CN104950169A - 一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统。根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列测试数字信号；处理转换为伪随机序列测试模拟信号输入到角振动台的驱动电机中作为旋转的输入信号，角振动台带动待测高速光纤陀螺运动，得到待测高速光纤陀螺输出信号序列，采集测速电机的角速度模拟信号得到测速电机数字信号序列，将待测高速光纤陀螺输出信号序列和测速电机数字信号序列计算获得待测高速光纤陀螺的频率响应函数，包括幅频特性和相频特性，完成测量。本发明可对高速光纤陀螺的频率特性进行快速和准确测量，具有频率分辨率高、测量频率范围大、可同时测量高速光纤陀螺的幅频特性和相频特性，对噪声抑制效果好、测量速度快等特点。

Description

一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统

技术领域

本发明涉及一种频率特性测试方法与系统，尤其是涉及一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统。

背景技术

近年来，各国军事领域研究热点包括全球范围快速打击系统，导弹防御体系等，应用系统对光纤陀螺动态性能中频率特性提出了很高要求。

“全球范围快速打击系统”依托各种快速运载工具，从本土或全球分布的军事基地发射常规武器，在一小时内对全球任何地方实施精确打击。“全球范围快速打击系统”的特点就是“快”，主要指飞行器及响应速度快。飞行器高速机动时，角速度测量实时性直接影响其导航精度，要求光纤陀螺具有高的频带宽度。

“导弹防御体系”用于保护本土及军事基地的安全，典型的导弹防御系统如俄罗斯的S-400远程反导导弹、美国的“标准-3”中程反导导弹等，它们的特点是机动性强，响应速度快，反导导弹需在几秒内完成定位定向及姿态调整，这要求光纤陀螺的响应速度快、输出频带宽。

综上，频率特性影响了光纤陀螺，特别是高速光纤陀螺对角速度测量的准确性，对应用系统的性能发挥起着关键作用，对高速光纤陀螺的这一指标测试十分重要。

伪随机序列是最长线性反馈移存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。伪随机序列具有类似于随机噪声的一些统计特性同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了他的缺点，因此获得了日益广泛的实际应用。

FPGA芯片(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)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。

随着各领域对光纤陀螺，特别是高速光纤陀螺的要求越来越高，其频率特性，特别是大频带宽度的频率特性对高速光纤陀螺的性能越来越至关重要，因此如何快速准确的对高速光纤陀螺大频带宽度频率特性进行测量是一个十分重要的问题。原有的测量方法为利用转台对光纤陀螺输入特定频率序列的角速率，同时测量光纤陀螺的输出。比较输出与输入获得该频率点下光纤陀螺的系统频率响应。该方法需要进行扫频测试，若需要获得较为完整的频率响应函数需要多组测试频率信号，在每个测试频率下进行测量，导致测量时间长；同时由于测试频率点数有限，从而测试结果的频率分辨率低，特别是对于高速光纤陀螺，测量出高分辨率的频率特性对其性能的评估非常重要；没有针对相位特性进行测量，或相位估计误差大。

发明内容

针对目前高速光纤陀螺频率特性缺少快速准确及高频率分辨率测试方法的现状，本发明的目的在于提供了一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统，可快速准确地测量高速光纤陀螺频率特性。

本发明方法的技术方案的具体步骤如下：

一、一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，步骤如下，如图1所示：

1)根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列测试数字信号；

2)将伪随机序列测试数字信号依次通过数字模拟转换、信号驱动放大后转换为伪随机序列测试模拟信号，将伪随机序列测试模拟信号输入到角振动台的驱动电机中作为旋转的输入信号；角振动台的驱动电机经载物台连接待测高速光纤陀螺；

3)角振动台带动其上面的待测高速光纤陀螺进行运动，得到待测高速光纤陀螺输出信号序列z(i)，其中i＝1,…,N，N是采样点总数，i表示采样点序数；

4)测速电机与驱动电机同步连接，采集测速电机的角速度模拟信号并进行模拟数字转换，得到测速电机数字信号序列x(i)，其中i＝1,…,N；

5)将步骤3)中得到的待测高速光纤陀螺输出信号序列z(i)和步骤4)得到的测速电机数字信号序列x(i)进行计算获得待测高速光纤陀螺的频率响应函数H(jω)，根据频率响应函数H(jω)获得待测高速光纤陀螺频率特性参数，包括幅频特性和相频特性。

