CN106441367B - 一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置。利用数字信号处理芯片控制数模转换器输出预先设定的模拟Sagnac相位差信号，将输出的模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号进行叠加，然后输入光纤陀螺的Y波导相位调制器中，模拟Sagnac相位差信号用于模拟真实运动带来的Sagnac相位差；实时利用数字信号处理芯片同步采集经光纤陀螺对模拟Sagnac相位差信号进行响应后的探测器信号，对模拟Sagnac相位差与探测器信号进行处理计算获得结果；装置包括AD转换器、数字信号处理芯片和DA转换器。本发明方法简单可靠，用于光纤陀螺调制解调及反馈性能评估，能模拟复杂条件输入下的反馈残余调制相位，为光纤陀螺动态性能提升提供参考依据。

Description

一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤陀螺反馈残余调制相位测试，主要用于光纤陀螺调制解调方案残余相位测试，方法简单可靠，可用于光纤陀螺调制解调方案的评估。

背景技术

光纤陀螺是一种没有转子的新型全固态惯性仪表，其基本原理是通过测量角运动引起的Sagnac相位差获得输入角速度。光纤陀螺具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点，在航天、航空、航海和兵器等军用领域和众多民用领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注，成为了21世纪惯性技术领域的主流陀螺仪之一，成为了惯性导航和战略应用领域的主要仪表。

光纤陀螺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，使干涉仪工作在一个偏置工作点上。

当采用的方波相位调制信号如下所示时，

式中Δφ_bias为调制相位；φ_bias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螺渡越时间。

相应的光纤陀螺输出光强信号为

式中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；Δφ_r为旋转引起的赛格奈克非互易相移的大小。

调制方波正负半周对应的光纤陀螺干涉信号相减，即可获得一个与赛格奈克非互易相移相关的解调信号，从而获得角速率信息，如下所示

ΔI=2I₀sin(φ_bias)sin(Δφ_r)

式中ΔI即为解调信号。

闭环光纤陀螺在开环光纤陀螺的基础上引入反馈回路，实现光纤陀螺的闭环控制。闭环光纤陀螺的探测器输出（解调信号）作为反馈伺服回路的误差信号。反馈控制的一般思路为通过对解调信号（误差）积分，反馈控制Y波导相位调制器，形成反馈相位差，用于补偿由转速形成的Sagnac相位差。

光纤陀螺的反馈残余调制相位即为转速形成的Sagnac相位差与反馈补偿的相位差之间的误差。受限于光纤陀螺主控芯片，调制解调算法复杂度有限，一般采用近似的方法。同时这些效应与光纤陀螺的系统硬件集成有关，不同的光纤陀螺有不同的表现。在动态条件下，其反馈残余调制相位性能之间影响了光纤陀螺动态条件下的性能。不同条件下，光纤陀螺反馈残余调制相位性能也略有差别，因此现有技术缺少了针对完整陀螺系统的不干扰陀螺系统运行的测试方法及装置，本发明技术方案即解决该问题。

发明内容

针对光纤陀螺反馈残余调制相位的测试，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置，可用于光纤陀螺调制解调方案性能的评估。

本发明的技术方案是：

一、一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法：

利用数字信号处理芯片控制数模转换器输出预先设定的模拟Sagnac相位差信号，将输出的模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号进行叠加，然后输入光纤陀螺的Y波导相位调制器中，模拟Sagnac相位差信号用于模拟真实运动带来的Sagnac相位差；

实时利用数字信号处理芯片同步采集经光纤陀螺对模拟Sagnac相位差信号进行响应后的探测器信号，对模拟Sagnac相位差与探测器信号进行处理计算，获得针对当前调制解调反馈方案的反馈残余调制相位。

所述模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号是利用加法器进行幅值的叠加。

所述的模拟Sagnac相位差信号和探测器信号均与光纤陀螺内部调制反馈时序一致，即频率及相位一致，其实现是通过光纤陀螺内部的主控芯片输出同步信号实现。

所述对模拟Sagnac相位差与探测器信号进行处理计算具体是：利用用于输出模拟Sagnac相位差信号的预先已设定的模拟Sagnac相位差时序数据D_i和采集到的探测器信号的时序数据D_o，采用以下公式线经过相位解算，获得各自对应的时序相位φ_i和φ_o：

