一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法技术

本发明专利技术公开了一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明专利技术在开环离线状态下的本征频率测量基础上，建立在线提取陀螺调制信号频率偏离本征频率的误差量与本征频率的关系模型，设计在不影响闭环陀螺正常角速度解调的前提下对闭环光纤陀螺的进行分时复用调制和调制信号频率双时钟无缝切换调整的方案。利用本发明专利技术所提供的方法在不影响主闭环回路角速度解调的前提下，提取调制频率偏离本征频率的误差量，并反馈调整，而且还能消除切换过程中可能带来的抖动，为高精度光纤陀螺标度因数的补偿提供了一条道路。

An On-line Automatic Tracking Method for Intrinsic Frequency of Fiber Optic Gyroscope

The invention discloses an on-line automatic tracking method for the intrinsic frequency of an optical fiber gyro, which belongs to the technical field of optical fiber gyroscope. Based on the measurement of the eigenfrequency of the open loop offline state, the relationship model between the error of the frequency deviation from the eigenfrequency of the gyro modulation signal and the eigenfrequency is established. The scheme of time-sharing multiplexing modulation and seamless switching of the frequency of the modulation signal of the closed loop FOG is designed without affecting the normal angular velocity demodulation of the closed loop gyro. The method provided by the invention can extract the error of modulation frequency deviating from the intrinsic frequency without affecting the angular velocity demodulation of the main closed loop loop, and adjust it by feedback. It can also eliminate the possible jitter in the switching process, thus providing a way for the compensation of the scale factor of high precision FOG.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法
本专利技术属于光纤陀螺
，具体涉及一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法，特别适用于在长期贮存后开机使用的高精度光纤陀螺。
技术介绍
干涉式光纤陀螺以其全固态结构、小尺寸、低成本等优点在惯性角速度领域得到了广泛应用。标度因数是光纤陀螺的一个重要参数，相对于激光陀螺而言，光纤陀螺有一个明显的劣势，是它的标度因数特性较差。随着陀螺精度的提高，很多深层次的技术问题开始暴露出来。光纤陀螺必须有精确的标度因数。在多物理场作用下，陀螺的“标度因数”重复性、稳定性的长期保持存在问题，光源的光谱、调制器性能和光纤敏感环等器件参数变化等因素都在不同程度上引起标度因数的变化。全数字闭环光纤陀螺的标度因数受到光纤敏感环热胀冷缩的影响，可以通过温度补偿减小。在光纤陀螺中，光纤的主要成分是石英，石英材料膨胀系数为10-7量级，全温范围内长度变化为10-5量级，即几十个ppm。温度的改变会导致光纤敏感环长度、直径和折射率的变化，有些光纤的折射率对温度较敏感，其折射率温度系数在10×10-6/℃左右，虽然光纤的热膨胀系数比较低，在1×10-7/℃左右，但是绕环所用的胶体受到温度影响很大，胶体的膨胀和收缩同样会改变光纤敏感环的长度，是光纤长度变化的一个原因。同时由于光纤有涂覆胶，光纤敏感环成环时有绕环胶，实际上长期贮存情况下的光纤陀螺，其光纤敏感环的长度(L)和直径(D)除受温度的影响外同时受水汽等其他因素的影响，这些因素导致的光纤敏感环的变化无法消除，也无法对标度因数进行有效的补偿。光纤陀螺的本征频率定义为光在光纤敏感环中渡越时间的倒数的1/2，其大小与光纤敏感环的长度，折射率都有关。长期贮存情况下，温度、水汽等的改变会导致光纤长度的变化，从而导致光纤陀螺本征频率的改变，而本征频率的改变会影响光纤陀螺的标度因数，这就会对光纤陀螺的性能产生影响，由此可见，本征频率是光纤陀螺的一个极其重要的参数，它会受到外界温度、水汽等因素的影响，光纤陀螺本征频率改变造成了光纤陀螺标度因数的不稳定，对陀螺的性能产生不利的影响，因此有必要对光纤陀螺进行在线的自动跟踪，以使调制频率能调整到较为准确的本征频率处，而现有的本征频率测量技术都不能实现在线自动跟踪。
