CN104034350A - 一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法。光纤陀螺固定安装在转台上并跟随转台以相同的正弦角速率转动，采集获得不同时间点下光纤陀螺的输出数字量和转台的转动正弦角速率；进行线性最小二乘法拟合，计算获得光纤陀螺标度因数参数；进行多个正弦角速率周期的测试，对各个正弦角速率周期中相同正弦角速率下的光纤陀螺的输出数字量进行平均，获得相同正弦角速率下光纤陀螺的平均输出数字量，再通过线性最小二乘法拟合计算出光纤陀螺标度因数参数。本发明测量时间短，能够对光纤陀螺标度因数参数进行快速评估，并且对测试设备的要求低，无需专用的转台转接口线，测试系统简单可靠，安全系数高，实现了光纤陀螺标度因数参数的快速测试。

Description

一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺参数的测试方法，尤其是涉及一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法。

背景技术

光纤陀螺是一种重要的角速率传感器，具有无运动部件、精度高、动态范围大、抗冲击等优点，在载体控制、惯性导航等领域有着广泛的应用。光纤陀螺本质上是一个光学赛格奈克干涉仪，其工作原理基于赛格奈克效应。当光纤陀螺旋转时，会在干涉仪内部产生一个正比于旋转角速率的相位差，通过检测这一相位差可以获得当前光纤陀螺的旋转角速率。

光纤陀螺是一个复杂的光机电系统，不同光纤陀螺之间的表现差异很大，因此在实际应用前要对光纤陀螺的性能进行评价。光纤陀螺的主要性能指标有零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围和带宽五大类。其中标度因数直接反映了光纤陀螺的输出特性，是实际应用中十分重要的参数。因此对光纤陀螺标度因数的测试评估是光纤陀螺性能测试中必不可少的一部分。

在光纤陀螺中，标度因数有两种，一种为光学赛格奈克干涉仪的标度因数，称为光学标度因数，其表示为：

${\mathrm{\φ}}_s=K_{\mathrm{sagnac}}\·\mathrm{\Ω}=\frac{4\mathrm{\πRL}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中K_sagnac为光学标度因数，R为光纤陀螺中光纤环的半径，L为光纤陀螺中光纤长度，λ为光纤陀螺中光源的平均波长，c为真空中的光速，Ω为旋转角速率，φ_s为旋转引入的相位差。由公式1可以看出光学标度因数表征的是光学干涉仪相位差和旋转角速率的关系。

另一种为系统标度因数，也是光纤陀螺性能评估中测试的参数，一般光纤陀螺的标度因数就指系统标度因数。系统标度因数是光纤陀螺输出数字量和输入角速率的比值，单位为LSB/(rad/s)，表示为：

$K=\frac{F}{\mathrm{\Ω}}---\left(2\right)$

F为光纤陀螺的输出数字量，单位为LSB，Ω为光纤陀螺的角速率输入，单位为rad/s。一般标度因数K的大小与光纤陀螺的光学标度因数和系统内部的电学参数有关。通常光纤陀螺在应用中要求在一个很大的动态范围内都有较高的精度，即要有一个稳定的标度因数。影响光纤陀螺标度因数的因素有很多，如光纤偏振态的不稳定性、光纤环结构尺寸的变化、环境温度变化、调制解调方案等，机理十分复杂。因此需要对光纤陀螺标度因数进行测试，以对光纤陀螺标度因数的性能进行评估。

常用光纤陀螺标度因数的测试原理为通过获得一定旋转角速率Ω₁,Ω₂,...Ω_N下对应的光纤陀螺的输出数字量F₁,F₂,...F_N，N为旋转角速率点总数，通过线性最小二乘拟合，拟合出一条线性曲线，表征光纤陀螺角速率输入和输出数字量之间的关系，具体表示为：

${\hat{F}}_i=K{\mathrm{\Ω}}_i+{\mathrm{\Ω}}_0---\left(3\right)$

其中K为标度因数，Ω₀为零偏值，为根据拟合曲线计算出的旋转角速率Ω_i下的光纤陀螺输出数字量。对标度因数进行重复测试，获得一组标度因数K₁,K₂,...K_P，P为标度因数测试的组数，根据公式4计算出标度因数的重复性K_r。

$K_r=\frac{\sqrt{\frac{\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}(K_j-\stackrel{\‾}{K})}{P-1}}}{\stackrel{\‾}{K}}---\left(4\right)$

标度因数的非线性度K_n按照公式5进行计算，其中|F|_max为光纤陀螺的输出数字量中绝对值的最大项，i∈{1,2,...N}。

$K_n=\max \left|\frac{{\hat{F}}_i-F_i}{{\left|F\right|}_{\max }}\right|---\left(5\right)$

