一种闭环光纤陀螺温度补偿方法技术

本发明专利技术属于光纤传感、惯性导航技术领域，涉及一种闭环光纤陀螺温度补偿方法。本发明专利技术闭环光纤陀螺温度补偿方法是利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对闭环光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。本发明专利技术简化了电路软件及硬件设计，可进一步缩小陀螺体积、提高补偿精度，具有实现方法简单，成本低，可靠性高的特点，对提升光纤陀螺变温精度，进一步扩展光纤陀螺应用领域具有重要意义。

Method for compensating temperature of closed loop fiber optic gyroscope

The invention belongs to the field of optical fiber sensing and inertial navigation technology, and relates to a closed-loop fiber optic gyroscope temperature compensation method. The temperature compensation method is the use of closed-loop fiber optic gyroscope closed-loop fiber optic gyroscope Y waveguide half wave voltage and the change of temperature into a linear relation to the Y waveguide half wave voltage instead of temperature information of temperature compensation for the closed-loop fiber optic gyroscope, using double closed loop fiber optic gyroscope four state modulation based on real-time extraction of Y waveguide half wave voltage with the change information of temperature, temperature compensation to achieve closed-loop fiber optic gyroscope without temperature sensor. The invention simplifies the circuit design of the software and hardware, can further reduce the volume and improve the compensation precision of gyroscope, with simple method and low cost, high reliability, to improve the accuracy of FOG temperature, further expansion has important significance in fiber optic gyro applications.

