一种光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法
技术领域
本发明涉及一种光纤陀螺中的信号处理方法,尤其是涉及一种光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法。
背景技术
光纤陀螺是一种新型角速率传感器,其本质上是一个赛格奈克干涉仪,根据赛格奈克效应,当光纤陀螺转动时,会引入一个与转动角速度成正比的相位差,通过检测这一相位差可以获得相应的角速率信息。实际的光纤陀螺为了提高检测的灵敏度和线性度,通常采用方波相位调制和闭环工作模式,使干涉仪工作在一个固定的偏置工作点上。当采用的方波相位调制信号如公式1所示时,相应的光纤陀螺输出信号如公式2所示。其中Δφb为调制相位;φb为调制相位的幅度;T为方波相位调制信号的周期,一般等于两倍的光纤陀螺中光纤环的渡越时间;I为光纤陀螺的干涉信号,I0为到达光纤陀螺探测器的光强信号;Δφr为旋转引起的赛格奈克非互易相移的大小;ΔφFB为反馈相位。
我们记残余相位Δφe=Δφr-ΔφFB,公式2可以写为:
光纤陀螺通过同步解调,即两个调制周期对应的电压信号相减,得到解调结果为:
demo=2I0sin(φb)sin(Δφe) (4)
光纤陀螺稳定工作时使Δφe≈0,使反馈相位ΔφFB≈Δφr,通过检测反馈相位获得角速率信息。
上述调制解调算法一般通过光纤陀螺中的中央处理器完成,中央处理器一般采用微型控制芯片,如DSP、FPGA、单片机等,通过加载特定的程序可以实现光纤陀螺所需的算法功能。
光纤陀螺在振动条件下,会对光纤环造成与振动同频的周期性应力,导致光纤的应力分布不均匀,根据光弹效应,会引起光纤折射率的变化,从而引入一个非互易相移,同时振动本身也会引入角运动,两者结合在光纤陀螺中会引入一个残余相位:
Δφe=φecos(ωvt+θv) (5)
其中ωv为和振动频率fv对应的角频率,φe为引入的非互易相位差的幅度,θv为随机相位。
同时振动还会对光纤陀螺中的光强产生影响,造成光强调制效应,这是由于对光源尾纤、光纤陀螺中光纤的弯曲损耗进行调制,以及振动对IOC、耦合器和光源等光学器件进行应力调制,从而造成光强的波动,又称为光强调制。这一效应可以表示为:
I0=Ia[1+αcos(ωvt)] (6)
其中I0表示为进入探测器的干涉光强,Ia为平均光强,α为光强变化的幅度,ωv为和振动频率fv对应的角频率。由公式6可以看出,引入的光强调制效应造成了干涉信号光强的波动,以平均光强Ia为中心,进行以α为幅度的余弦规律变化,我们称α为光强调制项系数。
将公式5和公式6带入解调公式4,得到:
将式7进行贝塞尔函数展开得到:
公式8就为由于光强调制和残余相位共同导致的解调误差,其中第一项、第二项和第三项中的m>1的项中含有余弦项使均值为0,因此探测结果不存在直流误差。仅有第三项中m=1时会造成直流误差:
demoerr=2Iasinφb*α*cosθv*J1(φe) (9)
公式9为常数项,会造成探测误差,这一项又称之为整流误差(rectified error)。将其转换为光纤陀螺中的非互易相位差为以下公式10:
这在光纤陀螺的实际应用中会造成输出结果的漂移(drift),因此需要对整流误差进行补偿,使光纤陀螺输出正确的角速率探测结果。
频谱分析是一种应用广泛的信号处理技术,它将信号进行分解,并按频率顺序展开,使其成为频率的函数。通过频谱分析,可以将时域上的信号变化到频域上来,获得信号中各个谐波分量的幅度和相位信息,从而进行信号在频域上的分析。常用的频谱分析方法有离散傅立叶变换(DFT)和快速傅立叶变换(FFT)等。
先进先出(First In First Out)寄存器是一种应用广泛的寄存器种类,常用于数据存储和缓冲。它是一个具有一定存储深度的寄存器,可以存储多个数据,其中的数据按照先进先出的规则进行更新。其数据的存入只能通过顺序写入数据,同时寄存器中的数据进行移位,并将最尾端的数据弹出。因此先进先出寄存器中存储的为按存储顺序排列的数据。
发明内容
针对光纤陀螺在实际应用中的振动条件下会产生整流误差,需要实时对整流误差进行补偿的现状,本发明的目的在于提供一种光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法,提高光纤陀螺在振动条件下性能。
