CN103868530B - 一种闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法。就是在光纤陀螺的检测电路中，通过信号处理器以软件编程的方式叠加一个具有一定斜率的斜坡输入信号，使光纤陀螺的光纤环中正、反方向传播的两束光之间产生一个按照固定斜率均匀变化的相位差，等效模拟外界的角加速度输入；同时通过计算机采集输出响应数据计算出用于评价陀螺仪角加速度跟踪性能的角加速度误差系数。经过数次测量便可较为精确地对光纤陀螺的角加速度跟踪性能进行测试。本方法无需借助传统的测试设备，操作简单，测量范围大，测量精度高，能够满足闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的自主、快速、精确测试。

Description

一种闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法

技术领域

本发明涉及一种闭环光纤陀螺角加速跟踪性能的测试方法，属于光纤陀螺测试技术。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应（萨格纳克效应）的新型光学陀螺仪，被用来敏感运动载体相对于惯性空间的旋转角速率。作为一种重要的捷联惯性传感器，光纤陀螺在捷联惯性测量系统中得到了广泛的应用。

光纤陀螺的角加速度跟踪性能是指光纤陀螺对角加速度运动输入的响应特性，是光纤陀螺动态性能的重要表征，反映了光纤陀螺对外界动态角运动的敏感能力，直接影响了光纤陀螺的大动态跟踪性能。由于闭环光纤陀螺采用闭环检测方案，光纤陀螺的输出值相对于输入信号有一定的延迟作用，因此在输入信号变化较快时，光纤陀螺的输出不能完全跟踪输入信号，即光纤陀螺的输出相对于输入存在误差。当外界转速输入存在角加速度时，角速率发生变化，光纤陀螺的角速率输出值将存在测量误差，即角加速度误差。角加速度误差的大小反映了闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的好坏。在高动态恶劣运动环境的应用场合中，运动载体的角速率经常发生快速变化，对光纤陀螺的角加速度跟踪性能提出了很高的要求。因此，如何评测光纤陀螺的角加速度跟踪性能成为光纤陀螺研制和生产过程中必不可少的内容。

对于光纤陀螺角加速度跟踪性能的传统测试方法是，主要借助普通速率转台或突停台激发角加速度来测试光纤陀螺的角加速度误差。由于普通速率转台和突停台不能准确产生给定大小角加速度，激发出的角加速度大小不能根据测试需要人为随意设定，并且输入输出存在时间基准误差，所以传统测试方法不能满足光纤陀螺角加速度跟踪性能的精确测量。

发明内容

为了获得闭环光纤陀螺角加速跟踪性能的准确测量，本发明提出一种闭环光纤陀螺角加速跟踪性能的测试方法。该方法无需借助传统的测试设备，操作简单，测量范围大，测量精度高，能够满足闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的自主、快速、精确测试。

本发明提供了一种闭环光纤陀螺角加速跟踪性能的测试方法，是通过在光纤陀螺闭环检测电路的反馈阶梯波上加入一斜坡输入信号来模拟外界的等效角加速度输入，然后将陀螺闭环检测电路的输出响应数据与输入信号作差得到光纤陀螺的角加速度跟踪误差。

检测过程包括如下步骤：

1）在光纤陀螺闭环检测电路中，通过在光纤陀螺自身反馈的信号上叠加一个具有一定斜率的斜坡输入信号，使得光纤环正、反方向传播的两束光之间产生一个与外界角加速度输入等效的相位差；

2）用计算机采集光纤陀螺输出的响应数据，将斜坡输入信号的斜率除以光纤陀螺的标度因数，得到等效的外界角加速度输入值；再将斜坡输入信号与输出的响应数据作差，将这个差值除以光纤陀螺的标度因数得到陀螺的角加速度跟踪误差；

