CN115824183A - 一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺，该自校准方法包括给光相位调制器施加校准信号；对光探测器采集的信号进行时序解调，获得校准态前半周期和后半周期的陀螺输出；计算校准后的标度因数；计算因标度因数漂移引起的零位误差及标度因数校准的一次校准陀螺输出；依据时序解调结果计算零位校准的二次校准陀螺输出；计算两次校准后的陀螺输出。在光纤陀螺信号处理中引入校准态，在校准态下输出周期性校准信号加载到相位调制器上以模拟陀螺的正负转速转动，通过校准计算调整陀螺零偏和标度因数。
Description
技术领域
本发明属于光学陀螺技术领域，具体涉及一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺。
背景技术
目前干涉式光纤陀螺经过40余年的发展，性能日臻成熟，测量精度从最初的几十倍于地球自转速率提高到现在优于0.0001°/h，应用范围覆盖海、陆、空、天等领域，不仅在武器导航、航空航天、雷达等高性能导航、制导与控制方面，而且在民用飞机、汽车导航系统和相机稳定器方面，干涉式光纤陀螺都得到了广泛的应用。
零偏稳定性和标度因数是衡量陀螺性能的主要指标，传统光纤陀螺随着光纤长度的增加，温度引入的非互易零偏显著增大，而且由于绕环和固胶工艺一致性无法保证，导致光纤环圈内应力难以有效控制，陀螺输出与环境温度变化一致性较差，给光纤陀螺的全温零偏和标度因数补偿造成困难，严重制约了光纤陀螺的成品率。采用“三自”惯性导航系统，从陀螺系统层面大幅降低了固有零位误差和标度因数误差，但是针对小型化、低成本的集成化光纤陀螺，陀螺本体内部空间不足以增加转台等装置；此外，在陀螺内部增加转动部件会进一步破坏光纤陀螺的抗振动性能，限制环境适应性。因此在限定空间下，迫切需要一种在不增加转台装置的前提下，提升集成化光纤陀螺的零偏和标度因数性能的方法。
发明内容
针对现有技术中存在的光纤陀螺的全温零偏和标度因数难以补偿的技术问题，本发明提供了一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺，该自校准方法在光纤陀螺信号处理中引入校准态，在校准态下输出周期性校准信号加载到相位调制器上以模拟陀螺的正负转速转动，通过校准计算调整陀螺零偏和标度因数。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
本发明提供了一种光纤陀螺的自校准方法，包括如下步骤
给光相位调制器施加校准信号；
对光探测器采集的信号进行时序解调，获得校准态前半周期和后半周期的陀螺输出；
计算校准后的标度因数；
计算因标度因数漂移引起的零位误差及标度因数校准的一次校准陀螺输出；
依据时序解调结果计算零位校准的二次校准陀螺输出；
计算两次校准后的陀螺输出。
进一步地，所述校准信号为方波信号，所述方波信号频率根据光纤环圈长度和延迟时间的不同确定，所述方波信号幅度为
其中，Ω校准为校准转速，D为光纤环圈长度，L为光纤环圈直径，V2π为相位调制器的半波电压，λ为工作波长，c为光速。
进一步地，所述方波信号频率取值范围为100Hz～1kHz。
进一步地，所述计算校准后的标度因数的方法为
其中，D1和D2分别为校准态前半周期和后半周期的陀螺输出，Ω校准为校准转速。
进一步地，所述计算因标度因数漂移引起的零位误差的方法为
ΔD＝(K校准-K0)Ω0
其中，K0为校准前的标度因数，Ω0为校准前的陀螺固有零位；
所述一次校准陀螺输出计算方法为
D校准1＝D0+ΔD
其中，D0为校准前的陀螺固有输出。
进一步地，所述二次校准陀螺输出为
D校准2＝D2+D1
其中，D1和D2分别为校准态前半周期和后半周期的陀螺输出；
所述两次校准后的陀螺输出为D校准＝D0+D校准1+D校准2。
进一步地，所述自校准方法用于采用保偏光纤、光子晶体光纤或者光波导作为敏感部件的干涉式光纤陀螺，所述光纤陀螺为单轴、双轴或者三轴。
本发明还提供了一种光纤陀螺，采用前述的自校准方法。
进一步地，光纤陀螺包括光路单元、数字信号处理单元和陀螺信号检测电路；
所述光路单元包括光学器件、光学调制器和光纤环圈，所述光学器件用于发光、耦合和光探测，所述光学调制器用于起偏、耦合和相位调制，所述光纤环圈用于转动条件下的Sagnac效应敏感；
所述数字信号处理单元包括
数字滤波模块，用于对光探测器输出信号进行数字滤波处理，输出含有陀螺转速信息的数字信号；
信号解调模块，用于对含有陀螺转速信息的数字信号进行解调，得到陀螺转速信号；
PI控制模块，用于产生陀螺转速闭环信号；
调制信号发生模块，用于产生实现陀螺转速测量的调制信号；
