CN114295115A - 一种提高光纤陀螺动态范围的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种提高光纤陀螺动态范围的方法，包括：利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。本发明解决了在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围，本申请所提供的方法可以无限提升光纤陀螺的动态范围。

Description

一种提高光纤陀螺动态范围的方法及装置

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种提高光纤陀螺动态范围的方法及装置。

背景技术

光纤陀螺中，随着光纤传感环圈长度的增加，陀螺的精度逐步提升，但是动态范围却逐步降低，也就是说，光纤陀螺精度越高，需要使用的光纤传感环圈长度越长，但是光纤陀螺的动态范围越小。在某些同时要求精度和测量范围的应用领域中，现有技术下的光纤陀螺无法满足这些应用需求。

根据闭环光纤陀螺仪的原理，Sagnac相移在(-π,π)区间内输入角速率Ω与Sagnac相移

之间是一一对应的，据此选取陀螺仪的测量范围为(-Ω_π,Ω_π)。Ω_π可按下式进行计算：

式中：

λ——光源的平均波长，为1550nm；

c——真空中的光速，为3×108m/s；

L——光纤长度；

D——光纤传感环圈的平均直径。

通常情况下，高精度光纤陀螺的光纤传感环圈长度1000米-5000米，精度为0.01°/h-0.0001°/h，通过公式(1)计算得到的动态范围往往只有几十°/h。假设陀螺仪的光纤长度取2000m，光纤传感环圈平均直径约为0.1m，计算得到Ω_π≈67°/s，无法满足几百°/s的测量范围要求。因此，必须扩展光纤陀螺的动态范围。一般情况下，通常要求-300°/s～+300°/s的测量范围指标，需要针对上述指标的陀螺需要将动态范围扩大5倍以上。

基于此，如何在不影响精度的情况下，提高光纤陀螺的动态范围是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的光纤陀螺动态范围低的问题，本发明实施例提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种提高光纤陀螺动态范围的方法，包括：

利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；

将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

根据所述电压信号，通过预设算法判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

进一步地，所述利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的相位点，包括：

利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环将光纤陀螺的偏置相位点设置在预设相位点，所述预设相位点以2π为周期递增。

进一步地，所述预设相位点与干涉条纹一一对应。

进一步地，在将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号之后，还包括：通过模数采集电路采集所述电压信号。

第二方面，本申请提供一种提高光纤陀螺动态范围的装置，包括：

设置模块，用于利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点；

电压转换模块，用于将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

判断模块，用于根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

第三方面，一种计算机，包括：

存储器，其上存储有可执行程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种提高光纤陀螺动态范围的方法，包括：利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。本发明解决了在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围，本申请所提供的方法可以无限提升光纤陀螺的动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种提高光纤陀螺动态范围的方法的流程示意图。

图2是本发明实施例提供的不同干涉条纹内相差2π相位偏置点对应的电压值示意图。

图3是本发明一个实施例中一种提高光纤陀螺动态范围的装置的结构图示意图。

图4是本发明一个实施例中一种计算机的结构图示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

针对相关技术中的在的问题，本发明提供一种提高光纤陀螺动态范围的方法，图1是本发明一个实施例提供的一种提高光纤陀螺动态范围的方法的流程示意图，如图1所示，该提高光纤陀螺动态范围的方法包括：

步骤S101、利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；

其中，光纤陀螺内置的算法为本领域常用技术，本申请未对该算法进行改进。

步骤S102、将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

步骤S103、根据所述电压信号，通过预设算法判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

其中，预设算法为本领域常用技术，本申请未对该算法进行改进。

需要说明的是，光纤陀螺的工作原理的sagnac效应，主要是通过检测顺时针和逆时针传输的两束光之间的干涉光强，检测二者之间的相位差，从而得到载体的旋转角速度，其干涉光强如式(1)所示

I＝I_o(1+cos(Δφ)) (1)

其中Δφ为相位差，光源假设为单色光源。但是在实际工程应用中，为了抑制光纤陀螺内部信号误差，往往采用宽带光源，在高精度光纤陀螺中采用宽光谱掺铒光纤光源，光源平均波长

光谱宽度约Δλ＝30×10^-9m，光源的相干时间：

设陀螺输入的速率为Ω，单位°/s；则通过光纤环后，两束光之间的时间延时：

这里光源谱为高斯型函数，光源的相干函数为：

则干涉仪检测到的光强为：

光纤陀螺的干涉谱如附图所示，实际中则表现为不同级数的干涉条纹。图2是本发明实施例提供的不同干涉条纹内相差2π相位偏置点对应的电压值示意图，由图2可见，随着干涉级数的增加，干涉谱的峰峰值逐渐减小，对应于相同相位点下的光强值不同。对于通常情况下，(-π,π)相位内作为一个干涉条纹，光纤陀螺的工作相位点为3/4π，对应一个光强值，当以2π为周期，相位每增加2π，干涉条纹级数随之增加，每个干涉条纹内，都会有一个与(-π,π)相位范围下3/4π对应的工作相位，但是其对应的光强值却稍有差别，会逐渐增大，从而通过光纤陀螺光电探测器转换后形成的电压值就会不同，即在不同条纹内的闭环工作相位点的电压值不同，3/4π、11/4π、19/4π、27/4π……对应的电压值逐步增大。

