本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖陀螺，以及光纖陀螺抑制輸出零偏隨溫度變化漂移的方法。

背景技術(shù)：

光纖陀螺是一種基于sagnac效應(yīng)的全固態(tài)陀螺儀，通過測量沿光纖敏感環(huán)圈順逆旋轉(zhuǎn)的兩束光的相位差，來測量光纖敏感環(huán)相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度。光纖陀螺因具有無轉(zhuǎn)動部件的全固態(tài)結(jié)構(gòu)，動態(tài)范圍大、能耗低、抗沖擊能力強、體積小、無啟動過程、壽命長等突出優(yōu)點，已被廣泛的應(yīng)用于航空航天、武器導航、機器人控制、及雷達等領(lǐng)域。

干涉式閉環(huán)光纖陀螺是一個由光路部分和信號處理電路部分共同構(gòu)成的系統(tǒng)；光路部分包括光源、藕合器、集成光學芯片(y波導)、光纖環(huán)圈和光電探測器，電路部分分兩大塊，一塊是光源驅(qū)動電路，另一塊是信號處理電路；干涉式光纖陀螺儀中，光纖傳播相位是溫度依賴的、時變的，沿光纖敏感環(huán)的熱變化率會引入非互易相移，即shupe誤差，這會給光纖陀螺帶來不可忽視的漂移并限制其應(yīng)用。

另外，光纖陀螺儀中的一些元器件如光源、y波導、保偏光纖耦合器等性能也會受溫度影響。光源的特性對光纖陀螺的影響較大，光源光功率的變化直接反映到光纖陀螺輸出信號變化中。光功率的變化會引起光纖陀螺標度因數(shù)及零偏的變化，從而影響光纖陀螺的動態(tài)性能。光纖陀螺除了要求光源具有體積小、可靠性高、壽命長等特點外，還要求光源同時具有好的空間相干性和弱的時間相干性，以減小瑞利后向散射噪聲和偏振交擾的影響。以及為了提高系統(tǒng)的檢測閾值而要求光源必須高功率輸出，為了提高與光纖的耦合效率而要求光源具有低發(fā)散角。光纖陀螺中的許多誤差均與光源特性有關(guān)，如輸出功率和偏振度的漲落引起光纖陀螺的零偏不穩(wěn)定性，光譜的不對稱性和中心波長的漂移產(chǎn)生標度因數(shù)誤差等。

影響光纖陀螺的溫度變化既來源于外部環(huán)境，也受到系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱元器件的影響，這主要是指在工作過程中光源管芯發(fā)熱、光電探測器發(fā)熱以及電路中的某些芯片發(fā)熱。如果陀螺內(nèi)部元器件由功耗轉(zhuǎn)化成的熱量不能及時地散發(fā)出去，便會使內(nèi)部的溫度持續(xù)上升，直至產(chǎn)生的熱量與散失的熱量達到平衡為止，對溫度敏感的器件則會由于過高的熱負荷而失效或者偏離原先的工作狀態(tài)，從而影響陀螺性能上的改變乃至正常使用。

研究抑制光纖陀螺輸出零偏隨溫度變化而產(chǎn)生漂移，首先需要了解主要光學器件的溫度特性，然后依據(jù)其相關(guān)的溫度特性參數(shù)選取合適的器件和進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在算法上對輸出端零偏進行補償。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能使光源的輸出穩(wěn)定性大幅提升的光纖陀螺。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種光纖陀螺，包括陀螺殼體、光源、光電探測器以及同時連接光源和光電探測器的耦合器，所述的耦合器依次連接y波導和光纖環(huán)圈，所述的光電探測器依次連接前置放大器、ad轉(zhuǎn)換電路、信號處理與補償電路、da轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動電路之后與y波導連接以形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的光源為摻餌光纖光源。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種抑制光纖陀螺受溫度影響零偏漂移的方法，解決背景技術(shù)中所涉及的光纖陀螺的缺陷，縮短光纖陀螺啟動時間，提高光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種抑制光纖陀螺輸出零偏隨溫度變化漂移的方法，包括如下步驟：

a)、在輸入端光源部分采用功率穩(wěn)定度較高的摻鉺光纖光源；

b)、通過信號處理與補償電路對陀螺輸出零偏隨溫度、溫度變化率、溫度梯度采用逐步回歸分析法進行建立溫度的非線性多項式模型；

c)、利用溫度傳感器與溫度變化的關(guān)系，在輸出端建立溫度、溫度梯度、溫度變化率及其交叉項的非線性多項式模型，對陀螺全溫變化范圍內(nèi)多溫變速率下的輸出零偏數(shù)據(jù)進行擬合，采用逐步回歸分析法選擇對陀螺漂移影響較大的因素，建立溫度補償?shù)姆蔷€性多項式模型，并對系數(shù)進行求解，最終將模型系數(shù)固化在硬件電路內(nèi)部，實現(xiàn)在不同應(yīng)用環(huán)境下對陀螺輸出零偏變化漂移的實時補償，以減小陀螺輸出零偏的漂移。

