CN101458095A - 一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，该前向增益估计系统在FPGA芯片中采用Verilog HDL语言编写实现，该FPGA芯片为全数字闭环光纤陀螺的主要中心处理器。本发明采用伪随机扰动辨识法对前向增益进行在线估计，通过在反馈的阶梯波信号(651)上叠加伪随机信号(111)、方波调制信号(151)作为集成光学调制器(3)的辨识输入信号(31)；数字光强电压信号(621)在进行方波解调的同时进行伪随机解调，实时提取出前向增益的值。本发明前向增益估计系统可以在全数字闭环光纤陀螺的正常工作情况下进行在线估计，可以实时监测陀螺检测信噪比和死区非线性效应带来的影响。

Description

一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统

技术领域

本发明涉及一种前向增益估计，更特别地说，是指一种采用伪随机扰动辨识法对全数字闭环光纤陀螺的前向增益进行估计。

背景技术

光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件包括光源1、耦合器2、集成光学调制器3、光纤环4、光电探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于检测光电探测器5输出的光功率信号51的前置放大电路61、A/D转换器62、中心处理器63、D/A转换器64和放大调理电路65组成(请参见图2所示)。随着电子科技的发展，中心处理器63常采用DSP处理器芯片、或者是FPGA处理器芯片、或者是DSP+FPGA的双处理器芯片，并在处理器芯片中通过计算机编程语言来实现多种模式的控制。光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

光纤陀螺在空间中应用时，如空间辐照和热真空环境对光学器件的影响以及电子元器件在辐照环境下的性能变化等。空间γ射线对光纤环4的影响最为严重，会导致光纤的光传输特性劣化，甚至不通光；大功率光纤光源1由于掺杂铒纤的原因也易受到γ射线的影响，导致光源1的出纤功率下降；光电探测器5受到空间高能质子的撞击，光电响应度会减小；上述影响均会使光纤陀螺检测信噪比降低，陀螺随机游走误差增大，则随机游走误差增大会影响卫星导航和姿态定位的精度。

光纤陀螺在卫星上敏感到的角速度很小，可能经常工作在零角速度附近，在这种情况下前向增益的大小与光纤陀螺死区有着密切关系，若光电探测器5接收到的光功率信号51(有用信号)小于阶梯波信号651则光纤陀螺进入死区，严重影响光纤陀螺在卫星上的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，该系统采用伪随机扰动辨识法对全数字闭环光纤陀螺的前向增益进行在线估计，通过在阶梯波信号651上叠加伪随机扰动信号111和方波调制信号151作为集成光学调制器3的辨识输入信号31；数字光强电压信号621在进行方波解调的同时进行伪随机解调，实时提取出前向增益的值。本发明前向增益估计系统通过在FPGA芯片中实现方式。

本发明是一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，所述前向增益估计系统包括有B信号产生单元(11)、伪随机解调单元(12)、方波解调单元(13)、积分处理单元(14)、A信号产生单元(15)、伪随机扰动相位解调信号单元(16)、方波解调信号产生单元(17)、光功率控制单元(1A)；

B信号产生单元(11)用于产生具有类似白噪声特性的伪随机信号(111)，该伪随机信号(111)一方面作为伪随机扰动相位解调信号单元(16)的基准信号，该伪随机信号(111)另一方面作为集成光学调制器(3)的伪随机调制信号；

A信号产生单元(15)用于产生具有光纤陀螺本征频率特性的方波调制信号(151)，该方波调制信号(151)一方面作为方波解调信号产生单元(17)的基准信号，该方波调制信号(151)另一方面作为集成光学调制器(3)的方波调制信号，该方波调制信号(151)第三方面作为伪随机扰动相位解调信号单元(16)的方波调制信号；

伪随机扰动相位解调信号单元(16)对接收的伪随机信号(111)进行差分运算获得具有相位差的伪随机信号；然后采用方波调制信号(151)对该伪随机信号进行方波调制得到伪随机扰动相位解调信号(161)；

方波解调信号产生单元(17)对接收的方波调制信号(151)进行进行差分运算获得方波解调信号(171)；

伪随机解调单元(12)对接收的数字光强电压信号(621)、伪随机扰动相位解调信号(161)进行伪随机解调处理后输出随机解调信号(121)；

方波解调单元(13)对接收的数字光强电压信号(621)、方波解调信号(171)进行方波解调处理后输出方波解调信号(131)；

积分处理单元(14)对接收的方波解调信号(131)进行积分累加，产生反馈信号(141)，该反馈信号(141)通过D/A转换单元(64)和放大调理电路(65)输出模拟阶梯波信号(651)；该模拟阶梯波信号(651)叠加到集成光学调制器(3)上；

