提高光纖陀螺開機(jī)零偏穩(wěn)定性的調(diào)制方法

許文淵 張春熹 鄔戰(zhàn)軍 張 晞

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

提高光纖陀螺開機(jī)零偏穩(wěn)定性的調(diào)制方法

許文淵 張春熹 鄔戰(zhàn)軍 張 晞

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

針對(duì)光纖陀螺在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)零偏不穩(wěn)定的問題,從機(jī)理上分析了 2π電壓初始對(duì)準(zhǔn)及前向增益變化對(duì)零偏的影響.提出了一種新的組合調(diào)制方法,通過 4種狀態(tài)的調(diào)制、解調(diào),實(shí)現(xiàn)了對(duì) Y波導(dǎo) 2π電壓的快速調(diào)整,有效縮短 2π電壓在陀螺開機(jī)時(shí)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間,由 5min縮短至 1 s,克服了目前方波調(diào)制的缺陷.經(jīng)頻域分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該組合調(diào)制方法還可以抑制由調(diào)制引起的交叉干擾,能夠有效抑制前向增益變化對(duì)陀螺零偏的影響,從而使前向增益變化導(dǎo)致的陀螺開機(jī)零偏變化由 0.03(°)/h減小至 0.01(°)/h.

光纖陀螺;調(diào)制;交叉干擾;波導(dǎo)

干涉型光纖陀螺儀是用來敏感相對(duì)于慣性空間角運(yùn)動(dòng)的裝置,具有高可靠性、壽命長、啟動(dòng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),是新一代慣性系統(tǒng)的核心器件.在工程運(yùn)用中,陀螺開機(jī)往往需要一定的預(yù)熱時(shí)間才能使零偏達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài),該時(shí)間的長短決定了武器的快速反應(yīng)能力,因此,如何提高陀螺啟動(dòng)時(shí)的零偏穩(wěn)定性和縮短預(yù)熱時(shí)間成為了陀螺工程運(yùn)用中的一個(gè)重要課題[1-2].本文的研究內(nèi)容是針對(duì)該課題展開的.影響陀螺開機(jī)零偏穩(wěn)定性的因素很多,并且隨著陀螺精度的提高,一些新的影響因素也隨之出現(xiàn).在優(yōu)于 0.01(°)/h的陀螺中,Y波導(dǎo) 2π電壓的初始對(duì)準(zhǔn)和交叉干擾引起的零偏已經(jīng)成為不可忽略的因素.本文將針對(duì)這兩方面從機(jī)理上分析其影響陀螺零偏的原因,以及現(xiàn)有技術(shù)手段的缺陷.在方波調(diào)制的基礎(chǔ)上,應(yīng)用組合調(diào)制方案,加快 2π電壓的調(diào)整速度,同時(shí)抑制交叉干擾,減小前向增益變化對(duì)陀螺零偏的影響,以縮短陀螺的預(yù)熱時(shí)間,提高陀螺開機(jī)零偏穩(wěn)定性.

1 光纖陀螺開機(jī)零偏穩(wěn)定性機(jī)理

1.1 2π電壓初始調(diào)整對(duì)陀螺零偏的影響

Y波導(dǎo)是閉環(huán)光纖陀螺的關(guān)鍵器件之一,其調(diào)制系數(shù)決定了波導(dǎo)的 2π電壓不準(zhǔn)將直接影響陀螺的標(biāo)度因數(shù),進(jìn)而影響陀螺零偏.根據(jù)閉環(huán)陀螺的工作原理,在理想情況下系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),φf≈φs,φf為反饋相位 ,φs為 Sagnac相移 ,因此有

式中,Dout為陀螺轉(zhuǎn)速的數(shù)字輸出;L為光纖長度;D為光纖環(huán)有效直徑;λ為光波長;C為真空中的光速;Kfp為相位調(diào)制器的調(diào)制系數(shù),rad/V;Vpp為調(diào)制器的 2π電壓;Ω為轉(zhuǎn)速;N為 DA轉(zhuǎn)換器的位數(shù)[3-5].

