CN116625349B - 一种提升光纤罗经振动性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及光纤罗经及三轴光纤陀螺仪领域，特别涉及光纤罗经设计及其数据处理领域的提升光纤罗经振动性能的方法，通过利用三轴光纤陀螺三个敏感环圈可同时敏感外界振动环境，利用耦合解算方法解算出振动噪声，随后在各轴陀螺输出信息中直接消除该外界振动引起的噪声，提升陀螺输出精度；利用增加的光功率探测器实时监测光源输出光功率，并与各轴探测器采集到的经过了敏感光纤环的光功率进行比较，消除各轴附加零位偏移；提高光纤罗经振动性能。
Description
技术领域
本发明公开涉及光纤罗经及三轴光纤陀螺仪领域，特别涉及光纤罗经设计及其数据处理领域的提升光纤罗经振动性能的方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的无转动部件、全固态的高精度角速率传感器。
光纤陀螺仪检测的Sagnac相移和外界输入转速Ω的关系可表示为：
其中，为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速。
当有角速度输入时，传统超高精度光纤陀螺通过采用数字闭环信号处理方式，在相位调制器( MIOC) 两端推挽输出一个与Sagnac相移大小相等、符号相反的附加相位差，将相位差抵消，使陀螺闭环工作在 0 工作点位置。
因此，光纤陀螺与其它陀螺相比，主要有以下优点：无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；结构简单，价格低廉；启动时间短，原理上可瞬间启动；检测灵敏度和分辨率高；可直接用数字输出；拥有较宽的动态范围；使用寿命长且信号稳定可靠；易于采用集成光路技术；克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应。与挠性陀螺相比具有抗冲击及可靠性高等特性，与激光陀螺相比具有体积小、成本低及无闭锁等特点。因此，用光纤陀螺构造的惯性测量单元，可以根据对象的不同设计要求，在精度、成本、质量、体积等方面进行灵活及容错的综合设计。此外，将光纤陀螺应用于光纤罗经***，一方面可以提高光纤罗经***的精度，充分发挥其效能；另一方面，可以提高惯性***的快速反应时间，基于光纤陀螺的捷联光纤罗经***具有：动态精度高，稳定时间短，可靠性高，结构紧凑，重量轻，功耗低，维护成本低等优势。
但是，当光纤罗经在受到外界振动时，一方面，由于振动导致的光纤弹光效应，振动应力改变了光纤的折射率，从而导致振动过程中产生非互易相移，叠加在需要检测的互易相移上使得光纤陀螺噪声增大，进一步引起光纤罗经性能劣化；另一方面，振动导致的应力改变了光纤的形状，导致干涉光强和干涉相位的变化，这种干涉光强的变化会导致光纤陀螺产生光强度调制，光强度调制会导致探测器端产生零位偏移，即光纤陀螺产生附加零位偏移，进一步导致光纤罗经产生纬度偏差，性能严重下降。
因此，如何消除振动过程中光纤陀螺非互易相移产生的附加噪声及光强度调制导致的附加零位偏移是提升光纤陀螺振动性能的关键。振动误差的消除或者抑制，才能真正体现出光纤罗经动态精度高，稳定时间短，可靠性高等有效，满足光纤陀螺在各种使用环境下对性能的要求。
现有光学光纤罗经为保证振动性能要求，通过增大光纤的粘结胶用量来抑制光纤抖动从而减小光纤弹光效应，从而提高光纤罗经的抗振动性能；或者通过直接限制光纤陀螺的数字输出范围，降低陀螺带宽等方法来提高光纤罗经的抗振动性能。前述方法增加粘结胶用量由于胶体对温度敏感，从而导致光纤罗经全温性能下降；简单的限制数字量输出范围或者降低带宽或导致光纤罗经对外界输入的真实角速率不敏感。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是光纤罗经在受到振动冲击时，三轴光纤陀螺输出噪声增大及附加零位偏移导致光纤罗经振动性能超差。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种提升光纤罗经振动性能的方法，包括如下步骤：
S1.通过AD转换器采集光功率探测器输出值，通过光功率探测器输出值/>计算各轴光纤陀螺探测器输出值/>，通过振动状态下光纤罗经中三轴光纤陀螺中转换器采集探测器端输出获得各轴光纤陀螺探测器输出值，可解算出各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量/>，i=x，y，z；
S2. 通过光纤罗经的FPGA数字处理单元，获得各轴的光纤罗经输出，从而得到外界输入转速的三个分量/>，及与x,y,z轴之间的夹角/>，从而得到min(/>)，通过min(/>)确定最小值的轴w，该轴陀螺敏感的角振动噪声表征非互易性噪声/>；
S3.将确定的各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量及非互易性噪声在光纤罗经输出中进行补偿。
