CN101290225B - 一种提高光纤陀螺输出精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高光纤陀螺输出精度的方法。搭建数模转换器的数字码输入—模拟值输出的测试系统；获得数模转换器从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表；计算得到数模转换器相应于不同数字码输入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，补偿数模转换器的积分非线性误差，获得准确的数模转换器输出。本发明有效的降低了数模转换器的积分非线性误差引起的伪输出，保证了光纤陀螺反馈和偏置电压的准确，并且能够根据数模转换器的参数不同，调节补偿的积分非线性误差部分，有效地提高光纤陀螺的输出精度。

Description

一种提高光纤陀螺输出精度的方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感器的领域，尤其涉及一种提高光纤陀螺输出精度的方法。更具体地说，是指一种通过硬件补偿数模转换器的积分非线性误差来提高光纤陀螺输出精度的方法。

背景技术

闭环光纤陀螺的调制主要有两种功能：动态偏置以及闭环反馈。其中动态偏置使系统工作于最灵敏的±π/2工作点，而闭环反馈是提供一个额外的相位，以补偿系统转动带来的Sagnac相移，保持光纤陀螺准确的工作在±π/2工作点，从而获得线性度好的标度因子。

目前动态偏置和闭环反馈的实现是通过给集成相位调制器施加电压而完成的，外加电压会产生与之成正比的相位差。外加电压的实现，是通过信号处理电路产生数字信号，经过数模转换器和后放驱动电路施加在集成相位调制器上的。由于该电压携带了反馈和偏置的信息量，它的误差会直接反应为干涉测量值的误差，而陀螺正是对该干涉测量信号进行解调和积分后输出的，所以这个误差会直接反应为光纤陀螺输出的误差。只有提供准确的2π电压才能保证集成相位调制器产生的光相位差的准确性，从而保证光纤陀螺输出的精度。

在信号处理电路-数模转换器-后放驱动电路的回路中，数模转换器的积分非线性误差是最主要的误差源，该误差的存在降低了反馈和偏置电压的精度，导致了反馈和偏置电压的不准确，从而降低了光纤陀螺的输出精度。

发明内容

本发明的目的是针对目前光纤陀螺研究中，尚无测试数模转换器的积分非线性误差并进行硬件补偿的现状，提供一种提高光纤陀螺输出精度的方法。

发明原理：

根据Sagnac干涉仪的光路原理，最终到达探测器上的干涉信号可表示为：

I＝I₀[1+cos(φ_m+φ_Ω+φ_FB)]    (1)

其中φ_m为为系统的调制深度，而φ_Ω为系统输入转速所产生的Saganc相移，φ_FB为实现闭环需要的反馈相移。其中，φ_m和φ_FB均是通过信号处理电路产生数字信号，经过数模转换器和后放驱动电路施加在集成相位调制器上的。令从处理器到集成相位调制器环节的理想系数为K，数模转换器的积分非线性误差引起的误差系数为ΔK，此时(1)式可以改写为：

I＝I₀{1+cos[φ_Ω+(K+ΔK)*(ΔV_FB+ΔV_mod)]}    (2)

其中ΔV_mod为时延差分调制电压，而ΔV_FB为反馈值所对应的电压。通过(2)式可以看出ΔK值的存在直接影响了干涉测量的输出电流值，带来了输出电流值的误差，而后期正是对这个输出进行解调积分获得光纤陀螺的输出。所以ΔK值会对光纤陀螺的输出精度产生直接影响。一般使用的14位数模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，动态范围为2400°/s，此时2LSB的积分非线性误差引起的误差高达1055°/h。对于开环检测小动态范围的情况，设线圈长度为1km，直径为10cm的光纤陀螺，动态范围为73°/s，2LSB的积分非线性误差引起的误差也有32°/h，比地球自转角速度还高一倍以上。

为了降低数模转换器的积分非线性误差影响，搭建数模转换器的数字码输入-模拟值输出的测试系统；获得数模转换器从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表；计算得到相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表；通过硬件补偿数模转换器的积分非线性误差，获得准确的数模转换器输出。

本发明所采用的提高光纤陀螺输出精度的方法包括步骤如下：

1)采用计算机、主板、数模转换器和高精度万用表搭建数模转换器的数字码输入-模拟值输出的测试系统；

2)使用数字码输入-模拟值输出的测试系统，从0开始直到2^N-1逐一向数模转换器发送数字码，N为数模转换器的位数；利用高精度万用表采集输出的相应模拟值，作出从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表；

3)利用数字码输入响应的模拟值输出的对照表计算得到相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表；

4)在光纤陀螺中，信号处理电路输出的数字信号一路经过数模转换器得到相应的模拟值，另一路通过查询数字码输入的积分非线性误差的对照表得到相应的积分非线性误差值，模拟值和积分非线性误差值通过减法器实现数模转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿；通过硬件补偿数模转换器的积分非线性误差，获得准确的数模转换器输出。

所述的获得从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表的步骤如下：

1)计算机与主板通信，从0开始发送数字值；

2)主板收到该数字值后再发送给数模转换器，它输出响应的模拟值，，等待tμs，t由所使用的数模转换器建立时间决定，待输出稳定后，主板送电压稳定信号给计算机；

3)计算机收到该信号后，通知高精度万用表采集数模转换器输出的模拟值，高精度万用表将采集的模拟值返回给计算机；

4)完成以上步骤后，主板判断当前输入的数字值是否为2^N-1，N为数模转换器的位数，若是，整个测试结束；否则，当前输入数字值加1，重复步骤2)到步骤3)；

5)利用主板发送的数字值和高精度万用表采集的模拟值作出从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表。

