CN101334281B - 扩展光纤陀螺动态范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩展光纤陀螺动态范围的方法。对原独立工作的光纤陀螺增加一个辅助陀螺；并将角速率的测量分解为光纤陀螺单值范围内的角速率测量和所属单值范围序数的测量，由光纤陀螺实现单值范围内的角速率测量，而将辅助陀螺的输出进行量化处理，量化处理后的整数即为所属单值范围序数的测量值；对这两个测量结果进行数据融合，并得到实际的角速率值，作为新的光纤陀螺的输出，新输出扩展了原光纤陀螺可测量的动态范围，该方法通过合理地结合微陀螺能进行大角速率测量的优点和光纤陀螺的高静态性能，实现了在保持静态精度基础上扩展角速率测量的目标，满足了高机动载体导航制导的要求，并且成本低效益高，具有推广应用的价值。

Description

扩展光纤陀螺动态范围的方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器中的提高系统动态性能的处理方法，尤其是涉及一种扩展光纤陀螺动态范围的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速率测量仪，由于其具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。光纤陀螺的工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速率的赛格奈克相位差，通过检测该相位差，可推算得到环形干涉仪所在系统的角速率。赛格奈克相移φ_Sag。和系统角速率Ω的关系如下：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Sag}}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}$

其中L为光纤陀螺光纤环光纤长度，D为光纤环直径，λ光纤陀螺所用光源波长，c为真空中光速。光纤陀螺为一相位测试系统，0.1微弧度(0.1urad)相位是工程上可达的测量精度，其相应的角速率对应于光纤陀螺静态精度，也即光纤陀螺最小可测量角速率；而干涉仪输入相位信号和输出之间的关系，即本征响应函数为余弦函数，其单调相位区间范围为2π，一般来说使用的单调区间为[-π，π)，按照上式计算对应的角速率区间，即为光纤陀螺的能测量的角速率范围，这个是光纤陀螺的基本测量范围。光纤陀螺可测量角速率的最大值和最小值分别为对应与0.1urad和π相位弧度的角速率范围，相当于可测量大小跨越7个数量级的角速率大小。可测量的最大角速率范围和最小角速率范围为一矛盾。对于典型参数为环长1千米，直径0.1米，光源波长为0.85微米的光纤陀螺，最大最小的可测量角速率分别为0.01°/h和36％(°/h：度每小时，°/s：度每秒，1°/s＝3600°/h)。可测量的最大和最小角速率之间的距离为光纤陀螺的动态范围。若需扩展动态范围，测量更大的角速率范围，需要减小光纤长度或环直径，而过小的环直径会造成增加系统弯曲损耗，降低检测信噪比，从而削弱光纤陀螺输出角速率信号的精度，恶化了静态精度，即最小可测量角速率，这种扩展动态范围的方法以降低以牺牲测量精度为代价。

而微陀螺是基于微加工技术的陀螺，其得益于大规模集成电路加工工艺，体积小、功耗小、测量范围大，已有的音叉式微陀螺可测量高达6000°/s的角速率，但其静态测量精度较差，典型值为°/s量级，比光纤陀螺大3个数量级以上；如Analog公司的微陀螺，典型的静态精度在0.1°/s～1°/s之间，而光纤陀螺静态精度典型值为0.1°/h，微陀螺为光纤陀螺的数千倍，从而微陀螺一般用于低精度应用场合中而无法应用于静态精度要求较高的导航制导系统中。

在某些导航制导应用系统中，系统载体为高机动载体，对所用的角速率传感器，既要求能测量大角速率范围，又要求有高静态测量精度，例如在能够测量高达1500°/s的角速率并拥有小于0.01°/h的静态精度，其测量范围跨越8～9个数量级，已有陀螺技术，包括光纤陀螺都难以兼顾到这么大的测量动态范围，如上述所提，一般都是通过牺牲静态精度来获取大测量范围，并不是真正的提高动态范围，需要有新的方法，既能真正有效地扩展角速率测量的动态范围又不降低静态精度，以满足高机动性运动载体的应用需求。

发明内容

现有单种陀螺技术不能同时测量大角速率范围的角速率又保持高静态精度，而无法应用于高机动性运动载体导航制导系统中，本发明的目的在于提供一种扩展光纤陀螺动态范围的方法，利用一个辅助陀螺，结合数据融合的方法对光纤陀螺的测量动态范围进行扩展，使其在能够测量高达[-1500°/s，1500°/s)范围的角速率的同时，拥有测量0.00365°/h的小角速率的静态精度，从而有效地满足高机动性运动载体导航制导的应用需求。

发明原理：

本发明的原理是利用辅助陀螺确定系统输入角速率处于光纤陀螺的哪个单值范围内，即单值范围序数，同时用光纤陀螺确定在该单值范围内的具体位置，结合两者的数据进行融合得到实际的角速率。