3）用角加速度跟踪误差除以等效的外界角加速度输入值，得到光纤陀螺的角加速度误差系数；

4）用得到的角加速度误差系数评价光纤陀螺的角加速度跟踪性能。

3、根据权利要求1或2所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：所述斜坡输入信号是在光纤陀螺信号处理器中，通过软件编程的方式和光纤陀螺自身反馈的信号叠加。

所述光纤陀螺反馈的信号和斜坡输入信号经过阶梯波生成器形成数字反馈阶梯波，再由D/A转换器转换成模拟电压信号后施加到集成光学调制器上，通过光纤陀螺集成光学调制器的相位调制，在光纤环上产生与外界角加速度输入相等效的相位差。

在测试过程中，分别采用多种不同斜率的斜坡输入信号进行多次测试，然后取各次测试结果的平均值。

另外，光纤陀螺输出的响应数据，输出时间间隔与光纤陀螺的光纤环渡越时间相同，在数微秒量级以保证测试的精度。

控制光纤陀螺输出响应数据频率的方法是：省去光纤陀螺数据输出之前的滤波处理环节，将光纤陀螺在每一个控制周期所测数据直接输出；同时，对数据输出格式进行简化，即光纤陀螺输出的数据包中仅包含光纤陀螺所测的速率数据。

本发明的优点和有益效果：由上述所提供的技术方案可以看出，本发明所提出光纤陀螺角加速度跟踪性能测试方法只需通过光纤陀螺信号处理软件和配套的计算机数据采集、处理系统便可实现，不需要外在的辅助测试设备。通过运用该方法，可以自主、快速和精确的测试光纤陀螺角加速度跟踪性能。可以为光纤陀螺动态跟踪性能参数设计和光纤陀螺动态环境适应性评估提供可靠便捷的手段。

通过光纤陀螺信号检测电路中，通过软件编程的方式叠加一个斜率波，便可产生与外界角加速度输入相等效的相位差，可以达到比用传统的速率转台和突停台无法拥有的优点。即用本方法一方面可精确获得斜坡响应的起始时间，有利于后续进行角加速度误差的计算；另一方面可以使产生的相位差为一种理想的斜坡信号，不存在用角振动台时产生的过渡时间，因而可以确切计算出输入角加速度的大小，有利于提高角加速度跟踪误差的测试精度；此外，通过修改斜坡信号的斜率，可以任意设定输入角加速度的大小，便于在给定的不同角加速度输入条件下进行多次测试，以提高测试的精度。

附图说明

图1是本发明所公开的光纤陀螺角加速度跟踪性能测试方法原理框图；

图2是斜坡响应输入和输出角加速度误差实测数据图。

具体实施方式

下面结合闭环光纤陀螺的工作原理和附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，数字光纤陀螺的闭环检测原理是：当外界的转动载体相对于空间发生转动时，在光纤陀螺的闭环检测电路中，光源1发出的光经过耦合器2进入集成光学调制器3，在集成光学调制器3的作用下，分成顺、逆两束光进入光纤环4，使光纤陀螺内，顺、逆时针传播的两束光之间产生与光纤环转速大小成正比的Sagnac（萨格纳克）相移；由于干涉作用使出射光强发生变化，此光强信号由探测器5转化为电压信号，然后经由前置放大和滤波电路对其进行调理，再由A/D转换器6将其转化为数字信号；A/D采样的电压数字信号输入给陀螺仪信号处理器7（FPGA或DSP芯片），由信号处理器中的解调与反馈模块解调出相位差，并对解调值进行一次数字积分，乘以一定的比例系数作为数字反馈信号，数字反馈信号经过阶梯波生成器形成数字反馈阶梯波，再由D/A转换器8将数字反馈阶梯波转换成模拟电压信号施加到集成光学调制器3上，对Sagnac相移进行补偿，使陀螺恢复到零相位状态。对于熟悉本技术领域的技术人员很容易理解这个原理。

