一种光纤陀螺温度补偿系统的制作方法

1.本发明涉及光电子技术中的光纤传感领域，更具体地，涉及一种光纤陀螺温度补偿系统。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种基于sagnac效应的惯性陀螺仪表，全固态设计，无任何运动和磨损部件，工作寿命长，可靠性高，制造工艺也相对简洁，更容易实现批量制造和大规模应用。光纤陀螺结构设计灵活，测量精度与其中的敏感部件
‑
光纤环直径、环中光纤长度之积成正比，可据此设计成满足不同需求的产品，目前已覆盖海陆空天多个应用领域，精度涵盖至少五个数量级。
3.世界上大多数光纤陀螺产品采用干涉式数字闭环方案，光路中包含光纤环、linbo3多功能集成光学器件（简称y波导）、光源等功能部件。因为光纤光路本身存在一定温度敏感性，环境温度变化会引起光纤陀螺标度因数和零偏漂移误差，在性能要求较高的场合，必须采取控制手段，应对方案主要包括温度控制和温度补偿等。温度控制的目的是为光纤陀螺测量系统提供稳定的工作温度环境，包括tec温控和加热温控等具体方案，均要付出产品体积、重量、功耗以及较长稳定时间的代价。因为温控方案的产品适装性较差，目前仅应用于舰船、卫星等有相应条件的场合。温度补偿是通过建立温度信息与陀螺输出误差的数学模型关系实现对误差的判断和消除，可在不影响原系统的体积、重量情况下实现的陀螺输出精度的提高，为大部分光纤陀螺测量系统所采用。
4.目前的光纤陀螺产品中，采用测温芯片或铂电阻等进行光纤陀螺敏感部件附近温度信息的采集。该方案的问题是：测温器件的安装位置与敏感光路存在一定间隔，只能间接反应敏感环路的温度变化，准确性和实时性较差。如果测温器件能直接设计在光纤光路之中，直接反应陀螺敏感部件产生的温度误差，准确性和实时性都将大幅提高，达到更有效的温度补偿效果。根据对各光学器件温度特性、信息可提取性等各方面的分析，认为光纤光路中的linbo3多功能集成光学器件（y波导）符合设计要求。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种光纤陀螺温度补偿系统，包括光纤光路部分和信号处理部分，所述光纤光路部分包括宽谱光源、光纤干涉仪和探测器，所述信号处理部分包括干涉信号采样模块、第一解调模块、第一积分模块、调制模块、第二解调模块、第二积分模块和误差补偿模块；所述探测器，用于实时探测所述光纤干涉仪输出的光波信号，并将光波信号转换为电信号；所述干涉信号采样模块，用于对所述电信号进行采样，得到每一状态多个点或一个点的电信号；所述第一解调模块，用于根据采样的电信号，通过三角函数运算关系，计算得出与温度变化相关的y波导器件的电光转换系数变化值；第一积分模块，用于对y波导器件的电光转换系数变化值进行积分叠加，得到转换系数值；第二解调模块，用于对采样的电
信号进行解调运算，计算出光纤陀螺的转速信息变化值；第二积分模块，用于对光纤陀螺的转速信息变化值进行积分叠加，得到未补偿转速信息；所述调制模块，用于根据所述转换系数值和所述未补偿转速信息，生成调制波形和反馈波形，并输出给所述光纤干涉仪；所述误差转换模块，用于以未补偿转速信息和y波导器件的电光转换系数变化值为输入量，对光纤陀螺的标度因数误差和零位偏差进行实时拟合推算，对光纤陀螺的转速信息进行补偿输出。
6.本发明提供的一种光纤陀螺温度补偿系统，利用光纤光路中原有的y波导的温度敏感特性，设计一种替代原方案温度传感器进行温度补偿的方案。光纤陀螺的核心器件y波导存在多个随温度变化的参数，且电光转换系数参数与陀螺温度误差直接相关，通过设计一定的调制解调和闭环控制算法，进行y波导电光转换系数参量值的实时跟踪，得到比传统方案中温度传感器误差相关性更强、实时性更好的参量值信息，结合传统温度误差补偿模型，替换模型中的温度自变量信息，即可实现更直接有效的温度补偿系统。
附图说明
