CN114018234A

CN114018234A - 一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法

Info

Publication number: CN114018234A
Application number: CN202111116410.9A
Authority: CN
Inventors: 郅银周; 赵亚飞; 李勇; 陈建新; 张金保; 付明睿; 王月; 杨博; 张琳
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-09-23
Also published as: CN114018234B

Abstract

一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，(1)确定光纤陀螺光源最大温控电流，对光纤陀螺温控电路采取限流措施；(2)对光纤陀螺进行温度标定测试，得到全温范围内光纤陀螺光源温度遥测与光纤陀螺输出数据；(3)对光纤陀螺温度标定数据进行处理得到全温范围内光源温度遥测与光纤陀螺标度因数之间的非线性关系；(4)对光纤陀螺标度因数进行实时补偿。该方法对光纤陀螺温控电路采取限流措施，然后利用光源温度遥测对光纤陀螺标度因数进行实时补偿，可以解决光纤陀螺全温范围内温控能力不足、温控过程标度因数稳定性低的问题，为光纤陀螺大温差、低功耗、快速响应的特殊使用需求提供解决方案。

Description

一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，用于提高光纤陀螺标度因数稳定性。

背景技术

光纤陀螺是一种新型光学角速度传感器，具有全固态、高可靠、抗振动等特点，已经广泛应用于航空、航天、国防工业等各种惯性仪表领域。标度因数是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，光纤陀螺标度因数主要与光纤环的半径R、光纤环的长度L、电路解调增益K_D、光波长λ相关，光源的光波长取决于光源的温度和光源的驱动电流。

目前为了提高光纤陀螺标度因数稳定性，主要采取以下三种方案：一是通过控制电路对光源采取恒温、恒流控制方案；二是通过光纤环温度遥测补偿陀螺标度因数受光纤环温度的影响；三是通过光源的驱动电流实时补偿光源的光波长变化。

现有技术解决方案中存在以下缺点：

(1)光纤陀螺一般将光源管芯温度控制在25℃附近，在高低温环境下分别需要对光源管芯进行制冷、加热，温控电流随环境温度变化，尤其在大温差环境下，为了维持温控精度指标，需要增大温控电流与功耗，进而增加系统负载，无法满足光纤陀螺的小型化、低功耗应用需求；

(2)在高低温环境下，当光纤陀螺的加热或制冷能力不足时，光源光波长会发生漂移或波动，影响陀螺的标度因数性能稳定性，降低光纤陀螺性能指标；

(3)光源温控过程与环境温度和光源设定温度相关，温差范围越大，温控时间越长，光源温控过程中光源光波长、陀螺标度因数都在随光源温度变化，无法满足特殊环境下光纤陀螺快速响应使用需求；

(4)通过光纤环温度遥测的软件补偿方法能补偿光纤环温度梯度对陀螺标度因数的影响，但无法解决光源光波长对陀螺标度因数的影响问题；

(5)通过光源的驱动电流实时补偿光源光波长变化方法不仅需要在生产过程中增加光源驱动电流与光源光波长关系的标定试验，还需要增加了光源驱动电流补偿电路，生产过程相对复杂，不利用光纤陀螺的小型化应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，该方法对光纤陀螺温控电路采取限流措施，然后利用光源温度遥测对光纤陀螺标度因数进行实时补偿，可以解决光纤陀螺全温范围内温控能力不足、温控过程标度因数稳定性低的问题，为光纤陀螺大温差、低功耗、快速响应的特殊使用需求提供一种解决方案。

本发明的技术解决方案是：

一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，所述方法包括下列步骤：

步骤1：分析光纤陀螺温控电流与温控能力之间的关系，以及系统负载能力、光纤陀螺功耗指标，确定光纤陀螺光源最大温控电流，对光纤陀螺温控电路采取限流措施；

步骤2：利用带转台的温箱、采用光纤陀螺低温启动工况和连续变温工况相结合的温度标定方法，对光纤陀螺进行温度标定测试，得到全温范围内光纤陀螺光源温度遥测与光纤陀螺输出数据。

步骤3：对光纤陀螺温度标定数据进行处理，得到全温范围内光源温度遥测与光纤陀螺标度因数之间的非线性关系；

步骤4：利用光纤陀螺温度遥测与光纤陀螺标度因数之间的关系，对光纤陀螺标度因数进行实时补偿，完成自校正。

所述步骤2中，温度标定测试时，将光纤陀螺安装在测试工装上，将测试工装固定在温箱内的转台台面，使光纤陀螺输入轴指天或指地，测试设备位于温箱外，通过测试电缆连接温箱内的光纤陀螺，测试设备完成光纤陀螺加断电操作与数据采集。

