CN105571580B - 一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，属于光纤陀螺技术领域。所述滞回方法首先累加台阶波信号得到阶梯波信号，当输入角速度较大时阶梯波累加寄存器运算超出有效运算区间而自动溢出发生超级复位，调整阶梯波累加寄存器数值回到有效运算区间内；当阶梯波累加寄存器数值超出有效输出区间发生正常复位时，调整阶梯波累加寄存器数值回到有效输出区间内；当阶梯波累加寄存器数值处于有效输出区间内时，不产生复位。本发明可以有效地抑制随机串扰造成的频繁复位问题，减小光纤陀螺的死区和噪声，改善标度因数的线性度；同时可以适应不同的偏置调制方案和反馈系数调整方案，适用范围广，操作简单，可靠性高。

Description

一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法

技术领域

本发明涉及一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，更特别地说，是指一种基于斯密特触发器原理的光纤陀螺数字相位阶梯波的滞回复位方法，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格奈克效应的角速度测量器件，广泛应用于惯性测量领域。目前，广泛采用的是全数字闭环检测方案，其原理框图如图1所示，主要由光源1、耦合器2、集成光学相位调制器3、光纤环4、探测器5、放大器6和10、A/D转换器7、数字逻辑芯片8和D/A转换器9组成。在全数字闭环检测方案中，引入反馈回路产生反馈相移来补偿萨格奈克相移，使光纤陀螺工作在“零相位”点附近，以获得更大的动态范围和线性度；同时，全数字闭环检测方案引入偏置调制技术，以获取更好的灵敏度和信噪比，提升光纤陀螺性能，常用的偏置调制有方波调制和四态调制。

在全数字闭环检测方案中，探测器5获取反馈相移与萨格奈克相移间的误差信号，经放大器6和A/D转换器7后传输至数字逻辑芯片8，经过解调和累加可以得到反映光纤陀螺角速度的台阶波信号；累加台阶波信号得到数字相位阶梯波信号，由于阶梯波信号不可能无限的增加或减少，需要对阶梯波信号进行复位，通常采用寄存器自动溢出的方式来实现，同时考虑到探测器响应为余弦函数，因此阶梯波信号复位前后的差值应等效于在光纤环中产生2π整数倍的反馈相移，以避免引入复位误差；阶梯波信号叠加偏置调制信号后形成完整的反馈驱动信号，经D/A转换器9和放大器10后驱动集成光学相位调制器3产生反馈相移。图2是以方波偏置调制为例，偏置调制信号、阶梯波信号和反馈驱动信号波形示意图，图中阶梯波寄存器采用比D/A转换器少1位的降位处理，以保证叠加偏置调制信号后反馈驱动信号不会自动溢出而复位，这种降位处理同时适用于四态调制技术。

在光纤陀螺的应用中，反馈回路集成光学相位调制器的调制系数会随温度变化发生漂移，造成反馈系数发生变化，引起2π复位电压不准，参见参考文献[1](光纤陀螺标度因数温度误差分析与补偿，金靖、张春熹、宋凝芳，《宇航学报》第29卷第1期，2008年)，反馈系数的漂移将影响标度因数线性度等参数，因此需要对反馈系数进行补偿。常用的模拟补偿方法是利用额外的D/A转换器来调整反馈回路D/A转换器的参考电压，通过调整反馈回路D/A转换器的增益系数来实现对反馈系数的补偿；另一种数字调整方案是在数字逻辑芯片中反馈驱动信号形成后引入数字调整因子来补偿反馈系数，保证反馈系数的稳定。

另一方面，反馈驱动电路与探测器输出间存在着电交叉耦合的问题，等效于在理想数字阶梯波上叠加一个随机串扰，参见参考文献[2](Closed-loop fiber optic gyros，George A.Pavlath，《Fiber Optic Gyros:20th Anniversary Conference》，1986年)和参考文献[3](Fiber Optic Gyroscope with Reduced Non-Linearity at Low AngularRates，Robert A.Kovacs，《Guidance and Control 1998》，1998年)，这种随机串扰会影响标度因数的线性度，尤其是在小转速情况下会引起阶梯波信号频繁复位，如图3所示，反馈驱动信号频繁地复位将引起死区和导致复位点附近噪声增大。

综上所述，光纤陀螺反馈系数随温度漂移将引起复位误差，同时反馈驱动电路与探测器输出间的交叉耦合等效为随机串扰，在数字阶梯波复位时引起非线性，光纤陀螺低速转动时表现为数字阶梯波频繁地复位，加剧复位误差的产生，引起死区和噪声变大。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提出了一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法。借鉴于斯密特触发器的突变输入-输出滞回特性，可以有效地阻止输入电压出现微小变化而引起输出电压的变化。斯密特触发器具有两个输入阈值电压，分别称为正向阈值电压V_TH+和负向阈值电压V_TH-，当输入电压大于正向阈值电压或小于负向阈值电压时输出电压才会发生变化。