【技术实现步骤摘要】
一种闭环光纤陀螺温度补偿方法
本专利技术属于光纤传感、惯性导航
，涉及一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，具体涉及一种无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿方法。
技术介绍
光纤陀螺(FiberOpticGyroscope，简称FOG)是利用光学萨格奈克效应(Sagnac)测量载体空间角速率的全固态惯性仪表。随着光纤陀螺技术及其应用领域的不断扩展，对光纤陀螺在变温环境下的精度要求不断提高。目前，光纤陀螺在变温环境下精度劣化一直是影响光纤陀螺性能进一步提升及应用领域扩展的重要因素之一。通过建立光纤陀螺的温度模型，并在此基础上对光纤陀螺进行温度补偿，是提高陀螺变温精度的有效手段之一。如何实时、准确提取陀螺内部温度信息，则是准确进行陀螺建模补偿的前提条件。现有光纤陀螺温度补偿均是通过在陀螺内部加贴温度传感器，根据温度传感器输出信息获取陀螺内部温度。根据所采用的温度传感器类型不同(模拟或数字)，现有技术可分为两类：一类是采用模拟温度传感器，其优点是体积小巧，测温精度高，成本低，但需搭建专门的数字量化采样电路，增加了陀螺控制电路的复杂性；第二类则是采用数字温度传感器，其优点是温度信息以数字量形式输出，无需额外搭建数字量化电路，但传感器自身体积较大、成本高、输出信号噪声大、温度分辨率较模拟温度传感器低，影响陀螺温度建模及补偿精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了克服现有光纤陀螺温度补偿技术存在的电路复杂、温度分辨率低、温度信号噪声大、成本高以及所需空间大等问题，本专利技术利用闭环光纤陀螺自身必须的集成光学调制器(简称Y波导)其半波电压与温度的线性相关特性，提出一种利用Y波导半波电压信息替代温度信息进行闭环光纤陀螺温度补偿的方法。本专利技术的技术方案：一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，其利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。所述基于四态调制的双回路闭环光纤陀螺包括干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206、第一闭环反馈模块207、反馈放大器增益控制模块208、反馈放大器209、Y波导210，其中，干涉仪201、光电检测模块202、前放电路模块203、D/A转换模块204、数字解调模块205、双闭环控制模块206顺次连接，双闭环控制模块206分别经第一闭环反馈模块207和反馈放大器增益控制模块208连接到反馈放大器209，反馈放大器209再经Y波导210连接干涉仪201形成闭环。所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其包括如下步骤：步骤1：编写基于四态调制的闭环光纤陀螺FPGA控制程序，将陀螺通过经反馈放大器增益控制模块208的第二闭环提取的Y波导半波电压变信息替代温度信息随陀螺零偏信息一起输出；步骤2：将加载步骤1所述FPGA控制程序的闭环光纤陀螺置于事先设置好变温程序的温箱中，并将闭环光纤陀螺与数据采集系统可靠连接；步骤3：闭环光纤陀螺上电，开启闭环光纤陀螺数据采集系统，同时启动温箱，在温箱整个运行过程中，连续采集陀螺输出数据；步骤4：依据步骤3所采集到的闭环光纤陀螺补前原始数据，通过最小二乘法确定陀螺零偏与Y波导半波电压的一次线性补偿模型B(v)＝b0+k1v+k2v′的系数b0、k1、k2的值，其中，b0为陀螺常温零偏，v为半波电压码值，v′半波电压码值梯度，B(v)补偿后的陀螺零偏；步骤5：将步骤4所确定的一次线性补偿模型写入FPGA控制程序，使得闭环光纤陀螺控制程序包含温度补偿信息，实现温度补偿。所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，对经步骤5补偿后的陀螺零偏进行补后零偏测试，测试过程同步骤2、步骤3。本专利技术的有益效果：本专利技术利用闭环光纤陀螺现有基本结构实现无温度传感器补偿，简化了电路软件及硬件设计，可进一步缩小陀螺体积、提高补偿精度，具有实现方法简单，成本低，可靠性高的特点，对提升光纤陀螺变温精度，进一步扩展光纤陀螺应用领域具有重要意义。附图说明图1为本专利技术闭环光纤陀螺结构示意图；图2为带双回路的闭环光纤陀螺控制原理示意图；图3为闭环光纤陀螺四态调制波形示意图；图4为完全补偿时的干涉信号示意图；图5为没有完全补偿时的干涉信号；图6为Y波导半波电压漂移时干涉信号输出示意图；图7为带Y波导半波电压码值的陀螺补前零偏输出示意图；图8为陀螺依据补前输出数据建立的零偏补偿模型示意图；图9为补偿结果示意图。其中，图1中101-光源、102-光电探测器、103-2×2耦合器、104-集成光学调制器(Y波导)、105-光纤环、106-前放电路、107-FPGA信号处理模块、108-Y波导驱动电路108；图2中201-干涉仪、202-光电检测模块、203-前放电路模块、204-D/A转换模块、205-数字解调模块、206-双闭环控制模块、207-第一闭环反馈模块、208-反馈放大器增益控制模块、209-反馈放大器、210-Y波导。具体实施方式光纤陀螺目前面临的主要问题是在变温环境中下光纤环产生温度误差(shupe误差)，从而引起陀螺精度劣化。目前普遍采用四极、八极对称绕制光纤环的光纤陀螺，其零偏输出与陀螺温度梯度有较好的相关性，因此对光纤陀螺进行温度补偿，是提升陀螺变温精度的有效途径。目前现有技术均利用温度传感器进行温度补偿，存在需要增加额外温度采样电路(采用模拟温度传感器方案)；温度分辨率低、温度信号噪声大、成本高以及所需空间大(数字温度传感器方案)等问题。本专利技术基于图1所示的基本闭环光纤陀螺结构实现，但并不局限于该结构。由图1所示，该结构包括:光源101、光电探测器102、2×2耦合器103、集成光学调制器(Y波导)104、光纤环105、前放电路106、FPGA信号处理模块107、Y波导驱动电路108等主要组成部分。以下结合附图1对本专利技术做进一步详细说明。参见图1所示，本专利技术利用闭环光纤陀螺重要组成部分Y波导，“其半波电压与温度成近似线性关系，且具有良好重复性”，这一特性，通过基于四态调制的光纤陀螺双闭环控制方案，提取Y波导半波电压替代陀螺温度信息，对陀螺进行温度补偿，从而解决了现有技术存在的问题。以下对本专利技术基本原理进行详细说明。1)Y波导半波电压变化温度线性相关性原理Y波导是以铌酸锂做衬底材料，根据铌酸锂线性光电效应，采用Z向通光，恒向加电压的工作方式，在Y波导上产生的对应相移动如式(1)所示：式中：γ为晶体电光系数，Γ为光场与电场有效重叠系数，L为调制波导长度，V加在波导上的调制电压，b为波导电极间距，ne为波导折射率。当时，外加电压成为Y波导的半波电压，如(2)式：由(2)式可见，Y波导的半波电压主要与铌酸锂的材料特性和制作工艺相关，因而对于每一只Y波导器件，其半波电压具有较好重复性。忽略波长随温度的轻微变化，只考虑温度对L、b和ne的影响，对式(1)进行全微分，可得：由相关文献可知，铌酸锂晶体的轴向膨胀系数为：径向热膨胀系数为：折射率随温度的变化系数为：由(3)～(6)可知，相移随温度的变化量与温度变化近似成线性关系，可以用表示。所以这里可以建立Y波导大半波电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。

【技术特征摘要】
1.一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对光纤陀螺进行温度补偿，利用基于四态调制的双闭环光纤陀螺，实时提取Y波导半波电压随温度的变化信息，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。2.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于，所述基于四态调制的双闭环光纤陀螺包括：干涉仪(201)、光电检测模块(202)、前放电路模块(203)、D/A转换模块(204)、数字解调模块(205)、双闭环控制模块(206)、第一闭环反馈模块(207)、第二闭环反馈模块(208)、反馈放大器(209)、Y波导(210)；其中，干涉仪(201)、光电检测模块(202)、前放电路模块(203)、D/A转换模块(204)、数字解调模块(205)、双闭环控制模块(206)顺次连接，双闭环控制模块(206)分别经第一闭环反馈模块(207)和反馈放大器增益控制模块(208)连接至反馈放大器(209)，反馈放大器(209)再经Y波导(210)连接至干涉仪(201)形成闭环。3.根据权利要求2所述的闭环光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷林，梁霄，李彬，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61