CN114396928B - 一种激光陀螺稳频方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光陀螺稳频方法及***，***包括激光陀螺谐振腔、光功率检测单元电路、控制电路和两个微位移调节器。首先通过光功率检测单元电路获取当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It‑1，并进行比较；控制电路根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML,t+1和MR,t+1。本发明对两个微位移调节器同时、分别进行稳频控制，减小了激光陀螺由于两个微位移调节器的驱动能力的不一致、两个高反射球面镜壁厚不一致以及两个微位移调节器安装误差等因素导致的在稳频过程中的光路偏转，可有效抑制稳频组件工作过程中产生的附加零偏和标度因数不稳定性，进而可以提高的激光陀螺零偏稳定性和标度因数重复性。

Description

一种激光陀螺稳频方法及***
技术领域
本发明涉及激光陀螺技术领域，具体涉及一种激光陀螺稳频方法及***。
背景技术
激光陀螺基于Sagnac效应工作：环形光路中，沿顺、逆时针方向的两束光独立地运行着，当这个环形光路相对于惯性空间转动时，顺、逆时针光程长产生差异，通过光电探测器探测这种光程差即可得到环形光路的转动角速度。
激光陀螺的稳频是指通过一定的措施将激光陀螺谐振腔内的激光频率稳定在增益极大值点，根据激光原理可知，激光陀螺的稳频也就是将谐振腔的腔长稳定在激光波长的整数倍附近。
激光陀螺通常使用两个微位移调节器推动谐振腔反射镜完成稳频功能，当两个反射镜前进或后退的距离不同时，就会使环形光路产生附加转动，表现在激光陀螺上即是附加零偏，因此需要控制两个反射镜同时、等步长地前进或后退。
激光陀螺仪的标度因数是激光陀螺仪的输入角速度与输出数值的比例因子，是激光陀螺仪最关键的参数之一，其决定因素由下式给出：
Figure BDA0003376061630000011
其中，K为激光陀螺的标度因数，A为环形光路所包围的面积，L为环形光路的光程长度，λ为激光陀螺仪的激光工作波长。
由上式可知，谐振腔环形光路的长度、环形光路所包围的面积以及激光的工作波长对激光陀螺仪的标度因数都有至关重要的影响。在激光陀螺仪工作过程中，如果要保持标度因数稳定，则需要环形光路的腔长和环形光路的形状都保持稳定。
传统的稳频方法是通过模拟电路对两组压电式微位移调节器一起进行调制，即在微位移调节器上施加高频电压信号，对激光陀螺的腔长进行调制，光电探测器接收谐振腔输出的光，经带通、放大、求和得到交流光强，再经鉴相器、积分电路解调得到腔长控制误差信号，通过闭环控制使该误差信号稳定在零值附近，从而达到稳定腔长的目的。这种通过模拟电路对两组微位移调节器一起调制的稳频方法功耗较大、抗干扰能力较弱，且由于两组微位移调节器的位移驱动能力和两个高反射球面镜的壁厚不完全一致导致环形光路的形状不能保持稳定，从而导致标度因数重复性下降并产生附加零偏。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种激光陀螺稳频方法及***，根据当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率的比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压后，通过两路输出接口同步输出控制信号，所述控制信号经DA转换器放大后加载到两个微位移调节器上，以推动高反射球面镜调整谐振腔光路长度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种激光陀螺稳频方法，包括：
获取当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并进行比较；
根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML,t+1和MR,t+1：
若It＝It-1，则ML,t+1＝ML,t，MR,t+1＝MR,t；
若It>It-1，则，
Figure BDA0003376061630000021
Figure BDA0003376061630000022
若It<It-1，则，
Figure BDA0003376061630000023
Figure BDA0003376061630000024
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V；ΔML和ΔMR分别为左右两个微位移调节器的模式电压间隔；所述模式电压间隔是指在连续调节微位移调节器的驱动电压时激光陀螺谐振腔内的光功率的两个相邻极大值对应的驱动电压差值。
进一步的，所述模式电压间隔的获取方法包括：
在激光陀螺启动后，进入正式工作状态前，等步长增加微位移调节器的驱动电压，激光陀螺谐振腔内光功率随之呈周期性变化；
通过光电探测器实时监测激光陀螺谐振腔内光功率的变化，记录驱动电压调节过程中，光功率第一次达到极大值和最后一次达到极大值对应的微位移调节器的驱动电压Mfirst和Mend，计算模式电压间隔ΔM：
Figure BDA0003376061630000031
式中，N为激光陀螺谐振腔内光功率达到极大值点的次数。
进一步的，在获取模式电压间隔时，左右两个微位移调节器依次进行，即先调节其中一个微位移调节器的驱动电压，其模式电压间隔计算完成并记录后，再调节另一个微位移调节器的驱动电压。
进一步的，在激光陀螺进入正式工作状态后，对左右两个微位移调节器的驱动电压进行同步调节。
第二方面，本发明提供一种激光陀螺稳频***，包括激光陀螺谐振腔、光功率检测单元电路、控制电路和两个微位移调节器；
所述光功率检测单元电路设置在激光陀螺谐振腔，用于检测谐振腔内的光功率并发送给所述控制电路；
