CN108426586A - 一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置。所述方法选择光纤陀螺带宽测试仪运动频率，对于角运动频率校准，在不同的光纤陀螺带宽测试仪的输入频率下，对双频激光干涉仪的测量信号和光纤陀螺输出信号进行归一化和傅里叶变换处理，通过比较光纤陀螺带宽测试仪测试结果和双频激光干涉仪校准测试出的带宽，对光纤陀螺带宽测试结果进行校准。校准装置，包括角振动激励***、标准角运动测量***、被校传感器测量***、数据采集与处理***。本发明利用双频激光干涉测量具有溯源性好、响应速度快、非接触测量和高精度的特点，对角振动进行高精度绝对测量与校准，满足带宽测试需求，解决了测试准确性和效率不足、测试结果无法溯源的问题。

Description

一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置

技术领域

本发明属于光纤陀螺测试校准领域，尤其是涉及一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度传感器，具有全固态结构、抗冲击振动，动态范围大、易于实现数字化结构等特点，逐渐成为惯性技术的一种重要元件，在载体控制、惯性导航等领域有着广泛的应用。其工作原理是基于Sagnac效应，当光纤陀螺旋转，干涉仪内部就会产生一个正比于旋转角速度的相位差，通过检测出相应的相位差即可以得到旋转角速度。

光纤陀螺的频率特性是指光纤陀螺对不同频率角运动输入的响应特性，包括幅频特性和相频特性。而光纤陀螺的带宽是指在测得的幅频特性中幅值降低至3dB所对应的频率范围，反映了光纤陀螺对外界动态角运动的敏感能力。在飞行器高速飞行的过程中，角速度测量的实时性直接影响了其导航精度，因此要求光纤陀螺具有高的频带宽度。所以频率特性对光纤陀螺的应用***性能发挥起着关键的作用，是表征光纤陀螺动态性能的重要指标。

对光纤陀螺的频率特性测试的方法主要有角振动台和仿真算法两种方法。现有的角振动台通常是针对机械陀螺设计，最高输出角振动频率为百赫兹量级，不能满足光纤陀螺的全频带测试要求。同时仿真法与光纤陀螺的实际应用状态有很大的区别，只能是研制时的理论评估方法和一种静态测试，而不能作为实际产品的评定与检验方法。

目前已研制出了一种1000Hz的光纤陀螺带宽测试仪，基本满足了光纤陀螺的带宽测试需求，但测试准确性和效率方面存在不足，且测试结果无法进行溯源，故需开展对光纤陀螺带宽测试仪校准技术研究。根据GJB 2426A-2004《光纤陀螺仪测试方法》可知，光纤陀螺带宽测试校准即需要对光纤陀螺的角运动幅度和角运动频率测试进行校准。

校准主要分为比较法和绝对法，区别在于传感器输入的获得方式。如果评价传感器输入的方式由更高精度的传感器给出，即为比较法，若直接溯源于基本量，则为绝对法。由于激光波长作为目前长度量值的自然基准，采用激光干涉的测量方法具有溯源性好、响应速度快、非接触测量和高精度的特点，采用激光干涉技术的绝对法校准已经成为振动计量的基本共识，要实现量值溯源，必需建立绝对法标准装置。

双频激光干涉仪是六十年代末七十年代初问世的一种激光干涉仪。它是以稳频的双频氦氖激光器作为光源，按照拍频原理工作的，在专用的电子计算机配合下，它能在较差的环境中，以相当高的精度完成其他常规激光干涉仪所不能完成的测量工作。相比单频激光干涉仪，双频激光干涉仪是一种外差式干涉仪，整个***是交流***，克服了单频激光干涉仪测量信号直流漂移的问题，抗干扰能力更强。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法及校准装置，具有精度高、宽频带、可溯源、抗环境干扰能力强的优点，可以迅速推广应用。

一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法，包括以下几个步骤：

步骤一：选择光纤陀螺带宽测试仪运动频率，根据多普勒效应，当测量棱镜移动时，反射光频率会变化±f_d，在双频激光干涉仪内部实现干涉，通过光电接收器采集测量信号，基准信号和测量信号在测量板卡中进行比较、积分获得周期数，从而获得棱镜线速度，再通过测量两角锥棱镜定点确定光束间距D，根据正弦定理将线速度转化成转动角度同时获得光纤陀螺转动角速度，从而获得光纤陀螺角运动幅度；

步骤二：对于角运动频率校准，利用铷原子钟为干涉信号解调器提供工作频率基准，然后通过解调器，得到角振动信号序列，进行数字频率分析，即可校准光纤陀螺角运动频率；

步骤三：在不同的光纤陀螺带宽测试仪的输入频率下，对双频激光干涉仪的测量信号和光纤陀螺输出信号进行归一化和傅里叶变换处理，获得光纤陀螺在频率ω_i下的幅值增益F_i是光纤陀螺在t_i时刻输出的单边幅值，F_L是光纤陀螺在角振动台允许最低频率是输出的单边幅值，G_i＝0.707时对应的频率为ω_c，频带宽度通过比较光纤陀螺带宽测试仪测试结果B_w1和双频激光干涉仪校准测试出的带宽B_w2，对光纤陀螺带宽测试结果进行校准。

