CN106871931A

CN106871931A - 一种闭环光纤陀螺温度补偿方法

Info

Publication number: CN106871931A
Application number: CN201710202703.6A
Authority: CN
Inventors: 谷林; 梁霄; 李彬
Original assignee: Xian Flight Automatic Control Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Flight Automatic Control Research Institute of AVIC
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: CN106871931B

Abstract

本发明属于光纤传感、惯性导航技术领域，涉及一种闭环光纤陀螺温度补偿方法。本发明闭环光纤陀螺温度补偿方法是利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对闭环光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。本发明简化了电路软件及硬件设计，可进一步缩小陀螺体积、提高补偿精度，具有实现方法简单，成本低，可靠性高的特点，对提升光纤陀螺变温精度，进一步扩展光纤陀螺应用领域具有重要意义。

Description

一种闭环光纤陀螺温度补偿方法

技术领域

本发明属于光纤传感、惯性导航技术领域，涉及一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，具体涉及一种无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿方法。

背景技术

光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope，简称FOG)是利用光学萨格奈克效应(Sagnac)测量载体空间角速率的全固态惯性仪表。随着光纤陀螺技术及其应用领域的不断扩展，对光纤陀螺在变温环境下的精度要求不断提高。

目前，光纤陀螺在变温环境下精度劣化一直是影响光纤陀螺性能进一步提升及应用领域扩展的重要因素之一。通过建立光纤陀螺的温度模型，并在此基础上对光纤陀螺进行温度补偿，是提高陀螺变温精度的有效手段之一。如何实时、准确提取陀螺内部温度信息，则是准确进行陀螺建模补偿的前提条件。

现有光纤陀螺温度补偿均是通过在陀螺内部加贴温度传感器，根据温度传感器输出信息获取陀螺内部温度。根据所采用的温度传感器类型不同(模拟或数字)，现有技术可分为两类：一类是采用模拟温度传感器，其优点是体积小巧，测温精度高，成本低，但需搭建专门的数字量化采样电路，增加了陀螺控制电路的复杂性；第二类则是采用数字温度传感器，其优点是温度信息以数字量形式输出，无需额外搭建数字量化电路，但传感器自身体积较大、成本高、输出信号噪声大、温度分辨率较模拟温度传感器低，影响陀螺温度建模及补偿精度。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有光纤陀螺温度补偿技术存在的电路复杂、温度分辨率低、温度信号噪声大、成本高以及所需空间大等问题，本发明利用闭环光纤陀螺自身必须的集成光学调制器(简称Y波导)其半波电压与温度的线性相关特性，提出一种利用Y波导半波电压信息替代温度信息进行闭环光纤陀螺温度补偿的方法。

本发明的技术方案：一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，其利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。

所述基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺包括干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206、第一闭环反馈模块207、反馈放大器增益控制模块208、反馈放大器209、Y波导210，其中，干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206顺次连接，双闭环控制模块206分别经第一闭环反馈模块207和反馈放大器增益控制模块208连接到反馈放大器209，反馈放大器209再经Y波导210连接干涉仪201形成闭环。

所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其包括如下步骤：

步骤1：编写基于四态调制的闭环光纤陀螺FPGA控制程序，将陀螺通过经反馈放大器增益控制模块208的第二闭环提取的Y波导半波电压变信息替代温度信息随陀螺零偏信息一起输出；

步骤2：将加载步骤1所述FPGA控制程序的闭环光纤陀螺置于事先设置好变温程序的温箱中，并将闭环光纤陀螺与数据采集系统可靠连接；

步骤3：闭环光纤陀螺上电，开启闭环光纤陀螺数据采集系统，同时启动温箱，在温箱整个运行过程中，连续采集陀螺输出数据；

步骤4：依据步骤3所采集到的闭环光纤陀螺补前原始数据，通过最小二乘法确定陀螺零偏与Y波导半波电压的一次线性补偿模型B(v)＝b₀+k₁v+k₂v′的系数b₀、k₁、k₂的值，其中，b₀为陀螺常温零偏，v为半波电压码值，v′半波电压码值梯度，B(v)补偿后的陀螺零偏；

