一種穩(wěn)定光纖陀螺保持標(biāo)度因數(shù)的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性儀表技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種穩(wěn)定光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的方法和 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺作為一種全固態(tài)的陀螺儀表，具有精度高、壽命長、易于制造、易于集成 等優(yōu)點(diǎn)，是海、陸、空、天等領(lǐng)域慣性系統(tǒng)的首選陀螺儀表，作為提高導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制精度 的最具潛力的高精度陀螺，被認(rèn)為是空間用陀螺的未來發(fā)展方向。隨著光纖陀螺技術(shù)的成 熟，其已開始應(yīng)用于空間的衛(wèi)星、航天飛行器及各種載荷的姿態(tài)控制。與地面用光纖陀螺 不同，空間用高精度光纖陀螺必須考慮空間輻射場及溫度場對光纖陀螺性能與可靠性的影 響。
[0003] 標(biāo)度因數(shù)作為光纖陀螺的一個(gè)核心參數(shù)，對環(huán)境的變化很敏感，為保證光纖陀螺 精度，對標(biāo)度因數(shù)誤差的要求是相當(dāng)嚴(yán)格的。因此，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于模型的多種補(bǔ) 償技術(shù)，一般都是對標(biāo)度因數(shù)溫度誤差進(jìn)行的建模補(bǔ)償，忽略了空間輻射引起的系統(tǒng)參數(shù) 變化。特別的，摻鉺光纖光源作為空間用高精度光纖陀螺光源的唯一選擇，屬于光纖類光電 器件，對空間的特殊輻射環(huán)境敏感，輻射后由于色心效應(yīng)導(dǎo)致其平均波長發(fā)生漂移，這種漂 移會(huì)直接導(dǎo)致標(biāo)度因數(shù)產(chǎn)生一個(gè)同樣量級的誤差。由于光源平均波長的變化與環(huán)境溫度、 輻射時(shí)間、輻射劑量率和輻射總劑量等參數(shù)都有關(guān)，模型輸入?yún)⒘坎幻鞔_，因此標(biāo)度因數(shù)變 化難以建立模型去補(bǔ)償。而一些基于復(fù)雜的波長測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒?，成本高，系統(tǒng)復(fù) 雜，并且在空間應(yīng)用中輻射對其各器件都有影響，故適用性差，不利于工程應(yīng)用。
[0004] 因此，在缺乏模型的情況下，幾乎無法解決空間用光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性問 題。理論上，影響標(biāo)度因數(shù)的重要參數(shù)有：Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)、光纖環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)以 及光源平均波長，實(shí)驗(yàn)研宄表明，輻射對Y波導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)均無影響?；?Y波導(dǎo)特性參數(shù)和光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的輻射不敏感特性，本發(fā)明給出了消除光源平均波長對標(biāo)度 因數(shù)影響的規(guī)律，提出了波長無關(guān)的補(bǔ)償技術(shù)，保證在溫度變化及輻射的情況下的標(biāo)度因 數(shù)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)受到空間輻射場及溫度場的影響，本發(fā)明的目的是為空間 用光纖陀螺提供一種穩(wěn)定標(biāo)度因數(shù)的方法和裝置。本發(fā)明建立Y波導(dǎo)波長無關(guān)的本征調(diào)制 參數(shù)m的溫度特性方程，通過精確補(bǔ)償技術(shù)穩(wěn)定光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)，消除了光源波長對Y波 導(dǎo)半波電壓控制或補(bǔ)償精度的影響，放寬了高精度光纖陀螺對光源波長穩(wěn)定性的要求。該 方法在不明顯增加陀螺成本和復(fù)雜度的情況下，保持了光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定，解決了 空間用光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)不穩(wěn)且無法控制的難題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種穩(wěn)定光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的方法，該方法的步驟 為：采用在光纖陀螺工作波段內(nèi)波長穩(wěn)定的激光光源作為Sagnac干涉儀的光源，僅將Y波 導(dǎo)集成光學(xué)調(diào)制器放置于溫箱中，在陀螺工作溫度范圍內(nèi)，等間隔改變溫箱內(nèi)溫度，測量不 同溫度下Y波導(dǎo)的半波電壓^，Vn=GA/n3y33ir，其中：G為電極間距、A為光源的平 均波長、n為非尋常光折射率、y33為電光系數(shù)、1為電極長度、r為電光重疊積分因子， 用測得的半波電壓值除以激光光源波長值得到Y(jié)波導(dǎo)波長無關(guān)的本征調(diào)制參數(shù)m，m=G/ n3Y331r，建立m參數(shù)的溫度特性方程，在采用該Y波導(dǎo)的光纖陀螺中，實(shí)時(shí)監(jiān)測Y波導(dǎo)的 工作溫度，并基于獲得的m參數(shù)的溫度特性方程調(diào)節(jié)光纖陀螺調(diào)制基準(zhǔn)電壓Vpp，使m/XJI 定到設(shè)定值，進(jìn)而穩(wěn)定光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)。
