CN104990547B - 一种稳定光纤陀螺保持标度因数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定光纤陀螺标度因数的方法和装置，在Y波导调制器中集成微小型热敏电阻监测Y波导温度，在光纤陀螺全数字信号处理算法中插入标度因数补偿算法，形成光纤陀螺标度因数稳定装置，可在宽温度范围和辐射作用下稳定光纤陀螺标度因数。本发明建立了光纤陀螺标度因数波长无关的数学模型，实验得到Y波导波长无关的本征调制参数m的温度特性方程，通过精确补偿技术稳定光纤陀螺标度因数，消除了光源波长对Y波导半波电压控制或补偿精度的影响，放宽了高精度光纤陀螺对光源波长稳定性的要求。该方法在不明显增加陀螺成本和复杂度的情况下，保持了光纤陀螺的标度因数稳定，解决了空间用光纤陀螺标度因数不稳且无法控制的难题。

Description

一种稳定光纤陀螺保持标度因数的方法和装置

技术领域

本发明涉及惯性仪表技术领域，特别是涉及一种稳定光纤陀螺标度因数的方法和装置。

背景技术

光纤陀螺作为一种全固态的陀螺仪表，具有精度高、寿命长、易于制造、易于集成等优点，是海、陆、空、天等领域惯性系统的首选陀螺仪表，作为提高导航、制导与控制精度的最具潜力的高精度陀螺，被认为是空间用陀螺的未来发展方向。随着光纤陀螺技术的成熟，其已开始应用于空间的卫星、航天飞行器及各种载荷的姿态控制。与地面用光纤陀螺不同，空间用高精度光纤陀螺必须考虑空间辐射场及温度场对光纤陀螺性能与可靠性的影响。

标度因数作为光纤陀螺的一个核心参数，对环境的变化很敏感，为保证光纤陀螺精度，对标度因数误差的要求是相当严格的。因此，国内外学者提出了基于模型的多种补偿技术，一般都是对标度因数温度误差进行的建模补偿，忽略了空间辐射引起的系统参数变化。特别的，掺铒光纤光源作为空间用高精度光纤陀螺光源的唯一选择，属于光纤类光电器件，对空间的特殊辐射环境敏感，辐射后由于色心效应导致其平均波长发生漂移，这种漂移会直接导致标度因数产生一个同样量级的误差。由于光源平均波长的变化与环境温度、辐射时间、辐射剂量率和辐射总剂量等参数都有关，模型输入参量不明确，因此标度因数变化难以建立模型去补偿。而一些基于复杂的波长测试技术实现补偿的方法，成本高，系统复杂，并且在空间应用中辐射对其各器件都有影响，故适用性差，不利于工程应用。

因此，在缺乏模型的情况下，几乎无法解决空间用光纤陀螺标度因数的稳定性问题。理论上，影响标度因数的重要参数有：Y波导结构参数和光学参数、光纤环结构参数以及光源平均波长，实验研究表明，辐射对Y波导材料的结构参数和光学参数均无影响。基于Y波导特性参数和光纤环结构的辐射不敏感特性，本发明给出了消除光源平均波长对标度因数影响的规律，提出了波长无关的补偿技术，保证在温度变化及辐射的情况下的标度因数的稳定性。

发明内容

针对光纤陀螺标度因数受到空间辐射场及温度场的影响，本发明的目的是为空间用光纤陀螺提供一种稳定标度因数的方法和装置。本发明建立Y波导波长无关的本征调制参数m的温度特性方程，通过精确补偿技术稳定光纤陀螺标度因数，消除了光源波长对Y波导半波电压控制或补偿精度的影响，放宽了高精度光纤陀螺对光源波长稳定性的要求。该方法在不明显增加陀螺成本和复杂度的情况下，保持了光纤陀螺的标度因数稳定，解决了空间用光纤陀螺标度因数不稳且无法控制的难题。

