降低光纖陀螺標度因數溫度靈敏度的光源非制冷方法技術

本發明專利技術公開了降低光纖陀螺標度因數溫度靈敏度的光源非制冷方法。去除光纖陀螺光源的制冷電路，預先按照選取的一系列溫度點，通過溫箱控制陀螺光源的溫度，用光譜儀測量光源輸出光的平均波長，得到平均波長和溫度點對應的表格，并將其置于校正環節中查表模塊的存儲器中；增加一個平均波長校正環節，利用溫度計實時采集溫度信號，根據溫度信號查表得到相應溫度下的平均波長值，由該值對光纖陀螺原始輸出數據進行平均波長校正，將校正后的數據作為光纖陀螺的新輸出，新輸出數據的標度因數和平均波長無關，從而實現在光源不制冷情況下降低光纖陀螺標度因數的溫度靈敏度，既簡化了系統、降低了功耗和發熱量，又改善了其內部熱環境和提高了可靠性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光纖陀螺傳感器中信號處理的方法，尤其是涉及一種降低 光纖陀螺標度因數溫度靈敏度的光源非制冷方法。技術背景光纖陀螺是一種基于光學賽格奈克效應的角速度傳感器，通過檢測光纖干 涉儀沿兩個互易光路傳播的光束之間的賽格奈克光相位差，以獲得光纖陀螺所 在平臺的角速度信息。由于光纖陀螺為全固態傳感器，能快速啟動及帶寬大等 原因，作為一種全新角速度傳感器受到廣泛應用。最典型的應用是在航天航空 應用系統中，作為導航計算及姿態控制中的角速度信息傳感器。光纖陀螺的輸 出數據和角速度的比例系數稱為光纖陀螺的標度因數，簡稱為標度因數，根據光纖陀螺的輸出數據和標度因數即可知道運動體的角速度。角速度Q和光纖陀螺輸出的數據&之間的關系可表示為<formula>formula see original document page 3</formula>其中《=-!為光纖陀螺的標度因數，義為所用半導體光源的平均波長，2;rLDC為真空中的光速L和D為光纖陀螺光纖環的長度和直徑。光纖陀螺標度因 數是溫度的函數，常用標度因數溫度靈敏度參數來表征該函數關系，理想狀態 下該參數為零，即標度因數和溫度無關，但實際無法達到，只能將標度因數的 溫度靈敏度抑制在一定的數值之內。光纖陀螺所用的光源為半導體光源，其平均波長隨溫度變化而變化，平均波 長隨溫度的典型變化率為400ppm/攝氏度(ppm:百萬分之一)，平均波長的變 化將直接傳遞為標度因數的變化，若不加任何改善措施標度因數也有400ppm/ 攝氏度的變化。為了保證光纖陀螺標度因數的溫度性能，降低其溫度靈敏度， 現有方法是采用制冷電路對光源進行制冷，使其溫度恒定。若要求標度因數溫 度在溫變條件下變化小于100ppm，相應地要求光源平均波長變化小于100ppm， 相當于需要用制冷電路將光源的溫度控制在0.25度或±0.125度的范圍內。但這 種方案引入的制冷電路功耗大且使系統變復雜，雖然可滿足降低標度因數溫度 靈敏度性能要求，但也引入一些其他問題。第一個問題是需要消耗額外的功耗，航天航空應用系統所有功耗都由總功率有限的系統電源系統提供，其對各部分功耗要求嚴格，同樣要求光纖陀螺功 耗要低。而光纖陀螺功耗中很大的一個組成部分是所用光源制冷電路的功耗。典型光纖陀螺總功耗小于5瓦，而光源制冷功耗為2瓦左右，制冷電路占用系 統的接近一半的功耗。第二個問題是制冷電路的功耗最終轉換為同樣數量的熱量散發在系統內 部，從而惡化光纖陀螺內部的熱環境，影響其溫度性能。特別是在高溫環境運 行時，為了保持光源溫度恒定，制冷器制冷并發熱，而發出熱量進一步惡化內 部熱環境并提升內部溫度，而溫度提升要求制冷電路制冷量更多，而制冷量更 多意味著制冷系統會發出更多的熱量，該過程為正反饋的過程，最終會導致整 個系統溫度過高，意味著系統的不穩定和可靠性降低。并且引入制冷電路需要 額外增添不少器件，使系統復雜度增加，同樣意味著可靠性的降低。也即現有的通過對光源溫控降低標度因數溫度靈敏度的方法具有幾個缺 點首先是功耗高，在功耗要求嚴格的場合如航天航空應用系統中不適合；其 次是發熱嚴重，影響光纖陀螺的溫度性能；最后還增加了系統的復雜度，降低 整體可靠性。若能在降低標度因數溫度靈敏性的基礎上省卻制冷電路，則可有效降低光纖陀螺的功耗，改善其溫度性能和提高系統的可靠性。
技術實現思路
