四频差动激光陀螺带宽与角分辨率测试方法

摘要

本发明公开了一种四频差动激光陀螺带宽与角分辨率测试方法，它利用四频差动激光陀螺的磁致零偏，通过宽带磁场发生装置给四频差动激光陀螺施加磁场，同时记录输出的拍频脉冲，磁场信号类型和拍频脉冲采样时间根据测量需要选择，然后对数据进行处理得到带宽和分辨率，这种方法的优点是准确、快速、廉价。

说明书

技术领域

本发明涉及四频差动激光陀螺的带宽和角分辨率测试，属于测试技术领域。

背景技术

激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单等优越性，是惯性系统尤其是捷联惯性系统的理想元件，已经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。当激光陀螺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差频，因而通过测量差频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。

由于反射镜的背向散射等原因，环形谐振腔内相向行波间的能量会发生微弱的耦合，导致激光陀螺存在闭锁效应，从而无法测量较低的转速。克服闭锁效应最常用的方法是机械抖动偏频，其原理是利用一个机械抖动装置为激光陀螺提供高频小振幅的角速度输入，即所谓的“抖动”，然后再采用信号处理技术将该抖动角速度输入从激光陀螺的输出信号中扣除，从而得到实测角速度。但机械抖动装置增大了激光陀螺的随机游走、降低了信号带宽，而且机械振动还会对惯性系统中的其它仪表如惯组中另外的陀螺、加速度计、光学瞄准器等仪表产生机械干扰。

另一种广泛采用的克服闭锁的方案是四频差动技术，它采用光学偏频的方法克服闭锁，具有带宽大、无机械干扰等优点。在四频差动激光陀螺的谐振腔内运行有四个行波模式，原理如下：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)。

四频差动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。四频差动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f₁、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。左旋陀螺两个模式之间的频差为：

f_L＝f₂-f₁＝F+SΩ

(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。

右旋陀螺两个模式之间的频差为：

f_R＝f₄-f₃＝F-SΩ

(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、右旋陀螺两个模式之间的频差然后求差得到四频差动激光陀螺的最终输出差频为：

f_out＝f_L-f_R＝2SΩ

(3)

即四频差动激光陀螺的比例因子比二频激光陀螺增强一倍；

实际上，四频差动激光陀螺的输出差频与工作点和磁场有关，【汪之国,龙兴武,王飞.四频差动激光陀螺的零漂敏感性[J].红外与激光工程,2011,40(9):1758-1762.】且在一定范围内可表示为，

f_out＝2SΩ+α(H-H₀)(P-P₀)

(4)

式中α为比例系数，H为作用于增益区上的有效磁场，P为工作点，H₀与P₀分别为两个参数，当陀螺稳定工作时可看为常数。当Ω＝0时，陀螺输出差频称为零偏，这里用b表示；

由(4)式可知，工作点除非为P₀，否则差频必定含有磁场的影响。通过实验可以将α与(P-P₀)标定出来，得到磁致差频系数K＝α(P-P₀)，因此可以利用(4)式来测试四频差动激光陀螺的带宽与分辨率，细节将在具体实施方案中给出；

四频差动激光陀螺的输出信号为标准的正弦信号形式，采用信号处理技术后可以获得很高的分辨率和信号带宽，因而非常适合快速姿态测量与控制、合成孔径雷达成像补偿、航空遥感信息补偿等应用。在这些应用场合，陀螺仪的角分辨率和带宽是一项重要指标。理论上，四频差动激光陀螺的角分辨率优于0.001角秒，带宽大于1KHz，但目前尚无成熟的方法对其角分辨率和带宽进行准确测试和标定。Raytheon公司在1981年出版的一份报告“Raytheon High resolution angular sensors”中提出采用机械振动台来测量四频差动激光陀螺的角分辨率，由于振动幅度的高分辨率测量本身就很难，再加上机械振动的带宽和分辨率不易控制，因此这种基于机械振动台的测量方法精度有限，价格昂贵；

对四频差动激光陀螺测试数据进行Allan方差分析理论上也可得到一个量表征角分辨率，但由于该方法对频率信号采用率幂律假定且进行了数据重新分组累加，对高采样率激光陀螺的角分辨率评估准确性不可靠。

发明内容

本发明提出一种四频差动激光陀螺带宽和角分辨率测试方法，该方法利用四频差动激光陀螺输出差频随外部磁场变化的原理，通过宽带可调磁场发生装置为四频差动激光陀螺提供一个准确可靠的等效角度变化量作为参考标准，从而求出带宽和角分辨率；

一种四频差动激光陀螺带宽和角分辨率测试装置，采用宽带可调磁场发生装置施加磁场于待测陀螺上，通过光电转换与信号处理装置得到待测陀螺的输出拍频信息并利用计算机进行记录和数据处理，通过产生的磁场并记录相应的脉冲序列，进行数据处理后得到待测陀螺的带宽和分辨率，测试装置包括：

(1)恒温空间，为了减小温度变化对测试结果的影响，需要将待测陀螺置于恒温空间中，恒温空间可采用专门用于温度测试试验的温箱，也可采用空调装置对实验室进行温控。对恒温空间的要求是在整个测试过程中环境温度波动小于0.5℃，并通过温度计对温度进行监控；

