专利名称：无温控光源闭环光纤陀螺及其输出角速度信息的补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种对无温控光源闭环光纤陀螺输出的角速度信息进行补偿的装置及补偿方案。
背景技术：
一般干涉型光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。
光纤陀螺输出角速度信息DOUT与光源中心波长λ的关系为DOUT=KLDλc2N·Ω,]]>式中，K表示输出增益，λ表示光源1中心波长，L表示光纤环4上光纤的长度，D表示光纤环4的直径，c表示真空中光速，N表示数模转换的有效位数，Ω表示输入角速度。
目前，国内中高精度光纤陀螺上采用的大都是有温控的光源(SLD)，其内部含有SLD管芯，热沉、半导体制冷器以及热敏电阻等。在全温下，其管芯温度被控制在一定的范围内，这样就可以抑制光源中心波长随温度变化的漂移，从而减小了光纤陀螺输出随温度变化的漂移。但是，这种带有温控的光源的成本、体积和重量不适合轻小型低精度光纤陀螺的应用，为此，一般的解决方案是将制冷器和热沉去掉，留下SLD管芯，并采取无管壳封装设计，大大降低了成本和体积，但也因为没有温控，其中心波长会随着管芯温度变化漂移；同时，出射光功率也会随着温度变化而漂移，为了保证光功率的恒定，采用了实时调整驱动电流的方法来补偿光功率的变化，这就导致了光源中心波长也会随着温度变化造成的驱动电流的变化而变化。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种无温控光源闭环光纤陀螺，是在无温控光源处用数字温度传感器采集工作时无温控光源管芯的温度变化，通过信号处理装置输出补偿后的角速度信息；在耦合器的传输D端连接一探测器检测无温控光源输出光功率的变化，通过信号处理装置输出用于驱动无温控光源的控制信息。解决了温度变化对光纤陀螺输出角速度信息的漂移。
本发明的另一目的是提出一种对无温控光源闭环光纤陀螺输出角速度信息进行补偿的方法，该补偿方法首先采用回归分析法求得无温控光源出射光的中心波长与温度的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，然后通过光纤陀螺输出与无温控光源出射光的中心波长的关系Dout=FD×λλ0]]>来很好的补偿光纤陀螺输出角速度信息由于温度变化带来的漂移。
本发明是一种无温控光源闭环光纤陀螺，数字温度传感器用于采集无温控光源管芯温度；光源为无温控光源；无温控光源的输出端与耦合器的传输A端熔接，耦合器的传输C端与Y波导熔接，Y波导与光纤环熔接，耦合器的传输B端与探测器A熔接，耦合器的传输D端与探测器B熔接，探测器A、探测器B、光源驱动电路、Y波导与信号处理装置电联接。
本发明是一种无温控光源闭环光纤陀螺的输出角速度信息的补偿方法，用于采集无温控光源管芯的温度变化的数字温度传感器输出温度信息Ft给信号处理装置，信号处理装置对接收的所述温度信息Ft进行累加、移位后输出给中心波长λ与温度t的拟合器，经处理后输出中心波长λ给乘法器；对探测器A输出的信息经电流/电压转换、模数转换后输出电压信息Fv给信号处理装置，所述电压信息Fv在信号处理装置中进行解调、积分处理后输出数字量FD1；所述数字量FD1在阶梯波发生器中生成阶梯波并送给D/A转换器转换后输出；所述数字量FD1经累加、移位后输出滤波后数字量FD，所述滤波后数字量FD、所述中心波长λ经乘法器处理后输出角速度信息Dout=FD×λλ0,]]>式中，λ0表示无温控光源在常温下出射光的中心波长。
所述的输出角速度的补偿方法，其拟合器中的拟合关系为λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，式中，X、Y、Z、W为常数，t为管芯温度；是利用回归分析法建立出的无温控光源出射光中心波长λ与无温控光源管芯的温度t之间的关系。
本发明无温控光源光纤陀螺的优点在于(一)采用无温控光源减小了闭环光纤陀螺的体积，降低了生产成本；(二)采用单PIN管检测光强信息，有效地减小了闭环光纤陀螺的体积，同时使生产成本也得以大大降低；(三)光源驱动电路采用16位数字输入电压调整信号分辨率，使控制驱动电流的精度得以提高。
本发明无温控光源的光纤陀螺输出角速度信息补偿方法的优点在于(一)只需在光纤陀螺中装配一数字温度传感器，在信号处理装置6中对所述传感器采集的温度进行相关关系的运算，从而获得补偿的陀螺输出，这种方式能够克服传统方法中测试和稳定光源中心波长所带来额外硬件造成的光纤陀螺生产成本的提高和体积的增加。(二)同时兼顾无温控光源输出光功率稳定的控制；(三)该补偿方法操作简单易行，非常适合于生产线上的自动化。
