CN101709971B - 一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 - Google Patents
一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101709971B CN101709971B CN2009100731701A CN200910073170A CN101709971B CN 101709971 B CN101709971 B CN 101709971B CN 2009100731701 A CN2009100731701 A CN 2009100731701A CN 200910073170 A CN200910073170 A CN 200910073170A CN 101709971 B CN101709971 B CN 101709971B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- vibration
- signals
- gyro
- sagnac phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
本发明提供的是一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法。系统上电后，由光电检测器实时检测到的光功率信号经滤波、放大、A/D转换器得到数字信号，经过数字锁存模块对信号进行锁存，对锁存实时光功率数字信号进行解调，得到Sagnac相位差信号、2π电压偏离信号和光功率信号，将解调出的Sagnac相位差信号除以光功率信号，得到新的解调信号并进行放大输出到Sagnac相移补偿调制模块，将解调出2π电压偏离信号输出到2π电压误差补偿调制模块，然后将Sagnac相移补偿信号的调制信号和2π电压误差补偿调制信号反馈到陀螺闭环回路。本发明的方法消除了由振动引起的陀螺的常值漂移误差和部分附加噪声误差，提高了陀螺在振动环境中的测量精度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及光电子技术中的光纤传感领域，尤其是涉及一种干涉型光纤陀螺振动误差的抑制方法。更具体的说是一种通过信号解调来消除由振动引起的测量误差的方法。
(二)背景技术
光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，它由光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、光电检测器5和信号处理装置6等硬件组成。所述的信号处理装置6包括时序控制模块60、滤波、放大、A/D转换模块61、数字信号解调模块62、Sagnac相移补偿调制模块63、2π电压误差补偿调制模块64、D/A转换、放大模块65、和陀螺信号输出模块66、干涉型光纤陀螺通过测量光纤环中正反传播的两束光波在陀螺转动中产生的非互易相位差来测量载体角速度。它作为一种重要的惯性敏感器，是构成惯性系统的核心部件，应用于航空、航天、航海和路基载体的导航中，用以测量载体的姿态角和角速度等信息。由于陀螺用于测量载体的姿态角和角速度，需固连到载体上，因此测量结果就会受载体振动的影响而产生误差。
(三)发明内容
本发明目的为提供一种可抑制振动误差，提高陀螺在振动环境中的测量精度的一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法。
本发明提供的技术方案为：
系统上电后，由光电检测器实时检测到的光功率信号经滤波、放大、A/D转换器得到数字信号，经过数字锁存模块对信号进行锁存，对锁存实时光功率数字信号进行解调，得到Sagnac相位差信号、2π电压偏离信号和光功率信号，将解调出的Sagnac相位差信号除以光功率信号，得到新的解调信号并进行放大输出到Sagnac相移补偿调制模块，将解调出2π电压偏离信号输出到2π电压误差补偿调制模块，然后将Sagnac相移补偿信号的调制信号和2π电压误差补偿调制信号反馈到陀螺闭环回路。
本发明有益效果为抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法的优点在于：解调出的Sagnac相位差信号和光功率信号相除的方法，消除了由振动引起的陀螺的常值漂移误差和部分附加噪声误差，并且为了抑制光纤陀螺振动误差噪声的信号解调方法的实现考虑了时间的限制，使除法的引入可以在不延长陀螺解调时间的解调周期内完成，提高了陀螺在振动环境中的测量精度。
(四)附图说明
图1是光纤陀螺结构框图。
图2是光纤陀螺信号处理装置结构框图。
图3是数字信号解调结构框图。
图4是振动测试装置简图。
图5是未采用本发明的解调方法在表1振动环境下的测试数据曲线。
图6是采用本发明的解调方法在表1振动环境下的测试数据曲线。
