一种激光陀螺动态锁区的处理方法与流程

本发明属于激光陀螺技术，涉及一种激光陀螺动态锁区的处理方法，能消除机抖式激光陀螺动态锁区。

技术背景：

激光陀螺是一种敏感角速率的仪器，由于激光陀螺输出的角速度信号正比于环形光路顺逆时针运转的激光的频差，故一种方向运转的激光经过反射镜或者谐振腔后的背向散射光会沿原光路返回，逆向耦合到另一种方向运转的激光中，形成干扰。低转速下这种耦合会造成顺逆时针运转的两束激光频率互相锁定，即频率闭锁效应，导致激光陀螺输出为零，形成激光陀螺所能探测到的角速度下限，称为激光陀螺的闭锁阈值，典型值为几十度每小时，必须采用其他方式克服频率闭锁效应。采用机械抖动偏频的方式能够很大程度上消除陀螺锁区，是最成功和精度最高的方式，通常此种方式能将陀螺几度甚至几十度的锁区滤除，但是机械抖动偏频后仍存在一个小范围的锁区，称之为动态锁区。动态锁区所反映的是陀螺所能敏感的最小输入角速率，动态锁区的存在影响了陀螺的敏感精度。对于高精度自主导航场合，动态锁区的存在对导航精度和结果是不利的。对动态锁区的抑制或消除，是激光陀螺提高敏感精度、改善陀螺性能的重要手段。

现有技术中对陀螺动态锁区的处理方案，主要有压缩动态锁区范围和加入随机噪声等方法。压缩动态锁区范围的方法，是根据动态锁区产生的理论基础，通过改变影响参数α/ωd数值，其中α为抖动偏频信号的幅值，ωd为抖动偏频信号的频率，使得α/ωd的值尽可能的大，可减小动态锁区的范围。该方案理论上参数只要设置足够大就可以完全消除动态锁区，但是对于激光陀螺技术要求和制造水平较高，由于现有技术制约只能一定程度上减小动态锁区范围。

加入随机噪声方法，是通过加噪电路在激光激光陀螺的抖动驱动中加入噪声，通过对输出信号的处理，有效减小动态锁区，但实际上仍存在非常小的动态锁区。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种可有效消除激光陀螺动态锁区的处理方法，提高激光陀螺敏感精度，适用于采用机械抖动偏频方式消除静态锁区后仍存在较小动态锁区的激光陀螺。

本发明的技术方案：一种激光陀螺动态锁区处理方法，激光陀螺工作在动态锁区范围时，通过调节激光陀螺两臂电压值，使得激光陀螺两臂输出不同的电流值，由于朗缪尔流零漂效应激光陀螺输出一个特定零偏值b0(范围0.3°/h～1°/h，实验所用激光陀螺输出0.5°/h)，将测量输出角速度扣除该零偏值b0可精确得到原动态锁区范围的实际输入角速度真值。

所述激光陀螺系统包括：

1)硬件模块：激光陀螺本体结构，由低温度膨胀系数微晶玻璃制成，通过打孔内部形成环形激光束谐振腔，并用于安装反射镜及阳极、阴极等部件，谐振腔内充入he-ne气体作为增益介质，提供足够增益的同时减少模竞争；透射系数不同的平面镜1、平面镜2及2个高反射率的球面镜1、球面镜2；阳极1、阳极2和阴极用于高压放电形成激光；光阑用于选模，使陀螺处于单横模运转状态；机抖轮用于机抖偏频，消除静态锁区。

2)电气模块：

一、电源模块：包括供电电源和电压控制电路，其功能高压启动，用于陀螺启动时高压启辉；输入电压控制，调节激光陀螺两臂电流大小等功能。

二、机抖控制模块：用于控制激光陀螺的机械抖动偏频，使机抖轮输出稳定的幅值和频率，消除激光陀螺原静态锁区；

三、稳频控制模块：稳频电路对压电陶瓷pzt进行闭环控制，保持激光陀螺腔长恒定，使内部激光工作在增益介质的增益峰值点，从而输出稳定的拍频信号；

四、惯组cpu模块：包含计数电路和计算处理部分，其功能有，计算、可逆计数、测温、补偿、监控、发送。

所述的激光陀螺动态锁区处理方法，其具体步骤如下：

步骤1：启动激光陀螺，使激光陀螺处于正常工作模式；

步骤2：当外界输入角速度ωi接近动态锁区范围时，惯组cpu模块判断计算输出角速度是否进入所设定的包含原动态锁区的阈值范围-0.25°/h～0.25°/h内，若是，惯组cpu模块将模式控制信号发送至电源模块，电源模块控制电路改变激光陀螺两臂电流大小，激光陀螺切换到特定零偏工作模式，使其输出零偏值b0为0.5°/h；

步骤3：惯组cpu模块计数电路部分记录由特定零偏b0和输入角速度ωi引起的激光陀螺实际输出脉冲数，对该信号进行鉴向和解调后，将其发送至惯组cpu模块计算处理部分；

步骤4：惯组cpu模块计算处理部分根据特定零偏工作模式输出的零偏b0，在实际输出脉冲数中扣除，计算得脉冲真值，同时根据标度因数参数，计算并输出实际输入角速度真值；