进一步的，步骤S1包括如下步骤：
S11.在非振动状态采集光功率探测器输出值，此时/>，其中/>为各轴光纤陀螺探测器输出值，i=x，y，z；
S12.受到振动后，产生零位偏移，各轴光纤陀螺探测器输出值变为，其中各轴光纤陀螺探测器输出值/>通过光纤罗经中三轴光纤陀螺中转换器采集；
S13.通过解算得到各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量。
进一步的，步骤S2中非互易性噪声的解算，包括如下步骤：
S21.通过min()确定最小值的轴w，光纤罗经上电后，在进过初始对准后，可实时计算出光纤罗经运动信息，即/>的该轴分量/>大小；
S22.通过FPGA数字处理单元实时获得该轴光纤罗经输出值；
S23.非振动状态，忽略各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，光纤罗经输出F为：
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速，K为光纤陀螺仪标度，采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，拟合出光纤陀螺仪标度K；
S24.在振动状态下将值，/>值，K值代入公式：
解算非互易性噪声。
进一步的，步骤S3包括如下步骤：
S31.非振动状态，忽略各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，光纤罗经输出F为：
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速，K为光纤陀螺仪标度，采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，拟合出光纤陀螺仪标度K；
S32.在振动状态下，利用光纤罗经输出公式：
其中，w为通过min()确定的最小值的轴，在FPGA数字处理单元中，可实时获得光纤罗经输出各分量/>，/>，/>，光纤罗经实时解算得外界输入转速各轴分量/>，并将/>及代入步骤S2所得非互易性噪声/>，重新代回公式，更新输出的各分量/>，/>，/>；
S33.加入各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，利用光纤罗经输出公式：
，i=x，y，z
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速各轴分量，将步骤S32所得更新输出的各分量/>，/>，/>，步骤S2所得非互易性噪声，步骤S1所得光强度调制噪声的各轴分量/>，步骤S31所得光纤陀螺仪标度K，代回公式，求解外界输入转速各轴分量/>。
进一步的，步骤S31中采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，其中外界输入转速输入为±0，±0.1，±0.2，±0.5，±1，±2，±5，±10，±20，±50，±100及±200，并采集光纤罗经输出F。
本发明的有益效果如下：
通过利用三轴光纤陀螺三个敏感环圈可同时敏感外界振动环境，利用耦合解算方法解算出振动噪声，随后在各轴陀螺输出信息中直接消除该外界振动引起的噪声，提升陀螺输出精度；利用增加的光功率探测器实时监测光源输出光功率，并与各轴探测器采集到的经过了敏感光纤环的光功率进行比较，消除各轴附加零位偏移；提高光纤罗经振动性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的光纤罗经的三轴光纤陀螺放置示意图。
图2是本发明的光纤罗经中三轴光纤陀螺光路框图。
图3是本发明的光纤罗经中三轴光纤陀螺电路框图。
图4是现有技术光纤罗经中三轴光纤陀螺输出噪声图。
图5是本发明的光纤罗经中三轴光纤陀螺输出噪声图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
下面结合说明书图1、图2、图3、图4及图5描述本发明。
光纤罗经中三轴光纤陀螺放置如图1所示，在光纤罗经垂直于x轴,y轴,z轴的三个安装平面上安装三轴光纤陀螺光路的X轴部分，Y轴部分，Z轴部分(如图2)，确保X轴部分的光纤环垂直于x轴，Y轴部分的光纤环垂直于y轴，Z轴部分的光纤环垂直于z轴。这样三轴光纤陀螺光路部分构成互相垂直的笛卡尔坐标系。
目前，干涉式数字闭环光纤陀螺采用四态调制进行信号的调制与解调，其输出信号可表示为：
(1)
式中，F为光纤罗经输出，为光纤陀螺***输入和输出的增益系数，/>为光功率，/>为四态调制的偏置相移，/>为Sagnac相移。
当光纤罗经受到外界振动时，内部光路尤其是光纤环会产生非互易性噪声及光强度调制噪声，则式(1)可变为：
(2)
式中，为光强度调制噪声，/>为非互易性噪声。