图1是光纤陀螺的基本结构框图。
图2是本发明无温控光源的光纤陀螺的结构框图。
图3是本发明信号处理装置对无温控光源的温度参数的处理框图。
图4是在恒定功率下驱动电流随温度的变化。
图5是无温控光源中心波长随温度的变化。
图6是本发明回归模型拟合曲线。
图7是光源驱动电路的电路原理图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
请参见图2所示，本发明是一种无温控光源闭环光纤陀螺，是在现有光纤陀螺基础上，通过将一般光源1采用无温控光源10来替代，同时用数字温度传感器8采集无温控光源10在工作时其管芯的温度变化，并在耦合器2的传输D端连接有探测器B7，探测器B7用于检测温度变化时无温控光源10输出光功率的变化。为了控制无温控光源10随温度变化引起的光纤陀螺输出角速度信息的变化，一方面通过探测器B7、信号处理装置6和光源驱动电路9对无温控光源10的驱动电流进行实时调节，另一方面通过数字温度传感器8、信号处理装置6(处理过程如图3所示)对所述闭环光纤陀螺输出角速度信息进行实时补偿。在本发明中，无温控光源10的输出端与耦合器2的传输A端熔接，耦合器2的传输C端与Y波导3熔接，Y波导3与光纤环4熔接，耦合器2的传输B端与探测器A5熔接，耦合器2的传输D端与探测器B7熔接，探测器A5、探测器B7、光源驱动电路9、Y波导3与信号处理装置6电联接。信号处理装置6用于输出相位调制信号给Y波导3；信号处理装置6输出控制信号给光源驱动电路9。
在本发明中，采用无温控光源10选用J06-85001型号，其采取无管壳、无制冷封装形式，有效地减小了闭环光纤陀螺的体积和成本。
在本发明中，探测器A5、探测器B7均选用单PIN管，而未选用PIN-FET，有效地减小了闭环光纤陀螺的体积，同时使生产成本也得以大大降低。
所述光源驱动电路9的各端子的联接如下请参见图7所示，本发明是一种采用单端3.3V电压供电的光源电流驱动电路的硬件电路各端子联接为光源电压调整数据DIN通过DA转换器U1的串行端口7端输入，串行时钟信号SCLK通过DA转换器U1的6端输入，同步信号SYNC通过DA转换器U1的5端输入，以上三个信号控制DA转换器U1产生光源驱动电路的调整电压VD；DA转换器U1的8端接地，1端接3.3V供电电压，1端与8端之间接有滤波电容C3、滤波电容C4，滤波电容C3与滤波电容C4并联；DA转换器U1的2端与基准电压源JP1的4端联接，为DA转换器U1提供2.5V基准电压，基准电压源JP1的4端与地之间接有滤波电容C2，且4端与3端短接，5端接地，基准电压源JP1的1端、2端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C1；基准电压源JP1的4端输出的2.5V电压经过电阻R3、电阻R4进行分压后接地，并在电阻R3与电阻R4之间输出2V基准电压给运算放大器U2的3端；DA转换器U1的4端与运算放大器U2的2端之间接有电阻R2，且DA转换器U1的4端与地之间接有电阻R1；运算放大器U2的1端与2端接有电阻R5，运算放大器U2的8端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C6；运算放大器U2的4端接地，同时4端与地之间接有滤波电容C5；运算放大器U2的3端与运算放大器U3的3端短接，运算放大器U2的1端与运算放大器U3的2端之间接有电阻R7；运算放大器U3的8端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C9；运算放大器U3的4端接地，同时4端与地之间接有滤波电容C10；运算放大器U3的3端与3.3V供电电压之间接有电容C8，运算放大器U3的2端与三极管Q1的发射极之间接有电阻R8，运算放大器U3的1端与三极管Q1的基极联接，三极管Q1的集电极与3.3V供电电压联接，三极管Q1的发射极与输出端口LD之间并联接有电阻R9、电阻R10、电阻R11；运算放大器U2的2端与输出端口LD之间接有电阻R6；输出端口LD、3.3V供电电压向无温控光源10提供驱动电流，其输出的驱动电流I小于等于150mA。