7.图1为本发明提供的一种光纤陀螺温度补偿系统的结构示意图；图2为四状态偏置调制信号示意图；图3为闭环稳定输出干涉输出信号示意图；图4为y波导器件的电光转换系数变化后的干涉输出信号示意图；图5为调制解调和闭环跟踪算法流程示意图。
8.附图中，各标号所代表的部件名称如下：1、光纤光路部分，2、信号处理部分，3、宽谱光源，4、光纤耦合器，5、y波导器件，6、光纤环，7、探测器，8、干涉信号采样模块，9、第一解调模块，10、第一积分模块，11、参考基准产生模块，12、第二解调模块，13、第二积分模块，14、调制模块，15、误差补偿模块，16、转速信息输出模块。
具体实施方式
9.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
10.linbo3多功能集成光学器件是在光纤陀螺中实现偏振滤波、分束/合束和电
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光相位控制的器件，其最重要的功能之一是相位调制，即在y分支的两束光之间提供一个可控的相位差。实现相位调制部分的工作基础是器件衬底材料具有线性电光效应，linbo3晶体材料的折射率随外加电场大小成线性变化。通过波导两侧的相位调制电极施加电场，从而改变波导区域的折射率，光传播时，其物理光程（传播长度与折射率的乘积）随外加电压而线性改变，输出光波的相位也线性地改变了。在y分支波导的两条分支上加上半周期等于光纤环渡越时间的方波电压信号时，可使两束相向传输的光波之间产生与方波幅值成正比的相位差。衡量材料电光效应大小的指标是电光系数，折射率随电场变化由下式表示：其中，n为折射率；e为电场强度。设外加电场引起的输入两束光波之间产生的相移
为，则：式中：为光源的光波长；为电场与光场的重叠积分；g为两电极间的间距；v为电极上的电压。其中，电压与光波相位差之间的比值可定义为电光转换系数k
t
：其中的n、、、l和g都会受温度的影响而发生变化，尤其n随温度变化影响最大，高于其他影响因素至少2个数量级，且与温度呈基本的单调线性关系。随着y波导制造技术的成熟，光纤陀螺光路中y波导电光转换系数与温度的相关规律是确定的（与温度线性负相关，每100℃变化约4%~7%），如果能设计出方案实时跟踪y波导电光转换系数变化，且实现较高的分辨率的实时输出，就可舍弃原有测温器件，直接与陀螺输出误差实现拟合补偿，提升温补效果。
11.为实现更有效的温度补偿，克服目前方案中采集的温度信息与陀螺误差相关性差的问题，利用光纤光路中原有的y波导器件的温度敏感特性，设计一种替代原方案温度传感器进行温度补偿的方案。y波导器件的多个随温度变化的参数与陀螺误差直接相关，本发明通过设计的调制解调和闭环控制算法，进行y波导电光转换系数参量值的实时跟踪，实现更直接有效的补偿。
12.参见图1，提供了本发明的一种光纤陀螺温度补偿系统，主要包括光纤光路部分1和信号处理部分2，光纤光路部分1包括宽谱光源3、光纤干涉仪和探测器7，信号处理部分2包括干涉信号采样模块8、第一解调模块9、第一积分模块10、调制模块14、第二解调模块12、第二积分模块13和误差补偿模块15。
13.其中，光纤干涉仪包括光纤耦合器4、y波导器件5和光纤环6，所述宽谱光源3、光纤耦合器4、y波导器件5和光纤环6在光路上顺次连接，所述探测器7，用于探测由所述y波导器件5返回到所述光纤耦合器4的光波信号，并将光波信号转换为电信号。
14.其中，各模块的功能为：探测器7，用于实时探测光纤干涉仪输出的光波信号，并将光波信号转换为电信号；干涉信号采样模块8，用于对电信号进行采样，得到每一状态多个点或一个点的电信号；第一解调模块9，用于根据采样的电信号，通过三角函数运算关系，计算得出与温度变化相关的y波导器件5的电光转换系数变化值；第一积分模块10，用于对y波导器件5的电光转换系数变化值进行积分叠加，得到转换系数值；第二解调模块12，用于对采样的电信号进行解调运算，计算出光纤陀螺的转速信息变化值；第二积分模块13，用于对光纤陀螺的转速信息变化值进行积分叠加，得到未补偿转速信息；调制模块14，用于根据所述转换系数值和所述未补偿转速信息，生成调制波形和反馈波形，并输出给所述光纤干涉仪；误差转换模块，用于以未补偿转速信息和y波导器件5的电光转换系数变化值为输入量，对光纤陀螺的标度因数误差和零位偏差进行实时拟合推算，对光纤陀螺的转速信息通过转速信息输出模块16进行补偿输出。
