CN101975584B

CN101975584B - 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

Info

Publication number: CN101975584B
Application number: CN2010102715778A
Authority: CN
Inventors: 金靖; 林松; 潘雄; 宋凝芳
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN101975584A

Abstract

本发明公开了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，本测试方法采用数字式逐点平均扫描的方法恢复其原始波形，将调制串扰信号经过前置滤波电路放大，A/D转换器转换成数字干扰信号后，进入中心处理器中进行处理并传送到信息融合计算，计算结果通过D/A转换器转换成模拟信号后输出，即为恢复出的干扰原始波形。此种测量方法能够有效地测量干涉式光纤陀螺内部的周期性串扰信号。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种对误差信号的测试方法，更特别地说，是指一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置(检测电路)中调制串扰误差的开环测试方法。

背景技术

干涉式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、Y波导3、光纤环4、光电探测器5和信号处理装置6(也称角速度信息的检测电路)组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于对光电探测器5输出的光功率信号f₁进行滤波放大的前放滤波电路61，然后滤波放大的光功率信号顺次经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后输出调制信号作用到Y波导3上(请参见图2所示)；所述的晶振电路66提供中心处理器63所需的时钟信息；所述中心处理器63可以由DSP芯片实现、也可以由FPGA芯片实现、也可以由DSP芯片+FPGA芯片实现。干涉式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。陀螺是一种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。可以应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

干涉式光纤陀螺环形干涉仪中，光波在Y波导3和耦合器2之间的两路光路的群传输时间之差倒数的二分之一称为光纤陀螺的本征频率(eigen frequency)。光纤陀螺最小互易性结构的光功率响应是一个隆起的余弦函数，为了获得较高的灵敏度，故给该信号施加一个偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。而Y波导3中的寄生非线性或振幅调制可能会削弱偏置的质量。在Y波导3非线性的情况下，一种简单的解决方法是使光纤陀螺环工作在本征频率(或其奇次谐波)上，因此，光纤陀螺的信号处理装置6通常都是基于其本征频率来设计其控制时序的。

在数字闭环光纤陀螺中，调制、解调技术是提高光纤陀螺精度、改善陀螺抗干扰能力的重要手段，闭环反馈控制技术是提高陀螺动态范围、改善标度因数线性度的重要方法，但这两项技术也导致信号检测电路设计复杂，引入多项检测误差。其中最主要的一项检测误差为调制串扰误差，是由于调制信号通过光路和电路串扰到闭环前向通道中产生，是数字闭环光纤陀螺特有的一种误差。

发明内容

为了测试干涉式光纤陀螺的信号处理装置(检测电路)中的调制串扰信号f₂并恢复其原始波形，本发明提出一种适用于干涉式光纤陀螺的检测电路调制串扰误差的开环测试方法。该开环测试方法采用数字式逐点平均扫描方式对调制串扰信号f₂进行扫描，然后对获取的扫描信号进行累加平均的融合处理，最后复原得到调制串扰信号f₂的原始波形。本发明方法利用了调制串扰信号f₂的干扰源为调制方波同频的周期信号，因此能够有效地测量出光电转换后的探测器信号受到同频周期信号干扰的情况。

本发明的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，所述检测电路(信号处理装置)包括有前放滤波电路、A/D转换器、中心处理器、D/A转换器、放大调理电路和晶振电路；前放滤波电路对光电探测器输出的光功率信号f₁进行滤波放大处理，然后滤波放大后的光功率信号经A/D转换器后形成调制串扰信号f₂输出给中心处理器；为了实现对调制串扰信号f₂依照图3所示的周期性波形进行数字式逐点平均扫描，并将扫描获得的信息进行处理的步骤为：

