CN107543537B - 一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，涉及光纤陀螺技术领域，步骤为：(1)采集光纤陀螺对应的光源当前的实际工作温度；(2)根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长；(3)根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长，获取所述光源的驱动电流变化量；(4)根据所述光源的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整，将所述光源当前的光波长调整为与光源的初始工作温度值对应的光波长。本发明利用光源的驱动电流实时补偿光源的光波长变化，从而保证光源的光波长的稳定性。

Description

一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型角速度传感器，其具有全固态结构、可靠性高、寿命长、抗振动能力强等优点，已经广泛应用于各种惯性仪表领域。其中，标度因数是评价光纤陀螺的一项重要指标，光纤陀螺的标度因数K可以表示为：其中，R为光纤环的半径，L为光纤环的长度，λ为真空中的光波长，c为真空中的光速，K_D为信号检测电路的解调增益。由上式可知，光纤陀螺的标度因数不仅与光纤环的半径R和长度L相关，还受光源的光波长λ的影响。

由于光源的光波长取决于光源的温度和光源的驱动电流，目前为了减小光波长对光纤陀螺标度因数的影响，主要采取以下两种方案：一是通过控制电路对光源采取恒温、恒流控制方案；二是通过软件方法对陀螺输出数据补偿。

然而由于光源的实际工作温度受控制电路参数的影响，存在温控误差，影响光源的光波长稳定性，最终影响光纤陀螺的标度因数稳定性；同时受光纤陀螺环境、温度、功耗等因素的影响，尤其在高低温环境下，光源的控制电路性能会恶化，无法保证光源的温度不产生变化，进而导致光源光波长发生漂移，严重影响光纤陀螺全温范围内的标度因数稳定性；并且对陀螺输出数据补偿属于事后补偿，不仅增加了软件的复杂度，还对模型的精度和软件的实时性提出了很高的要求，间接增加了系统的设计成本。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法。该方法利用光源的驱动电流实时补偿光源的光波长变化，可以解决光纤陀螺全温范围内的标度因数稳定性较低的问题，同时可以解决软件的复杂度和系统的设计成本较高的问题。

本发明的技术解决方案是：一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，包括如下步骤：

(1)采集光纤陀螺对应的光源当前的实际工作温度；

(2)根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长；

(3)根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长，获取所述光源的驱动电流变化量；

(4)根据所述光源的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整，将所述光源当前的光波长调整为与光源的初始工作温度值对应的光波长。

进一步地，根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长的方法为：

根据公式和进行计算，其中，T_S0为光源的初始工作温度，T_M为光源当前的实际工作温度，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，X为正整数，K_Ti为光源光波长与光源温度之间关系的拟合系数。

进一步地，根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长的方法为：

根据公式进行计算，其中，△I为光源的驱动电流变化量，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，Y为正整数，K_λi为光源驱动电流与光源光波长之间关系的拟合系数。

进一步地，根据所述光源的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整的方法为：

根据所述驱动电流变化量获取调整后的所述光源的控制电路的控制电压；

将所述控制电路的输入电压调整为所述控制电压。

进一步地，根据所述驱动电流变化量获取调整后的所述光源的控制电路的控制电压的方法为：

根据公式V_in＝V_in0-(R₀+R₁)ΔI进行计算，其中，V_in为调整后的所述光源的控制电路的控制电压，V_in0为当前控制电路的控制电压，ΔI为驱动电流变化量，R₀为光源的内阻，R₁为控制电路的等效电阻。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明根据光源的实时温度获取光源的实时驱动电流，并利用光源的驱动电流实时补偿光源的光波长变化，即将随光源的实际工作温度变化后的光波长调整为与初始工作温度值对应的光波长，从而保证光源的光波长的稳定性，进而在降低光波长对光纤陀螺标度因数的影响，提高光纤陀螺的环境适应性的同时，降低了系统的设计成本和设计复杂度。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明提供的光源温度与光波长关系的测试框图；

图3为本发明提供的光源驱动电流调节电路示意图。

具体实施方式

本发明方法的流程框图如图1所示，下面对图1中本发明方法的具体步骤进行详细阐述：

(1)采集光纤陀螺对应的光源当前的实际工作温度。

(2)根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长。

具体地，根据公式进行计算，其中，T_S0为光源的初始工作温度，T_M为光源当前的实际工作温度，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，X为正整数，K_Ti为光源光波长与光源温度之间关系的拟合系数。

其中，光源温度与光波长的获取测试框图可以如图2所示，图中包含光源、光源控制模块和光波长测试模块。光源自身包含温控接口、驱动接口和温度采集接口。光源控制模块包含三部分：驱动电路、温控电路和温度采集电路。驱动电路根据驱动电流设定值为光源提供恒定的驱动电流；温控电路根据温度设定值对光源进行温度闭环控制；温度采集电路用于采集光源的实际工作温度。光波长测试模块用于测试光源的光波长，根据测试结果记录光源的光波长信息。

下面对光波长变化量与光源的温度之间的计算公式的推理过程进行解释说明：光纤陀螺中光源一般为恒温、恒流工作，令光源的恒温工作温度为T₀，恒流驱动电流为I₀。光源温度与光波长关系的测试过程中，首先设定光源的驱动电流为I₀，然后分别设定光源的恒温工作温度为T₀+N△T、T₀+(N-1)△T、T₀+(N-2)△T、……、T₀+2△T、T₀+△T、T₀、T₀－△T、T₀－2△T、……、T₀－(N-2)△T、T₀－(N-1)△T、T₀－N△T，其中N为正整数，△T为温度设定值的梯度差。分别记录光源不同温度设定值时的光源实际工作温度T_SN、T_S(N-1)、T_S(N-2)、……、T_S2、T_S1、T_S0、T_S(-1)、T_S(-2)、……、T_S(2-N)、T_S(1-N)、T_S(-N)，以及光源不同温度设定值时的光波长测试结果λ_TN、λ_T(N-1)、λ_T(N-2)、……、λ_T2、λ_T1、λ_T0、λ_T(-1)、λ_T(-2)、……、λ_T(2-N)、λ_T(1-N)、λ_T(-N)，将上述数据带入到公式得到光源光波长λ_Tn与光源温度T_Sn之间关系的拟合系数K_Ti，X为正整数，X值越大拟合精度越高，X一般取值为2或者3。

