一种提高激光陀螺精度的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及激光陀螺的误差消除技术，更具体地，涉及一种提高激光陀螺精度的控制方法和系统。

背景技术

激光陀螺是用于测量运动体角速率的传感器，是现代惯性导航技术中常用的传感器种类之一。常用的激光陀螺谐振腔形状为四边形或三角形，相应的谐振腔反射镜有4个或3个。

激光陀螺使用时存在一个“闭锁区域”，也称“锁区效应”。背向散射是激光陀螺锁区形成的主要原因，如何减少背向散射的影响，是提高激光陀螺精度与寿命的关键问题之一。背向散射主要来源于反射镜镜面的抛光状况、光学元件的散射、气体尘埃的散射与吸收等。

产生背向散射对激光陀螺锁区影响的机理是：反射镜的背向散射光与环形谐振内本应独立传播的顺、逆时针两束光产生了某种程度的耦合效应，使这四束光(谐振腔内原有顺、逆时针方向的两束光，以及两个方向上的背向散射光，共计四束光)产生一定的频率同步，引起锁区。

为了减小锁区对激光陀螺的影响，国内外采取的方法主要有：(1)提高镀膜水平，降低反射镜损耗；(2)陀螺采取小抖动偏频工作方式；(3)采用四频差动技术；(4)对激光陀螺的控制方式和信号处理方式进行优化设计与控制。

实际上，在加入抖动偏频措施后的激光陀螺还需进一步通过控制背向散射大小来控制激光陀螺的锁区，使闭锁阈值处于稳定或极小，进一步减小锁区所产生的影响，进而提高激光陀螺的性能。

用于检测激光陀螺顺时针(CW)与逆时针(CCW)两束光的光电管输出的信号中有一部分信号代表了激光陀螺中背向散射信号，它包含了光在反射镜、谐振腔毛细孔中、光阑上的散射，该散射进入CW与CCW两束光波中并与其耦合产生了锁区。经过合理的调腔、谐振腔设计、毛细孔与光阑加工后，可以减小谐振腔毛细孔中及光阑上的散射，在优化上述参数之后，背向散射主要是反射镜表面状况引起。

由于背向散射是引起激光陀螺锁区的主要原因，因此通过控制反射镜上的背向散射大小即可控制激光陀螺的锁区，使闭锁阈值处于稳定或极小。锁区控制的任务是在规定的温度范围内，保持反射镜的背向散射信号为最小。传统的锁区控制系统利用的是两个直流光电管中的交流成分来工作，两个光电管的光信号分别经过前置放大器转换为电压信号，之后该两路信号被送到相干解调器中解调出携带有背向散射信息的信号并经过低通滤波器后转换为与背向散射信号有关的直流幅度，该直流幅度经过模拟开关送到A/D转换器。经A/D转换为数字形式送入计算装置。在计算装置中，主控程序根据背向散射信号的幅度信息，通过D/A转换器发出调整信号，并经过放大器放大驱动系统的执行元件PZT，与PZT固连在一起的反射镜根据指令移动，达到锁区控制的目的。

传统方法使用了不少于3个光电管，硬件开销较大，算法复杂，并且与国内已有的绝大部分陀螺硬件方案不兼容。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种提高激光陀螺的精度的控制系统，包括：第一光电管，第一光电管为单象限光电管，第一光电管接收激光陀螺的顺时针或者逆时针光束，并将顺时针或者逆时针的出射光信号转化为第一电信号，所述第一电信号含有背向散射信号的光强信息；第二光电管，第二光电管为双象限光电管，第二光电管接收激光陀螺的顺时针光与逆时针光干涉后的拍频光信号，并将此拍频光信号转化为第二电信号；计算装置，其接收所述第一电信号和所述第二信号，并对所述第一电信号中的交流分量和所述第二电信号中的一路交流分量进行相干解调，以获得背向散射幅度的信息；PZT驱动电路，其驱动激光陀螺的反射镜的位移方向，以使得所述背向散射幅度最小。

优选地，所述计算装置在保持激光陀螺的腔长不变时，根据激光陀螺腔长和光强的周期性变化关系，确定所述相干解调的结果

优选地，所述计算装置对第一电信号进行低通滤波得到正弦调制电压来施加到激光陀螺的PZT驱动电路上，使得所述激光陀螺工作在稳频点。

优选地，计算装置包括高通滤波器和低通滤波器，其中第一电信号通过高通滤波器后得到所述交流分量，第一电信号通过低通滤波器得到直流分量，相干解调的信号和所述直流分量施加到PZT驱动电路上以使得所述激光陀螺工作在稳频点。