光功率控制单元(1A)对接收的随机解调信号(121)进行光功率控制，产生具有光功率控制功能的光功率控制信号(1B)，该光功率控制信号(1B)作用于光源(1)上。

全数字闭环光纤陀螺的光电探测器(5)输出的光功率信号(51)经前置放大电路(61)进行放大处理后，经A/D转换器(62)转换为数字光强电压信号(621)后输出给本发明的前向增益估计系统。

本发明的前向增益估计系统优点在于：

(1)在阶梯波信号651上叠加伪随机扰动信号111和方波调制信号151对集成光学调制器3调制，能够估计出空间辐射环境和热真空环境对光学器件的影响以及电子元器件在辐照环境下的性能变化。

(2)光源1所需的光功率控制信号是光电探测器5输出的光强信号与伪随机扰动相位解调信号共同作用完成的，提高了光源的稳定性。

(3)阶梯波信号651的获取是由光电探测器5输出的光强信号与方波解调信号171共同作用完成的，完成了全数字闭环光纤陀螺的正常工作。

(4)采用在FPGA芯片上实现，调制方便、可靠。

(5)整个前向增益估计系统可以在全数字闭环光纤陀螺的正常工作情况下进行在线估计，可以实时监测陀螺检测信噪比和死区非线性效应带来的影响。

附图说明

图1是光纤陀螺的结构图。

图2是光纤陀螺中信号处理装置的结构图。

图3是本发明前向增益估计系统的结构图。

图4是辐照过程中陀螺输出与辐照时间的关系图。

图5是前向增益估计值与辐照时间的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图3所示，本发明是一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，该前向增益估计系统在FPGA芯片中采用Verilog HDL语言编写实现，该FPGA芯片为全数字闭环光纤陀螺的主要中心处理器。本发明采用伪随机扰动辨识法对前向增益进行在线估计，通过在反馈的阶梯波信号651上叠加伪随机信号111、方波调制信号151作为集成光学调制器3的辨识输入信号31；数字光强电压信号621在进行方波解调的同时进行伪随机解调，实时提取出前向增益的值。

全数字闭环光纤陀螺的光电探测器5输出的光功率信号51经前置放大电路61进行放大处理后，经A/D转换器62转换为数字光强电压信号621后输出给本发明的前向增益估计系统(伪随机解调单元12和方波解调单元13)。

本发明的前向增益估计系统包括有B信号产生单元11、伪随机解调单元12、方波解调单元13、积分处理单元14、A信号产生单元15、伪随机扰动相位解调信号单元16、方波解调信号产生单元17、光功率控制单元1A。各个单元实现的功能为：

B信号产生单元11用于产生具有类似白噪声特性的伪随机信号111。该伪随机信号111可以作为伪随机扰动相位解调信号单元16的基准信号。该伪随机信号111也可以作为集成光学调制器3的伪随机调制信号。

A信号产生单元15用于产生具有光纤陀螺本征频率特性的方波调制信号151。该方波调制信号151可以作为方波解调信号产生单元17的基准信号。该方波调制信号151也可以作为集成光学调制器3的方波调制信号。该方波调制信号151也可以作为伪随机扰动相位解调信号单元16的方波调制信号。

伪随机扰动相位解调信号单元16对接收的伪随机信号111进行差分运算获得具有相位差的伪随机信号；然后采用方波调制信号151对该伪随机信号进行方波调制得到伪随机扰动相位解调信号161。

方波解调信号产生单元17对接收的方波调制信号151进行进行差分运算获得方波解调信号171。

伪随机解调单元12对接收的数字光强电压信号621、伪随机扰动相位解调信号161进行伪随机解调处理后输出随机解调信号121。

方波解调单元13对接收的数字光强电压信号621、方波解调信号171进行方波解调处理后输出方波解调信号131。

积分处理单元14对接收的方波解调信号131进行积分累加，产生反馈信号141，该反馈信号141通过D/A转换单元64和放大调理电路65输出模拟阶梯波信号651。该模拟阶梯波信号651叠加到集成光学调制器3上。

