CN107014367B - 一种优化光纤陀螺动态性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化光纤陀螺动态性能的方法，包括依次连接sagnac效应、光电转换、滤波放大、AD转换、余弦响应偏置调制与解调、一次积分数字存储、数字截取以及依次连接二次积分、D/A转换、功率放大、功率放大、相位调制和线圈延迟，其处理步骤为：建立陀螺简化闭环模型；建立陀螺精确闭环模型；确定陀螺稳定及超调条件；为光纤陀螺选取闭环参数并通过仿真预估陀螺动态性能。本发明设计合理，其通过精确闭环模型可以实现陀螺在振动过程中零偏效应的预估，并为优化陀螺闭环参数提供参考，提高光纤陀螺动态性能。

Description

一种优化光纤陀螺动态性能的方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其是一种优化光纤陀螺动态性能的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的全固态惯性仪表，具有成本低、寿命长、动态范围大和可靠性高等优点，已被广泛的应用于军用及民用领域。当光纤陀螺在振动过程中(无论是随机还是扫频)陀螺的零偏(均值)发生微小偏移，严重降低光纤陀螺的精度。原因是因为光纤陀螺回路中存在延迟、超调等，反馈信号总是滞后Sagnac相位。当由于加速或减速，角速率发生变化时，反馈相位总是试图跟上实际反馈相位，存在一个瞬时残余误差信号。这个残余误差信号在高频振动下变得很大。在偏置相位处于过调制状态下，“残余瞬时信号”很大时，正、负解调周期的采样值将不对称(符号相反，幅值不同)，使光纤陀螺的解调环节具有与正弦输入同频的可变增益系数，正弦瞬态误差信号与同频的传函可变增益系数相乘，产生振动零偏效应。

光纤陀螺不仅可以用于测量角速率，还可以用于测量旋转角位移，因此，要求光纤陀螺在整个动态范围内都具有良好的精度。对于同样的标度误差，大输入角速率下，测量误差更大，因此，必须在整个动态范围内有一个精确而稳定的线性标度因数，实现这一标度因数的方法是采用闭环检测方案。在光纤陀螺简化闭环模型中，由于解调模块被简化成了一个增益固定的环节，因此，这一过程无法体现出来。传统的简化模型无法解释陀螺在振动过程中出现的陀螺零偏效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够有效提高光纤陀螺的精度和环境适应性的优化光纤陀螺动态性能的方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种优化光纤陀螺动态性能的方法，光纤陀螺闭环模型包括依次连接的前向通道环节：sagnac效应、光电转换、滤波放大、AD转换、余弦响应偏置调制与解调、一次积分数字存储、数字截取以及依次连接的后向通道环节：二次积分、D/A转换、功率放大、相位调制和线圈延迟，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立陀螺简化闭环模型，该陀螺简化闭环模型计算闭环传递函数在Z域的表达式为：

其中，g为前向通道增益；h为后向通道增益；τ为光在环圈中的传播时间；每延迟一个τ的时间，Z域表达为z^-1；p为前向通道线路与程序的总的延迟时间除以τ的值；q为后向通道线路与程序的总的延迟时间除以τ的值；

陀螺简化闭环模型中的余弦响应偏置调制与解调环节为：

I₀为探测器接收到无偏置调制时的光功率；φ_b为调制相位；

步骤2、建立陀螺精确闭环模型，该精确闭环模型中的余弦响应偏置调制与解调环节为：

I₀为探测器接收到无偏置调制时的光功率；φ(t)和φ(t-τ)分别为当前陀螺敏感到的相位和一个τ之前敏感到的相位；φ_b为调制相位；

步骤3、确定陀螺稳定及超调条件，其中确定陀螺稳定的方法为：针对不同的M值求解z^M·(z-1)+g·h＝0，使得|z|＜1的g·h值的范围即为满足系统稳定的增益约束条件，运用MATLAB计算出不同延迟指数M下，保证陀螺闭环系统稳定的回路增益的最大值，画出光纤闭环回路稳定区域与回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线；确定超调条件的方法为：运用MATLAB仿真精确闭环模型绘制不同延迟时间下不同增益的幅频特性曲线，画出确保闭环传递函数幅频特性曲线不出尖峰的回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线；

步骤4、为光纤陀螺选取闭环参数并通过仿真预估陀螺动态性能，具体方法为：分析不同类型陀螺的相应闭环回路的延迟时间，将具体延迟时间带入到精确闭环模型中，确定其既满足稳定条件又不出现超调现象的闭环增益的范围，根据陀螺实际振动输出要求选择合适的增益。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明针对光纤陀螺通过建立简化的闭环模型，并在简化模型的基础上建立精确闭环模型，根据精确模型判断陀螺稳定工作条件、绘制幅频特性及相频特性曲线；同时，利用精确模型对陀螺进行动态仿真预估陀螺在不同闭环参数下动态性能，最终为陀螺设计参数的选择提供依据，通过调整陀螺闭环参数优化陀螺动态性能。

2、本发明通过精确闭环模型可以实现陀螺在振动过程中零偏效应的预估，并为优化陀螺闭环参数提供参考，提高光纤陀螺动态性能，并达到对陀螺的动态性能进行准确预判。

附图说明

图1是光纤陀螺简化闭环模型示意图；

图2是光纤陀螺简化模型中的解调环节原理图；

图3是光纤陀螺精确模型中的解调环节原理图；

图4是光纤陀螺精确闭环模型示意图；

图5是针对不同延迟时间M下陀螺输出稳定的增益范围示意图；

图6是闭环模型幅频特性曲线出现超调量示意图；

图7是针对不同延迟时间M下陀螺输出稳定条件及超调条件示意图；

图8是陀螺在不同频率的动态输入下输出情况仿真示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种优化光纤陀螺动态性能的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立陀螺简化闭环模型。

