CN102749090A - 一种降低光纤陀螺温度漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低光纤陀螺温度漂移的方法。该方法的步骤如下：使用数字温度器阵列对光纤陀螺温度进行采样，得到光纤陀螺不同位置的温度数据；将不同位置温度数据的均值作为光纤陀螺平均温度；由光纤陀螺平均温度计算得到对应的特征频率控制字；频率控制字经过直接数字合成输出控制电光控制器的调制周期，使调制周期为光纤陀螺渡越时间的二倍，降低光纤陀螺温度漂移。本发明可以使调制频率与实际温度环境下的特征频率高精度匹配，调制频率调节精度优于20赫兹，调节速度优于0.5微秒，使系统能够准确的选择调制周期，消除渡越时间偏移造成的系统零偏，并抑制各种噪声源，最终达到提高光纤陀螺的精度和分辨率的效果。

Description

一种降低光纤陀螺温度漂移的方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器中信号的处理方法，尤其是涉及一种降低光纤陀螺温度漂移的方法。

背景技术

光纤陀螺的渡越时间为光在光纤陀螺互易光路中传播一周所需要的时间，其倒数称为光纤陀螺的特征频率，渡越时间也可称为光纤陀螺的特征周期。

中高精度光纤陀螺都采用数字闭环的方案，其通过相位调制器对系统进行调制，并通过模拟数字转换器将光纤陀螺的信号转换为数字量，通过控制器进行调制解调处理。相位调制器起两个作用：对系统进行时延差分相位调制，以进行相位反馈，实现闭环运行；以及进行工作点的动态偏置，以获得高的灵敏度。最常见的相位调制为方波相位调制。

对光纤陀螺来说，漂移是一个重要参数；抑制漂移的根本办法在于抑制系统存在的偏移。当相位调制器调制信号的半周期和光纤陀螺渡越时间不相等时，系统会产生与该误差相关的偏移；该偏移在环境变化时相应的变化，从而在光纤陀螺输出信号上叠加一个漂移的误差分量，降低了系统的静态精度和分辨率，并且削弱了性能的稳定性。温度变化是引起光纤陀螺渡越时间漂移的最重要因素，光纤陀螺中互易光路的折射率与长度对温度变化具有敏感性，使得渡越时间具有漂移特性。

光纤陀螺是一个复杂的光机电系统，内部存在多种具有不同特性的噪声源。不同噪声源的产生机理不同，它们的存在都不同程度的影响了系统的静态精度，限制了系统在静态下的最小分辨率。要提高系统的静态精度及信号分辨率，需要抑制各种不同类型的噪声源带来的影响，使所有噪声的综合效果在允许的范围之内。通过在光纤陀螺的特征频率上对其进行调制，并且在调制频率点上进行同步解调，可以抑制大部分的噪声，包括光源噪声、电路噪声等，从而消除噪声对系统精度的影响，提高系统的分辨率。而在特征频率上面的同步调制解调，也可以在不同程度上抑制其他因素造成的漂移，从而提高系统的随机游走系数性能及在不同工作环境下的性能可靠性。

相位调制对于噪声和漂移的抑制效果与调制信号半周期和渡越时间的误差是复杂的减函数关系，随着这个误差的加大，抑制的效果也越来越差，当该误差达到一定长度时抑制效果基本消失。只有精确地知道实时的光纤陀螺特征周期，然后根据该渡越时间选用系统中所采用调制信号周期，才能最大限度改善光纤陀螺的漂移性能。

