两个人的电影免费视频_国产精品久久久久久久久成人_97视频在线观看播放_久久这里只有精品777_亚洲熟女少妇二三区_4438x8成人网亚洲av_内谢国产内射夫妻免费视频_人妻精品久久久久中国字幕

一種閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法與流程

文檔序號(hào):12711194閱讀:565來(lái)源:國(guó)知局
一種閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法與流程

本發(fā)明屬于光纖傳感、慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法,具體涉及一種無(wú)溫度傳感器的閉環(huán)光纖陀螺的溫度補(bǔ)償方法。



背景技術(shù):

光纖陀螺(Fiber Optic Gyroscope,簡(jiǎn)稱(chēng)FOG)是利用光學(xué)薩格奈克效應(yīng)(Sagnac)測(cè)量載體空間角速率的全固態(tài)慣性?xún)x表。隨著光纖陀螺技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,對(duì)光纖陀螺在變溫環(huán)境下的精度要求不斷提高。

目前,光纖陀螺在變溫環(huán)境下精度劣化一直是影響光纖陀螺性能進(jìn)一步提升及應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展的重要因素之一。通過(guò)建立光纖陀螺的溫度模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)光纖陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償,是提高陀螺變溫精度的有效手段之一。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確提取陀螺內(nèi)部溫度信息,則是準(zhǔn)確進(jìn)行陀螺建模補(bǔ)償?shù)那疤釛l件。

現(xiàn)有光纖陀螺溫度補(bǔ)償均是通過(guò)在陀螺內(nèi)部加貼溫度傳感器,根據(jù)溫度傳感器輸出信息獲取陀螺內(nèi)部溫度。根據(jù)所采用的溫度傳感器類(lèi)型不同(模擬或數(shù)字),現(xiàn)有技術(shù)可分為兩類(lèi):一類(lèi)是采用模擬溫度傳感器,其優(yōu)點(diǎn)是體積小巧,測(cè)溫精度高,成本低,但需搭建專(zhuān)門(mén)的數(shù)字量化采樣電路,增加了陀螺控制電路的復(fù)雜性;第二類(lèi)則是采用數(shù)字溫度傳感器,其優(yōu)點(diǎn)是溫度信息以數(shù)字量形式輸出,無(wú)需額外搭建數(shù)字量化電路,但傳感器自身體積較大、成本高、輸出信號(hào)噪聲大、溫度分辨率較模擬溫度傳感器低,影響陀螺溫度建模及補(bǔ)償精度。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是:為了克服現(xiàn)有光纖陀螺溫度補(bǔ)償技術(shù)存在的電路復(fù)雜、溫度分辨率低、溫度信號(hào)噪聲大、成本高以及所需空間大等問(wèn)題,本發(fā)明利用閉環(huán)光纖陀螺自身必須的集成光學(xué)調(diào)制器(簡(jiǎn)稱(chēng)Y波導(dǎo))其半波電壓與溫度的線(xiàn)性相關(guān)特性,提出一種利用Y波導(dǎo)半波電壓信息替代溫度信息進(jìn)行閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

本發(fā)明的技術(shù)方案:一種閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法,其利用閉環(huán)光纖陀螺Y波導(dǎo)半波電壓變化與溫度變化成近似線(xiàn)性關(guān)系,以Y波導(dǎo)半波電壓替代溫度信息對(duì)光纖陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償,利用基于四態(tài)調(diào)制的雙回路閉環(huán)光纖陀螺,實(shí)時(shí)提取Y波導(dǎo)半波電壓隨溫度的變化信息,實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度傳感器的閉環(huán)光纖陀螺的溫度補(bǔ)償。

所述基于四態(tài)調(diào)制的雙回路閉環(huán)光纖陀螺包括干涉儀201、光電檢測(cè)模塊202、前放電路模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊204、數(shù)字解調(diào)模塊205、雙閉環(huán)控制模塊206、第一閉環(huán)反饋模塊207、反饋放大器增益控制模塊208、反饋放大器209、Y波導(dǎo)210,其中,干涉儀201、光電檢測(cè)模塊202、前放電路模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊204、數(shù)字解調(diào)模塊205、雙閉環(huán)控制模塊206順次連接,雙閉環(huán)控制模塊206分別經(jīng)第一閉環(huán)反饋模塊207和反饋放大器增益控制模塊208連接到反饋放大器209,反饋放大器209再經(jīng)Y波導(dǎo)210連接干涉儀201形成閉環(huán)。

