专利名称：四频激光陀螺工作点的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及四频激光陀螺工作点的控制装置，尤其是使四频激光陀螺工作在任意 工作点的数字控制装置。
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 (Sagnac)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，但机械抖动增大了随机游走、降低了信 号带宽，而且容易对惯性系统中的其它仪表(如惯组中另外的陀螺、加速度计等仪表)产生 干扰。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。在四频激光陀 螺的谐振腔内运行有四个行波模式，采用石英旋光器或非平面环形腔可使左旋偏振(LCP) 行波和右旋偏振(RCP)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 磁场可在相同偏振的相向行波间建立非互易频率分裂以避开闭锁区域。左旋偏振的一对行 波构成一个左旋偏振的二频单陀螺(称为左旋陀螺)，右旋偏振的一对行波构成一个右旋 偏振的二频单陀螺(称为右旋陀螺)。四频激光陀螺的增益曲线如图1所示，左旋陀螺和右旋陀螺之间的频率分裂称为 互易分裂，典型值为数百MHz ；每个单陀螺的两个相向运行行波之间的频率分裂称为非互 易分裂，典型值为1MHz。四频激光陀螺中至少含有四个模式，左旋偏振顺时针方向运行的模 式频率为、振幅为A1 ；左旋偏振逆时针方向运行的模式频率为f2、振幅为A2 ；右旋偏振逆 时针方向运行的模式频率为f3、振幅为A3 ；右旋偏振顺时针方向运行的模式频率为f4、振幅 为A4。左旋陀螺两个模的频差为fL == F+SQ (1)式中F为法拉第偏频，S为环形腔的几何比例因子，Ω为输入角速度。右旋陀螺两个模的频差为fE = f4-f3 = F-S Ω (2)采用光电探测装置以及相应的信号处理电路分别测出左、右旋陀螺的频差然后求 差得到四频激光陀螺的最终输出为f0Ut = fL-fE = 2SQ(3)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、工作点而变。为了使四频激光陀螺能够可靠地
4运行，应采用程长控制装置对色散效应的影响进行控制，使左、右旋陀螺分别位于增益曲线 大致对称的两侧。四频激光陀螺一般采用四面(或以上)反射镜，其中至少一个反射镜透 出少量光场，称为透射镜；程长控制执行装置通常是在一面反射镜上粘有压电元件(常用 压电陶瓷)，通过改变压电元件上的电压推拉反射镜改变程长从而调节工作点。四频激光陀 螺的磁场灵敏度和温度灵敏度都与工作点有关，为了获得较好的性能，应根据需要将四频 激光陀螺控制在磁场灵敏度或温度灵敏度最小的工作点上。为了便于表述，设增益曲线49的峰值频率为&，频率为fj(j = 1 4)的模式获得 的增益为gj(j = 1 4)，振幅为Aj (j = 1 4)。四频激光陀螺早先采用光强差控制工作 点，其原理为采用信号读出系统对四频激光陀螺透射镜的输出光场进行处理，得到代表左 旋陀螺光强和右旋陀螺光强的电信号，用二者之差作为误差信号控制工作点，从而使四频 激光陀螺工作在左、右旋陀螺光强相等的工作点上。这种方式较为容易实现，但是它有不少 缺点一、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，导致四频激光陀螺的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、陀螺的光强、压电陶瓷灵敏度等陀螺参数的变化影响控制环路的稳 定性。

发明内容
