CN102435186A

CN102435186A - 一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪

Info

Publication number: CN102435186A
Application number: CN2011103854202A
Authority: CN
Inventors: 杨川川; 王子宇
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: US20130135623A1; US8922779B2; CN102435186B

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪，属于光纤传感领域。本方法为：1)将开环光纤陀螺仪输出的一、二次谐波解调信号S₁(k)、S₂(k)各自均分为两路信号且分别将其中一路信号延迟N个采样周期时间，N为自然数；2)将延迟后的S₁(k)与未延迟的S₁(k)相乘得到信号S0，将延迟后的S₁(k)与未延迟的S₂(k)相乘得到信号S3；同时将延迟后的S₂(k)与未延迟的S₁(k)相乘得到信号S1，将延迟后的二次谐波解调信号S₂(k)与未延迟的二次谐波解调信号S₂(k)相乘得到输出信号S2；3)信号S1减去信号S3后除以信号S0、S2之和，得到一信号S；4)对信号S低通滤波后与第k-N时刻输出的萨格奈克相移测量值相加，作为第k时刻的萨格奈克相移测量值本发明大大提高了开环光纤陀螺的动态范围。

Description

一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置及基于该装置的光纤陀螺仪。

背景技术

光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，一直以来都被广泛的关注。光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，在航空、航天、航海和兵器等军用领域以及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用和发展前景。光纤陀螺是基于萨格奈克效应的角速度测量仪，干涉式光纤陀螺仪有两种基本结构：开环结构和闭环结构。

开环光纤陀螺直接检测光路中的萨格奈克相移，所以系统的工作点随输入角速度而改变；闭环光纤陀螺通过使用光波导构成反馈回路抵消光路中的萨格奈克相移，而将反馈信号作为检测信号，所以系统的工作点不随输入角速度而改变。基于这样的工作原理，这两类光纤陀螺仪都有各自的优点和不足：相较之下，闭环光纤陀螺仪的突出优势是更高的标度因数稳定性、更大的动态范围和更小的漂移；开环光纤陀螺仪由于没有使用光波导构成反馈回路而具有更好的抗温度冲击、机械冲击、机械振动特性，更好的抗电磁干扰能力，更高的可靠性以及更低的生产和使用维护成本。参考文献：张桂才，光纤陀螺原理与技术，国防工业出版社，2008。

开环光纤陀螺仪光路部分的基本结构示意图如图1所示，模块7探测器输出的探测信号为：

其中，

为萨格奈克相移，I₀为探测信号的平均功率，

由模块6调相器的输出信号决定。探测信号中包含相位调制信号的基频信号以及各次谐波信号。传统的开环光纤陀螺仪检测I_D(t)的一次谐波，即输出信号为：

由公式(2)可以得到：

1)传统开环光纤陀螺的性能和比例因子的关系非常密切。影响比例因子的关键因素a)探测器输出的信号幅度；b)调相器的调制深度。和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的一大劣势就在于比例因子的稳定性受以上两个因素的影响较大。

2)和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的动态范围较小。由公式(2)可以得到，传统开环光纤陀螺仪的动态范围最大为sin函数的单值区间[-π/2 π/2)。光纤陀螺萨格奈克相移

和系统转动角速度Ω的关系表达式为：

其中，

为模块1光源的平均波长，c为光在真空中的传输速度，R为模块5光纤线圈的半径，L为光纤线圈的长度。将(3)带进(2)可以得到，受限于sin函数的单值区间，开环光纤陀螺能够测量的角速度Ω的最大动态范围为

从上面的分析可以得到，传统开环光纤陀螺的最大动态范围和线圈的半径以及长度是成反比，结合公式(3)，提高传统开环光纤陀螺的动态范围就要减小系统转动引起的萨格奈克相移从而降低陀螺仪的灵敏度和精度。

对于上述的问题1)，为了降低比例因子的不稳定性对开环光纤陀螺仪性能的影响，专利US 6429939B1中提出了一种有效的方法，通过探测器后端的数字信号处理(DSP)检测I_D(t)的一次谐波信号、二次谐波信号和四次谐波信号，使用二次以及四次谐波信号稳定PZT调相器的调制频率和调制深度，采用一次谐波和二次谐波信号相除再求反正切输出萨格奈克相移估计值的方法去除探测器输出的信号幅度波动对陀螺仪性能的影响。但是US 6429939B1中的方法无法解决上述的问题2)。