本发明所采用的技术方案包括:
光纤陀螺中,中央处理器通过相位调制器对光学系统进行周期方波相位调制器和闭环控制,周期方波相位调制信号由奇、偶周期组成,采样电路对光学系统输出信号进行模拟数字转换采样,得到输出信号的数字采样值,送至中央处理器中进行角速率信息的同步解调,得到角速率对应的数字量;同时采样电路的数字采样值传输至中央处理器中进行计算得到整流误差对应的非互易相位差,并转换为整流误差对应的数字量;中央处理器中将经同步解调得到的角速率对应的数字量减去整流误差对应的数字量,得到并输出补偿后的角速率对应的数字量,进行整流误差的实时补偿。
所述的中央处理器包括整流误差补偿单元和调制解调单元,整流误差补偿单元接收来自采样电路的数字采样值,经计算得到整流误差对应的非互易相位差,并转换为整流误差对应的数字量,调制解调单元向相位调制器发送相位调制信号,并对来自光学系统的输出信号的数字采样值进行同步解调,并与来自整流误差补偿单元的整流误差对应的数字量进行相减计算得到补偿后的角速率对应的数字量。
所述的中央处理器的整流误差补偿单元中,由采样电路的数字采样值转换为整流误差对应的数字量的具体步骤包括:
1)通过奇偶周期判断单元根据周期方波相位调制信号的奇、偶周期分别获得奇数周期采样值I奇和偶数周期采样值I偶,并分别储存在奇数周期采样值寄存器和偶数周期采样值寄存器中,表示为以下公式:
I奇=I[1+cos(-φb+Δφe)]
I偶=I[1+cos(φb+Δφe)]
其中,奇、偶周期的每个周期的持续时间为光纤陀螺中光纤环的渡越时间,-φb、φb分别为奇、偶两个周期的调制相位;
2)通过光强和残余相位计算单元对奇数周期采样值寄存器和偶数周期采样值寄存器中的奇数周期采样值I奇和偶数周期采样值I偶采用以下公式进行求和与求差,分别得到奇偶周期采样值求和项sA和奇偶周期采样值求差项sB两组信号:
再采用以下公式对奇偶周期采样值求和项sA和奇偶周期采样值求差项sB信号进行计算,获得当前时刻的光强I和残余相位Δφe:
将得到的光强I和残余相位Δφe分别储存在光强先进先出寄存器(5.5)和残余相位先进先出寄存器(5.6)中,对光强先进先出寄存器(5.5)和残余相位先进先出寄存器(5.6)进行数据更新,得到光强序列和残余相位序列;
3)再由频谱分析单元对光强先进先出寄存器和残余相位先进先出寄存器中的光强序列和残余相位序列分别进行频谱分析,获得当前频率f下的光强幅度谱AI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱
4)采用以下公式对光强幅度谱针对零频的幅值进行归一化,获得当前频率f下的光强调制项系数幅度谱αI(f):
αI(f)=AI(f)/AI(0)
其中,AI(0)为频率f=0时光强幅度谱AI(f)的幅值;
5)通过频谱分析单元将计算获得的光强调制项系数幅度谱αI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱分别储存到光强调制项系数幅度谱寄存器、光强相位谱寄存器、残余相位幅度谱寄存器和残余相位相位谱寄存器中;
6)然后由整流误差计算单元从光强调制项系数幅度谱寄存器、光强相位谱寄存器、残余相位幅度谱寄存器和残余相位相位谱寄存器中提取光强调制项系数幅度谱αI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱再根据以下公式计算得到整流误差对应的非互易相位差Δφerr:
其中Ji()为i阶第一类贝塞尔函数;
7)最后根据公式计算得到整流误差对应的数字量,其中K为闭环光纤陀螺的输出数字量和非互易相位差的转换系数,单位为rad/LSB。
所述的步骤4)中,当所述的频率f=0时,光强调制项系数幅度谱αI(f)设置为0。
本发明的有益效果是:
本发明提出了一种对光纤陀螺中整流误差的实时补偿方法,该方法通过实时测量光纤陀螺中的光强和残余相位,并对测得的光强和残余相位进行频谱分析,获得光强和残余相位的幅度谱参数和相位谱参数,进而计算出当前光纤陀螺的整流误差,在光纤陀螺同步解调的角速率中减去计算得到的整流误差获得补偿后的输出。本发明可实时对光纤陀螺的整流误差进行补偿,补偿环节与光纤陀螺本身的调制解调过程同步进行,整流误差的补偿为实时过程,并且该方法无需对光纤陀螺的硬件进行改动,提高光纤陀螺的振动性能。
附图说明
图1为本发明的光纤陀螺系统原理框图。