本发明的目的是为了克服采用传统光强差控制工作点的系统的缺陷，提出一种稳 频方法，可使四频激光陀螺在任意工作点，例如工作在磁场灵敏度最小的工作点或者温度 灵敏度最小的工作点。本发明通过对四频激光陀螺的反射镜进行调制以及对四频激光陀螺 的输出光强信息进行解调来实现任意工作点的控制。本发明可以采用全模拟电子线路实 现，但最好采用DSP、单片机、计算机等数字处理单元实现。为实现本发明目的，采取了如下技术方案至少四面反射镜组成一个四频激光陀螺环形谐振腔，至少一面反射镜可透射部分 光场，至少一面反射镜可前后运动，反射镜驱动器驱动反射镜前后运动用来控制程长，程长 控制装置包括测量四频激光陀螺光场强度的探测器、根据光场强度变化情况来改变反射镜 驱动器驱动电压的伺服控制环路、对伺服控制环路中调制幅度进行稳定控制的调制幅度控 制环路、根据光场强度和反射镜驱动器驱动电压之间的关系对光场强度测量系统的增益进 行控制的增益控制环路。本发明涉及的自动增益控制环路可通过对电子器件(如电子放大器)的放大系数 进行控制，也可以通过对采集到数字信号处理单元中的光强乘以一个系数进行控制。为了便于理解本发明，附录给出详细的数学推导。本发明的优点是可使四频激光陀螺稳定地工作在任意工作点上，例如磁灵敏度 最小的工作点。


图1是四频激光陀螺的增益曲线及其四个模式。图2是本发明的硬件结构图。图3是本发明的原理框图。
图4是归一化的程长控制框图。图5是相敏检波原理图。图6是实现任意工作点控制的原理框图。图7是实现任意工作点控制的另一种方式的原理图。
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2中，从四频激光陀螺1的透射片13透射出的部分光场入射到光电探测器15 上，光电探测器15可以将从直流到IGHz频率范围的光信号转换为电信号，然后经射频放大 器16进行放大，射频放大器16对光电探测器15输出电信号中的射频分量进行放大。带通 滤波器17允许频率在同向行波拍频左右的信号通过，同时还可滤除部分噪声以提高信号 的信噪比。幅度解调器18将带通滤波器17输出的射频信号幅度检出，该幅度称为射频光 强，然后经模数转换器29采集到DSP 19中。DSP中含有三个控制环路，自动增益控制环路 20用来补偿陀螺光强、射频放大器16的增益等参数变化导致的射频光强变化，程长控制环 路21用来控制陀螺的程长以维持稳定的工作点，调制幅度控制环路22用来控制调制模块 的幅度来补偿陀螺光强、压电陶瓷灵敏度等参数变化对射频光强的调制强度的影响，而且 也提供给程长控制环路21来实现程长控制功能。程长控制环路21的输出信号经数模转换 器30转换为模拟控制信号，然后经压电陶瓷驱动器24放大，调制模块23的输出信号经数 模转换器31转换为模拟调制信号，与压电陶瓷驱动器24的输出信号在加法器25处相加， 一起施加到粘在四频激光陀螺1的反射镜11的压电陶瓷上。压电陶瓷随电压信号而进行 机械运动。为了便于理解控制原理，对图2各部分做了数学抽象，将图2中各个模块用数学模 型表示，如图3所示。根据输入输出特性将四频激光陀螺1的输出射频光强幅度表示为Ia =IJl-aJf-f^)2]，各符号的含义见附录1。光电探测、射频放大和幅度解调用比例系数K2 表示，模数转换器用比例系数KAD。表示，数模转换器用比例系数KDA。表示，压电陶瓷驱动器 用比例系数K1表示，单位压电陶瓷驱动电压变化引起的工作点变化用比例系数Kpzt表示。 这时可将DSP采集到的射频光强信号与输出电压V的关系表示为y = KadcK2Iao [ l_a2 (KpztKdacK1 V+KPZTKDACVmcos ω I-KpztKdacK1Vci) 2] (4)然后进行变量替换，得到y = I0[l-a (x+xmcos ω t)2] (5)上两式中各符号的含义见附录1。在DSP中的软件控制框图如图4所示。模数转换器采集的射频光强信号用y表示， kg表示软件增益(当然也可在电子器件硬件上实现，如通过控制射频电路放大增益或在幅 度解调电路后增加可控增益的放大器，但没有本质不同)。根据(1.7) (1.11)式可求出 y中的一次谐波幅度和二次谐波幅度，具体运算采用DSP软件编程实现。求出二次谐波幅度 Z2后，再由求Itl模块52求出z4，将其与设定值Gref进行比较得到自动增益控制环路的误差 信号，经PID控制器48后产生自动增益控制信号，与常量1相加成为kg，用来控制射频光强
