CN102901495A

CN102901495A - 一种角位移光纤陀螺仪

Info

Publication number: CN102901495A
Application number: CN2012103998665A
Authority: CN
Inventors: 刘平; 陈斌; 李光辉; 王树春; 顾云飞
Original assignee: HUAYU ELECTRIC INSTRUMENT GENERA' FACTORY CHONGQING
Current assignee: HUAYU ELECTRIC INSTRUMENT GENERA' FACTORY CHONGQING
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN102901495B

Abstract

一种角位移光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分；所述光路部分由光纤环、 Y 波导、耦合器、光源和探测器组成，在光路部分中，光信号通过萨格奈克效应产生相移，相移信号寄生在干涉光强中并由探测器转换输出为探测器信号（电信号）；在电路部分中，探测器输出的探测器信号经前置放大器和模数转换电路进行信号放大和转换，电路部分还包括电路解算单元逻辑电路，电路解算单元逻辑电路通过对上述经放大、转换后的探测器信号进行数字信号解调、数字滤波和积分处理，解算出光纤陀螺旋转角度信息，并判断、输出角度方向。本发明的优点在于创新改进电路部分处理信号的程序、逻辑等，从而使得光纤陀螺仪具有角位移输出功能。

Description

一种角位移光纤陀螺仪

技术领域

本发明属于陀螺技术领域，尤其是用于高铁轨道检测或其他需要角位移输出的光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播，光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。与传统的机械陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻等优点；与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

随着国内光纤陀螺行业的近几年飞速发展，光纤陀螺仪取得了长足进步。目前，涌现了大量的中低精度水平的光纤陀螺仪，广泛用于了海、陆、空等军用、民用领域。但是，目前铁路轨道检测所用的光纤陀螺仪为角速率输出型，而高铁轨道检测需要检测出角度，从而判断火车的转弯情况以及爬坡情况，角速率输出型的光纤陀螺仪势必增加后续信号处理的复杂度。因此，能否使光纤陀螺仪具有角位移输出功能，是使后续信号处理简单化的重要手段，对于光纤陀螺仪在高铁轨道检测领域进一步推广具有十分重要的意义。

现有技术中，关于角位移光纤陀螺仪有如下在先申请：CN201010591848.8 公开一种基于光纤陀螺仪的角位移测量装置及方法。其装置包括相互连接的光纤陀螺仪和运算处理单元。进行角位移测量时包括如下步骤:1)将光纤陀螺仪固定在被测旋转装置上,使光纤陀螺仪的测量轴与被测旋转装置的转动轴平行;2)在被测旋转装置处于静止状态下,运算处理单元接收光纤陀螺仪的输出值并计算测试时间内的输出值的平均值;3)使被测旋转装置旋转一个角度,在该旋转过程中由运算处理单元连续记录光纤陀螺仪的输出值;4)根据光纤陀螺仪的标度因数、步骤2)所述输出值的平均值、步骤3)所述的光纤陀螺仪的各输出值,由运算处理单元计算得到被测旋转装置因旋转所发生的角位移。该发明测试适应性强,结构简单,测量精度高。

201010595176.8 公开了一种提高光纤陀螺仪测量角位移精度的方法,包括以下步骤:1)将光纤陀螺仪固定在高精度转台上,使得光纤陀螺仪的测量轴和高精度转台的转动轴平行。2)在不同的转台输入角速率下标定光纤陀螺仪的标度因数,获得角速率跟标度因数的对应关系表。3)将光纤陀螺仪从高精度转台上取下并固定在被测旋转装置上,使得光纤陀螺的测量轴和被测旋转装置的转动轴平行。4)在被测旋转装置静止条件下求测试时间内光纤陀螺仪输出值的平均值,5)旋转被测旋转装置,连续记录光纤陀螺仪的各输出值。6)利用步骤2)所述的对应关系表、步骤4所述的输出平均值、步骤5)所述的各输出值,解算出旋转装置的旋转角度,即角位移。

但以上两项在先专利都是基于“角速率光纤陀螺仪”实现角位移测量的， CN201010591848.8还涉及了一种能实现角位移测量的装置，而非能实现角位移测量的光纤陀螺仪，其构成为角速率光纤陀螺仪和运算处理单元，是将角速率光纤陀螺仪输出的角速率数据通过通信电缆传送至外部运算处理单元进行运算处理后得到角位移数据进行输出。即在先专利中光纤陀螺仪输出量仍是角速率，而本发明是具有角位移输出功能的新型光纤陀螺仪，其输出量是角位移。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明旨在提供一种具有角位移输出功能的新型光纤陀螺仪，以解决光纤陀螺仪在高铁轨道检测领域信号处理复杂的问题，提供一种更适用于高速铁路轨道检测的光纤陀螺仪。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种角位移光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分；所述光路部分由光纤环、Y波导、耦合器、光源和探测器组成，在光路部分中，光信号通过萨格奈克效应产生相移，相移信号寄生在干涉光强中并由探测器转换输出为探测器信号（电信号）；在电路部分中，探测器输出的探测器信号经前置放大器和模数转换电路进行信号放大和转换，其特征在于:电路部分还包括电路解算单元逻辑电路，电路解算单元逻辑电路通过对上述经放大、转换后的探测器信号进行数字信号解调、数字滤波和积分处理，解算出光纤陀螺旋转角度信息，并判断、输出角度方向；

所述电路解算单元逻辑电路芯片执行以下步骤：

1）电路初始化后，奇偶采样程序在由公共时钟分频产生的控制时序的控制下对经放大、转换后的探测器信号进行奇偶采样并分别得到奇采样值和偶采样值；

2)求差值模块对奇采样值和偶采样值进行求差值运算，运算输出结果由第一数字滤波程序进行处理；

3）第一数字滤波程序处理后的数据与寄存器中存储的数据作为加法器模块的输入，加法运算输出结果存入寄存器中更新寄存器中原有数据，寄存器更新后的数据送往加法运算模块作为输入参加加法运算的同时送往第二数字滤波程序进行处理，第二数字滤波程序处理的结果送往积分器进行积分运算，积分运算输出即为角位移数据。

