CN113865574A - 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统 - Google Patents

一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113865574A
CN113865574A CN202111144994.0A CN202111144994A CN113865574A CN 113865574 A CN113865574 A CN 113865574A CN 202111144994 A CN202111144994 A CN 202111144994A CN 113865574 A CN113865574 A CN 113865574A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
module
optic gyroscope
scale factor
linearity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202111144994.0A
Other languages
English (en)
Inventor
张晓明
娄癸阳
颜苗
左文龙
郑志胜
刘伯晗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
707th Research Institute of CSIC
Original Assignee
707th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 707th Research Institute of CSIC filed Critical 707th Research Institute of CSIC
Priority to CN202111144994.0A priority Critical patent/CN113865574A/zh
Publication of CN113865574A publication Critical patent/CN113865574A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，使用高斯谱ASE光源代替宽谱ASE光源的技术，采用光纤光栅作为高稳定性滤波器，通过高稳定性滤波器使得光源输出稳定对称ASE光谱，以提高光纤陀螺标度对称性性能；通过高精度温度控制器对泵浦进行控制，高精度温度控制器通过PID算法实现了对高精度泵浦激光器温度控制；使用通过大电流驱动器对泵浦进行驱动，降低光纤陀螺启动时间，同时提高光纤陀螺标度性能。本发明能够提高光纤陀螺升温和降温过程中标度因数线性度及重复性。