图1给出了闭环模型各环节数学表达式。前向通道用G表示，各环节用G₀、G₁……G₆表示，后向通道用H表示，各环节为H₁、H₂……H₅。其中，前向通道的各个环节依次为：sagnac效应(G₀)、光电转换(G₁)、滤波放大(G₂)、AD转换(G₃)、余弦响应偏置调制与解调(G₄)、一次积分数字存储(G₅)和数字截取(G₆)；后向通道的各个环节依次为：二次积分(H₁)、D/A转换(H₂)、功率放大(H₃)、相位调制(H₄)和线圈延迟(H₅)。

计算闭环传递函数为：

将公式(1)化简为：

其中，

g为前向通道增益；

h为后向通道增益。如果考虑到前向通道和反馈通道的其它附加延迟，式(2)可以写成：

其中(p+2)·τ表示前向通道的时间延迟，q·τ表示反馈通道的时间延迟，τ为光在环圈中的传播时间。

步骤2、建立精确闭环模型。

当输入信号φ为一个快速变化的信号时，闭环系统存在一定的反馈延迟，此时解调环节不能简单的看做

如图2所示。为了利用闭环模型在仿真中重现陀螺在振动实验中出现的零偏效应，需要重新考虑闭环模型G₄环节即余弦响应偏置调制与解调环节，该环节精确表示为

如图3所示。此时精确闭环模型如图4所示。

步骤3、确定陀螺稳定及超调条件。

根据步骤1中公式(1)，Z域的特征方程为：

z-1+g·h·z^-(p+q+2)＝0 (4)

令p+q+2＝M，则式(4)变为：

z^M·(z-1)+g·h＝0 (5)

根据稳定性判据：|z|＜1，则系统一定是稳定的。因而针对不同的M值求解式(5)，使得|z|＜1的g·h值的范围即为满足系统稳定的增益约束条件。运用MATLAB计算出不同延迟指数M下，保证陀螺闭环系统稳定的回路增益的最大值，画出光纤闭环回路稳定区域与回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线，如图5所示。

在动态输入条件下，回路跟踪误差大固然是振动过程中陀螺产生零偏的主因，但陀螺回路参数设计不合理，造成闭环传递函数幅频特性存在超调，通常会对振动零偏效应起推波助澜(或放大)作用。因此需要确定陀螺幅频特性曲线(如图6)超调条件，避免超调。运用MATLAB仿真精确闭环模型绘制不同延迟时间下不同增益的幅频特性曲线，画出确保闭环传递函数幅频特性曲线不出尖峰的回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线，如图7所示。

步骤4、在限制范围内为光纤陀螺选取合适的闭环参数并通过仿真预估陀螺动态性能。

针对不同类型陀螺，分析其相应的闭环回路的延迟时间，将具体延迟时间带入到精确闭环模型中，确定其既满足稳定条件又不出现超调现象的闭环增益的范围。以某型陀螺参数为例，其闭环增益符合限制条件的最大值为g·h＝0.256，分别将该陀螺闭环增益设为g·h,g·h/2,g·h/4,g·h/8带入到精确闭环模型中仿真陀螺在不同频率的动态输入下输出情况，绘制图形如图8所示。根据陀螺实际振动输出要求选择合适的增益。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种优化光纤陀螺动态性能的方法，光纤陀螺闭环模型包括依次连接的前向通道环节：sagnac效应、光电转换、滤波放大、AD转换、余弦响应偏置调制与解调、一次积分数字存储、数字截取以及依次连接的后向通道环节：二次积分、D/A转换、功率放大、相位调制和线圈延迟，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立陀螺简化闭环模型，该陀螺简化闭环模型计算闭环传递函数在Z域的表达式为：

其中，g为前向通道增益；h为后向通道增益；τ为光在环圈中的传播时间；每延迟一个τ的时间，Z域表达为z^-1；p为前向通道线路与程序的总的延迟时间除以τ的值；q为后向通道线路与程序的总的延迟时间除以τ的值；

陀螺简化闭环模型中的余弦响应偏置调制与解调环节为：

I₀为探测器接收到无偏置调制时的光功率；φ_b为调制相位；

步骤2、建立陀螺精确闭环模型，该精确闭环模型中的余弦响应偏置调制与解调环节为：

I₀为探测器接收到无偏置调制时的光功率；φ(t)和φ(t-τ)分别为当前陀螺敏感到的相位和一个τ之前敏感到的相位；φ_b为调制相位；

步骤3、确定陀螺稳定及超调条件，其中确定陀螺稳定的方法为：针对不同的M值求解z^M·(z-1)+g·h＝0，使得|z|＜1的g·h值的范围即为满足系统稳定的增益约束条件，运用MATLAB计算出不同延迟指数M下，保证陀螺闭环系统稳定的回路增益的最大值，画出光纤闭环回路稳定区域与回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线；确定超调条件的方法为：运用MATLAB仿真精确闭环模型绘制不同延迟时间下不同增益的幅频特性曲线，画出确保闭环传递函数幅频特性曲线不出尖峰的回路总增益g·h和回路延迟指数M的关系曲线；

步骤4、为光纤陀螺选取闭环参数并通过仿真预估陀螺动态性能，具体方法为：分析不同类型陀螺的相应闭环回路的延迟时间，将具体延迟时间带入到精确闭环模型中，确定其既满足稳定条件又不出现超调现象的闭环增益的范围，根据陀螺实际振动输出要求选择合适的增益。

Images