步骤5：将计算结果反馈到惯组cpu模块判断程序中，根据输出角速度切换合适的工作模式；

步骤6：系统工作结束，电源模块控制电路切断电源，激光陀螺工作结束。

所述的激光陀螺动态锁区处理方法，其步骤3、步骤4、步骤5中要求在特定零偏工作模式时，激光陀螺两臂电流保持恒定的差值，其单臂放电电流稳定度优于1×10^-4，两臂电流差值的稳定度优于2×10^-5，利用朗缪尔流零漂效应输出稳定性优于1ppm的特定零偏b0；利用该零偏值可将原动态锁区范围内非线性输入输出关系调整为线性关系，将原动态锁区完全消除，因此所述处理方法能测量激光陀螺原动态锁区范围内精确的输入角速度，消除了激光陀螺原动态锁区的影响，有效提高了激光陀螺的测量精度。

本发明的优点和有益效果：

相对于压缩动态锁区范围和加入随机噪声方法，该处理方法仅通过对电源控制电路软件程序进行调整改进，技术要求性低，并且可完全消除动态锁区的影响，降低了机械抖动偏频的技术要求，有效提高了动态锁区范围内激光陀螺的测量精度。

附图说明：

图1是陀螺系统结构示意图

图2是激光陀螺动态锁区曲线示意图

图3是电路工作原理流程图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

本发明激光陀螺动态锁区的处理方法是一种通过改变激光陀螺两臂电流使激光陀螺零偏值改变从而消除原动态锁区的处理方案。该方法利用朗缪尔流零漂效应，通过电路控制使激光陀螺两臂电流不等时，激光陀螺输出零偏值，避开了原动态锁区范围，在线性区域内陀螺输出更为精确的脉冲数，在惯组cpu解算时，扣除特定零偏引起的脉冲数，从而计算得精确的真实输入角速度。

结合图1、图2、图3给出所述激光陀螺动态锁区处理方法的实施流程，其具体工作流程如下：

1、启动激光陀螺：电源模块提供高压放电，在腔内产生两束不同方向频率相同、相位恒定的波长为632.8nm的激光；球面镜1和球面镜2之间经过平面镜1和平面镜2反射，形成谐振腔，两束激光在谐振腔内谐振,由于平面镜2透射系数高于平面镜1，两束激光部分透过平面镜2形成干涉，并由光电检测器检测形成拍频信号；在外界输入角速度不为零时，两束激光到达干涉区的光程不同而产生干涉信号，光电检测器检测该信号并转换成脉冲信号后，将其传输到惯组cpu模块中计数电路记录，惯组cpu模块处理计数电路所输出脉冲信号，并输出角速度信息。外界输入角速度在原动态锁区外时，电源控制电路控制激光陀螺两臂电流，使两臂电流输出相等，抑制朗缪尔流效应使激光陀螺输出零偏接近零(实际上仍存在小值零偏)，激光陀螺处于正常工作模式。激光陀螺结构见图1所示；

2、当外界输入角速度接近动态锁区范围时，惯组cpu模块通过内部软件程序判断计算输出角速率是否进入所设定的包含原动态锁区的阈值范围-0.25°/h～0.25°/h内，若是，惯组cpu模块将模式控制信号发送至电源模块，电源模块控制电路改变两臂电流大小，激光陀螺切换到特定零偏工作模式，使其输出零偏值b0为0.5°/h。处理流程如图3所示；

说明：阈值范围是写入软件程序时人为设定的，必须将动态锁区范围包括在内且大于原动态锁区范围。

3、惯组cpu模块计数电路部分记录由特定零偏b0和输入角速度ωi引起的激光陀螺实际输出脉冲数，对该信号进行鉴向和解调后，将其发送至惯组cpu模块计算处理部分；

4、惯组cpu模块计算处理部分根据特定零偏工作模式输出的零偏b0，在实际输出脉冲数中扣除，计算得脉冲真值，同时根据标度因数参数，计算并输出实际输入角速度真值；

说明：如图2所示，所述激光陀螺动态锁区处理方法，实际相当于在激光陀螺正常工作模式下的动态锁区范围时，将激光陀螺的输出抬升到原动态锁区范围外，由于改变两臂电流大小后输出零偏的改变使得激光陀螺在原动态锁区范围输入输出关系为线性，并将输出值提升了特定零偏b0大小，故通过已知零偏b0可精确计算出实际角速度。

当正常工作模式下动态锁区范围输出为：

ωout≈0

其中，ωout为正常工作模式下原动态锁区的输出角速度。

采用所述处理方法后输入输出关系为：

ω'out＝ωin+k0b0

其中，ω'out为采用所述方法后激光陀螺输出角速度，ωin为实际输入角速度，k0为激光陀螺比例因子，b0为上文所述改变两臂电流后输出的特定零偏值。

经惯组cpu模块处理后为：

ωc＝ω'out-k0b0

其中ωc为经惯组cpu模块处理扣除特定零偏值后实际输出角速度。

可以看出采用所述处理方法，经惯组cpu模块处理后实际输出角速度为实际输入角速度真值；

5、将计算结果反馈到判断程序中，根据输出角速率切换合适的工作模式。见图3所示；

说明：所述激光陀螺动态锁区处理方法，需要根据激光陀螺计算输出的角速度切换合适的工作模式，为了尽可能避免动态锁区范围内系统非线性现象，故将特定零偏工作模式阈值范围设置大于原动态锁区范围。

6、系统工作结束，电源模块控制电路切断电源，激光陀螺工作结束。

综上，基于朗缪尔流零漂效应改变两臂电流的激光陀螺动态锁区处理方法，相对于其他动态锁区处理方法，可有效降低成本和技术难度，可完全消除动态锁区影响，有效提高测量精度，有良好的实际工程应用价值。