所述的閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法,其包括如下步驟:

步驟1:編寫(xiě)基于四態(tài)調(diào)制的閉環(huán)光纖陀螺FPGA控制程序,將陀螺通過(guò)經(jīng)反饋放大器增益控制模塊208的第二閉環(huán)提取的Y波導(dǎo)半波電壓變信息替代溫度信息隨陀螺零偏信息一起輸出;

步驟2:將加載步驟1所述FPGA控制程序的閉環(huán)光纖陀螺置于事先設(shè)置好變溫程序的溫箱中,并將閉環(huán)光纖陀螺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠連接;

步驟3:閉環(huán)光纖陀螺上電,開(kāi)啟閉環(huán)光纖陀螺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),同時(shí)啟動(dòng)溫箱,在溫箱整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,連續(xù)采集陀螺輸出數(shù)據(jù);

步驟4:依據(jù)步驟3所采集到的閉環(huán)光纖陀螺補(bǔ)前原始數(shù)據(jù),通過(guò)最小二乘法確定陀螺零偏與Y波導(dǎo)半波電壓的一次線(xiàn)性補(bǔ)償模型B(v)=b0+k1v+k2v′的系數(shù)b0、k1、k2的值,其中,b0為陀螺常溫零偏,v為半波電壓碼值,v′半波電壓碼值梯度,B(v)補(bǔ)償后的陀螺零偏;

步驟5:將步驟4所確定的一次線(xiàn)性補(bǔ)償模型寫(xiě)入FPGA控制程序,使得閉環(huán)光纖陀螺控制程序包含溫度補(bǔ)償信息,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

所述的閉環(huán)光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法,對(duì)經(jīng)步驟5補(bǔ)償后的陀螺零偏進(jìn)行補(bǔ)后零偏測(cè)試,測(cè)試過(guò)程同步驟2、步驟3。

本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明利用閉環(huán)光纖陀螺現(xiàn)有基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度傳感器補(bǔ)償,簡(jiǎn)化了電路軟件及硬件設(shè)計(jì),可進(jìn)一步縮小陀螺體積、提高補(bǔ)償精度,具有實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,成本低,可靠性高的特點(diǎn),對(duì)提升光纖陀螺變溫精度,進(jìn)一步擴(kuò)展光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明閉環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為帶雙回路的閉環(huán)光纖陀螺控制原理示意圖;

圖3為閉環(huán)光纖陀螺四態(tài)調(diào)制波形示意圖;

圖4為完全補(bǔ)償時(shí)的干涉信號(hào)示意圖;

圖5為沒(méi)有完全補(bǔ)償時(shí)的干涉信號(hào);

圖6為Y波導(dǎo)半波電壓漂移時(shí)干涉信號(hào)輸出示意圖;

圖7為帶Y波導(dǎo)半波電壓碼值的陀螺補(bǔ)前零偏輸出示意圖;

圖8為陀螺依據(jù)補(bǔ)前輸出數(shù)據(jù)建立的零偏補(bǔ)償模型示意圖;

圖9為補(bǔ)償結(jié)果示意圖。

其中,圖1中101-光源、102-光電探測(cè)器、103-2×2耦合器、104-集成光學(xué)調(diào)制器(Y波導(dǎo))、105-光纖環(huán)、106-前放電路、107-FPGA信號(hào)處理模塊、108-Y波導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電路108;圖2中201-干涉儀、202-光電檢測(cè)模塊、203-前放電路模塊、204-D/A轉(zhuǎn)換模塊、205-數(shù)字解調(diào)模塊、206-雙閉環(huán)控制模塊、207-第一閉環(huán)反饋模塊、208-反饋放大器增益控制模塊、209-反饋放大器、210-Y波導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

光纖陀螺目前面臨的主要問(wèn)題是在變溫環(huán)境中下光纖環(huán)產(chǎn)生溫度誤差(shupe誤差),從而引起陀螺精度劣化。目前普遍采用四極、八極對(duì)稱(chēng)繞制光纖環(huán)的光纖陀螺,其零偏輸出與陀螺溫度梯度有較好的相關(guān)性,因此對(duì)光纖陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償,是提升陀螺變溫精度的有效途徑。目前現(xiàn)有技術(shù)均利用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,存在需要增加額外溫度采樣電路(采用模擬溫度傳感器方案);溫度分辨率低、溫度信號(hào)噪聲大、成本高以及所需空間大(數(shù)字溫度傳感器方案)等問(wèn)題。