优选地，所述反射镜的位移包括：反射角度；同时靠近激光陀螺中心；同时远离激光陀螺中心；一个靠近激光陀螺中心，另一个远离激光陀螺中心。

优选地，保持腔长不变，PZT控制电路根据所述背向散射幅度的信息调整反射镜位置，计算装置检测光强信号和背向散射幅度，直到光强信号达到最大值，且背向散射幅度最小。

本发明提出一种提高激光陀螺的精度的控制方法，包括：通过单象限光电管接收激光陀螺的顺时针或者逆时针的光，并将光信号转化为第一电信号；通过双象限光电管接收激光陀螺顺时针光与逆时针光干涉后的拍频光信号，并将此拍频光信号转化为第二电信号；对所述第一电信号中的交流信号和所述第二电信号中的一路交流成分进行相干解调，以获得背向散射幅度信息；驱动激光陀螺的反射镜的位移方向，以使得所述背向散射幅度最小。

优选地，在保持激光陀螺的腔长不变时，根据激光陀螺腔长和光强的周期性变化关系，确定相干解调的结果

优选地，通过对第一电信号进行低通滤波得到正弦调制电压来施加到激光陀螺的PZT驱动电路上，使得所述激光陀螺工作在稳频点；以及，检测光强信号和背向散射幅度，直到光强信号达到最大值，且背向散射幅度最小。

优选地，所述反射镜的位移包括：反射镜的反射角度；同时靠近激光陀螺中心；同时远离激光陀螺中心；一个靠近激光陀螺中心，另一个远离激光陀螺中心。

本发明的有益效果包括：控制过程中仅使用1个单象限光电管和1个双象限光电管输出信号，采用相干解调实现背向散射的解算，去除了此前解算背向散射光需要2个单象限光电管同时探测CW和CCW两束光的硬件要求，硬件的兼容性好，减少了硬件开销，能有效降低背向散射对激光陀螺的影响，大幅提升激光陀螺的零偏稳定性和重复性。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明激光陀螺结构和部分构件位置示意图。

图2为本发明系统的原理图。

图3为本发明单象限光电管光电信号转换过程说明图。

图4为本发明双象限光电管的部分放大图。

图5为本发明双象限光电管光电信号转换过程说明图。

图6为本发明计算装置的处理过程原理图。

图7为光强与激光陀螺谐振腔长的关系曲线。

图8为激光陀螺扫模曲线。

图9和图10为两个陀螺采用本发明的方法得到的背向散射与稳频电压关系曲线。

图11为稳频控制和背向散射控制PZT运动方向示意图。

图12为本发明方法的一个实施例的流程图。

附图标记

1-第一光电管；2-第二光电管；3-第一压电陶瓷；4-第二压电陶瓷；5-反射镜；5-1右反射镜；5-2左反射镜；6-光；7-光信号转化为电信号。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1-2所示，本发明的系统包括：第一光电管1和第二光电管2，计算装置，PZT驱动电路。

第一光电管1安装在激光陀螺的第一反射镜的下游，接收顺时针或者逆时针的光6(CW光或CCW光，见图3-4)，并将顺时针或者逆时针的光信号转化为电信号(第一电信号)。第二光电管2安装在激光陀螺的第二反射镜的下游，接收顺时针和逆时针光束产生的拍频条纹信号，并将拍频光信号转化为电信号(第二电信号，见图5)。优选地，第一光电管1为单象限光电管，第二光电管2为双象限光电管，或者反过来。然后，两路电信号被输入到计算装置中。计算装置包含相干解调器，相干解调器接收所述第一电信号和所述第二电信号，对所述第一电信号和所述第二电信号进行相干解调，以获得背向散射幅度信息。

下面进行更具体地描述，第一光电管1接收的含有背向散射信号的光强I

其中，I

激光陀螺的正常拍频光公式：

I

该信号中的交流成分为：

将公式(1)的光信号进行高通滤波后取得交流成分，得到第一光电管1中的交流信号为：

其中，I

公式(6)与公式(4/5)的信号进行相干解调能得到背向散射系数，解调过程中只使用第二光电管2中的一个交流成分与第一光电管1的交流信号进行相干解调，得出R

公式(7)所示的相干解调的结果与激光陀螺的背向散射的大小成正比。

图6显示了计算装置进行相干解调的原理图。计算装置采集(可以通过信号采集器)到第一电信号和第二电信号后，将第一电信号经过高通滤波器HPF和低通滤波器LPF后可以分别提取第一电信号的交流分量和直流分量。将第一电信号的交流分量与第二电信号相乘再计算其有效值可得到背向散射系数R