(2)磁屏蔽罩，为了消除环境中干扰磁场对测试结果的影响，需要将待测陀螺置于磁屏蔽罩中，磁屏蔽罩通常采用坡莫合金加工成所需机械形状；

(3)隔振装置，由(4)式可知，四频差动激光陀螺的差频输出中包括角速度，而机械振动的角向分量会导致差频的变化，影响测量精度，因此要将待测陀螺放在隔振平台上。隔振平台可采用气浮光学平台，或者埋沙稳定地基平台了；

(4)宽带可调磁场发生装置，其作用是产生稳定、高带宽、低噪声、强度可调的磁场，并将磁场加载到四频差动激光陀螺的增益区上，产生如(4)式所示的磁致差频输出。宽带可调磁场发生装置由电流发生装置和导电线圈构成。电流发生装置可以采用电流校准源表【如FLUKE公司生产的5720】。导电线圈可以缠绕在待测陀螺增益区上，也可以将待测陀螺放在导电线圈内部。对宽带可调磁场发生装置的要求是磁场噪声要低于设定磁场的万分之一。对于线圈通电流来产生磁场的装置，由于电流和产生的磁场强度成正比，因此可直接用电流幅度来表示磁场强度H；

(5)待测陀螺，待测陀螺为四频差动激光陀螺成品，配备高压电源、稳频装置、光电转换与信号处理装置、计算机及测试程序等必要附件。光电转换与信号处理装置由光电探测器、信号处理器构成，以一定的时间间隔(更新率)给出四频差动激光陀螺的输出差频信息。为了减小量化误差，在信号处理器中采用分辨率增强技术【引用：Ring laser gyroscopeenhanced resolution system，美国专利5485273】，对方波脉冲分辨率优于0.001个，利用计算机和相关测试程序对差频进行记录和数据处理，差频数据更新率要满足测试要求；

所述宽带可调磁场发生装置、待测陀螺及恒温空间置于磁屏蔽罩内；

所述磁屏蔽罩置于隔振装置上；

一种四频差动激光陀螺带宽与角分辨率测试方法，具体步骤如下：

将上述测试装置准备好，把陀螺固定在隔振平台上，给陀螺、计算机上电，打开测试程序，装置预热半小时以上；

步骤1、磁致差频系数标定；

将磁场强度设置为H₁，利用四频差动激光陀螺测试程序记录零偏b(t)，采集时间长度取为T，计算出平均零偏然后将磁场强度设置为H₂，求出相应的平均零偏计算出磁致零偏系数为，

步骤2、分辨率测量；

2.1、使精密宽带磁场发生装置输出磁场强度为0，相应电流为0，记录采样时间为T_s(T_s根据需要设定,以角随机游走小于0.0005deg/sqrt(h)的陀螺为例，数据输出时间可设置为1ms)时四频差动激光陀螺输出零偏序列为b，记录M个点，得到数据序列b(n),n＝1,2,…,M；

2.2、紧接步骤2.1，最好不间断地，将精密宽带磁场发生装置输出磁场强度改为H₁，相应电流为I₁，记录采样时间为T_s时四频差动激光陀螺差频输出序列，记录M₁个点，得到数据序列b₁(n)，n＝1,2,…,M₁。根据此前标定的磁致差频系数K求出电流从0变化到I₁导致的磁致零偏变化为Δb₁＝K×I₁，平分到采样时间T_s中的磁致差频为N_H＝Δb₁/T_s；

2.3、对数据进行处理：分别求出数据序列b(n)和数据序列b₁(n)的平均值，二者之差的绝对值为μ_N，数据序列b(n)的标准差记为σ_N。则角分辨率为这里S为陀螺的比例因子，单位为[°/h]每Hz；

上述采样时间、数据个数等也可根据实际需要来取，但原理不变。理论上对脉冲序列求标准差然后乘以比例因子同样可以得到角分辨率，本发明所提方法的优势在于可实现更为准确的测试，利用磁致脉冲数作为标尺来衡量角分辨率，因而更适合用户对供应商所提供产品的验收。由于滤波可以减小测量数据序列的标准差，分辨率测量最好和带宽测量同时进行；

步骤3、带宽测量；

带宽测量方法可使用正弦函数磁场或方波磁场，首先以正弦函数磁场为例：由磁场发生装置发出频率从直流到高频交流的等强度正弦磁场，同时以设定的采样时间记录对应每个频率下正弦磁场导致的磁致差频序列，计算出磁致差频幅度随交流磁场频率的变化序列，即可求出带宽；

利用宽带精密磁场发生装置产生H₁sin(ωt)的交流磁场，幅度为H₁，角频率为ω，它所导致的差频为B₁sin(ωt)。ω从0开始增大直到ω_c，(ω_c根据应用需要设定)记录下各个角频率对应的磁致零偏幅度，得到B₁～ω曲线，该曲线即为四频差动激光陀螺的幅频响应曲线。利用信号处理技术可得到3dB带宽等参量。由于幅频响应只需零偏随磁场频率的相对变化，因此不必知道H₁的具体值；

