专利名称：四频激光陀螺控制方法
技术领域：
本发明涉及四频激光陀螺的控制，尤其是涉及减小四频激光陀螺的磁场或腔长变 化敏感性的自动数字控制。
背景技术：
激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单、体积小等优点，是惯性系统 尤其是捷联惯性系统的理想元件，已大量应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理是萨格 纳克(Mgnac)效应，在它的光学谐振腔内至少运行一对相向传播的光波。当它绕敏感轴相 对于惯性空间转动时，相向行波的频率产生分裂，形成正比于转动速率的拍频，因而通过测 量拍频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。由于谐振腔内相向行波间的能量耦合，激光陀螺存在闭锁效应，导致它无法测量 较低的转速。克服闭锁常用的方法是机械抖动偏频，但机械抖动容易对惯性系统中的其它 仪表产生干扰，而且增大了随机游走、降低了信号带宽。四频激光陀螺采用光学偏频的方法 克服闭锁，具有很大的优越性。四频激光陀螺腔内运行有四个行波模式，采用石英旋光器或 非平面腔使左旋偏振行波和右旋偏振行波产生频率分裂，采用法拉第偏频器件或在增益介 质上施加纵向磁场在相同偏振的相向行波间建立非互易频差以克服闭锁。虽然四频激光陀螺采取的消锁措施非常理想，但它容易受增益介质的色散效应的 影响。色散效应导致各模式的振荡频率偏离空腔频率，如偏离量不能在输出差频中抵消就 导致零偏，更严重的是零偏通常随温度、磁场的变化而变化。为了提高四频激光陀螺的精 度，应对色散效应进行控制。早期四频激光陀螺利用光强差控制程长从而实现对色散效应 的控制，其缺点有一、需要两路光电探测和放大电路，两路信号转换系数或偏置的任何不 对称都会影响零偏，导致零偏和零偏稳定性与电路有关；二、没有专门选择最佳工作点，导 致磁灵敏度较大；三、没有专门选择纵模阶数，导致开机启动重复性较差，在工作温度范围 较大时还有可能发生跳模。

发明内容
本发明的目的是为了克服传统光强差程长控制系统的缺陷，设计一种新型程长控 制系统，使四频激光陀螺工作在对磁场不敏感的最佳工作点、对腔长变化不敏感的最佳磁 场所确定的特征点上，同时在四频激光陀螺的工作任务周期内维持纵模阶数不变，不仅可 减小磁敏感性，还可提高零偏的启动重复性，提高零偏随温度变化的重复性。为实现本发明目的，采取了如下技术方案—个数字控制系统，利用小幅度调制方式分别对施加在四频激光陀螺增益介质上 的磁场强度和程长控制镜的法向位移进行调制，根据四频激光陀螺的输出差频和温度对磁 场强度和程长控制镜的位置进行控制，以使四频激光陀螺工作在对磁场不敏感的最佳工作 点、对腔长变化不敏感的最佳磁场、特定的纵模阶数下。它包括由至少1个输出陀螺信号及 至少1个压电陶瓷控制镜构成的四频激光陀螺谐振腔，与1个输出镜连接、接收其输出光场的合光棱镜，将光场转换为电信号的光电探测器，对光电探测器输出信号进行处理得到四 频激光陀螺差频的读出系统，测量陀螺体温度的温度测量装置，对四频激光陀螺输出信号 进行处理来输出压电陶瓷控制信号和磁场强度控制信号的数字信号处理单元。为使四频激光陀螺时刻工作于最佳磁场和最佳工作点确定的特征点上，采用不同 的频率分别对施加在四频激光陀螺增益介质上的磁场强度和程长控制镜的法向位移即程 长同时进行调制，利用相敏检波技术从差频中提取与磁场强度和程长控制镜法向位移调制 频率相同的信号的幅度，作为误差信号对作用于增益介质上的磁场和四频激光陀螺的程长 进行实时控制。