现有光纤陀螺中，相位调制器的调制周期在工作过程中保持不变，导致环境适应性不佳，温度变化对光纤陀螺性能的影响显著。光纤陀螺的渡越时间对不同系统是不同的数值，其具体大小决定于互易光路中的光路长度和互易光路中的光纤的折射率；对于同一系统，渡越时间在不同温度下也会发生漂移，漂移大小约为每摄氏度十万分之一（10ppm/℃）。光纤陀螺生产过程中，可以在25℃得到渡越时间的标准值，该值约为50纳秒量级，对应的特征频率为20MHz，特征频率的漂移为200Hz/℃。对于0.1℃的温控精度，频率控制精度需要优于20Hz；对于±60℃环境下的光纤陀螺应用，需要频率控制动态范围达到24kHz。光纤陀螺的实际应用中，温度指标时刻变化，因此渡越时间也时刻变化。总之要求有一种实时高精度匹配的方法，仅利用光纤陀螺中温度传感器得到的温度模型，通过信号处理的方法，即可高精度实时匹配渡越时间与调制周期的方法。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究中，高精度陀螺的性能要求调高温度漂移性能，而又缺少简单有效的方法的现状，本发明的目的在于提供一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，从而提高光纤陀螺的精度和分辨率。

本发明采用的技术方案步骤如下：

该方法的步骤如下：

1）使用数字温度器阵列对光纤陀螺温度进行采样，得到光纤陀螺不同位置的温度数据；将不同位置温度数据的均值作为光纤陀螺平均温度；

2）由光纤陀螺平均温度计算得到对应的特征频率控制字；频率控制字经过直接数字合成输出控制电光控制器的调制周期，使调制周期为光纤陀螺渡越时间的二倍，降低光纤陀螺温度漂移。

所述的数字温度计阵列由放置在光线陀螺光纤陀螺上表面和下表面的七个数字温度计组成，放置方式为上表面放置四个温度计，下表面放置三个温度计，光纤陀螺呈圆柱体，上表面四个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，下表面三个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，其中上表面与下表面上的一个温度计需要垂直位置重合。

温度数据均值t与第n个温度计，n＝1,2,3，...,7，测量结果t_n的关系为：

$t=\frac{1}{7}\underset{n=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n$

以此消除温度分布不均的影响。

所述的特征频率控制字用于控制光纤陀螺内相位调制器的调制周期，调节精度优于20赫兹，调节速度优于0.5微秒，频率控制字是一个N位数字量，实际输出的调制频率f_o由频率控制字K得到，f_clk是陀螺电路晶振频率：

$f_o=\frac{K}{2^N}\×f_{\mathrm{clk}}$

温度值经过处理后得到对应的频率控制字，频率控制字作为直接数字合成的输入量，输出频率作为相位调制器的调制频率，τ₀为光纤陀螺在环境t₀＝25℃下的渡越时间，S为光纤陀螺的温变系数，对于不同的光纤陀螺，以上参数在生产过程测试得到，在光纤陀螺平均温度t下，令调制周期为渡越时间的二倍，光纤陀螺平均温度与调制频率f_o的关系可以写为：

$f_o=\frac{1}{2{\mathrm{\τ}}_0+2S(t-t_0)}$

所述的直接数字合成用于进行频率调节，直接数字合成方法由N位相位累加器、波形存储器、数字/模拟转换器和低通滤波器组成，相位累加器在每一个系统时钟周期来临时将频率控制字所决定的相位增量累加一次，如果计数大于2^N，则自动溢出，只保留后面的N位数字在累加器中，波形存储器用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，然后送到数字/模拟转换器中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出f_o。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以使调制频率与实际温度环境下的特征频率高精度匹配，调制频率调节精度优于20赫兹，调节速度优于0.5微秒，使系统能够准确的选择调制周期，消除渡越时间偏移造成的系统零偏，并抑制各种噪声源，最终达到提高光纤陀螺的精度和分辨率的效果。

附图说明

图1是光纤陀螺内温度计阵列的放置方式。

图2是直接频率合成方法对调制频率进行实时高精度调整的流程图。

图3是实验中光纤陀螺平均温度、使用该方法前陀螺输出、使用该方法后陀螺输出与时间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

发明原理：

光纤陀螺渡越时间受到多方面因素的影响，其中温度是最主要因素，在实际实验中建立了经验关系：

对于光纤陀螺温度为t的光纤陀螺，渡越时间τ关于温度t的函数为：

τ(t)＝τ₀+S·(t-t₀)

