專利名稱：一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的一種光纖陀螺傳感器中信號(hào)處理的方法，尤其是涉及一種提高 光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種基于光學(xué)賽格奈克效應(yīng)的角速度傳感器，通過檢測(cè)光纖干涉 儀產(chǎn)生的賽格奈克光相位，以獲得系統(tǒng)的角速度，即轉(zhuǎn)速
由于制作光纖陀螺各器件性能非理想，其綜合的效果使得光纖陀螺在零角速 度輸入時(shí)，輸出信號(hào)非零，而是具有一定的偏置，這個(gè)偏置稱為光纖陀螺的零 偏，簡(jiǎn)稱零偏。零偏是由多種不同的因素造成，在不同的應(yīng)用環(huán)境中會(huì)隨環(huán)境 的變化而變化，其中零偏隨溫度變化而變化的性質(zhì)稱為系統(tǒng)的零偏溫度敏感性， 用零偏溫度靈敏度指標(biāo)表示，其定義是相位于室溫的零偏值，由溫度變化引 起的光纖陀螺零偏變化量與溫度變化量之比。該指標(biāo)是用于評(píng)價(jià)光纖陀螺靜態(tài) 溫度性能的重要指標(biāo)之一。
光纖陀螺的零偏溫度敏感性會(huì)對(duì)系統(tǒng)的角速度測(cè)量引入額外誤差，從而導(dǎo)致 光纖陀螺性能的退化。因?yàn)橄到y(tǒng)并不能夠區(qū)分光纖陀螺輸出信號(hào)是由溫度零偏 造成的誤差信號(hào)或者是實(shí)際的角速度輸入，從而等效于光纖陀螺對(duì)角速度信號(hào) 的分辨率和準(zhǔn)確度的降低，相當(dāng)于光纖陀螺在不同溫度下性能的惡化。為了提 高系統(tǒng)的性能，特別的是在不同溫度中光纖陀螺的輸出穩(wěn)定性，需要對(duì)系統(tǒng)的 零偏進(jìn)行控制，抑制甚至消除光纖陀螺由溫度引起的零偏變化，保證系統(tǒng)在不 同的溫度下可以保持恒定零偏，提高零偏溫度靈敏度性能，獲取準(zhǔn)確的的角速 度信號(hào)。
光纖陀螺的零偏溫度靈敏度，惡化了光纖陀螺在寬溫度范圍應(yīng)用時(shí)的靜態(tài)指 標(biāo)，在其輸出角速度信號(hào)上疊加了一個(gè)和溫度有關(guān)的誤差函數(shù)，限制了其應(yīng)用 場(chǎng)合，現(xiàn)有的技術(shù)是用附加溫控系統(tǒng)光纖陀螺進(jìn)行溫控，使其工作在準(zhǔn)恒溫環(huán) 境，但這種技術(shù)存在嚴(yán)重的缺陷，需要體積龐大、功耗巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜溫控系 統(tǒng)，在某些體積、重量、功耗要求高的系統(tǒng)中不能得到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前光纖陀螺研究中，器件性能不理想性造成了光纖陀螺的零偏，且
該零偏具有溫度敏感度，從而降低了光纖陀螺靜態(tài)性能，并限制了其應(yīng)用場(chǎng)合 的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法， 利用預(yù)先建立的模型，在不明顯增加功耗體積的前題下，在系統(tǒng)中引入一個(gè)補(bǔ) 償器，以消除光纖陀螺的零偏溫度敏感性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高器靜態(tài)溫度 性能，以滿足更廣范圍應(yīng)用環(huán)境的使用。 發(fā)明原理
光纖陀螺零偏來源于制作光纖陀螺各器件性能非理想性上，當(dāng)各器件的性能 隨溫度變化而變化時(shí)就產(chǎn)生了零偏的溫度靈敏度。而具體的零偏和溫度的關(guān)系 是各種復(fù)雜因素所決定，對(duì)于不同制作工藝的光纖陀螺的表現(xiàn)形式都不同，但 對(duì)于某一光纖陀螺為固定函數(shù)。可將零偏隨溫度變化的關(guān)系表示為一個(gè)隱函數(shù)
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
其中5/og表示零偏，該函數(shù)為溫度的連續(xù)緩變函數(shù)。根據(jù)泰勒原理，該緩變連 續(xù)函數(shù)可用多項(xiàng)式近似表示如下，并且這種表示是收斂的，即:
<formula>formula see original document page 5</formula> (2) 其中洲、a、 b、、、 k對(duì)應(yīng)于不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，n為表示式的最高次項(xiàng)次數(shù)，T
