專利名稱：一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子技術中光纖傳感的領域，特別是涉及一種補償數(shù)字閉環(huán) 光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法。
背景技術：
光纖陀螺是一種新型的角速度測量儀，其工作原理是基于光學賽格奈克效 應的光纖干涉儀，即當環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差， 通過檢測該相位差，即可得到環(huán)形干涉儀所在系統(tǒng)的角速度。由于光纖陀螺具 有全固態(tài)、帶寬大及具有多種協(xié)議數(shù)字輸出的優(yōu)點，被廣泛的用于導航和姿態(tài) 控制系統(tǒng)中。
光纖陀螺輸出的數(shù)字信號的大小和輸入角速度的比例系數(shù)稱為光纖陀螺的 標度因數(shù)，簡稱為標度因數(shù)。理想情況下標度因數(shù)為常數(shù)，但由于光纖陀螺光 源波長變化、結(jié)構變化以及信號處理方案的不同，該比例系數(shù)不是常數(shù)，用標 度因數(shù)非線性度所描述這個比例系數(shù)偏離常數(shù)的程度。
很多應用場合中測量參數(shù)為旋轉(zhuǎn)角，需要通過對光纖陀螺輸出的角速度信 息進行積分以獲得旋轉(zhuǎn)角，從而要求光纖陀螺在相當寬的范圍內(nèi)都具有很高的 精度，因為任何過去的誤差都會削弱未來的信息。而且越高精度的應用系統(tǒng)對
標度因數(shù)非線性度的要求越高，慣性級的應用中要求lppm 10ppm(ppm:percent per million,百萬分之一)的標度因數(shù)非線性度。
最早的光纖陀螺采用開環(huán)信號處理系統(tǒng)，直接通過探測器探測到的光強信 號進行反余弦變換得到相位的信息，但光源光強漂移和電路漂移限制了開環(huán)光 纖陀螺的標度因數(shù)非線性度在1% 0.1%的級別，該形式陀螺只能用于速率級 應用中。采用數(shù)字閉環(huán)信號處理方案的光纖陀螺，采用集成電光相位調(diào)制器對 系統(tǒng)進行閉環(huán)反饋，系統(tǒng)動態(tài)偏置在土;r/2相位上，此時反饋相位和轉(zhuǎn)動引起的 賽格奈克相位大小相同符號相反，通過檢測反饋相位得到賽格奈克相位。由于 集成電光相位調(diào)制器線性度好，且不受系統(tǒng)光源光強影響，從而數(shù)字閉環(huán)光纖 陀螺具有更好的標度因數(shù)非線性度參數(shù)，其量級在10ppm 100ppm間，能夠滿 足戰(zhàn)術級的應用(100ppm 1000ppm)。
集成電光相位調(diào)制器工作原理為電光效應在集成電光相位調(diào)制器的調(diào)制 臂上加載電壓信號，在光路上則產(chǎn)生一個和所加電壓成正比的調(diào)制相位差，該
比例系數(shù)稱為電光調(diào)制系數(shù)。實用的數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)中，調(diào)制信號由數(shù) 字調(diào)制信號通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到，通過控制輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的 數(shù)字調(diào)制信號，獲得相應的反饋相位。集成電光相位調(diào)制器生產(chǎn)的實際工藝造 成的電光調(diào)制系數(shù)具有一定非線性，從而數(shù)字調(diào)制信號和反饋相位并不是嚴格 的線性關系，而是存在一定的偏差，這個偏差存在限制了閉環(huán)光纖陀螺標度因
數(shù)的非線性度指標，使得數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度在10ppm 100ppm的量級，無法進一步改善，并限制了其在慣性級場合中的應用。在未來 的高精度光纖陀螺研究中，需要改善標度因數(shù)非線性度，將該指標降低到10ppm 以下，以滿足慣性級應用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺研究中，集成電光相位調(diào)制器的相位調(diào)制系數(shù) 非線性限制其標度因數(shù)非線性度在10ppm 100ppm量級，無法滿足慣性級要求 現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的 方法，消除數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度，提高數(shù)字光纖陀螺的參數(shù)指
發(fā)明原理
根據(jù)賽格奈克光纖干涉儀，數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺探測器輸出信號表示為
/ = /0[l + cos(《(1)
其中/o為光強信號，么為調(diào)制深度，卩。為轉(zhuǎn)動對應的賽格奈克相移，《^為 反饋相位。為了增加靈敏度， 一般對系統(tǒng)進行動態(tài)偏置，也即令《=^2，從而 (1)表示為
/ = /0[l + sin(A+&)] (2) 賽格奈克相移&和轉(zhuǎn)速Q(mào)成嚴格正比
H/Q (3) 比例系數(shù)K^為光學標度因數(shù)，由光源波長、光纖環(huán)直徑和光纖長度決定；《^為 反饋相位，在閉環(huán)工作情況下和&等值反號，<formula>formula see original document page 4</formula> (4)
從而將轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的賽格奈克相位轉(zhuǎn)換為反饋相位的測量
(<formula>formula see original document page 4</formula>數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺通過方波調(diào)制實現(xiàn)動態(tài)偏置《和反饋相位調(diào)制(^ ，模擬
調(diào)制信號可以表示為
<formula>formula see original document page 5</formula>(6)
其中^為集成電光相位調(diào)制器電光調(diào)制系數(shù)，wc，(o為數(shù)字調(diào)制信號，
^,為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路的比例系數(shù)，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字調(diào)制信號變?yōu)槟?擬調(diào)制信號，系統(tǒng)為時延差分調(diào)制，從而光纖陀螺受到差分調(diào)制相位為