技术实现思路
本专利技术的目的为：实现对光纤陀螺本征频率高精度在线自动跟踪，为解决陀螺长期贮存开机后本征频率在线跟踪的问题，在开环离线状态下的本征频率测量基础上，建立误差量与本征频率的关系模型，设计在不影响闭环陀螺正常角速度解调的前提下对闭环光纤陀螺的调制信号频率进行调整的方案。所述的误差量是指在线提取的陀螺调制频率偏离本征频率的误差量。本专利技术提供的一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法，具体步骤如下：步骤一、逻辑处理器产生A路数字量的调制信号，所述调制信号为两倍前期离线测量所得本征频率的锯齿波信号以及与前期离线测量所得本征频率同频的方波信号相叠加所形成。方波信号的每半周期的前1/3部分叠加锯齿波信号。步骤二、所述A路调制信号经过数模转换器转换为两路差分的模拟调制电压信号，两路差分的模拟调制电压信号经过缓冲放大器放大后施加到集成光学相位调制器上，集成光学相位调制器利用模拟调制电压信号对Sagnac(萨格纳克)干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制。步骤三、相位调制后的两路反向传播的光经过Sagnac干涉仪产生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电压信号，然后由前置放大器放大，经模数转换器采集所述电压信号前τ/3的采样点后在逻辑处理器内进行解调，τ为光在光纤敏感环中的渡越时间，得到解调结果D1；所述的解调结果D1包含调制信号频率偏离本征频率的误差量和陀螺旋转速率信息；经模数转换器采集所述电压信号的后2τ/3的采样点后在逻辑处理器内解调，得到有关陀螺旋转速率的解调结果D2，将解调结果D1与解调结果D2相减得到解调结果Dout，所述解调结果Dout为仅包含调制信号频率偏离本征频率的误差量。步骤四、逻辑处理器产生与A路调制信号初始频率完全相同的B路调制信号，根据A路调制信号调制得到的解调结果Dout来调整B路调制信号的频率，调整完成后，利用全局分时复用器(BUFMUX)实现切换，经过多次调整后，B路调制信号频率调整到准确的本征频率处，将调整的调制信号频率和陀螺旋转速率传到计算机中进行显示，实现本征频率的在线跟踪。所述的调整是指调整施加的调制信号频率，使解调结果Dout为0，此时锯齿波的调制信号频率的大小为2倍的本征频率。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供的本征频率在线自动跟踪技术，在传统的本征频率离线测量的基础上实现，不影响主闭环回路角速度解调的前提下，提取调制频率偏离本征频率的误差量，并反馈调整。(2)本专利技术提供的本征频率在线自动跟踪技术，不仅不影响光纤陀螺的正常调制解调，而且还能消除切换过程中可能带来的抖动。(3)本专利技术提供的本征频率在线自动跟踪技术，对光纤陀螺角速度解调精度的影响很小，为高精度光纤陀螺标度因数的补偿提供了一条道路。附图说明图1为本专利技术光纤陀螺本征频率在线自动追踪实现装置结构示意图；图2为本专利技术前τ/3锯齿波波形和施加前τ/3锯齿波信号调制产生的相位差示意图；图3为本专利技术方波波形和施加方波信号调制产生的相位差示意图；图4为本专利技术施加方波信号叠加前τ/3锯齿波信号调制产生的相位差示意图；图5为本专利技术方波叠加方波半周期前1/3部分叠加锯齿波调制示意图；图6为本专利技术陀螺数据采样时序控制示意图；图7为本专利技术扫频得到频率误差解调值与调制频率的关系；图8为本专利技术拟合处理后的频率误差解调值与调制频率的关系；图9为本专利技术随温度变化，本征频率在线自动调整的过程示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示为本专利技术所提供的一种光纤陀螺本征频率在线自动追踪实现装置，包括光源、光纤耦合器、集成光学相位调制器、光纤敏感环、光电探测器、前置放大器、模数转换器(ADC)、逻辑处理器、数模转换器(DAC)、缓冲放大器和晶振。所述光源、光纤耦合器、集成光学相位调制器和光纤敏感环组成Sagnac(萨格纳克)干涉仪。所述光纤耦合器为四端口器件，第一端口连接光源，第二端口连接集成光学相位调制器的第一输入端，第三端口连接光电探测器，第四端口悬空；所述的集成光学相位调制器的第一输入端连接光纤耦合器的第二端口，第一输出端和第二输出端分别连接光纤敏感环的两端。