[發(fā)明專利]一種光纖陀螺中整流誤差的實時補償方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410217652.0
• 申請日: 2014-05-21
• 公開（公告）號: CN104089626B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李陽;陳杏藩;舒曉武;劉承
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 林超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖陀螺中的信號處理方法，尤其是涉及一種光纖陀螺中整流誤差的實時補償方法。

背景技術(shù)

光纖陀螺是一種新型角速率傳感器，其本質(zhì)上是一個賽格奈克干涉儀，根據(jù)賽格奈克效應，當光纖陀螺轉(zhuǎn)動時，會引入一個與轉(zhuǎn)動角速度成正比的相位差，通過檢測這一相位差可以獲得相應的角速率信息。實際的光纖陀螺為了提高檢測的靈敏度和線性度，通常采用方波相位調(diào)制和閉環(huán)工作模式，使干涉儀工作在一個固定的偏置工作點上。當采用的方波相位調(diào)制信號如公式1所示時，相應的光纖陀螺輸出信號如公式2所示。其中Δφ_b為調(diào)制相位；φ_b為調(diào)制相位的幅度；T為方波相位調(diào)制信號的周期，一般等于兩倍的光纖陀螺中光纖環(huán)的渡越時間；I為光纖陀螺的干涉信號，I₀為到達光纖陀螺探測器的光強信號；Δφ_r為旋轉(zhuǎn)引起的賽格奈克非互易相移的大小；Δφ_FB為反饋相位。

我們記殘余相位Δφ_e＝Δφ_r-Δφ_FB，公式2可以寫為：

光纖陀螺通過同步解調(diào)，即兩個調(diào)制周期對應的電壓信號相減，得到解調(diào)結(jié)果為：

demo＝2I₀sin(φ_b)sin(Δφ_e)(4)

光纖陀螺穩(wěn)定工作時使Δφ_e≈0，使反饋相位Δφ_FB≈Δφ_r，通過檢測反饋相位獲得角速率信息。

上述調(diào)制解調(diào)算法一般通過光纖陀螺中的中央處理器完成，中央處理器一般采用微型控制芯片，如DSP、FPGA、單片機等，通過加載特定的程序可以實現(xiàn)光纖陀螺所需的算法功能。

光纖陀螺在振動條件下，會對光纖環(huán)造成與振動同頻的周期性應力，導致光纖的應力分布不均勻，根據(jù)光彈效應，會引起光纖折射率的變化，從而引入一個非互易相移，同時振動本身也會引入角運動，兩者結(jié)合在光纖陀螺中會引入一個殘余相位：

Δφ_e＝φ_ecos(ω_vt+θ_v)(5)

其中ω_v為和振動頻率f_v對應的角頻率，φ_e為引入的非互易相位差的幅度，θ_v為隨機相位。

同時振動還會對光纖陀螺中的光強產(chǎn)生影響，造成光強調(diào)制效應，這是由于對光源尾纖、光纖陀螺中光纖的彎曲損耗進行調(diào)制，以及振動對IOC、耦合器和光源等光學器件進行應力調(diào)制，從而造成光強的波動，又稱為光強調(diào)制。這一效應可以表示為：

I₀＝I_a[1+αcos(ω_vt)](6)

其中I₀表示為進入探測器的干涉光強，I_a為平均光強，α為光強變化的幅度，ω_v為和振動頻率f_v對應的角頻率。由公式6可以看出，引入的光強調(diào)制效應造成了干涉信號光強的波動，以平均光強I_a為中心，進行以α為幅度的余弦規(guī)律變化，我們稱α為光強調(diào)制項系數(shù)。

將公式5和公式6帶入解調(diào)公式4，得到：

將式7進行貝塞爾函數(shù)展開得到：

公式8就為由于光強調(diào)制和殘余相位共同導致的解調(diào)誤差，其中第一項、第二項和第三項中的m>1的項中含有余弦項使均值為0，因此探測結(jié)果不存在直流誤差。僅有第三項中m＝1時會造成直流誤差：

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

公式9為常數(shù)項，會造成探測誤差，這一項又稱之為整流誤差(rectified error)。將其轉(zhuǎn)換為光纖陀螺中的非互易相位差為以下公式10：

這在光纖陀螺的實際應用中會造成輸出結(jié)果的漂移(drift)，因此需要對整流誤差進行補償，使光纖陀螺輸出正確的角速率探測結(jié)果。