CN106643791A - 一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置。光纤陀螺的主控芯片周期性地对内部Y波导相位调制器进行相位控制，并实时同步采集光纤陀螺中Y波导相位调制器两臂光束的干涉光强数字信号，通过数据处理算法对采集的干涉光强数字信号数据进行处理，获得光纤陀螺反馈回路性能参数，根据其性能对进行补偿；测试装置连接在光纤陀螺无光纤环部分的两输出端，包括测试耦合器、探测器、模数转换器、数字信号处理芯片和标准信号源。本发明方法为在线测试，可用于光纤陀螺生产过程中阶段性检查以及光纤陀螺标度因数性能提升，方法简单可靠，为光纤陀螺标度因数非线性、不对称性、重复性改进提供基础。

Description

一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置，主要用于光纤陀螺标度因数性能提升，方法简单可靠，测量精度高。

背景技术

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，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。光纤陀螺在航空、航天、航海和兵器等军用领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注。进入21世纪后，光纤陀螺已成为惯性测量和制导领域的主流仪表之一。

光纤陀螺的主要性能指标大致可以分为五大类：零偏、随机游走、标定因数、动态范围和带宽。影响光纤陀螺标度因数的因素除光纤环参数(光纤环直径、光纤长度等)，还包括Y波导调制器参数(半波电压、电极长度、电极宽度、折射率等)和数字电路参数(DA转换函数、调制电路增益等)。可将数字电路及Y波导相位调制器视为反馈回路，其作用是实时补偿Sagnac相位差，因此反馈回路性能直接影响了光纤陀螺性能。

闭环方式是通过控制相位调制器，在光纤敏感环上添加能够补偿相向两束光波转动相位差的补偿信号，使得干涉光波之间的总相位差始终为常值。测量满足这一条件所引入的非互易相位差作为光纤陀螺的输出。

闭环光纤陀螺的标度因数可表示为，

式中，λ为真空中的波长，c为真空中光速，L为光纤长度，L＝NπD，D为线圈直径，N为光纤匝数，k为反馈回路增益，K_SF即为光纤陀螺的标度因数。其中反馈回路增益k性能主要分为非线性、不对称性、重复性。

受限于光纤陀螺电路及Y波导加工工艺，光纤陀螺反馈回路增益必定存在以上非线性、不对称性、重复性等性能。对于不同的成品光纤陀螺，其以上三个性能均有所不同。尽管可以通过调制增益反馈的方法对以上三个性能进行优化，但仍存在非线性、不对称性、重复性。针对高精度光纤陀螺，对于其在特定适用范围，特别是温度变化的情况下，其反馈回路增益的非线性、不对称性、 重复性也会发生变化。同时光纤陀螺虽然也会针对以上性能进行测试，但该测试是从整体系统的角度出发，包含了多种因素，不能就反馈回路性能进行描述和评估。

发明内容

针对现有光纤陀螺反馈回路性能测试存在其他干扰因素的问题，并为筛选和提高光纤陀螺反馈回路提供参考，本发明的目的在于提供一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置。

本发明的技术方案是：

一、一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法：

光纤陀螺的主控芯片周期性地对内部Y波导相位调制器进行相位控制，并实时同步采集光纤陀螺中Y波导相位调制器两臂光束的干涉光强数字信号，通过数据处理算法对采集的干涉光强数字信号数据进行处理，获得光纤陀螺反馈回路性能参数。

所述的光纤陀螺的主控芯片周期性地对内部Y波导相位调制器进行相位控制具体采用以下方式：主控芯片经数模转换器输出反馈信号到Y波导相位调制器，主控芯片输出到数模转换器的信号遍历整个数模转换器输出范围进行变化，遍历循环50次以上。具有优选的可以使由0递增到最大值，再递减到0，并重复以上循环50次以上。

所述的数据处理算法是对采集到的干涉光强数字信号I(t)依次进行周期平均、相位解调和线性拟合。利用周期性，对数据信号进行周期平均，利用干涉公式进行对应相位解调，利用光纤陀螺数模转换器输入与相位进行拟合即可获得光纤陀螺反馈回路性能，包括反馈回路增益系数、非线性、不对称性及重复性。

所述的数据处理算法具体如下：

1)采用以下公式进行周期平均，获得光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数I(D)：

式中，I(t)为t时刻采集的干涉光强信号，D为光纤陀螺主控芯片输出数字信号，N为循环次数，D(t)为光纤陀螺主控芯片输出数字信号随时间变化函数，I(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数；

2)根据光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数I(D)采用以 下公式进行相位解调，获得Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)：

式中，I(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数，I₀为零相位差光强信号，Δφ(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号，Δφ_{_}(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片负输出数字量D对应的相位信号，Δφ₊(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片正输出数字量D对应的相位信号，D_max为最大光纤陀螺主控芯片输出数字量；

