CN103412249A - 一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法。预设每个测试频率点对应的频率控制字，使用直接数字频率合成方法获得余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90o相移的参考数字信号，将余弦扫频测试数字信号转换为余弦扫频测试模拟信号后输入到光纤陀螺前放板中，将光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换，获得光纤陀螺前放板输出信号的采样序列；进行相关运算获得两路相关系数；重复所有测试频率点获得两路相关系数序列，发送至上位机；计算获得幅频特性和相频特性以及光纤陀螺前放板频率特性的参数。本发明可以对光纤陀螺前放板的频率特性进行快速和准确测量，具有结构简单、成本低、测量速度快、测量频率范围大、精度高等特点。

Description

一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法

技术领域

本发明涉及一种频率特性的测试方法，尤其是涉及一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法。

背景技术

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器。光纤陀螺具有体积小、质量轻、精度范围广、无运动部件等优点，是一种新型的全固态惯性仪表。由于光纤陀螺在航空、航天、航海及兵器等应用领域的重要性，从一开始就受到了世界各国研究机构的密切关注，并得以迅速发展，成为目前惯性测量与制导领域的主流仪表之一。

光纤陀螺有两种工作模式，分别为开环运行模式和闭环运行模式。开环运行模式的光纤陀螺精度低、标度因数线性度差；而闭环运行模式的光纤陀螺则没有这些缺点，因此高精度的光纤陀螺均采用闭环运行模式。闭环工作模式需要使用相位调制器对系统进行时延差分相位调制。相位调制的目的有两个：一是实现相位反馈，使光纤陀螺工作在零相位点附近；二是实现偏置，以获得较高的灵敏度。

一般的闭环光纤陀螺的调制频率在100kHz左右，干涉光信号经过PIN光电二极管的接收转变为电流信号，光纤陀螺系统需要将这一调制电流信号转换为电压信号并在调制频率上进行解调，最终计算出角速率信息。因此就需要前置放大器对PIN光电二极管输出的调制电流信号进行转换，变为可以由模拟数字转换处理的电压信号，同时为了信号解调的考虑和噪声抑制，前置放大器还要具有带通滤波和放大的功能，这就是光纤陀螺前放板的主要作用。

针对光纤陀螺前放板的带通滤波和放大功能，可以由频率特性进行体现。对于光纤陀螺前放板，看作一个连续时间线性时不变系统，其在时域上的响应可以表示为：y(t)＝x(t)*h(t)，x(t)为系统输入信号，y(t)为系统的输出信号，h(t)为系统的冲激响应。对应于频域上表示为：Y(jω)＝X(jω)·H(jω)，X(jω)和Y(jω)分别为输入输出信号的频谱，H(jω)为系统的频率响应，也就是需要进行测试的频率特性，其可以进一步表示为：通常将系统的频率响应表示为极坐标的形式，

其中|H(jω)|称为系统的幅频响应，

称为系统的相频响应，分别就是系统的幅频特性和相频特性，由于光纤陀螺前放板具有带通滤波和放大功能，对其幅频特性需要使用低通截止频率、高通截止频率和通带增益来表征，通带增益就是幅频响应部分中的通带响应对应的幅频响应值|H(jω)|，低通截止频率和高通截止频率分别为幅频响应下降到通带增益0.707倍时对应的低频段频率和高频段频率值，这些就是需要对光纤陀螺前放板进行测量的参数。

FPGA芯片（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）起源于20世纪70年代，是在专用集成电路的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，也是当今数字系统设计的主要硬件平台。FPGA芯片继承了专用集成电路的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了专用集成电路设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，规模越来越大、开发过程投资小、可反复编程及擦除、保密性能好、开发工具智能化，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。

光纤陀螺前放板作为光纤陀螺中信号前期处理中必不可少的部分，其频率特性对光纤陀螺的闭环反馈、调制解调和噪声抑制至关重要，最终影响到光纤陀螺的性能，因此频率特性就成为了光纤陀螺前放板的重要性能指标。而作为光纤陀螺中的基本组成部分，光纤陀螺前放板也具有庞大的需求量。因此如何快速准确地对光纤陀螺前放板的频率特性进行测试是一个十分重要的问题，目前的频率特性测试仪器成本高、功能冗余、测量速度慢、非专用仪器、操作复杂、不能测试高频下的频率特性、不能任意选择频率点进行测试，无法满足光纤陀螺前放板频率特性快速准确测量的要求。