本發(fā)明基于圖1所示的基本閉環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),但并不局限于該結(jié)構(gòu)。由圖1所示,該結(jié)構(gòu)包括:光源101、光電探測(cè)器102、2×2耦合器103、集成光學(xué)調(diào)制器(Y波導(dǎo))104、光纖環(huán)105、前放電路106、FPGA信號(hào)處理模塊107、Y波導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電路108等主要組成部分。

以下結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1所示,本發(fā)明利用閉環(huán)光纖陀螺重要組成部分Y波導(dǎo),“其半波電壓與溫度成近似線(xiàn)性關(guān)系,且具有良好重復(fù)性”,這一特性,通過(guò)基于四態(tài)調(diào)制的光纖陀螺雙閉環(huán)控制方案,提取Y波導(dǎo)半波電壓替代陀螺溫度信息,對(duì)陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償,從而解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。以下對(duì)本發(fā)明基本原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1)Y波導(dǎo)半波電壓變化溫度線(xiàn)性相關(guān)性原理

Y波導(dǎo)是以鈮酸鋰做襯底材料,根據(jù)鈮酸鋰線(xiàn)性光電效應(yīng),采用Z向通光,恒向加電壓的工作方式,在Y波導(dǎo)上產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)相移動(dòng)如式(1)所示:

式中:γ為晶體電光系數(shù),Γ為光場(chǎng)與電場(chǎng)有效重疊系數(shù),L為調(diào)制波導(dǎo)長(zhǎng)度,V加在波導(dǎo)上的調(diào)制電壓,b為波導(dǎo)電極間距,ne為波導(dǎo)折射率。當(dāng)時(shí),外加電壓成為Y波導(dǎo)的半波電壓,如(2)式:

由(2)式可見(jiàn),Y波導(dǎo)的半波電壓主要與鈮酸鋰的材料特性和制作工藝相關(guān),因而對(duì)于每一只Y波導(dǎo)器件,其半波電壓具有較好重復(fù)性。忽略波長(zhǎng)隨溫度的輕微變化,只考慮溫度對(duì)L、b和ne的影響,對(duì)式(1)進(jìn)行全微分,可得:

由相關(guān)文獻(xiàn)可知,鈮酸鋰晶體的軸向膨脹系數(shù)為:

徑向熱膨脹系數(shù)為:

折射率隨溫度的變化系數(shù)為:

由(3)~(6)可知,相移隨溫度的變化量與溫度變化近似成線(xiàn)性關(guān)系,可以用

表示。所以這里可以建立Y波導(dǎo)大半波電壓隨溫度變化的模型如下:

ΔVπ=KΔT+δe (7)

式中:K為Y波導(dǎo)半波電壓隨溫度變化的比列因子,由Y波導(dǎo)材料及制造工藝決定,對(duì)于特定Y波導(dǎo)具有良好的重復(fù)性。δe為非線(xiàn)性誤差。

通過(guò)以上理論分析可以看出,對(duì)于給定的Y波導(dǎo),其半波電壓變化與溫度變化成近似線(xiàn)性關(guān)系,且具有固定重復(fù)性。本發(fā)明正是利用該特性,以Y波導(dǎo)半波電壓變化替代溫度變化信息,實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度傳感器的閉環(huán)光纖陀螺溫度建模與補(bǔ)償。

2)基于四態(tài)調(diào)制的Y波導(dǎo)半波電壓提取原理

如何實(shí)時(shí)提取Y波導(dǎo)半波電壓變化信息,是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的又以關(guān)鍵所在。當(dāng)前閉環(huán)光纖陀螺普遍采用基于四態(tài)調(diào)制的雙閉環(huán)控制方案,可利用該方案第二閉環(huán)控制量可實(shí)時(shí)提取Y波導(dǎo)半波電壓隨溫度的變化信息。改方案基本組成如圖2所示,包含:干涉儀201、光電檢測(cè)模塊202、前放電路模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊204、數(shù)字解調(diào)模塊205、雙閉環(huán)控制模塊206、第一閉環(huán)反饋模塊207、反饋放大器增益控制模塊208、反饋放大器209、Y波導(dǎo)210。其中,干涉儀201、光電檢測(cè)模塊202、前放電路模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊204、數(shù)字解調(diào)模塊205、雙閉環(huán)控制模塊206、第一閉環(huán)反饋模塊207、反饋放大器209、Y波導(dǎo)210順次連接構(gòu)成第一閉環(huán)。干涉儀201、光電檢測(cè)模塊202、前放電路模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊204、數(shù)字解調(diào)模塊205、雙閉環(huán)控制模塊206、反饋放大器增益控制模塊208、反饋放大器209、Y波導(dǎo)210順次連接構(gòu)成第二閉環(huán)。

