CN104457792B - 一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法 - Google Patents

Abstract

一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法，利用信号叠加器将信号发生器产生的锯齿波电压信号与光纤陀螺电路产生的闭环调制信号叠加在一起后，施加在Y波导上。根据光纤陀螺的检测原理，锯齿波电压信号使干涉光束之间产生的相位差与机械转动产生的相位差一致，该相位差可被光纤陀螺电路当作机械转动检测出来。因此可以利用本发明方法模拟转台转动来进行光纤陀螺的标度因数测试。经过对比试验，本发明方法与通过机械转台测量的标度因数是一致的。

Description

一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺标度因数的测量方法，特别是在振动、真空等无法使用机械转台的环境中准确测量光纤陀螺标度因数的方法。

背景技术

光纤陀螺具有良好的环境适应性，是惯性导航及姿态控制领域重要的角速度仪表。在一些特殊的应用场合中，要求在真空、振动等特殊环境条件下在线检测光纤陀螺标度因数是否发生变化。

通常光纤陀螺的标度因数是通过转台转动标定出来的。在光纤陀螺标度因数测试过程中，转台的作用是提供均匀的机械转动，使Sagnac光路产生与转速呈正比的相位差。将光纤陀螺的输出信号扣除零偏漂移和地速后，与其对应的转台转速，利用最小二乘法，拟合成一次函数，该函数的一次项系数即为光纤陀螺的标度因数。然而，由于机械转台无法在上述特殊环境中正常工作，需要花费很多经费和时间去研制专门的标定设备，费时费力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法，通过在光纤陀螺Y波导上施加锯齿波电压信号的方法模拟标定试验中的机械转动，可以在真空、振动等无法使用机械转台的特殊环境条件下，准确测量光纤陀螺的标度因数。

本发明的技术解决方案是：一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法，包括如下步骤：

(1)制定测试转速点，并将测试转速点按照由小到大的顺序进行排列，构成数组Ω；

(2)根据数组Ω中的各测试转速点的具体数值Ω(t)，通过公式计算得到对应锯齿波电压的斜率A，通过公式计算得到对应锯齿波电压的周期T，其中L为光纤陀螺的量程，V_H为光纤陀螺中Y波导的半波电压，k为整数；所述测试转速点的个数为11。

(3)采用信号发生器输出周期T、斜率A、幅度为V＝2V_H的锯齿波电压信号并送至光纤陀螺的Y波导；

(4)采集并保存光纤陀螺的与每个测试转速点对应的输出信号，扣除地速及光纤陀螺零偏后，得到数组B，数组B与数组Ω中的数据一一对应；

(5)利用最小二乘法，将数组Ω与数组B，按照一次函数拟合出光纤陀螺的标度因数K。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中光纤陀螺电路检测到的相位差是由锯齿波电压使两束光发生干涉产生的，这与机械转台转动使两束光干涉产生的相位差等效，都可以被光纤陀螺的电路检测出来，但又不需要使用机械转台，因此，可在无机械转动条件下测试光纤陀螺标度因数；

(2)本发明中与机械转台在标定试验中起到相同作用的是叠加在闭环调制信号上的锯齿波电压信号，该锯齿波电压信号由信号发生器产生的，而信号发生器只需通过导线与光纤陀螺电路相连接即可。因此，本发明方法对工作环境的要求比机械转台低，能够在真空、振动等无法使用转台的环境中测量光纤陀螺的标度因数；

(3)本发明对光纤陀螺进行标定的过程中不使用机械转台，而机械转台的电动机在转动过程中会导致转台周围的磁场发生变化，对于磁灵敏较高的光纤陀螺，这会对标定结果造成未知的误差。使用本发明的方法进行标定则可以避免机械转动法测试中转台磁场对标定结果的影响；

(4)本发明利用信号发生器使光纤陀螺检测到的相位差，与机械转台提供的角速度产生的相位差相当，以此来实现对光纤陀螺的标定。因此，不需要机械转台等与其的相关硬件，测试成本远低于使用传统机械转台进行标定的方法。

附图说明

图1为光纤陀螺组成示意图；

图2为本发明测试系统的组成原理图；

图3为本发明测试系统中信号叠加电路的原理图；

图4为本发明锯齿波信号对干涉光束产生的调制相位及相位差示意图；

图5为本发明方法的流程图。

具体实施方式

闭环干涉型光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，其系统构成如图1所示。在光纤陀螺光路中，光源发出的光经过耦合器后到达Y波导，经过Y波导后分成强度相同的两束光进入光纤环，在光纤环中传播一周后，两束光在Y波导处汇合并形成干涉光束，由于光纤环相对惯性空间存在着转速，两束光之间存在着与光纤环转速成正比的相位差。干涉光束经耦合器后进入探测器，探测器将干涉光束的强度信号转换为电信号。光纤陀螺电路实时检测干涉光束的相位差，并将相位差补偿掉，由于补偿的相位差与转速成正比，所以补偿值即可表示光纤环的转速。光路相位差是通过探测器输出的电信号检测出来的，光纤陀螺电路对光路施加的相位补偿是通过对Y波导施加电压调制信号实现的。