所述步骤2中，温度标定测试过程中，通过温箱控制柜设定温箱工作模式：从试验开始至试验结束温箱工作区间分为T1-T8八个时段，其中T1、T6为升温段，T2、T7为高温保持段，设TH为光纤陀螺的工作温度上限值，T3、T8为降温段，T4、T5为低温保持段，设TL为光纤陀螺的工作温度下限值；

通过转台控制柜设定转台工作模式，其中转台一个循环转动周期包括转台静态时段T9、转台保持﹢ω°/s时段T10，保持-ω°/s时段T10；

温度标定测试时，T1起始时刻开始试验，通过温箱控制柜启动温箱，在T1时段升温至TH，在T2时段保持升温后的温度TH不变，在T3时段降温至TL，在T4时段保持降温后的温度不变，在T4结束时刻启动转台，在T5时段保持当前温度TL不变，在T6时段连续升温至TH，在T7时段保持升温后的温度TH不变，在T8时段降温至常温；

启动转台后，转台按照事先设定的循环转动周期循环工作，通过测试设备对光纤陀螺加电，采集光纤陀螺的光源温度遥测和陀螺输出数据；T7结束时刻通过转台控制柜停止转台、通过测试设备对光纤陀螺断电，得到全温范围内光纤陀螺光源温度遥测与光纤陀螺输出数据，T8结束时刻试验结束。

温度标定测试过程中，T5为低温启动工况，T6为连续变温工况。

所述步骤3中，光纤陀螺温度标定数据处理方法如下：从测试设备温度标定数据库中提取光源温度遥测与光纤陀螺输出原始数据，对于转台每个循环转动周期工作：静态时间T9、﹢ω°/s保持时间T10，-ω°/s保持T10，记作一个周期，取每个周期内的陀螺光源温度遥测的平均值记为TSn，其中n为正整数，代表转台循环转动周期数，TSn作为该循环转动周期内陀螺光源温度遥测数据；记转台+ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Pn，作为第n个转台循环转动周期内+ω°/s的输出数据；记转台-ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Nn，作为第n个周期内-ω°/s的输出数据；记每个转台循环转动周期内光纤陀螺标度因数为Kn，则Kn＝(Pn-Nn)/2ω；

n遍历1到N，N为转台循环转动总周期数，能够得到一组光源温度遥测TSn和光纤陀螺标度因数Kn之间的非线性关系。

所述步骤4的实现方式如下：

当TS(n-1)≤TS≤TSn时，得到光纤陀螺补偿后的标度因数

其中TS为光纤陀螺实时采集得到的光源温度遥测。

本发明与现有技术相比的优点在于：对光纤陀螺温控电路采取限流措施，然后利用光源温度遥测对光纤陀螺标度因数进行实时补偿，一方面降低了光源温控对系统负载的需求，利于光纤陀螺产品的小型化、低功耗使用需求；另一方面采用光纤陀螺瞬态启动工况和连续变温工况相结合的温度标定方法，得到全温范围内光源温度与陀螺标度因数之间的非线性关系，降低启动过程中光源温控能力不足对标度因数的影响，确保标度因数性能稳定，提高了光纤陀螺的快速响应时间。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明提供的光纤陀螺温度标定系统框图；

图3为本发明提供的温度标定过程中温箱温度设置曲线；

图4为本发明提供的温度标定过程中转台速率设置曲线。

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：

一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，包括下列步骤：

步骤2：利用带转台的温箱对光纤陀螺进行温度标定测试，采用光纤陀螺低温启动工况和连续变温工况相结合的温度标定方法，得到全温范围内光纤陀螺光源温度遥测与光纤陀螺输出数据。

温度标定测试过程中，利用光纤陀螺、测试工装、带转台的温箱、测试设备搭建光纤陀螺温度标定系统，如图2所示，将光纤陀螺产品安装在测试工装上，将测试工装固定在温箱内的转台台面，使光纤陀螺输入轴指天或指地，将测试设备放置在温箱外，通过测试电缆连接温箱内的光纤陀螺，通过测试设备完成光纤陀螺加断电操作与数据采集；

温度标定测试过程中，通过温箱控制柜设定温箱工作模式：从试验开始至试验结束温箱工作区间分为八段温度阶段T1-T8，其中T1、T6为升温段，升温时间可设，T2、T7为高温保持段，其中TH为产品的工作温度上限值，具体以产品工作温度为准，T3、T8为降温段，降温时间可设，T4、T5为低温保持段，其中TL为产品的工作温度下限值，具体以产品工作温度为准；