Description

一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统
技术领域
本发明属于光纤陀螺性能改善领域，尤其是一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，具有体积小、精度高、全固态、使用寿命长、动态范围大等优点。基于光纤陀螺的惯性导航系统已被广泛应用于航天航空、舰艇导航等领域。随着光纤陀螺应用领域的扩展，对光纤陀螺的标度因数性能要求也越来越高，尤其是在高精度旋转调制光纤惯导系统中对光纤陀螺标度因数线性度要求极为苛刻，光纤陀螺的标度因数线性度已经成为制约光纤陀螺在高精度领域应用的重要因素。因此简单快速有效的提升光纤陀螺标度因数线性度成为高精度光纤陀螺工程化批量生产的关键。
传统的光学陀螺标度因数改善方法依靠：一、测试陀螺在不同激励温度、不同转速条件下输出量；二、建立输出量与激励温度、输入转速的数学模型；三、根据前述数学模型获得补偿量；四、将前述补偿量通过陀螺软(或硬)件再次写入陀螺软(或硬)件；五、再次对补偿后的陀螺进行不同激励温度、不同转速条件下标度检验，以评价陀螺补偿效果。该补偿方法存在测试时间长、补偿模型和单只光纤陀螺强相关，测试人员工作量大且单调重复。随着高精度光纤陀螺工程化批量化，大量重复的工作，尤其是补偿量再次写入时的疏忽及测试流程不熟悉使得陀螺标度测试结果不准确甚至需要重新测试。
光纤陀螺检测的Sagnac相移φs和敏感到的转速Ω的关系可表示为：
Figure BDA0003285120280000011
其中，
Figure BDA0003285120280000012
为光纤陀螺ASE光源的平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径。可进一步简化为：
φs＝KΩ
Figure BDA0003285120280000013
即为光纤陀螺标度，由此可见，光纤陀螺标度与ASE光源平均波长，光纤环长度L变化，光纤环尺寸变化直径相关，提高ASE光源温度性，减少光纤环尺寸与长度变化，可显著提升光纤陀螺标度因数性能。
光纤光源平均波长的变化可表示为：
Figure BDA0003285120280000014
式中，T为掺铒光纤的温度，Pp为抽运动率，λp抽运动波长，SOPp抽运动偏振态和返回的光功率F。从公式可以看出，光纤光源的平均波长对温度和泵浦抽运动功率敏感。合理控制泵浦的抽运动功率并对泵浦电流进行温度控制补偿，可以提高光纤光源的平均波长稳定性。上述计算方法仅在理论上能够实现，但是如何应用到陀螺上却成为了一个巨大的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，能够提高标度因数线性度、标度因数重复性以及标度因数稳定性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，包括铒钎、WDM设备、泵浦、隔离器、分光器、探测器和高稳定性滤波器，所述铒钎、WDM设备、隔离器、分光器和高稳定性滤波器串行连接，WDM设备还连接泵浦，分光器连接探测器；泵浦通过高精度温度控制器进行控制，同时泵浦通过大电流驱动器进行驱动。
而且，所述高精度温度控制器包括：斩波自稳定零放大器、积分放大器、PID补偿网络模块、电压基准模块、PWM控制模块、TEC限流限压模块、频率控制相位补偿模块、MOSFET驱动模块、半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC，其中半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC封装在一个模块中，电压基准模块、斩波自稳定零放大器、PID补偿网络模块、积分放大器、PWM控制模块、MOSFET驱动模块和TEC串行连接，电压基准模块还连接积分放大器，TEC限流限压模块和频率控制相位补偿模块分别连接PWM控制模块，NTC输出目标温度电压并与设定温度电压输入斩波自稳定零放大器。
而且，所述高稳定性滤波器为光纤光栅。
本发明的优点和积极效果是：
本发明使用高斯谱ASE光源代替宽谱ASE光源的技术，采用光纤光栅作为高稳定性滤波器，通过高稳定性滤波器使得光源输出稳定对称ASE光谱，以提高光纤陀螺标度对称性性能；通过高精度温度控制器对泵浦进行控制，高精度温度控制器通过PID算法实现了对高精度泵浦激光器温度控制；使用通过大电流驱动器对泵浦进行驱动，降低光纤陀螺启动时间，同时提高光纤陀螺标度性能。本发明能够提高光纤陀螺升温、降温过程中标度因数线性度及重复性。
附图说明
图1为高斯谱ASE光源谱型示意图；
图2为本发明高稳定性滤波器ASE光源示意图；
图3为本发明高精度温度控制器连接框图；
图4为本发明大电流驱动器示意图；
图5为本发明高精度光纤陀螺标度因数测试流程图；
图6为本发明改进后高精度光纤陀螺标度因数测试结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
如图1所示，本发明采用高斯谱ASE光源代替宽谱ASE光源的技术，该技术可有效利用高斯谱ASE光源的光谱对称性，及相对于宽谱ASE光源稳定性提高ASE光源的波长稳定性进而提升光纤陀螺的标度因数性能，同时高斯谱ASE光源光谱的强对称性也能提高光纤陀螺升温、降温过程中标度因数线性度及重复性。
一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，如图2所示，包括铒钎、WDM设备、泵浦、隔离器、分光器、探测器和高稳定性滤波器，所述铒钎、WDM设备、隔离器、分光器和高稳定性滤波器串行连接，WDM设备还连接泵浦，分光器连接探测器，泵浦通过高精度温度控制器进行控制，如图4所示，泵浦通过大电流驱动器进行驱动，大电流驱动器能够降低光纤陀螺启动时间，同时提高光纤陀螺标度性能。同时通过图2中光电探测器实时监测ASE光源光功率，结合光源光功率反馈，实现对ASE输出光源光功率的控制，提升ASE光源的平均波长稳定性，进而提高光纤陀螺标度因数性能指标，提升标度因数线性度。