本发明所采用的技术方案为：一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，该方法的步骤为：采用在光纤陀螺工作波段内波长稳定的激光光源作为Sagnac干涉仪的光源，仅将Y波导集成光学调制器放置于温箱中，在陀螺工作温度范围内，等间隔改变温箱内温度，测量不同温度下Y波导的半波电压V_π，V_π＝Gλ/n³γ₃₃lГ，其中：G为电极间距、λ为光源的平均波长、n为非寻常光折射率、γ₃₃为电光系数、l为电极长度、Γ为电光重叠积分因子，用测得的半波电压值除以激光光源波长值得到Y波导波长无关的本征调制参数m，m＝G/n³γ₃₃lГ，建立m参数的温度特性方程，在采用该Y波导的光纤陀螺中，实时监测Y波导的工作温度，并基于获得的m参数的温度特性方程调节光纤陀螺调制基准电压V_pp，使m/V_pp稳定到设定值，进而稳定光纤陀螺的标度因数。

本发明另外提供一种稳定光纤陀螺标度因数的装置，该装置需要在光纤陀螺中增加温度采集模块、标度因数补偿模块，在Y波导调制器中集成微小型热敏电阻，其中，微小型热敏电阻被集成在Y波导壳内，实时监测Y波导的工作温度T，并将温度信号传送给光纤陀螺的信号处理系统；在信号处理系统中根据实测的温度值T与实验得到的补偿规律，计算对应的调制基准电压值V_PP，通过D/A转换器得到模拟量，改变调制基准电压V_pp，保证m/V_pp稳定到设定值，从而最终实现标度因数的补偿。

本发明的工作原理是：对于闭环光纤陀螺，其标度因数的表达式为：

其中，L为光纤长度，D为光纤环直径，λ为光源的平均波长，c为光速；V_π为半波电压；V_pp为2π相位所对应的电压峰峰值，N为D/A转换器位数。

Y波导的半波电压也受到平均波长的影响，可表示为：

其中，G为电极间距，l为电极长度，n为非寻常光折射率，γ₃₃为电光系数、Γ为电光重叠积分因子。

因此，将式(2)代入(1)，则有：

从公式(3)发现，可以消除平均波长变化这个因子，使得标度因数只和Y波导结构参数、铌酸锂光学参数和光纤环结构参数有关。

由于Y波导结构参数与光学参数基本不受辐射影响，光纤环结构参数也能保持其相对稳定性。因此，对于空间用高精度光纤陀螺，只需要考虑空间环境温度对其影响所引起的标度因数的变化。

定义Y波导波长无关的本征调制参数为：

m＝G/n³γ₃₃lΓ (4)

则Y波导的半波电压可表示为：

V_π＝λ·m (5)

在工作波长λ确定后，m参数可通过测量半波电压V_π、并用V_π除以波长λ获得，而且标度因数可表示为：

由(6)式可知，为保持空间用光纤陀螺标度因数稳定性，只需要通过调整调制基准电压V_pp，对m参数的温度特性进行补偿，保证m/V_pp稳定到设定值即可。

本发明首先在全温范围内(-40℃≤T≤60℃)测量Y波导波长无关的本征调制参数m的温度特性，测量方法采用发明人的专利ZL03105246.0的方法(杨远洪，张惟叙，马静.Y波导调制器半波电压测试方法.ZL03105246.0)，能保证高精度测量。通过最小二乘拟合得到m参数的的温度特性方程；根据标度因数的表达式进而得到参数V_pp的温度补偿规律，保证m/V_pp稳定到设定值；在Y波导内集成微小型热敏电阻，实时监测Y波导芯片的工作温度，并将温度信号传送给光纤陀螺的信号处理系统；信号处理系统根据实测的温度值与实验得到的补偿规律，得到对应的V_pp；通过动态调整V_pp最终保证标度因数的稳定性。