信号1的软件增益。在除法器53处，二次谐波幅度Z2除以Z4后成为，与设定值比较后产生自动调制幅度控制误差信号，经PID控制器56后产生自动调制幅度控制信号，与 常量1相加后成为Xm，与单位正弦函数发生器60相乘后用来控制四频激光陀螺压电陶瓷的 调制幅度。一次谐波幅度Z1与Xm相乘后为程长控制误差信号，经PID控制器45后成为程 长控制信号。三角波发生器61输出线性变化的扫模电压，用以扫模。当需要进行程长控制 时，应将开关拨到程长控制输出上。图5给出了求输入信号b中频率为ω的成分幅度的框图对输入信号b，只需与 cos COt相乘然后经过低通滤波器103就可将b中频率为ω的成分的幅度求出。图4中的 求1次谐波幅度42和求2次谐波幅度43只需根据附录1中的数学表达式进行数字编程即 可求出。图4所给控制框图只能将四频激光陀螺控制在射频光强幅度极大值对应的工作 点上，在此基础上增加偏置控制环路就构成了带偏置的程长控制系统。由式(1. 6)可知，未加调制时y = I0(l-ax2)(6)这时采用小抖动调制法只能将y控制在χ = 0处的极大值。偏置就是将y控制在 χ = Xoff处，因此程长控制环路工作时应该有al0 (x-xoff) Xm = 0(7)即只需对图4中误差信号进行修正即可将四频激光陀螺的工作点偏置到任何位 置，系统框图如图6所示。图7给出了另一种任意工作点控制方法最佳实施例的框图，其中L和Ik分别表示 左、右旋陀螺的光强，具体获取方法可参考2000年2月出版的《光电子 激光》第11卷1期 49页名为《四频差动激光陀螺中的激光稳频》一文。下面结合附录2对控制方法进行具体 说明。采集到DSP中的左旋光强记为Iy右旋光强记为IK，kg表示左、右旋光强的软件增 益(当然也可在电子器件硬件上实现，但没有本质不同)。采用正弦振荡器76通过乘法器 71和78分别与左、右旋光强相乘然后分别经低通滤波器72和78，可求出Idi = IcAKA1和
Id4 = ΙΛΑχω。在除法器73处可求出·= >，然后与右旋光强相乘，可消除左、右旋光强
AR JD4
信号转换系数的差异。左旋光强和修正的右旋光强在加法器85处求和，得到光强和Isum = 2I0Kl, Isih与设定值进行求差，误差信号经PID控制器产生软件增益kg，从而将光强和稳 定在一个常值上。在除法器86处Idi = IciaiKA1除以光强和Ism = 2I0KL得到aA/2，然后 与设定值Mref比较产生自动调制幅度控制环路的误差信号，经过PID控制器89后产生调制 幅度控制信号xm，在乘法器94处与单位正弦调制信号相乘后输出用于调制四频激光陀螺腔 长的调制信号。减法器90输出的光强差为ΔΙ = 1「14 = ？^…^与、相乘然后除以Idi =Ioa1Kpm后得到2x，该信号与设定值x。ff比较产生程长控制误差信号，经PID控制器后输 出控制信号用来调节程长。改变设定值x。ff可使四频激光陀螺工作在任意工作点上。四频激光陀螺的零偏特性与工作点密切相关，例如有对磁场变化敏感性最小的工 作点、有对温度变化敏感性最小的工作点。下面给出选择上述两种工作点的具体方式。第一种情况是选择对磁场敏感性最小的工作点。在四频激光陀螺的增益区上缠绕 导电线圈，通以电流i，利用图6或图7所示电路，将工作点设定在x。ffl上，然后改变流过导