发明内容

针对目前光纤陀螺前放板频率特性缺少快速准确测试方法的现状，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，可快速准确地测量光纤陀螺前放板频率特性。

本发明方法的技术方案的具体步骤如下：

1）待测试的光纤陀螺前放板频率特性的测试频率点为f_i，其中i＝1,2,...,N，N为待测试的频率点数，预设每一个测试频率点f_i对应的一个频率控制字K_i，根据频率控制字K_i使用直接数字频率合成方法获得频率为f_i的余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号；

2）将余弦扫频测试数字信号先后通过数字模拟转换、信号驱动转换为余弦扫频测试模拟信号，将余弦扫频测试模拟信号输入到光纤陀螺前放板中，得到每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号；

3）将对步骤2）中得到的每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换，获得光纤陀螺前放板输出信号的采样序列，并通过获取数字量得到余弦扫频测试数字信号序列与余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列；

4）将光纤陀螺前放板输出信号的采样序列分别与余弦扫频测试数字信号序列、余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列进行相关运算，获得两路相关系数R_i1和R_i2；

5）重复步骤1）至步骤4）对所有测试频率点f₁,f₂,...,f_N进行扫频测试后，获得测试频率点f₁,f₂,...,f_N下对应的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2，将两路相关系数序列发送至上位机；

6）上位机对步骤5）得到的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2进行计算获得对应测试频率点f₁,f₂,...,f_N下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性

7）由步骤6）得到的幅频特性和相频特性获得光纤陀螺前放板频率特性的参数，包括低通截止频率、高通截止频率和通带增益。

所述步骤1）的每个测试频率点f_i对应的频率控制字K_i根据公式1预设

$f_i=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{2^N}\·K_i---\left(1\right)$

其中，f_clk为系统时钟。

所述步骤2）的对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换过程中的采样速率f_s由采样速率控制字SMP根据公式2进行控制

$f_s=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{\mathrm{SMP}+1}---\left(2\right)$

其中f_s为采样速率，采样速率控制字SMP由系统时钟f_clk、每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数M和采样的余弦扫频测试数字信号周期数L根据以下公式3得到

$\mathrm{SMP}=\frac{f_{\mathrm{clk}}\·M}{f_i\·L}-1---\left(3\right).$

所述的步骤3）的余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列在对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换的时刻，通过获得余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号的数字量得到。

所述的步骤4）中得到两路相关系数R_i1和R_i2的相关运算根据以下公式4和公式5，

$R_{i1}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}\right)---\left(4\right)$

$R_{i2}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

其中M为每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数，Dx(n)为光纤陀螺前放板输出信号的采样序列，D_refcos(2πf_inT_smp)为余弦扫频测试数字信号序列，

为余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列，n=1,…,M，D为光纤陀螺前放板输出信号的采样序列的幅度，D_ref为余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列的幅度，T_smp为采样周期；其中T_smp由采样速率f_s根据以下公式6计算得到

$T_{\mathrm{smp}}=\frac{1}{f_s}---\left(6\right).$

所述步骤6）的幅频特性和相频特性的具体计算步骤是：

根据公式7和公式8由两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2计算得到测试频率点f_i下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性

$A_i=\sqrt{\frac{4(R_{i1}^2+R_{i2}^2)}{{\left(M\right)}^2}}/D_{\mathrm{ref}}^2---\left(7\right)$

其中，A_i表示光纤陀螺前放板的幅频特性，

表示光纤陀螺前放板的相频特性。

本发明方法的有益效果为：

精度高；测试速度快，对光纤陀螺前放板输出信号的采样时间即为测试时间，整体小于2s，并且可以在线测试；测量频率范围大，并可以任意修改测试频率点，获得需要频率范围内的频率特性；使用FPGA芯片作为控制部分，体积小、操作简单、成本低。通过获得光纤陀螺前放板的频率特性，可以进一步得到光纤陀螺前放板的低通截止频率、高通截止频率和通带增益，对光纤陀螺前放板的性能加以评估，满足光纤陀螺前放板频率特性的大批量、快速和准确测试。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施装置的示意图。

图3为直接数字频率合成方法的流程示意图。

图4为相关运算的逻辑示意图。

图5为采样率为1000f条件下相关系数计算的误差仿真图。

图6为采样率为2f条件下相关系数计算的误差仿真图。

图7所示为该发明最佳实施方案的流程图.