校准信号发生模块，用于产生校准信号；
校准态解调模块，用于对含有陀螺转速信息的数字信号进行时序解调，并根据校准转速大小，以及解调结果，计算校准后的标度因数；
标度因数校准模块，用于根据校准后的标度因数计算标度因数校准后的陀螺输出零位。
零位校准模块，用于根据校准态解调模块输出时序解调结果计算零位校准后的陀螺输出零位，通过两次校准结果计算陀螺零位；
所述陀螺信号检测电路用于采集光探测器信号、控制光源恒温恒流、控制光相位调制器闭环以及给光相位调制器施加校准信号。
进一步地，所述陀螺信号检测电路包括
信号采集通道，用于对光探测器输出信号进行处理，输出至数字信号处理单元；
驱动温控通道，用于对光源控制模块输出信号进行处理，控制光源的恒定温度、恒定电流；
闭环反馈通道，用于对调制信号发生模块、PI控制模块输出信号进行处理，输出至光相位调制器；
校准反馈通道，用于将校准信号模块生成的校准信号进行处理，施加到光相位调制器上。
本发明与现有技术相比的有益效果：
通过在集成化光纤陀螺信号处理算法中设置校准态，校准态下输出周期性校准信号，并加载到相位调制器上以模拟陀螺的正负转速转动，通过对校准态时的陀螺输出进行运算处理，在补偿模块根据参数设置校准算法以调整陀螺零偏和标度因数。本发明具有原理简单、效果显著的突出技术优势，有望实现集成化光纤陀螺零偏和标度因数性能的跨越式提升。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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为本发明具体实施例提供的一种光纤陀螺的自校准方法的流程图；
图2为本发明具体实施例提供的一种具有输出自校准功能的集成化光纤陀螺结构示意图；
图3为本发明具体实施例提供的一种陀螺信号检测电路结构。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种光纤陀螺的自校准方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、给光相位调制器施加校准信号；
校准信号具体为频率f、幅度V的方波信号。其中频率f根据光纤环圈长度和延迟时间的不同确定，优选的设置为100Hz～1kHz。而幅度V根据不同的校准转速Ω校准、光纤环圈长度D、直径L、相位调制器的半波电压V2π以及工作波长λ，设置为不同的参数，具体满足以下关系：
其中，c为光速。
S2、对光探测器采集的信号进行时序解调，获得校准态前半周期和后半周期的陀螺输出，分别为D1和D2；
S3、计算校准后的标度因数K校准，表示如下：
计算因标度因数漂移引起的零位误差D，表示如下：
ΔD＝(K校准-K0)Ω0(3)
其中，K0为校准前的标度因数，Ω0为校准前的陀螺固有零位；
计算消除零位误差D后的一次校准(标度因数校准)后的陀螺输出为：
D校准1＝D0+ΔD(4)
其中，D0为校准前的陀螺固有输出。
S4、依据时序解调结果按照公式(5)计算二次校准(零位校准)后的陀螺输出，表示如下：
D校准2＝D2+D1(5)
S5、将经历过两次校准的陀螺零位作为最终的陀螺零位，表示如下：
D校准＝D0+D校准1+D校准2(6)
本发明提供的光纤陀螺自校准方法，适用于传统方案的光纤陀螺、基于不同部件集成方案的集成化光纤陀螺，同样适用于保偏光纤、光子晶体光纤、光波导等作为敏感部件的干涉式光纤陀螺，此外，本发明对于陀螺的通道数目(单轴/双轴/三轴方案)不受限制，用于陀螺零位校准，提高光纤陀螺的零偏和标度因数性能。
本发明还提供了一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺，包括光路单元和信号处理电路，其中信号处理电路包括数字信号处理单元和陀螺信号检测电路。
如图2所示，光纤陀螺的硬件结构主要包括光路单元和信号处理电路。光路单元包括：“三合一”集成光学器件、集成光学调制器和光纤环圈，其中“三合一”集成光学器件实现发光、耦合和光探测的功能，集成光学调制器实现起偏、耦合和相位调制的功能，光纤环圈实现转动条件下的Sagnac效应敏感功能；信号处理电路结构上包括专用集成电路(ASIC)以及配套的外围器件，ASIC电路中集成了AD、DA、运算放大器、数字算法等功能器件，通过多器件集成实现检测电路的小型化。信号处理电路功能包括：(1)提供光源的驱动控制以实现稳定光输出；(2)给光相位调制器加载调制信号；(3)实现零偏和标度因数自校准功能；(4)通过信号解调处理实现转速信号检测；(5)实现陀螺数据输出。
