CN110514196A - 腔长控制系统及环形激光测角装置的刻度系数补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供环形激光测角装置的刻度系数补偿方法，所述补偿方法包括：确定刻度系数补偿模型，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2；通过腔长控制系统补偿刻度系数变化。该方法提高环形激光测角装置在变温环境中的测量精度。

Description

腔长控制系统及环形激光测角装置的刻度系数补偿方法
技术领域
本发明涉及角度计量领域，具体涉及一种腔长控制系统及环形激光测角装置的刻度系数补偿方法。
背景技术
环形激光测角装置基于Sagnac效应，当环形激光测角装置的谐振腔平面相对惯性空间有角速率输入时，谐振腔内的两束反方向传播的光的频率会产生分裂，环形激光测角装置输出的信号是频率分裂量，其与输入角速率成比例关系。影响环形激光测角装置测量精度的主要参数是其刻度系数稳定性，若测量过程中刻度系数值发生变化，会引起测量误差。环形激光测角装置的刻度系数参数主要与温度相关，当环形激光测角装置工作环境温度发生变化时，会导致其刻度系数发生变化，从而引起测量误差。
为避免环境温度变化造成环形激光测角装置测量误差，目前国内外厂商多数采用对环形激光测角装置加装恒温装置或使其在实验室恒温环境下工作，第一种方法增加了环形激光测角装置的体积重量以及成本，第二种方法限制了环形激光测角装置的使用范围。
发明内容
本发明的目的，环形激光测角装置的刻度系数补偿方法，通过试验标定得到刻度系数补偿模型，再采用腔长控制系统补偿刻度系数变化，使环形激光测角装置可以在变温环境中工作并保障其测量精度。
本发明的补偿原理：根据环形激光测角装置的刻度系数表达式为
K＝(λ·L)/4S
式中S和L是环形激光测角装置谐振腔的闭合光路面积和光路长度，λ是激光波长，因此刻度系数值主要取决于环形激光测角装置谐振腔的腔长。环形激光测角装置谐振腔的腔长主要与温度参数相关，其数学模型近似为
ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，
式中ΔL是环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量，T是谐振腔温度，a0，a1，a2是试验拟合系数。
一方面提供一种腔长控制系统，该腔长控制系统包括：
环形激光测角装置谐振腔1、光电转换组件2、信号处理和放大电路3、模数转换器ADC4，数字信号处理器DSP7，数模转换器DAC8，PZT驱动器9，稳频组件10，温度传感器11，其中，
所述光电转换组件2和稳频组件10设置在环形激光测角装置谐振腔1上，所述光电转换组件2、信号处理和放大电路3、模数转换器ADC4、数字信号处理器DSP7、数模转换器DAC8、PZT驱动器9依次电信号连接，
所述PZT驱动器9与稳频组件10电信号连接；
所述温度传感器11设置在环形激光测角装置谐振腔1上，且与模数转换器ADC4电信号连接。
进一步地，所述数字信号处理器DSP7包括信号提取模块5和PID控制器6；
所述信号提取模块5提取经过模数转换器ADC4得到的环形激光测角装置谐振腔温度，并提供给所述PID控制器6。
进一步地，所述PID控制器6用于，根据a0、a1、a2确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，并根据所述刻度系数补偿模型计算环形激光测角装置谐振腔需补偿的腔长变化量ΔL1。
进一步地，数模转换器DAC8根据需补偿的腔长变化量ΔL1，输出需加载到PZT驱动器9的驱动电压V1；PZT驱动器9输出需加载到稳频组件10的驱动电压V2，所述稳频组件10控制环形激光测角装置谐振腔的长度。
进一步地，所述温度传感器11设置在环形激光测角装置谐振腔1的阴极部位。
另一方面提供一种环形激光测角装置的刻度系数补偿方法，应用于如上所述的系统，所述方法包括：
确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2；
通过所述环形激光测角装置的腔长控制系统补偿刻度系数变化；
ΔL是环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量，T是谐振腔温度。
进一步地，所述确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2，包括：
通过温度循环试验标定得到环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量ΔL与环形激光测角装置谐振腔温度T的数学矩阵；
对环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量ΔL和谐振腔温度T的数学矩阵进行拟合，得到a0、a1、a2。
另一方面，提供一种刻度系数补偿装置，结合如上所述的系统，该补偿装置包括：
模型系数获取模块，用于确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2；
补偿模块，用于通过所述环形激光测角装置的腔长控制系统补偿刻度系数变化；
ΔL是环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量，T是谐振腔温度。
本发明的有益效果：本发明通过刻度系数补偿模型和腔长控制系统，补偿温度变化导致环形激光测角装置谐振腔的长度变化，进而补偿环形激光测角装置谐振腔的刻度系数变化，减小了环形激光测角装置的测量误差。
附图说明
图1是环形激光测角装置的腔长控制系统示意图；
图2是本发明的一种刻度系数补偿模型；
其中，1-环形激光测角装置谐振腔，2-光电转换组件，3-信号处理和放大电路，4-ADC，5-信号提取模块，6-PID控制器，7-DSP，8-DAC，9-PZT驱动器，10-稳频组件，11-温度传感器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进行说明。
实施例1
图1是环形激光测角装置的腔长控制系统示意图。如图1所示，腔长控制系统包括环形激光测角装置谐振腔1、光电转换组件2、信号处理和放大电路3、模数转换器ADC4，数字信号处理器DSP7，数模转换器DAC8，PZT驱动器9，稳频组件10，温度传感器11，
光电转换组件2和稳频组件10设置在环形激光测角装置谐振腔1上，光电转换组件2、信号处理和放大电路3、模数转换器ADC4、数字信号处理器DSP7、数模转换器DAC8、PZT驱动器9依次电信号连接，
PZT驱动器9与稳频组件10电信号连接；
温度传感器11设置在环形激光测角装置谐振腔1上，且与模数转换器ADC4电信号连接。
进一步地，数字信号处理器DSP7包括信号提取模块5和PID控制器6；信号提取模块5提取经过模数转换器ADC4得到的环形激光测角装置谐振腔温度，并传递给PID控制器6。
进一步地，温度传感器11设置在环形激光测角装置谐振腔1的阴极部位。
实施例2
本发明提供一种环形激光测角装置的刻度系数补偿方法，其实施方式是通过试验标定得到刻度系数补偿模型，再通过腔长控制系统补偿刻度系数变化。本实施方式中，具体步骤如下：
步骤1：将环形激光测角装置放置在高低温试验箱内，接通测试设备对其温度传感器11和PID控制器6的输出信号进行采集；
步骤2：设置高低温试验箱工作温度范围，使其完成一次-45℃至70℃的温度循环，记录温度循环过程中环形激光测角装置的温度传感器11的输出信号，获取谐振腔温度T；记录PID控制器6的输出信号，获取环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量ΔL；
步骤3：对温度循环范围内温度传感器11和PID控制器6的采集信号码值进行拟合，得到刻度系数补偿模型
ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2
的补偿模型系数a0，a1，a2，如图2所示。图2是本发明的一种刻度系数补偿模型。
步骤4：将拟合得到的刻度系数补偿模型存储至腔长控制系统的DSP7内；
PID控制器(6)用于，根据a0、a1、a2确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2计算环形激光测角装置谐振腔需补偿的腔长变化量ΔL1。
步骤5：根据需补偿的腔长变化量ΔL1，数模转换器DAC8输出需加载到PZT驱动器9的驱动电压V1，PZT驱动器9输出需加载到稳频组件10的驱动电压V2，稳频组件10控制环形激光测角装置谐振腔的长度。
环形激光测角装置工作时，根据温度传感器11的输出信号，PID控制器6通过刻度系数补偿模型计算出需要加载的腔长控制电压V1，并通过DAC8和PZT驱动器9控制稳频组件10，PZT驱动器9输出需加载到稳频组件10的驱动电压V2，稳频组件10控制环形激光测角装置谐振腔的长度，从而补偿因温度变化导致环形激光测角装置谐振腔的长度变化，进而补偿环形激光测角装置谐振腔的刻度系数变化。