本发明提出的滞回方法是一种数字阶梯波滞回复位方法，舍弃原有借助阶梯波寄存器自动溢出实现复位的方式，改为不同方向和大小的转速时采用不同复位方式的滞回方法。类似于斯密特触发器，数字阶梯波引入正复位阈值R₊、负复位阈值R_-、正复位起点S₊和负复位起点S_-、零点O和满点F共6个特征点，正复位阈值与负复位起点不相等、正复位起点与负复位阈值不相等，从而形成两个滞回区间，正复位阈值与负复位阈值间形成阶梯波信号的有效输出区间，零点与满点间形成阶梯波信号的有效运算区间。当阶梯波寄存器累加运算超出有效输出区间时，通过在阶梯波寄存器上叠加等效于整数倍的2π相移差值，复位阶梯波寄存器数值重新回到有效输出区间。由于陀螺正向转动与反向转动时阶梯波寄存器所在运算区间不同，从而实现滞回复位。正复位起点-正复位阈值区间宽度与负复位阈值-负复位起点区间宽度相等，且等于2π相移差值，以保证复位的正确性。当阶梯波信号复位后，若受到与阶梯波信号累加方向相反的随机串扰，阶梯波信号可在滞回区间内累加运算而不会再次复位，从而抑制原有自动溢出方式引起的频繁复位。具体实现步骤是：

首先，光纤陀螺数字逻辑芯片对D/A转换器输出信号进行解调和累加得到反映光纤陀螺角速度的台阶波信号。累加台阶波信号得到阶梯波信号，当阶梯波寄存器运算超出设定的有效运算区间而自动溢出发生超级复位，即阶梯波寄存器累加结果小于零点或超过满点，通过在阶梯波寄存器上加上或减去2倍的2π相移差值，复位阶梯波寄存器数值回有效运算区间内；当阶梯波寄存器数值超出设定的有效输出区间发生正常复位时，即阶梯波寄存器累加结果小于负复位阈值或大于正复位阈值，通过在阶梯波寄存器加上或减去1倍的2π相移差值，复位阶梯波寄存器数值回到有效输出区间内；当阶梯波寄存器数值处于设定的有效输出区间内时，不产生复位。当下一个周期台阶波信号与阶梯波信号累加方向相反时，阶梯波信号可以在滞回区间内反向累加，只要不超出有效输出区间，就不会触发下一次复位，从而抑制频繁复位的产生。最后，将阶梯波信号与偏置调制信号叠加后形成反馈驱动信号输出至D/A转换器。

本发明提出的抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，与常用自动溢出复位相比，本发明的滞回方法既保留了复位前后阶梯波寄存器差值对应于2π相移的特性，又提出利用不同方向的复位阈值与起点不同，人为地引入了滞回区间，使耦合造成的随机串扰以及固有白噪声影响下的阶梯波信号可以在滞回区间运算，避免造成频繁的复位，随机串扰和白噪声对光纤陀螺性能的影响可在后续台阶波信号输出时通过滤波来减小。即满足：

R₊-S₊＝S_--R_-＝2^N

2^NV_LSB＝V_2π

其中，V_LSB是D/A转换器最低有效位对应的驱动电压，V_2π是产生2π相移的电压，N为产生2π相移时对应的D/A转换器的有效位数。

同时，滞回复位中考虑到大转速情况，利用阶梯波寄存器自动溢出产生超级复位运算，引入整数倍的2π相移，不会产生复位误差，保证复位的正确性，即，

2^N+1V_LSB＝2*V_2π

本发明的一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法优点在于：

本发明借助于数字逻辑运算的灵活性，数字阶梯波通过滞回方式实现复位，可以有效地抑制随机串扰造成的频繁复位问题，减小光纤陀螺的死区和噪声，改善标度因数的线性度；同时，这种滞回复位方法可以适应不同的偏置调制方案和反馈系数调整方案，适用范围广，操作简单，可靠性高。

附图说明

图1是现有技术中的全数字闭环光纤陀螺的结构原理框图；

图2是现有技术中方波信号与阶梯波信号叠加形成反馈驱动信号波形图；

图3是存在随机串扰影响下数字阶梯波频繁复位示意图；

图4是本发明中数字阶梯波滞回复位方法输入-输出滞回特性示意图；

图5是本发明中数字阶梯波滞回复位方法寄存器运算实现示意图；

图6是本发明中引入滞回复位方法时数字阶梯波波形图；

图7a是模拟调整方案引入滞回复位方法的反馈驱动信号波形；

图7b是数字调整方案引入滞回复位方法的反馈驱动信号波形；

图8是本发明提供的滞回方法的实现流程图。

图中：

1-光源； 2-耦合器； 3-集成光学相位调制器； 4-光纤环；

5-探测器； 6-放大器； 7-A/D转换器； 8-数字逻辑芯片；

9-D/A转换器； 10-放大器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，光纤陀螺采用全数字闭环检测方案。数字逻辑芯片采用FPGA芯片，A/D转换器位数为12位，D/A转换器位数为16位，由于采用降位处理，2π相移对应的有效位数N为15。