為溫度。這種多項(xiàng)式的近似精度和多項(xiàng)式最高次項(xiàng)次數(shù)有關(guān)，增加近似多項(xiàng)式 的次數(shù)可以得到更精確的逼近，從而可以有更精確的多項(xiàng)式模型，但要求更加 復(fù)雜的計(jì)算量，要求更強(qiáng)的計(jì)算能力，實(shí)際使用需在計(jì)算量和近似程度之間選 取一個(gè)平衡點(diǎn)，在計(jì)算量可接受的范圍那上盡可能增加多項(xiàng)式的次數(shù)， 一般可
選取二次，對(duì)于中低精度光纖陀螺可以取一次，對(duì)于高精度光纖陀螺取三次；50
為常數(shù)零偏，不影響零偏溫度靈敏性指標(biāo)，可以不加考慮；sg(r)的表達(dá)式即
光纖陀螺的零偏溫度模型，利用該模型可以補(bǔ)償?shù)魷囟仍斐傻撵`敏性，提高光 纖陀螺溫度靈敏度性能。
在利用式(2)作為光纖陀螺零偏溫度靈敏度模型時(shí)，其中各次項(xiàng)的系數(shù)需 要預(yù)先測(cè)試所得，這可以通過溫度控制設(shè)備，如溫箱進(jìn)行。將溫度控制設(shè)備按 照預(yù)先選定的溫度點(diǎn)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行制冷或加熱，在溫度穩(wěn)定時(shí)測(cè)試光纖陀螺 的輸出零偏，重復(fù)該過程得到對(duì)應(yīng)于一系列溫度點(diǎn)的一系列零偏值，利用最小 二乘法對(duì)這兩個(gè)序列進(jìn)行數(shù)據(jù)擬和可以得到各個(gè)不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)。
獲得了各個(gè)指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)相對(duì)于得到了零偏和溫度之間隱函數(shù)的近似表達(dá) 式，將表達(dá)式作為零偏溫度靈敏度的模型。在光纖陀螺種加入補(bǔ)償器，通過溫 度傳感器測(cè)量溫度，利用模型計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于該溫度點(diǎn)的零偏，并從此時(shí)光纖 陀螺輸出數(shù)據(jù)中減去該值，將差作為補(bǔ)償后的光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)，即可消除溫
度造成的零偏變化，從而提高溫度靈敏度性能。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的步驟如下
采樣通道將來自光纖陀螺光學(xué)系統(tǒng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并發(fā)送到中央 處理器，中央處理器通過處理后通過通訊接口向外輸出轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；其特征在于 在中央處理器和通訊接口之間加入補(bǔ)償器，補(bǔ)償器按照預(yù)先得到的零偏溫度模 型，計(jì)算補(bǔ)償溫度造成的零偏變化，以提高光纖陀螺溫度靈敏度性能。
補(bǔ)償器由溫度計(jì)、附屬計(jì)算單元以及減法器組成，利用溫度計(jì)實(shí)時(shí)獲取光 纖陀螺環(huán)境溫度，發(fā)送到附屬計(jì)算單元，附屬計(jì)算單元根據(jù)溫度計(jì)發(fā)送的溫度， 按照預(yù)先得到的零偏溫度模型，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于該溫度的零偏值，并送到減法 器的一個(gè)輸入端作為減數(shù)，而中央處理器發(fā)送的光纖陀螺數(shù)據(jù)發(fā)送到減法器的 另一輸入端作為被減數(shù)，將減法器的輸出作為新的光纖陀螺輸出。
所述的預(yù)先得到零偏溫度模型的步驟如下
a、 在所需要補(bǔ)償?shù)臏囟确秶鶾Tmin， Tmax]內(nèi)，按選定的溫度步長(zhǎng)Tstep， 選取溫度點(diǎn)組成溫度序列T(n);其中Tmin和Tmax分別對(duì)應(yīng)于需要補(bǔ)償溫度范 圍的下限和上限，由光纖陀螺的應(yīng)用環(huán)境決定；溫度步長(zhǎng)Tstep由目標(biāo)補(bǔ)償精度 決定，率Tstep為1 10攝氏度爭(zhēng)
b、 利用溫箱按照溫度序列T(n)中的溫度點(diǎn)的次序?qū)Σ患友a(bǔ)償器的光纖陀螺 加熱，在每個(gè)溫度點(diǎn)上測(cè)量陀螺相應(yīng)的零偏值，得到對(duì)應(yīng)于溫度序列T(n)的零 偏序列B(n);
c、 根據(jù)泰勒展開定理，將光纖陀螺零偏隨溫度的關(guān)系S/og(r)表示如下
爭(zhēng)g(r)=訓(xùn)+"r+z r2 +...+『