光纤陀螺测试角速率的本质是光相位测试系统，光相位无法直接测量，需要通过测量光强反推得到光相位，进而得到转速。这个相位和光强之间的转化函数为正弦周期函数，从而光纤陀螺对角速率的响应函数也为周期函数，该函数的周期对应角速率范围为该光纤陀螺的一个单值范围，所处的那个单值范围称为光纤陀螺的单值范围序数，其中跨越零角速率的单值范围为基本单值范围，记为(-Ω_π，Ω_π]，单值范围序数为0，依次类推。光纤陀螺的响应函数为正弦周期函数，从而对于任意一个有意义的光强输出I_out(Rot)，实际对应的角速率可表示为Rot＝(2kΩ_π+f)°/s，其中k为任意整数，即为单值范围序数，f为在角速率(-Ω_π，Ω_π]范围内一个角速率，表示在这个单值空间的位置，两者组合才能完整得到实际的角速率Rot。而光纤陀螺本身无法直接得到k值，若强行限制光纤陀螺的输入在(-Ω_π，Ω_π]范围内，即令k＝0，也可获得确定的角速率，但这样做却牺牲了最大的可测量角速率，只能测量对应与相位(-Ω_π，Ω_π]范围的角速率。

本发明中通过采用微陀螺作为辅助陀螺以确定单值范围序数k，用光纤陀螺获得单值范围内的位置f。辅助陀螺的静态精度不够，但其可测量的最大角速率满足高角速率端的测量，光纤陀螺的基本单值空间对应的角速率小，但其可以精确的测量在单值空间的位置，即静态精度高，结合两者的数据融合得到新的数据作为输出，则可以同时具有高静态精度和大测量范围，从而真实有效的扩展动态范围。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

一种扩展光纤陀螺动态范围的方法，将角速率测量分解为光纤陀螺单值范围内的角速率测量和所属单值范围序数的测量，由光纤陀螺实现单值范围内的角速率测量，增加一个辅助陀螺实现所属单值范围序数的测量，对这两个测量结果进行数据融合得到实际的角速率值，作为光纤陀螺的新输出，新输出扩展了原光纤陀螺角速率测量的动态范围。

所述光纤陀螺单值范围典型值为[(20k-10)°/s，(20k+10)°/s)，其中k为任意整数，°/s：度每秒；当k为零时对应的角速率单值范围为：[-10°/s，10°/s)，是基本测量范围，为扩展动态范围前的光纤陀螺动态范围；光纤陀螺最小能测量角速率的典型值为0.00365°/h，°/h：度每小时，使用中光纤陀螺测量输出结果记为f，f和角速率在大于动态范围的角速率范围内为一对多的对应关系，无法由其独立确定角速率。

所述辅助陀螺采用微陀螺，典型的为音叉谐振式陀螺，其所能测量动态范围典型值为[-1500°/s，1500°/s)，涵盖所有角速率所需测量范围；辅助陀螺最小的测量角速率典型值为1°/s；对辅助陀螺的测量输出结果除于20°/s进行量化处理，量化结果的整数部分为角速率所属单值范围序数，记为k。

所述数据融合指由光纤陀螺测量输出结果和辅助陀螺的测量输出结果得到实际角速率的数据处理方法，具体方法是使光纤陀螺新的输出f_new为：

f_new＝f+20°/s*k

本发明具有的有益效果是：

首次提出一种扩展开环光纤陀螺动态方法，通过一个辅助陀螺确定光纤陀螺所处的单值区间序号，由光纤陀螺的数据得到其在该单值区间内的位置，两者数据融合得到新输出，新输出扩展了原光纤陀螺的动态范围，在保持原光纤陀螺静态精度的同时，将其可测量的最大动态范围扩展为原有的数倍，典型数据表明，在保持0.00365°/h的静态精度同时，能够测量高达[-1500°/s，1500°/s)范围内的角速率，其测量的最大最小角速率直接的范围扩展达到9个数量级，从而满足了高机动性运动载体既需测量大角速率范围又要静态精度要的应用需求；并且该方法所需增加的辅助陀螺成本低，具有推广应用的价值。