光功率控制单元1A对接收的随机解调信号121进行光功率控制，产生具有光功率控制功能的光功率控制信号1B，该光功率控制信号1B作用于光源1上。

在本发明中，全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计的具体实现方法如下：

在前向增益估计系统的结构图3中，伪随机扰动相移信号161是由加在集成光学调制器3上的伪随机扰动信号111产生的。全数字闭环光纤陀螺的方波调制信号151也是加在集成光学调制器3上的，伪随机扰动相移信号161同时也受到了方波调制信号151的调制。

在有伪随机扰动信号111加载至集成光学调制器3上时，加载时刻记为t，光电探测器5上输出光功率信号51可表示为：

x(t)＝P_d(t){1+cos(φ_s(t)+φ_f(t)+φ_r(t)+φ_m(t))}+e(t)，其中，

x(t)表示t时刻的输出光功率信号51；

P_d(t)表示t时刻光电探测器5检测到的光功率；

φ_s(t)表示t时刻的Sagnac效应产生的相移；

φ_f(t)表示t时刻的阶梯波反馈相移；

φ_r(t)表示t时刻的伪随机扰动信号111产生的伪随机扰动相移；

φ_m(t)表示方波调制信号151的调制相位；

e(t)表示光电探测器产生的噪声信号(如白噪声)。

数字光强电压信号621进入到两个解调单元，一个是方波解调单元13，使用方波解调信号171做解调参考信号进行解调；另一个是伪随机解调单元12，使用伪随机扰动相位解调信号161做解调参考信号进行解调。

在本发明中，方波解调信号171可以表示为：

$Q_d\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Q_m\left(n\right)-Q_m(n-1)>0\\ 0& Q_m\left(n\right)-Q_m(n-1)\≤0\end{array}\right.,$ 式中，Q_m(n)表示周期为2τ，幅值为±1的当前时刻的方波信号，τ表示光纤陀螺的渡越时间，n表示当前时刻采样样本数，Q_m(n-1)表示周期为2τ，幅值为±1的前一时刻方波信号，n-1表示前一时刻的采样样本数。在本发明中，对于方波解调信号171的表达形式中，“1”、“0”为两种条件，即采用Verilog HDL语言编写，在当前时刻的方波信号Q_m(n)幅值减去前一时刻的方波信号Q_m(n-1)的幅值大于0时，计算机语言编写记为“1”；当前时刻的方波信号Q_m(n)幅值减去前一时刻的方波信号Q_m(n-1)的幅值小于等于0时，计算机语言编写记为“0”。在本发明中，伪随机扰动相位解调信号161是伪随机扰动信号111进行差分运算后再被方波调制信号151调制后得到的。该伪随机扰动相位解调信号161可表示为：Q_r(n)＝Q_m(n)(r_m(n)-r_m(n-1))，式中，Q_m(n)表示周期为2τ，幅值为±1的当前时刻的方波信号，r_m(n)表示当前加载在集成光学调制器3上的伪随机扰动信号111，r_m(n-1)表示前一时刻加载在集成光学调制器3上的伪随机扰动信号。

方波解调单元13中进行光纤陀螺正常工作需要的方波解调，产生的方波解调信号131送到积分处理单元14，在经过积分处理单元14生成反馈信号141，该反馈信号141经过D/A转换器64和阶梯波驱动模块65后生成阶梯波信号651，阶梯波信号651再和伪随机扰动信号111、方波调制信号151叠加后共同作用于集成光学调制器3，形成陀螺的闭环控制，使陀螺能够正常的工作。

伪随机解调单元12中进行伪随机解调，该伪随机解调是为了实现光纤陀螺的前向增益估计的需要。在本发明中，前向增益估计的伪随机解调原理为：伪随机扰动信号111能够在反馈环节通过集成光学调制器3加入，在经过前向通道后进入到电路解调环节，利用信号的相关性将伪随机扰动信号从陀螺调制信号中提取出来，得到前向增益值。光纤陀螺前向通道可以简化成一个线性SISO系统，使用相关辨识法能够得到其前向增益。

伪随机解调单元12输出的伪随机解调信号121用于光功率控制单元1A产生光功率控制信号1B，光功率控制信号1B用于控制光源1的光功率，使得整个光纤陀螺系统能够根据前向增益变化调整光功率的大小。