第一步：采样时序控制单元控制时钟信息t来获得调制串扰信号f₂进行数字式逐点平均扫描的采样时间点t₀；

第二步：在采样时间点t₀上，对调制串扰信号f₂在一个干扰信号的周期T内均匀采样M次，并将采样值x_ij储存在相应的采样寄存单元中；

所述采样值x_ij中i表示循环次数，i＝1，2，...N，N表示设定的最大循环次数；

所述采样值x_ij中j表示采样次数，j＝1，2，...M，M表示设定的最大采样次数；

第三步：多路选择单元依据顺时方式对采样寄存单元A、采样寄存单元B至采样寄存单元M中的采样值进行通道选通；

第四步：移位累加存取单元对接收到的采样寄存单元A中的采样值进行移位累加处理，得到第一个累加和；

移位累加存取单元对接收到的采样寄存单元B中的采样值进行移位累加处理，得到第二个累加和；

移位累加存取单元对接收到的采样寄存单元M中的采样值进行移位累加处理，得到第M个累加和；

第五步：累加和平均单元对接收的第一个累加和进行平均处理，得到第一个采样平均值；

累加和平均单元对接收的第二个累加和进行平均处理，得到第二个采样平均值；

累加和平均单元对接收的第M个累加和进行平均处理，得到第M个采样平均值；

第六步：将第一个采样平均值、第二个采样平均值、……、第M个采样平均值进行时间-电压的拟和，得到恢复后的串扰噪声。

本发明是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，其优点在于：(一)能够有效的测量光电转换后的探测器信号受到同频周期信号干扰的情况；(二)使用检测电路(信号处理装置6)本身对干扰信号进行采样、累加，并恢复出原始干扰信号波形，不使用外部仪器(如锁相放大器)，简单易行；(三)信号处理过程完全在中心处理器63内部进行，既可以恢复周期干扰信号的原始波形，也可以恢复周期干扰信号解调后的波形。

附图说明

图1是背景技术中干涉式光纤陀螺的结构框图。

图2是背景技术中干涉式光纤陀螺的信号处理装置的结构框图。

图3是本发明数字式逐点平均扫描原理示意图。

图4是本发明数字式逐点平均扫描法恢复调制串扰信号原始波形结构示意图。

图5A是实测含有周期串扰噪声信号的时间-电压关系曲线图。

图5B是采用本发明方法提取出的串扰噪声的时间-电压关系曲线图。

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。

为了测试干涉式光纤陀螺的信号处理装置(检测电路)中的调制串扰信号f₂并恢复其原始波形，本发明提出的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，此种测量方法可以有效地测量干涉式光纤陀螺内部的周期性串扰信号。因数字闭环光纤陀螺中信号处理装置所检测到的系统误差干扰源是与调制方波同频的周期信号(如图5A所示)，故本发明测试方法采用数字式逐点平均扫描的方法来扫描调制串扰信号f₂，然后对扫描获得的采样点信息进行累加平均处理，从而恢复其原始波形。

在本发明中，数字式逐点平均扫描方法的扫描是按一个周期内的调制方波的波形(如图3所示)进行的。

在本发明中，图5A中表示了实测含有调制串扰噪声的信号，信号幅值为1.5mV，信号为高斯白噪声分布，内部叠加了幅值为微伏量级的串扰噪声，频率和调制方波信号同频，调制串扰是数字闭环光纤陀螺的主要误差源，将引起陀螺输出产生死区、周期性噪声干扰、小角速度漂移、小角速度非线性等误差，严重降低陀螺精度。

为了实现对调制串扰信号f₂依照图3所示的周期性波形进行“数字式逐点平均扫描”，本发明在中心处理器63选取的载体(芯片)上运用VerilogHDL编程设计进行模式配置得以实现。参见图4所示，在本发明中的中心处理器63包括有采样时序控制单元、移位累加存取单元、累加和平均单元、结果寄存单元、多路选择单元和采样寄存器；所述的采样寄存器由多个采样寄存单元构成。

在本发明中，采样时序控制单元依据晶振电路66提供的时钟信息t，对调制串扰信号f₂采用数字式逐点平均扫描方式进行采样时间点t₀的控制；

在本发明中，多路选择单元用于选择当前所需处理的采样寄存单元内的采样值x_ij；

在本发明中，移位累加存取单元对接收到的采样值x_ij进行移位累加处理，得到累加和；

在本发明中，累加和平均单元对接收的累加和进行平均处理，得到采样平均值A(t_j)；

在本发明中，结果寄存单元用于对采样平均值进行储存。

在本发明中，若被测干扰信号的周期为T，在每个周期的起始处触发采样过程，每个周期内均匀采样M次，采样时间间隔为Δt，对于第j通道采样信号的运算过程为

且j＝1，2，…，M，式中，t_j是最后一次对第j通道采样的时刻。按照通道采样信号的运算关系分别计算出各个j所对应的采样平均值A(t_j)，将采样平均值按时间顺序排列进行拟和(时间-电压)就能够恢复被测信号波形。