所述的利用数字码输入响应的模拟值输出的对照表计算得到相应于不同数字码输入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到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出拟和出一条直线；

2)利用从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出作出一条实际的曲线；

3)两条曲线的差值为相应于不同数字码输入的积分非线性误差，作出相应于不同数字码输入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数模转换器的积分非线性误差并对之补偿的方法，该方法适用于开环或闭环方案的光纤陀螺；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；目前无其他补偿数模转换器的积分非线性误差来提高光纤陀螺精度的方法。利用该技术，可建立数模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，以改善光纤陀螺的静态精度。

附图说明

图1是数模转换器的数字码输入-模拟值输出的测试系统组成原理框图；

图2是数模转换器数字码输入-模拟值输出的测试流程图；

图3是计算数模转换器相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表的框图；

图4为利用硬件实现数模转换器的积分非线性误差补偿的框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明作进一步说明：

图1是数模转换器的数字码输入-模拟值输出的测试系统组成原理框图，该系统由计算机(PC1)、主板(MB2)、数模转换器(DAC3)和高精度万用表(DMM4)组成。PC1通过RS232端口与MB2相连。MB2的主要器件为DSP，其UART端口经过协议转换芯片以RS232协议输出，用于与PC1通信；其通用IO口与DAC3相连，用于向DAC3发送数字码；内部时钟控制模块协调时序。DAC3与DMM4相连，DMM4与PC1的另一RS232端口相连，DMM4用于测量DAC3的模拟输出值并将结果送回给PC1。

图2是数模转换器数字码输入-模拟值输出的测试流程图。

1)计算机与主板通信，从0开始发送数字值；

2)主板收到该数字值后再发送给数模转换器，它输出响应的模拟值，，等待tμs，t由所使用的数模转换器建立时间决定，待输出稳定后，主板送电压稳定信号给计算机；

3)计算机收到该信号后，通知高精度万用表采集数模转换器输出的模拟值，高精度万用表将采集的模拟值返回给计算机；

4)完成以上步骤后，主板判断当前输入的数字值是否为2^N-1，N为数模转换器的位数，若是，整个测试结束；否则，当前输入数字值加1，重复步骤2)到步骤3)；

获得从0到2^N-1的主板发送的数字值和与之相应的高精度万用表采集的模拟值后，作出从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表。

图3是计算数模转换器相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表的框图。根据数模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模拟输出值与理想值的偏差。理想值的获得有两种方法，一是对实际模拟输出值进行最小二乘法拟和出的一条直线；二是连接模拟输出值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。本发明采用方法一进行拟和得出理想值。

1)利用最小二乘法对从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出拟和出一条直线；

2)利用从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出作出一条实际的曲线；

3)两条曲线的差值为相应于不同数字码输入的积分非线性误差，作出相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表。

图4为利用硬件实现数模转换器的积分非线性误差补偿的框图。在光纤陀螺中，信号处理电路输出的数字信号一路经过数模转换器得到相应的模拟值，另一路通过查询数字码输入的积分非线性误差的对照表得到相应的积分非线性误差值，模拟值和积分非线性误差值通过减法器实现数模转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿，补偿后的数模转换器输出经过后放驱动电路加在集成相位调制器上。

Claims (1)

1.一种提高光纤陀螺输出精度的方法，其特征在于包括步骤如下：

1)采用计算机、主板、数模转换器和高精度万用表搭建数模转换器的数字码输入-模拟值输出的测试系统；

2)使用数字码输入-模拟值输出的测试系统，从0开始直到2^N-1逐一向数模转换器发送数字码，N为数模转换器的位数；利用高精度万用表采集输出的相应模拟值，作出从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表；

3)利用数字码输入响应的模拟值输出的对照表计算得到相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表；

4)在光纤陀螺中，信号处理电路输出的数字信号一路经过数模转换器得到相应的模拟值，另一路通过查询数字码输入的积分非线性误差的对照表得到相应的积分非线性误差值，模拟值和积分非线性误差值通过减法器实现数模转换器的积分非线性误差部分的硬件补偿；通过硬件补偿数模转换器的积分非线性误差，获得准确的数模转换器输出；

所述的获得从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表的步骤如下：

1)计算机与主板通信，从0开始发送数字值；

2)主板收到该数字值后再发送给数模转换器，它输出响应的模拟值，，等待tμs，t由所使用的数模转换器建立时间决定，待输出稳定后，主板送电压稳定信号给计算机；

3)计算机收到该信号后，通知高精度万用表采集数模转换器输出的模拟值，高精度万用表将采集的模拟值返回给计算机；

4)完成以上步骤后，主板判断当前输入的数字值是否为2^N-1，N为数模转换器的位数，若是，整个测试结束；否则，当前输入数字值加1，重复步骤2)到步骤3)；

5)利用主板发送的数字值和高精度万用表采集的模拟值作出从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出的对照表；

所述的利用数字码输入响应的模拟值输出的对照表计算得到相应于不同数字码输入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到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出拟和出一条直线：

2)利用从0到2^N-1的不同数字码输入响应的模拟值输出作出一条实际的曲线；

3)两条曲线的差值为相应于不同数字码输入的积分非线性误差，作出相应于不同数字码输入的积分非线性误差的对照表。

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