而标度因数非对称性通过选取测试数据中正旋转角速率Ω_i|Ω_i>0和对应的光纤陀螺输出数字量与负旋转角速率Ω_i|Ω_i<0和对应的光纤陀螺输出数字量，将它们分别进行线性最小二乘法拟合，拟合出两条线性曲线，分别为： 和其中K⁺为正旋转角速率输入标度因数，Ω₀₊为正旋转角速率输入零偏，K^-为负旋转角速率输入标度因数，Ω_0-为负旋转角速率输入零偏。标度因数非对称性K_s按照公式6进行计算。

$K_s=\frac{|K^{+}-K^{-}|}{K}---\left(6\right)$

由标度因数参数的计算可以看出，标度因数的测试需要得到正负旋转角速率对应的光纤陀螺输出数字量。常用的测试方法中采用转台作为测试工具，提供所需要的角速率输入。在测试中选取测试的旋转角速率点，在每个角速率点下连续旋转，同时采集光纤陀螺的输出数字量。对所有旋转角速率点进行测试，获得旋转角速率Ω₁,Ω₂,...Ω_N下对应的光纤陀螺输出数字量F₁,F₂,...F_N，按照上述计算方法进行处理，获得光纤陀螺标度因数参数。

传统的光纤陀螺标度因数参数的测试方法中，在旋转角速率测试点下要求转台连续旋转，对转台的输出速率的稳定性有很高的要求，同时对转台的台面跳动等参数也有严格的要求。同时由于测试中连续旋转，为保证安全性，光纤陀螺有一定的安装固定要求，此外为防止测试线缆缠绕，需要将光纤陀螺输出数据线缆通过转台的滑环连接到外部数据采集单元中。转台滑环是转台的关键部件之一，在长时间使用中极易磨损，寿命短，在连续的测试中需要经常性地保养更换。此外在测试中需要在每个测试速率点下旋转一定的时间，导致标度因数的测试时间很长，一般为几分钟到几十分钟。

发明内容

针对目前光纤陀螺测试中，传统的测试方法对设备的要求高，测试过程对设备的损伤大以及测试时间过长、安全性低，不能适应大批量光纤陀螺标度因数参数评估，需要一种能够对光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法的现状。本发明的目的在于提供一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法，以实现光纤陀螺标度因数的快速测试，且该方法对测试设备要求低，在测试过程中对测试设备的损伤小、安全系数高。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)光纤陀螺固定安装在转台上，控制转台以正弦角速率Ω(t)＝Ωsin(2πft)进行转动，光纤陀螺跟随转台以相同的角速率进行转动，其中，Ω为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为时间；

2)对光纤陀螺的输出数字量和转台的转动正弦角速率进行采集，获得不同时间点t下光纤陀螺的输出数字量F(t)和转台的转动正弦角速率Ω(t)；

3)对不同时间点t下光纤陀螺的输出数字量F(t)和对应的转台的转动正弦角速率Ω(t)进行线性最小二乘法拟合，计算获得光纤陀螺标度因数参数。

在所述的步骤2)中，进行多个正弦角速率周期的测试，对各个正弦角速率周期中相同正弦角速率下的光纤陀螺的输出数字量F(t)进行平均，获得相同正弦角速率下光纤陀螺的平均输出数字量其中N为选取的旋转角速率点总数，然后进行步骤3)，通过线性最小二乘法拟合计算出光纤陀螺标度因数参数。

所述方法的测试时长至少包括以相邻的最大值和最小值之间构成的半个正弦角速率Ω(t)周期。

所述的光纤陀螺标度因数参数包括标度因数、标度因数非线性度和标度因数非对称性。

本发明具有的有益效果是：

提出利用转台输入一定频率和幅度的正弦角速率，对光纤陀螺标度因数参数测试的方法，该方法测试时间短，最短仅为半个输入正弦角速率周期，测试时间一般为几秒钟。同时对测试设备的要求低，在测试过程中对测试设备的损伤小，安全系数高。此外可以通过增加测试的正弦角速率周期数提高测试结果的精度。

附图说明

图1是本发明采用的测试系统框图。

图2是从获得的转台转动角速率和光纤陀螺输出数字量中取出拟合数据的示意图。

图3是光纤陀螺标度因数参数单次测试中获得的转台转动角速率。

图4是光纤陀螺标度因数参数单次测试中获得的光纤陀螺输出数字量。

图5是光纤陀螺标度因数参数单次测试中测量多个转台转动角速率周期获得的转台转动角速率。

图6是光纤陀螺标度因数参数单次测试中测量多个转台转动角速率周期获得的光纤陀螺输出数字量。

图中：1、转台控制单元，2、转台，3、光纤陀螺，4、数据采集单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明采用以下步骤：