其中T為溫度，卵、a、 b、、、 k對(duì)應(yīng)于不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，n為表示式中最 高次項(xiàng)次數(shù)，由光纖陀螺的目標(biāo)補(bǔ)償精度和計(jì)算能力決定，n越大補(bǔ)償精度越高， 相應(yīng)要求附屬計(jì)算單元的計(jì)算能力越高，n取l 3;別為常數(shù)零偏，不影響零 偏溫度靈敏性；S/og(r)的表達(dá)式即光纖陀螺的零偏溫度模型；
d、 根據(jù)步驟a中的溫度序列T(n)和步驟b中得到的對(duì)應(yīng)的零偏序列B(n)， 利用最小二乘法進(jìn)行擬和得到不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)別、a、 b、、、 k，代入B/og(r)即 得到光纖陀螺的零偏溫度模型。
所述的計(jì)算補(bǔ)償溫度造成的零偏變化，是將^/bg(r)的各指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)存放 在附屬計(jì)算單元中，附屬單元接收溫度計(jì)的溫度值t作為輸入，按照零偏溫度 模型，。g(r^加+"r+w^+…+w"，計(jì)算得到相應(yīng)的零偏值，并送到減法器的 一端作為減數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度造成的零偏變化進(jìn)行補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的零偏溫度
靈敏度性能。
本發(fā)明具有的有益效果是根據(jù)預(yù)先測(cè)試得到的零偏溫度靈敏度模型，在 光纖陀螺中只需加入補(bǔ)償器即可對(duì)抑制溫度造成的零偏變化，不需龐大復(fù)雜的 溫控設(shè)備和額外功耗，在原有技術(shù)基礎(chǔ)即可實(shí)現(xiàn)，從而消除了溫度造成的零偏 變化，提高了光纖陀螺零偏的溫度靈敏度性能，使其能夠在更廣的溫度范圍內(nèi) 得到使用，并且保持和恒溫工作一樣的靜態(tài)性能，擴(kuò)展了其應(yīng)用的場(chǎng)合。


圖1是未加補(bǔ)償器時(shí)光纖陀螺信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)圖。 圖2是加入補(bǔ)償器后光纖陀螺信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)圖。 圖3是補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖。
圖中1、采樣通道，2、中央處理器，3、通訊接口， 4、補(bǔ)償器，4.1、溫 度傳感器，4.2、附屬計(jì)算單元，4.3、減法器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖1為未加補(bǔ)償器時(shí)光纖陀螺信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)，其中包括三部分采樣 通道l、中央處理器2及通訊接口 3，其中采樣通道1實(shí)現(xiàn)了將來自光纖陀螺光
學(xué)系統(tǒng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并發(fā)送到中央處理器2，中央處理器2在接收到
采樣通道1的信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)、濾波等運(yùn)算，得到光纖陀螺所在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，
并將轉(zhuǎn)速發(fā)送到通訊接口 3，通過通訊接口 3上傳到上位機(jī)。
圖2為加入補(bǔ)償器后光纖陀螺信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)，他包括了四部分采樣
通道l、中央處理器2、通訊接口3及補(bǔ)償器4，相比圖l在中央處理器2和通 訊接口3中間增加了補(bǔ)償器4，通過補(bǔ)償器4抑制系統(tǒng)的零偏溫度靈敏度在中 央處理器2發(fā)送出轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，先將該轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入補(bǔ)償器4，在補(bǔ)償器4中減 去溫度造成的零偏值得到一個(gè)新的輸出，這個(gè)新的輸出就是經(jīng)過補(bǔ)償后的零偏。 