CN106441368A - 一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置。将光纤陀螺的光纤环置于温控环境的转台上，将光纤陀螺非光纤环部分置于外部转台，在温控环境温度变化控制的同时控制转台进行特定角速度控制，采集光纤陀螺的耦合器输出的数据利用数据处理算法进行处理，获得光纤环温变特性；所述测量装置连接在对光纤陀螺的光学系统上，包括探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和置于温控箱下的转台。本发明方法可对光纤陀螺光纤环结构温度性能进行测试评估，方法简单可靠，测量时间短，为光纤陀螺标度因数高温度稳定性的提高提供基础。

Description

一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤陀螺光纤环温变特性测量，主要用于光纤环温度性能的提升方案的筛选，与光纤陀螺光学标度因数相关的温度效应测试，以及光纤陀螺标度因数温度稳定性提升，方法简单可靠，测量时间短。

背景技术

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点。光纤陀螺在航空、航天、航海和兵器等军用领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注。进入21世纪后，光纤陀螺已成为惯性测量和制导领域的主流仪表之一。

光纤环是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间Sagnac相位差的部件，因而是影响光纤陀螺性能的主要因素。光纤环可以分为脱骨架的光纤环和有骨架的光纤环。

由Sagnac效应可知，光纤环的光纤长度越长、平均直径越大，则标度因数越大，光纤陀螺灵敏度越高，动态范围越小。故通过改变光纤环的结构尺寸可以改变光纤陀螺的灵敏度和动态范围。

光纤环的光纤长度L、平均直径D影响光纤陀螺的测量范围、灵敏度和陀螺的外形尺寸。L和D的乘积越大，光纤陀螺越敏感。

光纤环本身的热胀冷缩和骨架的热膨胀会引起L和D的乘积的变化，直接影响光纤陀螺的标度因数，因此温度的变化将引起光纤陀螺标度因数的变化。

光纤环的直径和光纤的长度对光纤陀螺的性能影响在Sagnac效应表达式中有明确的体现。因而光纤陀螺在温变环境下标度因数会发生变化。国外可以将该变化控制在1ppm/℃，相比之下，国内在这方面仍存在差距。为改善标度因数温度效应，其中最重要方案之一的是改善光纤环温变特性，而因此本发明提出了一种对光纤陀螺光纤环温变特性进行测试的专用方法和装置。

发明内容

针对光纤陀螺光纤环温变特性，本发明的目的在于提供了一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置。

本发明的技术方案是：

一、一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法：

将光纤陀螺的光纤环置于温控环境的转台上，将光纤陀螺非光纤环部分置于外部，在温控环境温度变化控制的同时控制转台进行特定角速度控制，采集光纤陀螺的耦合器输出的数据利用数据处理算法进行处理，获得光纤环温变特性。

所述采集光纤陀螺的耦合器输出的数据的时刻是温控环境内温度稳定的时刻。温控环境的温度变化一般可以是间隔20摄氏度依次递增变化，再递减，以此循环。

所述的特定角速度控制是将转台从静止(角速度为0)开始，以恒定加速度a加速直至角速度为ω₀，随后再以恒定加速度a减速直到角速度为-ω₀，接着以加速度a加速直到角速度为0，以此重复循环50次以上；

上述角速度ω₀满足：ω₀>λc/LD，式中λ为光源平均波长，波动忽略不计，c为真空中光速，D为光纤环的线圈平均直径，L为光纤环的光纤长度。

所述的数据处理算法具体是：针对采集获得的耦合器输出数据，通过时域平均获得角速度从-ω₀到ω₀的时域平均数据，用时域平均数据进行拟合获得数据时域周期T_t，再采用以下公式计算获得光纤长度L和平均直径D乘积随温度变化的光纤环特征参数：

式中，a为转台角加速度，T_t为探测光强的时域周期，λ为光源平均波长，波动忽略不计，c为真空中光速，D为光纤环的线圈平均直径，L为光纤环的光纤长度，T为测试温度，[LD]_T为测试温度T下L与D的乘积，即光纤环特征参数。