(3)根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长，获取所述光源的驱动电流变化量。

具体地，根据公式进行计算，其中，△I为光源的驱动电流变化量，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，Y为正整数，K_λi为光源驱动电流与光源光波长之间关系的拟合系数。

下面对驱动电流变化量与光波长变化量之间的计算公式的推理过程进行解释说明：首先设定光源的恒温工作温度为T₀，然后分别设定光源的驱动电流为I₀+M△I、I₀+(M-1)△I、I₀+(M-2)△I、……、I₀+2△I、I₀+△I、I₀、I₀－△I、I₀－2△I、……、I₀－(M-2)△I、I₀－(M-1)△I、I₀－M△I，其中M为正整数，△I为驱动电流设定值的梯度差。分别记录光源不同驱动电流设定值时的光波长测试结果λ_IM、λ_I(M-1)、λ_I(M-2)、……、λ_I2、λ_I1、λ_I0、λ_I(-1)、λ_I(-2)、……、λ_I(2-M)、λ_I(1-M)、λ_I(-M)，将上述数据带入到公式得到光源驱动电流I_Sm与光波长λ_Im之间关系的拟合系数K_λi，其中Y为正整数，Y值越大拟合精度越高，Y一般取值为2或者3。

(4)根据所述光源对应的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整，得到与光源的初始工作温度值对应的光波长。

具体地，根据所述驱动电流变化量获取调整后的所述光源的控制电路的控制电压，然后将所述控制电路的输入电压调整为所述控制电压。对于本发明实施例，驱动电流可以通过如图3所示的控制电路进行调整，光源D1的驱动电流I₀由I₁和I₂两部分组成：I₂为恒流源，向光源提供工作时所需的恒定偏置电流；I₁为压控电流源，通过控制电压V_in、运算放大器A1和等效电阻R1调节电流I₁的大小，达到调节光源驱动电流I₀的目的。图3所示的光源控制电路中，通过调节控制电压V_in可以光源恒流附近微调光源的驱动电流。

其中，根据公式V_in＝V_in0-(R₀+R₁)ΔI计算光源的控制电路的控制电压，其中，V_in为调整后的所述光源的控制电路的控制电压，V_in0为当前控制电路的控制电压，ΔI为驱动电流变化量，R₀为光源的内阻、R₁为控制电路的等效电阻。

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 (5)

1.一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集光纤陀螺对应的光源当前的实际工作温度；

(2)根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长，光源光波长λ_Tn与光源温度T_Sn之间关系通过公式拟合得到，X为正整数，K_Ti为拟合系数、X值越大拟合精度越高，X一般取值为2或者3；

(3)根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长，获取所述光源的驱动电流变化量，光源驱动电流I_Sm与光波长λ_Im之间关系通过公式拟合得到，Y为正整数，K_λi为拟合系数、Y值越大拟合精度越高，Y一般取值为2或者3；

(4)根据所述光源的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整，将所述光源当前的光波长调整为与光源的初始工作温度值对应的光波长，光源的驱动电流I₀由I₁和I₂两部分组成：I₂为恒流源，向光源提供工作时所需的恒定偏置电流；I₁为压控电流源，通过控制电压V_in、运算放大器A1和等效电阻R1调节电流I₁的大小，达到调节光源驱动电流I₀的目的，根据公式V_in＝V_in0-(R₀+R₁)ΔI计算光源的控制电路的控制电压，其中，V_in为调整后的所述光源的控制电路的控制电压，V_in0为当前控制电路的控制电压，ΔI为驱动电流变化量，R₀为光源的内阻、R₁为控制电路的等效电阻。

2.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，其特征在于，根据所述光源当前的实际工作温度和所述光源的初始工作温度，分别获取光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长的方法为：

根据公式和进行计算，其中，T_S0为光源的初始工作温度，T_M为光源当前的实际工作温度，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，X为正整数，K_Ti为光源光波长与光源温度之间关系的拟合系数。

3.根据权利要求2所述的一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，其特征在于，根据所述光源实际工作温度对应的光波长以及光源初始工作温度对应的光波长的方法为：

根据公式进行计算，其中，△I为光源的驱动电流变化量，λ_T0为光源初始工作温度对应的光波长，λ_M为光源实际工作温度对应的光波长，Y为正整数，K_λi为光源驱动电流与光源光波长之间关系的拟合系数。

4.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，其特征在于，根据所述光源的驱动电流变化量对光源当前的光波长进行调整，的方法为：

根据所述驱动电流变化量获取调整后的所述光源的控制电路的控制电压；

将所述控制电路的输入电压调整为所述控制电压。

5.根据权利要求4所述的一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法，其特征在于，根据所述驱动电流变化量获取调整后的所述光源的控制电路的控制电压的方法为：

根据公式V_in＝V_in0-(R₀+R₁)ΔI进行计算，其中，V_in为调整后的所述光源的控制电路的控制电压，V_in0为当前控制电路的控制电压，ΔI为驱动电流变化量，R₀为光源的内阻，R₁为控制电路的等效电阻。