CN101183002A

CN101183002A - 一种降低光纤陀螺功耗的方法

Info

Publication number: CN101183002A
Application number: CNA2007101569236A
Authority: CN
Inventors: 陈杏藩; 刘承; 舒晓武; 胡慧珠
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2008-05-21

Abstract

本发明公开了一种降低光纤陀螺功耗的方法。通过光纤陀螺中央处理器内部的定时器按照角速度信号的采样周期周期地产生激活信号，激活电路系统进入工作状态，电路系统在受激活后进行调制解调及信号处理等工作，实现对系统所在平台角速度信号的采样，并在角速度信号采样后立刻进入休眠状态直到下一次激活信号的到来；电路系统在休眠状态只消耗静态功耗而没有动态功耗，通过这种“激活工作－休眠－再次激活”工作的周期信号处理方式，在不削弱光纤陀螺输出角信号性能的前提下，降低动态功耗的实际存在时间，等效降低了平均动态功耗，从而有效降低光纤陀螺的总功耗，减小热量的产生，减轻应用系统的功耗负载，最终改善系统的热环境及能量利用效率。

Description

一种降低光纤陀螺功耗的方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺传感器中信号处理的方法，尤其是涉及一种降低光纤陀螺功耗的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于光学赛格奈克效应的角速度传感器，通过检测光纤干涉仪沿两个互易光路传播的光束之间的赛格奈克光相位差，以获得光纤陀螺所在平台的角速度信号。由于光纤陀螺为全固态传感器，功耗小及带宽大等原因，作为一种全新角速度传感器受到广泛应用。最典型的应用是在航天航空应用系统中，作为导航计算及姿态控制中角速度信号的传感器。

航天航空应用系统，由于所有电源功耗都由应用系统电源系统提供，由于系统上电压系统总功率有限，从而对各个部分要求能够低功耗运行，对于光纤陀螺也要求能低功耗工作。光纤陀螺按功能分可分为电路系统和光学系统，光学系统实现角速度信号到电信号的转换，而电路系统负责从电信号中提取角速度信号并转换为数字信号提供给上位控制系统。光纤陀螺的功耗可分为两部分：一个是电路系统的功耗，包括中央处理器电路，模拟数字转换电路、数字模拟转换电路和通讯电路的功耗；一个是光学有源器件的功耗。其中电路系统功耗为光纤陀螺功耗的主要组成部分，占光纤陀螺总功耗的80％左右。若能在不削弱光纤陀螺性能的前提下，降低电路系统的功耗，则可有效减低光纤陀螺的功耗；不但能够提高整个应用系统的能量利用效率，而且能够减小发热量，改善热环境。

光纤陀螺具有评价其性能的一整套完整指标，其中零偏温度灵敏度指标被用于衡量光纤陀螺输出信号随温度变化的变化情况，理想的光纤陀螺该指标为零。零偏的温度灵敏度来源于各种器件不完美造成的温度特性，从而可知有两个改善途径：降低器件的温度特性以及降低光纤陀螺的温度变化程度。而器件的温度特性是由其制作工艺决定，对于光纤陀螺生产厂家无法进行控制，而后者一般通过温控方法实现，通过制冷器将光纤陀螺保持在恒定的工作温度，该方法具有很大的缺陷，需要体积庞大、功耗巨大、结构复杂的温控系统，并且温控方案为热正反馈系统，温控系统同样会发热，恶化系统的热环境，在航天航空系统中不适用，需要采取其他方法消除零偏的温度灵敏性。而若能够直接减小系统功耗并保持原有性能，则可同比地减小系统发热量，降低由于热问题导致的光纤陀螺温度性能下降。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究在航天航空系统应用中，功耗要求严格且光纤陀螺本身存在温度性能的现状，本发明的目的在于提供一种低光纤陀螺功耗的方法，通过直接降低光纤陀螺功耗减轻整个系统的功率负载，以降低发热量，同时消除由于发热造成光纤陀螺温度性能下降，提高整个系统的热性能以及能量利用效率。