所述m参数的温度特性方程是通过实验测量并拟合得到的，具体步骤包括：

将光纤环及集成微小型热敏电阻的Y波导置于温箱内，光源及测试系统的其他器件则保持在室温(25℃)状态下，采用波长稳定的激光光源，将温箱温度设置到不同的温度，并且每个温度点温度保持足够长时间，同时记录温度值T、半波电压V_π以及光源平均波长λ，从测得的各温度点下的半波电压值中除去波长值，得到Y波导在不同温度下的m参数，即m＝V_π/λ＝G/n³γ₃₃lΓ，以不同的设定温度值和其温度下的m参数为样本，通过最小二乘拟合，获得m参数的温度特性方程m＝m₀+f(T-T₀)，其中，m₀为T₀＝25℃时对应的参数值，f为其温度特性方程的斜率。

所述参数V_pp的补偿规律是基于m参数的温度特性方程得到的，改变调制基准电压V_pp，使m/V_pp稳定，保证在光源平均波长和Y波导特性参数变化时，标度因数仍然保持稳定，有：V_pp＝m/k＝V_pp0+f(T-T₀)/k，其中k＝K/(2^N+1LD/c)；V_pp0为T₀＝25℃时对应的调制基准电压值。

本发明的优点在于：

本发明在不降低系统可靠性和增加成本的前提下，解决了空间用光纤陀螺标度因数难以建立模型补偿的问题，解算出消除光源平均波长变化后标度因数的变化规律，从新的角度来建立模型，最终实现了与波长无关的标度因数补偿技术，解决了空间用光纤陀螺的瓶颈问题。

附图说明

图1是改进前闭环光纤陀螺原理框图；

图2是光纤陀螺带标度因数补偿的原理框图；

图3是光纤陀螺带标度因数补偿的信号检测方法流程示意图；

图4是光纤陀螺m参数的温度特性曲线。

图中：1.光源；2.光电探测器；3.光纤耦合器；4.Y波导集成光学调制器；5.光纤环；6.前置放大器；7.A/D转换器；8.数字信号处理器；9.D/A转换器；10.温度传感器；11.标度因数补偿模块；12.第二个D/A转换器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是改进前闭环光纤陀螺原理框图：从光源1发出的光经光纤耦合器3进入Y波导集成光学调制器4，产生两束对称的相干光，分别以顺时针方向和逆时针方向沿光纤环5传播，由于转动产生Sagnac相移后返回。在光电探测器2处光强信号转换成检测电路可以处理的电信号，该电信号经前置放大器6后由A/D转换器7转换为数字信号进入数字信号处理器8。数字信号处理器8对相位误差信号进行解调，产生的反馈相位信号与偏置信号叠加经D/A转换器9后施加在Y波导4上，从而实现相位偏置调制和闭环控制。

图2是本发明所采用的空间用光纤陀螺带标度因数补偿的原理框图：在图1的基础上，增加了温度采集模块、标度因数补偿模块。温度传感器10将实时温度数字量T输入到信号处理器8，数字信号处理器8在相位误差解调的同时增加了标度因数补偿模块11，已知室温T₀＝25°时对应的半波电压V_π0以及参数V_pp的补偿规律，计算得到对应的调制基准电压值V_pp＝2V_π0+f(T-T₀)/k。该信号经第二个D/A转换器12得到电压模拟量，改变D/A转换器9的基准电压，从而消除由空间环境引起的标度因数稳定性恶化的影响。

图3为实现本发明所提供的空间用光纤陀螺带标度因数补偿的信号检测方法流程示意图，所述方法包括：温度采样单元、标度因数补偿单元和执行单元。其中标度因数补偿单元包括数学模型建立模块和补偿模型建立模块。具体实施过程如下：

步骤1：建立光纤陀螺标度因数K波长无关的数学模型。

在该步骤中，通过将半波电压表达式带入到标度因数计算公式中，解算出消除了共同影响参数光源平均波长后的光纤陀螺标度因数K的数学模型其中m＝V_π/λ＝G/n³γ₃₃lΓ。

步骤2：建立基于参数V_pp的标度因数补偿模型。

根据光纤陀螺标度因数波长无关的数学模型及m参数的温度特性方程，改变调制基准电压V_pp，使得m/V_pp稳定，可以保证标度因数的稳定性。其中m参数为光纤陀螺的波长无关的温度特性系数，通过实验测量并拟合得到。

