CN102175264A - 一种测量光纤陀螺带宽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光纤陀螺带宽的方法。它的步骤如下：1)由突停台1产生角速度阶跃信号作为光纤陀螺2的带宽测试输入信号，突停台产生的输入阶跃信号上升时间小于10微秒，截止频率大于100千赫兹，覆盖了光纤陀螺2的带宽范围；2)由信号采集系统3高速采集光纤陀螺2的阶跃响应信号并上传数据处理系统4，信号采集系统3采集光纤陀螺数据的时间周期t_c小于5微秒，典型值为3微秒；3)由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2带宽。本发明不需要复杂的控制方法及仪器设备，操作简单，测量范围大，能够快速、准确的测量光纤陀螺的带宽。

Description

一种测量光纤陀螺带宽的方法

技术领域

本发明涉及一种测量光纤陀螺带宽的方法，能够快速准确的测量光学陀螺的带宽。

背景技术

光纤陀螺是一种基于光学赛格奈克效应的角速度传感器。频率特性是衡量光纤陀螺动态性能的一项重要指标，频率特性测试也是衡量光纤陀螺性能的一项重要内容。在光纤陀螺的通频带中，光纤陀螺不失真的反映角速度信号。

传统的测试光纤陀螺带宽的方法有：采用角振动台测量带宽或者采用在反馈阶梯波上输入正弦波模拟角速度输入来测量光纤陀螺频率特性。采用角振动台测量光纤陀螺带宽有其局限性：角振动台的频率上限不高，一般小于200hz，而光纤陀螺却是大带宽的传感器，典型光纤陀螺带宽能达到2000hz左右，角振动台无法在全频带测量光纤陀螺带宽。当光纤陀螺的频带高于角振动台的频率上限时，角振动台就无法测量光纤陀螺的频率特性。采用输入正弦波模拟角速度输入测量光纤陀螺的方法：通过在反馈阶梯波上输入等效不同频率正弦波来模拟角速度输入，对光纤陀螺解调输出波形幅值进行判断得到光纤陀螺带宽。这种方法是一种模拟仿真输入角速度来测试光纤陀螺带宽的方法，与实际光纤陀螺应用环境和角速度输入方式有差距，不能真实反映光纤陀螺的带宽。

发明内容

本发明的目的是针对目前光纤陀螺研究中，光纤陀螺带宽的测试问题提供一种简单的测试光纤陀螺带宽的方法，利用预先建立的模型，通过输入一个阶跃信号，测量光纤陀螺的阶跃响应曲线，从而得到阶跃响应信号上升时间，进而得到光纤陀螺的带宽。

测量光纤陀螺带宽的方法的步骤如下：

1).由突停台1产生角速度阶跃信号作为光纤陀螺2的带宽测试输入信号，突停台产生的输入阶跃信号上升时间小于10微秒，截止频率大于100千赫兹，覆盖了光纤陀螺2的带宽范围；

2).由信号采集系统3高速采集光纤陀螺2的阶跃响应信号并上传数据处理系统4，信号采集系统3采集光纤陀螺数据的时间周期t_c小于5微秒，典型值为3微秒；

3).由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2带宽。

所述的由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2带宽步骤为：

（1）数据处理系统4判断光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻和稳定时刻。阶跃信号输入前，光纤陀螺2以稳定角速度                                                

旋转，光纤陀螺2输出值为k×

，其中k为光纤陀螺标度因数，

为角速度。阶跃信号输入后，光纤陀螺2的输出发生变化。光纤陀螺2输出值变为0.9×k×

的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻，光纤陀螺2输出值变为0.1×k×

的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的稳定时刻；

（2）通过计算阶跃响应信号变化时刻与稳定时刻之间信号采集系统的采集周期的个数及采集周期长度来解算阶跃响应信号的上升时间。变化时刻信号采集系统3的采集周期序号为k_b，稳定时刻采集周期序号为k_e，两时刻之间的采集周期个数为(k_e-k_b)，则上升时间t_r=(k_e-k_b) ×t_c；