对于上述的问题2)，为了提高传统开环光纤陀螺的动态范围，处于公开阶段申请号为200710160367.X的发明专利中提出了一种方法，使用调相器对光纤陀螺进行多个不同幅度的相位调制，对相应的陀螺仪输出信号进行采样并进行数据处理和组合，达到扩展开环光纤陀螺单调区间范围的目的。申请号为200710160367.X的发明专利通过信号处理将开环光纤陀螺能够测量的单调萨格奈克相移区间由上面分析中提到的[-π/2 π/2)扩展到[-23π/16 23π/16)，即扩展了23/8倍，但是该发明的关键之处是调相器不再工作于上面描述的常规状态，而是在一个调制周期内工作在5个调制阶段，各个阶段有不同的固定的调制幅度，这对调相器输出的调制信号的精度要求高，调制幅度需要比较严格的控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置，并结合该方法提出了一种新型光纤陀螺仪。本发明提出的光纤陀螺的信号处理方法、装置，应用于开环光纤陀螺仪探测器的后端，在不改变开环光纤陀螺光路结构的前提下，可以大大提高光纤陀螺的动态范围，同时可以有效降低陀螺仪比例因子的不稳定性对开环光纤陀螺仪性能的不利影响。

本发明的技术方案为：

一种光纤陀螺的数字信号处理方法，其步骤为：

1)将开环光纤陀螺仪第k时刻采样后输出的一、二次谐波解调信号S₁(k)、S₂(k)各自均分为两路信号且分别将其中一路信号延迟N个采样周期时间；其中，k，N为自然数(k，N＝1，2，3...)；

2)将延迟后的一次谐波解调信号S₁(k)与未延迟的一次谐波解调信号S₁(k)相乘得到输出信号S0，将延迟后的一次谐波解调信号S₁(k)与未延迟的二次谐波解调信号S₂(k)相乘得到输出信号S3；同时将延迟后的二次谐波解调信号S₂(k)与未延迟的一次谐波解调信号S₁(k)相乘得到输出信号S1，将延迟后的二次谐波解调信号S₂(k)与未延迟的二次谐波解调信号S₂(k)相乘得到输出信号S2；

3)信号S1减去信号S3后除以信号S0、S2之和，得到一输出信号S；

4)对信号S低通滤波后与第k-N时刻输出的萨格奈克相移测量值

相加，作为第k时刻的萨格奈克相移测量值

进一步的，萨格奈克相移测量值的初始值

一种光纤陀螺的数字信号处理装置，其特征在于包括三延迟器D8、D9、D19，四乘法器X10、X11、X12、X13，三加法器A14、A15、A18，一低通滤波器和一除法器；其中，开环光纤陀螺仪的一次谐波解调信号S₁(k)一路经延迟器D8后分别与乘法器X10、X13输入端连接，另一路分别与乘法器X10、X11输入端连接；开环光纤陀螺仪的二次谐波解调信号S₂(k)一路经延迟器D9后分别与乘法器X11、X12输入端连接，另一路分别与乘法器X12、X13输入端连接；加法器A14的输入端分别与乘法器X11、X13输出端连接，其输出端与除法器的被除数输入端连接；加法器A15的输入端分别与乘法器X10、X12输出端连接，其输出端与除法器的除数端连接；除法器的输出端经低通滤波器与加法器A18的一输入端连接；加法器A18的另一输入端与延迟器D19的输出端连接，其输出端与延迟器D19的输入端连接。

进一步的，延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数(N＝1，2，3...)。

一种光纤陀螺仪，其特征在于包括开环光纤陀螺仪光路结构及与其连接的一、二次谐波解调单元，数字信号处理装置的输入端与所述一、二次谐波解调单元的输出端连接。

进一步的，所述一、二次谐波解调单元包括，数字锁相环，正弦信号产生模块37，余弦信号产生模块39，两乘法器X38、X40，两低通滤波器L41、L42；其中，所述开环光纤陀螺仪光路结构中探测器输出端与采样模块AD22输入端连接；所述开环光纤陀螺仪光路结构中调相器的信号输出端经采样模块AD34与所述数字锁相环输入端连接，所述数字锁相环的输出端分别与所述正弦信号产生模块37、余弦信号产生模块39的输入端连接；所述乘法器X38的输入端分别与所述正弦信号产生模块37输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L41输入端连接；所述乘法器X40的输入端分别与所述余弦信号产生模块39输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L42输入端连接；所述余弦信号产生模块39产生相位为2Φ(k)的余弦信号。