发明原理：

光纤陀螺的电路系统主要由四部分组成，即中央处理器电路，模拟数字转换电路、数字模拟转换电路和通讯电路，各部分的功耗组成了电路系统的总功耗。而电路系统的总功耗又可分为静态功耗和动态功耗，静态功耗是电路系统维持在某一固定状态所需消耗的功率，由电路系统的静电流决定，为恒定值。对于典型应用的中央处理器、模拟数字转换器、数字模拟转换器和通讯电路，静态功耗在几十个毫瓦量级。动态功耗则是构成电路系统的各部分的芯片、器件逻辑单元逻辑运算时附加在静态功耗上的额外功率消耗，为动态值，和系统的运算速度和运算密度有关，典型值为数瓦。静态功耗远小于动态功耗，一般不到动态功耗的十分之一，和动态功耗相比静态功耗可忽略不计。总功耗中的动态功耗部分为动态值，可以通过优化光纤陀螺信号处理的方式，降低其平均水平而实现总功耗的有效减小。

对于导航应用，角速度信号的带宽要求为十赫兹量级，而对于姿态控制应用，所需要的角速度信号的带宽更小，只需赫兹量级的角速度信号带宽即完全满足应用要求。光纤陀螺的最快响应为光在光纤陀螺光纤中传输的时间，即渡越时间，对于两百米到一千的光纤，渡越时间典型值为一到五微秒，理论响应带宽可达几百千赫兹量级，远大于实际中角速度信号的带宽需求。根据信号处理理论中的奈奎斯特(Nyquist)定理，对于带限信号，只需用大于两倍带宽的采样频率进行采样即可完全表征该信号而不损失任何信息；实际应用中为了后续处理的方便，一般选取3～5倍带宽的频率作为采样频率。

为了提高灵敏度，光纤陀螺采用方波相位调制的方法，在每个调制周期内光纤陀螺交替偏置在±π/2，调制周期为两倍渡越时间，在一个解调周期内中央处理器完成调制解调以及通讯的功能，并将角速度信号送出，相对于对角速度信息按照两倍渡越时间的采样周期进行采样；也即是对于赫兹到十赫兹量级的角速度信号的以几百千赫兹的速度进行采样，根据信号处理分析可知如此高频率的采样并不必要，也不能改善系统的信号性能。若降低采样频率，将采样频率设定在角速度信号带宽的五倍，并仅在每个采样点时候激活电路进行工作，在相邻采样点间使电路系统进入休眠状态，不会损失任何角速度信号，反而可以节省动态功耗。因为电路系统在休眠状态时只有静态功耗而无动态功耗，采用“激活工作-休眠-再次激活工作”的工作方式，可减小系统激活工作的时间，也即减小动态功耗存在的实际时间，从而减小平均的动态功耗。并且由于因为角速度信号采样周期远大于光纤陀螺对角速度信号采样所需的时间，在这种工作方式下电路系统大部分时间处于休眠状态，实际等效的平均动态功耗能够降低到原来的几千分之一，从而有效的降低了电路系统的总功耗，相应的也减小了光纤陀螺的总功耗。

对于光纤长度为一千米的光纤陀螺，渡越时间五微秒；若应用要求角速度信号带宽为十赫兹，则光纤陀螺对角速度信号的采样频率为五十赫兹，采样周期为二十毫秒，而光纤陀螺采样所需的激活工作时间为两倍渡越时间，即十微秒，仅为采样周期的1/2000。假设原动态功耗为PD，则可计算采样这种方法的等效动态功耗PDE为：PDE＝PD*10微秒/50毫秒＝PD/2000。

静态功耗PQ为动态功耗的十分之一，则原电路功耗为P＝PQ+PD＝1.1PD，采用本发明后电路系统总功耗PE为：PE＝PQ+PDE＝PQ+PD/2000＝0.1005PD，约等于静态功耗。