具体地，所述计算装置包括：第一信号采集器，其连接到所述第一光电管1以得到所述第一电信号。所述计算装置包括：第二信号采集器，其连接到所述第二光电管2以得到所述第二电信号。所述计算装置包括：高通滤波器，其连接到所述第一信号采集器，以获得所述第一电信号的交流分量。所述计算装置包括：低通滤波器，其其连接到所述第一信号采集器，以获得所述第一电信号的直流分量。所述计算装置包括：计算器，其连接到所述高通滤波器和所述第二信号采集器，以进行所述相关解调，所述计算器的输出连接到所述PID控制器。所述计算装置包括：PID控制器，其接收所述计算器的输出，并且PID控制器的输出连接到所述PZT驱动电路。

计算装置根据获得的背向散射光的幅度信息和稳频控制信息，经过PID计算，调整相应D/A输出，D/A输出经过放大后驱动激光陀螺外围相应PZT驱动电路的控制电压，在保持腔长不变的前提下调整反射镜5中的右反射镜5-1和左反射镜5-2两个镜片位置(根据得到的背向散射幅度信息控制激光陀螺的反射镜位置移动)，保证CW和CCW的光强信号达到最大值的同时，背向散射光的幅度最小(如图7所示，使激光陀螺工作在D点附近，实现背向散射控制)。具体地，当推拉激光陀螺的第一压电陶瓷3和第二压电陶瓷4时，背向散射光的R

所述PZT驱动电路根据相干解调的结果来精确控制施加到激光陀螺的第一压电陶瓷3和第二压电陶瓷4上的控制电压。能有效降低背向散射对激光陀螺的影响，提升激光陀螺的零偏稳定性。背向散射的控制原理如下：PZT驱动电路具有两路输入和两路输出。两路输入为计算装置输出的PZT控制电压。PZT驱动电路输出两路等比放大的PZT控制驱动电压，分别施加到激光陀螺的第一压电陶瓷3和第二压电陶瓷4上，控制压电陶瓷驱动反射镜产生位移。控制电压根据激光陀螺的背向散射的大小而改变。因此，相干解调后，PZT驱动电路根据相干解调和光电信号的输出既可以实现锁区控制，又能控制稳频。

激光陀螺的锁区控制是在规定的温度范围内，保持反射镜的背向散射信号最小。在锁区控制中，利用两级微分放大抑制信号中的直流光强信号，仅将反映背向散射信号大小的交流分量取出来并放大到所需要的电平。该电平与第二电信号相乘可以获取背向散射系数，同时将获取的第一电信号经过低通滤波器可以得到准确的光强信号。光强信号通过稳频程序和锁区控制程序处理后由D/A转换为模拟电压信号并经过放大器放大驱动系统的执行元件PZT，与PZT固连在一起的反射镜根据指令移动，达到最佳稳频及锁区控制的目的。

激光陀螺的稳频控制是在规定的温度范围内，在扫模曲线中心取最高工作点并保持工作点在曲线中心附近，以保证激光陀螺的腔长稳定不变。

因此背向散射控制系统必须同时满足两个基本要求：(1)环路总的光程保持稳定；(2)反射镜背向散射波引起的能量藕合总和为最小，即背向散射幅度最小。

在稳频控制中，信号经过低通滤波器后抑制了光信号中背向散射这一交流分量及噪声，对滤波后的直流分量进行计算。在激光陀螺的稳频(腔长控制)系统中，采用经典的小抖动控制方法。小抖动控制的工作过程是在PZT驱动电压上叠加一个较小的正弦调制电压，调制后的电压使谐振腔腔长产生周期性变化，同时也使得谐振腔的纵模频率产生相应的变化，从而引起输出光强信号的调制。

实际上，激光陀螺在处于某一纵模频率时，满足驻波条件光强最强，如图7所示，在每个光强的最大值点(纵模)分别对应一个腔长(频率)。因此，在实际应用中，通过检测激光陀螺的输出光强信号作为反馈控制信号，稳定腔长在所要求的值上，即可使得激光频率稳定在某个纵模上。通过扫模，便获取到光强调制信号直流分量处于最大值时的PZT驱动电压值。图8为某型号激光陀螺的扫模曲线，扫模驱动电压范围为50～250V。从图8中可以看出，在驱动电压50～250V范围内，共有6个纵模；光强曲线的对称性很好，重复性也很一致，完全可以作为腔长控制的依据基准。