采用相同的频率对施加在四频激光陀螺增益介质上的磁场强度和程长控制镜的 法向位移不同时进行调制，当调制磁场强度时，利用相敏检波技术从差频中提出出与调制 频率相同的信号的幅度，作为误差信号控制程长；当调制程长时，利用相敏检波技术从差频 中提出出与调制频率相同的信号的幅度，作为误差信号控制磁场强度。对四频激光陀螺进行高低温循环测试，测出各阶纵模对应的压电陶瓷控制电压随 温度的变化曲线，从中挑出在整个工作温度范围内都不会跳模的最优纵模，建立最优纵模 对应的压电陶瓷控制电压随温度变化的智能选模模型，并存储在数字信号处理单元中，四 频激光陀螺每次开机上电时首先采集腔体温度，然后根据智能选模模型求出陀螺开机时的 初始控制电压。本发明的优点是使四频激光陀螺时刻工作在由最佳磁场和最佳工作点确定的特 征点上，而且每次开机都工作在同一阶纵模上，从而使零偏的磁敏感性最小，零偏随温度以 及开机启动的重复性最好，达到提高四频激光陀螺精度的目的。


图1是四频激光陀螺的增益曲线及其四个模式。
图2是控制系统具体实现方式。
图3是四频激光陀螺各纵模对应的压电陶瓷电压随温度变化曲线。
图4是高精度V/I转换电路实现方式。
图5是用于产生控制磁场的误差信号的相敏检波器。
图6是用于产生控制最佳工作点的误差信号的相敏检波器。
图7是用于产生控制程长的误差信号的相敏检波器。
图8是控制流程图。
图9是控制系统的另一种具体实现方式。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。在图1中，四频激光陀螺有四个振荡模式位于增益49出光带宽之内，其频率分别 表示为f\、f2> f3> f4，其中模式ι和2构成左旋陀螺，模式3和4构成右旋陀螺，模式1和4 沿顺时针(CW)方向运行，模式2和3沿逆时针(AW)方向运行。四频激光陀螺的零偏可表示为bias (q，Τ, B，fd) = bias0 (q，T) +k (q，T) (B-B0) (fd-fd0) (1)
式中q为纵模阶数，T为绝对温度，B为磁场强度，fd为工作点，B0为最佳磁场，fd0 为最佳工作点，bias为总零偏，bias0为与磁场和工作点无关的零偏。由式(1)可知，除温度外，q、B、fd、B0和fd(1的变化都会导致零偏的变化。四频激 光陀螺一般采用温度补偿而不进行恒温控制，因此为了保证总零偏bias随温度变化的重 复性，最好使四频激光陀螺工作在如下的状态q不变，B = Btl且fd = fd(l。为了维持q不变，本发明采取了智能选模方法，其原理是根据四频激光陀螺的腔 体温度选择q。智能选模的技术方案是将四频激光陀螺放在高低温试验箱内，然后进行温 度循环(-50到70度范围内)，同时记录每个纵模对应的压电陶瓷电压，如图3所示。根据 实验结果，找出在整个温度范围内都在压电陶瓷电压控制范围内的纵模，如图3中第q阶纵 模，然后采用最小二乘法对温度和压电陶瓷电压进行二次拟合，V = ao+a^+a^2 (2)式中V为压电陶瓷电压，a0, B1^a2为拟合系数，t为温度传感器所测腔体温度。将拟合系数％、 、 存储在数字信号处理单元(可用DSP、单片机实现)中，开机 时利用温度传感器12和测温电路17所测腔体温度，根据存储在数字信号处理单元中的选 模模型22，利用式⑵求出初始控制电压Vttl施加在压电陶瓷上，然后再进入程长控制环路。 这样可确保任何温度下开机都选择同一阶纵模。为了保证B = Btl且fd = fd(l，本发明通过读出系统所得差频信息来产生误差信号， 用以控制施加在增益介质上磁场的强度、调整压电陶瓷电压改变工作点来使误差信号为 零。磁场最好通过在增益介质上缠绕载流线圈产生。由于工作点与在腔平移镜的压电陶瓷上所施加的电压成线性关系，因此式⑴可 表示为bias = bias0+k0 (B-B0) (V-V0) (3)式中1 为与磁场和压电陶瓷电压无关的比例系数，V为压电陶瓷电压，Vtl为最佳 工作点对应的压电陶瓷电压。对载流线圈上流过的电流和压电陶瓷电压分别进行小抖动交流调制，可得bias = bias0 + k0LxBx + k0LxBm cos(cy + %) + k0BxLm cos(ωρ + φρ) (4)