所述控制电路分别与所述光功率检测单元电路和两个微位移调节器电连接，用于比较当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML,t+1和MR,t+1：
若It＝It-1，则ML,t+1＝ML,t，MR,t+1＝MR,t；
若It>It-1，则
Figure BDA0003376061630000041
Figure BDA0003376061630000042
若It<It-1，则
Figure BDA0003376061630000043
Figure BDA0003376061630000044
/>
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V；ΔML和ΔMR分别为左右两个微位移调节器的模式电压间隔；所述模式电压间隔是指在连续调节微位移调节器的驱动电压时激光陀螺谐振腔内的光功率的两个相邻极大值对应的驱动电压差值。
进一步的，所述激光陀螺谐振腔包括微晶玻璃腔体、两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜；所述两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜设置在所述微晶玻璃腔体的四角，且两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜的中轴线相交，交点位于所述微晶玻璃腔体的中心；两个微位移调节器分别安装在两个高反射球面镜上，通过推动高反射球面镜来调整谐振腔光路长度以使光路稳定在特定的长度。
进一步的，所述光功率检测单元电路包括功率检测棱镜、光电探测器和前置放大器，所述功率检测棱镜光胶在其中一个半透半反平面镜上，所述光电探测器与所述功率检测棱镜连接并通过所述功率检测棱镜监测谐振腔内实时光功率，通过所述前置放大器对采集的光功率信号进行放大后发送至控制电路。
进一步的，所述控制电路包括FPGA控制模块，所述FPGA控制模块包括一路输入接口和两路输出接口，所述光功率检测单元电路输出的光功率信号经AD转换器转换为数字信号后通过所述输入接口送入FPGA控制模块；所述FPGA控制模块根据当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率的比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压后，通过两路输出接口同步输出控制信号，所述控制信号经DA转换器放大后加载到两个微位移调节器上，以推动高反射球面镜调整谐振腔光路长度。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；
处理器，用于读取并执行所述计算机软件程序，进而实现本发明第一方面所述的一种激光陀螺稳频方法。
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有用于实现本发明第一方面所述的一种激光陀螺稳频方法的计算机软件程序。
本发明的有益效果是：第一，由于对两个微位移调节器同时、分别进行稳频控制，减小了激光陀螺由于两个微位移调节器的驱动能力的不一致、两个高反射球面镜壁厚不一致以及两个微位移调节器安装误差等因素导致的在稳频过程中谐振腔光路偏转，可有效抑制稳频组件工作过程中产生的附加零偏和标度因数不稳定性，进而可以提高的激光陀螺零偏稳定性和标度因数重复性；第二，本发明使用数字电路对激光陀螺进行稳频控制，相对于模拟稳频电路结构简单、稳定可靠、抗干扰能力强、功耗较小；
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光陀螺稳频***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光陀螺稳频方法流程示意图；
图3为本发明提供的一种电子设备结构示意图；
图4为本发明提供的一种计算机可读存储介质结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、微晶玻璃腔体，2、微位移调节器，3、微位移调节器，4、高反射球面镜，5、高反射球面镜，6、半透半反平面镜，7、半透半反平面镜，8、功率检测棱镜，9、光电探测器，10、前置放大器，11、AD转换器，12、FPGA控制模块，13、DA转换器，14、DA转换器，15、电压放大器，16、电压放大器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参阅附图1，图1为本发明实施例提供的激光陀螺数字稳频***组成结构示意图。图中，该***由激光陀螺谐振腔、两个微位移调节器2/3、光功率检测单元电路和控制电路构成。
所述激光陀螺谐振腔包括微晶玻璃腔体1、两个半透半反平面镜6/7和两个高反射球面镜4/5组成。两个微位移调节器2/3固定安装在两个高反射球面镜4/5***，微位移调节器为压电器件，对微位移调节器施加不同的电压，微位移调节器会推动高反射球面镜产生不同程度的位移，从而改变引起环形谐振腔的腔长。
光功率检测单元电路包括功率检测棱镜8、光电探测器9和前置放大器10。
功率检测棱镜8光胶在半透半反平面镜7上，用于支撑光电探测器9。所述光电探测器9通过所述功率检测棱镜8监测谐振腔内实时光功率，然后通过所述前置放大器10对采集的光功率信号进行放大后发送至控制电路。
控制电路包括AD转换器11、FPGA控制模块12、两个DA转换器13/14和两个电压放大器15/16。AD转换器11用于将光功率检测单元电路输出的激光陀螺谐振腔内光功率信号转换为数字信号并输入至FPGA控制模块12中。FPGA控制模块12根据当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率的比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器2/3的驱动电压后，通过两路输出接口同步输出两路驱动电压，两路驱动电压分别经DA转换器放大后加载到两个微位移调节器上，以推动高反射球面镜调整谐振腔光路长度。