(五)具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在图1-3中：1.ASE光源2.耦合器3.Y波导4.光纤环5.光电检测器6.信号处理器60.时序控制模块61.滤波、放大、A/D转换模块62.数字信号处理模块63.Sagnac相移补偿信号调制模块64.2π电压误差补偿调制模块65.D/A转换、放大模块66.滤波陀螺信号输出模块620.数字信号锁存模块621.2π电压偏离信号解调模块622.Sagnac相位差信号解调模块623.光强信号解调模块624.除法模块625.放大模块。
本发明所述的抑制光纤陀螺振动误差信号的解调方法属于光纤陀螺结构框图的一部分，光纤陀螺结构框图如图1所示，ASE光源经过耦合器到Y波导最后作用于光纤环，其中光电检测器实时检测光功率信号输入到信号处理器处理后反馈到陀螺闭环回路。
本发明所述的抑制光纤陀螺振动误差信号的解调方法有如下步骤：如图2所示，选取合适的偏置调制相移，系统上电后在同一时钟的时序控制下，由光电检测电路检测到的实时光功率信号输出给信号处理装置，在信号处理装置中经滤波、放大、A/D转换模块转换为数字信号，然后输出至数字信号解调模块；如图3所示，数字信号解调模块对接收的所述实时光功率信号锁存后进行解调处理，得到Sagnac相位差信号，2π电压偏离值信号和周期性波动的光功率信号；其中所述的2π电压偏离值信号直接输出给2π电压误差补偿调制模块，经调制后用于反馈控制2π电压，使其工作在稳定工作点；对所述的Sagnac相位差信号和光功率信号进行除法处理，具体的方法如下：
在理想无振动条件下，经Y波导调制器调制的两束光波在光纤环中反向传播，并在Sagnac效应的影响下干涉后输出至光电检测器检测，然后光电检测器检测到的信号输出给信号处理器，在信号处理器中将干涉信号进行解调，解调后的干涉信号为：
(1)式中：K为系统增益；P0为光功率；Δφ为Sagnac相位差；为偏置调制相移；下同。
在小角度近似的情况下，(1)式可化为：
由于陀螺的实际应用环境中，总不可避免的会有外界振动的干扰。而实际应用中所遇到的振动都可以看成是由多次谐波函数叠加合成的，因此下面以正旋振动为例，来对信号中的振动误差进行分析和说明。当由外界振动的影响时，振动对光纤陀螺的影响主要作用在光纤环上，并最终体现在两方面，一是振动致非互易相移的周期性变化，二是振动致光强度周期性变化，其非互易相移和光强的误差表达式为：
Δφv＝Δφ0(f)cos(ωt+θ1)(3)
P′＝P0(a+ΔP(f)cos(ωt+θ2))(4)
(3)式和(4)式中：a为光功率系数；Δφ0(f)为受振动影响的Sagnac相位差幅值；ω为振动频率；θ1受振动影响的Sagnac相位差初始角；ΔP0(f)为受振动影响的光功率幅值；θ2受振动影响的光功率初始角；下同。
在振动的影响下，解调后的干涉信号变为：
在小角度近似情况下(5)式可化为：
上式的第1项仅含有Sagnac相位差Δφ，为陀螺有效信号；2、3、4项为周期性误差信号，在陀螺输出中体现为附加噪声，长时间的均值为零；第5项为常值误差信号，最终体现为陀螺输出漂移。
本发明通过改变解调方式以消除振动导致的陀螺输出漂移误差。将所述数字信号锁存模块620锁存的数字信号进行解调处理，可得2π电压偏离信号、Sagnac相位差信号和光功率信号，将得到的不含Sagnac相位差而只受振动影响而周期性变化的光功率信号与Sagnac相位差信号相除，那么(5)式可化为：
进一步展开可得：
由于
为已知的偏置调制信号，上式结果中，第1项仅含有Sagnac相位差Δφ，为陀螺有效信号；第2项为周期性误差信号，在陀螺输出中体现为附加噪声，长时间的均值为零；比较(6)式和(8)式可以看出，(8)式中消除了因光功率变化而带来原来的第3、4项误差信号和第5项常值误差，这就减小了由振动带来的噪声，并消除了由振动带来的陀螺漂移。这样消去Sagnac相位差信号中的周期性波动的光功率信号，得到消除由振动引起的常值漂移误差和部分噪声误差的Sagnac相位差信号，并进行放大后，输出到Sagnac相移补偿信号调制模块，反馈到闭环回路中，以控制陀螺工作在稳定工作点。本发明中要求所述的除法的算法复杂性和速度要综合考虑系统板的容量和整个系统对时间的要求，放大单元的放大倍数要综合考虑整个闭环回路的增益，使闭环能够快速稳定。所述的抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法，整个解调过程需考虑光纤陀螺各个模块的时序约束，本发明的解调方法要在不延长光纤陀螺解调周期的情况下完成。
图4是振动测试装置简图，其中振动台组件由起振装置和风机组成。振动台与控制计算机PC1通过数据线连接，数据线一方面将PC1的控制指令发送给振动台，一方面将振动台的振动响应反馈给PC1，以使振动台在控制计算机PC1的控制下，产生各种准确的振动响应，使固定到振动台上的陀螺组件处于所要求的振动环境中。陀螺组件通过数据采集线与数据采集处理计算机PC2连接，PC2主要负责陀螺数据的采集和事后处理。其测试步骤如下：
1)将陀螺固定安装到振动台组件上，并用采集线将陀螺和数据采集处理计
