CN107270884A - 一种光纤陀螺及抑制输出零偏随温度变化漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺，包括光源、光电探测器以及同时连接光源和光电探测器的耦合器，所述的耦合器依次连接Y波导和光纤环圈，所述的光电探测器依次连接前置放大器、AD转换电路、信号处理与补偿电路、DA转换电路和驱动电路之后与Y波导连接以形成闭环结构，所述的光源为掺饵光纤光源；还公开了抑制输出零偏随温度变化漂移的方法，在输入端部分采用高功率稳定度的掺铒光纤光源，在输出端采用温度的非线性多项式组合算法对零偏进行补偿，减小陀螺输出零偏的漂移，该方法完全符合工程上的要求，可以缩短光纤陀螺的启动时间以及提高光纤陀螺的精度，在惯性导航领域具有较好的实用价值与广阔的应用前景。

Description

一种光纤陀螺及抑制输出零偏随温度变化漂移的方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种光纤陀螺，以及光纤陀螺抑制输 出零偏随温度变化漂移的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态陀螺仪，通过测量沿光纤敏感环 圈顺逆旋转的两束光的相位差，来测量光纤敏感环相对于惯性空间的旋转角速 度。光纤陀螺因具有无转动部件的全固态结构，动态范围大、能耗低、抗冲击 能力强、体积小、无启动过程、寿命长等突出优点，已被广泛的应用于航空航 天、武器导航、机器人控制、及雷达等领域。

干涉式闭环光纤陀螺是一个由光路部分和信号处理电路部分共同构成的系 统；光路部分包括光源、藕合器、集成光学芯片(Y波导)、光纤环圈和光电探 测器，电路部分分两大块，一块是光源驱动电路，另一块是信号处理电路；干 涉式光纤陀螺仪中，光纤传播相位是温度依赖的、时变的，沿光纤敏感环的热 变化率会引入非互易相移，即Shupe误差，这会给光纤陀螺带来不可忽视的漂 移并限制其应用。

另外，光纤陀螺仪中的一些元器件如光源、Y波导、保偏光纤耦合器等性能 也会受温度影响。光源的特性对光纤陀螺的影响较大，光源光功率的变化直接 反映到光纤陀螺输出信号变化中。光功率的变化会引起光纤陀螺标度因数及零 偏的变化，从而影响光纤陀螺的动态性能。光纤陀螺除了要求光源具有体积小、 可靠性高、寿命长等特点外，还要求光源同时具有好的空间相干性和弱的时间 相干性，以减小瑞利后向散射噪声和偏振交扰的影响。以及为了提高系统的检 测阈值而要求光源必须高功率输出，为了提高与光纤的耦合效率而要求光源具 有低发散角。光纤陀螺中的许多误差均与光源特性有关，如输出功率和偏振度 的涨落引起光纤陀螺的零偏不稳定性，光谱的不对称性和中心波长的漂移产生 标度因数误差等。

影响光纤陀螺的温度变化既来源于外部环境，也受到系统内部发热元器件 的影响，这主要是指在工作过程中光源管芯发热、光电探测器发热以及电路中 的某些芯片发热。如果陀螺内部元器件由功耗转化成的热量不能及时地散发出 去，便会使内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量达到平衡为止， 对温度敏感的器件则会由于过高的热负荷而失效或者偏离原先的工作状态，从 而影响陀螺性能上的改变乃至正常使用。

研究抑制光纤陀螺输出零偏随温度变化而产生漂移，首先需要了解主要光 学器件的温度特性，然后依据其相关的温度特性参数选取合适的器件和进行合 理的结构设计，并在算法上对输出端零偏进行补偿。

发明内容

本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，提供一种能使光源的输出稳 定性大幅提升的光纤陀螺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤陀螺，包括陀螺壳 体、光源、光电探测器以及同时连接光源和光电探测器的耦合器，所述的耦合 器依次连接Y波导和光纤环圈，所述的光电探测器依次连接前置放大器、AD转 换电路、信号处理与补偿电路、DA转换电路和驱动电路之后与Y波导连接以形 成闭环结构，所述的光源为掺饵光纤光源。