在确定了激光陀螺的稳频工作点(6个纵模)后，需要进一步确定锁区控制最佳工作点。因为在激光陀螺的腔长控制中，如果仅使用CW/CCW光强调制信号的直流分量作为控制系统的反馈信号，会降低控制系统的精度。即当只考虑稳频控制时，为保证激光陀螺的腔长不变，可以控制反射镜5-1,5-2同时向前或向后移动相同的距离，也可以控制两反射镜5-1,5-2一前一后反相运动，即控制方法不唯一。

因此，优选地的，激光陀螺工作中需要同时优化稳频控制和锁区控制。加入背向散射幅度作为优化参数，如图9和图10所示，2个激光陀螺背向散射幅度随PZT驱动电路稳频电压周期性变化，且周期是扫模程序的两倍，为保证激光陀螺腔长不变且背向散射幅度最小，PZT驱动电路稳频电压即可唯一确定(图7D点)，即可唯一确定腔长控制反射镜的移动方向与距离。

谐振腔内运行的顺、逆时针光束CW、CCW经光电管1和2处相连的反射镜1和2输出放大为I

参照图1、图7和图8，稳频的目的是在激光陀螺工作的过程中保持总腔长不变，即陀螺工作时始终位于同一阶纵模上。在未采用背向散射控制的激光陀螺电路中，PZT装置仅实现稳频功能，在实际运行过程中，第一光电管接收到的光信号中的直流分量与腔长的关系如图7曲线a所示，稳频环路第一光电管通过采集到的直流光强信息，控制PZT电压使得第一光电管采集到的直流光强始终处于曲线a中的某一最大值(A、B、C、D点)附近，这对应陀螺腔长始终是波长的某个整数倍。对于有2个可调整PZT装置的四边形陀螺，仅有稳频控制闭环时，2个PZT压电陶瓷可以共用同一个控制端，即同时向陀螺中心方向运动或者远离中心方向运动来实现腔长的调整。

对于既要实现稳频功能又要实现背向散射功能的电路，除了参考曲线a中第一光电管接收的光强信息与腔长的关系，还要参考曲线b中第一光电管与第二光电管的交流信号进行相干解调后得到的背向散射大小与腔长的关系。从曲线b中可以看出，背向散射也是与腔长有关的周期信号，其周期是直流光强信号周期的2倍，因此，存在若干个腔长值，既满足曲线a中直流光强处于最大值，又满足曲线b中背向散射值处于最小值，即在这些位置(D点)，激光陀螺既能实现稳频控制又能实现背向散射控制。在这种情况下，2个PZT压电陶瓷通常具有独立的控制端，在实际运行过程中，2个PZT会出现其中一个向陀螺中心方向运动，另一个向背离陀螺中心方向运动(如图11)，这样，总腔长没有发生变化(稳频功能正常)，而背向散射的大小由2个PZT的相对位置决定，总可以在总腔长不变的情况下找到一个背向散射最小的位置(图7D点)，从而实现背向散射控制。

综上所述，本发明使用1个单象限光电管和1个双象限光电管输出电压信号，实现对2个反射镜(左右反射镜)的推拉；这样，改变第一压电陶瓷3和第二压电陶瓷4的控制电压大小就可以调整稳频谐振腔反射镜位置以改变谐振腔形状。

本发明的系统使用1个单象限光电管和1个双象限光电管以及相干解调算法，去除了现有技术中解算背向散射光和获取陀螺转速信息需要同时探测CW和CCW两束光信号，即需要2个单象限光电管和1个双象限光电管的硬件要求，硬件兼容性更好，减少了硬件开销，大幅提升了激光陀螺的零偏稳定性和重复性。

根据本发明的另一方面，如图12所示，提出一种激光陀螺的控制方法，包括：

S1，通过第一光电管接收激光陀螺的顺时针或者逆时针光束，并将光信号转化为第一电信号，通过第二光电管接收激光陀螺的顺时针和逆时针光的拍频信号，并将光信号转化为第二电信号。

S2，对所述第一电信号和第二电信号进行相干解调。具体地，对激光陀螺的第一电信号取交流成分，与第二电信号中的交流成分进行相干解调以获得激光陀螺的背向散射幅度信息。

S3，根据所述背向散射的幅度来调整施加到激光陀螺的压电陶瓷上的电压，控制反射镜移动，实现背向散射最小。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。