所述光电探测器的输入端与所述的光纤耦合器的第三端口连接，光电探测器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接逻辑处理器的第一输入端，逻辑处理器的第二输入端连接晶振的输出端，逻辑处理器的输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接缓冲放大器的输入端，缓冲放大器的输出端连接集成光学相位调制器的第二输入端。所述逻辑处理器为集成光学相位调制器提供频率可调的方波信号和频率可调的锯齿波信号，晶振为逻辑处理器提供初始的时钟频率源信号。在闭环光纤陀螺中，当闭环光纤陀螺旋转时，两路反向传播的光经过光纤敏感环产生非互易相位差φs，所述非互易相位差φs与陀螺旋转速率Ω成正比，因此相位调制后两路反向传播的光经过干涉产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、逻辑处理器产生A路数字量的调制信号，所述调制信号为两倍前期离线测量所得本征频率的锯齿波信号以及与前期离线测量所得本征频率同频的方波信号相叠加所形成，方波信号的每半周期的前1/3部分叠加锯齿波信号；步骤二、所述A路调制信号经过数模转换器转换为两路差分的模拟调制电压信号，两路差分的模拟调制电压信号经过缓冲放大器放大后施加到集成光学相位调制器上，集成光学相位调制器利用模拟调制电压信号对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制；步骤三、相位调制后的两路反向传播的光经过Sagnac干涉仪产生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电压信号，然后由前置放大器放大，经模数转换器采集所述电压信号前τ/3的采样点后在逻辑处理器内进行解调，τ为光在光纤敏感环中的渡越时间，得到的解调结果D1；所述的解调结果D1包含调制信号频率偏离本征频率的误差量和陀螺旋转速率信息；经模数转换器采集所述电压信号后2τ/3的采样点后在逻辑处理器内解调，得到有关陀螺旋转速率的解调结果D2，将解调结果D1与解调结果D2相减得到解调结果Dout，所述解调结果Dout为仅包含调制信号频率偏离本征频率的误差量；步骤四、逻辑处理器产生与A路调制信号初始频率完全相同的B路调制信号，根据A路调制信号调制得到的解调结果Dout来调整B路调制信号的频率，调整完成后，利用全局分时复用器实现切换，经过多次调整后，B路调制信号频率调整到准确的本征频率处，将调整的调制信号频率和陀螺旋转速率传到计算机中进行显示，实现本征频率的在线跟踪；所述的调整是指调整施加的调制信号频率，使解调结果Dout为0，此时锯齿波的调制信号频率的大小为2倍的本征频率。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺本征频率在线自动跟踪的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、逻辑处理器产生A路数字量的调制信号，所述调制信号为两倍前期离线测量所得本征频率的锯齿波信号以及与前期离线测量所得本征频率同频的方波信号相叠加所形成，方波信号的每半周期的前1/3部分叠加锯齿波信号；步骤二、所述A路调制信号经过数模转换器转换为两路差分的模拟调制电压信号，两路差分的模拟调制电压信号经过缓冲放大器放大后施加到集成光学相位调制器上，集成光学相位调制器利用模拟调制电压信号对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制；步骤三、相位调制后的两路反向传播的光经过Sagnac干涉仪产生干涉，干涉光信号经过光电探测器接收，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电压信号，然后由前置放大器放大，经模数转换器采集所述电压信号前τ/3的采样点后在逻辑处理器内进行解调，τ为光在光纤敏感环中的渡越时间，得到的解调结果D1；所述的解调结果D1包含调制信号频率偏离本征频率的误差量和陀螺旋转速率信息；经模数转换器采集所述电压信号后2τ/3的采样点后在逻辑处理器内解调，得到有关陀螺旋转速率的解调结果D2，将解调结果D1与解调结果D2相减得到解调结果Dout，所述解调结果Dout为仅包含调制信号频率偏离本征频率的误差量；步骤四、逻辑处理器产生与A路调制信号初始频率完全相同的B路调制信号，根据A路调制信号调制得到的解调结果Dout来调整B路调制信号的频率，调整完成后，利用全局分时复用器实现切换，经过多次调整后，B路调制信号频率调整到准确的本征频率处，将调整的调制信号频率和陀螺旋转速率传到计算机中进行显示，实现本征频率的在线跟踪；所述的调整是指调整施加的调制信号频率，使解调结果Dout为0，此时锯齿波的调制信号频率的大小为2倍的本征频率。2.如权利要求1所述的一种光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘雄，代琪，宋凝芳，王夏霄，熊瑞，张少博，郝帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11