針對目前光纖陀螺研究中，現有通過光源制冷降低標度因數溫度靈敏性的 方法功耗大，發熱嚴重且降低系統可靠性的現狀，本專利技術的目的在于提供一種 ，省略光源制冷電路，通 過平均波長校正的方法降低標度因數溫度靈敏度，同時減小光纖陀螺的功耗和 發熱量，改善溫度性能以及提高系統的靠性。本專利技術的原理光纖陀螺光源的為半導體光源，其發光機理為受激輻射，其發出光的平均 波長決定于有源層的折射率和禁帶寬度；而有源層的折射率和禁帶寬度都受溫 度的影響，在溫度變化下有規律地變化，從而導致了光纖陀螺所用半導體光源 的平均波長隨溫度的變化而有規律地變化。典型的光纖陀螺用半導體光源平均 波長隨溫度的典型變化率為400ppm/攝氏度。根據式子(1)可知標度因數K和光源的平均波長義成正比，溫度變化通過 平均波長變化造成了光纖陀螺標度因數的變化，要消除平均波長對標度因數的 影響， 一種方法是通過制冷電路使光源溫度穩定，但如前所述，溫控方法存在 很大的不足；另一種方法是用光源的平均波長對光纖陀螺的原始輸出數據進行校正，使校正后輸出數據的標度因數和平均波長無關，從而消除光源平均波長 隨溫度漂移帶來的標度因數溫度靈敏度。平均波長和溫度是復雜的函數關系，該函數由有源層的禁帶寬度和折射率 的溫度性能所決定，該函數關系也為確定的函數關系，從而可通過預先測試得 到所用光源在不同溫度點下的平均波長，制作成平均波長和溫度對應的表格。 通過引入一個校正環節，由溫度計實時地進行溫度檢測，根據得到的溫度值查 找該表得到當前溫度下光源的平均波長，用該值校正光纖陀螺輸出數據，將校 正后的數據作為光纖陀螺新的輸出，即可消除平均波長變化對標度因數的影響。若光纖陀螺原始輸出為<^，校正后的輸出為-，檢測到的溫度為T，査表得到該溫度對應的平均波長為;i(r)，則校正公式為<formula>formula see original document page 5</formula>(2)結合式(i)可知角速度q如下式，此處光源波長即査表得的平均波長;<formula>formula see original document page 5</formula> (3)其中^。,為校正后光纖陀螺輸出數據-和角速度q的之間的標度因數a;。,，滿足 &。,=-t^。校正后的標度因數&。,和光纖陀螺的平均波長無關，從而消除了平均波長的溫度漂移，相應的消除了標度因數溫度靈敏性。實際系統中T為離散點，査表得的光源平均波長;t(r)是對實際平均波長;i采 樣近似，并不能完全消除標度因數溫度靈敏性，只能將之抑制在一定的數值之 下。例如對于-55 75的溫度范圍，按照o.i度的間隔測試平均波長，制作的表 格長度為(75+55) /0.1+1=1301字，用該表格進行光源平均波長校正，其標度 因數隨溫度的變化小于土0.05度X400ppm/攝氏度二士20ppm，等效于光源制冷 方案中溫度控制在小于土0.05度范圍內的標度因數溫度靈敏度。平均波長對應于溫度的表格可結合溫箱和光譜儀測量得到，具體的可預先 選取一系列溫度點，如-55度 75度的溫度范圍內按照0.25度步長設定溫箱溫 度，將光源放在溫箱中，通過光譜儀測量在各個溫度點下光源的平均波長，整 個測量過程可由計算機控制自動進行。本專利技術所采用的技術方案的步驟如下，在光纖陀螺應用溫 度范圍內按照選取的溫度步長，測量光纖陀螺光源在一系列溫度點下的平均波 長，得到光源平均波長和溫度對應的表格，并存于平均波長校正環節中查表模塊的內部存儲器中；由溫度計實時采集溫度信號，根據溫度信號査表得到相應 溫度下的平均波長，對光纖陀螺的輸出信號進行校正，不需對光源進行制冷即 可降低標度因數溫度靈敏度。所述的溫度步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
降低光纖陀螺標度因數溫度靈敏度的光源非制冷方法，其特征在于：在光纖陀螺應用溫度范圍內按照選取的溫度步長，測量光纖陀螺光源在一系列溫度點下的平均波長，得到光源平均波長和溫度對應的表格，并存于平均波長校正環節中查表模塊的內部存儲器中；由溫度計實時采集溫度信號，根據溫度信號查表得到相應溫度下的平均波長，對光纖陀螺的輸出信號進行校正，不需對光源進行制冷即可降低標度因數溫度靈敏度。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳杏藩，劉承，舒曉武，胡慧珠，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86[]