步骤5：将步骤4所确定的一次线性补偿模型写入FPGA控制程序，使得闭环光纤陀螺控制程序包含温度补偿信息，实现温度补偿。

所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，对经步骤5补偿后的陀螺零偏进行补后零偏测试，测试过程同步骤2、步骤3。

本发明的有益效果：本发明利用闭环光纤陀螺现有基本结构实现无温度传感器补偿，简化了电路软件及硬件设计，可进一步缩小陀螺体积、提高补偿精度，具有实现方法简单，成本低，可靠性高的特点，对提升光纤陀螺变温精度，进一步扩展光纤陀螺应用领域具有重要意义。

附图说明

图1为本发明闭环光纤陀螺结构示意图；

图2为带双回路的闭环光纤陀螺控制原理示意图；

图3为闭环光纤陀螺四态调制波形示意图；

图4为完全补偿时的干涉信号示意图；

图5为没有完全补偿时的干涉信号；

图6为Y波导半波电压漂移时干涉信号输出示意图；

图7为带Y波导半波电压码值的陀螺补前零偏输出示意图；

图8为陀螺依据补前输出数据建立的零偏补偿模型示意图；

图9为补偿结果示意图。

其中，图1中101-光源、102-光电探测器、103-2×2耦合器、104-集成光学调制器(Y波导)、105-光纤环、106-前放电路、107-FPGA信号处理模块、108-Y波导驱动电路108；图2中201-干涉仪、202-光电检测模块、203-前放电路模块、204-D/A转换模块、205-数字解调模块、206-双闭环控制模块、207-第一闭环反馈模块、208-反馈放大器增益控制模块、209-反馈放大器、210-Y波导。

具体实施方式

光纤陀螺目前面临的主要问题是在变温环境中下光纤环产生温度误差(shupe误差)，从而引起陀螺精度劣化。目前普遍采用四极、八极对称绕制光纤环的光纤陀螺，其零偏输出与陀螺温度梯度有较好的相关性，因此对光纤陀螺进行温度补偿，是提升陀螺变温精度的有效途径。目前现有技术均利用温度传感器进行温度补偿，存在需要增加额外温度采样电路(采用模拟温度传感器方案)；温度分辨率低、温度信号噪声大、成本高以及所需空间大(数字温度传感器方案)等问题。

本发明基于图1所示的基本闭环光纤陀螺结构实现，但并不局限于该结构。由图1所示，该结构包括:光源101、光电探测器102、2×2耦合器103、集成光学调制器(Y波导)104、光纤环105、前放电路106、FPGA信号处理模块107、Y波导驱动电路108等主要组成部分。

以下结合附图1对本发明做进一步详细说明。

参见图1所示，本发明利用闭环光纤陀螺重要组成部分Y波导，“其半波电压与温度成近似线性关系，且具有良好重复性”，这一特性，通过基于四态调制的光纤陀螺双闭环控制方案，提取Y波导半波电压替代陀螺温度信息，对陀螺进行温度补偿，从而解决了现有技术存在的问题。以下对本发明基本原理进行详细说明。

1)Y波导半波电压变化温度线性相关性原理

Y波导是以铌酸锂做衬底材料，根据铌酸锂线性光电效应，采用Z向通光，恒向加电压的工作方式，在Y波导上产生的对应相移动如式(1)所示：

式中：γ为晶体电光系数，Γ为光场与电场有效重叠系数，L为调制波导长度，V加在波导上的调制电压，b为波导电极间距，n_e为波导折射率。当时，外加电压成为Y波导的半波电压，如(2)式：

由(2)式可见，Y波导的半波电压主要与铌酸锂的材料特性和制作工艺相关，因而对于每一只Y波导器件，其半波电压具有较好重复性。忽略波长随温度的轻微变化，只考虑温度对L、b和n_e的影响，对式(1)进行全微分，可得：

由相关文献可知，铌酸锂晶体的轴向膨胀系数为：

径向热膨胀系数为：

折射率随温度的变化系数为：

由(3)～(6)可知，相移随温度的变化量与温度变化近似成线性关系，可以用

表示。所以这里可以建立Y波导大半波电压随温度变化的模型如下：

ΔV_π＝KΔT+δ_e (7)