如图3所示,数字信号处理单元中除了集成传统光纤陀螺中的数字滤波模块、信号解调模块、PI控制模块、调制信号发生模块等光纤陀螺中常规模块以外，还集成了校准信号发生模块、校准态解调模块、标准因数校准模块和零偏校准模块共计4个与光纤陀螺校准直接相关的模块，具体功能如下：
数字滤波模块，用于对光探测器输出转化而成的数字信号进行数字滤波处理，输出平滑后的含有陀螺转速信息的数字信号。
信号解调模块，用于对含有转速信息的数字信号进行解调，得到陀螺转速信号。
PI控制模块，用于产生陀螺转速闭环信号，以稳定陀螺的静态工作点。
调制信号发生模块，用于产生实现陀螺转速测量的调制信号。
校准信号发生模块，用于产生校准信号，通过校准反馈通道施加到光相位调制器上。
校准态解调模块，用于根据信号采集通道的输入，对施加校准信号的光探测器输出信号进行时序解调，即对含有陀螺转速信息的数字信号进行时序解调，并根据校准转速大小，以及解调结果，计算得到校准后的标度因数。
标度因数校准模块，用于根据校准态解调模块校准后的标度因数计算一次校准(标度因数校准)后的陀螺输出零位。
零位校准模块，用于根据校准态解调模块输出时序解调结果计算二次校准(零位校准)后的陀螺输出零位，通过两次校准后的输出得到陀螺校准输出
此外，数字信号处理单元还包括光源控制模块、加法器，光源控制模块主要用于光源的恒定温度和恒定电流控制，加法器用于对调制信号和闭环反馈信号进行信号叠加。
如图3所示,陀螺信号检测电路用于采集光探测器信号、控制光源恒温恒流、控制光相位调制器闭环以及给光相位调制器施加校准信号,陀螺信号检测电路的内部结构主要包括四条通道：
(1)信号采集通道，包括光探测器、前置放大器及AD转换器，对光探测器输出的微弱电压模拟信号进行放大、转换后输出至数字信号处理单元。
(2)驱动温控通道，包括DA转换器1、电压放大器1、压控电流源1构成的第一支路，以及DA转换器2、电压放大器2、压控电流源2构成的第二支路，第一支路用于对光源控制模块输出的温控数字信号进行转换、电压放大、电压-电流转换、输出至“三合一”集成光学器件的光源温控接口，进行光源的恒定温度控制；第二支路用于对光源控制模块输出的电流数字信号进行转换、电压放大、电压-电流转换、输出至光源的驱动电流控制接口，进行恒定电流控制。
(3)闭环反馈通道，包括DA转换器3、电压放大器3以及光相位调制器，用于对调制信号模块输出的闭环反馈数字信号进行转换、电压放大处理，输出至光相位调制器实现光路转动引起的相位闭环；
(4)校准反馈通道，包括DA转换器4、电压放大器4以及光相位调制器，用于将校准信号模块生成的校准信号进行转换、电压放大处理，施加到光相位调制器上，实现校准信号发生后到光相位调制器端的信号加载。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，包括如下步骤
给光相位调制器施加校准信号；
对光探测器采集的信号进行时序解调，获得校准态前半周期和后半周期的陀螺输出；
计算校准后的标度因数；
计算因标度因数漂移引起的零位误差及标度因数校准的一次校准陀螺输出；
依据时序解调结果计算零位校准的二次校准陀螺输出；
计算两次校准后的陀螺输出。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述校准信号为方波信号，所述方波信号频率根据光纤环圈长度和延迟时间的不同确定，所述方波信号幅度为
其中，Ω校准为校准转速，D为光纤环圈长度，L为光纤环圈直径，V2π为相位调制器的半波电压，λ为工作波长，c为光速。
3.根据权利要求2所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述方波信号频率取值范围为100Hz～1kHz。
4.根据权利要求2所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述计算校准后的标度因数的方法为
其中，D1和D2分别为校准态前半周期和后半周期的陀螺输出，Ω校准为校准转速。
5.根据权利要求4所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述计算因标度因数漂移引起的零位误差的方法为
ΔD＝(K校准-K0)Ω0
其中，K0为校准前的标度因数，Ω0为校准前的陀螺固有零位；
所述一次校准陀螺输出计算方法为
D校准1＝D0+ΔD
其中，D0为校准前的陀螺固有输出。
6.根据权利要求5所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述二次校准陀螺输出为
D校准2＝D2+D1
其中，D1和D2分别为校准态前半周期和后半周期的陀螺输出；