图2为本发明整流误差补偿单元的原理框图。
图3为实际测量中某时刻光纤陀螺残余相位幅度谱。
图4为实际测量中某时刻光纤陀螺残余相位相位谱。
图5为实际测量中某时刻光纤陀螺光强调制项系数幅度谱。
图6为实际测量中某时刻光纤陀螺光强相位谱。
图中:1、中央处理器,2、相位调制器,3、光学系统,4、采样电路,5、整流误差补偿单元,6、调制解调单元,5.1、奇偶周期判断单元,5.2、奇数周期采样值寄存器,5.3、偶数周期采样值寄存器,5.4、光强残余相位解调单元,5.5、光强先进先出寄存器,5.6、残余相位先进先出寄存器,5.7、频谱分析单元,5.8、光强调制项系数幅度谱寄存器,5.9、光强相位谱寄存器,5.10、残余相位幅度谱寄存器,5.11、残余相位相位谱寄存器,5.12、整流误差计算单元。
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,本发明方法包括:光纤陀螺中,中央处理器1中的调制解调单元6通过相位调制器2对光学系统3进行周期方波相位调制器2和闭环控制,周期方波相位调制信号由奇、偶周期组成,采样电路4对光学系统3输出信号进行模拟数字转换采样,得到输出信号的数字采样值,送至中央处理器1中的调制解调单元6进行角速率信息的同步解调,得到角速率对应的数字量;同时采样电路4的数字采样值传输至中央处理器1中的整流误差补偿单元5进行计算得到整流误差对应的非互易相位差,并转换为整流误差对应的数字量,传送给中央处理器1中的调制解调单元6;中央处理器1中的调制解调单元6将经同步解调得到的角速率对应的数字量减去整流误差对应的数字量,得到并输出补偿后的角速率对应的数字量,进行整流误差的实时补偿。
所述的中央处理器1包括整流误差补偿单元5和调制解调单元6,整流误差补偿单元5接收来自采样电路4的数字采样值,经计算得到整流误差对应的非互易相位差,并转换为整流误差对应的数字量,调制解调单元6向相位调制器2发送相位调制信号,并对来自光学系统3的输出信号的数字采样值进行同步解调,并与来自整流误差补偿单元5的整流误差对应的数字量进行相减计算得到补偿后的角速率对应的数字量。
如图2所示,所述的整流误差补偿单元5包括奇偶周期判断单元5.1、奇数周期采样值寄存器5.2、偶数周期采样值寄存器5.3、光强和残余相位解调单元5.4、光强先进先出寄存器5.5、残余相位先进先出寄存器5.6、频谱分析单元5.7、光强调制项系数幅度谱寄存器5.8、光强相位谱寄存器5.9、残余相位幅度谱寄存器5.10、残余相位相位谱寄存器5.11和整流误差计算单元5.12。
如图2所示,所述的整流误差补偿单元5中,由采样电路的数字采样值转换为整流误差对应的数字量的具体步骤包括:
1)通过奇偶周期判断单元5.1根据周期方波相位调制信号的奇、偶周期分别获得奇数周期采样值I奇和偶数周期采样值I偶,并分别储存在奇数周期采样值寄存器5.2和偶数周期采样值寄存器5.3中,表示为以下公式11:
其中,奇、偶周期的每个周期的持续时间为光纤陀螺中光纤环的渡越时间,-φb、φb分别为奇、偶两个周期的调制相位;
2)通过光强和残余相位计算单元5.4对奇数周期采样值寄存器5.2和偶数周期采样值寄存器5.3中的奇数周期采样值I奇和偶数周期采样值I偶采用以下公式12进行求和与求差,分别得到奇偶周期采样值求和项sA和奇偶周期采样值求差项sB:
再采用以下公式13对奇偶周期采样值求和项sA和奇偶周期采样值求差项sB信号进行计算,获得当前时刻的光强I和残余相位Δφe:
由得到的光强I和残余相位Δφe分别储存在光强先进先出寄存器5.5和残余相位先进先出寄存器5.6中,对光强先进先出寄存器5.5和残余相位先进先出寄存器5.6进行数据更新,得到光强序列和残余相位序列;
3)再由频谱分析单元5.7对光强先进先出寄存器5.5和残余相位先进先出寄存器5.6中的光强序列和残余相位序列分别进行频谱分析,获得当前频率f下的光强幅度谱AI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱
4)采用以下公式14对光强幅度谱针对零频的幅值进行归一化,获得当前频率f下的光强调制项系数幅度谱αI(f):
αI(f)=AI(f)/AI(0) (14)
其中,AI(0)为频率f=0时光强幅度谱AI(f)的幅值;