圖3為補(bǔ)償器4的結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償器4由幾個(gè)部分組成溫度傳感器4.1，附屬 計(jì)算單元4.2，減法器4.3:溫度傳感器用于檢測(cè)光纖陀螺所在環(huán)境的溫度，并 將溫度信息發(fā)送到附屬計(jì)算單元4.2，附屬計(jì)算單元4.2根據(jù)溫度值，利用預(yù)先 得到的零偏溫度靈敏度的模型計(jì)算得到溫度造成的零偏變化后，將這個(gè)溫度變 化發(fā)送到減法器4.3的一端作為減數(shù)，而從中央處理器2發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號(hào)則輸入 到減法器4.3的另外一端作為被減數(shù)，減法器4.3輸出兩者的差為補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)速 信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)作為光纖陀螺的新輸出發(fā)送到通訊接口3，通過通訊接口3上 傳到上位機(jī)。
所述的預(yù)先得到的零偏溫度模型的步驟如下
a、 在所需要補(bǔ)償?shù)臏囟确秶鶾Tmin， Tmax]內(nèi)，按選定的溫度步長(zhǎng)Tstep， 選取溫度點(diǎn)組成溫度序列T(n);其中Tmin和Tmax分別對(duì)應(yīng)于需要補(bǔ)償溫度范 圍的下限和上限，由光纖陀螺的應(yīng)用環(huán)境決定；溫度步長(zhǎng)Tstep由目標(biāo)補(bǔ)償精度 決定，舉寧Tstep為1 10攝氏度，低精度陀螺可取Tstep二10攝氏度，高精 度陀螺可取Tstep二l攝氏度，具體的數(shù)值根據(jù)光纖陀螺的靜態(tài)精度決定；
b、 利用溫箱按照溫度序列T(n)中的溫度點(diǎn)的次序?qū)Σ患友a(bǔ)償器的光纖陀螺 加熱，在每個(gè)溫度點(diǎn)上測(cè)量陀螺相應(yīng)的零偏值，得到對(duì)應(yīng)于溫度序列T(n)的零 偏序列B(n);
c、 根據(jù)泰勒展開定理，將光纖陀螺零偏隨溫度的關(guān)系^/bg(r)表示如下 jB/bg(r) = 50+ar+6:r2 + ...+『
其中訓(xùn)、a、 b、、、 k對(duì)應(yīng)于不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，n為表示式中最高次項(xiàng)次數(shù)， 由光纖陀螺的目標(biāo)補(bǔ)償精度和計(jì)算能力決定，n越大補(bǔ)償精度越高，相應(yīng)要求附 屬計(jì)算單元的計(jì)算能力越高， 一般n取l 3,低精度陀螺取l，高精度陀螺取 3,具體的數(shù)值根據(jù)光纖陀螺的靜態(tài)精度決定；別為常數(shù)零偏，不影響零偏溫度
靈敏性，可以不加考慮；^sybg(r)的表達(dá)式即光纖陀螺的零偏溫度模型；
d、 根據(jù)步驟a中的溫度序列T(n)和步驟b中得到的對(duì)應(yīng)的零偏序列B(n)， 利用最小二乘法進(jìn)行擬和得到不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)加、a、 b、、、 k，代入S/og(r)即
得到光纖陀螺的零偏溫度模型。
所述的計(jì)算補(bǔ)償溫度造成的零偏變化，是將^/bg(r)的各指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)存放
在附屬計(jì)算單元4.2中，附屬單元接收溫度計(jì)4.1的溫度值T作為輸入，按照零 偏溫度模型<formula>formula see original document page 8</formula> 計(jì)算得到相應(yīng)的零偏值，并送到減 法器的一端作為減數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度造成的零偏變化進(jìn)行補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的零
偏溫度靈敏度性能。
權(quán)利要求
1、一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法，采樣通道(1)將來自光纖陀螺光學(xué)系統(tǒng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并發(fā)送到中央處理器(2)，中央處理器(2)通過處理后通過通訊接口(3)向外輸出轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。