其中，K_DA为模数转换系数，K_DAe为反馈回路电路增益，V_π为Y波导相位调制器半波电压，I₀为光源光强的一半，K_AD为数模转换系数，K_ADe为光纤陀螺探测器及电路增益，φ_i和φ_o分别表示模拟Sagnac相位差信号和探测器信号的时序相位；

接着采用以下公式将模拟Sagnac相位差信号的时序相位φ_i和探测器信号的时序相位φ_o相减，获得反馈补偿相位量φ_fb：

φ_fb(i-1)=φ_o(i)-φ_i(i)

最后，将反馈补偿相位量φ_fb减探测器信号的相位φ_o，获得当前调制解调反馈方案的反馈残余调制相位。

二、一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试装置：

光纤陀螺包括光源、耦合器、探测器、前放滤波器、主控芯片、Y波导相位调制器、光纤环，测试装置包括AD转换器、数字信号处理芯片和DA转换器，光纤陀螺的前放滤波器输出端经AD转换器与数字信号处理芯片的信号输入端连接，数字信号处理芯片的信号输出端经DA转换器连接到加法器的一个输入端，加法器的另一个输出端与光纤陀螺内部自身的调制反馈信号连接，加法器的输出端与光纤陀螺的Y波导相位调制器连接，光纤陀螺的主控芯片与数字信号处理芯片连接。

所述DA转换器输出模拟Sagnac相位差信号，模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号利用放大电路加法器叠加。

所述光纤陀螺的主控芯片输出同步信号到数字信号处理芯片，使得数字信号处理芯片实时同步采集前放滤波器输出的探测器信号，进而使得模拟Sagnac相位差信号和探测器信号均与光纤陀螺内部调制反馈时序一致。

本发明的有益效果是：

本发明方法简单可靠，适用于模拟复杂运动下的反馈残余调制相位测试，通过外部的测试装置能获得光纤陀螺反馈残余调制相位，能适用于针对不同的调制解调方案进行筛选和改进。

本发明方法简单可靠，用于光纤陀螺调制解调及反馈性能评估，能模拟复杂条件输入下的反馈残余调制相位，为光纤陀螺动态性能提升提供参考依据。

附图说明

图1是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的结构示意图。

图2是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置中的信号叠加典型方案。

图3是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的信号传递示意图。

图4是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的信号波形示意图。

图5是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的典型模拟Sagnac相位差信号。

图6是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的两种不同解调方式下获得的残余相位。

图7是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的实施步骤简图A。

图8是光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法及装置的实施步骤简图B。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例如下：

本方法主要是在现有光纤陀螺结构的基础上添加测试系统，如图1所示，包括AD转换器、数字信号处理芯片和DA转换器，光纤陀螺的前放滤波器输出端经AD转换器与数字信号处理芯片的信号输入端连接，数字信号处理芯片的信号输出端经DA转换器连接到加法器的一个输入端，加法器的另一个输出端与光纤陀螺内部自身的调制反馈信号连接，加法器的输出端与光纤陀螺的Y波导相位调制器连接，光纤陀螺的主控芯片与数字信号处理芯片连接。

数字信号处理芯片主要包括FPGA、DSP、ARM等，数字信号处理芯片向数模转换器输出模拟Sagnac相位差的数字信号D_i，经过DA与放大电路转换为模拟信号d_i，在与光纤陀螺的反馈信号d_fb经过电压加法器（典型结构如图2所示），共同作用在Y波导相位调制器上。图2中，模拟信号d_i与光纤陀螺的反馈信号d_fb分别经电阻R1和电阻R3后连接到运算放大器的负向输入端，运算放大器的负向输入端经电阻R2后连接输出端，运算放大器的正向输入端接地。同时数字信号处理芯片利用来自光纤陀螺主控芯片的同步信号，采集探测器经过前放滤波后的模拟信号d_o获得数字信号D_o。D_i与D_o数据均需与上位机进行通信。