+ ^0LmBm cos {ωΡ + φρ ) cos (ωΒ + φΒ )其中VX表示PZT电压偏离Vtl的程度；BX表示偏离最佳磁场的程度；Vm和ω ρ分别 为压电陶瓷电压的调制幅度和频率，外为初始相位；Bm和别为磁感应强度的调制幅度 和频率，％为初始相位。利用相敏检波技术可从差频中获取控制工作点的误差信号& = IctlVA1和控制磁场 强度的误差信号％ = IctlBxLm，然后采用反馈控制使这两个误差信号为0，从而有Vx = 0、BX = 0，因此 bias = bias0。控制磁场和工作点的技术方案一是采用分频控制，用不同的频率同时调制磁场和 腔长，分别使磁场和腔长稳定在对磁场和腔长不敏感的工作点。整个控制系统包括最佳磁 场控制、最佳工作点控制和程长控制三个分环路。在图2中，从输出镜13透射的光信号被光电探测器16转换为电信号，经信号读出 系统18处理后可得左旋光强Iy右旋光强Ik、差频bias。从反射镜14透射的光束入射到光电探测器15上，经射频放大器16放大后进行带通滤波，带通滤波器19滤除射频信号中 的噪声，然后由幅度解调器20将射频信号的幅度求出，记为射频光强IA。数字信号处理模 块21根据差频bias、左旋光强Ip右旋光强Ik、射频光强Ia、温度t实现最佳磁场控制、最 佳工作点控制和程长控制。最佳磁场控制环路包括信号读出系统18、振荡器23、相敏检波M、PID控制器25、 数模转换器(DAC)33、V/I转换器32、导电线圈2。振荡器23输出正弦波或方波调制信号 (频率为lHZ-20kHZ)，经数模转换器32输出，并加载到压电陶瓷上。压电陶瓷电压受到调 制后引起程长以及差频的调制，相敏检波M从差频中提取误差信号％，然后经PID控制器 得到控制信号uB，经数模转换器33输出控制电压，V/I转换器32根据控制电压输出电流到 线圈2，改变线圈2所产生的磁场强度。最佳磁场控制环路工作时可使增益区上的平均磁场 强度为最佳磁场。V/I转换器可采用图4所示结构。相敏检波器M的构成如图5所示，振荡器23与差频在乘法器40处相乘，输出经 低通滤波得到误差信号％。最佳工作点控制环路包括信号读出系统18、振荡器四、相敏检波器30、PID控制器 31。振荡器四输出的正弦或方波调制信号叠加在磁场控制信号uB上，从而引起差频的调 制，相敏检波器30根据振荡器四与差频求得最佳工作点的误差信号A，经PID控制器31 后输出最佳工作点控制信号％。相敏检波器30的构成如图6所示振荡器四与差频相乘，然后经低通滤波器44 后得到控制最佳工作点的误差信号4。程长控制环路包括振荡器23、数模转换器34、数模转换器35、PZT驱动器36、PZT 11、光电探测器15、射频放大器16、带通滤波器19、幅度解调器20、相敏检波器26、PID控 制器27。光电探测器15将四频激光陀螺1的反射镜14透射出的光信号转变为电信号，并 由射频放大器16进行放大，带通滤波器19用来减小射频信号中的噪声，幅度解调器20将 射频信号的幅度求出得到射频光强。振荡器23输出的调制信号经数模转换器35转变为电 压调制信号，然后叠加在压电陶瓷控制信号上使压电陶瓷11受到调制，从而引起腔长的调 制。腔长的调制引起射频光强的调制，相敏检波器26根据振荡器23输出的调制信号和射 频光强提取用于控制程长的误差信号4。为了使四频激光陀螺工作在最佳工作点上，误差 信号h减去最佳工作点控制信号I，然后经PID控制器27输出程长控制信号。程长控制 信号经数模转换器34转换为电压信号，再由PZT驱动器36进行放大以控制压电陶瓷。