一种采用所述方法的光纤陀螺带宽测试仪的校准装置，包括角振动激励***、标准角运动测量***、被校传感器测量***、数据采集与处理***；

所述的角振动激励***用于光纤陀螺提供角运动输入；

所述的标准角运动测量***用于测量光纤陀螺标准角运动量；

所述的被校传感器测量***即所述的光纤陀螺带宽测试仪，用于提供被校准的光纤陀螺角运动量值；

所述的数据采集与处理***用于采集并处理所述的标准角运动测量***和所述的被校传感器测量***获得的数据。

所述的包括角振动激励***包括待测光纤陀螺带宽测试仪运动***和光纤陀螺，光纤陀螺带宽测试仪运动***承载光纤陀螺，并给光纤陀螺提供不同频率的角速度。

所述的标准角运动测量***包括测量反射镜、温控***、参考镜、偏振光分光器，其中测量反射镜、参考镜和偏振光分光器是双频激光干涉仪测量***的组成部分，温控***控制测试环境温度，减小环境因素导致的测量误差。

所述的被校传感器测量***包括光纤陀螺仪测控***，用于分析计算光纤陀螺的频率特性并自动结算给出带宽测试结果。

所述的数据采集与处理***包括平衡探测器、解调器、减法电路、细分采样电路、铷原子振荡器、低噪声电源和计算机测量软件，数据采集与处理***对双频激光干涉仪输出的两路干涉信号进行探测与解调，通过平衡探测器抑制光功率漂移的影响，通过低噪声电源供电抑制电路噪声，通过细分采样电路保证干涉信号测量精度，通过铷原子振荡器保证采样频率的稳定性和可溯源性，双频激光干涉仪测量信号和光纤陀螺的输出信号在计算机进行傅里叶变换，将傅里叶变换后的峰峰值作为待测光纤陀螺与测振仪的输出。

本发明的有益效果是：由上述所提供的技术方案可以看出，本发明校准原理基于激光干涉法，具有高精度、非接触、快响应、溯源性好等特点。对光纤陀螺带宽测试进行高精度绝对测量与校准，实现测量值溯源，建立光纤陀螺带宽测试仪校准计量标准装置，为光纤陀螺的研制、生产和使用提供计量保障。

附图说明

图1是双频激光干涉角幅度测量***原理图；

图2是光纤陀螺带宽测试仪校准装置的结构示意图；

图3是本发明采用的光纤陀螺带宽测试仪校准验证装置图；

图中，角振动激励***1、标准角运动测量***2、被校传感器测量***3、数据采集与处理***4、光纤陀螺带宽测试仪测控***5，光纤陀螺带宽测试仪运动***6，测量角锥棱镜7，光纤陀螺8，温控***9，参考镜10，偏振光分光器11，双频激光器12，高性能光功率计13，平衡探测器14，解调器15，减法电路16，细分采样电路17，铷原子钟振荡器18，低噪声电源19，计算机20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的基本原理如图1所示。

光纤陀螺带宽测试校准可分为角运动幅度校准和角运动频率校准。双频激光器产生个相互垂直的具有不同频率的偏振光，频率分别为f₁和f₂，一部分光在内部实现干涉，被内部光电接收器检测到参考信号，频率为f₁-f₂。同时一部分光通过偏振分光镜，按照偏振方向不同，两偏振光分离，f₁光透过偏振分光镜，通过反射镜两次反射，投射到一个角锥棱镜上。而f₂光从偏振分光镜反射到另一反射镜，在反射投射到另一个角锥棱镜上。当测试转台转动α角度时，一个角锥棱镜沿着光路移动L距离，另一个反射镜沿反方向移动L距离。根据多普勒效应，f₁光反射回来的频率变为f₁+f_d1，f₂光反射回来的频率为f₁-f_d2，其中 (v为角锥棱镜沿光轴移动的速度)。偏振光汇集，被光电接收器检测到测量信号为频率(f₁-f₂)+f_d1+f_d2。基准信号和测量信号在多功能数字相位卡进行比较、积分得到周期数N。式中，N₁为在t时间内由偏振光f₁引起的周期数，N₂为在t时间内由偏振光f₂引起的周期数。理想情况下，两个角锥棱镜的中点与带宽测试仪转台的旋转中心重合，因此角锥棱镜沿光路移动L的表达式为：式中，λ₁为偏振光f₁的波长，λ₂为偏振光f₂的波长。且λ₁和λ₂两波长近似相等。可以统一计为λ。根据上两式可推出光路移动距离L和周期数N之间的关系:根据正弦定理可得到转动角度α：另外也可获得带宽测试仪转台的角速度ω为：