[0007] 本發(fā)明另外提供一種穩(wěn)定光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的裝置，該裝置需要在光纖陀螺中增 加溫度采集模塊、標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償模塊，在Y波導(dǎo)調(diào)制器中集成微小型熱敏電阻，其中，微小 型熱敏電阻被集成在Y波導(dǎo)殼內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測Y波導(dǎo)的工作溫度T，并將溫度信號傳送給光纖 陀螺的信號處理系統(tǒng)；在信號處理系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)測的溫度值T與實(shí)驗(yàn)得到的補(bǔ)償規(guī)律，計(jì) 算對應(yīng)的調(diào)制基準(zhǔn)電壓值VPP，通過D/A轉(zhuǎn)換器得到模擬量，改變調(diào)制基準(zhǔn)電壓Vpp，保證m/ Vpp穩(wěn)定到設(shè)定值，從而最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)的補(bǔ)償。
[0008]太發(fā)明的丁作原理是：對干閉環(huán)光纖陀螺，其標(biāo)度因數(shù)的表達(dá)式為：
[0009]
⑴
[0010] 其中，L為光纖長度，D為光纖環(huán)直徑，X為光源的平均波長，C為光速為半波 電壓；Vpp為2JT相位所對應(yīng)的電壓峰峰值，N為D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。
[0011] Y波導(dǎo)的半波電壓也受到平均波長的影響，可表示為：
[0012]
(2)
[0013] 其中，G為電極間距，1為電極長度，n為非尋常光折射率，y33為電光系數(shù)、r為 電光重疊積分因子。
[0014] 因此，將式⑵代入（1)，則有：
[0015]
(3)
[0016] 從公式（3)發(fā)現(xiàn)，可以消除平均波長變化這個(gè)因子，使得標(biāo)度因數(shù)只和Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 參數(shù)、銀酸鋰光學(xué)參數(shù)和光纖環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。
[0017]由于Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與光學(xué)參數(shù)基本不受福射影響，光纖環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)也能保持其 相對穩(wěn)定性。因此，對于空間用高精度光纖陀螺，只需要考慮空間環(huán)境溫度對其影響所引起 的標(biāo)度因數(shù)的變化。
[0018] 定義Y波導(dǎo)波長無關(guān)的本征調(diào)制參數(shù)為：
[0019] m=G/n3y33ir (4)
[0020] 則Y波導(dǎo)的半波電壓可表示為：
[0021] =入?m (5)
[0022] 在工作波長A確定后，m參數(shù)可通過測量半波電壓Vn、并用VJ余以波長X獲得， 而且標(biāo)度因數(shù)可表示為：
[0023]
(6)
[0024] 由（6)式可知，為保持空間用光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性，只需要通過調(diào)整調(diào)制基 準(zhǔn)電壓Vpp，對m參數(shù)的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，保證m/Vpp穩(wěn)定到設(shè)定值即可。
[0025] 本發(fā)明首先在全溫范圍內(nèi)（-40°C彡T彡60°C)測量Y波導(dǎo)波長無關(guān)的本征調(diào)制 參數(shù)m的溫度特性，測量方法采用發(fā)明人的專利ZL03105246. 0的方法（楊遠(yuǎn)洪，張惟敘，馬 靜.Y波導(dǎo)調(diào)制器半波電壓測試方法.ZL03105246. 0)，能保證高精度測量。通過最小二乘 擬合得到m參數(shù)的的溫度特性方程；根據(jù)標(biāo)度因數(shù)的表達(dá)式進(jìn)而得到參數(shù)Vpp的溫度補(bǔ)償規(guī) 律，保證m/XJI定到設(shè)定值；在Y波導(dǎo)內(nèi)集成微小型熱敏電阻，實(shí)時(shí)監(jiān)測Y波導(dǎo)芯片的工作 溫度，并將溫度信號傳送給光纖陀螺的信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測的溫度值與 實(shí)驗(yàn)得到的補(bǔ)償規(guī)律，得到對應(yīng)的Vpp;通過動(dòng)態(tài)調(diào)整Vpp最終保證標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。
[0026] 所述m參數(shù)的溫度特性方程是通過實(shí)驗(yàn)測量并擬合得到的，具體步驟包括：
[0027] 將光纖環(huán)及集成微小型熱敏電阻的Y波導(dǎo)置于溫箱內(nèi)，光源及測試系統(tǒng)的其他器 件則保持在室溫（25°C)狀態(tài)下，采用波長穩(wěn)定的激光光源，將溫箱溫度設(shè)置到不同的溫 度，并且每個(gè)溫度點(diǎn)溫度保持足夠長時(shí)間，同時(shí)記錄溫度值T、半波電壓Vn以及光源平均波 長A，從測得的各溫度點(diǎn)下的半波電壓值中除去波長值，得到Y(jié)波導(dǎo)在不同溫度下的m參 數(shù)，即m =V"X=G/n3y331r，以不同的設(shè)定溫度值和其溫度下的m參數(shù)為樣本，通過最 小二乘擬合，獲得m參數(shù)的溫度特性方程m=m(l+f(T-TJ，其中，m(l為T 25°C時(shí)對應(yīng)的參 數(shù)值，f為其溫度特性方程的斜率。
[0028] 所述參數(shù)Vpp的補(bǔ)償規(guī)律是基于m參數(shù)的溫度特性方程得到的，改變調(diào)制基準(zhǔn)電壓 VPP，使m/Vpp穩(wěn)定，保證在光源平均波長和Y波導(dǎo)特性參數(shù)變化時(shí)，標(biāo)度因數(shù)仍然保持穩(wěn)定， 有：Vpp=m/k=VppQ+f(T-TQ)/k，其中k=V(2N+1LD/c)以_為TQ= 25°C時(shí)對應(yīng)的調(diào)制基 準(zhǔn)電壓值。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0030] 本發(fā)明在不降低系統(tǒng)可靠性和增加成本的前提下，解決了空間用光纖陀螺標(biāo)度因 數(shù)難以建立模型補(bǔ)償?shù)膯栴}，解算出消除光源平均波長變化后標(biāo)度因數(shù)的變化規(guī)律，從新 的角度來建立模型，最終實(shí)現(xiàn)了與波長無關(guān)的標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，解決了空間用光纖陀螺 的瓶頸問題。
【附圖說明】
[0031] 圖1是改進(jìn)前閉環(huán)光纖陀螺原理框圖；
[0032] 圖2是光纖陀螺帶標(biāo)度因