7电线圈的电流，记录四频激光陀螺的差频，做出一条差频随电流i变化的曲线1。类似地， 将工作点设定在x。ff2上，再做出一条差频随电流i变化的曲线2。继续该过程做出η条曲 线。利用最小二乘法分别对曲线1 η进行一次线性拟合，得到的拟合曲线记为曲线Cj(j =1，…，n)，将曲线Cj(j = 1，…，η)以工作点设定值x。ff为自变量做在同一副图中，这些 曲线有一个交点，对应的x。ff即为对磁场敏感性最小的工作点。第二种情况是选择对温度敏感性最小的工作点。将四频激光陀螺放在温度试验箱 内，工作点设定为x。ffl，同时用温度传感器测量陀螺体温度。改变温度试验箱的温度t，做出 一条差频随温度变化的曲线1。然后将工作点改为x。ff2，再做一条差频随温度变化的曲线2， 以此类推，直到做出一簇差频随温度的变化曲线。在可选的工作点范围内，总有一条曲线随 温度的变化最小，该曲线对应的工作点即为对温度敏感性最小的工作点。附录1采用射频光强的任意工作点控制方法的数学推导对于四频激光陀螺，顺时针运行的光束含有频率为和f4的模式，这两个模式的 光场可表示为Ecw = A1Cos (^t) +A2Cos (f2t) (1. 1)采用光电探测器将光强转换为电信号，电信号的形式为(略去探测器无法响应的 光频分量)Icw = A^ + ^22 + AxA1 cos(/4 -Z1) (1.2)采用高频放大器放大式(1. 2)中的交流分量，然后再进行幅度检波可得到射频光 强IA:Ia = A1A2 (1· 3)Ia随工作点的变化关系可近似用二次曲线表示Ia = IA0[l-a2(f-f0)2] (1.4)式中Ιω为Ia的极大值，a2为拟合系数，&为14取极大值时的工作点，f为实际工 作点。工作点控制系统如图3所示数模转换、高压放大(即压电陶瓷驱动器)、压电陶 瓷灵敏度(单位压电陶瓷电压导致的工作点变化)、光电转换与放大、模数转换都用一个比 例系数表示，而用式(1.4)表示Ia与工作点的关系。这时可将数字信号处理模块(不妨以 用DSP为例)采集到的Ia信号表示为y = KadcK2Iao [l-a2 (KpztKdacK1 V+KPZTKDACVmcos ω I-KpztKdacK1Vci) 2] (1. 5)式中V为DSP输出的电压码，VmCos ω t % DSP输出的抖动调制电压码，V0为Ia极 大值对应的电压码。这里Vm之前未乘以K1是因为调制电压未经过高压放大而加载到压电 陶瓷上。式(1.5)可简化为y = I。[l-a(x+xmcoscot)2](1.6)式中1。=KadcK2Ia。，a = a2 (KpztKdac)2, χ = K1 (V-V0)，xm = Vffl0 由于电路、光强等参 量变化的影响已经体现在I。和a之中，χ与工作点一一对应。式(1.6)中的直流项为:y0=/0I-OX2-JOX^1含调制频率1次的项为只=COs(fijr + φ)
含调制频率2次谐波的项为Y一÷o／0)＼L2 cos(2wt+2~)
采用如下方法，可得
权利要求
1.一种四频激光陀螺工作点控制装置，包括由至少四面反射镜组成的环形谐振腔1， 其中至少一面反射镜可透射部分光场、至少一面反射镜可以前后位移，驱动上述可前后位 移反射镜的驱动装置，以及探测四频激光陀螺光场信号的装置15和根据光场信号与反射 镜驱动电压的关系来控制反射镜驱动装置的伺服环路21，其特征在于除了驱动反射镜位置 的环路21外，还包括调制幅度控制环路22和增益控制环路20，其中调制幅度控制环路22 根据伺服装置采集到的光场信号与反射镜驱动电压的函数关系产生调制幅度控制信号，增 益控制环路20根据伺服装置采集到的光场信号与反射镜驱动电压的函数关系产生增益控 制信号用来调整伺服环路所用信号的幅度。