对于角运动频率校准，利用高稳定度、可溯源的铷原子钟为干涉信号解调器提供工作频率基准，然后通过解调器的高采样率和适当的测试时间，得到准确的角振动信号序列，对其进行数字频率分析，即可得到校准的角运动频率。

使用双频激光干涉法进行校准，可复现冲击加速度量值直接溯源与计量学的基本量——长度(激光波长)和时间(信号采集设备的时钟)，且在复现线运动量值时不依赖其他中间物理量，如力、应变等，作为中间确定，同时该方法独立绝对复现线运动量值，并以此作为参考量值去校准被校测试设备。不依赖于被校测试设备及其输出，不需对被校测试设备作任何假设，具有高精度、宽频带、可溯源的优点。同时使用双频激光干涉仪也提高了整个校准装置的抗环境干扰能力。

按照本发明进行光纤陀螺带宽测试校准的具体步骤为：

步骤一：如图3所示，将光纤陀螺仪通过安装夹具固定在光纤陀螺带宽测试仪上，带宽测试仪的振动轴平行于地垂线，对准精度在规定值内，光纤陀螺IRA平行于振动轴。同时双频激光干涉仪的测量反射镜合理固定在带宽测试仪的运动***上，运动***以正弦角速率θ＝θ_msin(2πft)进行转动，光纤陀螺和测量反射镜7跟随运动***6以相同的角速率进行转动。

步骤二：选择光纤陀螺带宽测试仪运动***6运动的频率和幅值，选择频率在10Hz到2倍频带宽度之间按对数间隔选取不少于10个点。振动幅值的选定应满足光纤陀螺带宽测试仪的要求，同时还要使运动平台和陀螺仪的角速度、角加速度在允许范围内。

步骤三：因测试***不能实现不同频率下相同峰值角速度输入，故测量输入光纤陀螺的角速度，并用光纤陀螺的输出除去角速度输入，得到“单位角速度输入”条件下的光纤陀螺的输出特性。又因测试***输入角速度并不能保证是单一频率下的角速度，可能含有高频的信号影响待测光纤陀螺的角速度输入，用待测光纤陀螺的峰值与角振动传感器的峰值相比，不能准确反映“单位角速度输入”条件下的光纤陀螺在特定频率点的输出特性，故在处理过程中，不能用特定频率点的峰峰值，而是将特定频率点的光纤陀螺与带宽测试仪的输入进行傅里叶变换，将傅里叶变换后的峰峰值作为待测光纤陀螺与双频激光干涉仪的输出。从而获得光纤陀螺在特定频率ω_i下的幅值增益G_i，由输入频率变化引起的陀螺输出衰减变化获得当G_i＝0.707时对应的频率为ω_c，频带宽度从而对光纤陀螺带宽测试仪的测量结果进行校准。

如图2所示，光纤陀螺带宽测试仪的校准装置，包括角振动激励***1、标准角运动测量***2、被校传感器测量***3、数据采集与处理***4；所述的角振动激励***1用于光纤陀螺提供角运动输入；所述的标准角运动测量***2用于测量光纤陀螺标准角运动量；所述的被校传感器测量***3即所述的光纤陀螺带宽测试仪，用于提供被校准的光纤陀螺角运动量值；所述的数据采集与处理***4用于采集并处理所述的标准角运动测量***2和所述的被校传感器测量***3获得的数据。

如图3所示，光纤陀螺带宽测试仪校准装置包括角振动激励***1，角振动激励***1由待测光纤陀螺带宽测试仪运动***6和光纤陀螺8组成，光纤陀螺带宽测试仪运动***6承载光纤陀螺8，并给光纤陀螺8提供不同频率的角速度输入，光纤陀螺8则输出实际测量的角速度和频率。

光纤陀螺带宽测试仪校准装置包括标准角运动测量***2，角运动测量***2由测量反射镜7、温控***9、参考镜10、偏振光分光器11组成，其中测量反射镜7、参考镜10和偏振光分光器11是双频激光干涉仪测量***的重要组成部分，温控***9精密控制测试环境温度，减小环境因素导致的测量误差。

光纤陀螺带宽测试仪校准装置包括被校传感器测量***3，被校传感器测量***3由光纤陀螺仪测控***5，光纤陀螺仪测控***5主要的作用有：1、发出控制运动***做正弦摆动的指令；2、给光纤陀螺和运动***供电；3、通过信号采集模块采集光纤陀螺及角振动测量传感器的信号并打包送给上位机处理，信号采集模块容易更换，可以通过软件更新以适合多种型号光纤陀螺的测试；4上位机分析计算光纤陀螺的频率特性并自动解算，给出带宽测试结果。