根据信号处理理论，只要获得系统对正弦信号的响应曲线，那么该系统对所有信号的响应都可以求出，因此采用方波磁场测量四频差动激光陀螺带宽与采用正弦磁场是一致的，除了数据处理稍有不同。因此，只要具有信号处理知识的专业人士可以在该方法的基础上发展采用方波磁场、δ函数磁场等其他带宽测量方法。

本发明具有的技术效果为：本发明为四频差动激光陀螺提供了一种准确可靠的角分辨率和带宽测量方法，可用于四频差动激光陀螺的角分辨率和带宽出厂标定，也可供激光陀螺国家标准参考。

附图说明

图1-四频差动激光陀螺的结构图；

图2四频差动激光陀螺腔内行波的频谱示意图；

图3是带宽和分辨率测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行详细说明：

图1、图2是四频差动激光陀螺结构及其增益曲线上的模式分布示意图。在低膨胀腔体1上加工有充气和通光管道，在腔体的四个角上安装四个反射镜5、6、7、8，其中7为输出镜。两个阳极2、3和一个阴极4用来提供增益。互易偏频元件由低膨胀腔体1的非平面空间结构实现(低膨胀腔体1中的光路加工成非平面空间结构，详见参考文献：Dorschner TA.Nonplanar rings for laser gyroscopes[C]Proc SPIE 487:192-202.)，在四频差动激光陀螺的陀螺Ⅰ和Ⅱ(陀螺I和II分别为左旋陀螺和右旋陀螺)之间提供偏频以避免模式竞争。9为非互易偏频元件，在四频差动激光陀螺相同偏振的两个模式间产生非互易偏频以避免闭锁。四频差动激光陀螺腔内运行有4个模式，模式12和13组成陀螺Ⅰ，模式14和15组成陀螺Ⅱ(见图2)；

本发明所述用来测量带宽和分辨率的装置见图3，在图1的基础上增加了合光棱镜50、光电转换与信号处理装置51、计算机52、电流发生装置61和导电线圈63五个部分。四频差动激光陀螺腔内的激光从反射镜7透出一部分，经合光棱镜50合光并用光电探测器将光信号转换为电信号，利用光电转换与信号处理装置51进行数据处理后得到差频、光强等信息输入到计算机52，差频包括陀螺Ⅰ和陀螺Ⅱ频差的和频与差频，这里利用陀螺的差频作为所需差频。将所获得的差频信息采集到计算机52中进行处理，利用分辨率增强技术对脉冲进行细分[详见参考文献：汪之国,王飞,胡绍民.基于FPGA的四频激光陀螺高分辨率计数电路[J].激光杂志,2009,30(1):30-31.]。电流发生装置61和导电线圈62一起构成宽带磁场发生装置用于给四频差动激光陀螺施加磁场；

电流发生装置61采用函数发生器(如Tek 3102F)、电流功率放大器(如NF4510)和导电线圈(如亥姆霍兹线圈)。亥姆霍兹线圈制作时应尽量减小电感，以保证宽带磁场发生装置所产生的磁场相对电流输出延时小于1ms；

为了减小环境振动和温度的影响，将整个系统放在隔震平台上。隔震平台由沙土地基、水泥支撑和大理石平台构成，并使四频差动激光陀螺的中心轴方向与地面垂直。为了减小环境磁场的影响，将四频差动激光陀螺放在磁屏蔽盒内，屏蔽系数优于10；

首先进行带宽测试：以采样时间为1ms记录差频脉冲数序列，在0.1-1Hz范围以0.1Hz为步长输出峰值强度恒定的频率为ω的正弦交流磁场，测出相应同频差频序列的峰峰值N_pp；在1Hz到10Hz以步长为1Hz，在10Hz-100Hz以步长10Hz，在100Hz-1000Hz步长为100Hz，分别测出每个频率点下差频序列的峰峰值，从而得到N_ppω数据序列，做出波特图，可求出3dB带宽。实际上，有可能四频差动激光陀螺带宽远大于1KHz，在0.1-1000Hz的频率范围内N_pp还未出现明显下降，这时可根据实际需要决定是否采用更短的采样时间和更宽的磁场频率范围；

然后进行1ms采样时的分辨率测试。将四频差动激光陀螺预热半小时以消除温度瞬态的影响。函数发生器输出电压为0，以1s采样时间记录100s内脉冲个数得到脉冲序列N_1s(n),n＝1,2,..100，N_1s(n),n＝1,2,..100的平均值即为所测零偏B_a0。函数发生器输出电压为1V，然后用相同的方法测出零偏B_a1，二者之差的绝对值为ΔB₁＝|B_a1-B_a0|；

以1ms采样时间记录脉冲数，首先函数发生器输出电压为0，记录100个脉冲序列N_1ms0(n),n＝1,2,..100；然后函数发生器输出电压为1V，记录100个脉冲序列N_1ms1(n),n＝1,2,..100.分别求出这两个序列的平均值二者之差的绝对值为N_1ms0(n),n＝1,2,..100的标准差为ΔN_1rms。分辨率即为