简单的，取偏置相移为π/2，由于光纤陀螺数字闭环工作在0位附近附加噪声很小，且/>，则(2)式可简化为：
(3)
式中，Ω为外界输入转速。因此，可认为(3)式中为附加输出噪声，/>为附加零位偏移,其中光纤陀螺仪标度K=/>，式（3）可简化为：
。
对应各种分量为：
，i=x，y，z。
本发明的技术方案求解式(3)中的非互易性噪声各种分量和光强度调制噪声的各轴分量/>，确定误差，直接在光纤罗经输出中进行补偿，提升光纤罗经抗振动性能。
求解：
光功率探测器可直接探测光源输出光功率，即为：
(4)
式中，为光功率探测器输出值，k为耦合损耗系数，/>为光源输出总光功率。
对于装配完成后的固定光路，式(4)中的k为固定值，如认为光路耦合过程中损耗极小，则可把k取为1，则(4)式变为：
(5)
同时，对于装配完成后的固定光路，式(1)中的各轴光纤陀螺探测器输出值值和/>存在如下关系：
(6)
式中，为耦合及环圈损耗系数，可认为是固定值，可通过在陀螺转配式直接测量光源端输出/>及各轴光纤陀螺探测器输出值/>获得，本发明中可把/>取为，因此式(6)变为：
(7)
根据式(5)、(7)，则：
(8)
因此，当光纤罗经受到外界振动导致产生强度调制噪声时，各轴光纤陀螺探测器输出值变为/>，而/>及/>不变(认为陀螺光路中光纤环受振动影响大，而光源受振动影响小)。
因此，当通过图3光纤罗经中三轴光纤陀螺电路框图中转换器采集探测器端输出值可实时获得/>，通过AD转换器采集光功率探测器输出值可实时获得/>，在FPGA数字处理单元中，可解算出光强度调制噪声的各轴分量/>，i=x，y，z。
求解：
不考虑光强度调制噪声的各轴分量变化，只考虑相位噪声/>，引入相位噪声，根据式(1)：
(9)
式中，为陀螺仪标度因数，可通过输入不同的外界输入转速/>，获取不同的光纤罗经输出F，进行拟合获得。即，根据式(1)，无振动时，输出为：
(10)
一种情况通过输入±0，±0.1，±0.2，±0.5，±1，±2，±5，±10，±20，±50，±100，±200，采集光纤罗经输出F，并采用GJB2624-2015光纤陀螺仪测试方法中规定的标度拟合方法，可直接拟合出光纤陀螺仪标度K。
对于光纤罗经中的三轴光纤陀螺，X陀螺，Y陀螺，Z陀螺敏感到外界输入转速的三个分量/>及附加相位噪声/>，/>，/>，代入公式(10)：
(11)
在光纤罗经初始对准后，外界输入转速的三个分量/>与x,y,z轴之间的夹角可以实时计算得到，为：/>。
考虑到外界振动对光纤罗经中三轴光纤陀螺主要带来线振动和角振动噪声，由于光纤陀螺时角位置敏感器，角振动噪声是振动时的最主要噪声。同时，由于三个陀螺垂直排放，当外界存在角振动噪声时，X陀螺，Y陀螺，Z陀螺敏感的大小不一致。根据三个夹角，可知存在一轴陀螺敏感的角振动噪声最小min/>，极端情况下，如果角振动沿着某一轴方向，则其余轴陀螺输出中无角振动噪声。例如：如果角振动沿着Z轴方向，则X陀螺，Y陀螺输出中无角振动噪声/>。
基于上述考虑，在FPGA数字处理单元中，可实时获得，/>，/>；同时，根据光纤罗经实时解算可获得/>和/>，可获得min(/>)，从而确定最小min/>，通过min(/>)确定最小值的轴w，该轴陀螺敏感的角振动噪声表征非互易性噪声/>。
例如，min即/>最小，及最小值的轴w为x轴，并且/>是/>的X轴分量，可以表征非互易性噪声/>的性质。
因此，光纤罗经输出F设为：
(12)
接上例，如果最小，则公式(11)变为：
(13)
实时计算出光纤罗经运动信息，即的各分量/>大小。
同时，FPGA内可实时获得值，
将值，/>值代入公式
可计算出，即非互易性噪声/>。
在振动状态下，利用光纤罗经输出公式：
其中，w为通过min()确定的最小值的轴，在FPGA数字处理单元中，可实时获得光纤罗经输出各分量/>，/>，/>，光纤罗经实时解算得外界输入转速各轴分量/>，并将/>及代入步骤S2所得非互易性噪声/>，重新代回公式，更新输出的各分量/>，/>，/>；
加入各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，利用光纤罗经输出公式：
，i=x，y，z （14）
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速各轴分量，将更新输出的各分量/>，/>，/>，非互易性噪声/>，光强度调制噪声的各轴分量/>，光纤陀螺仪标度K，代入公式（14），求解外界输入转速各轴分量/>。
通过各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量及非互易性噪声/>在光纤罗经输出中进行补偿，使得整个光纤罗经的性能将增强，对比如图4、图5。