Claims (8)

1.一种腔长控制系统，其特征在于，包括：
环形激光测角装置谐振腔(1)、光电转换组件(2)、信号处理和放大电路(3)、模数转换器ADC(4)，数字信号处理器DSP(7)，数模转换器DAC(8)，PZT驱动器(9)，稳频组件(10)，温度传感器(11)，其中，
所述光电转换组件(2)和稳频组件(10)设置在环形激光测角装置谐振腔(1)上，所述光电转换组件(2)、信号处理和放大电路(3)、模数转换器ADC(4)、数字信号处理器DSP(7)、数模转换器DAC(8)、PZT驱动器(9)依次电信号连接，
所述PZT驱动器(9)与稳频组件(10)电信号连接；
所述温度传感器(11)设置在环形激光测角装置谐振腔(1)上，且与模数转换器ADC(4)电信号连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理器DSP(7)包括信号提取模块(5)和PID控制器(6)；
所述信号提取模块(5)提取经过模数转换器ADC(4)得到的环形激光测角装置谐振腔温度，并提供给所述PID控制器(6)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PID控制器(6)用于，根据a0、a1、a2确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，并根据所述刻度系数补偿模型计算环形激光测角装置谐振腔需补偿的腔长变化量ΔL1。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，数模转换器DAC(8)根据需补偿的腔长变化量ΔL1，输出需加载到PZT驱动器(9)的驱动电压V1；PZT驱动器(9)输出需加载到稳频组件(10)的驱动电压V2，所述稳频组件(10)控制环形激光测角装置谐振腔的长度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述温度传感器(11)设置在环形激光测角装置谐振腔(1)的阴极部位。
6.一种环形激光测角装置的刻度系数补偿方法，其特征在于，应用于如上所述的权利要求1-5所述的系统，所述方法包括：
确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2；
通过所述环形激光测角装置的腔长控制系统补偿刻度系数变化；
ΔL是环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量，T是谐振腔温度。
7.根据权利要求6所述的刻度系数补偿方法，其特征在于，所述确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2，包括：
通过温度循环试验标定得到环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量ΔL与环形激光测角装置谐振腔温度T的数学矩阵；
对环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量ΔL和谐振腔温度T的数学矩阵进行拟合，得到a0、a1、a2。
8.一种刻度系数补偿装置，其特征在于，结合如上所述的权利要求1-5所述的系统，包括：
模型系数获取模块，用于确定刻度系数补偿模型ΔL(T)＝a0+a1T+a2T2，通过试验标定得到补偿模型系数a0、a1、a2；
补偿模块，用于通过所述环形激光测角装置的腔长控制系统补偿刻度系数变化；
ΔL是环形激光测角装置谐振腔的腔长变化量，T是谐振腔温度。
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