2.根据权利要求1所述的调制幅度控制装置22，其特征在于调制幅度控制装置用来为 上述反射镜位置伺服环路21提供调制控制，采用数字调制为反射镜驱动装置提供交变信 号，并根据伺服装置采集到的光场与驱动电压的关系改变调制幅度。
3.根据权利要求1所述的增益控制装置20，其特征在于根据伺服装置采集到的光场信 号与驱动电压的关系产生增益控制信号，用来调整四频激光陀螺输出光场转换到伺服环路 过程中电子放大装置或幅度解调装置或软件增益装置之间任意一个或多个装置的增益。
4.根据权利要求1所述的四频激光陀螺反射镜伺服装置21，其特征在于与调制幅度控 制装置和增益控制装置产生稳定的反射镜位置伺服装置驱动信号。
5.根据权利要求1所述的四频激光陀螺反射镜伺服装置21，其特征在于用来控制伺服 环路调制信号幅度的调制幅度控制装置22和用来调整伺服环路采集到的光场信号强度的 增益控制装置20 —起工作消除各自间的耦合，将四频激光陀螺控制在任意偏置的工作点 上。
6.根据权利要求1所述的一种四频激光陀螺工作点控制装置，包括一个由至少四面反 射镜组成的环形谐振腔，至少维持四个模式振荡，至少一个反射镜可透射部分光场，至少一 个反射镜可前后移动，其特征在于光电探测装置将透射出的至少一对同向运行的光场混合 信号转换为电信号，幅度解调装置18将该电信号的幅度求出；调制装置对反射镜位置进行 交流调制从而使上述幅度解调装置输出的信号幅度受到调制；调制解调装置将上述幅度解 调装置输出的信号中调制幅度信息解出；伺服装置根据上述调制解调装置输出信息对四频 激光陀螺的反射镜位置进行控制；自动调制幅度装置对反射镜调制幅度进行控制；自动增 益控制装置对从透射镜输出光场转换到伺服装置采集信号过程中的电子放大装置、幅度解 调装置或软件增益的增益进行控制。
7.—种四频激光陀螺工作点控制装置，包括一个由至少四面反射镜组成的环形谐振 腔，至少维持四个模式振荡，至少一个反射镜可透射部分光场，至少一个反射镜可前后移 动，其特征在于光电探测装置将透射出的四个模式的光场进行处理得到左旋陀螺和右旋陀 螺的光强幅度；调制装置对反射镜位置进行交流调制从而使上述幅度解调装置输出的信号 幅度受到调制；调制解调装置将上述幅度解调装置输出的信号中调制幅度信息解出；伺服 装置根据上述调制解调装置输出信息对四频激光陀螺的反射镜位置进行控制；自动调制幅 度装置对反射镜调制幅度进行控制；自动增益控制装置对从透射镜输出光场转换到伺服装 置采集信号过程中的电子放大装置、幅度解调装置或软件增益的增益进行控制。
8.—种对磁场敏感性最小的工作点判定方法，包括权利要求6或7所述的工作点控制 装置、给四频激光陀螺增益区施加磁场的导电线圈，其特征是通过改变流过导电线圈的电流，做出一簇(至少两条)差频随工作点变化的曲线，采用最小二乘法对每条曲线进行线性 拟合，然后将整簇曲线以工作点为自变量做在同一副图中，这些曲线的交点对应的工作点 即为对磁场敏感性最小的工作点。
9. 一种对温度敏感性最小的工作点判定方法，包括权利6或7所述的工作点控制装置、 陀螺体温度测量装置、改变陀螺体温度的装置，其特征是改变陀螺体温度，做出不同工作点 对应的差频随陀螺体温度变化曲线，直到找到差频随陀螺体温度变化最小的工作点，该工 作点就是对温度敏感性最小的工作点。
全文摘要
本发明公开了一种四频激光陀螺工作点控制装置，该装置包括反射镜位置伺服环路、自动调制幅度控制环路和自动增益控制环路，而且三个环路之间没有耦合。通过三个控制环路的同时工作，可使四频激光陀螺稳定地工作在任意工作点上，如磁场灵敏度或温度灵敏度最小的工作点上，从而提高四频激光陀螺的抗干扰能力。
文档编号G01C19/66GK102003958SQ20101050189
公开日2011年4月6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