在陀螺剛開機(jī)時(shí),系統(tǒng)默認(rèn)的 2π電壓 V′pp一般不會(huì)等于 Vpp,則

由式(1)和式(2)相比可得

即輸出偏差為

以 0.005(°)/h的光纖陀螺為例,在陀螺穩(wěn)定后要求 ΔDout＜0.005(°)/h,光纖陀螺靜態(tài)工作時(shí),敏感到的北向地球自轉(zhuǎn)角速度約為 10(°)/h,

Vpp=4V,可得

Y波導(dǎo) 2π電壓的溫度變化率為 400μV/°C,當(dāng)開機(jī)時(shí)環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度相差 40℃時(shí),陀螺開機(jī)時(shí)V′pp偏離準(zhǔn)確值達(dá)16mV.光學(xué)器件的性能也會(huì)隨時(shí)間而變化,其變化量可能達(dá)到幾十毫伏.因此,陀螺開機(jī)時(shí)地零偏是達(dá)不到精度要求的,需要調(diào)整 2π電壓,使陀螺的零偏對(duì)準(zhǔn).目前通常采用方波調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)陀螺的閉環(huán)檢測(cè),其依據(jù)階梯波復(fù)位時(shí)的誤差信號(hào)構(gòu)成第 2閉環(huán)回路來調(diào)整 2π電壓,由于陀螺在低轉(zhuǎn)速時(shí)復(fù)位時(shí)間長,達(dá)到秒量級(jí),致使 2π電壓調(diào)整速度慢,導(dǎo)致了陀螺的啟動(dòng)時(shí)間加長.

1.2 前向增益變化對(duì)陀螺零偏的影響

光纖陀螺在啟動(dòng)時(shí),由于光源及一些電路元件的預(yù)熱特性,需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),該時(shí)間長度取決于系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)間,一般是 20min左右.具體表現(xiàn)為陀螺在開機(jī)后其前向增益是變化的,變化量可達(dá) 5%～10%.

式(1)表明,閉環(huán)光纖陀螺的輸出僅與光纖環(huán)的有效面積、光平均波長和波導(dǎo) 2π電壓有關(guān),與光源光強(qiáng)、前放的放大倍數(shù)無關(guān),即在理想狀態(tài)下,增益的變化并不影響陀螺零偏.

在光纖陀螺的檢測(cè)電路中,數(shù)字電路與模擬電路共存,交叉干擾是無法避免的,采用方波調(diào)制時(shí),由于被測(cè)信號(hào)受方波調(diào)制,方波產(chǎn)生的干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同頻同相,并與被測(cè)信號(hào)疊加一起參加解調(diào),使陀螺的輸出增加了一個(gè)額外的偏置誤差[6-7].設(shè)交叉干擾信號(hào)為 ΔV(t),陀螺的輸出將變復(fù)雜,設(shè)信號(hào)的幅值為 ΔV.當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定的時(shí)候,環(huán)路誤差信號(hào) Ddem≈0,即

式中,KAD為 AD轉(zhuǎn)換器的增益;APA為前放增益;Rf為探測(cè)器跨阻;I為干涉信號(hào)通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電流;φb為調(diào)制相位.

當(dāng)采用 ±π/2的方波調(diào)制時(shí),式(6)變?yōu)?/p>

由于 φs-φf接近 0,則

把式(8)代入式(7),并由 Ddem=0可得

陀螺的輸出與干擾的大小、探測(cè)器跨阻和光源功率有關(guān),干擾將引入一個(gè)固定偏置,且與陀螺前向增益相關(guān),即前向增益的變化將影響陀螺零偏.該偏置與交叉干擾的大小成正比,抑制交叉干擾將會(huì)減小前向增益變化對(duì)陀螺零偏的影響.

把式(9)代入式(1)可得

2 提高零偏穩(wěn)定性的調(diào)制方法

針對(duì)第 1節(jié)分析的影響光纖陀螺開機(jī)零偏快速穩(wěn)定的兩個(gè)因素,本文應(yīng)用組合調(diào)制方法,有效地抑制該因素對(duì)陀螺開機(jī)時(shí)零偏穩(wěn)定性的影響.

2.1 組合調(diào)制快速對(duì)準(zhǔn) 2π電壓的分析

組合調(diào)制是針對(duì)以上問題而提出的解決方案,具有 4種狀態(tài),本文依次取 2/3π,4/3π,-4/3π和 -2/3π.當(dāng) 2π電壓準(zhǔn)確時(shí),4種狀態(tài)的干涉強(qiáng)度相等;當(dāng) 2π電壓不準(zhǔn)時(shí),相當(dāng)于調(diào)制電壓按比例乘以系數(shù)a,a=V′2π/V2π,其中V′2π為電路給出的代表 2π電壓的大小,V2π為波導(dǎo) 2π電壓的準(zhǔn)確值.如圖 1所示,調(diào)制波形以相位差為 0的軸為中心,a向兩邊伸展(a＞1)或向中心壓縮(a＜1).此時(shí),實(shí)際的調(diào)制依次為2/3aπ,4/3aπ,-4/3aπ和 -2/3aπ.4種狀態(tài)產(chǎn)生的干涉強(qiáng)度(P1,P2,P3,P4)不盡相同 ,P1和 P4強(qiáng)度相等,P2和P3強(qiáng)度相等.