本发明的目的之二在于提供一种抑制光纤陀螺受温度影响零偏漂移的方 法，解决背景技术中所涉及的光纤陀螺的缺陷，缩短光纤陀螺启动时间，提高 光纤陀螺的零偏稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制光纤陀螺输出零偏 随温度变化漂移的方法，包括如下步骤：

a)、在输入端光源部分采用功率稳定度较高的掺铒光纤光源；

b)、通过信号处理与补偿电路对陀螺输出零偏随温度、温度变化率、温度 梯度采用逐步回归分析法进行建立温度的非线性多项式模型；

c)、利用温度传感器与温度变化的关系，在输出端建立温度、温度梯度、 温度变化率及其交叉项的非线性多项式模型，对陀螺全温变化范围内多温变速 率下的输出零偏数据进行拟合，采用逐步回归分析法选择对陀螺漂移影响较大 的因素，建立温度补偿的非线性多项式模型，并对系数进行求解，最终将模型 系数固化在硬件电路内部，实现在不同应用环境下对陀螺输出零偏变化漂移的 实时补偿，以减小陀螺输出零偏的漂移。

所述的一种抑制光纤陀螺输出零偏随温度变化漂移的方法，其建立非线性 多项式模型步骤如下：

初步将与温度有关的输入自变量最高取到2阶，即

x₁＝T₁；x₂＝T₁ ²；x₃＝T₂-T₁；x₄＝(T₂-T₁)²；x₅＝dT₁/dt；x₆＝(dT₁/dt)²；x₇＝T₁(T₂-T₁)； x₈＝T₁(dT₁/t)；x₉＝(T₁-T₂)·dT₁/t；

其中T₁表示陀螺内壁传感器输出的温度数据，T₂为光纤环圈外壁温度，

此时温度补偿的模型的求解转化为多元线性回归问题，对应的回归方程为：

其中随机误差ε包含了影响y的其它因素，y应大致服从均值为零的正态分布，

应当将尽可能多的温度变化情况下陀螺的输出数据作为样本进行建模

本发明的有益效果是：在输入端部分采用高功率稳定度的掺铒光纤光源， 在输出端采用温度的非线性多项式组合算法对零偏进行补偿，减小陀螺输出零 偏的漂移，该方法完全符合工程上的要求，可以缩短光纤陀螺的启动时间以及 提高光纤陀螺的精度，在惯性导航领域具有较好的实用价值与广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的光纤陀螺结构示意图；

图2是本发明的光源光路结构图；

图3是本发明温度循环实验示意图；

图4是本发明方法剔除奇异值算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2所示，本发明公开了一种光纤陀螺，包括陀螺壳体、光源、 光电探测器以及同时连接光源和光电探测器的耦合器，所述的耦合器依次连接Y 波导和光纤环圈，所述的光电探测器依次连接前置放大器、AD转换电路、信号 处理与补偿电路、DA转换电路和驱动电路之后与Y波导连接以形成闭环结构， 所述的光源选用稳定度较高的掺饵光纤光源(ASE光源)，由于在输入端部分采 用了高功率稳定度的掺铒光纤光源，提高了陀螺系统的信噪比，降低了瑞利散 射，偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差，使光源的输出稳定性大幅提 升。

影响光纤陀螺零偏漂移的另一个因素是时变的环境温度、温度变化率和温 度梯度及其交叉项给光纤环圈带来的热致非互易性误差引起的，此项可以通过 算法上进行温度补偿解决。为了测量陀螺的温度变化，分别在光纤陀螺的外壳 和内壁安装了温度传感器铂电阻PT1000，一个温度传感器位于陀螺内壁，用于 检测陀螺内部温度的变化情况；另一个温度传感器位于陀螺壳体外壁，用于检 测环境温度的变化情况。