进一步地，所述电路部分还包括方波信号发生器、加法器和数模转换模块；所述第二数字滤波程序处理后的输出数据与方波发生器输出信号作为加法器的输入，加法器的输出结果经数模转换模块转换后得到反馈信号，反馈信号馈入光路部分中的Y波导使得整个角位移光纤陀螺仪构成闭环结构。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

现有技术是基于角速率光纤陀螺仪加上后续运算处理单元实现角位移测量的；本发明是仅通过重新设计了光纤陀螺中电路解算单元的逻辑电路部分，以及设计专门的算法程序就实现角位移测量功能。因此，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明实现角位移测量的方法简单，不需要增加更多的硬件设施，并通过软件的改进即可实现；

2、本发明实现角位移测量的成本低，由于没有增加其他器件就实现了角位移测量，因此，大大节约了产品的成本；

3、本发明更适用于光纤陀螺的小型化发展需求，由于本发明仅靠电路解算单元的逻辑程序的重新设计实现了角位移测量功能，因此没有额外增加产品的体积；

4、本发明更容易实现角位移测量和角速率测量的互换，即仅通过逻辑程序的更改即可实现角位移测量和角速率测量的互换。

具体表现为以下两方面优势：

1）对光纤陀螺仪的电路解算板进行了重新设计，通过对电路解算板上电路解算单元逻辑电路芯片的逻辑程序进行改进，使其更适用于高铁轨道检测等需要角位移输出的领域。

2）本发明具有角位移输出功能，简化了光纤陀螺仪在高铁轨道检测领域中后续信号处理的复杂度，大幅度提高电路信号抗干扰能力，也有利于光纤陀螺仪在高速铁路轨道检测中的应用；与速率陀螺相比，具有同等精度和稳定性水平。

附图说明

图1为本发明角位移光纤陀螺仪原理框图；

图2为本发明角位移光纤陀螺仪电路解算板信号流程图；

图3为本发明角位移光纤陀螺仪电路解算单元逻辑电路程序算法框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种角位移光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分；所述光路部分由光纤环、Y波导、耦合器、光源和探测器组成，在光路部分中，光信号通过萨格奈克效应产生相移，相移信号寄生在干涉光强中并由探测器转换输出为探测器信号（电信号）；在电路部分中，探测器输出的探测器信号经前置放大器和模数转换电路进行信号放大和转换，其特征在于:电路部分还包括电路解算单元逻辑电路，电路解算单元逻辑电路通过对上述经放大、转换后的探测器信号进行数字信号解调、数字滤波和积分处理，解算出光纤陀螺旋转角度信息，并判断、输出角度方向。

其中，电路解算单元逻辑电路可选用FPGA芯片。

如图3所示，电路解算单元逻辑电路算法执行以下步骤：

3）第一数字滤波程序处理后的数据与寄存器中存储的数据作为加法器模块的输入，加法运算输出结果存入寄存器中更新寄存器中原有数据，寄存器更新后的数据送往加法运算模块作为输入参加加法运算的同时送到第二数字滤波程序进行处理，第二数字滤波程序处理的结果送往积分器进行积分运算，积分运算输出即为角位移数据。

进一步地，所述电路部分还包括方波信号发生器、加法器和数模转换模块；所述第二数字滤波程序处理后的输出数据与方波发生器输出信号作为加法器的输入，加法器的输出结果经数模转换模块转换后得到反馈信号，反馈信号馈入光路部分中的Y波导使得整个角位移光纤陀螺仪形成闭环结构。

本发明的发明点在于创新改进电路部分处理信号的程序、逻辑等，从而使得光纤陀螺仪具有角位移输出功能。本发明在角速率光纤陀螺的结构基础上，在没有额外增加产品的体积、硬件电路以及成本的情况下对光纤陀螺仪的电路解算板以及对电路解算单元逻辑电路的逻辑程序进行重新设计，实现光纤陀螺仪的角位移输出功能，并与速率陀螺具有同等精度和稳定性水平，使其更适用于高铁轨道检测领域或其他需要角位移输出的领域。

例如在高铁轨道检测应用领域中将本发明角位移光纤陀螺仪安装于高铁列车上，根据光纤陀螺仪的角位移输出量，可以判断火车的转弯情况、爬坡情况以及相应的方向。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种角位移光纤陀螺仪，包括光路部分和电路部分；所述光路部分由光纤环、Y波导、耦合器、光源和探测器组成；在光路部分中，光信号通过萨格奈克效应产生相移，相移信号寄生在干涉光强中并由探测器转换输出为探测器信号（电信号）；在电路部分中，探测器输出的探测器信号经前置放大器和模数转换电路进行信号放大和转换；其特征在于:电路部分还包括电路解算单元逻辑电路芯片，所述电路解算单元逻辑电路芯片通过对上述经放大、转换后的探测器信号进行数字信号解调、数字滤波和积分处理，解算出光纤陀螺旋转角度信息，并判断、输出角度方向；

所述电路解算单元逻辑电路芯片执行以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种角位移光纤陀螺仪，其特征在于：所述电路部分还包括方波信号发生器、加法器和数模转换模块；所述第二数字滤波程序处理后的输出数据与方波发生器输出信号作为加法器的输入，加法器的输出结果经数模转换模块转换后得到反馈信号，反馈信号馈入光路部分中的Y波导使得整个角位移光纤陀螺仪构成闭环结构。