通常方法是在方波偏置調(diào)制情況下,將Y波導(dǎo)半波電壓誤差(等效為階梯波2π電壓誤差)作為第二閉環(huán)回路輸入信號(hào),通過(guò)調(diào)整反饋放大器增益,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Y波導(dǎo)半波電壓進(jìn)行閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償。將半波電壓碼替代溫度信息隨陀螺零偏信息實(shí)時(shí)輸出,即可實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度傳感器的陀螺溫度建模與補(bǔ)償。

為確保實(shí)時(shí)提取Y波導(dǎo)半波電壓信息,需采用基于四態(tài)調(diào)制的雙閉環(huán)控制方案,以實(shí)時(shí)跟蹤半波電壓變化。四態(tài)調(diào)制法由4個(gè)取值不同的偏置相位構(gòu)成偏置序列,分別為和其值分別為:π、0、取π/8每個(gè)偏置相位的時(shí)間跨度為τ/2,周期為2τ,對(duì)應(yīng)波形為圖3中的波形。

干涉光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)周期為τ/2,調(diào)制周期為τ。周期性的偏置相位序列使得Sagnac干涉儀的2束相干光之間周期性地產(chǎn)生4個(gè)取值不同的偏置相移差即:

當(dāng)τ取值為4τ時(shí),由式(8)有

對(duì)應(yīng)波型如圖3所示。陀螺干涉信號(hào)輸出為:

那么在第一個(gè)調(diào)制周期的前半周期內(nèi)陀螺干涉信號(hào)輸出為:

在后半個(gè)周期內(nèi)陀螺干涉信號(hào)為:

則第一個(gè)周期τ內(nèi)陀螺輸出為

同理可知第二個(gè)周期τ內(nèi)陀螺輸出為

若陀螺的Sagnac相移被第一閉環(huán)階梯波反饋相移補(bǔ)償,即則干涉信號(hào)輸出為帶有梳狀脈沖的直線(xiàn)(如圖4所示)。

當(dāng)時(shí),陀螺閉環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到平衡,前后兩個(gè)τ時(shí)間內(nèi)干涉信號(hào)強(qiáng)度不再相等(如圖5所示),其差值ΔI為:

第一閉環(huán)利用ΔI作為控制量去控制階梯波發(fā)生器,改變階梯波階梯高度,從而也就改變了階梯波產(chǎn)生的相移使得第一閉環(huán)回路重新達(dá)到平衡。

如圖6所示,由于溫度的變化,Y波導(dǎo)半波電壓會(huì)隨之改變,加載在Y波導(dǎo)上的調(diào)制電壓產(chǎn)生的相移變?yōu)樵瓉?lái)的1+ε倍,則干涉信號(hào)強(qiáng)度為

由于所以

在一個(gè)τ周期內(nèi),前后半周期里干涉信號(hào)不再相等。即I11≠I(mǎi)12(I21≠I(mǎi)22),其對(duì)應(yīng)的偏置相位差變化幅值不等。根據(jù)(11)和(12)得其差值為:

由圖6可以看出,當(dāng)反饋相位發(fā)生漂移時(shí),輸出干涉信號(hào)中會(huì)以2倍的本征頻率1/τ出現(xiàn)一個(gè)誤差信號(hào)ΔI‘。將ΔI‘作為第二閉環(huán)反饋控制量(如圖2),控制D/A輸出回路增益kc,使相位調(diào)制器產(chǎn)生正確的相位,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償相位漂移。系統(tǒng)跟蹤Y波導(dǎo)半波電壓漂移的過(guò)程,同時(shí)也是提取半波電壓隨溫度變化規(guī)律的構(gòu)成,通過(guò)前面分析的Y波導(dǎo)半波電壓變化同溫度變化為線(xiàn)性關(guān)系,即可間接提取溫度變化規(guī)律。通過(guò)上述分析可以看出,四態(tài)調(diào)制可在1個(gè)τ時(shí)間內(nèi)完成對(duì)Y波導(dǎo)半波電壓漂移的跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的間接實(shí)時(shí)跟蹤。