图8为本发明实施例的光纤陀螺前放板幅频特性的测试结果。

图9为本发明实施例的光纤陀螺前放板相频特性的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法的具体步骤如下：

1）待测试的光纤陀螺前放板频率特性的测试频率点为f_i，其中i＝1,2,...,N，N为待测试的频率点数，预设每一个测试频率点f_i对应的一个频率控制字K_i，根据频率控制字K_i使用直接数字频率合成方法获得频率为f_i的余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号；

2）将余弦扫频测试数字信号先后通过数字模拟转换、信号驱动转换为余弦扫频测试模拟信号，将余弦扫频测试模拟信号输入到光纤陀螺前放板中，得到每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号；

3）将对步骤2）中得到的每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换，获得光纤陀螺前放板输出信号的采样序列，并通过获取数字量得到余弦扫频测试数字信号序列与余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列；

4）将光纤陀螺前放板输出信号的采样序列分别与余弦扫频测试数字信号序列、余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列进行相关运算，获得两路相关系数R_i1和R_i2；

5）重复步骤1）至步骤4）对所有测试频率点f₁,f₂,...,f_N进行扫频测试后，获得测试频率点f₁,f₂,...,f_N下对应的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2，将两路相关系数序列发送至上位机；

6）上位机对步骤4）得到的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2进行计算获得对应测试频率点f₁,f₂,...,f_N下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性

7）由步骤5）得到的幅频特性和相频特性获得光纤陀螺前放板频率特性的参数，包括低通截止频率、高通截止频率和通带增益。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于：所述步骤1）的每个测试频率点f_i对应的频率控制字K_i根据公式1预设

$K_i=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{2^N\·f_i}---\left(1\right)$

其中，f_clk为系统时钟。

所述步骤2）的对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换过程中的采样速率f_s由采样速率控制字SMP根据公式2进行控制

$f_s=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{\mathrm{SMP}+1}---\left(2\right)$

其中f_s为采样速率，采样速率控制字SMP由系统时钟f_clk、每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数M和采样的余弦扫频测试数字信号周期数L根据以下公式3得到

$\mathrm{SMP}=\frac{f_{\mathrm{clk}}\·M}{f_i\·L}-1---\left(3\right)$

所述的步骤3）的余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列在对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换的时刻，通过获得余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号的数字量得到。

所述的步骤4）中得到两路相关系数R_i1和R_i2的相关运算根据以下公式4和公式5

$R_{i1}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}\right)---\left(4\right)$

$R_{i2}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

其中M为每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数，Dx(n)为光纤陀螺前放板输出信号采样序列，D_refcos(2πf_inT_smp)为余弦扫频测试数字信号序列，为余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列，n=1,…,M，D为光纤陀螺前放板输出信号采样序列的幅度，D_ref为余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列的幅度，T_smp为采样周期；其中T_smp由采样速率f_s根据公式6计算得到

$T_{\mathrm{smp}}=\frac{1}{f_s}---\left(6\right)$

所述步骤6）的幅频特性和相频特性的具体计算步骤是：

分别根据公式7和公式8由两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2计算得到测试频率点f_i下光纤陀螺前放板的幅频特性A_i和相频特性

$A_i=\sqrt{\frac{4(R_{i1}^2+R_{i2}^2)}{{\left(M\right)}^2}}/D_{\mathrm{ref}}^2---\left(7\right)$

其中，A_i表示光纤陀螺前放板的幅频特性，

表示光纤陀螺前放板的相频特性。

图2所示为本发明实施装置的示意图，实施装置包含以下部分：

FPGA芯片：运行主控程序，控制装置中各个部分的工作，并进行相关运算；数字模拟转换和信号驱动部分：使用直接数字频率合成方法产生余弦扫频测试模拟信号，输入到光纤陀螺前放板；模拟数字转换部分：对光纤陀螺前放板输出信号进行采样，获得光纤陀螺前放板输出信号的采样序列；串口通信部分：发送相关系数计算结果；上位机：解算光纤陀螺前放板频率特性的测试结果。

整个光纤陀螺前放板频率特性的测试装置和光纤陀螺前放板统一采用5V供电，整个装置的测试端口有两个，一个为数字模拟转换和信号驱动部分的输出，连接到光纤陀螺前放板的信号输入端；一个为模拟数字转换部分的输入，连接到光纤陀螺前放板的信号输出端，光纤陀螺前放板频率特性的测试装置的两个测试端口都采用BNC测试钩与光纤陀螺前放板的输入输出端相连。