实时在利用数字信号处理芯片同步采集经光纤陀螺对模拟Sagnac相位差信号进行响应后的探测器信号后，利用用于输出模拟Sagnac相位差信号的预先已设定的模拟Sagnac相位差时序数据D_i和采集到的探测器信号的时序数据D_o，采用以下公式线经过相位解算，获得各自对应的时序相位φ_i和φ_o：

其中，K_DA为模数转换系数，K_DAe为反馈回路电路增益，V_π为Y波导相位调制器半波电压，I₀为光源光强的一半，K_AD为数模转换系数，K_ADe为光纤陀螺探测器及电路增益，φ_i和φ_o分别表示模拟Sagnac相位差信号和探测器信号的时序相位；

其相位信号传递示意图如图3所示，前一调制周期（第i周期）的模拟Sagnac相位φ_i(i)与前一周期反馈补偿相位信号φ_fb(i)通过叠加产生探测器的信号的相位φ_o(i)。φ_o(i)作为误差信号，经过积分及调制解调方案获得下一调制周期（第i+1周期）的反馈补偿相位信号φ_fb(i+1)，这一过程根据不同的调制解调方案会产生对应的残余相位。反馈补偿相位信号φ_fb(i+1)会与下一调制周期输入的模拟Sagnac相位φ_i(i+1)进行叠加产生探测器的信号的相位φ_o(i+1)，进而实现循环。

由上可知，作用在Y波导相位调制器上的信号应包括：周期调制信号φ_tz、模拟Sagnac相位差信号φ_i、反馈补偿信号φ_fb。其中周期调制信号的典型周期为2τ（τ为光纤陀螺渡越时间），在一个调制周期内，其模拟Sagnac相位差φ_i(i)与反馈补偿相位信号φ_fb(i)保持一致。根据光纤陀螺光强干涉公式可得到：

I=I₀(1+cos(φ_tz+φ_i-φ_fb+φ_e))

式中，I₀为光源光强的一半，φ_tz为光纤陀螺周期调制相位，φ_e为地球自转引入的Sagnac相位差。

通过对光纤陀螺探测器采样可结算出对应的相位，在不考虑光强波动的条件下，

φ_o=φ_i-φ_fb+φ_e

信号波形示意图如图4，分别表示周期调制相位信号φ_tz、模拟Sagnac相位差信号φ_i、反馈补偿信号φ_fb、探测器的相位信号φ_o。由于数模转换器输出范围限制，需采用于光纤陀螺相同的2π复位。在不考虑反馈增益变化（Y波导相位调制器半波电压波动和电路增益变化）的情况下，可以将复位信号设置为定值。如需考虑其变化，则需由光纤陀螺将调制增益信号传递给数字信号处理芯片，同理光强波动也可以通过相同的方法解决。

图4中，理想的探测器相位与实际的探测器相位存在偏差，该偏差即是由反馈残余调制相位造成的。模拟Sagnac相位差可以根据需求进行设定。

根据图1、图3、图4可获得最终数据处理过程如下：

φ_fb(i+1)=φ_i(i+1)-φ_o(i+1)+φ_e

φ_r(i+1)=φ_fb(i+1)-φ_o(i)

式中，φ_r即为反馈残余调制相位。通过对探测器相位信号φ_o（即为闭环光纤陀螺误差输入信号）与反馈残余调制相位φ_r进行数据分析，即可对光纤陀螺调制解调方案残余相位误差进行评价。

根据上述过程可对不同调制解调方案在动态条件下进行仿真测试，其中一种典型的模拟Sagnac相位差如图5所示，其中横坐标的单位为调制周期，纵坐标为模拟Sagnac相位差，单位为rad。对两种调制解调方案进行测试，该两种调制解调方案的测试结果如图6所示，根据波动峰峰值或者标准差等标准，可以从图6中得出，调制解调方案2明显优于调制解调方案1。

利用本发明方法及设备，可以模拟不同角速度变化下的调制解调残余相位，即，对于如图5所示的模拟Sagnac相位差，可以随意设定。最后的测试结果可以用于全面评估各种条件下调制解调方案优劣。