3)根据Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)进行线性拟合，进而计算获得反馈回路性能参数。

所述步骤3)具体是：先建立以下公式表示的Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)与光纤陀螺主控芯片输出数字信号D之间的线性模型：

Δφ(D)＝K×D+D₀+υ

Δφ_{_}(D)＝K_{_}×D+D_0-+υ_{_}D<D_max/2

Δφ₊(D)＝K₊×D+D₀₊+υ₊D>D_max/2

其中K为反馈调制增益，D₀为输出偏置，υ表示线性残差量，K₊为Δφ₊(D)线性拟合系数，D₀₊为Δφ₊(D)输出偏置，υ₊表示Δφ₊(D)拟合线性残差量，K_{_}为Δφ_{_}(D)线性拟合系数，D_{0_}为Δφ_{_}(D)输出偏置，υ_{_}表示Δφ_-(D)拟合线性残差量。

接着利用最小二乘法进行求解获得反馈调制增益K和输出偏置D₀，利用反馈调制增益K和输出偏置D₀采用以下分别计算获得逐点非线性性能α(D)、不对称性性能K_α和重复性性能K_r：

逐点非线性性能α(D)表示为：

不对称性性能K_α表示为：

重复性性能K_r表示为：

式中，Q为重复测试次数，i为测试序号，范围为1到Q，K_i为第i次测量的反馈调制增益，即为Q次反馈调制增益均值。

二、一种光纤陀螺反馈回路性能测试装置：

所述测试装置连接在光纤陀螺无光纤环部分的两输出端，利用该测试装置对无光纤环的部分光纤陀螺结构进行测试，包括测试耦合器、探测器、模数转换器、数字信号处理芯片和标准信号源，光纤陀螺的Y波导相位调制器的两臂输出端直接连接到测试耦合器的输入端，测试耦合器的输出端与探测器的输入端连接，探测器的输出端和标准信号源一起经开关与模数转换器连接，模数转换器与数字信号处理芯片，数字信号处理芯片与光纤陀螺的主控芯片连接。

所述的Y波导相位调制器的两臂输出端输出光束到测试耦合器形成干涉光强数字信号，依次经探测器采集、模数转换器转换后输入到数字信号处理芯片，模数转换器通过开关控制连接探测器或者标准信号源，标准信号源用以对模数转换器进行标定，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同步采集模数转换器发送过来的信号。

所述的测试装置在测试前利用开关控制模数转换器连接到标准信号源，用标准信号源对模数转换器进行标定。

本发明的有益效果是：

本发明具体是针对无光纤环的部分的反馈回路性能进行测试，能用于光纤陀螺生产过程中阶段性检查以及光纤陀螺标度因数性能提升，方法简单可靠，避免了光纤陀螺标度因数测试过程中光纤环等其他因素对反馈回路的影响，为光纤陀螺标度因数稳定性、非线性、不对称性改进提供方案。

本发明方法为在线测试，可用于光纤陀螺生产过程中阶段性检查以及光纤陀螺标度因数性能提升，方法简单可靠，为光纤陀螺标度因数稳定性、非线性、不对称性、重复性改进提供基础。

附图说明

图1是光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置的结构示意图。

图2是光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置的信号时序图(单个周期)。

图3是光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置的某光纤陀螺反馈回路测试的探测光强信号及时域平均，解调后的相位图。

图4是光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置的某光纤陀螺反馈回路的逐点非线性图

图5是光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置的实施步骤简图。

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：

实施例主要结构分为待测光纤陀螺结构和测试结构，如图1所示。待测光纤陀螺结构为无光纤环的部分闭环光纤陀螺结构，测试装置连接在光纤陀螺无光纤环部分的两输出端。测试装置包括测试耦合器、探测器、模数转换器、数字信号处理芯片(主要包括FPGA、DSP、ARM等)和标准信号源，其中耦合器是实现输出光干涉，探测器用于探测干涉光强，标准信号源是用于模数转换器标定。光纤陀螺的Y波导相位调制器的两臂输出端直接连接到测试耦合器的输入端，测试耦合器的输出端与探测器的输入端连接，探测器的输出端和标准信号源一起经开关与模数转换器连接，模数转换器与数字信号处理芯片，数字信号处理芯片与光纤陀螺的主控芯片连接。

Y波导相位调制器的两臂输出端输出光束到测试耦合器形成干涉光强数字信号，依次经探测器采集、模数转换器转换后输入到数字信号处理芯片，模数转换器通过开关控制连接探测器或者标准信号源，标准信号源用以对模数转换器进行标定，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同步采集模数转换器发送过来的信号。

测试装置在测试前利用开关控制模数转换器连接到标准信号源，用标准信号源对模数转换器进行标定。

实际测试过程中，光纤陀螺主控芯片输出DA信号从0递增到最大值，再递减到0，以12位DA为例，即从000递增到FFF，再递减到000，如图2(A)所示。D/A输出数字量即为：