在本发明中，由于光源1采用了无温控的J06-85001型光源10，其中心波长λ会随着管芯温度t变化漂移；同时，管芯温度t变化引起其出射光功率变化，为了保证光功率的恒定，本发明中采用了实时调整驱动电流的方式来补偿光功率的变化，这就导致了无温控光源10中心波长λ也会随着温度t变化造成的驱动电流的变化而变化。则有，无温控光源10中心波长λ与温度t关系为λ＝λ(I(t)，t)＝λ(t)，式中，λ表示无温控光源10中心波长，I表示无温控光源10的驱动电流，t表示无温控光源10的管芯温度。
本发明是一种对无温控光源闭环光纤陀螺输出角速度信息进行补偿的方法，对数字温度传感器8输入的数据信息进行处理的步骤有(A)利用回归分析法建立出无温控光源10出射光的中心波长λ与无温控光源10管芯的温度t之间的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，式中，X、Y、Z、W为常数，t为管芯温度，所述拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9存储于信号处理装置6的E2PROM中，这是常规存储方式。当无温控光源10选取J06-85001型号光源，在保证输出光功率为一定值(100μW)时，光源驱动电路9输出的驱动电流I与管芯温度t变化的曲线如图4所示，驱动电流I随着管芯温度t的升高而增大。为防止光源被击穿，将95mA设定为驱动电流I的上限值。中心波长λ与温度t变化的曲线如图5所示，中心波长λ随温度t的升高而基本呈线性增加。中心波长λ与温度t的拟合关系λ(t)＝(842.8-0.2t)×10-9，如图6所示，拟合后的曲线与测试曲线基本吻合。通过F检验和实验验证，说明本发明利用回归分析法得到中心波长λ与无温控光源10管芯的温度t之间的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9是合理且可行的。
(B)采用步骤(A)中的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，依据数字温度传感器8采集的温度t，实时解算得到所述无温控光源10出射光的中心波长λ。
(C)对闭环光纤陀螺输出角速度信息进行补偿请参见图3所示，用于采集无温控光源10的温度变化的数字温度传感器8输出温度信息Ft给信号处理装置6进行累加、移位(即低通滤波)后输出给中心波长λ与温度t的拟合器，经处理后输出中心波长λ给乘法器；对探测器A5输出的信息经电流/电压转换、模数转换后输出电压信息Fv给信号处理装置6，所述电压信息Fv在信号处理装置6中进行解调、积分处理后输出数字量FD1；所述数字量FD1在阶梯波发生器中生成阶梯波并送给D/A转换器转换后输出；所述数字量FD1经累加、移位(即低通滤波)后输出滤波数字量FD，所述滤波数字量FD、所述中心波长λ经乘法器处理后输出角速度信息Dout=FD×λλ0,]]>式中，λ0表示无温控光源10在常温下出射光的中心波长。
本发明采用无温控超发光二极管光源(SLD)的光纤陀螺，在全温下采用回归分析法得到中心波长λ与温度t的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，且对输出角速度信息进行实时补偿。在器件上采用无温控光源减小了闭环光纤陀螺的体积，降低了生产成本；采用单PIN管检测光强信息，进一步减小了其体积和降低了生产成本；光源驱动电路采用16位数字输入电压调整信号分辨率，提高了控制驱动电流的精度。
权利要求
1.一种无温控光源闭环光纤陀螺，包括光源(1)、耦合器(2)、Y波导(3)、光纤环(4)、探测器(5)、信号处理装置(6)，其特征在于还包括探测器B(7)、数字温度传感器(8)、光源驱动电路(9)，所述数字温度传感器(8)用于采集无温控光源(10)管芯温度；所述光源(1)为无温控光源(10)；无温控光源(10)的输出端与耦合器(2)的传输A端熔接，耦合器(2)的传输C端与Y波导(3)熔接，Y波导(3)与光纤环(4)熔接，耦合器(2)的传输B端与探测器A(5)熔接，耦合器(2)的传输D端与探测器B(7)熔接，探测器A(5)、探测器B(7)、光源驱动电路(9)、Y波导(3)与信号处理装置(6)电联接。
2.根据权利要求1所述的无温控光源闭环光纤陀螺，其特征在于所述无温控光源(10)采用J06-85001型光源。
3.根据权利要求1所述的无温控光源闭环光纤陀螺，其特征在于探测器A(5)、探测器B(7)选用单PIN管。
4.根据权利要求1所述的无温控光源闭环光纤陀螺，其特征在于所述数字温度传感器(8)采集次数为50～80次/min。