式中：K为Y波导半波电压随温度变化的比列因子，由Y波导材料及制造工艺决定，对于特定Y波导具有良好的重复性。δ_e为非线性误差。

通过以上理论分析可以看出，对于给定的Y波导，其半波电压变化与温度变化成近似线性关系，且具有固定重复性。本发明正是利用该特性，以Y波导半波电压变化替代温度变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺温度建模与补偿。

2)基于四态调制的Y波导半波电压提取原理

如何实时提取Y波导半波电压变化信息，是实现本发明的又以关键所在。当前闭环光纤陀螺普遍采用基于四态调制的双闭环控制方案，可利用该方案第二闭环控制量可实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息。改方案基本组成如图2所示，包含：干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206、第一闭环反馈模块207、反馈放大器增益控制模块208、反馈放大器209、Y波导210。其中，干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206、第一闭环反馈模块207、反馈放大器209、Y波导210顺次连接构成第一闭环。干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206、反馈放大器增益控制模块208、反馈放大器209、Y波导210顺次连接构成第二闭环。

通常方法是在方波偏置调制情况下，将Y波导半波电压误差(等效为阶梯波2π电压误差)作为第二闭环回路输入信号，通过调整反馈放大器增益，即可实现对Y波导半波电压进行闭环跟踪补偿。将半波电压码替代温度信息随陀螺零偏信息实时输出，即可实现无温度传感器的陀螺温度建模与补偿。

为确保实时提取Y波导半波电压信息，需采用基于四态调制的双闭环控制方案，以实时跟踪半波电压变化。四态调制法由4个取值不同的偏置相位构成偏置序列，分别为和其值分别为：π、0、取π/8每个偏置相位的时间跨度为τ/2，周期为2τ，对应波形为图3中的波形。

干涉光强信号检测周期为τ/2，调制周期为τ。周期性的偏置相位序列使得Sagnac干涉仪的2束相干光之间周期性地产生4个取值不同的偏置相移差即：

当τ取值为4τ时，由式(8)有

对应波型如图3所示。陀螺干涉信号输出为：

那么在第一个调制周期的前半周期内陀螺干涉信号输出为：

在后半个周期内陀螺干涉信号为：

则第一个周期τ内陀螺输出为

同理可知第二个周期τ内陀螺输出为

若陀螺的Sagnac相移被第一闭环阶梯波反馈相移补偿，即则干涉信号输出为带有梳状脉冲的直线(如图4所示)。

当时，陀螺闭环系统没有达到平衡，前后两个τ时间内干涉信号强度不再相等(如图5所示)，其差值ΔI为:

第一闭环利用ΔI作为控制量去控制阶梯波发生器，改变阶梯波阶梯高度，从而也就改变了阶梯波产生的相移使得第一闭环回路重新达到平衡。

如图6所示，由于温度的变化，Y波导半波电压会随之改变，加载在Y波导上的调制电压产生的相移变为原来的1+ε倍，则干涉信号强度为

由于所以

在一个τ周期内，前后半周期里干涉信号不再相等。即I₁₁≠I₁₂(I₂₁≠I₂₂)，其对应的偏置相位差变化幅值不等。根据(11)和(12)得其差值为：

由图6可以看出，当反馈相位发生漂移时，输出干涉信号中会以2倍的本征频率1/τ出现一个误差信号ΔI‘。将ΔI‘作为第二闭环反馈控制量(如图2)，控制D/A输出回路增益k_c,使相位调制器产生正确的相位，从而实现系统自动跟踪补偿相位漂移。系统跟踪Y波导半波电压漂移的过程，同时也是提取半波电压随温度变化规律的构成，通过前面分析的Y波导半波电压变化同温度变化为线性关系，即可间接提取温度变化规律。通过上述分析可以看出，四态调制可在1个τ时间内完成对Y波导半波电压漂移的跟踪，从而实现对温度信息的间接实时跟踪。