算机PC2连接；
2)开通电源，令陀螺预热30分钟；
3)陀螺预热结束后，打开PC2并采集振动前陀螺数据20分钟；
4)打开振动台风机，此时继续采集数据5分钟；
5)打开PC1，通过PC1控制振动台，使振动台产生频率为50Hz，加速度为1G的正旋波振动，振动20分钟并采集数据；
6)振动结束后，在风机未关闭状态下继续采集数据5分钟；
7)关闭风机，继续采集数据5分钟；
改变振动频率，重复以上步骤1)-7)，在大量的测试实验后，获得未采用本发明的解调方法和采用本发明所述的改进解调方法后，在振动环境下的测试数据，以Z轴为例，其响应曲线如图5、图6所示。
由图5和图6的响应曲线比较可以看出，采用本发明后的解调方法的整体噪声大小要比未采用本发明的解调方法的噪声要小；由表2中未采用本发明的解调方法与采用本发明的解调方法振动前、振动中、振动后各时间段原始数据均值和除标度因数后均值的比较可以看出，未采用本发明的解调方法振动前、振动中、振动后除以标度因数后的均值精确到个位，采用本发明的解调方法振动前、振动中、振动后除以标度因数后的均值精确到小数点后两位，说明采用本发明后陀螺输出数据均值的稳定性提高了两个数量级，也即陀螺在振动环境中的稳定性提高了两个数量级，证明了该方案的有效性。
表1振动测试环境条件
| 频率 | 50-200Hz |
| 加速度 | 1g |
| 持续时间 | 20min |
表2采用本发明前和采用本发明后陀螺在振动前、振动中、振动后的均值比较
Claims (1)
1.一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法，其特征在于：系统上电后在同一时钟的时序控制下，由光电检测电路检测到的实时光功率信号输出给信号处理装置，在信号处理装置中经滤波、放大、A/D转换模块转换为数字信号，然后输出至数字信号解调模块；数字信号解调模块对接收的所述实时光功率信号锁存后进行解调处理，得到Sagnac相位差信号，2π电压偏离值信号和周期性波动的光功率信号；其中所述的2π电压偏离值信号直接输出给2π电压误差补偿调制模块，经调制后用于反馈控制2π电压，使其工作在稳定工作点；对所述的Sagnac相位差信号和光功率信号进行除法处理，具体的方法如下：
在理想无振动条件下，经Y波导调制器调制的两束光波在光纤环中反向传播，并在Sagnac效应的影响下干涉后输出至光电检测器检测，然后光电检测器检测到的信号输出给信号处理器，在信号处理器中将干涉信号进行解调，解调后的干涉信号为：
(1)式中：K为系统增益；P0为光功率；Δφ为Sagnac相位差；
为偏置调制相移；
在小角度近似的情况下，(1)式化为：
当有外界振动的影响时，振动对光纤陀螺的影响主要作用在光纤环上，并最终体现在两方面，一是振动致非互易相移的周期性变化，二是振动致光强度周期性变化，其非互易相移和光强的误差表达式为：
Δφv＝Δφ0(f)cos(ωt+θ1) (3)
P′＝P0(a+ΔP(f)cos(ωt+θ2)) (4)
(3)式和(4)式中：a为光功率系数；Δφ0(f)为受振动影响的Sagnac相位差幅值；ω为振动频率；θ1为受振动影响的Sagnac相位差初始角；ΔP(f)为受振动影响的光功率幅值；θ2为受振动影响的光功率初始角；
在振动的影响下，解调后的干涉信号变为：
在小角度近似情况下(5)式化为：
上式第1项中含有Sagnac相位差Δφ，该第1项为陀螺有效信号；2、3、4项为周期性误差信号，在陀螺输出中体现为附加噪声，长时间的均值为零；第5项为常值误差信号，最终体现为陀螺输出漂移；
将所述数字信号解调模块中锁存的数字信号进行解调处理，得2π电压偏离信号、Sagnac相位差信号和光功率信号，将得到的不含Sagnac相位差而只受振动影响而周期性变化的光功率信号与Sagnac相位差信号相除，(5)式化为：
进一步展开可得：
由于
为已知的偏置调制信号，上式结果中，仅第1项含有Sagnac相位差Δφ，为陀螺有效信号；第2项为周期性误差信号，在陀螺输出中体现为附加噪声，长时间的均值为零；消去Sagnac相位差信号中的周期性波动的光功率信号，得到消除由振动引起的常值漂移误差和部分噪声误差的Sagnac相位差信号，并进行放大后，输出到Sagnac相移补偿信号调制模块，反馈到闭环回路中，以控制陀螺工作在稳定工作点。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100731701A CN101709971B (zh) | 2009-11-11 | 2009-11-11 | 一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100731701A CN101709971B (zh) | 2009-11-11 | 2009-11-11 | 一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101709971A CN101709971A (zh) | 2010-05-19 |