本发明通过前向增益的估计能够反映出全数字闭环光纤陀螺随机游走系数的变化趋势，实现该陀螺在线状态估计和控制。参见图4和图5所示，对全数字闭环光纤陀螺中的SFS光源1进行小辐照剂量率下的γ射线辐照试验，该陀螺的其它部分与辐照环境隔离，一方面监测陀螺的输出，另一方面采用伪随机扰动辨识法对陀螺的前向增益进行在线估计而得到前向增益值。图4中表示在辐照过程中光纤陀螺的输出与辐照时间的关系，从图中可以看出陀螺输出噪声呈现随时间增大的趋势说明由于辐照对SFS光源的影响使光源出纤功率不断降低，导致前向增益减小，陀螺检测信噪比(SNR)劣化，陀螺随机游走系数(RWC)指标变大。图5中表示陀螺前向增益在线估计值与辐照时间的关系，从图中可以看出，SFS光源在辐照过程中出纤功率随辐照剂量积累量的增加而减小，导致陀螺前向增益值也相应随之降低；前向增益的减小与陀螺输出噪声的变化是对应的，通过前向增益的估计能够反映出随机游走系数的变化趋势，实现陀螺在线状态估计。同时通过光功率控制单元1A产生光功率控制信号可以调节光源1的光功率，补偿由于辐照因素引起的光功率减小，调节光纤陀螺随机游走系数使陀螺工作在正常状态，提高全数字闭环光纤陀螺的环境适应性和可靠性。

Claims (4)

1、一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，全数字闭环光纤陀螺的光电探测器(5)输出的光功率信号(51)经前置放大电路(61)进行放大处理后，经A/D转换器(62)转换为数字光强电压信号(621)后输出给本发明的前向增益估计系统，其特征在于：所述前向增益估计系统包括有B信号产生单元(11)、伪随机解调单元(12)、方波解调单元(13)、积分处理单元(14)、A信号产生单元(15)、伪随机扰动相位解调信号单元(16)、方波解调信号产生单元(17)、光功率控制单元(1A)；

B信号产生单元(11)用于产生具有类似白噪声特性的伪随机信号(111)，该伪随机信号(111)一方面作为伪随机扰动相位解调信号单元(16)的基准信号，该伪随机信号(111)另一方面作为集成光学调制器(3)的伪随机调制信号；

A信号产生单元(15)用于产生具有光纤陀螺本征频率特性的方波调制信号(151)，该方波调制信号(151)一方面作为方波解调信号产生单元(17)的基准信号，该方波调制信号(151)另一方面作为集成光学调制器(3)的方波调制信号，该方波调制信号(151)第三方面作为伪随机扰动相位解调信号单元(16)的方波调制信号；

伪随机扰动相位解调信号单元(16)对接收的伪随机信号(111)进行差分运算获得具有相位差的伪随机信号；然后采用方波调制信号(151)对该伪随机信号进行方波调制得到伪随机扰动相位解调信号(161)；

方波解调信号产生单元(17)对接收的方波调制信号(151)进行进行差分运算获得方波解调信号(171)；

伪随机解调单元(12)对接收的数字光强电压信号(621)、伪随机扰动相位解调信号(161)进行伪随机解调处理后输出随机解调信号(121)；

方波解调单元(13)对接收的数字光强电压信号(621)、方波解调信号(171)进行方波解调处理后输出方波解调信号(131)；

积分处理单元(14)对接收的方波解调信号(131)进行积分累加，产生反馈信号(141)，该反馈信号(141)通过D/A转换单元(64)和放大调理电路(65)输出模拟阶梯波信号(651)；该模拟阶梯波信号(651)叠加到集成光学调制器(3)上；

光功率控制单元(1A)对接收的随机解调信号(121)进行光功率控制，产生具有光功率控制功能的光功率控制信号(1B)，该光功率控制信号(1B)作用于光源(1)上。

2、根据权利要求1所述的一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，其特征在于：在有伪随机扰动信号(111)加载至集成光学调制器(3)上时，加载时刻记为t，光电探测器(5)上输出光功率信号(51)表示为x(t)＝P_d(t){1+cos(φ_s(t)+φ_f(t)+φ_r(t)+φ_m(t))}+e(t)。

3、根据权利要求1所述的一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，其特征在于：方波解调信号(171)表示为 $Q_d\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& Q_m\left(n\right)-Q_m(n-1)>0\\ 0& Q_m\left(n\right)-Q_m(m-1)\≤0\end{array}\right..$

4、根据权利要求1所述的一种适用于全数字闭环光纤陀螺的前向增益估计系统，其特征在于：伪随机扰动相位解调信号(161)表示为Q_r(n)＝Q_m(n)(r_m(n)-r_m(n-1))。

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