專利名稱：光纖陀螺的光功率自修正方法及其高精度光纖陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種光纖陀螺的光功率自修正方法及其高精度光纖陀螺。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，光纖陀螺(FOG)由于其潛在的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景而備受重視，已經(jīng)成為新一代中高精度慣性測(cè)量系統(tǒng)中的首要選擇。隨著研究的深入，影響光纖陀螺精度的各種關(guān)鍵問(wèn)題逐步得到解決，光纖陀螺的性能不斷提高，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。中低精度光纖陀螺主要應(yīng)用于短距離戰(zhàn)術(shù)武器、民用測(cè)井技術(shù)等領(lǐng)域，高精度光纖陀螺主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、高精度武器裝備系統(tǒng)及艦艇導(dǎo)航、定位定向、大地測(cè)量等領(lǐng)域。目前，國(guó)外研制的高精度光纖陀螺零位漂移已達(dá)到O. 001° /h以內(nèi)，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于lOppm，測(cè)量精度達(dá)到了
0.0003° /h。但由于慣性技術(shù)有較高的軍事應(yīng)用價(jià)值，國(guó)外對(duì)高精度光纖陀螺的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。從已有的資料分析，影響陀螺精度的主要因素是光功率穩(wěn)定性、平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性、光纖環(huán)的繞制質(zhì)量、后端信號(hào)檢測(cè)電路的精度等。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，光纖環(huán)的繞制技術(shù)和后端信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)相對(duì)成熟，改進(jìn)的空間不大。在中低精度光纖陀螺中廣泛應(yīng)用的SLD光源控制模塊主要由驅(qū)動(dòng)電路和制冷器兩部分組成，驅(qū)動(dòng)電路主要控制光源的輸出光功率，制冷器保證光源始終工作在預(yù)設(shè)定溫度下。直接影響光源輸出光功率的驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法隨著外界環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整光源驅(qū)動(dòng)電流，從而造成SLD光源的光功率穩(wěn)定性較差，不能夠滿足高精度光纖陀螺的設(shè)計(jì)要求。在公開(kāi)的文獻(xiàn)和資料中，現(xiàn)有的SLD光源光功率閉環(huán)控制方案，通常是在耦合器空頭上外接另一個(gè)PIN探測(cè)器，根據(jù)探測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行光源的閉環(huán)反饋控制。該方法的缺點(diǎn)是，在增加了一個(gè)光電探測(cè)器件后，改變了光路的互易性，造成了更大的光學(xué)設(shè)計(jì)誤差，因此并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用到高精度光纖陀螺的設(shè)計(jì)中。現(xiàn)有的高精度光纖陀螺主要采用ASE光源，如圖I所示，在主流的設(shè)計(jì)中，基于ASE光源的高精度光纖陀螺和基于SLD光源的中低精度光纖陀螺在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上并無(wú)太大差別，唯一不同的地方是將輸出平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性較差的SLD光源換成了輸出平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性較好的ASE光源。對(duì)于ASE光源而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于具有更好的光譜穩(wěn)定性，可以利用成熟的光纖通信器件進(jìn)行高精度陀螺設(shè)計(jì)，但是其后級(jí)的驅(qū)動(dòng)電路和光路設(shè)計(jì)方式并無(wú)明顯改進(jìn)。與此同時(shí)，ASE光源也存在一些缺點(diǎn)，例如其成本較高、且光源控制復(fù)雜，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要精確控制980nm泵浦光的光功率，同時(shí)需要對(duì)波分復(fù)用(WDM)器件和光纖布拉格光柵(FBG)進(jìn)行溫度控制，避免因溫度波動(dòng)引起輸出光的平均波長(zhǎng)發(fā)生變化；在控制算法設(shè)計(jì)上，對(duì)光源的控制依賴于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只能在光源內(nèi)部進(jìn)行溫度檢測(cè)，從而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)光源進(jìn)行溫度控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光源輸出功率的“端到端”實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；同時(shí)，當(dāng)前的閉環(huán)控制算法只能完成從探測(cè)器后端信號(hào)的控制和反饋，功能單一，沒(méi)有進(jìn)行從光源到輸出的系統(tǒng)級(jí)參數(shù)綜合控制，在精度的進(jìn)一步提高上存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中高精度光纖陀螺成本高、光功率控制不精確的問(wèn)題，提供一種光纖陀螺的光功率自修正方法及其高精度光纖陀螺。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光纖陀螺的光功率自修正方法為提取光干涉信號(hào)，采集光干涉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的梳狀尖峰值Di，并對(duì)采集到的N個(gè)梳狀尖峰值0,進(jìn)行積分，得到