1)如图1所示，光纤陀螺3固定安装在转台2上，控制转台2以正弦角速率Ω(t)＝Ωsin(2πft)进行转动，光纤陀螺3跟随转台2以相同的角速率进行转动，其中，Ω为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为时间；

2)对光纤陀螺3的输出数字量和转台2的转动正弦角速率进行采集，获得不同时间点t下光纤陀螺3的输出数字量F(t)和转台2的转动正弦角速率Ω(t)；

3)对不同时间点t下光纤陀螺(3)的输出数字量F(t)和对应的转台(2)的转动正弦角速率Ω(t)进行线性最小二乘法拟合，计算获得光纤陀螺标度因数参数。

如图1所示，上述转台2的转动可通过转台控制单元1进行控制，光纤陀螺3的输出数字量和转台2的转动正弦角速率的数据可通过数据采集单元4进行采集。

为了提高测试结果的精度，在所述的步骤2)中，进行多个正弦角速率周期的测试，对各个正弦角速率周期中相同正弦角速率下的光纤陀螺的输出数字量F(t)进行平均，获得相同正弦角速率下光纤陀螺的平均输出数字量其中N为选取的旋转角速率点总数，然后进行步骤3)通过线性最小二乘法拟合计算出光纤陀螺标度因数参数。

方法的测试时长至少包括以相邻的正弦曲线最大值和最小值之间构成的半个正弦角速率Ω(t)周期。

光纤陀螺标度因数参数包括标度因数、标度因数非线性度和标度因数非对称性。

本发明的原理：

在光纤陀螺标度因数参数的测试过程中，通过转台输入频率f、幅度为Ω的正弦角速率Ω(t)＝Ωsin(2πft)代替传统测试方法中的恒定角速率，以满足光纤陀螺标度因数参数测试中所需的正负角速率输入。此时安装在转台2上光纤陀螺3以相同的正弦角速率进行转动。数据采集单元4同时对光纤陀螺3的输出数字量和转台2的转动正弦角速率进行采集，获得不同时间点t下对应的光纤陀螺3的输出数字量F(t)和转台2的转动角速率Ω(t)。

在获得的数据中选取转台的转动角速率Ω₁，Ω₂,...Ω_N对应的光纤陀螺输出数字量F₁,F₂,...F_N，通过线性最小二乘法拟合，拟合出一条线性曲线，如公式3所示。再对测试数据中正旋转角速率Ω_i|Ω_i>0和对应的光纤陀螺输出数字量与负旋转角速率Ω_i|Ω_i<0和对应的光纤陀螺输出数字量分别进行线性最小二乘法拟合，拟合出两条线性曲线，分别为： ${\hat{F}}_i=K^{+}{\mathrm{\&Omega;}}_i+{\mathrm{\&Omega;}}_{0+},({\mathrm{\&Omega;}}_i>0)$ 和 ${\hat{F}}_i=K^{-}{\mathrm{\&Omega;}}_i+{\mathrm{\&Omega;}}_{0-},({\mathrm{\&Omega;}}_i<0),$ 其中K⁺为正旋转角速率输入标度因数，Ω₀₊为正旋转角速率输入零偏，K^-为负旋转角速率输入标度因数，Ω_0-为负旋转角速率输入零偏。。根据公式5和公式6计算出标度因数非线性度和非对称性。进行标度因数的重复测试，获得一组标度因数K₁,K₂,...K_P，根据公式4计算出标度因数的重复性。

一般光纤陀螺的动态范围为几百度每秒，测试过程中正弦角速率的幅度Ω选择是满足接近光纤陀螺的动态范围的条件即可。例如光纤陀螺的动态范围为±400°/s，我们可以选择幅度Ω为360°/s即可满足测试所需。另外考虑到光纤陀螺的带宽，在测试旋转角速率频率的选择上不宜过高，以防止光纤陀螺输出衰减。例如选择频率为10Hz，幅度为360°/s的正弦角速率输入时，转台的摇摆角度幅度仅为5.73°，一般的转台都可以满足。