光纤陀螺带宽测试仪校准装置包括了数据采集与处理***4，数据采集与处理***4由平衡探测器14、解调器15、减法电路16、细分采样电路17、铷原子振荡器18、低噪声电源19和计算机测量软件20组成，数据采集与处理***4对双频激光干涉仪输出的两路干涉信号进行探测与解调，通过平衡探测器14抑制光功率漂移的影响，通过低噪声电源19供电抑制电路噪声，通过细分采样电路17保证干涉信号测量精度，通过铷原子振荡器18保证采样频率的高稳定性和可溯源性，双频激光干涉仪测量信号和光纤陀螺的输出信号在计算机20进行傅里叶变换，将傅里叶变换后的峰峰值作为待测光纤陀螺与测振仪的输出。

Claims (6)

1.一种基于光纤陀螺带宽测试校准方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：选择光纤陀螺带宽测试仪运动频率，根据多普勒效应，当测量棱镜移动时，反射光频率会变化±f_d，在双频激光干涉仪内部实现干涉，通过光电接收器采集测量信号，基准信号和测量信号在测量板卡中进行比较、积分获得周期数，从而获得棱镜线速度，再通过测量两角锥棱镜定点确定光束间距D，根据正弦定理将线速度转化成转动角度同时获得光纤陀螺转动角速度，从而获得光纤陀螺角运动幅度；

步骤二：对于角运动频率校准，利用铷原子钟为干涉信号解调器提供工作频率基准，然后通过解调器，得到角振动信号序列，进行数字频率分析，即可校准光纤陀螺角运动频率；

步骤三：在不同的光纤陀螺带宽测试仪的输入频率下，对双频激光干涉仪的测量信号和光纤陀螺输出信号进行归一化和傅里叶变换处理，获得光纤陀螺在频率ω_i下的幅值增益F_i是光纤陀螺在t_i时刻输出的单边幅值，F_L是光纤陀螺在角振动台允许最低频率是输出的单边幅值，G_i＝0.707时对应的频率为ω_c，频带宽度通过比较光纤陀螺带宽测试仪测试结果B_w1和双频激光干涉仪校准测试出的带宽B_w2，对光纤陀螺带宽测试结果进行校准。

2.一种采用根据权利要求1所述方法的光纤陀螺带宽测试仪的校准装置，其特征在于：包括角振动激励***(1)、标准角运动测量***(2)、被校传感器测量***(3)、数据采集与处理***(4)；

所述的角振动激励***(1)用于光纤陀螺提供角运动输入；

所述的标准角运动测量***(2)用于测量光纤陀螺标准角运动量；

所述的被校传感器测量***(3)即所述的光纤陀螺带宽测试仪，用于提供被校准的光纤陀螺角运动量值；

所述的数据采集与处理***(4)用于采集并处理所述的标准角运动测量***(2)和所述的被校传感器测量***(3)获得的数据。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺带宽测试仪校准装置，其特征在于：所述的包括角振动激励***(1)包括待测光纤陀螺带宽测试仪运动***(6)和光纤陀螺(8)，光纤陀螺带宽测试仪运动***(6)承载光纤陀螺(8)，并给光纤陀螺(8)提供不同频率的角速度。

4.根据权利要求1所述的光纤陀螺带宽测试仪校准装置，其特征在于：所述的标准角运动测量***(2)包括测量反射镜(7)、温控***(9)、参考镜(10)、偏振光分光器(11)，其中测量反射镜(7)、参考镜(10)和偏振光分光器(11)是双频激光干涉仪测量***的组成部分，温控***(9)控制测试环境温度，减小环境因素导致的测量误差。

5.根据权利要求1所述的光纤陀螺带宽测试仪校准装置，其特征在于：所述的被校传感器测量***(3)包括光纤陀螺仪测控***(5)，用于分析计算光纤陀螺的频率特性并自动结算给出带宽测试结果。

6.根据权利要求1所述的光纤陀螺带宽测试仪校准装置，其特征在于：所述的数据采集与处理***(4)包括平衡探测器(14)、解调器(15)、减法电路(16)、细分采样电路(17)、铷原子振荡器(18)、低噪声电源(19)和计算机测量软件(20)，数据采集与处理***(4)对双频激光干涉仪输出的两路干涉信号进行探测与解调，通过平衡探测器(14)抑制光功率漂移的影响，通过低噪声电源(19)供电抑制电路噪声，通过细分采样电路(17)保证干涉信号测量精度，通过铷原子振荡器(18)保证采样频率的高稳定性和可溯源性，双频激光干涉仪测量信号和光纤陀螺的输出信号在计算机(20)进行傅里叶变换，将傅里叶变换后的峰峰值作为待测光纤陀螺与测振仪的输出。