_7] Dmt = ZA
i=l將Dint與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)光源的輸出光功率。優(yōu)選地，所述光纖陀螺的光功率自修正方法還包括對(duì)Dint進(jìn)行濾波處理后，再將Dint與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，將比較值輸出到光源驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)對(duì)光源驅(qū)動(dòng)電路中的精密可編程電阻阻值的控制來(lái)進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制。實(shí)現(xiàn)上述光功率自修正方法的高精度光纖陀螺，包括陀螺本體，所述陀螺本體內(nèi)設(shè)置有光源和光源控制單元，光源依次連接耦合器、集成光學(xué)調(diào)制器、光纖環(huán)和光電探測(cè)器(PIN)形成光路，光電探測(cè)器和前置放大器電連接，前置放大器和AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理單元(FPGA)、后置放大器、DA轉(zhuǎn)換器形成電路，DA轉(zhuǎn)換器與集成光學(xué)調(diào)制器的控制端相連，所述數(shù)字信號(hào)處理單元還包括梳狀尖峰檢測(cè)與積分模塊，用于對(duì)采集到的光干涉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分、并將積分后的結(jié)果與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較、得到比較值；所述光源控制單元還包括光功率調(diào)整模塊、其根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制。優(yōu)選地，所述AD轉(zhuǎn)換器為采樣頻率大于4Mhz的AD轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，所述光源為SLD光源。優(yōu)選地，所述光功率調(diào)整模塊包括精密可編程電阻。優(yōu)選地，所述光源及光源控制單元的光源驅(qū)動(dòng)電路安裝在底面板上。光纖陀螺的光功率自修正方法，主要是選用如SLD光源的低成本光源進(jìn)行高精度陀螺設(shè)計(jì)和光源的“端到端”實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。通過(guò)理論分析和計(jì)算，在不影響光纖陀螺精度的前提下，采用較為成熟的低成本光源，極大的降低了高精度光纖陀螺的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本；根據(jù)數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的信號(hào)檢測(cè)原理，在光電探測(cè)器(PIN)進(jìn)行干涉信號(hào)檢測(cè)時(shí)，不僅提取出偏置相位為η/2穩(wěn)定工作點(diǎn)處的光功率值進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)反饋，同時(shí)根據(jù)方波信號(hào)在跳變過(guò)程中的連續(xù)效應(yīng)，提取偏置相位在O附近時(shí)的光功率值，即梳狀尖峰值，并將此光功率作為光源功率的控制參量，進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的精確控制；此外，由于光源是系統(tǒng)中最大的熱源，如果處理不當(dāng)，會(huì)引起較大的Shupe誤差。因此，將光源及光源驅(qū)動(dòng)電路安裝在陀螺的上蓋板上，最大限度的增加光纖陀螺安裝面與本體安裝面的接觸面積，保證光纖陀螺的熱量能夠迅速通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞至安裝基座上，從而保證了陀螺的設(shè)計(jì)精度。本發(fā)明的有益效果光纖陀螺的光功率自修正方法，在不增加器件、不改變光路互易性的條件下，利用數(shù)字閉環(huán)控制中“丟棄”的梳狀脈沖信息，實(shí)現(xiàn)了光源光功率的“端到端”實(shí)時(shí)探測(cè)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本SLD光源的高精度控制，提高了輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)該方法的高精度光纖陀螺，無(wú)需采用較為復(fù)雜且昂貴的ASE、光源，大大降低了高精度光纖陀螺的生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明充分考慮了熱設(shè)計(jì)在高精度光纖陀螺設(shè)計(jì)中的重要性，將光源及光源驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整至底面板上，避免了光源發(fā)熱引起的Shupe誤差，保證了光纖陀螺的設(shè)計(jì)精度。