所述步骤1)中采用以下公式1表示的生成逻辑通过逻辑电路生成反馈移位寄存器，从而产生最终伪随机序列a_n：

$a_n=c_1{a}_{n-1}\⊕c_2{a}_{n-2}\⊕\mathrm{...}\⊕c_n{a}_0$

其中，n表示移位寄存器电路的阶数，a_n-1、…、a₀表示第一级、…、第n级寄存器，C₁、…、C_m、…、C_n-1表示反馈线的连接方式，m＝1,…,n-1，C_m等于1或者0，表示二元域上的模二加法。

所述步骤5)中得到的高速光纤陀螺频率响应函数H(jω)具体计算步骤是：

将待测高速光纤陀螺输出信号序列z[i]和测速电机测试数字信号序列x[i]进行互相关运算得到互相关序列R_xz，同时将测速电机测试数字信号序列x[i]进行自相关运算得到自相关序列R_xx；再对互相关序列R_xz和自相关序列R_xx进行傅里叶变换，获得互功率谱密度S_xz(jω)和自功率谱密度S_xx(jω)，将互功率谱密度和自功率谱密度相除获得待测高速光纤陀螺的频率响应函数H(jω)：

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{xz}\left(j\mathrm{\ω}\right)}{S_{xx}\left(j\mathrm{\ω}\right)}$

所述的频率响应函数H(jω)在极坐标下表示形式为以下公式：

其中，|H(jω)|为待测陀螺的幅频响应，为待测陀螺的相频响应，分别作为陀螺的幅频特性和相频特性，j表示虚部，ω表示角频率。

所述的反馈线的连接方式C_m等于1表示连线接通，第n-m级输出加入反馈中；C_m等于0表示连线断开，第n-m级未输出加入反馈中。

二、一种高速光纤陀螺频率特性的测试系统：

包括角振动台的驱动电机和测速电机、载物台、待测陀螺和FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)处理器，载物台固定在驱动电机的旋转轴上，待测光纤陀螺置于载物台上，驱动电机与测速电机同步连接转动；FPGA处理器依次经数字模拟转换器、功率放大器连接角振动台的驱动电机，测速电机经模拟数字转换器连接FPGA处理器，待测光纤陀螺与FPGA处理器连接，FPGA处理器经串口通信与计算机连接。

本发明根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列；将伪随机序列测试数字信号先后通过数字模拟转换、信号驱动转换为伪随机序列测试模拟信号，将伪随机序列模拟信号输入到角振动台中的驱动电机，驱动电机带动其上面的待测高速光纤陀螺根据输入的模拟信号进行相应的运动，得到待测高速光纤陀螺输出信号序列；同时将用于测量角振动台角速度输入的测速电机输出信号进行模拟数字转换，得到测速电机测试数字信号序列；将得到的待测高速光纤陀螺输出信号序列和测速电机测试数字信号序列发送到计算机；计算机利用谱分析的方法计算待测高速光纤陀螺的频率特性。

本发明方法的有益效果为：

本发明测量频率分辨率高，可实现对高速光纤陀螺大频带宽度的快速测量；测量精度高，同时单次测量即可获得测试结果；可同时测量获得高速光纤陀螺的幅频特性和相频特性；测试速度快，对高速光纤陀螺输出信号和伪随机序列的采样时间即为测试时间，整体测试时间最少只要20s，并且可以在线测试；对测试量中噪声的抑制效果好；测量频率范围大；使用FPGA芯片作为控制部分，体积小、操作简单、成本低；通过获得高速光纤陀螺的频率特性，对高速光纤陀螺的性能加以评估，满足高速光纤陀螺大频带宽度频率特性的大批量、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为本发明系统的示意图。