5)通过频谱分析单元5.7将计算获得的光强调制项系数幅度谱αI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱分别储存到光强调制项系数幅度谱寄存器5.8、光强相位谱寄存器5.9、残余相位幅度谱寄存器5.10和残余相位相位谱寄存器5.11中;
6)然后由整流误差计算单元5.12从光强调制项系数幅度谱寄存器5.8、光强相位谱寄存器5.9、残余相位幅度谱寄存器5.10和残余相位相位谱寄存器5.11中提取光强调制项系数幅度谱αI(f)、光强相位谱残余相位幅度谱AΔφe(f)和残余相位相位谱再根据以下公式15计算得到相应的整流误差对应的非互易相位差Δφerr:
其中Ji()为i阶第一类贝塞尔函数;
7)最后根据公式计算得到整流误差对应的数字量,其中K为闭环光纤陀螺的输出数字量和非互易相位差的转换系数,单位为rad/LSB。
最终中央处理器1将同步解调获得的角速率输出对应的数字量减去整流误差对应的数字量即可获得补偿后的角速率输出数字量,完成了整流误差的补偿。
所述的光强调制项系数幅度谱αI(f)在频率f=0处的值设置为0,即αI(0)=0。
本发明原理如下:
根据公式10,若要得到当前的整流误差,我们需要获得光强调制项系数α、随机相位θv和残余相位φe,因此通过实时测量这些参数可以计算出当前的整流误差大小,从而对整流误差进行补偿。一般情况下实际的振动环境为随机振动,含有多种振动频率,振动频率范围为0~2000Hz,这样我们就需要知道各个频率下的光强调制项系数α、随机相位θv和残余相位φe,然后进行计算,得到综合的整流误差大小。
光纤陀螺工作时采用周期方波相位调制,周期方波中的奇偶周期对应的光纤陀螺输出信号如公式11所示,然后对它们进行求和和做差,得到sA和sB信号,如公式11所示。将sB除以sA,得到以下公式16:
由于Δφe很小,以上公式存在唯一解,因此可以得到当前的残余相位,进一步计算得到光强,计算公式如公式13所示。重复计算光强和残余相位,得到不同时刻的光强和残余相位序列,此时对两组数据进行频谱分析,可以得到光强和残余相位的幅度谱和相位谱参数,分别表示为AI(f),和AΔφe(f),其中f表示频率,AI(f)、AΔφe(f)、分别表示光强幅度谱和相位谱在f频率处的值和残余相位幅度谱和相位谱在f频率处的值。对光强幅度谱参数针对零频的幅值进行归一化,获得光强调制项系数的幅度谱αI(f),如公式14所示。αI(f)表示光强调制项系数幅度谱在f频率处的值。此时我们获得了计算整流误差所需的光强调制项系数α、随机相位θv和残余相位φe,其中随机相位θv为残余相位相位谱参数减去光强相位相位谱参数。
实际振动环境多为随机振动环境,不同频率之间存在有耦合效应,这在计算整流误差时应该加以考虑。我们对公式7进行改写,得到以下公式17:
其中ωvI和ωve为光强和残余相位对应的调制频率,展开公式17得到以下公式18:
可能出现直流量的为第三项,只要调制频率满足(2m-1)ωve=ωvI(m=1,2,…),即会出现整流误差。因此对频率f的残余相位来说,需要对频率为(2m-1)f(m=1,2,…)的光强调制项进行计算。频率f的残余相位和频率(2m-1)f的光强耦合的整流误差为以下公式19:
demoerr=-2Iasin(φb)α(-1)mJ2m-1(φe)cos[(2m-1)θv] (3)
结合测量中获得的谱参数,频率f的残余相位产生的整流误差为以下公式20:
综合的整流误差为各个频率下整流误差相加的结果,计算如公式15所示。这样我们获得了整流误差对应的非互易相位差,根据公式计算整流误差对应的数字量,K为闭环光纤陀螺的输出数字量和非互易相位差的转换系数,单位为rad/LSB。在光纤陀螺的解调数字量中减去整流误差对应的数字量即完成了整流误差的实时补偿。
本发明的具体实施例如下:
图3~图6所示为在400Hz振动环境下,采用本专利所述方法在实际测量中某时刻光纤陀螺残余相位幅度谱、残余相位相位谱、光强调制项系数幅度谱、光强相位谱。根据这些谱参数,根据公式15计算出整流误差对应的非互易相位差为1.7762e-7rad,对应的数字量为0.01078。此时光纤陀螺中的调制解调环节将解调角速率数字量中减去此值,输出角速率数字量为经过整流误差补偿后的值,实现了光纤陀螺整流误差的实时补偿。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。