其中τ₀为光纤陀螺在t₀＝25℃的渡越时间，S为光纤陀螺的温变系数。对于不同的光纤陀螺，以上参数均不同，可以在生产过程测试得到。

对于常见的光纤陀螺结构，除了环境温度外，影响光纤陀螺温度的主要热源为陀螺电路板。环境温度的影响具有对称性，而电路板的影响具有方向性，因此测量光纤陀螺温度时需要放置多个数字温度计，放置方法见附图1。

多个数字温度计采集得到的结果经过平均，即可得到能够表征光纤陀螺温度的数据。

对于高精度陀螺的应用特点，需要调制频率（周期）的调整精度优于百万分之一（约为20Hz），调整动态范围大于24kHz，为此设计了直接频率合成方法对调制频率进行实时高精度调整。

直接数字合成是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形存储器ROM、数字/模拟转换器和低通滤波器构成。系统时钟f_clk给定后，输出信号的频率f_o取决于频率控制字K，频率分辨率取决于相位累加器位数，相位分辨率取决于波形存储器ROM的地址位数，幅度量化噪声取决于波形存储器ROM的数据位字长和数字/模拟转换器位数。直接数字合成方法的原理见附图2。

系统时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于直接数字合成中各器件同步工作。工作时，频率控制字K在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值在每一个时钟周期内以二进制码形式去寻址波形存储器ROM，将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值，波形存储器ROM输出的数字化波形序列再经数字/模拟转换器实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后通过低通滤波器平滑后得到一个纯净的正弦信号。

当相位寄存器位数为N时，对应的最大存储值为2^N-1。当相位累加器计数大于2^N时，累加器自动溢出最高位，保留后面的N比特数字于累加器中。该相位累加器平均每2^N/K个时钟周期溢出一次。频率控制字K和系统时钟频率共同决定着输出信号的频率f_o，它们之间的关系满足

$f_o=\frac{K}{2^N}\×f_{\mathrm{clk}}$

K＝1时的频率输出为理论最小频率分辨率Δf_min：

$\mathrm{\Δ}{f}_{\min }=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{2^N}$

调制周期应当等于渡越时间的2倍，由此得到频率控制字K关于温度t和渡越时间τ的函数：

$K(t,\mathrm{\τ})=\frac{2^{N-1}}{f_{\mathrm{clk}}}\·\frac{1}{\mathrm{\τ}}$

如图1所示，是光纤陀螺内温度计阵列的放置示意图，温度计阵列由放置在光线陀螺光纤陀螺上表面和下表面的7个数字温度计组成，放置方式为上表面放置四个温度计，下表面放置三个温度计，光纤陀螺呈圆柱体，上表面四个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，下表面三个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，其中上表面与下表面上的一个温度计需要垂直位置重合。对于常见的光纤陀螺结构，除了环境温度外，影响光纤陀螺温度的主要热源为陀螺电路板。环境温度的影响具有对称性，而电路板的影响具有方向性，因此测量光纤陀螺温度时需要放置多个数字温度计。多个温度计采集结果的均值作为光纤陀螺平均温度。

如图2所示，是直接数字合成方法进行频率控制的原理框图。直接数字合成是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形存储器、数字/模拟转换器和低通滤波器构成。参考时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于相位累加器位数，相位分辨率取决于波形存储器的地址位数，幅度量化噪声取决于波形存储器的数据位字长和数字/模拟转换器的位数。相位累加器在每一个系统时钟来临时将频率控制字所决定的相位增量累加一次，如果计数大于2^N，则自动溢出，只保留后面的N位数字于累加器中。波形存储器用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，然后送到数字/模拟转换器中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个纯净的正弦波信号。

该发明的最佳实施方案的主要步骤是：

1）使用数字温度器阵列对光纤陀螺温度进行采样，得到光纤陀螺不同位置的温度数据；将不同位置温度数据的均值作为光纤陀螺平均温度；

2）由光纤陀螺平均温度计算得到对应的特征频率控制字；频率控制字经过直接数字合成输出控制电光控制器的调制周期，使调制周期为光纤陀螺渡越时间的二倍，降低光纤陀螺温度漂移。