现有光纤陀螺技术中，检测电路检测光信号产生的电压，只能分辨(-π,π)相位范围内对应角速度，因此其动态范围受限，主要原因是无法分辨出陀螺不同的干涉条纹级数，因此，也就无法提高动态范围。

当载体的角速度超出0级条纹对应的Ω_π时，陀螺将闭环工作在更高级别的条纹内，依次为11/4π、19/4π、27/4π……

在一个实施例中，本申请中对应将光纤陀螺输出的相位差增加2π(0级条纹)、4π(1级条纹)、8π(2级条纹)、10π(3级条纹)……，进而对应真实的角速度值增加2Ω_π(0级条纹)、4Ω_π(1级条纹)、8Ω_π(2级条纹)、10Ω_π(3级条纹)……，原来动态范围(-Ω_π,Ω_π)，提高到(-2Ω_π,2Ω_π)(0级条纹)、(-3Ω_π,3Ω_π)(1级条纹)、(-4Ω_π,4Ω_π)(2级条纹)、(-5Ω_π,5Ω_π)(3级条纹)……。从而解决了在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围。

可以理解为，本发明实施例提供的一种提高光纤陀螺动态范围的方法，包括：利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。本发明解决了在光纤陀螺精度与动态范围之间的矛盾，在保证精度的前提下，提升光纤陀螺的动态范围，本申请所提供的方法可以无限提升光纤陀螺的动态范围。

作为上述方法的进一步改进，在一个实施例中，

所述利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的相位点，包括：

利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环将光纤陀螺的偏置相位点设置在预设相位点，所述预设相位点以2π为周期递增。

其中，预设的相位点可以是3/4π(0级条纹)、11/4π(1级条纹)、19/4π(2级条纹)、27/4π(3级条纹)……对应陀螺输出的相位差增加2π(0级条纹)、4π(1级条纹)、8π(2级条纹)、10π(3级条纹)……，进而真实的角速度值增加2Ω_π(0级条纹)、4Ω_π(1级条纹)、8Ω_π(2级条纹)、10Ω_π(3级条纹)……，原来动态范围(-Ω_π,Ω_π)，提高到(-2Ω_π,2Ω_π)(0级条纹)、(-3Ω_π,3Ω_π)(1级条纹)、(-4Ω_π,4Ω_π)(2级条纹)、(-5Ω_π,5Ω_π)(3级条纹)……

一些实施例中，预设相位点与干涉条纹一一对应。

作为上述实施例的进一步改进，一些实施例中，在将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号之后，还包括：通过模数采集电路采集所述电压信号。

请参阅图3，图3是本申请一个实施例中一种提高光纤陀螺动态范围的装置3结构示意图，该提高光纤陀螺动态范围的装置包括：

设置模块301，用于利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点；

电压转换模块302，用于将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

判断模块303，用于根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

关于上述实施例中的提高光纤陀螺动态范围的装置3，其中各个模块执行操作的具体方式已经在上述相关方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

请参阅图4，图4是根据一示例性实施例示出的一种计算机结构示意图，如图4所示，该计算机4包括：

存储器401，其上存储有可执行程序；

处理器402，用于执行所述存储器401中的所述可执行程序，以实现上述任一项所述方法的步骤。

关于上述实施例中的计算机4，其处理器402执行存储器401中程序的具体方式已经在上述相关方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种提高光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于，包括：

利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点，所述偏置相位点以2π为周期递增；

将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

根据所述电压信号，通过预设算法判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的相位点，包括：

利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环将光纤陀螺的偏置相位点设置在预设相位点，所述预设相位点以2π为周期递增。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设相位点与干涉条纹一一对应。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号之后，还包括：通过模数采集电路采集所述电压信号。

5.一种提高光纤陀螺动态范围的装置，其特征在于，包括：

设置模块，用于利用光纤陀螺内置的算法，通过闭环设置光纤陀螺的偏置相位点；

电压转换模块，用于将所述偏置相位点的干涉光强转换为电压信号；

判断模块，用于根据所述电压信号，判断所述光纤陀螺当前工作的干涉条纹。

6.一种计算机，其特征在于，包括：

存储器，其上存储有可执行程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。

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