在本发明中，所述滞回方法的实现在FPGA芯片中完成，对D/A转换器的输出信号进行数字解调和累加，得到台阶波信号保存在台阶波寄存器中，用swt_data表示，16位宽度；累加台阶波信号，得到阶梯波信号，由于阶梯波信号的滞回复位存在中间运算值，不能直接输出，因此将原有阶梯波寄存器拆分为阶梯波累计寄存器和阶梯波输出寄存器，阶梯波累加寄存器用于存放累加台阶波信号得到的原始阶梯波信号和滞回运算的中间值，用lwt_temp表示，17位宽度；阶梯波输出寄存器用于锁存滞回复位运算完成后的最终结果，用lwt_out表示，17位宽度；滞回区间宽度为a，根据实际应用中随机串扰大小来调整；设定阶梯波累加寄存器零点O为0，负复位阈值R_-为b，正复位起点S₊为a+b，负复位起点S_-为2¹⁵-1+b，正复位阈值R₊为2¹⁵-1+a+b，满点F为2¹⁶-1，当阶梯波累加寄存器数值大于正复位阈值R₊时，对其进行复位，得到阶梯波累加寄存器的数值落在正复位起点S₊的上方，而当阶梯波累加寄存器数值小于负复位阈值R_-时，对其进行复位，得到阶梯波累加寄存器的数值落在负复位起点S_-的下方，产生如图4所示的输入-输出滞回曲线，同时形成两个滞回区间。光纤陀螺正向转动时阶梯波信号的输出区间为[a+b,2¹⁵-1+a+b]，反向转动时阶梯波信号的输出区间为[b,2¹⁵-1+b]，无论是正向转动还是反向转动，阶梯波信号输出区间宽度都是2¹⁵，阶梯波累加寄存器中数值变化2¹⁵对应于光纤环产生2π相移，这正是数字相位阶梯波复位的本质，数字阶梯波下一时刻不复位与复位的阶梯波累加寄存器差值对应于2π相移，而与阶梯波信号的复位点具体数值大小无关。

当光纤陀螺以较大速率转动时，台阶波信号累加到阶梯波累加寄存器上可能会出现lwt_temp超出[0,2¹⁶-1]这个有效运算区间，阶梯波累加寄存器会自动溢出产生超级复位，此时，需要对阶梯波累加寄存器进行调整，使其回到[0,2¹⁶-1]范围内，从而消除因自动溢出而导致复位错误：当光纤陀螺正向转动时，阶梯波累加寄存器数值大于满点2¹⁶-1，产生向上的自动溢出，如图5中编号1所示，此时阶梯波累加寄存器应减去2¹⁶，以回到[0,2¹⁶-1]范围内；当光纤陀螺反向转动时，阶梯波累加寄存器数值小于零点O，产生向下的自动溢出，如图5中编号2所示，此时阶梯波累加寄存器应加上2¹⁶，回到[0,2¹⁶-1]范围内。由于2¹⁶对应于2π相移的2倍，这种调整不会引入复位误差。

当光纤陀螺以正常速率转动时，阶梯波累加寄存器超出[b,2¹⁵-1+a+b]这一阶梯波有效输出区间，此时，同样需要对阶梯波累加寄存器进行调整，以产生正常的复位。当光纤陀螺正向转动时，阶梯波累加寄存器大于正向复位阈值2¹⁵-1+a+b时，阶梯波累加寄存器应减去2¹⁵，调整后的阶梯波累加寄存器会落在[a+b,2¹⁵-1+a+b]区间，如图5中编号3所示，下一时刻若台阶波信号为正，则阶梯波累加寄存器继续向上正常累加；若台阶波信号为负，阶梯波累加寄存器可以向下累加，只要阶梯波累加寄存器数值不小于负复位阈值，就不会再次发生复位，从而抑制频繁复位。同样，当光纤陀螺负向转动时，阶梯波累加寄存器数值会小于负复位阈值b，此时阶梯波累加寄存器应加上2¹⁵，调整后的寄存器会落在[b,2¹⁵-1+b]区间，如图5中编号4所示，下一时刻台阶波信号若为负，则阶梯波累加寄存器继续向下累加，若台阶波信号为正，阶梯波累加寄存器可以向上累加而不会发生频繁复位。所以，光纤陀螺正反向转动时阶梯波累加寄存器在不同的区间进行累加和复位运算，当复位后受到与转动方向相反的随机串扰时，阶梯波累加寄存器可以在滞回区间内反向累加运算而不会再次发生复位，从而消除阶梯波信号自动溢出复位时出现的频繁复位问题。对于阶梯波累加寄存器没有超出阶梯波有效输出区间时，阶梯波累加寄存器正常进行累加运算。每次累加和复位运算后将阶梯波累加寄存器的结果锁存在阶梯波输出寄存器中。利用本发明提供的滞回方法，得到阶梯波输出寄存器的波形如图6所示。