<formula>formula see original document page 5</formula> (7 )
其中A為調(diào)制相位，WQ^)為數(shù)字調(diào)制信號，r為光纖陀螺的渡越時間， ^為電光相位調(diào)制系數(shù)，表示為<formula>formula see original document page 5</formula> (8)
式中^。表示在調(diào)制電壓為o時候的電光調(diào)制系數(shù)，而/[(①(0]表示電光調(diào)制
系數(shù)非線性項，對于理想集成電光相位調(diào)制器/[(0(0] = 0，電光調(diào)制系數(shù)/^ =、。
為常數(shù)，不影響標度因數(shù)非線性度；實用的集成電光相位調(diào)制器，由于制作工
藝造成/[(①(0P0，從而電光調(diào)制系數(shù)^不是常數(shù)，而是和加載在電光調(diào)制器調(diào)
制電極上的調(diào)制信號相關的函數(shù)，并隨著調(diào)制信號O(,)的增加而減小。/[(0(,)]#0 是限制數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)中標度因數(shù)非線性度的原因。
從而實際相位調(diào)制器的差分調(diào)制相位(7)改寫為
<formula>formula see original document page 5</formula>( 9 )
利用預先補償，通過調(diào)整實際模擬調(diào)制信號的方法，補償電光調(diào)制系數(shù)非 線性導致的標度因數(shù)非線性度。雖然/[(0>(0]#0，但是對于一個特定的集成電光 相位調(diào)制器，/[(①(0]為一個固定的函數(shù)，使用數(shù)字萬用表預先測試得到/[(0(/)]， 然后用軟件或者硬件的方法補償。
通過對輸出調(diào)制信號乘以一個補償函數(shù)值加以補償，以消除電光相位系數(shù) 非線性造成的實際調(diào)制相位的變化，以保持正確的調(diào)制相位。補償函數(shù)值可以 用式子表達如下
c/((O(0) = l/{l-(10) 將(10)式代入(6)式，得到校正后調(diào)制相位為-.
鄉(xiāng))"。/臟柳(0 (11) 從而校正后的的差分調(diào)制相位為
<formula>formula see original document page 5</formula>( 12)
校正后的調(diào)制相位^和調(diào)制信號為線性關系，從而補償了電光調(diào)制系數(shù)it 非線性造成的標度因數(shù)非線性度。
在實際使用中，補償函數(shù)以表格的形式存在中央處理器內(nèi)部，由中央處理
器在發(fā)送數(shù)字調(diào)制信號的同時，通過軟件改變數(shù)字調(diào)制信號的數(shù)值或硬件改變 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路的比例系數(shù)實現(xiàn)。
本發(fā)明采用的技術方案是，該方法的步驟如下
1、 一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，中央處理器接收 采樣通道采樣得到信號，進行解調(diào)后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器；反饋累 加器數(shù)值與數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制波的數(shù)值通過加法器累加和產(chǎn)生 一個數(shù)字調(diào)制信號，該數(shù)字調(diào)制信號發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為模擬調(diào) 制信號，加載到集成電光相位調(diào)制器，實現(xiàn)對數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺光信號的相位 調(diào)制。加法器累加和產(chǎn)生一個數(shù)字調(diào)制信號經(jīng)乘法器后再發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換 電路，中央處理器在將轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器的同時，發(fā)送出一個補償函 數(shù)值，通過寄存器輸入到乘法器的另外一端，實現(xiàn)補償功能。
所述的補償函數(shù)值是通過數(shù)字萬用表預先測試得到,并制作成表格存于中央 處理器內(nèi)部。所述的補償方法是軟件的補償方法。
2、 一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，中央處理器接收 采樣通道采樣得到信號，進行解調(diào)后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器；反饋累 加器數(shù)值與數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制波的數(shù)值通過加法器累加和產(chǎn)生 一個數(shù)字調(diào)制信號，該數(shù)字調(diào)制信號發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為模擬調(diào) 制信號，加載到集成電光相位調(diào)制器，實現(xiàn)對數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺光信號的相位 調(diào)制。中央處理器在將轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器的同時，發(fā)送出一個補償函 數(shù)值，通過寄存器輸入到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路，改變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化電路的比例系 數(shù)，以實現(xiàn)補償功能。
所述的補償函數(shù)值是通過數(shù)字萬用表預先測試得到,并制作成表格存于中央 處理器內(nèi)部。所述的補償方法是硬件的補償方法。
本發(fā)明具有的有益效果是利用補償函數(shù)對系統(tǒng)進行的補償，經(jīng)補償后的 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度從原來的幾十個百萬分之一降低到十個百 萬分之一以下，提高數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)的準確度。


