CN103105177A - 低成本光纤陀螺本征频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本光纤陀螺本征频率测量方法，通过对光纤环的相位调制，调制信号高度任意，调制信号周期大于预估光纤环渡越时间，得到实际光纤环受到的调制信号相位，然后，通过时序控制，实现模数转换器对探测器输出信号的模数转换，生成采样序列，最后，利用采样序列与调制信号序列进行互相关函数运算，并在一定范围内求极值，结合数模转换器转换周期，从而计算得到渡约时间，然后渡约时间倒数即为本征频率。该方法可以在不增加任何成本的前提下，快速有效的测量光纤陀螺本征频率，从而为系统调制信号周期提供有效依据，以消除本征频率漂移造成的系统零偏，满足低成本光纤陀螺的测试需求，其测试精度亦满足中低精度光纤陀螺的精度需求。

Description

低成本光纤陀螺本征频率测量方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺闭环处理系统技术领域，具体地指一种低成本光纤陀螺本征频率测量方法。

背景技术

光在光纤陀螺光路中传播一周所需的时间为光纤陀螺的渡约时间，其倒数为光纤陀螺本征频率。

在目前中高精度光纤陀螺中普遍采用全数字闭环处理技术，其基本原理是在陀螺的敏感光纤线圈中加入相位调制器作为反馈控制元件，使光纤环中正反两向传输的光之间产生非互易相位，从而补偿旋转产生的Sagnac相移。

光纤陀螺的渡约时间取决于光路长度及光纤折射率，在光纤环绕制过程中，可以通过光路长度得到光纤环渡约时间的估计值，存在一定量误差，且在后续光路盘绕、熔接以及返修等过程中，渡约时间均会发生变化。为提高陀螺精度，必须采取有效措施对光纤陀螺内部各种噪声源进行有效抑制，其中光纤陀螺渡约时间测量不准确而导致调制频率误差就是其中重要的噪声源之一。当光纤陀螺调制频率与本征频率存在误差时，会导致陀螺死区增大，并影响陀螺零偏。

目前在生产中普遍采用是人工手动利用示波器等测试设备进行离线测量，受测试设备及人工测试的影响，不仅增加了测试和人工成本，且引入一定量人为观测误差。在公开的文献和资料中，CN101144720A光纤陀螺渡约时间在线精密测量方法，采用方波对光纤陀螺进行调制，并利用数模转换器对输出采样序列进行二值化滤波、计数，从而得到光纤陀螺渡约时间。该方法的缺陷在于：受模数转换器、数模转换器以及光学相位调制器本身精度以及光路、电路噪声影响，对测量精度影响较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术测量低成本光纤陀螺本征频率时，受测试设备及人工测试的影响，不仅增加了生产成本，且存在误差的缺陷，提供一种低成本光纤陀螺本征频率测量方法，实现在不增加硬件设施的前提下，通过借用光纤陀螺现有硬件条件及对该硬件的相应控制，精确测得光纤陀螺的本征频率。

为实现上述目的，本发明所设计的低成本光纤陀螺本征频率测量方法，包括以下步骤：

（1）对光学信号进行相位调制，相位调制的相位高度任意，调制周期大于预估光纤陀螺的光纤环渡越时间；

顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{cw}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

其中，φ_m为调制相位高度，取任意值，T为数模转换器转换周期，k为周期数，k_c为调制信号周期数，k_c×T大于预估的光纤陀螺渡约时间；

由于光纤环本身存在渡约时间τ，

逆时针光波受到的调制信号相位φ_ccw(t-τ)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ccw}}(t-\mathrm{\&tau;})=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t-\mathrm{\&tau;}=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t-\mathrm{\&tau;}<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)的公式如下：

φ₀(t)=φ_cw(t)-φ_ccw(t)

（2）根据顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)，计算在k个数模转换器转换周期T内，数模转换器输入的数字量序列DA(n)，公式如下：

DA(n)=k_da×φ_cw(t)

其中，k_da为数模转换系数；

（3）根据实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)，计算探测器的输出V_p，公式如下：

V_p=K_p×I+V₀=K_p×I_in×(1+cos(φ₀(t）))+V₀

其中，K_P为探测器响应度，V₀为探测器无光时电压，I为探测器端光强，I_in为入射进光纤陀螺的光强；

通过时序控制，利用模数转换器对探测器的输出V_p进行采样，得到数值序列V(n)；

（4）利用相应时间内数模转换器输入序列DA(n)与探测器采样输出V(n)计算互相关函数R(m)，其公式如下：

$R\left(m\right)=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{DA}\left(n\right)*V(n+m)}{N}$