温度标定测试过程中，通过转台控制柜设定转台速率设定转台工作模式，其中静态(停止)时间为T9，﹢ω°/s保持时间T10，-ω°/s保持T10，一直循环工作，T9～T10可根据试验需求进行调整；

通过温箱控制柜启动温箱，按照图3设定的工作模式开始运行；当温箱温度到达设定低温(TL)，并保持T4时间后，在图3中的A点时刻启动转台，按照图4设定的工作模式开始运行，同时通过测试设备对光纤陀螺产品加电，采集光纤陀螺的光源温度遥测和陀螺输出数据；在图3中的B点时刻，关闭转台，同时通过测试设备对光纤陀螺断电，得到全温范围内光纤陀螺光源温度遥测与光纤陀螺输出数据；在图3中的T4结束时刻关闭温箱。

在整个温度标定过程中T5为低温启动工况，T6为连续变温工况。

光纤陀螺温度标定数据处理方法：从测试设备温度标定数据库中提取光源温度遥测与陀螺输出原始数据，对于转台每个循环工作：静态(停止)时间T9、﹢ω°/s保持时间T10，-ω°/s保持T10，记作一个周期，取每个周期内的陀螺光源温度遥测的平均值记为TSn，其中n为正整数，代表转台循环转动周期数，TSn作为该循环周期内陀螺光源温度遥测数据；取转台+ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Pn，作为第n个周期内+ω°/s的输出数据；取转台-ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Nn，作为第n个周期内-ω°/s的输出数据；记每个转台循环周期内光纤陀螺标度因数为Kn，则Kn＝(Pn-Nn)/2ω。通过上述方法得到一组光源温度遥测TSn和光纤陀螺标度因数Kn之间的非线性关系。

步骤4：利用光纤陀螺温度遥测与光纤陀螺标度因数之间的关系，在软件中对光纤陀螺标度因数利用线性插值方法进行实时补偿。

补偿方法：将数据处理得到的光源温度遥测TSn和光纤陀螺标度因数Kn参数对应关系装订到软件中，当TS(n-1)≤TS≤TSn时，得到

其中TS为光纤陀螺实时采集得到的光源温度遥测，K为光纤陀螺补偿后的标度因数。

本发明方法对光纤陀螺温控电路采取限流措施，然后利用光源温度遥测对光纤陀螺标度因数进行实时补偿，可以解决光纤陀螺全温范围内温控能力不足、温控过程标度因数稳定性低的问题，为光纤陀螺大温差、低功耗、快速响应的特殊使用需求提供一种解决方案。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，所述步骤2中，温度标定测试时，将光纤陀螺安装在测试工装上，将测试工装固定在温箱内的转台台面，使光纤陀螺输入轴指天或指地，测试设备位于温箱外，通过测试电缆连接温箱内的光纤陀螺，测试设备完成光纤陀螺加断电操作与数据采集。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，所述步骤2中，温度标定测试过程中，通过温箱控制柜设定温箱工作模式：从试验开始至试验结束温箱工作区间分为T1-T8八个时段，其中T1、T6为升温段，T2、T7为高温保持段，设TH为光纤陀螺的工作温度上限值，T3、T8为降温段，T4、T5为低温保持段，设TL为光纤陀螺的工作温度下限值；

4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，温度标定测试过程中，T5为低温启动工况，T6为连续变温工况。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，所述步骤3中，光纤陀螺温度标定数据处理方法如下：从测试设备温度标定数据库中提取光源温度遥测与光纤陀螺输出原始数据，对于转台每个循环转动周期工作：静态时间T9、﹢ω°/s保持时间T10，-ω°/s保持T10，记作一个周期，取每个周期内的陀螺光源温度遥测的平均值记为TSn，其中n为正整数，代表转台循环转动周期数，TSn作为该循环转动周期内陀螺光源温度遥测数据；记转台+ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Pn，作为第n个转台循环转动周期内+ω°/s的输出数据；记转台-ω°/s转动时陀螺输出数据平均值为Nn，作为第n个周期内-ω°/s的输出数据；记每个转台循环转动周期内光纤陀螺标度因数为Kn，则Kn＝(Pn-Nn)/2ω；

6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺标度因数快速自校正方法，其特征在于，所述步骤4的实现方式如下：

当TS(n-1)≤TS≤TSn时，得到光纤陀螺补偿后的标度因数

其中TS为光纤陀螺实时采集得到的光源温度遥测。