因此在这基础上，如果我们在这个原本存在的光纤陀螺数字反馈阶梯波中，通过软件编程的方式叠加一个台阶高度按一定斜率变化的斜坡输入信号时，则由于集成光学调制器3的相位调制特性，便可使光纤陀螺的光纤环中正、反方向传播的两束光之间产生按照固定斜率均匀增加的相位差。

利用这种特性，我们通过修改陀螺的信号处理软件的方式，利用陀螺信号处理器在数字反馈信号中叠加给定斜率的斜坡输入信号，通过这种在光纤陀螺数字反馈阶梯波中叠加斜坡输入信号的方式在光纤环中正、反方向传播的两束光之间产生的相位差，与外界角加速度输入在正、反方向传播的两束光之间产生的相位差等效。因此可通过这种方法获得等效角加速度输入，进而可以通过这种方式对光纤陀螺的角加速度跟踪性能进行测试，从而省去了外加器件（速率转台或突停台），也避免了输入输出信号之间的时间误差。

斜坡输入信号作为外界的等效输入角加速度信号，与光纤陀螺本身的数字反馈信号叠加，经过阶梯波生成器生成阶梯波，再经过D/A转换器8后施加到集成光学调制器3上。由于集成光学调制器的相位调制作用，将在光纤陀螺的敏感环路内正、反方向传播的两束光之间产生与外界角加速度输入相等效的相位差，这个等效的相位差可以通过在集成光学调制器3上施加的电压获知。

同时，这个叠加的斜坡输入信号和光纤陀螺本身的数字反馈信号也可以同步输出响应数据至计算机9，用计算机数据采集系统将光纤陀螺的输出响应数据进行采集，以得到光纤陀螺在每一个控制周期内对应于等效角加速度输入的输出值，然后由计算机采集系统进行后台处理。

用于评价陀螺仪角加速度跟踪性能的参数是角加速度误差系数。利用叠加的斜坡输入信号计算角加速度误差系数的过程是：

1）首先用叠加的斜坡输入信号(是个数字信号)的斜率除以光纤陀螺的标度因数，得到与其等效的外界角加速度输入值，信号的斜率是人为在软件中设定的，标度因数就是可以使数据转换为度/秒这样的单位。

2）其次将叠加的斜坡输入信号与所采集到的光纤陀螺输出码值（光纤陀螺的转速测量值）作差，再将这个差值除以光纤陀螺的标度因数便可得到陀螺的角速度测量误差，即角加速度跟踪误差。

3）再用角加速度跟踪误差除以所叠加斜坡信号等效的角加速度输入值，即可得到光纤陀螺的角加速度误差系数。

因此总体来讲，本发明就是应用在光纤陀螺的闭环检测电路中，通过信号处理器以软件编程的方式叠加一个具有一定斜率的斜坡输入信号，使光纤陀螺的光纤环中正、反方向传播的两束光之间产生一个按照固定斜率均匀变化的相位差，用以等效模拟外界的角加速度输入；同时通过计算机采集这个斜坡响应数据，以及光纤陀螺检测电路自身输出的数字反馈信号，通过计算机软件进行转化计算，计算出用于评价陀螺仪角加速度跟踪性能的角加速度误差系数。

为了使陀螺仪的性能测试结果更精确，可采用多个斜率不同的斜坡输入信号，在不同角加速度大小的条件下对光纤陀螺的角加速度误差进行多次测试，然后取各次测试结果的平均值。由于叠加的斜坡信号斜率可以任意设定，可以改变等效角加速度的大小，这样更能够使测试结果精确，准确反映陀螺仪的性能。