基于上述***，本发明实施例还提供一种激光陀螺稳频方法，图2为该方法流程示意图。如图2所示，该方法的具体步骤如下：
S1，激光陀螺启动后，利用单边扫模法得到两个微位移调节器的驱动能力的表征量——模式电压间隔。
单边扫模法：首先等步长增加电压，驱动一个微位移调节器，逐步推动一个高反射球面镜，激光陀螺谐振腔内光功率随之呈周期性变化。激光陀螺谐振腔光功率可通过光电探测器实时监测；然后，光电探测器的光功率信号经过放大、AD转换后输入至FPGA控制模块中，FPGA控制模块通过极值点对应法计算得出该微位移调节器的模式电压间隔并保存在FPGA数字电路中；
极值点对应法：将在单边扫模过程中，激光陀螺谐振腔内光功率第一次达到极大值时所对应的微位移调节器驱动信号定义为Mfirst；将在单边扫模过程中，激光陀螺谐振腔内光功率最后一次达到极大值时所对应的微位移调节器驱动信号定义为Mend；将在单边扫模过程中，激光陀螺谐振腔内光功率达到极大值点的次数定义为N。则该微位移调节器的模式电压间隔ΔML：
Figure BDA0003376061630000071
/>
S2，根据步骤S1得出另一个微位移调节器的模式电压间隔ΔMR；
S3，激光陀螺进入正式工作状态，光电探测器实时监测激光陀螺谐振腔内的光功率并将光功率信号经放大、AD转换后输入至FPGA数字电路中，FPGA数字电路通过比较法决定增加或者减小微位移调节器驱动电压信号，并根据步骤1和步骤2所得的两个微位移调节器的模式电压间隔ΔML和ΔMR，同时、分别、等比例地计算出两个微位移调节器驱动电压信号，两个驱动电压信号分别经DA转换和电压放大后同时输入至两个微位移调节器，使激光陀螺谐振腔内光功率稳定在极大值。
比较法：设前一时刻微位移调节器L的驱动电压为ML,t-1，微位移调节器R的驱动电压为MR,t-1，所对应的激光陀螺谐振腔内光功率为It-1；当前时刻微位移调节器L驱动电压为ML,t，微位移调节器R驱动电压为MR,t，所对应的激光陀螺谐振腔内光功率为It，对比It-1和It决定下一时刻微位移调节器L与微位移调节器R的驱动电压ML,t+1、MR,t+1，具体如下：
若It＝It-1，则ML,t+1＝ML,t，MR,t+1＝MR,t；
若It>It-1，则
Figure BDA0003376061630000072
Figure BDA0003376061630000073
若It<It-1，则
Figure BDA0003376061630000074
Figure BDA0003376061630000075
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V。
本发明由于对两个微位移调节器同时、分别进行稳频控制，减小了激光陀螺由于两个微位移调节器的驱动能力的不一致、两个高反射球面镜壁厚不一致以及两个微位移调节器安装误差等因素导致的在稳频过程中谐振腔光路偏转，可有效抑制稳频组件工作过程中产生的附加零偏和标度因数不稳定性，进而可以提高的激光陀螺零偏稳定性和标度因数重复性；同时，本发明使用数字电路对激光陀螺进行稳频控制，相对于模拟稳频电路结构简单、稳定可靠、抗干扰能力强、功耗较小。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图3所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器510、处理器520及存储在存储器520上并可在处理器520上运行的计算机程序511，处理器520执行计算机程序511时实现以下步骤：
获取当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并进行比较；
根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML,t+1和MR,t+1：
若It＝It-1，则ML,t+1＝ML,t，MR,t+1＝MR,t；
若It>It-1，则
Figure BDA0003376061630000081
Figure BDA0003376061630000082
若It<It-1，则
Figure BDA0003376061630000083
Figure BDA0003376061630000084
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图4所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质600，其上存储有计算机程序611，该计算机程序611被处理器执行时实现如下步骤：
获取当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并进行比较；
根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML,t+1和MR,t+1：
若It＝It-1，则ML,t+1＝ML,t，MR,t+1＝MR,t；
若It>It-1，则
Figure BDA0003376061630000091
Figure BDA0003376061630000092
若It<It-1，则
Figure BDA0003376061630000093
Figure BDA0003376061630000094
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种激光陀螺稳频方法，其特征在于，包括：
获取当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并进行比较；
