时光源工作在第j温度段，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的驱动电流I_j，得到对应温度下的光源驱动电流I_p＝I_j；

4）根据光源管芯温控的目标温度T_s，即T_j，查光纤陀螺内部ROM中存储的温度T_j对应的标度因数K_j，得到对应温度下的光纤陀螺标度因数K_a＝K_j；

5）对光源管芯进行温控同时给光源加驱动电流，当光源管芯温度达到目标温度T_s且光源驱动电流达到光源的驱动电流I_p时，设定光纤陀螺标度因数为K_a，让光纤陀螺开始工作。