CN101216323A - 一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法。搭建模数转换器的模拟值输入－数字码输出的测试系统；获得模数转换器从0到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表；计算得到模数转换器相应于不同模拟值输入的数字码台阶的积分非线性误差的对照表；通过加入减法器的硬件补偿方法，补偿模数转换器的积分非线性误差，获得准确的模数转换器输出。本发明有效的降低了模数转换器的积分非线性误差引起的伪输出，保证了开环数字光纤陀螺输出信号的准确性，并且能够根据模数转换器的参数不同，调节补偿的积分非线性误差部分，有效地改善开环数字光纤陀螺标度因数的线性度。

Description

一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感器的领域，尤其涉及一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法。更具体地说，是指一种利用减法器补偿模数转换器的积分非线性误差来改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法。

背景技术

开环数字光纤陀螺系统结构简单，成本低廉，但是标度因数线性度不理想，直接制约了它的应用。从原理上看，开环数字光纤陀螺的标度因数是光纤环的直径和长度，PIN探测器、前放和模数转换器(ADC)的增益的函数，它们的变化都会直接对标度因数产生影响。

在上述这一检测通道中，模数转换器的积分非线性误差(INL)是主要的误差源。一般，10位的模数转换器的积分非线性误差最大值为2个LSB，相当于每个转换数据对应的最大积分非线性误差达2/2¹⁰*100％＝0.195％。对于开环应用来说，这一误差直接转化为光纤陀螺标度因数的误差。

开环数字光纤陀螺，利用光纤环将敏感到的输入角速度转换为相位变化，这一过程是由sagnac干涉仪实现的，干涉曲线是一个余弦曲线。为了让系统工作于响应最灵敏的±π/2工作点，需要利用±π/2的方波调制来完成动态偏置，再将±π/2的两个数据相减而完成解调，获得实时角速度的信息。解调时，±π/2的两个数据都已经携带了模数转换器的误差信息。如果模数转换器是关于工作点完美的偶对称，对输出结果不会产生任何影响。但是通过对测得的模数转换器的积分非线性分解看到，奇对称占主要分量。这样，二者相减时就会给开环光纤陀螺的标度因数带来更大的误差。同时，不同的数字码对应的积分非线性误差是不同的，这直接导致了开环数字光纤陀螺标度因数线性度的恶化。

发明内容

本发明的目的是针对目前开环数字光纤陀螺研究中，尚无测试模数转换器的积分非线性误差并利用减法器补偿的现状，提供一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法。

改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法包括如下步骤：

1)采用计算机、源表和包含有模数转换器、数字信号处理器、时钟控制模块和通讯模块的主板搭建模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统；

2)使用模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统，获得从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表，t是用户定义的电压变化步长，V_pp是模数转换器的电压转换最大值；

3)利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表计算得到相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表；

4)在开环数字光纤陀螺上应用时，从前放送来的模拟电压值以tμV为一个单位，最近取整；利用减法电路，将取整后的模拟电压值与相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表中的相应积分非线性误差部分相减，相减后的模拟值送入模数转换器中转换，完成模数转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿；通过硬件补偿模数转换器的积分非线性误差，获得准确的模数转换器输出；

所述的使用模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统，从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表的步骤如下：

1)计算机控制源表从0开始发送模拟电压值；

2)经过t₁μs等待后，t₁由所使用的源表的信号建立时间决定，主板上的数字信号处理器控制模数转换器将该模拟值转换为数字码，设定转换持续时间为t₂μs，数字信号处理器采集t₂μs内所有转换的数字码并求平均，将平均后的数字码送到计算机中；

3)计算机收到该数字码后与该次发送的模拟电压值一起存储，并判断该次触发源表的信号是否为V_pp，若是，整个测试结束；否则，控制源表发送比前次高tμV的模拟电压值；重复步骤2)；

4)计算机利用源表发送的模拟值和数字信号处理器输出的数字码，作出从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表。

所述的利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表计算得到相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表的步骤如下：

1)利用最小二乘法对从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，拟和出一条直线；

2)利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，作出一条实际曲线；

3)以拟和直线的不同数字码台阶所对应的模拟值为中心，两侧V_pp/2^N+1的模拟值范围为该数字码对应的理想模拟值输入范围，N为模数转换器的位数，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的理想曲线，该曲线与实际曲线在每个数字码台阶过渡时的差值为相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表。

本发明具有的有益效果是：首次提出了测试光纤陀螺中关键器件模数转换器的积分非线性误差并对之补偿的方法，该方法适用于开环方案的数字光纤陀螺；补偿完全适合在线使用，在实际的陀螺工作环境中进行；补偿方法简单方便，容易操作，具有很高的实用价值。目前无其他补偿模数转换器的积分非线性误差来改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法。利用该技术，可建立模数转换器的积分非线性误差的补偿模型，定位制约系统静态性能的瓶颈，以改善开环数字光纤陀螺标度因数的线性度。