圖1 組合調(diào)制在2π電壓不準(zhǔn)情況下的原理

陀螺的輸出功率與調(diào)制的關(guān)系為

式中,P0為到達(dá)探測(cè)器處的光源功率;P為加調(diào)制后到達(dá)探測(cè)器處的光功率.

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)速為 0時(shí),把 2π電壓變化后的調(diào)制狀態(tài)代入式(11)得

P1和 P2調(diào)制狀態(tài)的干涉強(qiáng)度之差為

P3和 P4調(diào)制態(tài)的干涉強(qiáng)度之差為

用 ΔP1與 ΔP2之差得到

運(yùn)用三角函數(shù)和差化積方法,得到

當(dāng) 1＜a＜2時(shí),有 ΔP2π＜0;當(dāng) 0＜a＜1時(shí),有 ΔP2π＞0,所以用該方法解調(diào)得到的 ΔP2π可以用作負(fù)反饋來控制 2π電壓,使a=1,即把 2π電壓穩(wěn)定在一個(gè)準(zhǔn)確的值.

運(yùn)用該方法每個(gè)調(diào)制周期都可進(jìn)行一次 2π電壓調(diào)整,對(duì)于高精度陀螺來說,得到一次 2π電壓誤差信號(hào)的時(shí)間為 40μs,而方波調(diào)制在低轉(zhuǎn)速時(shí)為秒量級(jí).可見,組合調(diào)制大大縮短了開機(jī)時(shí)2π電壓的調(diào)整時(shí)間.

2.2 組合調(diào)制的交叉干擾分析

根據(jù) 1.2節(jié)得到了抑制交叉干擾將會(huì)減小前向增益變化對(duì)陀螺零偏影響的結(jié)論,由于陀螺的檢測(cè)方式采用相干解調(diào),只有與解調(diào)頻率同頻的信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生影響零偏的交叉干擾.相干的過程相當(dāng)于 2個(gè)正弦信號(hào) S1=cos(ω1t)和 S2=cos(ω2t)相乘,得到

式中,ω1和 ω2分別為調(diào)制頻率和干擾頻率;φ1和φ2為初始相位.式(17)中第 1項(xiàng)在長時(shí)間平均后均值為 0;而第 2項(xiàng)當(dāng) ω1=ω2,且 φ1-φ2≠π/2時(shí),長時(shí)間平均后的均值等于一個(gè)固定值,該值即表現(xiàn)為零偏.因此,只有與調(diào)制同頻的干擾信號(hào)才會(huì)引入零偏誤差.

本文從頻譜分析的角度分析調(diào)制信號(hào)引入的交叉干擾,圖 2為組合調(diào)制的調(diào)制波形及其頻譜.

圖2 組合調(diào)制信號(hào)及其頻譜分析

圖2中的頻譜分析以 L=1500m的光纖陀螺為例,光纖環(huán)渡越時(shí)間 τ=7μs,解調(diào)頻率約為70kHz.從頻譜分析圖中可得:組合調(diào)制信號(hào)的基頻為 35kHz,其主要頻率分量在基頻上,與解調(diào)頻率(70 kHz)同頻的 FFT(Fast Fourier Transform)系數(shù)僅為 0.27,如表 1所示,只有方波調(diào)制方式的1/4,可以有效抑制交叉干擾.

表 1 調(diào)制方案的FFT系數(shù)比較

3 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于影響光纖陀螺的開機(jī)零偏穩(wěn)定性的因素眾多,在實(shí)驗(yàn)過程中要完全隔絕其他因素的影響是非常困難的,因此本文采取的實(shí)驗(yàn)手段是放大上述兩種影響因素,使其大于其他因素,然后檢驗(yàn)該調(diào)制方法對(duì)上述兩種因素的抑制作用.