电路功耗P占光纤陀螺总功耗的80％，从而可计算得到光纤陀螺总功耗PT为：PT＝1.1PD/0.8＝1.375PD，其中光学系统功耗为1.375PD-1.1PD＝0.275PD；采用本发明后光纤陀螺的总功耗为PTE：PTE＝0.275PD+PE＝0.3755PD；为原来光纤陀螺总功耗的：0.3755PD/1.375PD＝27.3％，有效的降低了光纤陀螺的总功耗。而且由于电路系统的功耗最终都转换为热量，在减小系统的功耗的同时，也降低同样数量的热量的产生，有效的改善了光纤陀螺的热环境。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

一种降低光纤陀螺功耗的方法，将闭环光纤陀螺电路功耗分为静态功耗和动态功耗两部分，通过减小电路系统的激活工作时间，降低动态功耗存在时间的方法有效地降低光纤陀螺的功耗。

所述的通过减小电路系统的激活工作时间，是通过减小动态功耗的实际存在时间而实现；通过降低光纤陀螺对角速度信号的采样频率，并根据激活信号在采样点处激活电路系统采样角速度信号，在采样之后立刻使电路系统进入休眠状态，从而减小动态功耗实际的存在时间。

将角信息速度采样频率从原来的调制解调频率下降，并设定为五倍光纤陀螺的带宽；光纤陀螺设计带宽由其应用所需测量的角速度信号频率范围决定，对于导航用陀螺，带宽为十赫兹量级，对于姿态控制应用，带宽为一赫兹量级。

所述的激活信号由中央处理器内部定时器通过定时周期产生，定时周期为角速度信号的采样周期，即采样频率的倒数；对于导航用陀螺为二十毫秒量级，对于姿态控制用陀螺为两百毫秒量级；电路系统在受激活信号激活后进行调制解调以实现对角速度信号的采样，并在采样结束后立刻进入休眠状态，等待下次激活信号的来临。

一个角速度信号的采样周期内电路系统激活时间为一个解调周期，即两倍光纤陀螺渡越时间，在剩下时间内为休眠状态；休眠状态下电路系统只有静态功耗，动态功耗为零；激活时间小于角速度信号采样周期的千分之一，等效于将平均的动态功耗降低为小于千分之一。

角速度信号的采样频率为五倍光纤陀螺带宽，满足奈奎斯特要求，在降低电路系统的动态功耗的同时，不削弱光纤陀螺的静态性能和动态性能。

通过降低电路系统动态功耗的实际存在时间，减小等效地叛军动态功耗从而减小系统的总功耗，从而减小系统内部的发热量，改善了温度性能。

本发明具有的有益效果是：通过降低光纤陀螺电路系统对角速度信号的采样频率，在不削弱性能的前提下，降低了系统激活工作的时间，将光纤陀螺的总功耗有效的降低为原来的27.3％左右，同时降低了同样数量的热量的产生，改善了光纤陀螺的热环境，提高了温度性能，减轻了整个应用系统的功耗负载，提高整个系统的热性能以及能量效率。

附图说明

图1是原光纤陀螺调制信号及功耗变化示意图；

图2是改善后光纤陀螺调制信号及功耗变化示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是原光纤陀螺调制信号及功耗变化示意图，其中1为光纤陀螺的相位调制方波信号，方波周期为两倍的光纤陀螺的渡越时间，幅度为±π/2；2为电路系统在1连续调制解调工作下的总功耗。由于电路系统为连续工作，所以总功耗保持为恒定值，总功耗PT为静态功耗PQ和动态功耗PD之和，即PT＝PQ+PD。由于静态功耗约为动态功耗的十分之一，从而总功耗PT约为PD的1.1倍，即PT≈1.1PD。

