CN107328403A - 一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路及电路的控制方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案提供了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，反相器的输入端为解调积分电路的输入端，第一开关SW1连接在反相器的输入端及积分器的输入端之间，且积分器的输入端还与反相器的输出端连接，第二开关SW2连接在反相器的输出端及积分器的输入端之间，积分器的输出端与采样器的输入端连接，采样器的输出端作为解调积分电路的输出端，采样器包括第三开关，开关控制器分别控制第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。实现了光纤陀螺仪的角速率信号解调积分，与现有技术相比，减小了光纤陀螺仪电路部分的体积、降低了电路部分的成本且避免了原始数据的丢失。

Description

一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路及电路的控制方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体地说，涉及一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路及电路的控制方法。

背景技术

光纤陀螺是一种利用Sagnac效应敏感旋转角或旋转角速率的新型全固态惯性仪表，具有全固态、成本低、小型化、寿命长、动态范围大、精度覆盖面广、结构设计灵活、生产工艺简单等诸多优势，广泛应用于航空、航天、航海、地面武器系统和工业领域，是目前应用范围最为广泛的新型陀螺仪之一。光纤陀螺仪光路和电路两个部分组成。光路主要由光源、Y波导、探测器构成Sagnac干涉仪，电路部分实现干涉仪信号提取、角速率信号解调与积分、调制信号产生和阶梯波闭环反馈等功能。干涉仪信号提取及角速率信号解调积分直接影响光纤陀螺精度，是光纤陀螺电路系统关键技术之一。

干涉仪角速率信号解调通常的方法是采用高速AD转换器，在脉冲发生器的控制下，分别在两个调制态持续期间进行多次采样，将采样数据平均后求差得到角速率解调信号，但是，AD采样的离散特性意味着原始信息的大量丢失；为了实现闭环比例-积分控制，通常还需要进行信号累加实现角速率积分，这就需要再为AD转换器专用配置用于积分的数字处理系统，且为了获得尽可能多的采样点，AD转换器的采样率通常高达几十MHz，模拟带宽上百MHz，这样的高精度高速AD转换器价格昂贵，大量的数据需要在极短的时间内进行处理和计算，数字处理系统通常必须配置FPGA或DSP等器件，这导致了光纤陀螺仪电路部分体积大、成本高。

因此，如何减小光纤陀螺仪电路部分的体积、降低电路部分的成本以及避免原始数据的丢失，成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，实现了光纤陀螺仪的角速率信号解调积分，与现有技术相比，减小了光纤陀螺仪电路部分的体积、降低了电路部分的成本且避免了原始数据的丢失。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，所述解调积分电路处于光纤陀螺仪的电路部分，其特征在于，所述解调积分电路包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，所述反相器的输入端为所述解调积分电路的输入端，所述第一开关SW1连接在所述反相器的输入端及所述积分器的输入端之间，且所述积分器的输入端还与所述反相器的输出端连接，所述第二开关SW2连接在所述反相器的输出端及所述积分器的输入端之间，所述积分器的输出端与采样器的输入端连接，所述采样器的输出端作为所述解调积分电路的输出端，所述采样器包括第三开关，开关控制器分别控制所述第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。

优选地，所述第一开关SW1、所述第二开关SW2及所述第三开关为模拟开关。

优选地，所述开关控制器为脉冲发生器。

优选地，所述反相器包括第一运算放大器OP1、电阻R1、R2及R3，其中所述电阻R1一端作为所述解调积分电路的输入端，另一端连接所述第一运算放大器OP1反相输入端，所述电阻R2一端连接所述第一运算放大器OP1反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器OP1输出端，所述电阻R3一端接地，另一端连接所述第一运算放大器OP1正相输入端，所述第一运算放大器OP1输出端作为所述反相器的输出端。

优选地，所述积分器包括第二运算放大器OP2、电阻R4及电容C1，其中所述电阻R4一端与所述第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端作为所述积分器的输入端，电容C1一端与所述第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端与所述第二运算放大器OP2的输出端连接，所述第二运算放大器OP2的输出端作为所述积分器的输出端，所述第二运算放大器OP2的正相输入端接地。