一种抑制光纤陀螺输出零偏随温度变化漂移的方法，包括如下步骤：

a)、在输入端光源部分采用功率稳定度较高的掺铒光纤光源，以减小光功 率的波动对陀螺输出产生的影响。

b)、通过信号处理与补偿电路对陀螺输出零偏随温度、温度变化率、温度 梯度采用逐步回归分析法进行建立温度的非线性多项式模型；通过不同环境下 的温度循环试验数据，进行模型拟合，求出模型系数并固化在输出端电路内部， 从而达到随陀螺输出零偏进行实时温度补偿，达到抑制输出零偏随温度变化漂 移的目的。

c)、利用铂电阻PT1000阻值与温度变化的关系，构建测温电路，为了方便 比较各因素对陀螺漂移影响的程度，我们逐个引入温度、温度变化率和温度梯 度三者，建立各因素与陀螺漂移的线性回归模型，分析拟合后的精度。然后， 在分析比较的基础之上，选择对陀螺漂移影响较大的因素，建立其非线性多项 式模型，对陀螺全温变化范围内多温变速率下的输出零偏数据进行拟合，采用 逐步回归分析法选择对陀螺漂移影响较大的因素，建立温度补偿的非线性多项 式模型，并对系数进行求解，最终将模型系数固化在硬件电路内部，实现在不 同应用环境下对陀螺输出零偏变化漂移的实时补偿，以减小陀螺输出零偏的漂 移。

该方法完全符合工程上的要求，可以缩短光纤陀螺的启动时间以及提高光 纤陀螺的精度，在惯性导航领域具有较好的实用价值与广阔的应用前景。

在设计掺饵光纤光源时，采用截断方法分别对多种不同长度的掺铒光纤进 行实验。通过改变驱动电流，并改变泵浦源的功率，调节ASE光源的中心波长， 并兼顾此时光源输出的光功率及光功率稳定性，可裁减ASE光源掺铒光纤的长 度。测试每一掺铒光纤长度时，观察泵浦源功率改变对光源输出所造成的影响， 以找到满足光源输出的中心波长(1550nm)，此时光源输出的光功率最大且稳定 性最佳。

影响光纤陀螺零偏漂移的另一个因素是时变的环境温度、温度变化率和温 度梯度及其交叉项给光纤环圈带来的热致非互易性误差引起的，此项可以通过 算法上进行温度补偿解决。为了测量陀螺的温度变化，分别在光纤陀螺的外壳 和内壁安装了温度传感器铂电阻PT1000，一个温度传感器位于陀螺内壁，用于 检测陀螺内部温度的变化情况；另一个温度传感器位于陀螺壳体外壁，用于检 测环境温度的变化情况。利用铂电阻PT1000阻值与温度变化的关系，构建测温 电路。为了方便比较各因素对陀螺漂移影响的程度，我们逐个引入温度、温度 变化率和温度梯度三者，建立各因素与陀螺漂移的线性回归模型，分析拟合后 的精度。然后，在分析比较的基础之上，选择对陀螺漂移影响较大的因素，建 立其非线性多项式模型。

初步将与温度有关的输入自变量最高取到2阶，即

x₁＝T₁；x₂＝T₁ ²；x₃＝T₂-T₁；x₄＝(T₂-T₁)²；x₅＝dT₁/dt；x₆＝(dT₁/dt)²；x₇＝T₁(T₂-T₁)； x₈＝T₁(dT₁/t)；x₉＝(T₁-T₂)·dT₁/t；其中T₁表示陀螺内壁传感器输出的温度数据，T₂为光纤环圈外壁温度，此时温度补偿的模型的求解转化为多元线性回归问题， 对应的回归方程为：