图2是改善后光纤陀螺调制信号及功耗变化示意图，其中3为电路系统的激活信号，在采样点t₀，t₂处产生周期的激活脉冲信号，用于激活电路系统开始调制解调及信号处理等工作，并在一个调制周期内完成处理工作后t₁使系统进入休眠状态；激活脉冲信号由光纤陀螺中央处理器电路内部的定时器产生。8为两个连续激活脉冲信号之间的时间，即角速度信号采样周期，由系统角速度信号采样频率决定。对于带宽要求为十赫兹量级的光纤陀螺，需要五倍即五十赫兹量级的采样频率，从而等价于角速度信号采样周期为二十毫秒。4为光纤陀螺的电路系统发生的调制信号，电路系统在采样点t₀获得激活信号后激活，并开始进行一次方波调制，调制幅度交替为为π/2和-π/2，并同时采样光纤陀螺的角速度信号，在完成角速度信号采样后，于时间t₁使电路系统进入休眠状态，等待下一个采样点t₂的激活信号。对于光纤长度为一千米的光纤陀螺，渡越时间五微秒，激活工作的时间为两倍渡越时间即十微秒。5为系统的动态功耗随时间的变化图，在一个角速度信号的采样周期t₀～t₂内，动态功耗仅在系统激活工作也即t₀～t₁时间内存在，大小为PD，在休眠状态时间t₁～t₂为零；6为电路系统的总功耗随时间变化示意图，系统激活工作也即t₀～t₁时间内为静态功耗PQ和动态功耗PD的和，而在休眠时间t₁～t₂内只有静态功耗PQ。

若应用要求角速度信号带宽为十赫兹，则光纤陀螺对角速度信号的采样频率为五十赫兹，采样周期为二十毫秒，而光纤陀螺采样时候激活为两倍渡越时间为十微秒，仅为采样周期的1/2000。假设原动态功耗为PD，则可计算采样这种方法的等效动态功耗PDE为：PDE＝PD*10微秒/50毫秒＝PD/2000。

Claims

1.一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：将闭环光纤陀螺电路功耗分为静态功耗和动态功耗两部分，通过减小电路系统的激活工作时间，降低动态功耗存在时间的方法有效地降低光纤陀螺的功耗。

2.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：所述的通过减小电路系统的激活工作时间，是通过减小动态功耗的实际存在时间而实现；通过降低光纤陀螺对角速度信号的采样频率，并根据激活信号在采样点处激活电路系统采样角速度信号，在采样之后立刻使电路系统进入休眠状态，从而减小动态功耗实际的存在时间。

3.根据权利要求2所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：将角信息速度采样频率从原来的调制解调频率下降，并设定为五倍光纤陀螺的带宽；光纤陀螺设计带宽由其应用所需测量的角速度信号频率范围决定，对于导航用陀螺，带宽为十赫兹量级，对于姿态控制应用，带宽为一赫兹量级。

4.根据权利要求2所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：所述的激活信号由中央处理器内部定时器通过定时周期产生，定时周期为角速度信号的采样周期，即采样频率的倒数；对于导航用陀螺为二十毫秒量级，对于姿态控制用陀螺为两百毫秒量级；电路系统在受激活信号激活后进行调制解调以实现对角速度信号的采样，并在采样结束后立刻进入休眠状态，等待下次激活信号的来临。

5.根据权利要求2所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：一个角速度信号的采样周期内电路系统激活时间为一个解调周期，即两倍光纤陀螺渡越时间，在剩下时间内为休眠状态；休眠状态下电路系统只有静态功耗，动态功耗为零；激活时间小于角速度信号采样周期的千分之一，等效于将平均的动态功耗降低为小于千分之一。

6.根据权利要求3中所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：角速度信号的采样频率为五倍光纤陀螺带宽，满足奈奎斯特要求，在降低电路系统的动态功耗的同时，不削弱光纤陀螺的静态性能和动态性能。

7.根据权利要求1所述的一种降低光纤陀螺功耗的方法，其特征在于：通过降低电路系统动态功耗的实际存在时间，减小等效地叛军动态功耗从而减小系统的总功耗，从而减小系统内部的发热量，改善了温度性能。