[发明专利]一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感的领域，特别是涉及一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。

光纤陀螺输出的数字信号的大小和输入角速度的比例系数称为光纤陀螺的标度因数，简称为标度因数。理想情况下标度因数为常数，但由于光纤陀螺光源波长变化、结构变化以及信号处理方案的不同，该比例系数不是常数，用标度因数非线性度所描述这个比例系数偏离常数的程度。

很多应用场合中测量参数为旋转角，需要通过对光纤陀螺输出的角速度信息进行积分以获得旋转角，从而要求光纤陀螺在相当宽的范围内都具有很高的精度，因为任何过去的误差都会削弱未来的信息。而且越高精度的应用系统对标度因数非线性度的要求越高，惯性级的应用中要求1ppm～10ppm(ppm：percentper million，百万分之一)的标度因数非线性度。

最早的光纤陀螺采用开环信号处理系统，直接通过探测器探测到的光强信号进行反余弦变换得到相位的信息，但光源光强漂移和电路漂移限制了开环光纤陀螺的标度因数非线性度在1％～0.1％的级别，该形式陀螺只能用于速率级应用中。采用数字闭环信号处理方案的光纤陀螺，采用集成电光相位调制器对系统进行闭环反馈，系统动态偏置在±π/2相位上，此时反馈相位和转动引起的赛格奈克相位大小相同符号相反，通过检测反馈相位得到赛格奈克相位。由于集成电光相位调制器线性度好，且不受系统光源光强影响，从而数字闭环光纤陀螺具有更好的标度因数非线性度参数，其量级在10ppm～100ppm间，能够满足战术级的应用(100ppm～1000ppm)。

集成电光相位调制器工作原理为电光效应：在集成电光相位调制器的调制臂上加载电压信号，在光路上则产生一个和所加电压成正比的调制相位差，该比例系数称为电光调制系数。实用的数字闭环光纤陀螺系统中，调制信号由数字调制信号通过数字模拟转换电路转换得到，通过控制输出到数模转换芯片的数字调制信号，获得相应的反馈相位。集成电光相位调制器生产的实际工艺造成的电光调制系数具有一定非线性，从而数字调制信号和反馈相位并不是严格的线性关系，而是存在一定的偏差，这个偏差存在限制了闭环光纤陀螺标度因数的非线性度指标，使得数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度在10ppm～100ppm的量级，无法进一步改善，并限制了其在惯性级场合中的应用。在未来的高精度光纤陀螺研究中，需要改善标度因数非线性度，将该指标降低到10ppm以下，以满足惯性级应用的需求。

发明内容

针对目前数字闭环光纤陀螺研究中，集成电光相位调制器的相位调制系数非线性限制其标度因数非线性度在10ppm～100ppm量级，无法满足惯性级要求现状，本发明的目的在于提供一种补偿数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度的方法，消除数字闭环光纤陀螺标度因数非线性度，提高数字光纤陀螺的参数指标。

发明原理：

根据赛格奈克光纤干涉仪，数字闭环光纤陀螺探测器输出信号表示为：

I＝I₀[1+cos(φ_m+φ_Ω+φ_FB)]    (1)

其中I₀为光强信号，φ_m为调制深度，φ_Ω为转动对应的赛格奈克相移，φ_FB为反馈相位。为了增加灵敏度，一般对系统进行动态偏置，也即令φ_m＝π/2，从而(1)表示为：

I＝I₀[1+sin(φ_Ω+φ_FB)]    (2)

赛格奈克相移φ_Ω和转速Ω成严格正比：

φ_Ω＝K_osfΩ               (3)

比例系数K_osf为光学标度因数，由光源波长、光纤环直径和光纤长度决定；φ_FB为反馈相位，在闭环工作情况下和φ_Ω等值反号，即：

φ_Ω＝-φ_FB    (4)