图3为角振动台安装方式示意图。

图4为产生伪随机序列的n级移位寄存器电路示意图。

图5为本发明实施例的流程图。

图6为本发明方法结合系统的原理说明示意图。

图7为产生17阶伪随机序列的移位寄存器电路示意图。

图8为本发明实施例的幅频特性和相频特性测试结果图。

图中：1、待测光纤陀螺，2、载物台，3、驱动电机，4、测速电机。

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。

本发明实施装置如图2所示，实施装置包含角振动台的驱动电机3和测速电机4、载物台2、待测高速光纤陀螺1和FPGA处理器，载物台2固定在驱动电机3的旋转轴上，待测高速光纤陀螺1置于载物台2上，驱动电机3与测速电机4同步连接转动；FPGA处理器依次经数字模拟转换器、功率放大器连接角振动台的驱动电机3，测速电机4经模拟数字转换器连接FPGA处理器，待测高速光纤陀螺1与FPGA处理器连接，FPGA处理器经串口通信与计算机连接。

FPGA芯片：运行主控程序，根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列，控制装置中各个部分的工作；数字模拟转换和信号驱动部分：将FPGA生成的伪随机序列转换成模拟信号，输入到信号驱动部分；信号驱动：包括功率放大器和角振动台等，角振动台的安装方式如图3所示，测速电机与待测高速光纤陀螺固定在同一个转动轴的两端，测速电机固定在下端，驱动电机安装在中部，待测高速光纤陀螺安装在载物台的上端。

本发明的高速光纤陀螺可看做是一个单输入单输出的线性系统，输入角速度Ω可以得到数字量D，D＝KΩ，K为光纤陀螺的标度因数。将伪随机序列模拟信号输入到功率放大器，信号经放大后输入到角振动台中的驱动电机中，驱动电机根据输入的信号带动载物平台上的待测光纤陀螺和下方的测速电机运动，由于测速电机基于法拉第效应，电压大小V正比于线圈切割磁感应线的线速度，也正比于测速电机测量的角速度Ф，V＝μФ,μ为测速电机的比例因数。

模拟数字转换部分：对用于测量角振动台角速度输入的测速电机输出信号进行模拟数字转换，获得测速电机测试数字信号采样序列；串口通信部分：将待测高速光纤陀螺的输出信号序列和测速电机测试数字信号采样序列发送到计算机；计算机用于解算光纤陀螺频率特性的测试结果。

本发明系统的输入信号为伪随机序列信号。伪随机序列由FPGA根据伪随机序列的逻辑电路生成反馈移位寄存器产生，图4所示为n级移位寄存器电路，a_n-1、…、a₀表示第一级、…、第n级寄存器，C₁、…、C_m、…、C_n-1表示反馈线的两种连接方式，m＝1,…,n-1，C_m等于1表示连线接通，第n-m级输出加入反馈中，C_m等于0表示连线断开，第n-m级未输出加入反馈中。反馈线的连接状态不同，可能改变此移存器输出序列的周期。c_i的取值决定了移存器的反馈链接和序列结构，也决定了序列的周期。

本发明的具体实施例及其实施过程如下：

如图5所示，首先可利用FPGA芯片根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列信号，将伪随机序列信号经过数字模拟转换和信号驱动转换为伪随机模拟信号并输入到角振动台中，角振动台根据输入的模拟信号带动其上面的待测高速光纤陀螺进行振动，从而获得待测高速光纤陀螺的输出信号。由模拟数字转换部分对用于测量角振动台角速度输入的测速电机输出信号进行采样，获得测速电机测试数字信号序列。将待测高速光纤陀螺输出信号序列和测速电机测试数字信号序列打包发送到计算机中，在发送完成之后判断是否完成了N个点的采样，若没有完成，继续下一次采样并发送下一组数据。若完成则结束向计算机发送采样数据。计算机获得待测高速光纤陀螺输出信号序列和测速电机测试数字信号序列后，计算出待测高速光纤陀螺的频率特性，包括幅频特性和相频特性。

图6所示为对待测高速光纤陀螺进行了频率响应函数测试的测量系统。实验中待测系统为高速光纤陀螺，计算机根据经过模数转换后的测速电机测得的信号序列和待测高速光纤陀螺的输出信号序列估计出互功率谱和自功率谱密度，最终获得频率响应函数。