其中随机误差ε包含了影响y的其它因素，y应大致服从均值为零的正态分布。

为了能够反映陀螺在全温度范围内的工作情况，在建立温度模型的过程中， 应当将尽可能多的温度变化情况下陀螺的输出数据作为样本进行建模。

为此，我们将光纤陀螺置于-40℃～+60℃、+60℃～-40℃温度变化范围， 以不同温度变化率在温箱中进行温度循环实验，如图3所示，采用相同的设置 重复进行两次实验，并将各种情况下的数据随机地分为两组：一组作为样本集 用于建立温度漂移模型，另一组作为测试集用于验证模型的补偿效果。由于试 验中陀螺输出频率为400Hz，而温度为慢变量，数据处理前，将将陀螺输出漂移 数据和温度数据统一降采样为1Hz数据并进行计算。将测试数据作为回归方程 的输入，取显著性水平α＝0.05，通过编程得到与之对应的回归参数β_i、置信区间 [α₁,α₂]及其检验统计量R²,F,P，并对所得回归方程进行拟合优度R检验，F检验，P 值检验，检验_y与自变量(x_i1，x_i2，…x_im，)是否存在着显著性的相关关系。拟合优度R的 值越接近1表示自变量与回归模型之间具有越强的相关性。调用Matlab中的 rcplot函数可以得到参加建模数据的时序残差图，对实验数据中的奇异值进行 剔除。其算法流程如下图4，将剔除奇异值之后的数据作为模型输入，用同样的 方法可以得到回归模型参数，通过调用Matlab中的Stepwise函数进行逐步回 归分析，对所考察的全部自变量进行显著性检验，按照对y作用显著程度的大 小，取最显著的变量，逐一引入回归方程，对y作用不显著的那些变量自始至 终都不被引入。另一方面，已被引入回归方程的变量，在引入新变量后如发现 其对y的作用变得不显著时，则随时从回归方程剔除，直至没有新变量能引入 方程，且已引入方程的所有变量均不需要剔除为止。可以自动得到最优的回归 模型。综合考虑建模精度和模型复杂程度，最终选定得到回归模型的相关参数， 将：y＝β₀+β₁·T₁+β₂·T₁ ²+β₃·(T₁-T₂)+β₄·dT₁/dt作为最终补偿模型，并得到相应的 系数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例， 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以 做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺，包括陀螺壳体、光源、光电探测器以及同时连接光源和光电探测器的耦合器，所述的耦合器依次连接Y波导和光纤环圈，所述的光电探测器依次连接前置放大器、AD转换电路、信号处理与补偿电路、DA转换电路和驱动电路之后与Y波导连接以形成闭环结构，其特征在于：所述的光源为掺饵光纤光源。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺，其特征在于，所述的陀螺壳体内部安装有检测陀螺内部温度变化的温度传感器，所述的陀螺壳体外壁安装有检测环境温度变化的温度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺，其特征在于，所述的温度传感器为铂电阻PT1000。

4.一种抑制权利要求1中所述光纤陀螺输出零偏随温度变化漂移的方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)、在输入端光源部分采用功率稳定度较高的掺铒光纤光源；

b)、通过信号处理与补偿电路对陀螺输出零偏随温度、温度变化率、温度梯度采用逐步回归分析法进行建立温度的非线性多项式模型；

c)、利用温度传感器与温度变化的关系，在输出端建立温度、温度梯度、温度变化率及其交叉项的非线性多项式模型，对陀螺全温变化范围内多温变速率下的输出零偏数据进行拟合，采用逐步回归分析法选择对陀螺漂移影响较大的因素，建立温度补偿的非线性多项式模型，并对系数进行求解，最终将模型系数固化在硬件电路内部，实现在不同应用环境下对陀螺输出零偏变化漂移的实时补偿，以减小陀螺输出零偏的漂移。

5.根据权利要求4所述的一种抑制光纤陀螺输出零偏随温度变化漂移的方法，其特征在于，所述的步骤a)中，采用截断方法分别对多种不同长度的掺铒光纤进行实验，通过改变驱动电流，并改变泵浦源的功率，调节掺饵光纤光源的中心波长，并兼顾此时光源输出的光功率及光功率稳定性，裁减掺饵光纤的长度，在测试每一掺铒光纤长度时，观察泵浦源功率改变对光源输出所造成的影响，以找到满足光源输出的中心波长，实现光功率最大且稳定性最佳的光源输出。

6.根据权利要求4所述的一种抑制光纤陀螺输出零偏随温度变化漂移的方法，其特征在于，所述的建立非线性多项式模型步骤如下：

初步将与温度有关的输入自变量最高取到2阶，即

x₁＝T₁；x₂＝T₁ ²；x₃＝T₂-T₁；x₄＝(T₂-T₁)²；x₅＝dT₁/dt；x₆＝(dT₁/dt)²；x₇＝T₁(T₂-T₁)；x₈＝T₁(dT₁/t)；x₉＝(T₁-T₂)·dT₁/t；

其中T₁表示陀螺内壁传感器输出的温度数据，T₂为光纤环圈外壁温度，

此时温度补偿的模型的求解转化为多元线性回归问题，对应的回归方程为：

其中随机误差ε包含了影响y的其它因素，y应大致服从均值为零的正态分布，应当将尽可能多的温度变化情况下陀螺的输出数据作为样本进行建模。