光纤陀螺工作过程中陀螺电路会发热，这一过程导致陀螺温度分布不均，求陀螺内不同位置的温度数据均值可以消除温度分布不均的影响。光纤陀螺温度t与第n个温度计（n＝1,2,3，...,7）测量结果t_n的关系为：

$t=\frac{1}{7}\underset{n=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{t}_n$

光纤陀螺内相位调制器的调制周期（频率）由频率控制字调节，调节精度优于百万分之一，调节速度优于0.5微秒。频率控制字是一个N位数字量，实际输出的调制频率f由频率控制字K得到，f_clk是陀螺电路晶振频率：

$f_o=\frac{K}{2^N}\×f_{\mathrm{clk}}$

温度值经过处理后得到对应的频率控制字，频率控制字作为直接数字合成的输入量，输出频率作为相位调制器的驱动信号。τ₀为光纤陀螺在t₀＝25℃的渡越时间，S为光纤陀螺的温变系数。对于不同的光纤陀螺，以上参数在生产过程测试得到。在温度t下，令调制周期为渡越时间的二倍，温度与输出调制频率f_o的关系为：

$f_o=\frac{1}{2{\mathrm{\τ}}_0+2S(t-t_0)}$

本发明可以使调制频率与实际温度环境下的特征频率高精度匹配，调制频率调节精度优于20赫兹，调节速度优于0.5微秒，使系统能够准确的选择调制周期，消除渡越时间偏移造成的系统零偏，并抑制各种噪声源，最终达到提高光纤陀螺的精度和分辨率的效果。

图3分别显示了传统光纤陀螺的静态输出曲线、静态输出对应的温度曲线、使用本发明方法后在相同环境下的静态输出曲线。温度曲线由光纤陀螺均值温度得到。在使用本发明后，光纤陀螺的温度漂移降低明显，显著提高了光纤陀螺的精度和分辨率。

Claims (5)

1.一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1）使用数字温度器阵列对光纤陀螺温度进行采样，得到光纤陀螺不同位置的温度数据；将不同位置温度数据的均值作为光纤陀螺平均温度；

2）由光纤陀螺平均温度计算得到对应的特征频率控制字；频率控制字经过直接数字合成输出控制电光控制器的调制周期，使调制周期为光纤陀螺渡越时间的二倍，降低光纤陀螺温度漂移。

2.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，其特征在于：所述的数字温度计阵列由放置在光线陀螺光纤陀螺上表面和下表面的七个数字温度计组成，放置方式为上表面放置四个温度计，下表面放置三个温度计，光纤陀螺呈圆柱体，上表面四个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，下表面三个温度计在光纤陀螺外缘等距分布，其中上表面与下表面上的一个温度计需要垂直位置重合。

3.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，其特征在于：所述的温度数据均值t与第n个温度计，n = 1, 2, 3, …, 7，测量结果t _n 的关系为：

以此消除温度分布不均的影响。

4.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，其特征在于：所述的特征频率控制字用于控制光纤陀螺内相位调制器的调制周期，调节精度优于20赫兹，调节速度优于0.5微秒，频率控制字是一个N位数字量，实际输出的调制频率f _o 由频率控制字K得到，f _clk 是陀螺电路晶振频率：

温度值经过处理后得到对应的频率控制字，频率控制字作为直接数字合成的输入量，输出频率作为相位调制器的调制频率，τ ₀ 为光纤陀螺在环境t ₀ =25℃下的渡越时间，S 为光纤陀螺的温变系数，对于不同的光纤陀螺，以上参数在生产过程测试得到，在光纤陀螺平均温度t下，令调制周期为渡越时间的二倍，光纤陀螺平均温度与调制频率f _o 的关系可以写为：

。

5.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺温度漂移的方法，其特征在于：所述的直接数字合成用于进行频率调节，直接数字合成方法由N位相位累加器、波形存储器、数字/模拟转换器和低通滤波器组成，相位累加器在每一个系统时钟周期来临时将频率控制字所决定的相位增量累加一次，如果计数大于2 ^N ，则自动溢出，只保留后面的N位数字在累加器中，波形存储器用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，然后送到数字/模拟转换器中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出f _o 。

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