其特征在于在中央處理器(2)和通訊接口(3)之間加入補(bǔ)償器(4)，補(bǔ)償器(4)按照預(yù)先得到的零偏溫度模型，計(jì)算補(bǔ)償溫度造成的零偏變化，以提高光纖陀螺溫度靈敏度性能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法， 其特征在于補(bǔ)償器(4)由溫度計(jì)(4.1)、附屬計(jì)算單元(4.2)以及減法器(4.3)組成； 利用溫度計(jì)(4,1)實(shí)時(shí)獲取光纖陀螺環(huán)境溫度，發(fā)送到附屬計(jì)算單元(4.2)，附屬計(jì) 算單元(4.2)根據(jù)溫度計(jì)(4.1)發(fā)送的溫度，按照預(yù)先得到的零偏溫度模型，計(jì)算得 到對(duì)應(yīng)于該溫度的零偏值，并送到減法器(4.3)的一個(gè)輸入端作為減數(shù)，而中央處 理器(2)發(fā)送的光纖陀螺數(shù)據(jù)發(fā)送到減法器的另一輸入端作為被減數(shù)，將減法器 的輸出作為新的光纖陀螺輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法， 其特征在于所述的預(yù)先得到的零偏溫度模型的步驟如下a、 在所需要補(bǔ)償?shù)臏囟确秶鶾Tmin, Tmax]內(nèi)，按選定的溫度步長(zhǎng)Tstep， 選取溫度點(diǎn)組成溫度序列T(n);其中Tmin和Tmax分別對(duì)應(yīng)于需要補(bǔ)償溫度范 圍的下限和上限，由光纖陀螺的應(yīng)用環(huán)境決定；溫度步長(zhǎng)Tstep由目標(biāo)補(bǔ)償精度 決定，,Tstep為1 10攝氏度；b、 利用溫箱按照溫度序列T(n)中的溫度點(diǎn)的次序?qū)Σ患友a(bǔ)償器的光纖陀螺 加熱，在每個(gè)溫度點(diǎn)上測(cè)量陀螺相應(yīng)的零偏值，得到對(duì)應(yīng)于溫度序列T(n)的零 偏序列B(n);C、根據(jù)泰勒展開定理，將光纖陀螺零偏隨溫度的關(guān)系^/bg(r)表示如下 =朋+ar+6r2 +…+『其中T為溫度，50、 a、 b、、、 k對(duì)應(yīng)于不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)，n為表示式中最 高次項(xiàng)次數(shù)，由光纖陀螺的目標(biāo)補(bǔ)償精度和計(jì)算能力決定，n越大補(bǔ)償精度越高， 相應(yīng)要求附屬計(jì)算單元的計(jì)算能力越高，n取l 3;加為常數(shù)零偏，不影響零 偏溫度靈敏性；的表達(dá)式即光纖陀螺的零偏溫度模型；d、根據(jù)步驟a中的溫度序列T(n)和步驟b中得到的對(duì)應(yīng)的零偏序列B(n)， 利用最小二乘法進(jìn)行擬和得到不同指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)50、 a、 b、、、 k，代入S/og(r)即 得到光纖陀螺的零偏溫度模型。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法，其特征在于所述的計(jì)算補(bǔ)償溫度造成的零偏變化，是將^/bg(r)的各指數(shù)項(xiàng)的系數(shù)存放在附屬計(jì)算單元4.2中，附屬單元接收溫度計(jì)4.1的溫度值T作為輸入， 按照零偏溫度模型^^(7)=加+ "7>^2+... + ^"，計(jì)算得到相應(yīng)的零偏值，并 送到減法器的一端作為減數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度造成的零偏變化進(jìn)行補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的零偏溫度靈敏度性能。全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高光纖陀螺零偏溫度靈敏度性能的方法。采樣通道將來自光纖陀螺光學(xué)系統(tǒng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并發(fā)送到中央處理器，中央處理器通過處理后通過通訊接口向外輸出轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；在中央處理器和通訊接口之間加入補(bǔ)償器，根據(jù)預(yù)先測(cè)試得到的零偏溫度靈敏度模型，僅通過補(bǔ)償器即可抑制溫度造成的零偏變化，不需龐大復(fù)雜的溫控設(shè)備和額外功耗，消除了溫度造成的零偏變化，提高光纖陀螺零偏的溫度靈敏度性能，使其能在更廣的溫度范圍內(nèi)得到使用，并且保持和恒溫工作一樣的靜態(tài)性能，擴(kuò)展了應(yīng)用的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01C19/72GK101109637SQ20071007093
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者承 劉, 胡慧珠, 舒曉武, 陳杏藩 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)