一种稳定光纤陀螺保持标度因数的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性仪表技术领域，特别是涉及一种稳定光纤陀螺标度因数的方法和 装置。
【背景技术】
[0002] 光纤陀螺作为一种全固态的陀螺仪表，具有精度高、寿命长、易于制造、易于集成 等优点，是海、陆、空、天等领域惯性系统的首选陀螺仪表，作为提高导航、制导与控制精度 的最具潜力的高精度陀螺，被认为是空间用陀螺的未来发展方向。随着光纤陀螺技术的成 熟，其已开始应用于空间的卫星、航天飞行器及各种载荷的姿态控制。与地面用光纤陀螺 不同，空间用高精度光纤陀螺必须考虑空间辐射场及温度场对光纤陀螺性能与可靠性的影 响。
[0003] 标度因数作为光纤陀螺的一个核心参数，对环境的变化很敏感，为保证光纤陀螺 精度，对标度因数误差的要求是相当严格的。因此，国内外学者提出了基于模型的多种补 偿技术，一般都是对标度因数温度误差进行的建模补偿，忽略了空间辐射引起的系统参数 变化。特别的，掺铒光纤光源作为空间用高精度光纤陀螺光源的唯一选择，属于光纤类光电 器件，对空间的特殊辐射环境敏感，辐射后由于色心效应导致其平均波长发生漂移，这种漂 移会直接导致标度因数产生一个同样量级的误差。由于光源平均波长的变化与环境温度、 辐射时间、辐射剂量率和辐射总剂量等参数都有关，模型输入参量不明确，因此标度因数变 化难以建立模型去补偿。而一些基于复杂的波长测试技术实现补偿的方法，成本高，系统复 杂，并且在空间应用中辐射对其各器件都有影响，故适用性差，不利于工程应用。
[0004] 因此，在缺乏模型的情况下，几乎无法解决空间用光纤陀螺标度因数的稳定性问 题。理论上，影响标度因数的重要参数有：Y波导结构参数和光学参数、光纤环结构参数以 及光源平均波长，实验研宄表明，辐射对Y波导材料的结构参数和光学参数均无影响。基于 Y波导特性参数和光纤环结构的辐射不敏感特性，本发明给出了消除光源平均波长对标度 因数影响的规律，提出了波长无关的补偿技术，保证在温度变化及辐射的情况下的标度因 数的稳定性。
【发明内容】
[0005] 针对光纤陀螺标度因数受到空间辐射场及温度场的影响，本发明的目的是为空间 用光纤陀螺提供一种稳定标度因数的方法和装置。本发明建立Y波导波长无关的本征调制 参数m的温度特性方程，通过精确补偿技术稳定光纤陀螺标度因数，消除了光源波长对Y波 导半波电压控制或补偿精度的影响，放宽了高精度光纤陀螺对光源波长稳定性的要求。该 方法在不明显增加陀螺成本和复杂度的情况下，保持了光纤陀螺的标度因数稳定，解决了 空间用光纤陀螺标度因数不稳且无法控制的难题。
[0006] 本发明所采用的技术方案为：一种稳定光纤陀螺标度因数的方法，该方法的步骤 为：采用在光纤陀螺工作波段内波长稳定的激光光源作为Sagnac干涉仪的光源，仅将Y波 导集成光学调制器放置于温箱中，在陀螺工作温度范围内，等间隔改变温箱内温度，测量不 同温度下Y波导的半波电压^，Vn=GA/n3y33ir，其中：G为电极间距、A为光源的平 均波长、n为非寻常光折射率、y33为电光系数、1为电极长度、r为电光重叠积分因子， 用测得的半波电压值除以激光光源波长值得到Y波导波长无关的本征调制参数m，m=G/ n3Y331r，建立m参数的温度特性方程，在采用该Y波导的光纤陀螺中，实时监测Y波导的 工作温度，并基于获得的m参数的温度特性方程调节光纤陀螺调制基准电压Vpp，使m/XJI 定到设定值，进而稳定光纤陀螺的标度因数。
[0007] 本发明另外提供一种稳定光纤陀螺标度因数的装置，该装置需要在光纤陀螺中增 加温度采集模块、标度因数补偿模块，在Y波导调制器中集成微小型热敏电阻，其中，微小 型热敏电阻被集成在Y波导壳内，实时监测Y波导的工作温度T，并将温度信号传送给光纤 陀螺的信号处理系统；在信号处理系统中根据实测的温度值T与实验得到的补偿规律，计 算对应的调制基准电压值VPP，通过D/A转换器得到模拟量，改变调制基准电压Vpp，保证m/ Vpp稳定到设定值，从而最终实现标度因数的补偿。