相敏检波器沈的构成如图7所示振荡器23输出信号与射频光强在乘法器45处 相乘，经低通滤波器46后输出误差信号巧。整个程长控制系统在软件的作用下协调工作，其流程如图8所示。具体步骤如下第一步，四频激光陀螺和程长控制系统上电，然后程序对各变量进行初始化，根据 信号读出系统的左、右旋光强判断四频激光陀螺是否点燃。第二步，采集四频激光陀螺腔体温度t，根据选模模型22计算初始压电陶瓷控制 电压Vt0，将四频激光陀螺的腔长调节到第q阶纵模范围内，同时根据存储的电流数据输出 接近最佳磁场的电流。第三步，进行程长控制，将腔长调节到射频光强极大值附近。第四步，进行最佳磁场和最佳工作点控制。
第五步，输出四频激光陀螺所测角速度数据。程长控制系统的程长控制环路也可利用左、右旋光强差，如图9所示。除e1外，其 它部分与图2没有区别。
权利要求
1.一种四频激光陀螺控制系统，包括腔内含有四个行波的环形谐振腔、提取行波幅度 和频率信息的信号读出装置、对四频激光陀螺的工作状态进行控制的信号处理装置，其特 征是根据四频激光陀螺自身特征信息对四频激光陀螺的程长或磁场进行控制，使四频激光 陀螺工作在其零偏对磁场变化灵敏度最小或对腔长变化灵敏度最小的状态下。
2.根据权利要求1所述的根据四频激光陀螺温度信息选择纵模的装置，包括可测量四 频激光陀螺温度的温度测量装置、存储有程长控制镜位置与四频激光陀螺温度函数关系的 装置、根据温度计算程长控制镜压电陶瓷电压的运算装置、根据计算结果输出压电陶瓷控 制电压的转换装置，其特征是根据四频激光陀螺温度输出开机时的初始控制电压使粘在程 长控制镜上的压电陶瓷迅速移动到一个最优初始值，这个初始值是保证四频激光陀螺在整 个任务工作温度范围内纵模阶数不变。
3.根据权利要求1所述的提取同向行波拍频幅度和频率信息的装置，包括至少使一对 同向行波在光电探测器接收面上混合的光电探测器、将光电探测器输出信号进行放大的射 频放大器、提取射频信号幅度的幅度解调器，其特征在于用光电探测器接收四频激光陀螺 同向行波拍频信号，将该信号放大然后采用幅度解调器获取拍频信号的幅度。
4.根据权利要求1所述的程长和磁场控制装置，包括V/I转换器、磁场发生器、调制电 流产生装置、调制电压产生装置、粘有压电陶瓷的程长控制镜、信号读出装置、数字信号处 理单元，其特征是采用不同的调制频率分别对磁场强度和程长进行小抖动调制，利用相敏 检波技术从差频中提取与上述调制频率相同的两个分量的幅度，用来产生控制信号实现对 程长和磁场的控制，直到差频中的调制分量幅度达到最小。
5.根据权利要求1所述的程长和磁场控制装置，包括V/I转换器、磁场发生器、调制电 流产生装置、调制电压产生装置、粘有压电陶瓷的程长控制镜、信号读出装置、数字信号处 理单元，其特征是采用分时技术对磁场强度和程长进行小抖动调制，利用相敏检波技术从 差频中提取与上述调制频率相同的分量的幅度，用来产生控制电压信号实现对程长和磁场 的控制，直到差频中的调制分量幅度达到最小。
6.根据权利要求4或5所述的相敏检波装置，其特征是根据输出的小抖动调制信号对 差频信号进行相敏检波，从中检出控制磁场强度和工作点的误差信号。
全文摘要
本发明公开了一种四频激光陀螺控制系统，该系统根据四频激光陀螺自身输出的差频信息随程长和磁场的变化特点来实现对程长或磁场的控制，使四频激光陀螺工作在其零偏对磁场变化灵敏度最小或对腔长变化灵敏度最小的状态下，从而提高四频陀螺的性能。
文档编号G01C19/66GK102147254SQ201010501868
公开日2011年8月10日 申请日期2010年10月1日 优先权日2010年10月1日
发明者汪之国, 王飞, 龙兴武 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学