15.具体的，干涉信号采样模块8针对的是经给定波形调制后的探测器7输出信息，一
般在某一调制状态下采样多个点或一个点的电压信号；第一解调模块9通过三角函数的运算关系，根据调制状态的采样信息（电压信号）计算得出与温度变化相关的y波导器件5的光电转换系数变化信息；第一积分模块10在原有电光转换系数初始值基础上进行变化量的持续积分运算和降噪处理而得到的，理论上，每个光纤环6渡越时间都可以实现一次数据更新，微秒量级；第二解调模块12和第二积分模块13的工作原理与第一解调模块9和第一积分模块10的工作原理相似，第二解调模块12从调制状态的采样信息中解调出光纤陀螺的转速信息，第二积分模块13对解调出的光纤陀螺的转速信息进行积分，得到积分得加的未补偿转速信息。
16.调制模块14根据积分后的转换系数值和未补偿转速信息，以参考基准产生模块11产生的参考基准值为参考，生成调制波形和反馈波形，其中，调制波形是根据三角函数规律和光纤环6的延时特性而设计的一组有规律的波形，对顺时针和逆时针传输的两束光产生不同调制；反馈波形是未补偿的转速信息值通过累加形成的数字阶梯波，并通过自动复位实现相位闭环控制，自动补偿转速引起的sagnac相位变化。误差补偿模块15是以未补偿的转速信息和y波导器件5的电光转换系数为输入量，综合考虑转换系数值、转换系数变化速度，以及相关高阶信息等，对光纤陀螺标度因数偏差、零位偏差等误差量进行的实时拟合推算，进而对未补偿陀螺数据进行实时修正的一种算法模型。补偿后的转速信息通过转速信息输出模块16输出，修正了光纤陀螺的标度因数值和零位偏差值等参量，或其中个别参量，大幅度降低光纤陀螺对环境温度变化的敏感性。
17.本发明的信号处理方案上设计了对y波导器件的电光转换系数参量值变化信息的解调，解调信息进行积分和稳定处理后作为误差补偿的输入，也作为参考基准控制调制和反馈波形输出给y波导器件。误差补偿过程也从原来的：“环境温度变化 —> 光路受影响导致陀螺误差 —> 光路附近的温度传感器信息提取—> 以温度传感器信息为参考的误差补偿。”升级为：“环境温度变化—> 光路受影响导致陀螺误差—> 光路中y波导电光转换系数信息的提取—> 以y波导电光转换系数为参考的误差补偿。”其中，因为y波导器件的电光转换系数随温度变化，因而产生相同相位调制所需的电压也是随温度改变的，设这个相位是固定的，那么这个变化的电压就代表y波导器件的电光转换系数，正是需要解调和跟踪的。这里以四态调制波形为例来说明y波导器件的电光转换系数的实时获取方案。
18.在光纤环形干涉仪中，顺、逆时针两束光波干涉后的输出可描述为：式中为惯性空间转速引起的sagnac相移，为通过阶梯波实现的反馈相移，为调制波形产生的相移。
19.其中，调制波形（电压信号）通过y波导调制电极按照一定时间顺序周期性作用于干涉仪中顺逆时针的两束相干光波，产生的相位差分别为：，每个相位偏置的作用时间均为，也就是光纤干涉仪的半个渡越时间。由于相位偏置的引入，使得光纤干涉仪的顺、逆时针两束光波之间产生了4个偏置相位差，也就是：所以，的分别为：，如图2所示。
20.那么在四态偏置调制的第一个时间内，光波的干涉输出可描述为：第二个时间内，光波干涉输出可描述为：由上面两式(3)和(4)可知，在四态调制的第一个时间内，光波干涉输出可描述为：同样，在四态调制的第二个时间内，光波干涉输出可描述为：若环形光纤干涉仪的sagnac相移被信号处理部分实时给出的反馈相移补偿，即，那么就有，顺逆时针的两束光波干涉输出为一条平直线，平直线对应调制波形变化的位置带有梳状脉冲，如图3所示。