一种光纤陀螺仪，包括上述技术方案中所述的解调积分电路。

一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路的控制方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的解调积分电路，包括：在调制时间内时，所述开关控制器控制所述第一开关SW1导通，第二开关SW2及第三开关断开，所述积分器积分输入所述解调积分电路的电信号，生成正相积分电压；在调制时间内，所述开关控制器控制所述第二开关SW2导通，第二开关SW1及第三开关SW3断开，所述反相器反相输入所述解调积分电路的电信号生成反相电信号，所述积分器积分所述反相电信号生成反相积分电压；在一个调制周期结束时，所述开关控制器控制所述第三开关导通，所述第一开关SW1及所述第二开关SW2断开，所述采样器采集所述积分器基于所述正相积分电压及所述反相积分电压生成的完整积分电压。

优选地，在调制状态由向转换和由向转换的时间点之前及之后的预设时间段t内，所述开关控制器控制所述第一开关SW1及所述第二开关SW2断开。

综上所述，本技术方案提供了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，解调积分电路处于光纤陀螺仪的电路部分，其特征在于，解调积分电路包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，反相器的输入端为解调积分电路的输入端，第一开关SW1连接在反相器的输入端及积分器的输入端之间，且积分器的输入端还与反相器的输出端连接，第二开关SW2连接在反相器的输出端及积分器的输入端之间，积分器的输出端与采样器的输入端连接，采样器的输出端作为解调积分电路的输出端，采样器包括第三开关，开关控制器分别控制第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。实现了光纤陀螺仪的角速率信号解调积分，与现有技术相比，减小了光纤陀螺仪电路部分的体积、降低了电路部分的成本且避免了原始数据的丢失。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路的电路图；

图2为本发明公开的一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路的角速率解调积分时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1及图2所示，本技术方案提供了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，解调积分电路处于光纤陀螺仪的电路部分，其特征在于，解调积分电路包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，反相器的输入端为解调积分电路的输入端，第一开关SW1连接在反相器的输入端及积分器的输入端之间，且积分器的输入端还与反相器的输出端连接，第二开关SW2连接在反相器的输出端及积分器的输入端之间，积分器的输出端与采样器的输入端连接，采样器的输出端作为解调积分电路的输出端，采样器包括第三开关，开关控制器分别控制第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。实现了光纤陀螺仪的角速率信号解调积分，与现有技术相比，减小了光纤陀螺仪电路部分的体积、降低了电路部分的成本且避免了原始数据的丢失。

本发明用于光纤陀螺仪角速率的解调和积分，光电探测器的电信号经过跨阻放大器后输入本发明公开的光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，光电探测器处于干涉仪中。在本电路中，反相器用于反相干涉仪处于调制状态时输入的电信号；积分器用于积分干涉仪处于调制状态时输入的电信号，积分器还用于积分反相器输出的电信号；第一开关SW1控制输入解调积分电路的电信号是否输入积分器；第二开关SW2用于控制反相器输出端与积分器输入端导通或断开；第三开关用于控制采集器的输入端与积分器的输出端导通或断开；采集器用于采集积分器输出的积分电压，采样器为AD采样器；开关控制器用于控制第一开关SW1在干涉仪处于调制状态时导通，还用于控制第二开关SW2在干涉仪处于调制状态时导通，还用于控制第三开关在一个调制周期完成时导通。在本发明中，干涉仪由调制状态的开始时间到变化至调制状态的结束时间的时长为一个调制周期，一个调制周期完成的时间点即是调制状态结束的时间点。

在本技术方案中，避免了现有技术使用高速AD转换器的过程中，需要在脉冲发生器的控制下，分别在两个调制态持续期间进行多次采样，将采样数据平均后求差得到角速率解调信号，因此避免了高精度高速AD转换器的使用，同时本电路还可实现角速率积分，不用使用专用的数字处理系统来进行积分，极大地降低了光纤陀螺仪电路部分的体积以及成本，同时，因为本电路可采集整个调制状态的电信号，因此，避免了因使用AD转换器造成的原始数据的丢失，输出的结果的精度更高，进而提高了光纤陀螺仪的精度。