在传统的光纤陀螺标度因数测试过程中，转台的作用是提供转动信号。由Sagnac效应可知，在转台旋转过程中，光纤陀螺中的干涉光束之间产生了与转台转速成正比的相位差。本发明方法通过在光纤陀螺Y波导上施加电压信号的方式来等效机械转动，进行光纤陀螺标度因数的测量。

本发明方法涉及的测试系统由信号发生器、信号叠加器、被测试光纤陀螺、上位机等组件组成，如图2所示。其中信号发生器的作用是产生锯齿波电压信号，使光纤陀螺光路产生与机械转动等效的光程差。信号叠加器的组成如图3所示，其作用是将锯齿波电压信号与光纤陀螺的调制信号叠加，叠加过程中光纤陀螺的调制信号的放大倍数为1(或-1)；叠加后的信号施加到Y波导上，在无机械转动条件下光纤陀螺电路将锯齿波电压信号产生的相位差作为机械转动解调并输出；上位机的作用是采集光纤陀螺输出数据。

在图3所示的电路中，若取R₁＝R₂＝R₃＝R₄，根据理想运放的计算公式，输出端信号

V₀＝V₂-V₁ (1)

由公式(1)可知，信号叠加器实现了将调制信号与锯齿波信号的叠加。当V1接信号发生器，V2光纤陀螺的运算放大器时，调制信号的放大倍数为1，当V2接信号发生器，V1接光纤陀螺的运算放大器时，调制信号的放大倍数为-1，两种连接方式都可实现锯齿波信号与调制信号的叠加；

在无机械转动条件下，在光纤陀螺的Y波导上施加锯齿波电压信号V(t)，

其中A为电压信号的斜率，t为时间，T为电压信号的周期，表示对的取整函数，则该信号对光纤陀螺中两个干涉光束产生的相位调制分别为

其中V_H为Y波导的半波电压，τ为光纤环的本征周期。则该电压信号使干涉光束产生的相位差为

n＝0,1,2,......

锯齿波信号对干涉光束产生的调制相位如图4(a)所示，对干涉光束产生的相位差如图4(b)所示。由于光纤陀螺中光束的干涉强度随相位差呈周期性变化，因此当二者相位差为2π的整数倍时，即：

k为整数 (6)

则根据公式(5)，锯齿波电压信号对光纤陀螺光路产生的相位差表示为

由于2π整数倍的相位差不影响光的干涉强度，则公式(5)可简化为

该相位差等效的机械转速为

其中L表示光纤陀螺的量程。

由公式(10)可知，在锯齿波电压信号的作用下，等效于光纤陀螺进行转速为的机械转动。

若将锯齿波电压信号与光纤陀螺电路产生的闭环调制信号按照图3所示的电路叠加在一起，施加在Y波导上，根据光纤陀螺的检测原理，光纤陀螺将检测到的干涉光束之间的相位差补偿掉，并将检测到的相位差转化为转速值输出。通过上述分析可知，在光纤陀螺的Y波导上叠加电压信号可产生与机械转动一致的相位差，当电压信号通过运算放大电路与光纤陀螺电路产生的调制信号叠加并施加到光纤陀螺的Y波导时，电压信号使光路产生的相位差可被光纤陀螺电路作为机械转动信号检测出来。

如图5所示，为本发明方法的流程图，主要包括如下步骤：

(1)将信号发生器、信号叠加器、被测试光纤陀螺、上位机等组件按照图2所示连接好。

信号叠加器的功能是将信号发生器产生的锯齿波信号和光纤陀螺电路的调制信号叠加后施加到光纤陀螺的Y波导上，其作用效果是既能使光纤陀螺光路产生与机械转动等效的相位差，又能使光纤陀螺正常工作。信号叠加器可选择图3所示的电路结构，也可选择其它形式的电路结构。

(2)制定测试转速点，测试转速点按照由小到大的排列顺序构成数组Ω。

转速点的选取可按照国军标规定的方法选定，一般选取11个转速点，按照由大到小，由正到负的顺序测试，也可根据用户需求自行制定。

(3)设置信号发生器输出电压信号幅度为V(V＝2V_H)，按照数组Ω中的转速值根据公式(10)确定锯齿波的斜率A，根据公式(7)计算出对应的锯齿波信号的周期T，设定信号发生器输出锯齿波电压信号的周期T(信号的幅度是一定的，设定了周期，锯齿波的斜率也是确定的)。