3.1 快速調(diào)整 2π電壓的實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)采用精度為 0.005(°)/h的光纖陀螺,陀螺敏感軸朝天放置做常溫靜態(tài)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的緯度 φ=39°58′,實(shí)際地球轉(zhuǎn)速朝天分量為9.66(°)/h.陀螺 Y波導(dǎo)的 2π電壓為 4V,實(shí)驗(yàn)中,把初始 2π電壓調(diào)偏,調(diào)到 3V,放大了該項(xiàng)誤差,把陀螺放置在位置臺(tái)上并使敏感軸朝天,分別用方波調(diào)制和組合調(diào)制方法進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試,所得數(shù)據(jù)如圖 3所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:方波調(diào)制需要5min把 2π電壓調(diào)準(zhǔn),使陀螺輸出達(dá)到其精度指標(biāo);組合調(diào)制只需要 1 s就能調(diào)準(zhǔn) 2π電壓,當(dāng)采集數(shù)據(jù)時(shí)已經(jīng)體現(xiàn)不出差異.方波調(diào)制的穩(wěn)定零偏為 9.73(°)/h,組合調(diào)制的穩(wěn)定零偏為9.68(°)/h,接近實(shí)際轉(zhuǎn)速.

圖3 采用方波調(diào)制和組合調(diào)制時(shí)的陀螺靜態(tài)測(cè)試曲線

3.2 抑制交叉干擾的實(shí)驗(yàn)與分析

把光源功率調(diào)到初始功率的 3/4,放大前向增益誤差,相當(dāng)于前向增益改變了 25%,分別用兩種調(diào)制方式按照 3.1節(jié)的條件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試,然后把光源功率調(diào)為正常值,在同樣的位置進(jìn)行測(cè)試,對(duì)陀螺輸出進(jìn)行對(duì)比,所得數(shù)據(jù)如表 2和表 3所示.

表 2 方波調(diào)制方式下的零偏比較 (°)/h

表 3 組合調(diào)制方式下的零偏比較 (°)/h

采用方波調(diào)制時(shí),陀螺零偏較大,該偏差是由交叉干擾引起,造成 3/4功率時(shí)的零偏與正常功率時(shí)不一致,意味著當(dāng)前向增益變化時(shí),零偏也發(fā)生變化.即陀螺啟動(dòng)時(shí)前向增益的變化將引起陀螺零偏變化,破壞啟動(dòng)時(shí)的零偏穩(wěn)定性.采用組合調(diào)制時(shí),由于對(duì)交叉干擾的抑制,零偏有了明顯的改善,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合.

4 結(jié) 論

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:組合調(diào)制、解調(diào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陀螺相干檢測(cè)的基本功能,能夠滿足高精度光纖陀螺的輸出精度要求,靜態(tài)精度達(dá)到 0.01(°)/h;組合調(diào)制可以大大縮短由于初始 2π電壓不準(zhǔn)時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間,實(shí)驗(yàn)表明:可以把光纖陀螺由于 2π電壓不準(zhǔn)引起的啟動(dòng)時(shí)間從 5min縮短到 1 s以內(nèi);組合調(diào)制可以抑制交叉干擾,減小啟動(dòng)時(shí)由于前向增益變化引起的零偏變化,變化量只有采用方波調(diào)制的1/3,改善陀螺啟動(dòng)時(shí)的零偏穩(wěn)定性.

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(編 輯:趙海容)

Modulation method for stabilizing zero-bias of FOG during warm-up

Xu Wenyuan Zhang Chunxi Wu Zhanjun Zhang Xi

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

To solve the zero-bias fluctuation problem of fiber-optic gyroscope(FOG)during its warm-up,the influences of initial alignment of 2πvoltage and ant eriorgain fluctuation on the zero-bias of FOG were analyzed,respectively.A novel hybrid modulation method,namely four-state modulation method was proposed,by which the drawback of conventional square wave modulation method can be overcome.Due to this proposed four-state modulation and demodulation method,the rapid adjustment of Y waveguide 2πvolt age was realized,which reduces the adjusting time of the warm-up from 5m inutes to 1 second.Owing to the analysis in the frequency domain,it was presented that the proposed four-state modulation and demodulation method can also supp ress the crosstalk induced by modulation and suppress the influence of the anterior gain on the zero-bias fluctuation.As a result,the change of the anterior gain fluctuation induced zero-bias of FOG during warm-up is improved from 0.03(°)/h to 0.01(°)/h.

fiber optic gyroscope(FOG);modulation;crosstalk;waveguides

V 241.5+.9

A

1001-5965(2010)05-0580-04

2009-04-13

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2008ZC51030)

許文淵(1981-),男,福建漳州人,博士生,xuwenyuan1981@gmail.com.