根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML，t+1和MR，t+1：
若It＝It-1，则ML，t+1＝ML，t，MR，t+1＝MR，t；
若It＞It-1，则
Figure FDA0004095357310000011
若It＜It-1，则
Figure FDA0004095357310000012
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V；ΔML和ΔMR分别为左右两个微位移调节器的模式电压间隔；所述模式电压间隔是指在连续调节微位移调节器的驱动电压时激光陀螺谐振腔内的光功率的两个相邻极大值对应的驱动电压差值；
所述模式电压间隔的获取方法包括：
在激光陀螺启动后，进入正式工作状态前，等步长增加微位移调节器的驱动电压，激光陀螺谐振腔内光功率随之呈周期性变化；
通过光电探测器实时监测激光陀螺谐振腔内光功率的变化，记录驱动电压调节过程中，光功率第一次达到极大值和最后一次达到极大值对应的微位移调节器的驱动电压Mfirst和Mend，计算模式电压间隔ΔM：
Figure FDA0004095357310000013
式中，N为激光陀螺谐振腔内光功率达到极大值点的次数；
在获取模式电压间隔时，左右两个微位移调节器依次进行，即先调节其中一个微位移调节器的驱动电压，其模式电压间隔计算完成并记录后，再调节另一个微位移调节器的驱动电压；
在激光陀螺进入正式工作状态后，对左右两个微位移调节器的驱动电压进行同步调节。
2.一种激光陀螺稳频***，其特征在于，包括激光陀螺谐振腔、光功率检测单元电路、控制电路和两个微位移调节器；
所述光功率检测单元电路设置在激光陀螺谐振腔，用于检测谐振腔内的光功率并发送给所述控制电路；
所述控制电路分别与所述光功率检测单元电路和两个微位移调节器电连接，用于比较当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率It和It-1，并根据比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压ML，t+1和MR，t+1：
若It＝It-1，则ML，t+1＝ML，t，MR，t+1＝MR，t；
若It＞It-1，则
Figure FDA0004095357310000021
若It＜It-1，则
Figure FDA0004095357310000022
式中M0为驱动电压定值，取值范围为0.1～0.3V；ΔML和ΔMR分别为左右两个微位移调节器的模式电压间隔；所述模式电压间隔是指在连续调节微位移调节器的驱动电压时激光陀螺谐振腔内的光功率的两个相邻极大值对应的驱动电压差值；
所述模式电压间隔的获取方法包括：
在激光陀螺启动后，进入正式工作状态前，等步长增加微位移调节器的驱动电压，激光陀螺谐振腔内光功率随之呈周期性变化；
通过光电探测器实时监测激光陀螺谐振腔内光功率的变化，记录驱动电压调节过程中，光功率第一次达到极大值和最后一次达到极大值对应的微位移调节器的驱动电压Mfirst和Mend，计算模式电压间隔ΔM：
Figure FDA0004095357310000023
式中，N为激光陀螺谐振腔内光功率达到极大值点的次数；
在获取模式电压间隔时，左右两个微位移调节器依次进行，即先调节其中一个微位移调节器的驱动电压，其模式电压间隔计算完成并记录后，再调节另一个微位移调节器的驱动电压；
在激光陀螺进入正式工作状态后，对左右两个微位移调节器的驱动电压进行同步调节。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述激光陀螺谐振腔包括微晶玻璃腔体、两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜；所述两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜设置在所述微晶玻璃腔体的四角，且两个高反射球面镜和两个半透半反平面镜的中轴线相交，交点位于所述微晶玻璃腔体的中心；两个微位移调节器分别安装在两个高反射球面镜上，通过推动高反射球面镜来调整谐振腔光路长度以使光路稳定在特定的长度。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述光功率检测单元电路包括功率监测棱镜、光电探测器和前置放大器，所述功率监测棱镜光胶在其中一个半透半反平面镜上，所述光电探测器与所述功率监测棱镜连接并通过所述功率监测棱镜监测谐振腔内实时光功率，通过所述前置放大器对采集的光功率信号进行放大后发送至控制电路。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述控制电路包括FPGA控制模块，所述FPGA控制模块包括一路输入接口和两路输出接口，所述光功率检测单元电路输出的光功率信号经AD转换器转换为数字信号后通过所述输入接口送入FPGA控制模块；所述FPGA控制模块根据当前时刻和前一时刻的激光陀螺谐振腔内的光功率的比较结果确定下一时刻激光陀螺谐振腔上左右两个微位移调节器的驱动电压后，通过两路输出接口同步输出控制信号，所述控制信号经DA转换器放大后加载到两个微位移调节器上，以推动高反射球面镜调整谐振腔光路长度。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；
处理器，用于读取并执行所述计算机软件程序，进而实现权利要求1所述的一种激光陀螺稳频方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有用于实现权利要求1所述的一种激光陀螺稳频方法的计算机软件程序。
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