如图3所示，高精度温度控制器包括：斩波自稳定零放大器、积分放大器、PID补偿网络模块、电压基准模块、PWM控制模块、TEC限流限压模块、频率控制相位补偿模块、MOSFET驱动模块、半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC，其中半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC封装在一个模块中，电压基准模块、斩波自稳定零放大器、PID补偿网络模块、积分放大器、PWM控制模块、MOSFET驱动模块和TEC串行连接，电压基准模块还连接积分放大器，TEC限流限压模块和频率控制相位补偿模块分别连接PWM控制模块，NTC输出目标温度电压并与设定温度电压输入斩波自稳定零放大器。高精度温度控制器通过PID算法实现对高精度泵浦激光器温度的控制。
高稳定性滤波器为光纤光栅。通过高稳定性滤波器使得光源输出稳定对称ASE光谱，以提高光纤陀螺标度对称性性能。
一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统的实现方法，如图5所示，包括以下步骤：
步骤1、将光纤陀螺放入带转台的温箱，给光纤陀螺通电并使陀螺稳定后进行测试。
步骤2、设置温箱升温激励和光纤陀螺速率点，待光纤陀螺内部温度稳定后，检测光纤陀螺在各个温度激励点下不同光纤陀螺速率点的实时输出结果，并补充测试光纤陀螺线性度偏差大速率点出的陀螺输出。
激励温度包含但不限于-40℃、20℃和60℃。速率点包含但不限于±1°/s、±3°/s、±5°/s、±6°/s、±9°/s、±10°/s、±15°/s、±20°/s、±25°/s和±30°/s。
步骤3、设置温箱降温激励和光纤陀螺速率点，待光纤陀螺内部温度稳定后，检测光纤陀螺在各个温度激励点下不同光纤陀螺速率点的实时输出结果，并补充测试光纤陀螺线性度偏差大速率点出的陀螺输出。
激励温度包含但不限于60℃，20℃，-40℃。速率点包含但不限于±1°/s，±3°/s，±5°/s，±6°/s，±9°/s，±10°/s，±15°/s，±20°/s，±25°/s，±30°/s。
步骤4、将步骤2的实时输出结果和光纤陀螺线性度偏差大速率点出的陀螺输出拟合为升温激励光纤陀螺输出曲线，将步骤3的实时输出结果和光纤陀螺线性度偏差大速率点出的陀螺输出拟合为降温激励光纤陀螺输出曲线，对比升温激励光纤陀螺输出曲线和降温激励光纤陀螺输出曲线，分析检验光纤陀螺标度因数性能，得到光纤陀螺的标度因数线性度。
如图6所示为本发明改进后高精度光纤陀螺标度因数测试结果图，高精度光纤陀螺的标度因数线性度偏差为1.8ppm，从测试结果曲线可以看出，依据本发明所设计的高稳定性高对称性高斯谱型ASE光源，同时结合提出的一种准确的标度因数测试方法和流程，可以极大的提高高精度光纤陀螺的标度因数性能指标，尤其是标度因数线性度指标。依据本发明，可以解决高精度光纤陀螺在5°/s(不同精度陀螺速率点可不同)处的标度线性度超差。线性度相对偏差由132ppm减小到了小于2ppm。改善效果显著，解决了光纤陀螺标度因数性度不满足系统要求的问题，有效提高了高精度光纤陀螺的环境适应性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，其特征在于：包括铒钎、WDM设备、泵浦、隔离器、分光器、探测器和高稳定性滤波器，所述铒钎、WDM设备、隔离器、分光器和高稳定性滤波器串行连接，WDM设备还连接泵浦，分光器连接探测器；泵浦通过高精度温度控制器进行控制，同时泵浦通过大电流驱动器进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，其特征在于：所述高精度温度控制器包括：斩波自稳定零放大器、积分放大器、PID补偿网络模块、电压基准模块、PWM控制模块、TEC限流限压模块、频率控制相位补偿模块、MOSFET驱动模块、半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC，其中半导体致冷器TEC、电加热棒模拟热源LD和负温度系数热敏电阻器NTC封装在一个模块中，电压基准模块、斩波自稳定零放大器、PID补偿网络模块、积分放大器、PWM控制模块、MOSFET驱动模块和TEC串行连接，电压基准模块还连接积分放大器，TEC限流限压模块和频率控制相位补偿模块分别连接PWM控制模块，NTC输出目标温度电压并与设定温度电压输入斩波自稳定零放大器。
3.根据权利要求1所述的一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统，其特征在于：所述高稳定性滤波器为光纤光栅。
CN202111144994.0A 2021-09-28 2021-09-28 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统 Withdrawn CN113865574A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111144994.0A CN113865574A (zh) 2021-09-28 2021-09-28 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111144994.0A CN113865574A (zh) 2021-09-28 2021-09-28 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113865574A true CN113865574A (zh) 2021-12-31

