一种基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法

摘要

本发明属于惯性敏感元件领域，具体涉及一种数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理提出的基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法。本发明包括：记录陀螺输出的数字量；分别计算数据处理时用整圈标定法；将角速度输入对应的陀螺输出；光纤环路中传输方向不同的两束光将产生正比于旋转速率的萨格奈克相位差；将计算所得数字量利用VHDL语言加到FPGA上；用最小二乘法求出斜率。本发明所提出的标定方法不基于转台，可以解决转台标定的过程中转台输入角速率太小会使陀螺处于非线性区，标定出来的标度因数精度不高；角速率太大则增加了对转台的难度要求的问题，去除了惯性测量元件精度和性能的好坏对标定结果的影响。

主权项

一种基于数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理的光纤陀螺自标定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过现有的标定方法可以看出标定过程中，转台输入角速率在20°/s左右时的标度因数线性度好且标定精度高，并想以0.01°/s、0.1°/s、1°/s为步长找到其对应的阶梯波信号的数字量，通过转台速率实验，分别记录20°/s、20.01°/s、20.1°/s、21°/s这几种角速率输入情况下，陀螺输出的数字量；(2)分别计算不同速率条件下转台绕X、Y、Z轴转动时的陀螺输出均值数据处理时用整圈标定法，取整圈的数据使水平轴上地球自转角速度的分量能在在台体旋转一周时被平均掉，提高标定精度；输入角速率为20°/s时；以20°/s的角速度转动一周T＝360/20＝18s；分别截取Z轴正、反转的第20s—560s的数据，转动圈数N＝30；在绕Z轴正反转时，计算得到了正、反转时陀螺输出数字量总和ΣN_gz+、ΣN_gz‑绕X轴正反转时，得绕Y轴正反转时，得同时得到(3)将步骤(2)得到的数字量均值做差，分别得到各轴0.01°/s、0.1°/s、1°/s的角速度输入对应的陀螺输出：(4)根据数字闭环光纤陀螺的阶梯波调制原理,当光纤环敏感到角速度时,光纤环路中传输方向不同的两束光将产生正比于旋转速率Ω的萨格奈克相位差Φ_s为${\Phi }_s=\frac{2\mathrm{\pi LD}}{\mathrm{\lambda c}}\Omega$阶梯波加在Y波导的相位调制器上，引起的两束光之间的相位差为Φ_j＝Φ_m(t)‑Φ_m(t‑τ)其中，Φ_m(t)为阶梯波调制造成顺时针传输的光产生的附加相移，Φ_m(t‑τ)为阶梯波调制造成逆时针传输的光所产生的附加相移；偏置信号是用方波，该方波信号的周期为2τ，方波调制信号作为偏置信号，在正负半周产生的相移为则阶梯波和方波，在萨格奈克干涉仪中产生的非互易相移为：ΔΦ＝Φ_s+Φ_j+Φ_f，其中Φ_s为萨格奈克相移，Φ_j为阶梯波的附加相移，Φ_f为方波的附加相移；sagnac干涉仪的输出信号为I＝A·[1+cos(Φ_s+Φ_j+Φ_f)]，在方波的正半周，sagnac干涉仪的输出信号为I＝A·[1‑sin(Φ_s+Φ_j)]，在方波的负半周，sagnac干涉仪的输出信号为I＝A·[1+sin(Φ_s+Φ_j)]，将方波正半周和负半周输出的信号相减得ΔI＝‑2Asin(Φ_s+Φ_j)，当ΔI≠0时，便可用ΔI作为反馈量控制阶梯波高度，使得Φ_s+Φ_j趋近于0，在数字闭环光纤陀螺系统中，阶梯高度就是陀螺输出的角速率信号；(5)将计算所得数字量利用VHDL语言加到FPGA上，产生梯度相等，时间间隔也相等的阶梯波，持续时间为1分钟，通过数字信号处理使光纤环在没有敏感到角速度的情况下产生非互易相移，记录下此时陀螺输出的数字量；(6)由步骤(5)得到输出数据点，依次取角速率ω_j对应的输出数字量的一段数据求均值，得到该速率点对应的输出N_j0；截取测试开始时的部分光纤陀螺仪的输出量求均值N₀，则N_j＝N_j0‑N₀，消除地球自转角速度对测试结果的影响，用最小二乘法拟合直线N_j＝K·ω_j+N₀，用最小二乘法求出斜率K$K=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\omega }_j{F}_j-\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\omega }_j\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{F}_j}{\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\omega }_j^2-\frac{1}{M}{\left(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\omega }_j\right)}^2},$其中M为输入角速率的个数，K即陀螺的标度因数。