每个测试频率点f_i下的余弦扫频测试数字信号频率通过频率控制字K_i由FPGA芯片使用直接数字频率合成方法进行控制；图3所示为直接数字频率合成方法的流程示意图，直接数字频率合成方法的实施装置由相位累加器、波形存储器、数字模拟转换器和低通滤波器组成，波形存储器中保存有余弦波形数据；每一个时钟脉冲，加法器将频率控制字K_i与相位累加器中的数据相加，获得的输出数据作为波形存储器的相位取样地址，同时将累加结果送至相位累加器的输入端进行下一脉冲的相加，这样相位累加器就在时钟的作用下不断对频率控制字进行线性相位累加，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率，这样就完成了余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号的产生，两者的幅度和频率相同，仅相位相差90°；再通过数字模拟转换、滤波以及信号驱动产生余弦扫频测试模拟信号，用于光纤陀螺前放板的输入；其中频率控制字K为一个N位的数字量，f_clk为系统时钟，则由直接数字频率合成方法产生的信号频率表达式为以下公式9。

$f_{\mathrm{out}}=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{2^N}\·K---\left(9\right)$

为满足大带宽的测试要求，对采样速率控制字SMP的计算采用分段处理；首先确定采样点数M，不同的测试频率段f_i～f_i+1采用不同的余弦扫频测试数字信号周期数L，在低频段采样速率相对较高，可以采样较少的余弦扫频测试数字信号周期数L；高频段由于采样速率相对较低，需要采样较多的余弦扫频测试数字信号周期数L，以满足测试精度的要求，可以根据测试需求进行设置。采样速率控制字由公式3给出，其中f_clk为系统时钟。SMP和采样速率f_s的关系由公式2给出。

通过模拟数字转换部分对光纤陀螺前放板输出信号进行采样，通过提高数字采样系统的采样速率或增加采样点数，提高光纤陀螺前放板频率特性的计算精度。

对于光纤陀螺前放板，可以看作为一个连续时间线性时不变系统，在测试其频率特性时采用两路余弦信号作为参考信号，如公式10所示，y₁(t)为余弦信号，y₂(t)为经过90°相移的余弦信号，D_ref为参考信号的幅度：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1\left(t\right)=D_{\mathrm{ref}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ y_2\left(t\right)=D_{\mathrm{ref}}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(10\right)$

将余弦信号y₁(t)输入到光纤陀螺前放板中，获得光纤陀螺前放板输出信号

其中D为输出信号的幅度，ω为输出信号的角频率，与输入余弦信号角频率相同，为输出信号的相位延迟。将输出信号x(t)分别与两路参考信号y₁(t)和y₂(t)进行相关运算，获得了测试频率f下的两路相关系数结果R₁和R₂，如公式11、公式12所示。其中T为测试信号的周期，满足公式13，N为测试周期数，NT为测试总时间。

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}---\left(13\right)$

由公式14、公式15，根据两路相关系数R₁和R₂，可以计算出测试频率f下系统的幅频特性和相频特性，测试频率f由公式16进行计算：

$A=\left|H\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=\frac{D}{D_{\mathrm{ref}}}=\sqrt{\frac{4(R_1^2+R_2^2)}{{\left(\mathrm{NT}\right)}^2}}/D_{\mathrm{ref}}^2---\left(14\right)$

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}---\left(16\right)$

通过改变测试频率f的值，在测试频率范围内进行扫频，重复上述步骤，可以获得整个频率范围内光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性。

在实际测试中对测试信号进行模拟数字转换，使用FPGA芯片对测试信号的数字量进行处理，需要对公式11、公式12进行离散化处理，公式11、公式12中的积分项就相应变为离散累加项，如公式4和5所示。

其中M为每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数，Dx(n)为光纤陀螺前放板输出信号采样序列，D_refcos(2πf_inT_smp)为余弦扫频测试数字信号序列，

为和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列，n=1,…,M，D为光纤陀螺前放板输出信号采样序列的幅度，D_ref为余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列的幅度，T_smp为采样周期；其中T_smp由采样速率f_s根据公式6计算得到。

通过改变测试频率f_i的值，获得了两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2，其中N为需要测试的频率点数。根据公式7和公式8可以获得光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性序列A₁,A₂,...,A_N和

