一种方波调制光纤陀螺全温启动2
π
电压参数调整方法
技术领域
1.本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法。
背景技术：2.光纤陀螺是惯性导航系统的核心器件，利用光纤陀螺提供的旋转角速度信息可以完成载体的姿态解算。在各类光纤陀螺中，基于数字阶梯波反馈的闭环光纤陀螺由于精度高、动态范围大、非线性度好等优点，得到了广泛的应用。
3.光纤陀螺的精度，与零偏和标度因数这两个参数的关系较大，而零偏及标度因数这两个参数会随着温度环境的变化而发生变化。研究发现，集成光学调制器(y波导)的2π电压随着温度的变化，是引起光纤陀螺的零偏和标度因数这两个参数漂移的重要原因之一。因此，根据光纤陀螺中2π电压的变化，对电路中的2π电压参数进行伺服调整，对于抑制光纤陀螺的温度漂移具有重要意义。目前，本领域的常用方法是监测光纤陀螺2π电压误差，并根据误差进行2π电压参数的调整，这项技术被称为2π电压参数伺服调整技术。2π电压参数伺服调整技术的引入使得光纤陀螺能够根据温度的变化伺服调整2π电压参数，使其始终保持准确，适应不同温度需求。
4.由于数字阶梯波的特性(不能无限上升或下降)，当数字阶梯波超过设定的上限或下限时，必然要进行复位，即，超过上限时减去预设的复位值，超过预设下限时加上预设的复位值。因此，在方波调制的光纤陀螺中，2π电压误差信息是依据数字阶梯波复位前后的探测器差值运算而来。该探测器信号差值，即数字阶梯波超过上限时减去的复位值，或者超过下限时增加的复位值。为了统筹考虑光纤陀螺的全温温度范围需求，2π电压参数的初始值一般是给定的常温准确值。
5.但在实际工作中，如果在低温或高温温度环境下，光纤陀螺工作在低转速或无转速(敏感轴指向东/西)，此时启动光纤陀螺，一方面由于温度偏离常温，会出现2π电压参数不准的情况；另一方面，由于转速低使得数字阶梯波需要很长时间复位或不复位，还会出现2π电压误差信息不能及时获取的情况。这时，就无法伺服调整2π电压参数，从而会对光纤陀螺的精度有一定影响。
6.因此，当光纤陀螺处于较高或较低的环境温度时，如何在启动阶段快速完成2π电压参数的调整，以保证光纤陀螺的精度，成为了目前急需解决的问题。
技术实现要素：7.针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，即使在低温或高温的温度环境下，也能在启动阶段快速调整2π电压参数，保证光纤陀螺的精度。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
9.一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，包括以下步骤：
10.s1，将光纤陀螺软件调整为参数调整模式，执行步骤s2；
11.s2，给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，并以虚拟转速为闭环反馈量生成数字阶梯波；
12.s3，采集数字阶梯波复位前后的探测器信号差值，并计算2π电压误差信息，再通过2π电压误差信息进行2π电压参数的调整；
13.s4，分析s3中进行2π电压参数调整时，调整量是否小于预设的调整阈值，若小于则转到s5，若不小于则返回s2；
14.s5，完成参数调整，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式，对光纤陀螺的旋转角速度进行解算。
15.优选地，s2中，所述虚拟转速为预设的固定转速值。
16.优选地，s5中，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式后，以奇偶采样差值为闭环反馈量生成数字阶梯波。
17.优选地，s5中，以奇偶采样差值为闭环反馈量进行数字阶梯波的复位时，奇偶采样差值的计算式为：
18.δp＝p-‑
p
+
＝p
0 sinφ0sinφs；
19.其中，δp表示奇偶采样差值，p-表示负调制的半周期内的采样值，p
+
表示正调制的半周期内采样值；φs表示旋转引起的相位差，p0表示光纤陀螺绝对静止时(φs＝0)到达探测器的光功率，φ0为方波调制幅度。
20.优选地，s5中，奇偶采样差值为闭环反馈量进行数字阶梯波的复位时，奇偶采样值为：
21.其中，φf为闭环反馈相位。
22.优选地，闭环反馈相位φf满足条件φf＝-φs。
23.优选地，所述数字阶梯波复位时，探测信号的计算式为式中，
24.其中，τ为光波在光纤环中传输一周的时间；
25.φ
fw
＝φf±
2π*k；其中，k为正整数。
26.优选地，所述φ
fw
的计算式中正负号的取法为：当φf为正时，取负号；当φf为负时，取正号。
27.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