所述的一種抑制光纖陀螺輸出零偏隨溫度變化漂移的方法，其建立非線性多項式模型步驟如下：

初步將與溫度有關(guān)的輸入自變量最高取到2階，即

x1＝t1；x2＝t1²；x3＝t2-t1；x4＝(t2-t1)²；x5＝dt1/dt；x6＝(dt1/dt)²；x7＝t1(t2-t1)；x8＝t1(dt1/t)；x9＝(t1-t2)·dt1/t；

其中t1表示陀螺內(nèi)壁傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)，t2為光纖環(huán)圈外壁溫度，

此時溫度補償?shù)哪Ｐ偷那蠼廪D(zhuǎn)化為多元線性回歸問題，對應(yīng)的回歸方程為：

其中隨機誤差ε包含了影響y的其它因素，y應(yīng)大致服從均值為零的正態(tài)分布，

應(yīng)當將盡可能多的溫度變化情況下陀螺的輸出數(shù)據(jù)作為樣本進行建模

本發(fā)明的有益效果是：在輸入端部分采用高功率穩(wěn)定度的摻鉺光纖光源，在輸出端采用溫度的非線性多項式組合算法對零偏進行補償，減小陀螺輸出零偏的漂移，該方法完全符合工程上的要求，可以縮短光纖陀螺的啟動時間以及提高光纖陀螺的精度，在慣性導航領(lǐng)域具有較好的實用價值與廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光纖陀螺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的光源光路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明溫度循環(huán)實驗示意圖；

圖4是本發(fā)明方法剔除奇異值算法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參照圖1、圖2所示，本發(fā)明公開了一種光纖陀螺，包括陀螺殼體、光源、光電探測器以及同時連接光源和光電探測器的耦合器，所述的耦合器依次連接y波導和光纖環(huán)圈，所述的光電探測器依次連接前置放大器、ad轉(zhuǎn)換電路、信號處理與補償電路、da轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動電路之后與y波導連接以形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的光源選用穩(wěn)定度較高的摻餌光纖光源(ase光源)，由于在輸入端部分采用了高功率穩(wěn)定度的摻鉺光纖光源，提高了陀螺系統(tǒng)的信噪比，降低了瑞利散射，偏振交叉耦合和克爾效應(yīng)等引起的相干誤差，使光源的輸出穩(wěn)定性大幅提升。

影響光纖陀螺零偏漂移的另一個因素是時變的環(huán)境溫度、溫度變化率和溫度梯度及其交叉項給光纖環(huán)圈帶來的熱致非互易性誤差引起的，此項可以通過算法上進行溫度補償解決。為了測量陀螺的溫度變化，分別在光纖陀螺的外殼和內(nèi)壁安裝了溫度傳感器鉑電阻pt1000，一個溫度傳感器位于陀螺內(nèi)壁，用于檢測陀螺內(nèi)部溫度的變化情況；另一個溫度傳感器位于陀螺殼體外壁，用于檢測環(huán)境溫度的變化情況。

一種抑制光纖陀螺輸出零偏隨溫度變化漂移的方法，包括如下步驟：

a)、在輸入端光源部分采用功率穩(wěn)定度較高的摻鉺光纖光源，以減小光功率的波動對陀螺輸出產(chǎn)生的影響。

b)、通過信號處理與補償電路對陀螺輸出零偏隨溫度、溫度變化率、溫度梯度采用逐步回歸分析法進行建立溫度的非線性多項式模型；通過不同環(huán)境下的溫度循環(huán)試驗數(shù)據(jù)，進行模型擬合，求出模型系數(shù)并固化在輸出端電路內(nèi)部，從而達到隨陀螺輸出零偏進行實時溫度補償，達到抑制輸出零偏隨溫度變化漂移的目的。

c)、利用鉑電阻pt1000阻值與溫度變化的關(guān)系，構(gòu)建測溫電路，為了方便比較各因素對陀螺漂移影響的程度，我們逐個引入溫度、溫度變化率和溫度梯度三者，建立各因素與陀螺漂移的線性回歸模型，分析擬合后的精度。然后，在分析比較的基礎(chǔ)之上，選擇對陀螺漂移影響較大的因素，建立其非線性多項式模型，對陀螺全溫變化范圍內(nèi)多溫變速率下的輸出零偏數(shù)據(jù)進行擬合，采用逐步回歸分析法選擇對陀螺漂移影響較大的因素，建立溫度補償?shù)姆蔷€性多項式模型，并對系數(shù)進行求解，最終將模型系數(shù)固化在硬件電路內(nèi)部，實現(xiàn)在不同應(yīng)用環(huán)境下對陀螺輸出零偏變化漂移的實時補償，以減小陀螺輸出零偏的漂移。