二、一种光纤陀螺光纤环温变特性测量装置：

所述测量装置连接在对光纤陀螺的光学系统(包括光源、控温电路、耦合器、Y波导相位调制器、光纤环)上，对光学系统进行测试，包括探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和置于温控箱下的转台，光纤陀螺光学系统中的耦合器的输出端依次经探测器、信号放大器、模数转换器后与数字信号处理芯片连接，将光纤陀螺光学系统的光纤环置于温控环境的转台上，转台连接电机，由电机控制转台以特定角速度旋转控制，将光纤陀螺光学系统的非光纤环部分置于温控环境转台的外部。

所述的探测器探测光纤陀螺光学系统中耦合器的输出端光强，探测器信号经信号放大器后输入到模数转换器转换，数字信号处理芯片采集模数转换器信号，并连接传输到上位机。

本发明原理为，根据Sagnac干涉仪的原理可知，由角速度引起的两束光波相位差为：

式中，λ为光源的平均波长，c为真空中光速，D为线圈平均直径，L为光纤长度，△φ_R为由Ω转速产生的相位差。

干涉式光纤陀螺的干涉光强表示为：

I＝I₀(1+cos△φ_R)

若需产生2π相位差，则输入转速信号为：

由上可知在某一温度下，只需获得产生2π相位差的角速度输入即可获得该温度下光纤环特性，由此获得光纤环温变特性。

本发明的有益效果是：

本发明能测试获得光纤长度L、平均直径D乘积随温度变化的特性，可用于光纤陀螺光纤环温度性能评价及筛选，方法简单可靠，避免了非光纤环部分的干扰，为提高光纤陀螺标度因数温度稳定性提供基础。

本发明方法可对光纤陀螺光纤环结构温度性能进行测试评估，方法简单可靠，测量时间短，为光纤陀螺标度因数高温度稳定性的提高提供基础。

附图说明

图1是本发明测试装置的转台结构图。

图2是本发明测试装置的电气结构示意图。

图3是本发明测试方法的温度控制图。

图4是本发明测试方法的时序控制图。

图5是本发明测试方法测量两光纤环结构获得其光纤环参数随温度变化曲线。

图1中：1、温控箱，2、温箱内转台，3、光纤环，4、温控转台的电机，5、光纤陀螺光学系统的非光纤环部分，6、温箱外转台。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例如下：

实施的测量装置放置于温控转台中，如图1所示，数据采集及供电通过温控转台内部滑环进行连接。将光纤陀螺光学系统的光纤环3置于温控箱1中温控环境的转台2上，转台2连接电机4，由电机4控制转台2以特定角速度旋转控制，将光纤陀螺光学系统的非光纤环部分5置于温控环境外部的转台6，与转台2相同的转动情况，数据采集及供电通过温控转台内部滑环进行连接。

测量装置包括探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和置于温控箱1下的转台2，如图2所示，光纤陀螺光学系统中的耦合器的输出端依次经探测器、信号放大器、模数转换器后与数字信号处理芯片连接，如图2所示。

如图2所示，探测器探测光纤陀螺光学系统中耦合器的输出端光强，探测器信号经信号放大器后输入到模数转换器转换，数字信号处理芯片采集模数转换器信号，并连接传输到上位机。

因需测试不同温度下光纤环特性，故采用如图3所示的温度控制，从室温降为至-40℃后开始第一次测试，随后分别测试-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃条件下光纤环特性，如需获得更详细的光纤环温度特性，可将温度点设置的更为密集，测试时间也相应的更长。

在某一温度下进行测试时，转台由静止(角速度为0)开始以恒定加速度a加速，直至角速度为ω₀(ω₀>λc/LD，式中λ为光源平均波长，波动忽略不计，c为真空中光速，D为光纤环的线圈平均直径，L为光纤环的光纤长度。)，随后恒定加速度a减速，直到角速度为-ω₀；再以加速度a加速，直到角速度为0，并重复以上循环50次以上。

例如，针对光源平均波长为1310nm，光纤环长1km，平均直径0.1m的待测设备，设置以下参数：

ω₀＝300°/s(>3.93rad/s)

a＝10°/s²

式中，ω₀为最大角速度，a为设定的角加速度，T为执行一个循环所用时间。

根据转台精度可设置更小的角加速度，但会稍微增加测试时间。根据该测试流程，获得角加速度及角速度变化趋势如图4所示，用公式可以表示如下：

在某一固定温度下，可认为光纤环性能不变，故其产生的Sagnac相位差为

式中λ为光源平均波长，在采用相应温控电路的情况下，可认为波动较小，忽略不计，c为真空中的光速，L、D分别为光纤环长度和光纤环平均直径，△φ_R(t)为在设定测试流程下，Sagnac相位差变化。