28.1.使用本方法，当光纤陀螺上电启动后，在启动期间，光纤陀螺软件首先会进入参数调整模式，并给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，使得数字阶梯波快速复位，并通过采集复位前后的探测器信号差值计算2π电压误差信息，再进行2π电压参数的调整。从而实现2π电压误差的快速调整。这样，即使是在低温或高温的温度环境下，也能在启动阶段快速调整2π电压参数，保证光纤陀螺的精度。测试结果表明，即使在低温或高温的温度环境下，本技术
仍能够在2秒内实现陀螺仪的2π电压参数的校准。使用本方案，可保证陀螺仪2π电压参数校准的稳定性和快速性。
29.2.通过分析s3中进行2π电压参数调整时，调整量的数值，可以对光纤陀螺2π电压参数进行分析，如果调整量是否小于预设的调整阈值，则说明此时2π电压参数已经准确，即，光纤陀螺已经能够正常工作。因此，2π电压参数调整任务结束，将光纤陀螺软件切换为解算工作模式，对光纤陀螺的旋转角速度进行解算，通过这样的方式，合理的利用光纤陀螺软件的运算能力，使其在各个阶段均能够发挥对应的效果。
附图说明
30.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
31.图1为实施例中方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法的流程图。
具体实施方式
32.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
33.实施例
34.为了便于理解本技术的原理，先对光纤陀螺闭环原理，以及数字阶梯波闭环反馈实现原理进行说明。
35.(一)光纤陀螺闭环原理
36.方波调制下到达探测器光功率可用下式表达：
[0037][0038]
式中：p0为光纤陀螺绝对静止时(φs＝0)到达探测器的光功率；φs为旋转引起的相位差。
[0039]
其中，φm为：
[0040][0041]
式中：φ0为方波调制幅度，τ为光纤环的渡越时间(光波在光纤环中传输一周的时间)。经过以上方波调制，可分别对正负调制的半周期内采样，得到光纤陀螺的奇偶采样值：
[0042][0043]
奇偶采样值相减得：
[0044]
δp＝p-‑
p
+
＝p
0 sinφ
0 sinφs………………………
(4)
[0045]
方波调制幅度一旦确定即为定值，因此p0sinφ0为常数项，可用a表示。另一方面，当φs为小量时，有sinφs＝φs，于是奇偶采样的差值为：
[0046]
δp＝aφs………………………
(5)
[0047]
由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，可以作为旋转角速率输出，同时通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近。闭环控制后奇偶采样值为：
[0048][0049]
式中：φf为闭环反馈相位，其满足：
[0050]
φf＝-φs………………………
(7)
[0051]
(6)式也可表示为：
[0052][0053]
由以上可知，闭环光纤陀螺中闭环的作用是将总相位差伺服控制在零附近。
[0054]
(二)数字阶梯波闭环反馈实现原理
[0055]
数字阶梯波闭环反馈是通过在y波导调制器的电极上引入数字阶梯波信号，利用晶体的压电效应实现的。y波导就是由铌酸锂晶体制成的，该晶体上施加电压时通过它的光波就会产生相位差，该相位差与电压大小成正比。
[0056]
在光纤陀螺光路结构中，光源发出的光波经过y波导时被调制信号调制一次，经过光纤环传输后返回y波导时再次被调制(同时对后续的光波进行第一次调制)，两次调制的时间间隔为光纤环传输光波时间，即渡越时间。由于两次调制时两束光波的传输通道发生了交换，因此，真正引入光路中的相位差为两次调制相位差的差值(以下简称为调制相位)，即，调制相位为调制电压波形以光纤环渡越时间为步长的一阶差分。因此，若要产生恒定的反馈相位差φf，必须使反馈电压信号不断上升或下降(上升对应正，下降对应负)，其中上升或下降的幅度与反馈相位差对应，根据这一原理可以得到闭环控制的实现为在y波导上施加如下反馈波形：
[0057][0058]
或者：
[0059][0060]
式中为对应于相位差φf的电压值，(9)式表示引入正向相位差(数字阶梯波上升)，(10)式表示引入负向相位差(数字阶梯波下降)。
[0061]
上述波形呈台阶形状，称为数字阶梯波。数字阶梯波不能无限上升或下降，必然要进行复位，复位的电压差引入的相位差和数字阶梯波正常上升或下降引入的反馈相位差之间必须相差2π或2π的整数倍，才不会引起复位旋转误差。即复位时，探测器信号为：
[0062][0063]
式中，φ
fw
为数字阶梯波复位期间引入的相位差，一般来说(2π电压准确时)，其满足：
[0064]
φ
fw
＝φf±
2π*k
………………………
(12)
[0065]
式中，k为正整数(实际应用中一般取1)，上式中正负号的取法为：当φf为正时，取负号；当φf为负时，取正号。