1、进行温度测试实验

基于发明人的专利ZL03105246.0的方法(杨远洪，张惟叙，马静.Y波导调制器半波电压测试方法.ZL03105246.0)，将Y波导及温度传感器置于温箱内，光纤环、光源及测试系统的其他器件则保持在室温(25℃)状态下，保证光源平均波长不变，将温箱温度分别控制在-40、-20、0、+20、+25、+40、+60℃，恒温保持1小时，同时记录温度值T、半波电压V_π以及光源平均波长λ。

2、建立m参数的温度特性方程

从测得的各温度点的半波电压值中除去波长值，得到Y波导在不同温度下的m参数，以不同的设定温度值和其温度下的m参数为样本，获得m参数的温度特性方程。图4是所用光纤陀螺m参数的温度特性曲线，由图4可看出m随温度成近线性变化，通过最小二乘拟合，得到关系式m＝m₀+f(T-T₀)，其中，m₀为T₀＝25℃时对应的参数值，f为斜率。

3、建立参数V_pp的补偿规律

有V_pp＝m/k＝V_pp0+f(T-T₀)/k，其中k＝K/(2^N+1LD/c)；V_pp0为T₀＝25℃时对应的调制基准电压值，有V_pp0＝m₀/k＝2V_π0，V_π0为T₀＝25℃时对应的半波电压值。

步骤3：在Y波导中集成微小型热敏电阻，并加入温度采集电路，通过此温度采集模块实时监测Y波导的工作温度。

步骤4：根据Y波导的工作温度与参数V_pp的标度因数补偿模型，得到该温度值对应的调制基准电压值，通过执行单元即补偿电路改变D/A转换器9的基准电压V_pp，从而最终实现标度因数的补偿。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于：该方法的步骤为：采用在光纤陀螺工作波段内波长稳定的激光光源作为Sagnac干涉仪的光源，仅将Y波导集成光学调制器放置于温箱中，在陀螺工作温度范围内，等间隔改变温箱内温度，测量不同温度下Y波导的半波电压V_π，V_π＝Gλ/n³γ₃₃lГ，其中：G为电极间距、λ为光源的平均波长、n为非寻常光折射率、γ₃₃为电光系数、l为电极长度、Γ为电光重叠积分因子，用测得的半波电压值除以激光光源波长值得到Y波导波长无关的本征调制参数m，m＝G/n³γ₃₃lГ，建立m参数的温度特性方程，在采用该Y波导的光纤陀螺中，实时监测Y波导的工作温度，并基于获得的m参数的温度特性方程调节光纤陀螺调制基准电压V_pp，使m/V_pp稳定到设定值，进而稳定光纤陀螺的标度因数。

2.根据权利要求1所述的一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于：进行Y波导集成光学调制器半波电压测试采用的光源是波长处于光纤陀螺工作波段内的高稳定激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于：建立了Y波导波长无关的本征调制参数m的温度特性方程。

4.根据权利要求1所述的一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，其特征在于：在光纤陀螺中，实时监测Y波导的工作温度作为模型补偿的输入参数，并基于获得的m参数的温度特性方程调节光纤陀螺调制基准电压V_pp，使m/V_pp稳定到设定值，进而稳定光纤陀螺的标度因数。

5.一种稳定光纤陀螺标度因数的装置，其特征在于：该装置需要在光纤陀螺中增加温度采集模块、标度因数补偿模块，在Y波导调制器中集成微小型热敏电阻，实时监测Y波导的工作温度T，并将温度信号传送给光纤陀螺的信号处理系统；在信号处理系统中根据实测的温度值T与实验得到的补偿规律，计算对应的调制基准电压V_pp，通过D/A转换器得到模拟量，改变调制基准电压V_pp，保证m/V_pp稳定到设定值，m为本征调制参数，从而最终实现标度因数的补偿。

6.根据权利要求5所述的一种稳定光纤陀螺标度因数的装置，其特征在于：微小型热敏电阻被集成在Y波导壳内，测量Y波导芯片温度。