对R(m)在m∈（-k_c,0）范围内比较得到其绝对值的极大值|R(m’)|，则渡约时间为τ=m’×T，本征频率即为1/τ。

根据上述方案，可以通过编写调制信号生成程序来实现本发明，利用可编程逻辑器件、数模转换器、相位调制器等实现对光纤环的相位调制，调制信号高度任意，调制信号周期应大于预估的光纤环渡越时间（本征频率倒数）。然后，通过程序的时序控制，实现模数转换器对探测器输出信号的模数转换，生成采样序列。最后，利用采样序列与调制信号序列进行互相关函数运算，并在一定范围内求极值，结合数模转换器转换周期，从而计算得到渡约时间，然后渡约时间倒数即为本征频率。

本发明的有益效果：该方法可以在不增加任何成本的前提下，快速有效的测量光纤陀螺本征频率，从而为系统调制信号周期提供有效依据，以消除本征频率漂移造成的系统零偏，满足低成本光纤陀螺的测试需求，其测试精度亦满足中低精度光纤陀螺的精度需求。

附图说明

图1为现有光纤陀螺在信号调制下的调制和输出信号简图。

图2为互相关函数计算简图。

图3为图2中互相关函数取值P处的放大图。

其中，A为顺时针光波受到的调制信号相位；B为逆时针光波受到的调制信号相位；C为实际光纤环受到的调制信号相位；D为探测器的输出信号，图2和图3中横坐标均为数模转换器转换周期，纵坐标均为互相关函数系数。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

低成本光纤陀螺本征频率测量方法，包括以下步骤：

（1）对光纤环的光学信号进行相位调制，相位调制是通过数模转换器驱动相位调制器实现的，相位调制的相位高度任意，调制周期大于预估光纤陀螺的光纤环渡越时间；

顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{cw}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

其中，φ_m为调制相位高度，取任意值，T为数模转换器转换周期，k为周期数，k_c为调制信号周期数，k_c×T大于预估的光纤陀螺渡约时间；

由于光纤环本身存在渡约时间τ，

逆时针光波受到的调制信号相位φ_ccw(t-τ)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ccw}}(t-\mathrm{\&tau;})=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t-\mathrm{\&tau;}=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t-\mathrm{\&tau;}<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)的公式如下：

φ₀(t)=φ_cw(t)-φ_ccw(t)

（2）根据顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)，计算在k个数模转换器转换周期T内，数模转换器输入的数字量序列DA(n)，公式如下：

DA(n)=k_da×φ_cw(t)

其中，k_da为数模转换系数；

（3）根据实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)，计算探测器的输出V_p，公式如下：

V_p=K_p×I+V₀=K_p×I_in×(1+cos(φ₀(t）))+V₀

其中，K_P为探测器响应度，V₀为探测器无光时电压，I为探测器端光强，I_in为入射进光纤陀螺的光强；

通过时序控制，利用模数转换器对探测器的输出V_p进行采样，得到数值序列V(n)；

（4）利用相应时间内数模转换器输入序列DA(n)与探测器采样输出V(n)计算互相关函数R(m)，其公式如下：

$R\left(m\right)=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{DA}\left(n\right)*V(n+m)}{N}$

对R(m)在m∈（-k_c,0）范围内比较得到其绝对值的极大值|R(m’)|，则渡约时间为τ=m’×T，本征频率即为1/τ。

Claims (1)

1.一种低成本光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）对光学信号进行相位调制，相位调制的相位高度任意，调制周期大于预估光纤陀螺的光纤环渡越时间；

顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{cw}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

其中，φ_m为调制相位高度，取任意值，T为数模转换器转换周期，k为周期数，k_c为调制信号周期数，k_c×T大于预估的光纤陀螺渡约时间；

由于光纤环本身存在渡约时间τ，

逆时针光波受到的调制信号相位φ_ccw(t-τ)的公式如下：

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ccw}}(t-\mathrm{\&tau;})=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_m& t-\mathrm{\&tau;}=k\&times;T\\ 0& k\&times;T<t-\mathrm{\&tau;}<(k+k_c)\&times;T\end{array}\right.$

实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)的公式如下：

φ₀(t)=φ_cw(t)-φ_ccw(t)

（2）根据顺时针光波受到的调制信号相位φ_cw(t)，计算在k个数模转换器转换周期T内，数模转换器输入的数字量序列DA(n)，公式如下：

DA(n)=k_da×φ_cw(t)

其中，k_da为数模转换系数；

（3）根据实际光纤环受到的调制信号相位φ₀(t)，计算探测器的输出V_p，公式如下：

V_p=K_p×I+V₀=K_p×I_in×(1+cos(φ₀(t）))+V₀

其中，K_P为探测器响应度，V₀为探测器无光时电压，I为探测器端光强，I_in为入射进光纤陀螺的光强；

通过时序控制，利用模数转换器对探测器的输出V_p进行采样，得到数值序列V(n)；

（4）利用相应时间内数模转换器输入序列DA(n)与探测器采样输出V(n)计算互相关函数R(m)，其公式如下：

$R\left(m\right)=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{DA}\left(n\right)*V(n+m)}{N}$

对R(m)在m∈（-k_c,0）范围内比较得到其绝对值的极大值|R(m’)|，则渡约时间为τ=m’×T，本征频率即为1/τ。

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