[0066]
通过比较(8)式和(11)式可以看出，当光纤陀螺的2π电压参数准确，即(12)式成立时，根据三角函数的周期性可以看出，在复位期间不会引入复位误差。然而当光纤陀螺的2π电压发生变化(特别是当温度变化时)，即(12)式不成立时，会引入复位误差。因此，引入伺服调整技术对2π电压参数进行伺服调整是十分必要的。
[0067]
在方波调制光纤陀螺中，伺服调整技术是这样实现的：根据复位前后探测器信号差值得到复位误差信息，该误差信息通过运算后叠加的2π电压参数以实现对其进行调整。
[0068]
(三)方波调制下2π电压参数伺服调整技术缺陷分析
[0069]
由2π电压参数伺服调整技术原理和实现方法可知，2π电压误差信息来源于数字阶梯波复位前后探测器信号差值。由闭环原理可知，数字阶梯波的复位频度与旋转角速率密切相关，转速越大复位频度越高；转速较慢时，可能会存在不能及时获得2π电压误差信息的情况(需要较长时间)；而当光纤陀螺静止时(敏感轴指向正东/西)，则会出现数字阶梯波不复位的情况，此时无法获得2π电压误差信息，即使2π电压参数不准也无法对其进行调整。另一方面，为了统筹考虑光纤陀螺的全温温度范围需求，2π电压参数初始值一般是给定常温准确值。那么，当光纤陀螺处于较高或较低的环境温度时，如何在启动阶段快速完成2π电压参数的调整，以保证光纤陀螺的精度，成为了急需解决的问题。
[0070]
(四)方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法
[0071]
为解决上述问题，如图1所示，本发明提供了一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，包括以下步骤：
[0072]
s1，将光纤陀螺软件调整为参数调整模式，执行步骤s2。具体实施时，可以在启动光纤陀螺工作时，让光纤陀螺软件调整进入参数调整模式，快速的对参数进行调整。
[0073]
其中，所述光纤陀螺仪软件为光纤陀螺仪自带的嵌入式控制软件。需要说明的是，为了实现本方法的具体过程，需要对光纤陀螺仪自带的嵌入式控制软件进行编码扩展，以使该控制软件同时具备参数调整模式和解算模式。编码扩展的具体内容，本领域技术人员可根据本方法的具体内容具体设置，在此不再赘述。
[0074]
s2，给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，并以虚拟转速为闭环反馈量生成数字阶梯波；其中，所述虚拟转速为预设的固定转速值，其取值范围可设置在5～50度/秒之间。虚拟转速的具体数值，本领域技术人员可根据软件调试时的效果具体设置，在此不再赘述。
[0075]
s3，采集数字阶梯波复位前后的探测器信号差值，并计算2π电压误差信息，再通过2π电压误差信息进行2π电压参数的调整；
[0076]
复位，即数字阶梯波超过最大值或最小值时，增加或减少预设差值的情况，采集的就是这个预设差值。并根据这个预设差值，分析是否存在电压误差，从而进行2π电压参数的调节。
[0077]
s4，分析s3中进行2π电压参数调整时，调整量是否小于预设的调整阈值，若小于则转到s5，若不小于则返回s2；
[0078]
s5，完成参数调整，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式。此时完成了参数调整，就可以将光纤陀螺软件切换到解算工作模式进行正常的工作，对光纤陀螺的旋转角速度进
行解算。
[0079]
实际应用中，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式后，以奇偶采样差值为闭环反馈量生成数字阶梯波。光纤陀螺正常解算工作模式中，都是以奇偶采样差值为闭环反馈量生成数字阶梯波，这样才能实现闭环，闭环反馈量也就是数字阶梯波的台阶高度。具体的，以奇偶采样差值为闭环反馈量进行数字阶梯波的复位时，奇偶采样差值的计算式为：
[0080]
δp＝p-‑
p
+
＝p
0 sinφ
0 sinφs；
[0081]
其中，δp表示奇偶采样差值，p-表示负调制的半周期内的采样值，p
+
表示正调制的半周期内采样值；φs表示旋转引起的相位差，p0表示光纤陀螺绝对静止时(φs＝0)到达探测器的光功率，φ0为方波调制幅度。
[0082]
奇偶采样值为：
[0083]
其中，φf为闭环反馈相位；闭环反馈相位φf满足条件φf＝-φs。
[0084]
所述数字阶梯波复位时，探测信号的计算式为式中，其中，τ为光波在光纤环中传输一周的时间；
[0085]
φ
fw
＝φf±
2π*k；其中，k为正整数。φ
fw
的计算式中正负号的取法为：当φf为正时，取负号；当φf为负时，取正号。
[0086]