圖I為基于ASE光源的高精度光纖陀螺控制框圖；圖2為本發(fā)明的高精度光纖陀螺控制框圖；圖3為光電探測(cè)器采集信號(hào)圖；圖4為本發(fā)明的高精度光纖陀螺的立體分解結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I所示基于ASE光源的高精度光纖陀螺控制框圖，在背景技術(shù)中已作說(shuō)明，于此不再贅述。如圖2所示，本實(shí)施例提供了一種低成本且具有光功率自修正功能的高精度光纖陀螺，它包括陀螺本體1，陀螺本體I內(nèi)設(shè)置有光源102和光源控制單元101，光源102依次連接耦合器103、集成光學(xué)調(diào)制器104、光纖環(huán)111和光電探測(cè)器(PIN) 105形成光路，光電探測(cè)器105和前置放大器106電連接，前置放大器106和AD轉(zhuǎn)換器107、數(shù)字信號(hào)處理單元(FPGA) 108、后置放大器109、DA轉(zhuǎn)換器110形成電路，DA轉(zhuǎn)換器110與集成光學(xué)調(diào)制器104的控制端相連，數(shù)字信號(hào)處理單元108還包括梳狀尖峰檢測(cè)與積分模塊1081，用于對(duì)采集到的光干涉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分、并將積分后的結(jié)果與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較、得到比較值；光源控制單元101還包括光功率調(diào)整模塊1011、其根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制。其中，光源102為SLD光源，AD轉(zhuǎn)換器107為采樣頻率大于4Mhz的AD轉(zhuǎn)換器。光功率調(diào)整模塊1011包括精密可編程電阻，其設(shè)置于光源驅(qū)動(dòng)電路中。需要說(shuō)明的是，光功率調(diào)整模塊1011可以為其他與精密可編程電阻等效的其他元器件，而不僅限于此種實(shí)施方式。如圖4所示，高精度光纖陀螺的結(jié)構(gòu)包括，陀螺本體I、連接于陀螺本體I下端的底面板2，光源102及光源控制單元101的光源驅(qū)動(dòng)電路安裝在底面板2上。需要說(shuō)明的是，由于光源102是系統(tǒng)中最大的熱源，如果處理不當(dāng)，會(huì)引起較大的Shupe誤差。通過(guò)最大限度的增加光源102和光源驅(qū)動(dòng)電路和底面板2的接觸面積，保證光源102的熱量能夠迅速通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞至底面板2外側(cè)，從而保證了陀螺的設(shè)計(jì)精度。上述高精度光纖陀螺的光功率自修正方法為提取光干涉信號(hào)，采集光干涉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的梳狀尖峰值Di,并對(duì)采集到的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分，得到Dmt = fA
i=l將Dint與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)光源的輸出光功率。該方法的原理如下在光電探測(cè)器(PIN) 105處，兩束光干涉后的條紋呈余弦分布，通過(guò)集成光學(xué)調(diào)制器104的調(diào)制，將光纖陀螺的工作點(diǎn)控制在土 π /2的相位處，由于此處光的變化最為劇烈(對(duì)應(yīng)著切線的斜率最大)，因此可以得到最佳的分辨率。由于相位切換在時(shí)間上的連續(xù)性，因而在光電探測(cè)器105處得到的是梳狀脈沖，如圖3所示。在光纖陀螺的工作過(guò)程中，要不停的將工作點(diǎn)在+ π /2和-π /2之間切換。對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，這個(gè)切換過(guò)程可以認(rèn)為是沒(méi)有過(guò)渡時(shí)間的，但實(shí)際應(yīng)用中控制的光信號(hào)屬于模擬信號(hào)，且受到方波發(fā)生器件頻率響應(yīng)特性的限制，相位在土 η/2之間變化時(shí)，必然要經(jīng)歷一個(gè)相位為O的值。對(duì)應(yīng)這個(gè)O相位處的光功率，就是我們?cè)谑釥蠲}沖中看到的那個(gè)脈沖尖峰b。由于閉環(huán)控制的穩(wěn)定性，梳狀脈沖的脈沖尖峰b高度是相對(duì)穩(wěn)定的，這也為光源的閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)提供了便利，即如果能夠采集到梳狀脈沖b的梳狀尖峰值Di作為光功率的參考值，那么就能夠在不額外增加器件、不改變光路互易性的條件下實(shí)現(xiàn)光源的光功率閉環(huán)控制。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，梳狀脈沖的寬度普遍在O. 3us左右，因此，只要選擇采樣頻率大于4Mhz的AD轉(zhuǎn)換器，即可完成梳狀尖峰值Di的采樣。在本實(shí)施例中，AD轉(zhuǎn)換器107的時(shí)鐘
與方波時(shí)鐘是同相的，但AD轉(zhuǎn)換器107的時(shí)鐘遠(yuǎn)高于方波時(shí)鐘，工作頻率為16Mhz。在每一個(gè)方波時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻，同時(shí)也會(huì)有AD轉(zhuǎn)換器107將此時(shí)的光信息采集進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理單元 108。數(shù)字信號(hào)處理單元108包括梳妝尖峰檢測(cè)與積分模塊1081和偏置相位處光功率檢測(cè)與積分模塊1082，偏置相位處光功率檢測(cè)與積分模塊1082選擇梳狀脈沖中平坦部分a作為數(shù)字閉環(huán)的信號(hào)輸入源，經(jīng)積分后將其通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器107輸出，通過(guò)集成光學(xué)調(diào)制器104進(jìn)行光纖環(huán)111內(nèi)兩束光的相位控制；梳狀尖峰檢測(cè)與積分模塊1081選擇圖3所示的脈沖尖峰b作為光功率控制的信號(hào)源，經(jīng)積分、濾波處理后，與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，將比較值輸出到光源控制單元101中的光功率調(diào)整模塊1011，由于在本實(shí)施例中光功率調(diào)整模塊1011包括設(shè)于光源驅(qū)動(dòng)電路中的精密可編程電阻，所以通過(guò)對(duì)該電阻模塊的控制，精確控制光源的驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)而控制光源的輸出功率。本發(fā)明制得的高精度光纖陀螺的零位漂移小于O. 002° /h.