将阶梯波输出寄存器的低16位叠加上偏置调制信号，形成完整的反馈驱动信号，驱动D/A转换器。偏置调制信号可以采用方波偏置调制，也可采用四态偏置调制，在使用降位处理条件下，叠加偏置调制信号后的反馈驱动信号都不会产生复位。以方波偏置调制为例，图7a是采用模拟调制方案时反馈驱动信号波形图，图7b是采用数字调整方案时反馈驱动信号波形图。数字调整方案借助于数字逻辑芯片提供的数字信号处理功能，通过在偏置调制与阶梯波叠加信号后乘上一个实时调整的补偿因子G，实现对反馈驱动信号的整体压缩，达到补偿反馈系数随温度漂移的问题。

本发明提供的抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，结合图8，具体包括以下步骤：

第一步，光纤陀螺开机启动或复位时，初始化台阶波寄存器swt_da为0，初始化阶梯波累加寄存器lwt_temp为[a+b，2¹⁵-1+a+b]区间内任意数，不妨设置为2¹⁴；初始化阶梯波输出寄存器lwt_out也为2¹⁴；执行第二步。

第二步，对A/D转换器的输出信号进行数字解调，累加误差信号到台阶波寄存器swt_data上；累加台阶波信号到阶梯波累加寄存器lwt_temp上，通过lwt_temp最高位的变化判断是否产生超级复位，若lwt_temp大于阶梯波满点2¹⁶-1，即产生了正向超级复位，阶梯波累加寄存器应减去2¹⁶；若lwt_temp小于阶梯波零点O，即产生了反向超级复位，阶梯波累加寄存器应加上2¹⁶；否则阶梯波累加寄存器不变；执行第三步。

第三步，判断阶梯波累加寄存器lwt_temp是否产生正常复位，若lwt_temp大于正向复位阈值2¹⁵-1+a+b，即产生了正向正常复位，阶梯波累加寄存器应减去2¹⁵；若lwt_temp小于反向复位阈值b，即产生了反向正常复位，阶梯波累加寄存器应加上2¹⁵；否则阶梯波累加寄存器不变；执行第四步。

第四步，将阶梯波累加寄存器lwt_temp的结果锁存在阶梯波输出寄存器lwt_out中，阶梯波输出信号低16位叠加偏置调制信号后形成完整的反馈驱动信号，输出至D/A转换器。

Claims (1)

1.一种抑制光纤陀螺反馈驱动电路频繁复位的滞回方法，其特征在于：包括以下步骤，

第一步，光纤陀螺开机启动或复位时，初始化台阶波寄存器swt_data为0，初始化阶梯波累加寄存器lwt_temp和阶梯波输出寄存器lwt_out均为[a+b,2¹⁵-1+a+b]区间内任意数；设定滞回区间宽度为a，阶梯波累加寄存器零点O为0，负复位阈值R_-为b，正复位起点S₊为a+b，负复位起点S_-为2¹⁵-1+b，正复位阈值R₊为2¹⁵-1+a+b，满点F为2¹⁶-1；

第二步，对A/D转换器的输出信号进行数字解调，累加误差信号到台阶波寄存器swt_data上；累加台阶波信号到阶梯波累加寄存器lwt_temp上，通过lwt_temp最高位的变化判断是否产生超级复位，若lwt_temp大于阶梯波满点2¹⁶-1，即产生了正向超级复位，阶梯波累加寄存器应减去2¹⁶；若lwt_temp小于阶梯波零点O，即产生了反向超级复位，阶梯波累加寄存器应加上2¹⁶；否则阶梯波累加寄存器不变；

第三步，判断阶梯波累加寄存器lwt_temp是否产生正常复位，若lwt_temp大于正复位阈值2¹⁵-1+a+b，即产生了正向正常复位，阶梯波累加寄存器应减去2¹⁵；若lwt_temp小于负复位阈值b，即产生了反向正常复位，阶梯波累加寄存器应加上2¹⁵；否则阶梯波累加寄存器不变；

第四步，将阶梯波累加寄存器lwt_temp的结果锁存在阶梯波输出寄存器lwt_out中，阶梯波输出信号的低16位叠加偏置调制信号后形成完整的反馈驱动信号，输出至D/A转换器。