进一步的，所述数字锁相环包括两乘法器X44、X45，三低通滤波器L46、L47、L49，相位信号产生模块50，一余弦信号产生模块52，一正弦信号产生模块51，一相位检测器；其中，所述乘法器X44输入端分别与信号输入端、所述正弦信号产生模块51输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L46与所述相位检测器48输入端连接；所述乘法器X45输入端分别与信号输入端、所述余弦信号产生模块52输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L47与所述相位检测器48另一输入端连接；所述相位检测器输出端经所述低通滤波器L49与所述相位信号产生模块50输入端连接，所述相位信号产生模块50输出端分别与所述余弦信号生成模块52、正弦信号产生模块51的输入端连接。

进一步的，所述调相器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD 34、一低通滤波器与所述数字锁相环的输入端连接。

进一步的，所述探测器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD22、一低通滤波器后分别与所述乘法器X38、X40的输入端连接。

进一步的，所述数字信号处理装置中延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数(N＝1，2，3...)。

本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置使陀螺仪的动态范围不再和线圈的尺寸参数相关，可以进一步提高光纤陀螺的精度和比例因子线性度。基于该方法和数字锁相技术，本发明还提出了可以同时拥有开环和闭环光纤陀螺优势的新型光纤陀螺仪。

首先说明本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置，相应的原理示意图如图2所示。探测信号I_D(t)在k时刻采样后的一次谐波解调信号正比于

采样后的二次谐波解调信号正比于两者的比例因子不同，可以分别通过转台校准实验测试得到，测试中转台提供参考转速，分别和一次以及二次谐波解调信号相比得到相应的比例因子。采样后的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号分别除以测得的相应的比例因子后可以得到：

其中，C表示一、二次谐波解调信号和比例因子相除后残留的系数，k＝1，2，…。信号S₁(k)分为两路，一路通过模块8延迟N(N＝1，2，3...)个采样周期时间，另一路不延迟；同样信号S₂(k)也分成两路，一路通过模块9延迟N个采样周期时间，另一路不延迟。这样得到的4路信号按照图2所示的方式，通过模块10、11、12、13表示的4个乘法器两两相乘，得到4路信号，并按照图2所示的方式输入模块14和15所示的加法器进行加减运算，具体的来说模块14的输出信号为模块11的输出信号减去模块13的输出信号，同时模块15的输出信号为模块10和模块12的输出信号相加的结果。模块14和15的输出信号输入模块16所示的除法器，由模块14的输出信号除以模块15的输出的信号。模块16除法器的输出结果经过模块17的低通滤波之后，输入模块18加法器，和模块19输出的上一时刻的萨格奈克相移测量值相加，得到的信号一方面直接输出为当前时刻萨格奈克相移的测量值；另一方面输入模块19，进行N个采样周期时间的延迟反馈回模块18和下一时刻模块17低通滤波器的输出值相加。该方法的初始化阶段，即k＝1时刻，萨格奈克相移测量值的获得方式如下所示：

本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置可以作为一个模块直接用于现有的开环光纤陀螺仪探测器后端。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明在不改变图1所示开环光纤陀螺结构以及元件功能(调相器仍然工作在常规状态下)即不增加硬件复杂度的基础上，使光纤陀螺能够测量的系统转动角速度所对应的萨格奈克相移单调区间完全突破[-π/2 π/2)的单调区间，扩展到了各个象限，使开环光纤陀螺的动态范围达到闭环结构陀螺的水平。

本发明中，开环光纤陀螺仪的动态范围不再和线圈的尺寸参数相关，这为开环光纤陀螺进一步提高精度和比例因子线性度铺平了道路。

任何可以检测出探测器输出一次谐波以及二次谐波信号的光纤陀螺仪都可以使用本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置去提高光纤陀螺仪的动态范围同时抑制比例因子的随机漂移。由此衍生出的新型光纤陀螺仪可以同时具备传统开环和闭环陀螺仪的优势。

本发明提出的新型光纤陀螺仪利用数字锁相环技术为提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置提供高质量的和探测信号同步的一次谐波以及二次谐波解调参考信号。

附图说明

图1.开环光纤陀螺仪光路部分原理图；

图2.扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理方法流程图；

图3.扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理装置在一种光纤陀螺仪结构中的应用；

图4.扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理装置在一种光纤陀螺仪结构中的应用；

图5.基于扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理装置的光纤陀螺仪原理图；

图6.数字锁相模块(36)的一种实施方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术内容进行进一步详细描述。