權(quán)利要求
1.一種光纖陀螺的光功率自修正方法，其特征在于所述方法為提取光干涉信號(hào)，米集光干涉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的梳狀尖峰值Di,并對(duì)采集到的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分，得到 Dmt = IA 將Dint與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)光源的輸出光功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖陀螺的光功率自修正方法，其特征在于所述方法還包括對(duì)Dint進(jìn)行濾波處理后，再將Dint與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，將比較值輸出到光源驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)對(duì)光源驅(qū)動(dòng)電路中的精密可編程電阻的調(diào)整來(lái)進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制。
3.ー種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述光功率自修正方法的高精度光纖陀螺，包括陀螺本體(1)，所述陀螺本體(I)內(nèi)設(shè)置有光源(102)和光源控制單元(101)，光源(102)依次連接耦合器(103)、集成光學(xué)調(diào)制器(104)、光纖環(huán)(111)和光電探測(cè)器(105)形成光路，光電探測(cè)器(105)和前置放大器(106)電連接，前置放大器(106)和AD轉(zhuǎn)換器(107)、數(shù)字信號(hào)處理單元(108)、后置放大器(109)、D A轉(zhuǎn)換器(110)形成電路，DA轉(zhuǎn)換器(110)與集成光學(xué)調(diào)制器(104)的控制端相連，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理單元(108)還包括梳狀?yuàn)y尖峰檢測(cè)與積分模塊(1081)，用于對(duì)采集到的光干渉信號(hào)中偏置相位在O附近時(shí)的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分、并將積分后的結(jié)果與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較、得到比較值；所述光源控制單元(101)還包括光功率調(diào)整模塊(1011)、其根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度光纖陀螺，其特征在干所述AD轉(zhuǎn)換器(107)為采樣頻率大于4Mhz的AD轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高精度光纖陀螺，其特征在于所述光源(102)為SLD光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高精度光纖陀螺，其特征在于所述光功率調(diào)整模塊(1011)包括精密可編程電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度光纖陀螺，其特征在干所述光功率調(diào)整模塊(1011)包括精密可編程電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度光纖陀螺，其特征在干所述光源(102)及光源控制単元(101)的光源驅(qū)動(dòng)電路安裝在底面板(2)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖陀螺的光功率自修正方法及采用該方法的高精度光纖陀螺，該方法提取光干涉信號(hào)，采集光干涉信號(hào)中偏置相位在0附近時(shí)的梳狀尖峰值Di，并對(duì)采集到的N個(gè)梳狀尖峰值Di進(jìn)行積分，得到Dint并與光纖陀螺穩(wěn)定工作的光功率值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較值進(jìn)行光源驅(qū)動(dòng)電流的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)光源的輸出光功率。本發(fā)明在不增加器件、不改變光路互易性的條件下，實(shí)現(xiàn)了光源光功率的“端到端”實(shí)時(shí)探測(cè)，并進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了低成本SLD光源的高精度控制，提高了輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)該方法的高精度光纖陀螺，無(wú)需采用較為復(fù)雜且昂貴的ASE光源，大大降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102706362SQ201210163570
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者劉源遠(yuǎn), 李星善, 楊道安, 袁慧錚, 邵志浩, 陸俊清 申請(qǐng)人:湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所