（3）由光纤陀螺2阶跃响应信号上升时间得其带宽：f=1/ t_r=1/[(k_e-k_b)×t_c]。

本方法的有益效应：提供了一种简单并且能够实际应用的测量光纤陀螺带宽的方法。运用该方法能够在很短时间内得到光纤陀螺的带宽，测量范围大。

附图说明

图1是测量光纤陀螺带宽的方法的原理图；

图2是突停台运转过程示意图；

图3是突停台停止过程示意图；

图4是光纤陀螺阶跃响应信号的模拟图；

图5是光纤陀螺阶跃响应信号的实测图。

图中：突停台1、光纤陀螺2、信号采集系统3、数据处理系统4、突停台台面5、突停台台面刚性块6、电磁铁7、模拟阶跃信号输入曲线8、模拟光纤陀螺阶跃响应曲线9、实测阶跃信号输入曲线10、实测光纤陀螺阶跃响应曲线11。

具体实施方式

本发明的原理：

光纤陀螺是角速度传感器，从角速度输入到光纤陀螺输出是一个信号处理过程。理论上，光纤陀螺的输出增益和相位差与角速度输入频率

无关。但光纤陀螺的传递函数为一个惯性环节。在角速度输入到光纤陀螺输出过程中，光纤陀螺是一个低通滤波器，对于不在光纤陀螺通频带内的角速度信号，光纤陀螺不能无失真的反映角速度值。根据信号与系统原理，在理想低通滤波器的截止频率范围内，低通滤波器的频域特性可以表示为：

                                                                                           （1）

其中 _c为滤波器的截止频率，

为频率，j为虚数单位，e为自然对数的底，t为时间。

理想的阶跃信号上升时间为0，其形式为：

                                                                                  （2）

考虑阶跃信号u(t)通过理想低通滤波器的阶跃响应s(t)：

                                                                        （3）

阶跃信号输入理想低通滤波器，滤波器的截止频率越高，阶跃响应信号的上升时间按越短。阶跃响应信号的上升时间t_r与系统的截止频率f成反比：

t_r=1/ f

其中上升时间t_r为光纤陀螺输出值由0.9倍的输出值到变化到0.1倍的输出值所需时间，也即是从光纤陀螺输出变化到输出稳定之间的时间。

根据公式（4）得知：只要得到阶跃响应时间t_r，就可推得光纤陀螺的带宽。

阶跃信号输入是通过突停台产生，突停台是一种通过刚性碰撞外加电磁铁吸引作用将单轴速率转台由转动状态瞬间变为停止状态的突停装置。突停台产生的阶跃信号作为光纤陀螺带宽测试的输入信号。

测量光纤陀螺带宽的方法的步骤如下：

1).由突停台1产生角速度阶跃信号作为光纤陀螺2的带宽测试输入信号，突停台产生的输入阶跃信号上升时间小于10微秒，截止频率大于100千赫兹，覆盖了光纤陀螺2的带宽范围；

阶跃信号输入方式是通过突停台输入；将光纤陀螺固定在突停台上，开始时，突停台以光纤陀螺测量范围内的角速度做匀速转动，某一时刻突停台突然停止转动，运动状态由匀速运转的运动状态变成停止，角速度由一个恒定值瞬间变为零，固定在突停台上的光纤陀螺感受到一个阶跃信号输入，光纤陀螺输出阶跃响应信号。

2).由信号采集系统3高速采集光纤陀螺2的阶跃响应信号并上传数据处理系统4，信号采集系统3采集光纤陀螺数据的时间周期t_c小于5微秒，典型值为3微秒；

光纤陀螺输出的阶跃响应信号是通过信号采集系统采集；信号采集系统以高频率f_c采集光纤陀螺输出，并将每个采集周期的序号与光纤陀螺输出上传数据处理系统，采集周期长度：

t_c=1/f

t_c典型值为3微秒；

3).由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2带宽。

光纤陀螺阶跃信号上升时间是通过计数陀螺输出变化时刻与输出稳定之间的陀螺采样周期t_c的个数来计量，通过判断陀螺输出变化时刻与稳定时刻，并由两时刻之间的采集周期个数与采集周期长短来解算上升时间，进而得到陀螺带宽。

所述的由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2带宽步骤为：

（1）数据处理系统4判断光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻和稳定时刻。阶跃信号输入前，光纤陀螺2以稳定角速度旋转，光纤陀螺2输出值为k×

，其中k为光纤陀螺标度因数，

为角速度。阶跃信号输入后，光纤陀螺2的输出发生变化。光纤陀螺2输出值变为0.9×k×的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻，光纤陀螺2输出值变为0.1×k×

的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的稳定时刻；

（2）通过计算阶跃响应信号变化时刻与稳定时刻之间信号采集系统的采集周期的个数及采集周期长度来解算阶跃响应信号的上升时间。变化时刻信号采集系统3的采集周期序号为k_b，稳定时刻采集周期序号为k_e，两时刻之间的采集周期个数为(k_e-k_b)，则上升时间t_r=(k_e-k_b) ×t_c；