| CN101709971B true CN101709971B (zh) | 2011-08-03 |
Family
ID=42402768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009100731701A Expired - Fee Related CN101709971B (zh) | 2009-11-11 | 2009-11-11 | 一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101709971B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102183248B (zh) * | 2011-01-18 | 2012-11-14 | 浙江大学 | 基于宽谱光干涉特性的闭环光纤陀螺动态启动方法 |
| CN102269590B (zh) * | 2011-05-03 | 2013-04-03 | 北京航空航天大学 | 对光信号中的强度噪声进行抑制的装置和方法 |
| CN102735230B (zh) * | 2012-06-08 | 2015-06-03 | 东南大学 | 基于fpga的微机电混合陀螺仪闭环检测电路系统 |
| CN103267522B (zh) * | 2013-05-10 | 2015-08-12 | 浙江大学 | 用于消除光载微波陀螺非互易性误差的双向锁频交换方法 |
| CN103257463B (zh) * | 2013-05-17 | 2015-07-01 | 山西大学 | 锁定LiNbO3马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法 |
| CN105091939B (zh) * | 2015-07-30 | 2017-07-25 | 北京航空航天大学 | 一种用于光纤Sagnac干涉仪传感器的高分辨率绝对相位解调方法 |
| CN105277188B (zh) * | 2015-08-28 | 2018-03-20 | 华东师范大学 | Sagnac角速度测量系统及方法 |
| CN107869997A (zh) * | 2016-09-27 | 2018-04-03 | 北京计算机技术及应用研究所 | 用于光纤陀螺的光路调试设备 |
| CN110553810B (zh) * | 2019-07-23 | 2021-02-09 | 北京控制工程研究所 | 一种星载变速cmg微振动噪声抑制方法 |
| CN111220142B (zh) * | 2020-02-25 | 2020-12-15 | 北京航空航天大学 | 一种新型超高精度光纤陀螺仪的信号处理方法及装置 |
| CN116625349B (zh) * | 2023-07-26 | 2023-09-15 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种提升光纤罗经振动性能的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5923424A (en) * | 1997-06-19 | 1999-07-13 | Honeywell Inc. | Fiber optic gyroscope vibration error compensator |
| US5946097A (en) * | 1997-12-31 | 1999-08-31 | Honeywell Inc. | Vibration rectification error reducer for fiber optic gyroscope |
| CN101566483A (zh) * | 2009-05-22 | 2009-10-28 | 哈尔滨工程大学 | 光纤陀螺捷联惯性测量系统振动误差补偿方法 |
-
2009
- 2009-11-11 CN CN2009100731701A patent/CN101709971B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5923424A (en) * | 1997-06-19 | 1999-07-13 | Honeywell Inc. | Fiber optic gyroscope vibration error compensator |
| US5946097A (en) * | 1997-12-31 | 1999-08-31 | Honeywell Inc. | Vibration rectification error reducer for fiber optic gyroscope |