式中，D(t)即为光纤陀螺主控芯片输出数字信号随时间变化函数。

光纤陀螺结构中Y波导相位调制器两路输出产生的相位如图2(B)所示。测试结构探测到的光强如图2(C)所示，受光纤陀螺增益电路及Y波导各异性影响，其典型光强曲线如图2(C)所示。理想情况下，光纤陀螺结构中Y波导相位调制器两路输出相位随时间线性变化，进而探测到的干涉光强呈现理想的正弦变化。

以上为一个测试周期，为获得更精确的数据，需重复多个周期进行测量，最终获得光强探测信号I(t)。

最终数据经过时域筛选及平均获得以下光强数据：

式中，I(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数，I₀为零相位差光强信号，I_{_}(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片负输出数字信号的平均函数，I₊(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片正输出数字信号的平均函数，D_max为最大光纤陀螺主控芯片输出数字量，D为光纤陀螺主控芯片输出数字信号，N为循环次数。

根据光纤陀螺光强干涉公式可得，Y波导两路相位差为：

式中；Δφ(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号，Δφ_-(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片负输出数字量D对应的相位信号，Δφ₊(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片正输出数字量D对应的相位信号，n₊、n_-由图2(C)可获得，用于修正反余弦函数值域范围限制。

根据已经建立的Δφ(D)、Δφ_{_}(D)、Δφ₊(D)与D的以下线性模型：

Δφ(D)＝K×D+D₀+υ

Δφ_{_}(D)＝K_{_}×D+D_{0_}+υ_{_}D<D_max/2

Δφ₊(D)＝K₊×D+D₀₊+υ₊D>D_max/2

其中K为反馈调制增益，D₀为输出偏置，υ表示线性残差量，K₊为Δφ₊(D)线性拟合系数，D₀₊为Δφ₊(D)输出偏置，υ₊表示Δφ₊(D)拟合线性残差量，K_{_}为Δφ_{_}(D)线性拟合系数，D_0-为Δφ_{_}(D)输出偏置，υ_{_}表示Δφ_-(D)拟合线性残差量。

利用最小二乘法求得K、D₀、K_{_}、D_0-、K₊、D₀₊，再利用拟合直线获得：

实际数据与线性模型逐点非线性偏差为：

反馈回路不对称性可以通过以下公式求得：

式中，K₊为Δφ₊(D)线性拟合系数，K_{_}为Δφ_{_}(D)线性拟合系数。

反馈回路重复性可通过多次实验，利用多次实验结果计算获得，其计算公式如下：

式中，Q为重复测试次数，i为测试序号，范围为1到Q，K_i为第i次测量的反馈调制增益，即为Q次反馈调制增益均值。

以一组仿真数据进行说明，图3中，上下两图分别代表光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数I(D)和Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)，对agnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)进行线性拟合后进行逐点非线性、不对称性的计算，其中逐点非线性可以通过图4表示；不对称性为693ppm。计算过程如下：

利用最小二乘法线性拟合后获得：

K＝0.0016436

D₀＝-3.365542

K_＝0.0016482

D_0-＝-3.368514

K₊＝0.0016494

D₀₊＝-3.385091

利用以上参数可获得：

对于重复性，对于多次重复测量，获得多次线性拟合后的反馈调制增益如下表：

序号	1	2	3	4	5
						反馈调制增益K	0.0016436	0.0016533	0.0016440	0.0016509	0.0016480

根据以上参数，进行如下计算，可得

由上式可得重复性为2.572‰。

在光纤陀螺高精度应用场合，可使用多项式拟合或表格记录，如此可进一步减少光纤陀螺标度因数非线性及不对称性。

在进行测试前，为达到更高精度，需要对测试装置中模数转换器(AD芯片)进行标定，即如图5所示。再完成标定后才进行上述测试。

Claims (8)

1.一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法，其特征在于方法如下：光纤陀螺的主控芯片周期性地对内部Y波导相位调制器进行相位控制，并实时同步采集光纤陀螺中Y波导相位调制器两臂光束的干涉光强数字信号，通过数据处理算法对采集的干涉光强数字信号数据进行处理，获得光纤陀螺反馈回路性能参数。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法，其特征在于：所述的光纤陀螺的主控芯片周期性地对内部Y波导相位调制器进行相位控制具体采用以下方式：主控芯片经数模转换器输出反馈信号到Y波导相位调制器，主控芯片输出到数模转换器的信号遍历整个数模转换器输出范围进行变化，遍历循环50次以上。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺反馈回路性能测试方法，其特征在于：所述的数据处理算法是对采集到的干涉光强数字信号I(t)依次进行周期平均、相位解调和线性拟合。