原理上看，对于光纤陀螺可以看作为一个单入单出线性系统，f(t)为常值输入，对于待测光纤陀螺为地球转速，测试其频率特性时采用伪随机序列信号x(t)作为系统的测试信号，输入到被测光纤陀螺的信号u(t)为：

u(t)＝x(t)+f(t)               (4)

y(t)为测试信号经过系统后的输出信号，z(t)为y(t)叠加白噪声v(t)后的输出信号，y(t)可表示为：

$y\left(t\right)=h\left(t\right)*u\left(t\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}h\left(\mathrm{\α}\right)u(t-\mathrm{\α})d\mathrm{\α}---\left(5\right)$

其中，h(t)表示冲击响应函数，α表示积分自变量，t表示时刻。

测试信号x(t)和输出信号z(t)的互相关函数为：

$\begin{array}{c}{R}_{xz}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\[x(t-\mathrm{\τ})z\left(t\right)\]=E\{x(t-\mathrm{\τ})\[y\left(t\right)+v\left(t\right)\]\}\\ =E\{x(t-\mathrm{\τ})\[{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}h\left(\mathrm{\α}\right)u(t-\mathrm{\α})d\mathrm{\α}\]+v\left(t\right)\}\\ =R_{xv}\left(\mathrm{\τ}\right)+{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}h\left(\mathrm{\α}\right)E\{x(t-\mathrm{\τ})\[x(t-a)+f(t-a)\]\}d\mathrm{\α}\\ {=R}_{xv}\left(\mathrm{\τ}\right)+{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}h\left(\mathrm{\α}\right)\[R_x(\mathrm{\τ}-\mathrm{\α})+R_{xf}(\mathrm{\τ}-\mathrm{\α})\]d\mathrm{\α}\end{array}---\left(6\right)$

其中，R_xv(τ)表示测试信号x(t)和白噪声v(t)的互相关函数，τ表示延迟时间。

因为测试信号x(t)与白噪声v(t)和常值输入f(t)不相关。即R_xv(τ)＝0，R_xf(τ-α)＝0，故可得到：

$R_{xz}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}h\left(\mathrm{\α}\right)R_x(\mathrm{\τ}-\mathrm{\α})d\mathrm{\α}=h\left(\mathrm{\τ}\right)*R_x\left(\mathrm{\τ}\right)---\left(7\right)$

其中，R_xz(τ)表示伪随机序列信号和叠加白噪声后的系统输出信号的互相关函数，*表示卷积，h(τ)表示响应函数，R_x(τ)表示伪随机序列信号自相关函数。

对式(7)做傅里叶变换，结合傅里叶变换卷积定理和维纳—欣钦定理，相关函数和功率谱密度之间满足傅里叶变换关系，得到：

S_xz(jω)＝H(jω)·S_xx(jω)          (8)

其中，S_xz(jω)和S_xx(jω)分别为测试信号x(t)和待测光纤陀螺输出信号z(t)的互功率谱密度和测试信号x(t)的自功率谱密度，因此可得到待测光纤陀螺的频率响应函数为H(jω)：

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{xz}\left(j\mathrm{\ω}\right)}{S_{xx}\left(j\mathrm{\ω}\right)}---\left(9\right)$

其中j表示虚部，ω表示角频率。

在极坐标下表示形式为：

其中，|H(jω)|为待测光纤陀螺的幅频响应，为待测光纤陀螺的相频响应，分别作为待测光纤陀螺的幅频特性和相频特性。

实例中FPGA芯片中产生17阶伪随机序列，首先构造一个具有17个元素的移位寄存器，对应元素为x[k]，k＝0,1,…,16,其中x[16]为寄存器输出，每个元素对应数据更新系数C_m，再选取一个17阶本原多项式，这里选取x¹⁷+x³+1，此时数据更新系数为C₁₆＝1，C₂＝1，其余为零，对应的逻辑结构如图7所示，设置初始状态为[0000 0000 0000 00001]，每个时钟周期寄存器向右移位，x[16]每个时钟周期输出构成伪随机序列。

伪随机序列的更新频率为500Hz，可以看作带宽为500Hz左右的白噪声，图8显示了实施例采用此方法对待测光纤陀螺频率特性的测试结果，分别为幅频特性和相频特性，测试结果准确。