通过利用三轴光纤陀螺三个敏感环圈可同时敏感外界振动环境，利用耦合解算方法解算出振动噪声，随后在各轴陀螺输出信息中直接消除该外界振动引起的噪声，提升陀螺输出精度；利用增加的光功率探测器实时监测光源输出光功率，并与各轴探测器采集到的经过了敏感光纤环的光功率进行比较，消除各轴附加零位偏移；提高光纤罗经振动性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种提升光纤罗经振动性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过AD转换器采集光功率探测器输出值，通过光功率探测器输出值/>计算各轴光纤陀螺探测器输出值/>，通过振动状态下光纤罗经中三轴光纤陀螺中ADX\ADY\ADZ转换器采集探测器端输出获得各轴光纤陀螺探测器输出值/>，可解算出各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量/>，i=x，y，z；
S2.通过光纤罗经的FPGA数字处理单元，获得各轴的光纤罗经输出，从而得到外界输入转速的三个分量/>，及与x,y,z轴之间的夹角/>，从而得到min()，通过min(/>)确定最小值的轴w，该轴陀螺敏感的角振动噪声表征非互易性噪声/>；
S3.将确定的各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量及非互易性噪声/>在光纤罗经输出中进行补偿。
2.根据权利要求1所述的提升光纤罗经振动性能的方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：
S11.在非振动状态采集光功率探测器输出值，此时/>，其中/>为各轴光纤陀螺探测器输出值，i=x，y，z；
S12.受到振动后，产生零位偏移，各轴光纤陀螺探测器输出值变为，其中各轴光纤陀螺探测器输出值/>通过光纤罗经中三轴光纤陀螺中ADX\ADY\ADZ转换器采集；
S13.通过解算得到各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量。
3.根据权利要求1所述的提升光纤罗经振动性能的方法，其特征在于，步骤S2中非互易性噪声的解算，包括如下步骤：
S21. 通过min()确定最小值的轴w，光纤罗经上电后，在经过初始对准后，可实时计算出光纤罗经运动信息，即/>的该轴分量/>大小；
S22.通过FPGA数字处理单元实时获得该轴光纤罗经输出值；
S23.非振动状态，忽略各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，光纤罗经输出F为：
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速，K为光纤陀螺仪标度，采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，拟合出光纤陀螺仪标度K，为四态调制的偏置相移，/>为Sagnac相移；
S24.在振动状态下将值，/>值，K值代入公式：
解算非互易性噪声。
4.根据权利要求1所述的提升光纤罗经振动性能的方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：
S31.非振动状态，忽略各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，光纤罗经输出F为：
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速，K为光纤陀螺仪标度，采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，拟合出光纤陀螺仪标度K，为四态调制的偏置相移，/>为Sagnac相移；
S32. 在振动状态下，利用光纤罗经输出公式：
其中，w为通过min()确定的最小值的轴，在FPGA数字处理单元中，可实时获得光纤罗经输出各分量/>，/>，/>，光纤罗经实时解算得外界输入转速各轴分量/>，并将/>及代入步骤S2所得非互易性噪声/>，重新代回公式，更新输出的各分量/>，/>，/>；
S33.加入各轴光纤陀螺的光强度调制噪声的各轴分量，利用光纤罗经输出公式：
，i=x，y，z
为平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径，c为真空中光速，/>为外界输入转速各轴分量，将步骤S32所得更新输出的各分量/>，/>，/>，步骤S2所得非互易性噪声/>，步骤S1所得光强度调制噪声的各轴分量/>，步骤S31所得光纤陀螺仪标度K，代回公式，求解外界输入转速各轴分量/>。
5.根据权利要求4所述的提升光纤罗经振动性能的方法，其特征在于，步骤S31中采用光纤陀螺仪测试方法中标度拟合方法，其中外界输入转速输入为±0，±0.1，±0.2，±0.5，±1，±2，±5，±10，±20，±50，±100及±200，并采集光纤罗经输出F。
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