[0008]太发明的丁作原理是：对干闭环光纤陀螺，其标度因数的表达式为：
[0009]
⑴
[0010] 其中，L为光纤长度，D为光纤环直径，X为光源的平均波长，C为光速为半波 电压；Vpp为2JT相位所对应的电压峰峰值，N为D/A转换器位数。
[0011] Y波导的半波电压也受到平均波长的影响，可表示为：
[0012]
(2)
[0013] 其中，G为电极间距，1为电极长度，n为非寻常光折射率，y33为电光系数、r为 电光重叠积分因子。
[0014] 因此，将式⑵代入（1)，则有：
[0015]
(3)
[0016] 从公式（3)发现，可以消除平均波长变化这个因子，使得标度因数只和Y波导结构 参数、银酸锂光学参数和光纤环结构参数有关。
[0017]由于Y波导结构参数与光学参数基本不受福射影响，光纤环结构参数也能保持其 相对稳定性。因此，对于空间用高精度光纤陀螺，只需要考虑空间环境温度对其影响所引起 的标度因数的变化。
[0018] 定义Y波导波长无关的本征调制参数为：
[0019] m=G/n3y33ir (4)
[0020] 则Y波导的半波电压可表示为：
[0021] =入?m (5)
[0022] 在工作波长A确定后，m参数可通过测量半波电压Vn、并用VJ余以波长X获得， 而且标度因数可表示为：
[0023]
(6)
[0024] 由（6)式可知，为保持空间用光纤陀螺标度因数稳定性，只需要通过调整调制基 准电压Vpp，对m参数的温度特性进行补偿，保证m/Vpp稳定到设定值即可。
[0025] 本发明首先在全温范围内（-40°C彡T彡60°C)测量Y波导波长无关的本征调制 参数m的温度特性，测量方法采用发明人的专利ZL03105246. 0的方法（杨远洪，张惟叙，马 静.Y波导调制器半波电压测试方法.ZL03105246. 0)，能保证高精度测量。通过最小二乘 拟合得到m参数的的温度特性方程；根据标度因数的表达式进而得到参数Vpp的温度补偿规 律，保证m/XJI定到设定值；在Y波导内集成微小型热敏电阻，实时监测Y波导芯片的工作 温度，并将温度信号传送给光纤陀螺的信号处理系统；信号处理系统根据实测的温度值与 实验得到的补偿规律，得到对应的Vpp;通过动态调整Vpp最终保证标度因数的稳定性。
[0026] 所述m参数的温度特性方程是通过实验测量并拟合得到的，具体步骤包括：
[0027] 将光纤环及集成微小型热敏电阻的Y波导置于温箱内，光源及测试系统的其他器 件则保持在室温（25°C)状态下，采用波长稳定的激光光源，将温箱温度设置到不同的温 度，并且每个温度点温度保持足够长时间，同时记录温度值T、半波电压Vn以及光源平均波 长A，从测得的各温度点下的半波电压值中除去波长值，得到Y波导在不同温度下的m参 数，即m =V"X=G/n3y331r，以不同的设定温度值和其温度下的m参数为样本，通过最 小二乘拟合，获得m参数的温度特性方程m=m(l+f(T-TJ，其中，m(l为T 25°C时对应的参 数值，f为其温度特性方程的斜率。
[0028] 所述参数Vpp的补偿规律是基于m参数的温度特性方程得到的，改变调制基准电压 VPP，使m/Vpp稳定，保证在光源平均波长和Y波导特性参数变化时，标度因数仍然保持稳定， 有：Vpp=m/k=VppQ+f(T-TQ)/k，其中k=V(2N+1LD/c)以_为TQ= 25°C时对应的调制基 准电压值。
[0029] 本发明的优点在于：
[0030] 本发明在不降低系统可靠性和增加成本的前提下，解决了空间用光纤陀螺标度因 数难以建立模型补偿的问题，解算出消除光源平均波长变化后标度因数的变化规律，从新 的角度来建立模型，最终实现了与波长无关的标度因数补偿技术，解决了空间用光纤陀螺 的瓶颈问题。
【附图说明】
[0031] 图1是改进前闭环光纤陀螺原理框图；
[0032] 图2是光纤陀螺带标度因