以上即為通過(guò)提取閉環(huán)光纖陀螺Y波導(dǎo)半波電壓實(shí)時(shí)變化量,根據(jù)其與溫度變化的線(xiàn)性關(guān)系,以之替代溫度信息,對(duì)陀螺進(jìn)行溫度建模與補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/p>

本發(fā)明對(duì)陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償分為以下步驟

步驟1:編寫(xiě)基于四態(tài)調(diào)制的閉環(huán)光纖陀螺FPGA控制程序,將陀螺通過(guò)第二閉環(huán)提取的Y波導(dǎo)半波電壓變信息替代溫度信息隨陀螺零偏信息一起輸出;

步驟2:將加載步驟1所述FPGA程序的光纖陀螺置于事先設(shè)置好變溫程序的溫箱中,并將陀螺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠連接;

步驟3:陀螺上電,開(kāi)啟陀螺采集系統(tǒng),同時(shí)啟動(dòng)溫箱。在溫箱整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,連續(xù)采集陀螺輸出數(shù)據(jù);

步驟4:依據(jù)步驟3所采集到的陀螺補(bǔ)前原始數(shù)據(jù),通過(guò)最小二乘法確定陀螺零偏與Y波導(dǎo)半波電壓的一次線(xiàn)性補(bǔ)償模型B(v)=b0+k1v+k2v′的系數(shù)b0、k1、k2的值;

步驟5:將步驟4所確定的補(bǔ)償模型寫(xiě)入FPGA程序;

步驟6:對(duì)經(jīng)步驟5補(bǔ)償后的陀螺零偏進(jìn)行補(bǔ)后零偏測(cè)試,測(cè)試過(guò)程同步驟2、步驟3。

實(shí)施實(shí)例

1)按圖1所示結(jié)構(gòu),選一只環(huán)長(zhǎng)為1200米,常溫精度0.007°/h閉環(huán)光纖陀螺進(jìn)行補(bǔ)前變溫零偏測(cè)試(溫度范圍-40℃~+60℃,變溫速率1℃/min)。陀螺補(bǔ)前輸出如圖7所示,其中實(shí)線(xiàn)為零偏數(shù)據(jù),虛線(xiàn)為Y波導(dǎo)半波電壓碼值數(shù)據(jù);

2)依據(jù)陀螺輸出的補(bǔ)前零偏及半波電壓數(shù)據(jù),通過(guò)最小二乘法確定陀螺補(bǔ)償模型系數(shù)b0、k1、k2值,經(jīng)計(jì)算b0=8.4752、k1=0.0043、k2=0.2046,所建立補(bǔ)償模型為:

B(v)=8.4752+0.0043v+0.2046v′

依據(jù)該補(bǔ)償模型對(duì)陀螺進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償結(jié)果如圖8虛線(xiàn)所示;

3)根據(jù)所建立的補(bǔ)償模型,對(duì)陀螺進(jìn)行補(bǔ)償;

4)對(duì)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)耐勇葜匦逻M(jìn)行變溫測(cè)試,補(bǔ)償后測(cè)試結(jié)果如圖9虛線(xiàn)所示。

陀螺改善結(jié)果:如圖9所示,陀螺變溫精度由補(bǔ)前0.11°/h(實(shí)線(xiàn))提升為補(bǔ)后0.015°/h(虛線(xiàn)),補(bǔ)償效果顯著。

與其它光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法相比,本發(fā)明無(wú)需溫度傳感器,無(wú)需額外的量化電路,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉,占用陀螺空間小,抗干擾性強(qiáng)等有點(diǎn)??捎行У慕鉀Q目前小型化低成本光纖陀螺溫度補(bǔ)償問(wèn)題。

當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 
網(wǎng)友詢(xún)問(wèn)留言 已有0條留言
  • 還沒(méi)有人留言評(píng)論。精彩留言會(huì)獲得點(diǎn)贊!
1
边坝县| 临清市| 平远县| 扎鲁特旗| 如皋市| 金川县| 韶关市| 罗定市| 黎城县| 宝清县| 黄山市| 崇礼县| 永城市| 沐川县| 紫云| 剑河县| 开封县| 永清县| 马尔康县| 桂阳县| 望奎县| 怀化市| 陇川县| 修武县| 中山市| 卢湾区| 浮山县| 龙山县| 衡东县| 江口县| 衡阳市| 南漳县| 宜兰市| 全南县| 东明县| 桃源县| 浦江县| 池州市| 奉节县| 中西区| 柞水县|