| CN101566483A (zh) * | 2009-05-22 | 2009-10-28 | 哈尔滨工程大学 | 光纤陀螺捷联惯性测量系统振动误差补偿方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| JP平1-123111A 1989.05.16 |
| 宋凝芳,张春熹,李立京,林恒.数字闭环光纤陀螺振动误差分析.《北京航空航天大学学报》.2004,第30卷(第8期),702-704. * |
| 李绪友,郝燕玲.基于FPGA的数字闭环光纤陀螺研究.《中国惯性技术学报》.2002,第10卷(第2期),39-43. * |
| 谭呈明,李德才,梁志军,潘军.数字闭环光纤陀螺复位电压控制技术研究.《中国惯性技术学报》.2005,第13卷(第1期),64-67. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101709971A (zh) | 2010-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101709971B (zh) | 一种抑制光纤陀螺振动误差的信号解调方法 | |
| EP3112879B1 (en) | Optical-mechanical vibrating beam accelerometer | |
| CN100458367C (zh) | 一种对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪的四态调制及解调方法 | |
| CN107389097B (zh) | 光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率跟踪测量方法 | |
| CN101270991B (zh) | 采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统 | |
| CN102353393B (zh) | 基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置 | |
| CN202267808U (zh) | 干涉型光纤传感器数字解调装置 | |
| CN102650526B (zh) | 一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路 | |
| CN105424605B (zh) | 基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置及方法 | |
| US20100199763A1 (en) | Vibration compensation for yaw-rate sensors | |
| CN102788595A (zh) | 基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法与装置 | |
| CN103411601B (zh) | 一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法 | |
| CN1851403A (zh) | 谐振式微光机电陀螺的闭环光频检测装置 | |
| CN102607620A (zh) | 反射式干涉型光纤传感器系统 | |
| CN106871931B (zh) | 一种闭环光纤陀螺温度补偿方法 | |
| CN103968821B (zh) | 双路谐振式光学陀螺 | |
| CN103868530A (zh) | 一种闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法 | |
| CN101975584B (zh) | 一种适用于干涉式光纤陀螺的检测电路系统误差的开环测试方法 | |
| CN104457961A (zh) | 一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法 | |
| CN1945209B (zh) | 一种抑制光纤陀螺交叉干扰的组合调制及解调方法 | |
| CN1320812A (zh) | 相位差测量装置及应用该装置的外差干涉测量系统 | |
| CN113959427B (zh) | 基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法 | |
| CN100386601C (zh) | Sagnac干涉型光纤传感器的一种开环信号处理方法和电路 | |
| CN106441367A (zh) | 一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置 | |
| CN105444777A (zh) | 一种摇摆条件下光纤陀螺仪误差测试方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110803 Termination date: 20171111 |