圖1是不進行補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道的框圖。
圖2是不進行補償光纖陀螺的標度因數(shù)非線性度典型的分布圖。 圖3是本發(fā)明通過數(shù)字調(diào)制信號補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道框圖。 圖4是本發(fā)明通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路比例系數(shù)補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道框圖。
圖5本發(fā)明采用補償技術光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的典型分布圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明
圖1是不進行補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道的框圖中央處理器11接受到來自 采樣通道10的采樣信號，通過解調(diào)以后得到轉(zhuǎn)速信號，并累加到反饋累加器13 里面，數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器12產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制波，并和反饋累加器13的數(shù)字反饋 信號通過加法器16求和，得到數(shù)字調(diào)制信號后送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路14，數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換電路14將數(shù)字調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M調(diào)制信號，并加載到集成電光相位 調(diào)制器15上，實現(xiàn)對系統(tǒng)的光相位調(diào)制。
圖2是不進行補償光纖陀螺的標度因數(shù)非線性度典型的分布圖圖中橫坐
標為輸入的角速度，縱坐標為測試得到的光纖陀螺的標度因數(shù)非線性度，在整 個測試范圍內(nèi)，標度因數(shù)非線性度的最大值在正負一百個百萬分之一的量級上。
圖3是本發(fā)明通過數(shù)字調(diào)制信號補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道框圖中央處理 器11接受到來自采樣通道10的采樣信號，通過解調(diào)以后得到轉(zhuǎn)速信號，并累 加到反饋累加器13里面，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的大小查表得到相應的補償函數(shù)值 存放于寄存器18中；數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器12產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制波，并和反饋累加器 13的數(shù)字反饋信號通過加法器16求和，得到數(shù)字調(diào)制信號，數(shù)字調(diào)制信號通過 乘法器17和寄存器18中的補償函數(shù)值相乘得到補償后的數(shù)字調(diào)制信號，并發(fā) 送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路14，由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路14將數(shù)字調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M 調(diào)制信號，并加載到集成電光相位調(diào)制器15上，實現(xiàn)對系統(tǒng)的光相位調(diào)制。乘 法器是利用軟件方法實現(xiàn)的。
圖4是本發(fā)明通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路比例系數(shù)補償?shù)墓饫w陀螺調(diào)制通道框 圖中央處理器11接受到來自采樣通道10的采樣信號，通過解調(diào)以后得到轉(zhuǎn) 速信號，并累加到反饋累加器13里面，數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器12產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制波， 并和反饋累加器13的數(shù)字反饋信號通過加法器16求和，得到數(shù)字調(diào)制信號， 并發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路14;中央處理器11在得到轉(zhuǎn)速的同時，根據(jù)轉(zhuǎn)速信 號的大小査表得到相應的補償函數(shù)值存于18，并發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路，改 變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路參考電平，改變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路的比例系數(shù)，從而在數(shù) 字模擬轉(zhuǎn)換電路14將數(shù)字調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M調(diào)制信號的同時實現(xiàn)調(diào)制信號的 補償，模擬調(diào)制信號加載到集成電光相位調(diào)制器15上，實現(xiàn)對系統(tǒng)的光相位調(diào) 制。其中改變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路的比例系數(shù)是通過硬件改變轉(zhuǎn)換電路的放大系 數(shù)來實現(xiàn)的。