該方法完全符合工程上的要求，可以縮短光纖陀螺的啟動時間以及提高光纖陀螺的精度，在慣性導航領(lǐng)域具有較好的實用價值與廣闊的應(yīng)用前景。

在設(shè)計摻餌光纖光源時，采用截斷方法分別對多種不同長度的摻鉺光纖進行實驗。通過改變驅(qū)動電流，并改變泵浦源的功率，調(diào)節(jié)ase光源的中心波長，并兼顧此時光源輸出的光功率及光功率穩(wěn)定性，可裁減ase光源摻鉺光纖的長度。測試每一摻鉺光纖長度時，觀察泵浦源功率改變對光源輸出所造成的影響，以找到滿足光源輸出的中心波長(1550nm)，此時光源輸出的光功率最大且穩(wěn)定性最佳。

影響光纖陀螺零偏漂移的另一個因素是時變的環(huán)境溫度、溫度變化率和溫度梯度及其交叉項給光纖環(huán)圈帶來的熱致非互易性誤差引起的，此項可以通過算法上進行溫度補償解決。為了測量陀螺的溫度變化，分別在光纖陀螺的外殼和內(nèi)壁安裝了溫度傳感器鉑電阻pt1000，一個溫度傳感器位于陀螺內(nèi)壁，用于檢測陀螺內(nèi)部溫度的變化情況；另一個溫度傳感器位于陀螺殼體外壁，用于檢測環(huán)境溫度的變化情況。利用鉑電阻pt1000阻值與溫度變化的關(guān)系，構(gòu)建測溫電路。為了方便比較各因素對陀螺漂移影響的程度，我們逐個引入溫度、溫度變化率和溫度梯度三者，建立各因素與陀螺漂移的線性回歸模型，分析擬合后的精度。然后，在分析比較的基礎(chǔ)之上，選擇對陀螺漂移影響較大的因素，建立其非線性多項式模型。

初步將與溫度有關(guān)的輸入自變量最高取到2階，即

x1＝t1；x2＝t1²；x3＝t2-t1；x4＝(t2-t1)²；x5＝dt1/dt；x6＝(dt1/dt)²；x7＝t1(t2-t1)；x8＝t1(dt1/t)；x9＝(t1-t2)·dt1/t；其中t1表示陀螺內(nèi)壁傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)，t2為光纖環(huán)圈外壁溫度，此時溫度補償?shù)哪Ｐ偷那蠼廪D(zhuǎn)化為多元線性回歸問題，對應(yīng)的回歸方程為：

其中隨機誤差ε包含了影響y的其它因素，y應(yīng)大致服從均值為零的正態(tài)分布。

為了能夠反映陀螺在全溫度范圍內(nèi)的工作情況，在建立溫度模型的過程中，應(yīng)當將盡可能多的溫度變化情況下陀螺的輸出數(shù)據(jù)作為樣本進行建模。

為此，我們將光纖陀螺置于-40℃～+60℃、+60℃～-40℃溫度變化范圍，以不同溫度變化率在溫箱中進行溫度循環(huán)實驗，如圖3所示，采用相同的設(shè)置重復進行兩次實驗，并將各種情況下的數(shù)據(jù)隨機地分為兩組：一組作為樣本集用于建立溫度漂移模型，另一組作為測試集用于驗證模型的補償效果。由于試驗中陀螺輸出頻率為400hz，而溫度為慢變量，數(shù)據(jù)處理前，將將陀螺輸出漂移數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)一降采樣為1hz數(shù)據(jù)并進行計算。將測試數(shù)據(jù)作為回歸方程的輸入，取顯著性水平α＝0.05，通過編程得到與之對應(yīng)的回歸參數(shù)βi、置信區(qū)間[α1,α2]及其檢驗統(tǒng)計量r²,f,p，并對所得回歸方程進行擬合優(yōu)度r檢驗，f檢驗，p值檢驗，檢驗y與自變量(xi1，xi2，…xim，)是否存在著顯著性的相關(guān)關(guān)系。擬合優(yōu)度r的值越接近1表示自變量與回歸模型之間具有越強的相關(guān)性。調(diào)用matlab中的rcplot函數(shù)可以得到參加建模數(shù)據(jù)的時序殘差圖，對實驗數(shù)據(jù)中的奇異值進行剔除。其算法流程如下圖4，將剔除奇異值之后的數(shù)據(jù)作為模型輸入，用同樣的方法可以得到回歸模型參數(shù)，通過調(diào)用matlab中的stepwise函數(shù)進行逐步回歸分析，對所考察的全部自變量進行顯著性檢驗，按照對y作用顯著程度的大小，取最顯著的變量，逐一引入回歸方程，對y作用不顯著的那些變量自始至終都不被引入。另一方面，已被引入回歸方程的變量，在引入新變量后如發(fā)現(xiàn)其對y的作用變得不顯著時，則隨時從回歸方程剔除，直至沒有新變量能引入方程，且已引入方程的所有變量均不需要剔除為止。可以自動得到最優(yōu)的回歸模型。綜合考慮建模精度和模型復雜程度，最終選定得到回歸模型的相關(guān)參數(shù)，將：y＝β0+β1·t1+β2·t1²+β3·(t1-t2)+β4·dt1/dt作為最終補償模型，并得到相應(yīng)的系數(shù)。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。