（3）由光纤陀螺2阶跃响应信号上升时间得其带宽：f=1/ t_r=1/[(k_e-k_b)×t_c]。

图1为光纤陀螺带宽测试方法的原理图，本发明先把光纤陀螺2用螺钉固定在突停台1上。开启突停台1，使突停台1以一个稳定角速度

运转，开启光纤陀螺2的电源，信号采集系统3每隔一段时间t_c采集光纤陀螺2输出的角速度信号，并将信号上传到数据处理系统4，数据处理系统解算光纤陀螺阶跃响应信号上升时间进而得到光纤陀螺带宽。

图2和图3为突停台输入阶跃信号示意图。当光纤陀螺2进入稳定的工作状态，在突停台1电机停转的同时，电磁铁7向沿着图2中箭头方向运动，突停台台面5上的刚性块6受到电磁铁7的阻挡，并被电磁铁7吸住。在这些外力共同作用下突停台1停止转动，突停台1角速度由

变为零。

图4为光纤陀螺阶跃响应信号模拟图。突停台1角速度由

变为零,光纤陀螺2感受到突停台1的角速度输入也由变为

_e=0。信号采集系统3采集到的光纤陀螺2输出平均值也由一个正比于角速度的值突变为0附近的值。这个突变过程输入到光纤陀螺2的角速度信号就是一个阶跃信号。信号采集系统3每隔t_c时间采集光纤陀螺2的输出值，并上传到数据处理系统4。

实施例：

图5为光纤陀螺阶跃响应信号实测图。数据处理系统4获得的数据包含了光纤陀螺2的输出值，同时也记录了信号采集系统3发给光纤陀螺2的信号采集指令周期的序号。实际测试中，某型号光纤陀螺标度因素k=20000，信号采集系统采集周期为3微秒。突停台1由角速度

=50°/s做匀速转动突变为停止状态 _e=0°/s，在这个过程中，光纤陀螺2输出值由k×

 =1000000变为0.9倍也即是900000时t_c的周期序数k_b=72210，输出平均值变为初值的0.1倍也即是100000时的t_c的周期序数k_e=72380，则光纤陀螺阶跃响应的上升时间t_r用下面的公式计算得：

t_r=(k_e-k_b)×t_c=(72380-72210)×3=510(微秒)                              （3）

则相应的该光纤陀螺的带宽：

f=1/ t_r=1/(k_e-k_b)×t_c=1/0.00051s=1961Hz                     （4）

Claims (2)

1.一种测量光纤陀螺带宽的方法，其特征在于它的步骤如下：

1) .由突停台1产生角速度阶跃信号作为光纤陀螺2的带宽测试输入信号，突停台产生的输入阶跃信号上升时间小于10微秒，截止频率大于100千赫兹，覆盖了光纤陀螺2的带宽范围；

2).由信号采集系统3高速采集光纤陀螺2的阶跃响应信号并上传数据处理系统4，信号采集系统3采集光纤陀螺2的时间周期t_c小于5微秒，典型值为3微秒；

3).由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2的带宽。

2.根据权利要求1所述的一种测量光纤陀螺带宽的方法，其特征在于所述的由数据处理系统4解算得到阶跃响应信号的上升时间及光纤陀螺2的带宽步骤为：

（1）数据处理系统4判断光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻和稳定时刻；

阶跃信号输入前，光纤陀螺2以稳定角速度                                               

旋转，光纤陀螺2输出值为k×

，其中k为光纤陀螺标度因数，

为角速度，阶跃信号输入后，光纤陀螺2的输出发生变化，光纤陀螺2输出值变为0.9×k×

的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的变化时刻，光纤陀螺2输出值变为0.1×k×

的时刻记为光纤陀螺阶跃响应信号的稳定时刻；

（2）通过计算阶跃响应信号变化时刻与稳定时刻之间信号采集系统的采集周期的个数及采集周期长度来解算阶跃响应信号的上升时间；

变化时刻信号采集系统3的采集周期序号为k_b，稳定时刻采集周期序号为k_e，两时刻之间的采集周期个数为(k_e-k_b)，则上升时间t_r=(k_e-k_b) ×t_c；

（3）由光纤陀螺2阶跃响应信号上升时间得其带宽：f=1/ t_r=1/[(k_e-k_b)×t_c]。

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