5.根据权利要求1所述的无温控光源闭环光纤陀螺，其特征在于所述光源驱动电路(9)中各端子的联接为，光源电压调整数据DIN通过DA转换器U1的串行端口7端输入，串行时钟信号SCLK通过DA转换器U1的6端输入，同步信号SYNC通过DA转换器U1的5端输入，以上三个信号控制DA转换器U1产生光源驱动电路的调整电压VD；DA转换器U1的8端接地，1端接3.3V供电电压，1端与8端之间接有滤波电容C3、滤波电容C4，滤波电容C3与滤波电容C4并联；DA转换器U1的2端与基准电压源JP1的4端联接，为DA转换器U1提供2.5V基准电压，基准电压源JP1的4端与地之间接有滤波电容C2，且4端与3端短接，5端接地，基准电压源JP1的1端、2端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C1；基准电压源JP1的4端输出的2.5V电压经过电阻R3、电阻R4进行分压后接地，并在电阻R3与电阻R4之间输出2V基准电压给运算放大器U2的3端；DA转换器U1的4端与运算放大器U2的2端之间接有电阻R2，且DA转换器U1的4端与地之间接有电阻R1；运算放大器U2的1端与2端接有电阻R5，运算放大器U2的8端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C6；运算放大器U2的4端接地，同时4端与地之间接有滤波电容C5；运算放大器U2的3端与运算放大器U3的3端短接，运算放大器U2的1端与运算放大器U3的2端之间接有电阻R7；运算放大器U3的8端接3.3V供电电压，3.3V供电电压与地之间接有滤波电容C9；运算放大器U3的4端接地，同时4端与地之间接有滤波电容C10；运算放大器U3的3端与3.3V供电电压之间接有电容C8，运算放大器U3的2端与三极管Q1的发射极之间接有电阻R8，运算放大器U3的1端与三极管Q1的基极联接，三极管Q1的集电极与3.3V供电电压联接，三极管Q1的发射极与输出端口LD之间并联接有电阻R9、电阻R10、电阻R11；运算放大器U2的2端与输出端口LD之间接有电阻R6；输出端口LD、3.3V供电电压向无温控光源(10)提供驱动电流。
6.根据权利要求1所述的无温控光源闭环光纤陀螺，其特征在于所述光源驱动电路(9)输出的驱动电流I小于等于150mA。
7.根据权利要求5所述的无温控光源闭环光纤陀螺的输出角速度信息的补偿方法，其特征在于用于采集无温控光源(10)管芯的温度变化的数字温度传感器(8)输出温度信息Fl给信号处理装置(6)，信号处理装置(6)对接收的所述温度信息Fl进行累加、移位后输出给中心波长λ与温度t的拟合器，经处理后输出中心波长λ给乘法器；对探测器A(5)输出的信息经电流/电压转换、模数转换后输出电压信息Fv给信号处理装置(6)，所述电压信息Fv在信号处理装置(6)中进行解调、积分处理后输出数字量FD1；所述数字量FD1在阶梯波发生器中生成阶梯波并送给D/A转换器转换后输出；所述数字量FD1经累加、移位后输出滤波后数字量FD，所述滤波后数字量FD、所述中心波长λ经乘法器处理后输出角速度信息Dout=FD×λλ0,]]>式中，λ0表示无温控光源(10)在常温下出射光的中心波长。
8.根据权利要求7所述的输出角速度的补偿方法，其特征在于所述拟合器中的拟合关系为λ(t)＝(X+Yt+Zt2+Wt3)×10-9，式中，X、Y、Z、W为常数，t为管芯温度；是利用回归分析法建立出的无温控光源(10)出射光中心波长λ与无温控光源(10)管芯的温度t之间的关系。
全文摘要
本发明公开了一种无温控光源闭环光纤陀螺及其输出角速度信息的补偿方法，无温控光源闭环光纤陀螺在无温控光源处用数字温度传感器采集工作时无温控光源管芯的温度变化，通过信号处理装置输出补偿后的角速度信息；在耦合器的传输D端连接另一探测器检测无温控光源输出光功率的变化，通过信号处理装置输出用于驱动无温控光源的控制信息。对无温控光源闭环光纤陀螺输出角速度信息进行补偿的方法首先采用回归分析法求得无温控光源出射光的中心波长与温度的拟合关系λ(t)＝(X+Yt+Zt
文档编号G01P9/00GK1959345SQ20061014432
公开日2007年5月9日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者伊小素, 徐小斌, 宋凝芳, 金靖, 张春熹, 田海亭, 吕峰建 申请人:北京航空航天大学