4.根据权利要求3所述的光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置，其特征在于：所述的数据处理算法具体如下：

1)采用以下公式进行周期平均，获得光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数I(D)：

$\begin{array}{cc}I\left(D\right)=\frac{1}{N}\mathrm{\&Sigma;}I\left(t\right)& D\left(t\right)=D\end{array}$

式中，I(t)为t时刻采集的干涉光强信号，D为光纤陀螺主控芯片输出数字信号，N为循环次数，D(t)为光纤陀螺主控芯片输出数字信号随时间变化函数，I(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数；

2)根据光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数I(D)采用以下公式进行相位解调，获得Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&phi;}\left(D\right)=\arccos \left(\frac{I\left(D\right)-I_0}{I_0}\right)$

$I_0=\frac{max\left(I\right(D\left)\right)-min\left(I\right(D\left)\right)}{2}$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{-}\left(D\right)=\arccos \left(\frac{I\left(D\right)-I_0}{I_0}\right)& D<D_{max}/2\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{+}\left(D\right)=\arccos \left(\frac{I\left(D\right)-I_0}{I_0}\right)& D>D_{max}/2\end{array}$

式中，I(D)为光强信号与光纤陀螺主控芯片输出数字信号的平均函数，I₀为零相位差光强信号，Δφ(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号，Δφ_-(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片负输出数字量D对应的相位信号，Δφ₊(D)为Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片正输出数字量D对应的相位信号，D_max为最大光纤陀螺主控芯片输出数字量；

3)根据Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)进行线性拟合，进而计算获得反馈回路性能参数。

5.根据权利要求4所述的光纤陀螺反馈回路性能测试方法及装置，其特征在于：所述步骤3)具体是：

先建立以下公式表示的Sagnac相位差与光纤陀螺主控芯片输出数字量D对应的相位信号Δφ(D)与光纤陀螺主控芯片输出数字信号D之间的线性模型：

Δφ(D)＝K×D+D₀+υ

Δφ_-(D)＝K_-×D+D₀₊+υ_-D<D_max/2

Δφ₊(D)＝K₊×D+D₀₊+υ₊D>D_max/2

其中，K为反馈调制增益，D₀为输出偏置，υ表示线性残差量，K₊为Δφ₊(D)线性拟合系数，D₀₊为Δφ₊(D)输出偏置，υ₊表示Δφ₊(D)拟合线性残差量，K_-为Δφ_-(D)线性拟合系数，D_0-为Δφ_-(D)输出偏置，υ_-表示Δφ_-(D)拟合线性残差量；

接着利用最小二乘法进行求解获得反馈调制增益K和输出偏置D₀，利用反馈调制增益K和输出偏置D₀采用以下分别计算获得逐点非线性性能α(D)、不对称性性能K_α和重复性性能K_r：

逐点非线性性能α(D)表示为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(D\right)=\frac{K\&times;D+D_0-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&phi;}\left(D\right)}{max\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&phi;}\right(D\left)\right)}$

不对称性性能K_α表示为：

$K_{\mathrm{\&alpha;}}=2\frac{\left|K_{+}-K_{-}\right|}{K_{+}+K_{-}}$

重复性性能K_r表示为：

$K_r=\frac{1}{\stackrel{\&OverBar;}{K}}{\&lsqb;\frac{1}{Q-1}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(K_i-\stackrel{\&OverBar;}{K})}^2\&rsqb;}^{\frac{1}{2}}$

$\stackrel{\&OverBar;}{K}=\frac{1}{Q}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_i$

式中，Q为重复测试次数，i为测试序号，范围为1到Q，K_i为第i次测量的反馈调制增益，即为Q次反馈调制增益均值。

6.用于实施权利要求1-5任一所述方法的一种光纤陀螺反馈回路性能测试装置，其特征在于：所述测试装置连接在光纤陀螺无光纤环部分的两输出端，包括测试耦合器、探测器、模数转换器、数字信号处理芯片和标准信号源，光纤陀螺的Y波导相位调制器的两臂输出端直接连接到测试耦合器的输入端，测试耦合器的输出端与探测器的输入端连接，探测器的输出端和标准信号源一起经开关与模数转换器连接，模数转换器与数字信号处理芯片，数字信号处理芯片与光纤陀螺的主控芯片连接。

7.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺反馈回路性能测试装置，其特征在于：所述的Y波导相位调制器的两臂输出端输出光束到测试耦合器形成干涉光强数字信号，依次经探测器采集、模数转换器转换后输入到数字信号处理芯片，模数转换器通过开关控制连接探测器或者标准信号源，标准信号源用以对模数转换器进行标定，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同步采集模数转换器发送过来的信号。

8.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺反馈回路性能测试装置，其特征在于：所述的测试装置在测试前利用开关控制模数转换器连接到标准信号源，用标准信号源对模数转换器进行标定。