以上即为通过提取闭环光纤陀螺Y波导半波电压实时变化量，根据其与温度变化的线性关系，以之替代温度信息，对陀螺进行温度建模与补偿的基本原理。

本发明对陀螺进行温度补偿分为以下步骤

步骤1：编写基于四态调制的闭环光纤陀螺FPGA控制程序，将陀螺通过第二闭环提取的Y波导半波电压变信息替代温度信息随陀螺零偏信息一起输出；

步骤2：将加载步骤1所述FPGA程序的光纤陀螺置于事先设置好变温程序的温箱中，并将陀螺与数据采集系统可靠连接；

步骤3：陀螺上电，开启陀螺采集系统，同时启动温箱。在温箱整个运行过程中，连续采集陀螺输出数据；

步骤4：依据步骤3所采集到的陀螺补前原始数据，通过最小二乘法确定陀螺零偏与Y波导半波电压的一次线性补偿模型B(v)＝b₀+k₁v+k₂v′的系数b₀、k₁、k₂的值；

步骤5：将步骤4所确定的补偿模型写入FPGA程序；

步骤6:对经步骤5补偿后的陀螺零偏进行补后零偏测试，测试过程同步骤2、步骤3。

实施实例

1)按图1所示结构，选一只环长为1200米，常温精度0.007°/h闭环光纤陀螺进行补前变温零偏测试(温度范围-40℃～+60℃，变温速率1℃/min)。陀螺补前输出如图7所示，其中实线为零偏数据，虚线为Y波导半波电压码值数据；

2)依据陀螺输出的补前零偏及半波电压数据，通过最小二乘法确定陀螺补偿模型系数b₀、k₁、k₂值，经计算b₀＝8.4752、k₁＝0.0043、k₂＝0.2046，所建立补偿模型为：

B(v)＝8.4752+0.0043v+0.2046v′

依据该补偿模型对陀螺进行补偿，补偿结果如图8虚线所示；

3)根据所建立的补偿模型，对陀螺进行补偿；

4)对经过补偿的陀螺重新进行变温测试，补偿后测试结果如图9虚线所示。

陀螺改善结果：如图9所示，陀螺变温精度由补前0.11°/h(实线)提升为补后0.015°/h(虚线)，补偿效果显著。

与其它光纤陀螺温度补偿方法相比，本发明无需温度传感器，无需额外的量化电路，具有电路结构简单，成本低廉，占用陀螺空间小，抗干扰性强等有点。可有效的解决目前小型化低成本光纤陀螺温度补偿问题。

Claims

1.一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。

2.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，所述基于四态调制的双闭环光纤陀螺包括：干涉仪(201)、光电检测模块(202)、前放电路模块(203)、D/A转换模块(204)、数字解调模块(205)、双闭环控制模块(206)、第一闭环反馈模块(207)、第二闭环反馈模块(208)、反馈放大器(209)、Y波导(210)；其中，干涉仪(201)、光电检测模块(202)、前放电路模块(203)、D/A转换模块(204)、数字解调模块(205)、双闭环控制模块(206)顺次连接，双闭环控制模块(206)分别经第一闭环反馈模块(207)和反馈放大器增益控制模块(208)连接至反馈放大器(209)，反馈放大器(209)再经Y波导(210)连接至干涉仪(201)形成闭环。

3.根据权利要求2所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：编写基于四态调制的闭环光纤陀螺FPGA控制程序，将陀螺通过经反馈放大器增益控制模块(208)的第二闭环提取的Y波导半波电压信息替代温度信息随陀螺零偏信息一起输出；

步骤4：依据步骤3所采集到的闭环光纤陀螺补前原始数据，通过最小二乘法确定陀螺零偏与Y波导半波电压的一次线性补偿模型B(v)＝b₀+k₁v+k₂v′的补偿系数b₀、k₁、k₂的值；其中，b₀为陀螺常温零偏，v为Y波导半波电压码值，v′为Y波导半波电压码值梯度，B(v)为补偿后的陀螺零偏；

4.根据权利要求3所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，对经步骤5补偿后的陀螺零偏进行补后零偏测试，测试过程同步骤2、步骤3。