(4)采集并保存光纤陀螺的输出信号，每个转速点下采集时间不少于10s。

(5)在各个转速点下，计算出光纤陀螺输出均值，扣除地速及陀螺零偏后，得到数组A，A与数组Ω中的数据一一对应。利用最小二乘法，将数组Ω与数组A，按照一次函数拟合出光纤陀螺的标度因数K。

实施例

以半波电压V_H＝3.2V，量程L＝200°/s，本征周期τ＝4us的光纤陀螺为例，使用本发明方法测量标度因数的具体实施步骤如下：

(1)将光纤陀螺与测试系统按照图2所示的关系连接好。

(2)依照数组Ω中的转速，相对应地制定输入电压信号的频率点，其中数组Ω所示，Ω＝{±0.05°/s、±0.1°/s、±0.2°/s、±0.5°/s、±1°/s、±2°/s、±5°/s、±10°/s、±20°/s、±50°/s、±100°/s}。

(3)设置信号发生器输出电压信号幅度为V＝6.4V，按照数组Ω中的转速值，根据公式(7)计算出锯齿波信号周期T＝{32800us、16400us、8200us、3280us、1640us、820us、328us、164us、82us、32.8us、16.4us、8.2us}，分别设定信号发生器输出电压信号的周期，并施加到测试系统中。

(4)在各个转速点下，采集并保存10s的光纤陀螺的输出数据。

(5)在各个转速点下，计算出光纤陀螺输出均值，扣除地速及陀螺零偏后，得到数组A，数组A与数组Ω中的角速度按照从大到小，从正到负相对应，可得数组A如表1中“陀螺输出A”所示。

(6)利用最小二乘法，拟合出光纤陀螺的标度因数。

假设光纤陀螺的输出f(x)与输入x的对应关系为f(x)＝k₀x+b₀，基于步骤(2)中数组Ω与步骤(5)中数组A，按照最小二乘法确定一个函数使得在整体上尽可能与原始函数f(x)近似。称为拟合曲线在节点x_i处的偏差，为了使尽可能地反映所给数据的变化趋势，要求|δ_i|尽可能小，即选取的在节点x_i处偏差的平方和达到最小，其中基于上述方法拟合出的斜率k即为光纤陀螺的标度因数，借助MATLAB可计算得k＝41017.98(LSB/°/s)。

(7)采用转台旋转法，采集并保存光纤陀螺在各个速率点下的输出，计算出其输出均值，扣除地速及陀螺零偏后，得到数组B，数组B如表1中“陀螺输出B”所示。通过机械转台标定的结果k＝41018.33(LSB/°/s)进行比较，可知，本发明方法测得的标度因数是准确的，即该测试方法是确实可行的。

表1光纤陀螺标度因数测试试验数据

周期(us)	等效转速(°/s)	陀螺输出A(LSB)	陀螺输出B(LSB)
				8.2	200	8203594	8203225
16.4	100	4101797	4101645
				32.8	50	2050898	2050810
82	20	820359	820314
				164	10	410180	410125

328	5	205089	205093
				820	2	82036	82024
1640	1	41018	41021
				3280	0.5	20509	20516
8200	0.2	8203	8210
				16400	0.1	4102	4104
32800	0.05	2050	2053
				32800	-0.05	-2051	-2052
16400	-0.1	-4108	-4101
				8200	-0.2	-8205	-8204
3280	-0.5	-20505	-20506
				1640	-1	-41020	-41012
820	-2	-82033	-82034
				328	-5	-205092	-205050
164	-10	-410176	-410198
				82	-20	-820354	-820318
32.8	-50	-2050895	-2050794
				16.4	-100	-4101801	-4101662
8.2	-200	-8203599	-8203279

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种在无机械转动条件下测量光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)制定测试转速点，并将测试转速点按照由小到大的顺序进行排列，构成数组Ω；所述测试转速点的个数为11；

(2)根据数组Ω中的各测试转速点的具体数值Ω(t)，通过公式计算得到对应锯齿波电压的斜率A，通过公式计算得到对应锯齿波电压的周期T，其中L为干涉式光纤陀螺的量程，V_H为干涉式光纤陀螺中Y波导的半波电压，k为整数；

(3)采用信号发生器输出周期T、斜率A、幅度为V＝2V_H的锯齿波电压信号并送至干涉式光纤陀螺的Y波导；

(4)采集并保存干涉式光纤陀螺的与每个测试转速点对应的输出信号，每个转速点下采集时间不少于10s，扣除地速及干涉式光纤陀螺零偏后，得到数组B，数组B与数组Ω中的数据一一对应；

(5)利用最小二乘法，将数组Ω与数组B，按照一次函数拟合出干涉式光纤陀螺的标度因数K。