另外，还可以通过修改数据更新方式，提高光纤陀螺数据更新率。通常用户对光纤陀螺的数据更新率要求较低，一般约为数百Hz，而在本发明中，为了使光纤陀螺角加速度跟踪性能测试结果具有更高的分辨率，需要提高光纤陀螺数据更新速率，即将光纤陀螺数据输出更新率提升至光纤陀螺的本征频率，即数据输出间隔等于光纤陀螺光纤环的渡越时间（光纤环的渡越时间即为光在光纤环中传播一周需要的时间），一般为数微秒。因此，实施本发明所提供的角加速度跟踪性能测试方法，需使所测光纤陀螺数据的采样频率达到几十KHz到数百KHz（因光纤环光纤长度不同产生差异）。由于斜坡响应数据采样频率足够高，才能使得角加速度跟踪性能的测试结果具有较高的分辨率。图2给出了加入斜坡信号后，测试的角加速度输入与输出之间的误差，从图中可看出，随着时间的推移，输入与输出之间的测试误差始终保持平稳，说明测试准确。

在本发明中，修改数据更新方式，是将光纤陀螺与计算机之间的通信协议进行了修改，省去光纤陀螺数据输出之前的滤波处理环节，即将光纤陀螺在每一个控制周期所测数据进行直接输出（普通陀螺数据更新速率很慢，在几个毫秒，这时需要做滤波处理，而本发明中要求不做数据滤波，使数据高速输出）；同时，对数据输出格式也进行了简化，即光纤陀螺高速输出的数据包中仅包含光纤陀螺所测的速率数据，省去了通常情况下所包含的温度数据、陀螺编号等数据。通过这种方式，实现了光纤陀螺对斜坡响应数据的高速输出。

由于斜坡信号的加入以及数据输出都在光纤陀螺的控制系统中实现，因此可以确切的知道光纤陀螺斜坡响应的起始时间，因此测试结果具有精确的时间起点，使得角加速度误差测试具有较高的时间准确度。

Claims (6)

1.一种闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：是通过在光纤陀螺闭环检测电路的反馈阶梯波上加入一斜坡输入信号来模拟外界的等效角加速度输入，然后将陀螺闭环检测电路的输出响应数据与输入信号作差得到光纤陀螺的角加速度跟踪误差；检测过程包括如下步骤：

1)在光纤陀螺闭环检测电路中，通过在光纤陀螺自身反馈的信号上叠加一个具有一定斜率的斜坡输入信号，使得光纤环正、反方向传播的两束光之间产生一个与外界角加速度输入等效的相位差；

2)用计算机采集光纤陀螺输出的响应数据，将斜坡输入信号的斜率除以光纤陀螺的标度因数，得到等效的外界角加速度输入值；再将斜坡输入信号与输出的响应数据作差，将这个差值除以光纤陀螺的标度因数得到陀螺的角加速度跟踪误差；

3)用角加速度跟踪误差除以等效的外界角加速度输入值，得到光纤陀螺的角加速度误差系数；

4)用得到的角加速度误差系数评价光纤陀螺的角加速度跟踪性能。

2.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：所述斜坡输入信号是在光纤陀螺信号处理器中，通过软件编程的方式和光纤陀螺自身反馈的信号叠加。

3.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：所述光纤陀螺反馈的信号和斜坡输入信号经过阶梯波生成器形成数字反馈阶梯波，再由D/A转换器转换成模拟电压信号后施加到集成光学调制器上，通过光纤陀螺集成光学调制器的相位调制，在光纤环上产生与外界角加速度输入相等效的相位差。

4.根据权利要求1或2或3所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：在测试过程中，分别采用多种不同斜率的斜坡输入信号进行多次测试，然后取各次测试结果的平均值。

5.根据权利要求1所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：光纤陀螺输出的响应数据，输出时间间隔与光纤陀螺的光纤环渡越时间相同，在数微秒量级。

6.根据权利要求5所述的闭环光纤陀螺角加速度跟踪性能的测试方法，其特征在于：控制光纤陀螺输出响应数据频率的方法是：省去光纤陀螺数据输出之前的滤波处理环节，将光纤陀螺在每一个控制周期所测数据直接输出；同时，对数据输出格式进行简化，即光纤陀螺输出的数据包中仅包含光纤陀螺所测的速率数据。