这里举两个实施例子，如图3和图4所示。图3所示的是美国专利US 6429939B1中提出光纤陀螺仪，如图3所示，本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置可以作为一个模块放在模块23该专利提出的DSP处理的后面。专利US 6429939B1提出的DSP处理方法主要通过模块22A/D采样，模块23DSP控制以及处理和模块24D/A产生同步调相器信号的办法进行数字解调，得到信号S₁(k)和S₂(k)。将这两路信号输入模块25即上述扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理装置，可以大大提高美国专利US 6429939B1中提出光纤陀螺仪的动态范围。图4所示的光纤陀螺仪和图3专利US 6429939B1中提出的光纤陀螺仪相比不同之处在于进行一次以及二次谐波解调的方法是不一样的，图3所示的方案采用的是数字解调，而图4所示的方案采用的是模拟解调的方式。图4中模块21滤波器的输出分成两路分别输入模块26和模块27进行模拟的一次和二次谐波信号解调，解调的参考信号由模块28振荡器提供以保证同步，其中二次谐波解调的参考信号需要一次谐波解调参考信号经过模块30进行倍频和90°相移之后得到。一次和二次谐波解调信号输入模块29进行A/D采样得到信号S₁(k)和S₂(k)，然后输入模块25本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置，最终输出萨格奈克相移的测量值。

由上面的叙述可见，任何可以检测出信号S₁(k)和S₂(k)的光纤陀螺仪都可以使用本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置去提高光纤陀螺仪的动态范围同时抑制比例因子的随机漂移。

本发明同时提出一种应用上述扩大光纤陀螺动态范围的信号处理装置的新型光纤陀螺，如图5所示。该光纤陀螺的光路部分和传统开环光纤陀螺仪相同。调相器的调相信号除了通过模块6对光信号进行调制外，还输出一路进入模块32放大器进行放大然后进入模块33进行低通滤波，抑制噪声，之后进入模块34，通过A/D采样变为数字信号。之后再经过模块35数字低通滤波后输入模块36的数字锁相模块进行锁相，每个时刻模块36输出信号Φ(k)输入模块37产生相位为Φ(k)的正弦信号，同时输入模块39产生相位为2Φ(k)的余弦信号。探测器输出的信号经过模块20的放大，模块21的低通滤波进入模块22进行A/D采样，采样后的数字信号分为两路分别通过乘法器38和乘法器40与模块37以及模块39输出的参考信号相乘，之后分别通过模块41和模块42所示的低通滤波器，最后输入模块25，进行本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的信号处理。模块21、31、33、35所示的低通滤波器的功能是滤除噪声，模块41、42所示的滤波器的功能是滤除直流之外的谐波信号。

该新型光纤陀螺中数字锁相模块的一种具体实施方式如图6所示。通过模块43数字低通滤波后的信号分为两路，一路信号通过模块44所示的乘法器和模块51的输出信号相乘，然后通过模块46所述的低通滤波器后输入模块48；另一路信号通过模块45所示的乘法器和模块52的输出信号相乘，然后通过模块47所述的低通滤波器后输入模块48所示的相位检测器。模块51和模块52输出的分别是正弦信号和余弦信号，这两个信号的相位相同，均由模块50提供，模块50的输出信号为

其中f_l为设定的一频率值，该值设置为调相器的调相信号频率值，T_s为模块34所示A/D采样频率的倒数，ΔΦ(k)是模块48相位检测器的输出信号经过模块49低通滤波器滤波后的信号。模块48为相位检测器，功能为利用模块46和模块47输出的两路信号检测出模块44和模块45输出的两路信号的相位差。每个时刻模块50输出信号Φ(k)输入模块37产生相位为Φ(k)的正弦信号，同时输入模块39产生相位为2Φ(k)的余弦信号。图6中模块46、47、49所示的滤波器的功能是滤除直流之外的谐波信号。

本发明提出了一种应用于光纤陀螺仪的信号处理方法和装置，可以有效的扩展开环光纤陀螺的动态范围，提高比例因子线性度，抑制开环光纤陀螺仪的零位漂移也就是比例因子的随机波动。本发明提出的新型光纤陀螺仪利用数字锁相环技术为本发明提出的信号处理装置提供高质量的和探测信号同步的一次谐波以及二次谐波解调参考信号。

扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法是一个递推算法，通过当前时刻和前一时刻一次谐波和二次谐波的解调信号进行处理，使开环光纤陀螺能够测量的系统转动角速度所对应的萨格奈克相移单调区间突破[-π/2 π/2)，达到闭环光纤陀螺的测量范围。使用该信号处理装置，开环光纤陀螺仪的动态范围不再受限于线圈的尺寸参数，在大大扩展动态范围的同时，可以进一步提高陀螺仪的灵敏度和精度；同时由于在信号处理过程中，比例因子的随机波动(零位漂移)也得到了有效的抑制，可以提高陀螺仪比例因子线性度和精度。

本发明提出的扩大光纤陀螺动态范围的数字信号处理方法是探测器后端的信号处理方法，不涉及开环陀螺结构上的改变以及相关硬件功能的改变，因此使用该方法的开环光纤陀螺仪可以同时具备传统开环和闭环陀螺仪的优势，具有极高的实用价值。

Claims

1.一种光纤陀螺的数字信号处理方法，其步骤为：

1)将开环光纤陀螺仪第k时刻采样后输出的一、二次谐波解调信号S₁(k)、S₂(k)各自均分为两路信号且分别将其中一路信号延迟N个采样周期时间；其中，k，N为自然数；

4)对信号S低通滤波后与第k-N时刻输出的萨格奈克相移测量值

相加，作为第k时刻的萨格奈克相移测量值

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于萨格奈克相移测量值的初始值

3.一种光纤陀螺的数字信号处理装置，其特征在于包括三延迟器D8、D9、D19，四乘法器X10、X11、X12、X13，三加法器A14、A15、A18，一低通滤波器和一除法器；其中，开环光纤陀螺仪的一次谐波解调信号S₁(k)一路经延迟器D8后分别与乘法器X10、X13输入端连接，另一路分别与乘法器X10、X11输入端连接；开环光纤陀螺仪的二次谐波解调信号S₂(k)一路经延迟器D9后分别与乘法器X11、X12输入端连接，另一路分别与乘法器X12、X13输入端连接；加法器A14的输入端分别与乘法器X11、X13输出端连接，其输出端与除法器的被除数输入端连接；加法器A15的输入端分别与乘法器X10、X12输出端连接，其输出端与除法器的除数端连接；除法器的输出端经低通滤波器与加法器A18的一输入端连接；加法器A18的另一输入端与延迟器D19的输出端连接，其输出端与延迟器D19的输入端连接。

4.如权利要求3所述的数字信号处理装置，其特征在于延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数。

5.一种包含如权利要求3所述数字信号处理装置的光纤陀螺仪，其特征在于包括开环光纤陀螺仪光路结构及与其连接的一、二次谐波解调单元，所述数字信号处理装置的输入端与所述一、二次谐波解调单元的输出端连接。

6.如权利要求5所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述一、二次谐波解调单元包括数字锁相环，正弦信号产生模块(37)，余弦信号产生模块(39)，两乘法器X38、X40，两低通滤波器L41、L42；其中，所述开环光纤陀螺仪光路结构中探测器输出端与一采样模块AD22输入端连接；所述开环光纤陀螺仪光路结构中调相器的信号输出端经一采样模块AD34与所述数字锁相环输入端连接，所述数字锁相环的输出端分别与所述正弦信号产生模块(37)、余弦信号产生模块(39)的输入端连接；所述乘法器X38的输入端分别与所述正弦信号产生模块(37)输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L41输入端连接；所述乘法器X40的输入端分别与所述余弦信号产生模块(39)输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L42输入端连接；所述余弦信号产生模块(39)产生相位为2Φ(k)的余弦信号。

7.如权利要求6所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述数字锁相环包括两乘法器X44、X45，三低通滤波器L46、L47、L49，相位信号产生模块(50)，一余弦信号产生模块(52)，一正弦信号产生模块(51)，一相位检测器；其中，所述乘法器X44输入端分别与信号输入端、所述正弦信号产生模块(51)输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L46与所述相位检测器(48)输入端连接；所述乘法器X45输入端分别与信号输入端、所述余弦信号产生模块(52)输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L47与所述相位检测器(48)另一输入端连接；所述相位检测器输出端经所述低通滤波器L49与所述相位信号产生模块(50)输入端连接，所述相位信号产生模块(50)输出端分别与所述余弦信号生成模块(52)、正弦信号产生模块(51)的输入端连接。

8.如权利要求6或7所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述调相器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD 34、一低通滤波器与所述数字锁相环的输入端连接。

9.如权利要求6或7所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述探测器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD22、一低通滤波器后分别与所述乘法器X38、X40的输入端连接。

10.如权利要求5所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述数字信号处理装置中延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数。