[发明专利]一种光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺中的信号处理方法，尤其是涉及一种光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型角速率传感器，其本质上是一个赛格奈克干涉仪，根据赛格奈克效应，当光纤陀螺转动时，会引入一个与转动角速度成正比的相位差，通过检测这一相位差可以获得相应的角速率信息。实际的光纤陀螺为了提高检测的灵敏度和线性度，通常采用方波相位调制和闭环工作模式，使干涉仪工作在一个固定的偏置工作点上。当采用的方波相位调制信号如公式1所示时，相应的光纤陀螺输出信号如公式2所示。其中Δφ_b为调制相位；φ_b为调制相位的幅度；T为方波相位调制信号的周期，一般等于两倍的光纤陀螺中光纤环的渡越时间；I为光纤陀螺的干涉信号，I₀为到达光纤陀螺探测器的光强信号；Δφ_r为旋转引起的赛格奈克非互易相移的大小；Δφ_FB为反馈相位。

我们记残余相位Δφ_e＝Δφ_r-Δφ_FB，公式2可以写为：

光纤陀螺通过同步解调，即两个调制周期对应的电压信号相减，得到解调结果为：

demo＝2I₀sin(φ_b)sin(Δφ_e)(4)

光纤陀螺稳定工作时使Δφ_e≈0，使反馈相位Δφ_FB≈Δφ_r，通过检测反馈相位获得角速率信息。

上述调制解调算法一般通过光纤陀螺中的中央处理器完成，中央处理器一般采用微型控制芯片，如DSP、FPGA、单片机等，通过加载特定的程序可以实现光纤陀螺所需的算法功能。

光纤陀螺在振动条件下，会对光纤环造成与振动同频的周期性应力，导致光纤的应力分布不均匀，根据光弹效应，会引起光纤折射率的变化，从而引入一个非互易相移，同时振动本身也会引入角运动，两者结合在光纤陀螺中会引入一个残余相位：

Δφ_e＝φ_ecos(ω_vt+θ_v)(5)

其中ω_v为和振动频率f_v对应的角频率，φ_e为引入的非互易相位差的幅度，θ_v为随机相位。

同时振动还会对光纤陀螺中的光强产生影响，造成光强调制效应，这是由于对光源尾纤、光纤陀螺中光纤的弯曲损耗进行调制，以及振动对IOC、耦合器和光源等光学器件进行应力调制，从而造成光强的波动，又称为光强调制。这一效应可以表示为：

I₀＝I_a[1+αcos(ω_vt)](6)

其中I₀表示为进入探测器的干涉光强，I_a为平均光强，α为光强变化的幅度，ω_v为和振动频率f_v对应的角频率。由公式6可以看出，引入的光强调制效应造成了干涉信号光强的波动，以平均光强I_a为中心，进行以α为幅度的余弦规律变化，我们称α为光强调制项系数。

将公式5和公式6带入解调公式4，得到：

将式7进行贝塞尔函数展开得到：

公式8就为由于光强调制和残余相位共同导致的解调误差，其中第一项、第二项和第三项中的m>1的项中含有余弦项使均值为0，因此探测结果不存在直流误差。仅有第三项中m＝1时会造成直流误差：

demo_err＝2I_asinφ_b*α*cosθ_v*J₁(φ_e)(9)

公式9为常数项，会造成探测误差，这一项又称之为整流误差(rectified error)。将其转换为光纤陀螺中的非互易相位差为以下公式10：

这在光纤陀螺的实际应用中会造成输出结果的漂移(drift)，因此需要对整流误差进行补偿，使光纤陀螺输出正确的角速率探测结果。