这样就获得了测试频率范围内的光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性。

根据上述测量原理，光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性的计算精度取决于两路相关系数的计算精度，而相关系数的计算要求采样满足奈奎斯特采样定理以及满足整周期采样，才能保证计算精度。在实际测量中，增加采样点数或提高采样速率可以提高测量精度。这样根据每一个测试频率点f_i，考虑到测量精度和测量速度，需要确定不同的采样点数M和余弦扫频测试数字信号周期数L，FPGA芯片主控程序根据系统时钟f_clk、采样值M和采样余弦扫频数字测试信号周期L确定采样速率控制字SMP，进而确定模拟数字转换过程的采样速率f_s。

如图4所示，是两路数字信号实现相关运算的逻辑示意图。两路数字信号x(n)和x_ref(n)输入到乘法器进行相乘，并与累加寄存器的输出进行相加，输入到累加寄存器中，刷新累加寄存器的输出，作为下一次加法器的输入。这样两路数字信号x(n)和x_ref(n)依次处理，累加寄存器输出的值就是两路数字信号x(n)和x_ref(n)的乘加计算结果，即通过公式17得到相关计算结果

$R=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·x_{\mathrm{ref}}\left(n\right)---\left(17\right)$

其中M为每路数据的信号点数。在FPGA芯片中，上述相关运算通过使用乘加器来实现，每一次针对光纤陀螺前放板输出信号的采样就进行一次乘加计算，当进行M此采样后，乘加器的输出即为最终的相关系数计算结果。本发明中需要分别对光纤陀螺前放板输出信号的采样序列与余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列进行相关运算，共需要两个乘加器实现此功能。

图5和图6分别为采样率为1000f和2f条件下相关系数的计算相对误差和采样时间的关系，f为信号频率，图中t表示采样的信号周期数。由图中可以看出，只要满足整信号周期的采样，在低频和高频信号下都可以实现相关系数优于1%的高精度测量，其相对误差也随着采样的信号周期数即采样点数的增加而下降。测量频率范围取决于数字采样系统的采样速度。对采样速率的控制采用分段处理的方法，在固定采样点数的条件下，在低频段采样速率相对较高，可以采样较少的余弦扫频测试数字信号周期数；而在高频段的采样速率相对较低，需要采样较多的余弦扫频测试数字信号周期数。这样在不同的频率段改变采样速率，适应不同频率段下的测试要求，以满足大频率测量范围的要求。通过提高数字采样系统的采样速度或增加采样点数，可以提高光纤陀螺前放板频率特性的计算精度。

该发明最佳实施方案的主要步骤是：

如图7所示为该发明最佳实施方案的流程图，首先FPGA芯片运行的主控程序确定余弦扫频测试数字信号频率f_i，根据f_i获得余弦扫频测试数字信号的频率控制字K_i。然后根据频率点f_i下的采样点数M，和采样的余弦扫频测试数字信号周期数L，确定采样速率控制字SMP，根据公式3进行计算。其中f_clk为系统时钟，M为采样点数，L为采样的余弦扫频测试数字信号周期数，它和采样速率的关系由公式2给出。

直接数字频率合成部分根据获得的频率点f_i下的频率控制字K_i和采样速率控制字SMP控制产生余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号。将余弦扫频测试数字信号经过数字模拟转换和信号驱动部分转换为余弦扫频测试模拟信号并输入到光纤陀螺前放板中，获得光纤陀螺前放板输出信号。由模拟数字转换部分对光纤陀螺前放板输出信号进行采样，获得光纤陀螺前放板输出信号数字量。将获得的光纤陀螺前放板输出信号数字量分别与当前的余弦扫频测试数字信号数字量和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号数字量分别输入到两个乘加器中进行一次乘加运算。

乘加运算完成后，判断是否完成了M点的采样，若没有完成，继续下一次采样和乘加计算；若完成，则保存当前的乘加器输出，作为频率点f_i的两路相关系数的运算结果。每一次对光纤陀螺输出信号的采样的同时就完成了一次乘加运算。相关系数运算结果保存完成后，判断是否完成了所有频率点的计算，若没有完成，进入下一频率点f_i+1的运算；若完成，就得到了所有测试频率点下的两路相关系数序列，向上位机发送保存的两路相关系数序列。

上位机获得两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2后，根据公式7和公式8计算得到测试频率点f_i下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性。然后根据光纤陀螺前放板频率特性数据，计算得到低通截止频率、高通截止频率和通带增益参数，完成对光纤陀螺前放板频率特性的测试。