圖5是本發(fā)明采用補償技術光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的典型分布圖圖 中橫坐標為輸入的角速度，縱坐標為測試得到的光纖陀螺的標度因數(shù)非線性度， 利用數(shù)字萬用表預先測試得到補償函數(shù)值。先通過給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路給相位 調(diào)制加上一個調(diào)制信號，用數(shù)字萬用表測試此時光纖陀螺輸出的電平，該電平 的倒數(shù)就是對應于該調(diào)制信號的補償函數(shù)值,修改調(diào)制信號的大小，重復這個過 程就可以得到一系列調(diào)制信號對應的補償函數(shù)值，將這些值制作為表格存放于 中央處理器11中，實用的時候根據(jù)相應的調(diào)制信號的大小査表即可得到對應的 補償函數(shù)值。
對系統(tǒng)按照補償函數(shù)進行補償后，在整個測試范圍內(nèi)，標度因數(shù)非線性度 被抑制在十個百萬分之一以內(nèi)。
權利要求
1、一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，中央處理器(11)接收采樣通道(10)采樣得到信號，進行解調(diào)后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器(13)；反饋累加器(13)數(shù)值與數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器(12)產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制波的數(shù)值通過加法器(16)累加和產(chǎn)生一個數(shù)字調(diào)制信號，該數(shù)字調(diào)制信號發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路(14)，轉(zhuǎn)換為模擬調(diào)制信號，加載到集成電光相位調(diào)制器(15)，實現(xiàn)對數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺光信號的相位調(diào)制；其特征在于加法器(16)累加和產(chǎn)生一個數(shù)字調(diào)制信號經(jīng)乘法器(18)后再發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路(14)，中央處理器(11)在將轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器(13)的同時，發(fā)送出一個補償函數(shù)值，通過寄存器(18)輸入到乘法器的另外一端，實現(xiàn)補償功能。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的 方法，其特征在于所述的補償函數(shù)值是通過數(shù)字萬用表預先測試得到，并制 作成表格存于中央處理器(l 1)內(nèi)部。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，其特征在于所述的補償方法是軟件的補償方法。
4、 一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，中央處理器(ll 接收采樣通道(10)采樣得到信號，進行解調(diào)后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號累加到反饋累加器 (13);反饋累加器(13)數(shù)值與數(shù)字調(diào)制波發(fā)生器(12)產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制波的數(shù)值通 過加法器(16)累加和產(chǎn)生一個數(shù)字調(diào)制信號，該數(shù)字調(diào)制信號發(fā)送到數(shù)字模擬轉(zhuǎn) 換電路(14)，轉(zhuǎn)換為模擬調(diào)制信號，加載到集成電光相位調(diào)制器(15)，實現(xiàn)對數(shù) 字閉環(huán)光纖陀螺光信號的相位調(diào)制；其特征在于中央處理器(ll)在將轉(zhuǎn)速信號 累加到反饋累加器(13)的同時，發(fā)送出一個補償函數(shù)值，通過寄存器(18)輸入到 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路(14)，改變數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化電路(14)的比例系數(shù)，以實現(xiàn)補償功 能。
5、 根據(jù)權利要求4所述的一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，其特征在于所述的補償函數(shù)值是通過數(shù)字萬用表預先測試得到，并制作成表格存于中央處理器(l 1)內(nèi)部。
6、 根據(jù)權利要求4所述的一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法，其特征在于所述的補償方法是硬件的補償方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種補償數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度的方法。光纖陀螺通過測量賽格奈克相位得到所在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，數(shù)字閉環(huán)反饋技術將測量賽格奈克相位轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量集成電光相位調(diào)制器調(diào)制電壓引入的反饋相位，而由于電光集成調(diào)制器電光調(diào)制系數(shù)非線性的存在，導致了實用數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺標度因數(shù)非線性度；本發(fā)明中用數(shù)字萬用表預先測試得到補償函數(shù)，通過軟件補償或硬件補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)補償函數(shù)，補償電光集成相位調(diào)制器電光調(diào)制系數(shù)非線性，消除其造成的標度因數(shù)非線性度，從而改善數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的標度因數(shù)非線性度，提高數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)的準確度。
文檔編號G01C19/72GK101101213SQ20071007039
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月30日 優(yōu)先權日2007年7月30日
發(fā)明者承 劉, 舒曉武, 陳杏藩 申請人:浙江大學