整个系统针对不同需求，可分为离线工作模式和在线工作模式。离线工作模式主要针对于较短时间、同时具有典型代表的模拟转动数据，其实施步骤如图7所示。具体过程为先将模拟转动数据存入下位机，由下位机自主运行，最终将探测器采样序列传到上位机，进行统一数据处理，该工作方式，受限于数字信号处理芯片存储空间的限制，运行时间较短。在线工作模式主要针对长时间、随机性强的模拟转动数据，其实施步骤如图8所示。具体过程为上位机实时的将模拟Sagnac相位差信号传递给数字信号处理芯片，同时数字信号处理芯片也实时地将探测器数据传递给上位机，该工作方式运行时间长，但上位机需一直工作，数据分析可以同时进行。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法，其特征在于方法是：利用数字信号处理芯片控制数模转换器输出预先设定的模拟Sagnac相位差信号，将输出的模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号进行叠加，然后输入光纤陀螺的Y波导相位调制器中，模拟Sagnac相位差信号用于模拟真实运动带来的Sagnac相位差；

实时利用数字信号处理芯片同步采集经光纤陀螺对模拟Sagnac相位差信号进行响应后的探测器信号，对模拟Sagnac相位差与探测器信号进行处理计算，获得反馈残余调制相位；

所述对模拟Sagnac相位差与探测器信号进行处理计算具体是：利用用于输出模拟Sagnac相位差信号的预先已设定的模拟Sagnac相位差时序数据D_i和采集到的探测器信号的时序数据D_o，采用以下公式进行相位解算，获得各自对应的时序相位φ_i和φ_o：

其中，K_DA为模数转换系数，K_DAe为反馈回路电路增益，V_π为Y波导相位调制器半波电压，I₀为光源光强的一半，K_AD为数模转换系数，K_ADe为光纤陀螺探测器及电路增益，φ_i和φ_o分别表示模拟Sagnac相位差信号和探测器信号的时序相位；

接着采用以下公式将模拟Sagnac相位差信号的时序相位φ_i和探测器信号的时序相位φ_o相减，获得反馈补偿相位量φ_fb：

φ_fb(i)＝φ_o(i)-φ_i(i)

φ_fb(i+1)＝φ_o(i+1)-φ_i(i+1)

其中，i和i+1分别表示第i个调制周期和第i+1个调制周期，φ_fb(i)，φ_o(i)，φ_i(i)分别表示第i个调制周期下的反馈补偿相位量，第i个调制周期下的探测器相位信号，第i个调制周期下的模拟Sagnac相位差信号；φ_fb(i+1)，φ_o(i+1)，φ_i(i+1)分别表示第i+1个调制周期下的反馈补偿相位量，第i+1个调制周期下的探测器相位信号，第i+1个调制周期下的模拟Sagnac相位差信号；

最后，将第i+1个调制周期下反馈补偿相位量φ_fb减第i个调制周期下探测器信号的相位φ_o，获得反馈残余调制相位。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法，其特征在于：所述模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号是利用加法器进行幅值的叠加。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试方法，其特征在于：所述的模拟Sagnac相位差信号和探测器信号均与光纤陀螺内部调制反馈时序一致，即频率及相位一致，其实现是通过光纤陀螺的主控芯片输出同步信号实现。

4.用于实施权利要求1-3任一所述方法的一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试装置，其特征在于：包括AD转换器、数字信号处理芯片和DA转换器，光纤陀螺的前放滤波器输出端经AD转换器与数字信号处理芯片的信号输入端连接，数字信号处理芯片的信号输出端经DA转换器连接到加法器的一个输入端，加法器的另一个输出端与光纤陀螺内部自身的调制反馈信号连接，加法器的输出端与光纤陀螺的Y波导相位调制器连接，光纤陀螺的主控芯片与数字信号处理芯片连接。

5.根据权利要求4所述的一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试装置，其特征在于：所述DA转换器输出模拟Sagnac相位差信号，模拟Sagnac相位差信号与光纤陀螺自身的调制反馈信号利用放大电路加法器叠加。

6.根据权利要求4所述的一种光纤陀螺反馈残余调制相位的测试装置，其特征在于：所述光纤陀螺的主控芯片输出同步信号到数字信号处理芯片，使得数字信号处理芯片实时同步采集前放滤波器输出的探测器信号，进而使得模拟Sagnac相位差信号和探测器信号均与光纤陀螺内部调制反馈时序一致。