采用此原理进行光纤陀螺标度因数参数测试时，一个正弦周期中的单调区间就可以获得测试所需要的正负旋转角速率，因此最短的测试时间仅为包括以相邻的正弦曲线最大值和最小值之间构成的半个正弦角速率的周期，该半个正弦角速率的周期包含至少一组相邻的正弦曲线最大值和最小值，就可以获得一组转台的转动角速率Ω₁，Ω₂,...Ω_N对应的光纤陀螺输出数字量F₁,F₂,...F_N，选取旋转角速率点时应按正负对称原则进行选择，总点数可根据拟合需求进行确定。若要提高测试结果的精度，可以通过测量多个正弦角速率的周期，根据正弦函数的周期性和对称性获得同一转动角速率Ω₁,Ω₂,...Ω_N下多个光纤陀螺输出数字量(F₁₁,F₁₂,...F_1M),(F₂₁,F₂₂,...F_2M),...(F_N1,F_N2,...F_NM)，M为每个转动角速率下光纤陀螺输出数字量的个数，若测试L个正弦角速率周期，每个转动角速率最多可以获得M＝2L个光纤陀螺输出数字量。对每个相同转动正弦角速率下光纤陀螺的输出数字量进行平均后，获得每个转动角速率下光纤陀螺的平均输出数字量再拟合计算出光纤陀螺的标度因数参数。若取频率为10Hz，幅度为360o/s的正弦角速率输入时，每次标度因数参数测试中测量5个正弦角速率周期，在每个速率点下最多可以获得10个光纤陀螺输出数字量，单次测试时间仅为0.5s。

本发明的实施例：

如图2所示为通过数据采集单元4获得的光纤陀螺(3)的输出数字量和转台(2)的转动角速率的示意图。

如图3和图4所示为光纤陀螺标度因数参数单次测试中获得的转台转动角速率和对应的光纤陀螺的输出数字量，测试中采用频率为10Hz，幅度为107°/s的正弦角速率，测试时间为一个正弦角速率周期。表1所示是光纤陀螺标度因数参数单次测试中选取的转台转动角速率和对应的光纤陀螺的输出数字量。

表1

转台转动角速率/°/s	光纤陀螺输出数字量/LSB
		-90	-621596
-50	-345339
		-30	-207216
-20	-138146
		-10	-69084
-5	-34552
		5	34461
10	68941
		20	137903
30	206862
		50	344781
90	620622

对表1中的数据进行拟合和计算，获得正负角速率下光纤陀螺输出数字量的标度因数为K⁺＝6896.0046，K^-＝6906.3992，对所有数据点进行拟合获得标度因数为K＝6901.2164，计算出标度因数非对称性为K_s＝0.0007552，标度因数的非线性度为0.0004661，光纤陀螺标度因数的重复性需要重复测试后给出。至此实现了光纤陀螺标度因数的快速测试，单次测试时间仅为一个正弦角速率周期，为0.1s。

如图5和图6所示为了提高测试结果的精度，通过测量多个正弦角速率的周期时获得的转台转动正弦角速率和对应的光纤陀螺的输出数字量，测试中采用频率为10Hz，幅度为107°/s的正弦角速率，测试时间为5个正弦角速率周期。这样可以在选取的每个转台转动角速率下获得9个对应的光纤陀螺输出数字量，如表2所示。

表2

对表2中每个角速率下的光纤陀螺输出数字量进行平均，获得每个转台转动角速率下对应的光纤陀螺输出数字量的平均值。进行拟合计算后获得正负角速率下光纤陀螺输出数据的标度因数为K⁺＝6897.0905，K^-＝6908.5670，对所有数据点进行拟合获得标度因数为K＝6899.4081，计算出标度因数非对称性为K_s＝0.001663，标度因数的非线性度为0.0005354，总测试时间为0.5s。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)光纤陀螺(3)固定安装在转台(2)上，控制转台(2)以正弦角速率Ω(t)＝Ωsin(2πft)进行转动，光纤陀螺(3)跟随转台(2)以相同的角速率进行转动，其中，Ω为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为时间；

2)对光纤陀螺(3)的输出数字量和转台(2)的转动正弦角速率进行采集，获得不同时间点t下光纤陀螺(3)的输出数字量F(t)和转台(2)的转动正弦角速率Ω(t)；

3)对不同时间点t下光纤陀螺(3)的输出数字量F(t)和对应的转台(2)的转动正弦角速率Ω(t)进行线性最小二乘法拟合，计算获得光纤陀螺标度因数参数。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法，其特征在于：在所述的步骤2)中，进行多个正弦角速率周期的测试，对各个正弦角速率周期中相同正弦角速率下的光纤陀螺的输出数字量F(t)进行平均，获得相同正弦角速率下光纤陀螺的平均输出数字量其中N为选取的旋转角速率点总数，然后进行步骤3)，通过线性最小二乘法拟合计算出光纤陀螺标度因数参数。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法，其特征在于：所述方法的测试时长至少包括以相邻的最大值和最小值之间构成的半个正弦角速率Ω(t)周期。

4.根据权利要求1或2任一所述的一种光纤陀螺标度因数参数的快速测试方法，其特征在于：所述的光纤陀螺标度因数参数包括标度因数、标度因数非线性度和标度因数非对称性。