21.当y波导的电光转换系数存在误差，使调制波形引起的相位差变为标准值的倍时，那么两束光波的干涉信号强度为：在闭环控制已经达到平衡时，即，有但此时在一个时间内实际产生的的值不同，也就是说，前后两个时间内干涉信号也不再相等，计算其差值为：该即为y波导器件的电光转换系数变化值，这样当y波导的电光转换系数发生漂移时，光波的干涉输出中会以半个渡越时间为周期出现一个误差，如图4所示。
22.用该解调出的误差量对y波导器件的电光转换系数实时叠加调整，调整后的系数值一方面作为调制波形和反馈波形产生的参考基准，使得转换系数的闭环控制重新达到平衡，实现图2所示的稳定信号；另一方面就代替温度测量值作为本发明方案误差补偿的实时动态输入。
23.参考图5，光纤陀螺温度补偿系统的具体实施方式的步骤如下：（1）结合利用y波导器件进行温度补偿的示意图，见图5，针对光纤陀螺信号处理系统，开展误差补偿的方案设计，具体为：针对光纤光路部分输出的干涉信号，设计满足实时解调要求的相位调制波形。针对调制后的干涉输出信号，进行信息采样，每一状态采样多个点或者一个点的电信号。
24.利用采样结果与调制波形之间的三角函数关系，分别解调出陀螺的转速变化信息和电光转换系数变化信息。通过连续的累加积分运算得到实时光纤陀螺敏感转速值（即前述的未补偿转速信息）和电光转换系数值（即前述的转换系数值）。
25.敏感转速值经累加成为实现闭环反馈功能的阶梯波，电光转换系数一方面输出作为相位调制波形和闭环反馈波形作参考，另一方面就输出给误差补偿模型。光纤陀螺原始敏感转速信息经误差补偿模型完成实时补偿后的数据输出。
26.（2）针对y波导光电转换系数信息的提取，设计调制解调和闭环跟踪算法，具体为：
在算法程序中设置光电转换系数基准值，可根据测试结果给出，或者通过自锁定技术给出，使调制波形通过y波导调制电极按照一定时间顺序周期性作用于干涉仪中顺逆时针的两束相干光波，产生的相位差分别为：，每个相位偏置的作用时间均为，也就是光纤干涉仪的半个渡越时间。
27.对光纤干涉仪的输出信号进行采样，采样时避开梳状脉冲位置，并保证每两个状脉冲中间的采样点个数相等（脉冲对应调制波形变换位置）。
28.利用相邻渡越时间的采样结果解调转速变化信息，利用积分得到的转速值进行转速反馈，使相邻渡越时间的干涉信号平衡（相邻渡越时间对应同一调制周期内的以及相位）。
29.在同一个渡越时间内，利用前后半个内的采样值进行相减解调，积分后的结果即为实时动态输出的光电转换系数值；光电转换系数通过转换电路输出给da转换器，作为后者随温度变化而调整的增益参考基准；光电转换系数输出给误差补偿模型，将原始解调的转速信息修正为不随温度变化的输出转速信息，或随温度变化较小的输出转速信息。
30.本发明实施例提供的一种光纤陀螺温度补偿系统，相比现有技术，具有以下有益效果：（1）为克服现有技术中光纤陀螺的温度传感器只能间接反映敏感环路受温度的影响，准确性较差的问题，从硬件上摒弃了原有的测温方案，采用光纤光路中自有的y波导作为温敏器件，直接反映光纤光路敏感的温度误差，分辨率高，可达到更有效的误差补偿效果。
31.（2）新设计的数据解调和跟踪方案实时性好，理论上可以在一个光纤干涉仪渡越时间内实现数据更新，达到微秒量级的数据更替，进行降噪处理后，可快速响应光路中温度相关误差变化；（3）y波导器件本身与光纤陀螺温度误差更直接相关，例如其电光转换系数的变化信息在很大程度上也反映了光纤陀螺温度相关振的幅型偏振误差信息，而后者是光纤光路引起的零偏误差最重要原因之一。
32.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。
33.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。
34.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。