由此可见，本发明测量频率分辨率高，测量精度高，测试速度快，可同时测量获得高速光纤陀螺的幅频特性和相频特性，整体测试时间最少只要20s，可在线测试；并且对测试量中噪声的抑制效果好，测量频率范围大，体积小、操作简单、成本低，满足高速光纤陀螺大频带宽度频率特性的大批量、快速和准确测试，具有突出显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，其特征在于步骤如下：

1）根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列测试数字信号；

2）将伪随机序列测试数字信号依次通过数字模拟转换、信号驱动放大后转换为伪随机序列测试模拟信号，将伪随机序列测试模拟信号输入到角振动台的驱动电机中作为旋转的输入信号；角振动台的驱动电机（3）经载物台（2）连接待测高速光纤陀螺（1）；

3）角振动台带动其上面的待测高速光纤陀螺进行运动，得到待测高速光纤陀螺输出信号序列z(i)，其中i=1,…,N，N是采样点总数，i表示采样点序数；

4）测速电机与驱动电机同步连接，采集测速电机的角速度模拟信号并进行模拟数字转换，得到测速电机数字信号序列x(i)，其中i=1,…,N；

5）将步骤3）中得到的待测高速光纤陀螺输出信号序列z(i)和步骤4）得到的测速电机数字信号序列x(i)进行计算获得待测高速光纤陀螺的频率响应函数H(jω)，根据频率响应函数H(jω)获得高速光纤陀螺频率特性参数，包括幅频特性和相频特性。

2.根据权利要求1所述的一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，其特征在于：所述步骤1）中采用以下公式1表示的生成逻辑通过逻辑电路生成反馈移位寄存器，从而产生最终伪随机序列a_n：

$a_n=c_1{a}_{n-1}\⊕c_2{a}_{n-2}\⊕...\⊕c_n{a}_0---\left(1\right)$

其中，n表示移位寄存器电路的阶数，a_n-1、…、a₀表示第一级、…、第n级寄存器，C₁、…、C_m、…、C_n-1表示反馈线的连接方式，m=1,…,n-1，C_m等于1或者0，表示二元域上的模二加法。

3.根据权利要求1所述的一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，其特征在于：所述步骤5）中得到的高速光纤陀螺频率响应函数H(jω)具体计算步骤是：

将待测高速光纤陀螺输出信号序列z[i]和测速电机测试数字信号序列x[i]进行互相关运算得到互相关序列R_xz，同时将测速电机测试数字信号序列x[i]进行自相关运算得到自相关序列R_xx；再对互相关序列R_xz和自相关序列R_xx进行傅里叶变换，获得互功率谱密度S_xz(jω)和自功率谱密度S_xx(jω)，将互功率谱密度和自功率谱密度相除获得待测高速光纤陀螺的频率响应函数H(jω)：

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{xz}\left(j\mathrm{\ω}\right)}{S_{xx}\left(j\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

4.根据权利要求3所述的一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，其特征在于：

所述的频率响应函数H(jω)在极坐标下表示形式为以下公式：

其中，|H(jω)|为待测陀螺的幅频响应，为待测陀螺的相频响应，分别作为陀螺的幅频特性和相频特性，j表示虚部，ω表示角频率。

5.根据权利要求2所述的一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法，其特征在于：所述的反馈线的连接方式C_m等于1表示连线接通，第n-m级输出加入反馈中；C_m等于0表示连线断开，第n-m级未输出加入反馈中。

6.用于实施权利要求1～5任一所述方法的一种高速光纤陀螺频率特性的测试系统，其特征在于：包括角振动台的驱动电机（3）和测速电机（4）、载物台（2）、待测陀螺（1）和FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）处理器，载物台（2）固定在驱动电机（3）的旋转轴上，待测陀螺（1）置于载物台（2）上，驱动电机（3）与测速电机（4）同步连接转动；FPGA处理器依次经数字模拟转换器、功率放大器连接角振动台的驱动电机（3），测速电机（4）经模拟数字转换器连接FPGA处理器，待测陀螺（1）与FPGA处理器连接，FPGA处理器经串口通信与计算机连接。