如图4所示，△φ_R(t)峰峰值大于4π，以获得完整的周期信号。

根据干涉式光纤陀螺干涉光强公式可得，探测器信号呈现如图4所示。

设探测器信号中一个余弦相位的周期为T_t，则

ω_T＝aT_t

式中T为测试环境温度，ω_T即为该测试环境温度T下光强随角速度输入变化的周期，也即Sagnac相位差为2π对应的角速度输入。也即：

式中T表示不同测试环境温度，[LD]_T为该测试环境温度T下光纤陀螺光纤环参数，λ为光源平均波长，在采用相应温控电路的情况下，可认为波动较小，忽略不计，c为真空中的光速。

对不同温度点进行测试即可获得光纤环温度特性。以下是对两种不同结构进行测试仿真计算流程及数据。

测试过程中，以加速度a＝10°/s²，最大角速度为ω₀＝300°/s(>3.93rad/s)进行测试，分别测试-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃六个温度点。得到以下表格，(因使用的采样频率为2000Hz，故时间精度可以到万分之一左右)

表1

根据上述表格数据及前文所述公式进行计算得，两种不同结构光纤环参数如下表。

表2

将光纤陀螺光纤环参数[LD]_T与温度的函数关系绘制成图，如图5所示。由图5及上表可知，光纤环结构2光纤环参数的温度温度性明显优于光纤环结构1

通过对不同结构或材料的光纤陀螺光纤环进行测试，可从中验证并获取最佳结构，为更高精度光纤陀螺打下基础。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法，其特征在于该方法如下：将光纤陀螺的光纤环置于温控环境的转台上，将光纤陀螺非光纤环部分置于外部，在温控环境温度变化控制的同时控制转台进行特定角速度控制，采集光纤陀螺的耦合器输出的数据利用数据处理算法进行处理，获得光纤环温变特性。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法，其特征在于：所述采集光纤陀螺的耦合器输出的数据的时刻是温控环境内温度稳定的时刻。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法，其特征在于：所述的特定角速度控制是将转台从静止(角速度为0)开始，以恒定加速度a加速直至角速度为ω₀，随后再以恒定加速度a减速直到角速度为-ω₀，接着以加速度a加速直到角速度为0，以此重复循环50次以上；

上述角速度ω₀满足：ω₀>λc/LD，式中λ为光源平均波长，c为真空中光速，D为光纤环的线圈平均直径，L为光纤环的光纤长度。

4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法，其特征在于：所述的数据处理算法具体是：针对采集获得的耦合器输出数据，通过时域平均获得角速度从-ω₀到ω₀的时域平均数据，用时域平均数据进行拟合获得数据时域周期T_t，再采用以下公式计算获得光纤长度L和平均直径D乘积随温度变化的光纤环特征参数：

${\[LD\]}_T=\frac{\mathrm{\λ}c}{{\mathrm{aT}}_t}$

式中，a为转台角加速度，T_t为探测光强的时域周期，λ为光源平均波长，波动忽略不计，c为真空中光速，D为光纤环的线圈平均直径，L为光纤环的光纤长度，T为测试温度，[LD]_T为测试温度T下L与D的乘积，即光纤环特征参数。

5.用于实施权利要求1-4任一所述的一种光纤陀螺光纤环温变特性测量装置，其特征在于：所述测量装置连接在对光纤陀螺的光学系统上，包括探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和置于温控箱(1)下的转台(2)，光纤陀螺光学系统中的耦合器的输出端依次经探测器、信号放大器、模数转换器后与数字信号处理芯片连接，将光纤陀螺光学系统的光纤环(3)置于温控环境的转台(2)上，转台(2)连接电机(4)，将光纤陀螺光学系统的非光纤环部分(5)置于温控环境外部的转台(6)。

6.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺光纤环温变特性测量装置，其特征在于：所述的探测器探测光纤陀螺光学系统中耦合器的输出端光强，探测器信号经信号放大器后输入到模数转换器转换，数字信号处理芯片采集模数转换器信号，并连接传输到上位机。