附图说明

图1是模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统组成原理框图；

图2是模数转换器模拟值输入-数字码输出的测试流程图；

图3是计算相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表的框图；

图4是模数转换器的模拟值输入-积分非线性误差的说明框图；

图5是利用硬件实现模数转换器的积分非线性误差补偿的框图；

图6是模数转换器的模拟值输入-积分非线性误差的结果图。

具体实施方式

本发明原理：

干涉式开环数字光纤陀螺的原理可以用下面三个公式表示：

Δφ_R＝(2πLD*Ω/λc)*π/180    (1)

其中，L是光纤环的长度，D是光纤环的直径，Ω是敏感到的输入角速度，λ是真空中的波长，c是真空中的光速，Δφ_R是转换后的sagnac相位差。利用光纤环将敏感到的输入角速度转换成了相位变化。

I＝I₀(1+cosΔφ_R)    (2)

其中，I₀是干涉仪输出的平均光强。利用sagnac干涉仪将相位变化的信息转换为光强的变化。

dsp_in＝I*G_pin*G_prea*G_ad    (3)

其中，G_pin为PIN探测器的转换系数，它将光强的变化转换为电压信号。G_prea为前放的放大倍数。G_ad为模数转换器的增益系数，它将电压信号转换为数字信号送到DSP中。

G_ad＝V_pp/2^N＝K_ideal+K_error    (4)

模数转换器的增益K由转换电压范围V_pp和位数N共同决定，其中K_ideal为理想的增益，K_error为积分非线性误差引入的增益误差部分。转换后的数字信号直接送入DSP，再通过将±π/2的数据相减的解调过程之后，作为开环数字光纤陀螺的输出。通过(4)式可以看出K_error的存在直接影响了开环数字光纤陀螺的输出精度，带来了输出信号的误差。

一般使用的10位模数转换器的积分非线性误差为±2LSB。对于开环检测大动态范围的情况，设线圈长度为100m，直径为3cm的光纤陀螺，光学标度因数为(2πLD/λc)*π/180＝2*π*100*0.03/(1310*10^-9*3*10⁸)*π/180＝0.0008，即对应于1°/s的输入角速度，产生的相位变化为0.0008rad。由于陀螺系统转速较慢时，φ_s较小，sinφ_s≈φ_s的近似公式成立，设转换后的相位差在±π/20rad内，相当于输入角速度范围在±196°/s，此时曲线本身的误差为0.06％，经过arcsin函数的校正后，曲线本身的误差被降的更低，完全可以保证输出信号的线性度要求。而此时，由于每个模数转换器的数字码对应的权重较大，2LSB的积分非线性误差引起的测量误差高达2/2¹⁰*100％＝0.195％，若PIN探测器的增益为1，前放的增益为10，，此误差相应于输入角速度为0.23°/s，比地球自转速度要大很多。

为了降低模数转换器的积分非线性误差的影响，搭建模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统；获得模数转换器不同模拟值输入对应的从0到2^N-1的不同数字码输出响应的对照表；计算得到相应于不同模拟值输入的积分非线性误差的对照表；通过在进入数字信号处理器前加入减法器的方法补偿模数转换器的积分非线性误差，获得准确的模数转换器的输出。

下面结合附图和实施对本发明作进一步说明：

图1是模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统组成原理框图，采用计算机、源表和包含有模数转换器、数字信号处理器、时钟控制模块和通讯模块的主板搭建模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统。该系统由计算机(PC1)、主板(MB2)和Keithley2600源表(SM3)组成。PC1通过USB端口与MB2相连。MB2的主要器件为数字信号处理器(DSP)、模数转换器(ADC)、时钟控制模块和通讯模块，DSP和模数转换器直接连接，DSP控制模数转换器将源表发出的模拟电压信号转换为数字码并采集该值；DSP的异步串口(UART)经过通讯模块，其主要部分是一个协议转换芯片，将采集到的数字码转换为RS232协议输出给PC1；内部时钟控制模块协调时序。PC1与SM3利用RS232端口连接，PC1控制源表发送从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟电压信号。

图2是模数转换器模拟值输入-数字码输出的测试流程图。使用模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统，获得从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表。