为了实现对干涉式光纤陀螺的信号处理装置中调制串扰误差干扰源的采集及复原，本发明采用下列的处理步骤：

第二步：在采样时间点t₀上，对调制串扰信号f₂在一个干扰信号的周期T内均匀采样M次，并将采样值x_ij(i＝1，2，...N，j＝1，2，...M)储存在相应的采样寄存单元中；

在本发明中，所述采样值x_ij中i表示循环次数，N表示设定的最大循环次数，j表示采样次数，M表示设定的最大采样次数。

参见图4所示，图中采样寄存单元A中储存j＝1，且i＝1，2，...N的采样值x_i1；采样寄存单元2中储存j＝2，且i＝1，2，...N的采样值x_i2；采样寄存单元M中储存j＝M，且i＝1，2，...N的采样值x_iM；同理可得，任意一采样寄存单元中储存的采样值记为x_ij。

第六步：将第一个采样平均值、第二个采样平均值、……、第M个采样平均值进行时间-电压的拟和，得到恢复后的串扰噪声(如图5B所示)。

在本发明中，图5B表示了使用数字式逐点平均扫描方式恢复得到的调制串扰噪声信号，该调制串扰信号f₂和调制方波信号同频率，为167KHz，幅值为5μV，通过本发明的方法复原得到的串扰信号能够为后续的补偿提供数据支持，从而提高光纤陀螺的测量精度。

本发明测试方法采用数字式逐点平均扫描的方法恢复周期性的检测系统误差干扰信号的原始波形或解调后的波形。首先断开信号处理装置6与Y波导3的引线，信号处理装置6不向Y波导3施加调制信号，使测试波形中包含除了非理想方波调制信号以外的全部调制串扰信号。所述光功率信号f₁经过前置滤波电路61放大，A/D转换器62转换成数字干扰信号f₂后，进入中心处理器63中，中心处理器63内部的采样时序控制单元控制时钟，对调制串扰信号在每个周期内均匀采样后，储存在采样寄存器中，中心处理器63内部的多路选择单元对储存在采样寄存器中的采样值x_ij(i＝1，2，...N，j＝1，2，...M)进行选择并传送到信息融合计算，计算结果通过D/A转换器64转换成模拟信号后输出，即为恢复出的干扰原始波形。

Claims

1.一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，所述检测电路包括有前放滤波电路(61)、A/D转换器(62)、中心处理器(63)、D/A转换器(64)、放大调理电路(65)和晶振电路(66)；前放滤波电路(61)对光电探测器(5)输出的光功率信号f₁进行滤波放大处理，然后滤波放大后的光功率信号经A/D转换器(62)后形成调制串扰信号f₂输出给中心处理器(63)；首先断开信号处理装置(6)与Y波导(3)的引线，信号处理装置(6)不向Y波导(3)施加调制信号，使测试波形中包含除了非理想方波调制信号以外的全部调制串扰信号；其特征在于包括有下列处理步骤：

所述中心处理器(63)包括有采样时序控制单元、移位累加存取单元、累加和平均单元、结果寄存单元、多路选择单元和采样寄存器；所述的采样寄存器由多个采样寄存单元构成；采样时序控制单元依据晶振电路(66)提供的时钟信息t，对调制串扰信号f₂采用数字式逐点平均扫描方式进行采样时间点t₀的控制；多路选择单元用于选择当前所需处理的采样寄存单元内的采样值x_ij；移位累加存取单元对接收到的采样值x_ij进行移位累加处理，得到累加和；累加和平均单元对接收的累加和进行平均处理，得到采样平均值A(t_j)；结果寄存单元用于对采样平均值进行储存；

第三步：多路选择单元依据顺时方式对第一采样寄存单元、第二采样寄存单元、......、第M采样寄存单元中的采样值进行通道选通；

第四步：移位累加存取单元对接收到的第一采样寄存单元中的采样值进行移位累加处理，得到第一个累加和；

移位累加存取单元对接收到的第二采样寄存单元中的采样值进行移位累加处理，得到第二个累加和；

移位累加存取单元对接收到的第M采样寄存单元中的采样值进行移位累加处理，得到第M个累加和；

第六步：将第一个采样平均值、第二个采样平均值、......、第M个采样平均值进行时间-电压的拟合，得到恢复后的串扰噪声。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：数字式逐点平均扫描是内嵌在中心处理器(63)选取的芯片上，并运用Verilog HDL编程语言实现。