所述两次校准后的陀螺输出为D校准＝D0+D校准1+D校准2。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光纤陀螺的自校准方法，其特征在于，所述自校准方法用于采用保偏光纤、光子晶体光纤或者光波导作为敏感部件的干涉式光纤陀螺，所述光纤陀螺为单轴、双轴或者三轴。
8.一种光纤陀螺，其特征在于，采用权利要求1～7中任一项所述的自校准方法。
9.根据权利要求8所述的光纤陀螺，其特征在于，包括光路单元、数字信号处理单元和陀螺信号检测电路；
所述光路单元包括光学器件、光学调制器和光纤环圈，所述光学器件用于发光、耦合和光探测，所述光学调制器用于起偏、耦合和相位调制，所述光纤环圈用于转动条件下的Sagnac效应敏感；
所述数字信号处理单元包括
数字滤波模块，用于对光探测器输出信号进行数字滤波处理，输出含有陀螺转速信息的数字信号；
信号解调模块，用于对含有陀螺转速信息的数字信号进行解调，得到陀螺转速信号；
PI控制模块，用于产生陀螺转速闭环信号；
调制信号发生模块，用于产生实现陀螺转速测量的调制信号；
校准信号发生模块，用于产生校准信号；
校准态解调模块，用于对含有陀螺转速信息的数字信号进行时序解调，并根据校准转速大小，以及解调结果，计算校准后的标度因数；
标度因数校准模块，用于根据校准后的标度因数计算标度因数校准后的陀螺输出零位。
零位校准模块，用于根据校准态解调模块输出时序解调结果计算零位校准后的陀螺输出零位，通过两次校准结果计算陀螺零位；
所述陀螺信号检测电路用于采集光探测器信号、控制光源恒温恒流、控制光相位调制器闭环以及给光相位调制器施加校准信号。
10.根据权利要求9所述的光纤陀螺，其特征在于，所述陀螺信号检测电路包括
信号采集通道，用于对光探测器输出信号进行处理，输出至数字信号处理单元；
驱动温控通道，用于对光源控制模块输出信号进行处理，控制光源的恒定温度、恒定电流；
闭环反馈通道，用于对调制信号发生模块、PI控制模块输出信号进行处理，输出至光相位调制器；
校准反馈通道，用于将校准信号模块生成的校准信号进行处理，施加到光相位调制器上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211347927.3A CN115824183A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211347927.3A CN115824183A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115824183A true CN115824183A (zh) | 2023-03-21 |
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ID=85525917
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| CN202211347927.3A Pending CN115824183A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 一种光纤陀螺的自校准方法及光纤陀螺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115824183A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116007662A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-04-25 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种光纤陀螺及光纤陀螺的角速度校正方法 |
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2022
- 2022-10-31 CN CN202211347927.3A patent/CN115824183A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116007662A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-04-25 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种光纤陀螺及光纤陀螺的角速度校正方法 |
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