1)计算机控制源表从0开始发送模拟电压值；

2)经过t₁μs等待后，t₁由所使用的源表的信号建立时间决定，Keithley2600源表的输出SLEW速率为0.08V/μs，设测试电压值步长t＝40μV，则t₁应为0.5，为了使输出更加稳定，可以控制使t₁＝2。主板上的数字信号处理器控制模数转换器将该模拟值转换为数字码，设定转换持续时间为t₂μs，若测试的模数转换器的采样率为40M，t₂＝1时，相当于每个持续时间内会有40个数字码输出，数字信号处理器采集t₂μs内所有转换的数字码并求平均，将平均后的数字码送到计算机中，这个求平均的过程提高了信噪比；

3)计算机收到该数字码后与该次发送的模拟电压值一起存储，并判断该次触发源表的信号是否为V_pp，若是，整个测试结束；否则，控制源表发送比前次高tμV的模拟电压值；重复步骤2)；

4)计算机利用源表发送的模拟值和数字信号处理器输出的数字码，作出从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表。

图3是计算相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表的框图。利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表计算得到相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表。

根据模数转换器的积分非线性误差的定义，积分非线性误差是指实际传递函数与理想直线的偏差。理想直线的获得有两种方法，一是利用最小二乘法对从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，拟和出一条直线；二是连接模拟值输入-数字码输出的实际曲线的起点和终点作出的一条直线。其中方法二简单易行，但由于只使用两个端点值计算，端点值的误差会直接成为拟和结果的误差，稳定度差。本发明采用方法一。

1)利用最小二乘法对从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，拟和出一条直线；

2)利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，作出一条实际曲线；

3)以拟和直线的不同数字码台阶所对应的模拟值为中心，两侧V_pp/2^N+1的模拟值范围为该数字码对应的理想模拟值输入范围，N为模数转换器的位数，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的理想曲线，该曲线与实际曲线在每个数字码台阶过渡时的差值为相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差(见图4)，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表。

图5是利用硬件实现模数转换器的积分非线性误差补偿的框图。在开环数字光纤陀螺上应用时，从前放送来的模拟电压值以tμV为一个单位，最近取整；利用减法电路，将取整后的模拟电压值与相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表中的相应积分非线性误差部分相减，相减后的模拟值送入模数转换器中转换，完成模数转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿；通过硬件补偿模数转换器的积分非线性误差，获得准确的模数转换器输出。

图6是模数转换器的模拟值输入-积分非线性误差的结果图。测试选取的模数转换器是ADS820，它是10位，20M采样率的模数转换器，横轴代表转换电压范围0-5V，纵轴代表积分非线性误差，以最低有效位(LSB)来表示。

Claims (3)

1.一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用计算机、源表和包含有模数转换器、数字信号处理器、时钟控制模块和通讯模块的主板搭建模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统；

2)使用模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统，获得从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表，t是用户定义的电压变化步长，V_pp是模数转换器的电压转换最大值；

3)利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表计算得到相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表；

4)在开环数字光纤陀螺上应用时，从前放送来的模拟电压值以tμV为一个单位，最近取整；利用减法电路，将取整后的模拟电压值与相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表中的相应积分非线性误差部分相减，相减后的模拟值送入模数转换器中转换，完成模数转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿；通过硬件补偿模数转换器的积分非线性误差，获得准确的模数转换器输出；

2.根据权利要求1所述的一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法，其特征在于所述的使用模数转换器的模拟值输入-数字码输出的测试系统，从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表的步骤如下：

1)计算机控制源表从0开始发送模拟电压值；

2)经过t₁μs等待后，t₁由所使用的源表的信号建立时间决定，主板上的数字信号处理器控制模数转换器将该模拟值转换为数字码，设定转换持续时间为t₂μs，数字信号处理器采集t₂μs内所有转换的数字码并求平均，将平均后的数字码送到计算机中；

3)计算机收到该数字码后与该次发送的模拟电压值一起存储，并判断该次触发源表的信号是否为V_pp，若是，整个测试结束；否则，控制源表发送比前次高tμV的模拟电压值；重复步骤2)；

4)计算机利用源表发送的模拟值和数字信号处理器输出的数字码，作出从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表。

3.根据权利要求1所述的一种改善开环数字光纤陀螺标度因数线性度的方法，其特征在于所述的利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出的对照表计算得到相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表的步骤如下：

1)利用最小二乘法对从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，拟和出一条直线；

2)利用从0开始，以tμV的步长直到V_pp的不同模拟值输入响应的数字码输出，作出一条实际曲线；

3)以拟和直线的不同数字码台阶所对应的模拟值为中心，两侧V_pp/2^N+1的模拟值范围为该数字码对应的理想模拟值输入范围，N为模数转换器的位数，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的理想曲线，该曲线与实际曲线在每个数字码台阶过渡时的差值为相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差，作出相应于不同模拟值输入对应的数字码台阶的积分非线性误差的对照表。

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