Family

ID=78992144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111144994.0A Withdrawn CN113865574A (zh) 2021-09-28 2021-09-28 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113865574A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114674343A (zh) * 2022-01-22 2022-06-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种光纤陀螺仪标度因数全温误差补偿方法
CN115077567A (zh) * 2022-08-18 2022-09-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于波导复位误差的标度因数补偿系统及方法
CN115824265A (zh) * 2023-02-27 2023-03-21 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺
CN115855118A (zh) * 2023-02-20 2023-03-28 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光纤陀螺标度因数稳定性提升方法及装置
CN116045946A (zh) * 2023-03-31 2023-05-02 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 光纤陀螺及降低其标度因数非线性度的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5875203A (en) * 1996-12-13 1999-02-23 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Stable fiber ASE sources incorporating spectral filtering
CN106441368A (zh) * 2016-10-25 2017-02-22 浙江大学 一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置
CN109579820A (zh) * 2018-12-14 2019-04-05 株洲菲斯罗克光电技术有限公司 一种提高光纤陀螺仪标度因数性能的方法
CN110030987A (zh) * 2019-03-21 2019-07-19 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ase光源
CN110970792A (zh) * 2019-11-20 2020-04-07 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种高精度光纤陀螺用高稳定性ase光源

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5875203A (en) * 1996-12-13 1999-02-23 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Stable fiber ASE sources incorporating spectral filtering
CN106441368A (zh) * 2016-10-25 2017-02-22 浙江大学 一种光纤陀螺光纤环温变特性测量方法及装置
CN109579820A (zh) * 2018-12-14 2019-04-05 株洲菲斯罗克光电技术有限公司 一种提高光纤陀螺仪标度因数性能的方法
CN110030987A (zh) * 2019-03-21 2019-07-19 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ase光源
CN110970792A (zh) * 2019-11-20 2020-04-07 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种高精度光纤陀螺用高稳定性ase光源

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张晓雅等: "连续旋转的光纤陀螺全温标度因数快速建模补偿方法" *
杨志怀等: "光纤陀螺标度因数迟滞模型分析与补偿技术" *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114674343A (zh) * 2022-01-22 2022-06-28 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种光纤陀螺仪标度因数全温误差补偿方法
CN115077567A (zh) * 2022-08-18 2022-09-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于波导复位误差的标度因数补偿系统及方法
CN115077567B (zh) * 2022-08-18 2022-11-04 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于波导复位误差的标度因数补偿系统及方法
CN115855118A (zh) * 2023-02-20 2023-03-28 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光纤陀螺标度因数稳定性提升方法及装置
CN115855118B (zh) * 2023-02-20 2023-05-30 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光纤陀螺标度因数稳定性提升方法及装置
CN115824265A (zh) * 2023-02-27 2023-03-21 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺
CN115824265B (zh) * 2023-02-27 2023-04-21 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 降低光纤陀螺标度因数温度灵敏度的方法及光纤陀螺
CN116045946A (zh) * 2023-03-31 2023-05-02 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 光纤陀螺及降低其标度因数非线性度的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113865574A (zh) 一种改善光纤陀螺标度因数线性度的系统
CN102299470B (zh) 一种掺铒光纤超荧光光源泵浦激光器的温度补偿方法及其装置
CN102607551B (zh) 一种消除波长变化对标度因数影响的光纤陀螺
CN108592944B (zh) 一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法
CN107270884A (zh) 一种光纤陀螺及抑制输出零偏随温度变化漂移的方法
CN108613670B (zh) 一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置及方法
CN103438882A (zh) 一种低标度因数误差的光纤陀螺
CN103872569A (zh) 稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置及相应的光源
Dranitsyna et al. Reducing the effect of temperature variations on FOG output signal
CA2100828C (en) Stabilization apparatus & method for a sfs
CN110030987A (zh) 一种光纤陀螺仪用大功率高斯谱ase光源
CN105487574A (zh) 用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置
CN115541521B (zh) 一种红外波段激光测量多种气体浓度的方法
CN111462707B (zh) 一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法
CN104659646B (zh) 一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法
Pan et al. Resonator integrated optic gyro based on multilevel laser frequency lock-in technique
Ren et al. Optimization of the resonant frequency servo loop technique in the resonator micro optic gyro
CN107402465A (zh) 一种过驱动查找表的建立方法
Wu et al. Rapid and precise compensation of scale factor in a fiber-optic gyroscope with a twin-peaks source
Hrabina et al. Purity of iodine cells and optical frequency shift of iodine-stabilized He-Ne lasers
Wang et al. The compensation of Y waveguide temperature drifts in FOG with the thermal resistor
Kong et al. Wavelength-dependence reduction of the scale factor for tactical-grade fiber optic gyroscopes
Della Valle et al. Measurement of the Cotton Mouton effect of water vapour
Zhang et al. Fiber optic gyro R&D at Beihang University
RU2637186C1 (ru) Способ определения погрешности двухстепенного гироблока

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20211231

WW01 Invention patent application withdrawn after publication