附图说明

图1光纤陀螺的相位响应曲线。

图2为辅助陀螺的响应曲线。

图3为辅助陀螺的归一化响应曲线的部分放大和量化处理后的曲线。

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光纤陀螺的相位响应曲线，光纤陀螺本质为一个光相位测试系统，光相位无法直接测量，需通过测量光强间接得到光相位，并得到角速率，这个计算关系为余弦函数，是光纤陀螺的本征响应曲线。由于余弦函数为多对一的周期函数，仅由输出光强只能确定在一个周期对应的单值区间内的相对位置，无法得到绝对位置，也即无法知道实际角速率；如图中Z-1，Z0，Z1对应于该相应曲线的三个相邻的不同周期，也即不同的角速率单值区间，其中点A-1、A0、A1、B-1、B0、B1分别对应于不同的相位，也即对应与不同的角速率输入，但其输出大小都是一样的；实际应用中可以通过±π/2动态偏置的方法区分A0、B0，A-1、B-1和A1、B1，但无法区分A-1、A0、A1或者B-1、B0、B1，从而仅从光纤陀螺的输出，无法确定此时的角速率对应的是RA-1、RA0或RA1，以及RB-1、RB0或B1。因为对于系统来说他们对应的输出是一样的。要区分这些不同的点，除了根据光纤陀螺的输出确定他们在一个周期内的相位位置，还需要确定他们在哪一个周期内，也即需要知道他们所处区间的单值范围序数。若预先限制系统的角速率输入不超过一个单值区间，一般是Z0范围，即要求系统的角速率产生的相移在(-Ω_π，Ω_π]范围内，这样虽可获得确定的角速率，却限制系统的可测量最大角速率，不能测量大于对应于相位(-Ω_π，Ω_π]的角速率。

图2为辅助陀螺的响应曲线，所用的辅助陀螺能测量大范围的角速率，典型应用中采用具有低成本、小体积、微功耗特点的微陀螺，如谐振式音叉陀螺，其可测量最大角速率可达6000°/s，而典型的静态指标为°/s量级；辅助陀螺在测量范围内的输出正比于输入角速率，为一一对应的关系，图2中的曲线对应于所用辅助陀螺在[-1500％，1500°/s)输入角速率区间对应的电压输出。辅助陀螺的测量范围大，但其静态精度低，图中S所指的圆圈内部曲线放大后如图3所示，为比较清晰起见，图3将电压通过比例因子进行了归一化处理为统一的单位，这部分对应与其在小角速率下的响应曲线。

图3为辅助陀螺的归一化响应曲线的部分放大和量化处理后的曲线，对应的是图2中圆圈S内部的部分。其中L1为不经量化的辅助陀螺响应曲线，L2为对L1进行量化处理后的曲线，具体的量化过程是对辅助陀螺的测量输出结果按照20°/s进行取模，如[-30°/s，-10°/s)之间的信号处理后成为-20°/s，[-10°/s，10°/s)之间的信号处理后成为0°/s，[10°/s，0°/s)之间的信号处理后成为20°/s，取模后的响应曲线呈台阶状；输出为一系列台阶，同一台阶输入对应的输出取模结果相等，且为20°/s的整数倍；将取模后的结果除于20°/s，即得到角速率所属单值范围序数，记为k，k表示了系统输入角速率在那个台阶序数内。若将角速率表示为一系列区间[(20k-10)°/s，(20k+10)°/s)，其中k为整数，对应的就是单值范围序数。如图一所示通过辅助陀螺可以确定角速率的范围所在的区间，而通过光纤陀螺来确定角速率在周期区间的某一个位置，从而可确切地确定角速率。若光纤陀螺在一个基本单值区间内的测量输出结果记为f，则更新光纤陀螺的新输出f_new为：

f_new＝f+20°/s*k

则f_new在整个动态范围内和角速率一一对应，其静态精度由光纤陀螺的输出f所决定，可测量最大角速率由辅助陀螺决定，f_new满足了高机动载体的应用要求。可以通过合理的配置光纤陀螺和辅助陀螺的性能参数而得到不同的动态范围。

Claims (2)

1.一种扩展光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于：将角速率测量分解为光纤陀螺单值范围内的角速率测量和所属单值范围序数的测量，由光纤陀螺实现单值范围内的角速率测量，增加一个辅助陀螺实现所属单值范围序数的测量，对这两个测量结果进行数据融合得到实际的角速率值，作为光纤陀螺的新输出，新输出扩展了原光纤陀螺角速率测量的动态范围；

所述辅助陀螺采用微陀螺为音叉谐振式陀螺，其所能测量动态范围典型值为[-1500°/s，1500°/s)，涵盖所有角速率所需测量范围；辅助陀螺最小的测量角速率典型值为1°/s；对辅助陀螺的测量输出结果除以20°/s进行量化处理，量化结果的整数部分为角速率所属单值范围序数，记为k；

所述数据融合指由光纤陀螺测量输出结果和辅助陀螺的测量输出结果得到实际角速率的数据处理方法，具体方法是使光纤陀螺新的输出f_new为：

f_new＝f+20°/s*k；

式中f表示光纤陀螺测量输出结果。

2.根据权利要求1所述的一种扩展光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于：所述光纤陀螺单值范围典型值为[(20k-10)°/s，(20k+10)°/s)，其中k为任意整数，°/s：度每秒；当k为零时对应的角速率单值范围为：[-10°/s，10°/s)，是基本测量范围，为扩展动态范围前的光纤陀螺动态范围；光纤陀螺最小能测量角速率的典型值为0.00365°/h，°/h：度每小时，使用中光纤陀螺测量输出结果记为f，f和角速率在大于动态范围的角速率范围内为一对多的对应关系，无法由其独立确定角速率。

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