图8和图9显示了实施例采用此方法对光纤陀螺前放板频率特性的测试结果，分别为幅频特性和相频特性。实例中测试频率点为10Hz-10MHz，每十倍频平均测试20个频率点，共109个测试频率点，选择采样点数M为1024，10Hz-100kHz测试频率点下采样10个余弦扫频测试数字信号周期，100kHz-10MHz测试频率点下采样1000个余弦扫频测试数字信号周期。最终计算得到的低通截止频率为18.88Hz，高通截止频率为9.46MHz，通带增益为11.53dB，测试结果准确。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于步骤如下：

1）待测试的光纤陀螺前放板频率特性的测试频率点为f_i，其中i＝1,2,...,N，N为待测试的频率点数，预设每一个测试频率点f_i对应的一个频率控制字K_i，根据频率控制字K_i使用直接数字频率合成方法获得频率为f_i的余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号；

2）将余弦扫频测试数字信号先后通过数字模拟转换、信号驱动转换为余弦扫频测试模拟信号，将余弦扫频测试模拟信号输入到光纤陀螺前放板中，得到每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号；

3）将对步骤2）中得到的每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换，获得光纤陀螺前放板输出信号的采样序列，并通过获取数字量得到余弦扫频测试数字信号序列与余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列；

4）将光纤陀螺前放板输出信号的采样序列分别与余弦扫频测试数字信号序列、余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列进行相关运算，获得两路相关系数R_i1和R_i2；

5）重复步骤1）至步骤4）对所有测试频率点f₁,f₂,...,f_N进行扫频测试后，获得测试频率点f₁,f₂,...,f_N下对应的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2，将两路相关系数序列发送至上位机；

6）上位机对步骤5）得到的两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2进行计算获得对应测试频率点f₁,f₂,...,f_N下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性

7）由步骤6）得到的幅频特性和相频特性获得光纤陀螺前放板频率特性的参数，包括低通截止频率、高通截止频率和通带增益。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于：所述步骤1）的每个测试频率点f_i对应的频率控制字K_i根据公式1预设

$K_i=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{2^N\·f_i}---\left(1\right)$

其中，f_clk为系统时钟。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于：所述步骤2）的对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换过程中的采样速率f_s由采样速率控制字SMP根据公式2进行控制

$f_s=\frac{f_{\mathrm{clk}}}{\mathrm{SMP}+1}---\left(2\right)$

其中f_s为采样速率，采样速率控制字SMP由系统时钟f_clk、每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数M和采样的余弦扫频测试数字信号周期数L根据以下公式3得到

$\mathrm{SMP}=\frac{f_{\mathrm{clk}}\·M}{f_i\·L}-1---\left(3\right).$

4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于：所述的步骤3）的余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列在对每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号进行模拟数字转换的时刻，通过获得余弦扫频测试数字信号和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号的数字量得到。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于：所述的步骤4）中得到两路相关系数R_i1和R_i2的相关运算根据以下公式4和公式5

$R_{i1}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}\right)---\left(4\right)$

$R_{i2}=\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Dx}\left(n\right)\·D_{\mathrm{ref}}\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}n{T}_{\mathrm{smp}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

其中M为每个测试频率点f_i下光纤陀螺前放板输出信号的采样点数，Dx(n)为光纤陀螺前放板输出信号的采样序列，D_refcos(2πf_inT_smp)为余弦扫频测试数字信号序列，为余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列，n=1,…,M，D为光纤陀螺前放板输出信号的采样序列的幅度，D_ref为余弦扫频测试数字信号序列和余弦扫频测试数字信号90°相移的参考数字信号序列的幅度，T_smp为采样周期；其中T_smp由采样速率f_s根据以下公式6计算得到

$T_{\mathrm{smp}}=\frac{1}{f_s}---\left(6\right).$

6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺前放板频率特性的测试方法，其特征在于所述步骤6）的幅频特性和相频特性的具体计算步骤是：

根据公式7和公式8由两路相关系数序列R₁₁,R₂₁,...,R_N1和R₁₂,R₂₂,...,R_N2计算得到测试频率点f_i下光纤陀螺前放板的幅频特性和相频特性

$A_i=\sqrt{\frac{4(R_{i1}^2+R_{i2}^2)}{{\left(M\right)}^2}}/D_{\mathrm{ref}}^2---\left(7\right)$

其中，A_i表示光纤陀螺前放板的幅频特性，

表示光纤陀螺前放板的相频特性。

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