使用本方法，当光纤陀螺上电启动后，在启动期间，光纤陀螺软件首先会进入参数调整模式，并给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，使得数字阶梯波快速复位，并通过采集复位前后的探测器信号差值计算2π电压误差信息，再进行2π电压参数的调整。从而实现2π电压误差的快速调整。这样，即使是在低温或高温的温度环境下，也能在启动阶段快速调整2π电压参数，保证光纤陀螺的精度。而通过分析s3中进行2π电压参数调整时，调整量的数值，可以对光纤陀螺2π电压参数进行分析，如果调整量是否小于预设的调整阈值，则说明此时2π电压参数已经准确，即，光纤陀螺已经能够正常工作。因此，2π电压参数调整任务结束，将光纤陀螺软件切换为解算工作模式，对光纤陀螺的旋转角速度进行解算，通过这样的方式，合理的利用光纤陀螺软件的运算能力，使其在各个阶段均能够发挥对应的效果。
[0087]
测试结果表明，即使在低温或高温的温度环境下，本技术仍能够在2秒内实现陀螺仪的2π电压参数的校准。使用本方案，可保证陀螺仪2π电压参数校准的稳定性和快速性。
[0088]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，将光纤陀螺软件调整为参数调整模式，执行步骤s2；s2，给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，并以虚拟转速为闭环反馈量生成数字阶梯波；s3，采集数字阶梯波复位前后的探测器信号差值，并计算2π电压误差信息，再通过2π电压误差信息进行2π电压参数的调整；s4，分析s3中进行2π电压参数调整时，调整量是否小于预设的调整阈值，若小于则转到s5，若不小于则返回s2；s5，完成参数调整，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式，对光纤陀螺的旋转角速度进行解算。2.如权利要求1所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：s2中，所述虚拟转速为预设的固定转速值。3.如权利要求1所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：s5中，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式后，以奇偶采样差值为闭环反馈量生成数字阶梯波。4.如权利要求3所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：s5中，以奇偶采样差值为闭环反馈量进行数字阶梯波的复位时，奇偶采样差值的计算式为：δp＝p-‑
p
+
＝p
0 sinφ0sinφ
s
；其中，δp表示奇偶采样差值，p-表示负调制的半周期内的采样值，p
+
表示正调制的半周期内采样值；φ
s
表示旋转引起的相位差，p0表示光纤陀螺绝对静止时(φ
s
＝0)到达探测器的光功率，φ0为方波调制幅度。5.如权利要求4所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：s5中，奇偶采样差值为闭环反馈量进行数字阶梯波的复位时，奇偶采样值为：其中，φ
f
为闭环反馈相位。6.如权利要求5所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：闭环反馈相位φ
f
满足条件φ
f
＝-φ
s
。7.如权利要求6所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：所述数字阶梯波复位时，探测信号的计算式为式中，其中，τ为光波在光纤环中传输一周的时间；φ
fw
＝φ
f
±
2π*k；其中，k为正整数。8.如权利要求7所述的方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，其特征在于：所述φ
fw
的计算式中正负号的取法为：当φ
f
为正时，取负号；当φ
f
为负时，取正号。
技术总结本发明涉及光纤陀螺技术领域，具体涉及一种方波调制光纤陀螺全温启动2π电压参数调整方法，包括：S1，将光纤陀螺软件调整为参数调整模式；S2，给光纤陀螺施加预设的虚拟转速，并以虚拟转速为闭环反馈量生成数字阶梯波；S3，采集数字阶梯波复位前后的探测器信号差值后，计算2π电压误差信息，并通过2π电压误差信息进行2π电压参数的调整；S4，分析S3中进行2π电压参数调整时，调整量是否小于预设的调整阈值，若小于则转到S5，若不小于则返回S2；S5，完成参数调整，将光纤陀螺软件切换到解算工作模式。本方法在高温或低温的环境条件下，仍可以快速实现陀螺仪的2π电压参数的校准，保证陀螺仪2π电压参数校准的稳定性和快速性。螺仪2π电压参数校准的稳定性和快速性。螺仪2π电压参数校准的稳定性和快速性。
技术研发人员：李光辉
受保护的技术使用者：重庆华渝电气集团有限公司
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/7/4