综上所述，本技术方案提供了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，解调积分电路处于光纤陀螺仪的电路部分，其特征在于，解调积分电路包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，反相器的输入端为解调积分电路的输入端，第一开关SW1连接在反相器的输入端及积分器的输入端之间，且积分器的输入端还与反相器的输出端连接，第二开关SW2连接在反相器的输出端及积分器的输入端之间，积分器的输出端与采样器的输入端连接，采样器的输出端作为解调积分电路的输出端，采样器包括第三开关，开关控制器分别控制第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。实现了光纤陀螺仪的角速率信号解调积分，与现有技术相比，减小了光纤陀螺仪电路部分的体积、降低了电路部分的成本且避免了原始数据的丢失。

为进一步优化上述技术方案，第一开关SW1及第二开关SW2为模拟开关，具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，且相对于数字开关而言，模拟开关的价格更低，因此可以进一步降低管线陀螺仪电路部分的成本。采样器内的开关也可以为模拟开关。

为进一步优化上述技术方案，开关控制器为脉冲发生器，脉冲发生器用于实现对模拟开关的控制。

在上述技术方案中，反相器包括第一运算放大器OP1、电阻R1、R2及R3，其中电阻R1一端作为解调积分电路的输入端，另一端连接第一运算放大器OP1反相输入端，电阻R2一端连接第一运算放大器OP1反相输入端，另一端连接第一运算放大器OP1输出端，电阻R3一端接地，另一端连接第一运算放大器OP1正相输入端，第一运算放大器OP1输出端作为反相器的输出端。

在上述技术方案中，积分器包括第二运算放大器OP2、电阻R4及电容C1，其中电阻R4一端与第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端作为积分器的输入端，电容C1一端与第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端与第二运算放大器OP2的输出端连接，第二运算放大器OP2的输出端作为积分器的输出端，第二运算放大器OP2的正相输入端接地。

本技术方案还公开了一种光纤陀螺仪，包括上述技术方案公开的光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，本技术方案公开的光纤陀螺仪也具有，电路部分体积小、制造成本低及精度高的特点。

本技术方案还公开了一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路的控制方法，适用于上述技术方案中公开的光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，包括：

在调制时间内时，开关控制器控制第一开关SW1导通，第二开关SW2及第三开关断开，积分器积分输入解调积分电路的电信号，生成正相积分电压；

干涉仪在调制状态下，光电探测器探测电流表达式为式(1)，光电探测器信号经过跨阻放大器后的输出电压为式(2)

式中I₀为最大干涉时的光电流，K为跨阻放大系数，V₀为跨阻放大器输出偏置电压，Δφ为光纤陀螺旋转角速率。

在调制状态内，光电探测器输出电压表达式为式(3)。

在此期间，脉冲发生器SP1端口送出高电平1，模拟开关SW1导通，运算放大器OP2、电阻R4、电容C1构成的积分器对探测器输出信号进行积分，经过时间τ后积分器的输出电压(正相积分电压)为式(4)

其中一个完整的调制周期为2τ，一个调制周期为τ。

在调制时间内，开关控制器控制第二开关SW2导通，第二开关SW1及第三开关SW3断开，反相器反相输入解调积分电路的电信号生成反相电信号，积分器积分反相电信号生成反相积分电压；

在调制时间内，光电探测器输出电压表达式为式(5)

该信号在运算放大器OP1、电阻R1、R2、R3构成的反相放大器后反相，生成反相电信号，脉冲发生器SP2端口送出高电平，模拟开关SW2导通，积分器在τ～2τ期间对该信号的积分输出电压(反相积分电压)为式(6)

在一个调制周期结束时，开关控制器控制第三开关导通，第一开关SW1及第二开关SW2断开，采样器采集积分器基于正相积分电压及反相积分电压生成的完整积分电压；

在0时刻为初始时刻情况下，0时刻即是干涉仪第一次处于调制状态的开始时间点，在0～2τ期间实现一个完整的调制(经过一个完整的调制周期)，在2τ时刻点，即一个完成的调制周期完成的时间点，积分器输出电压(完整积分电压)为式(7)

脉冲发生器SP3输出端在2τ时刻输出高电平脉冲给采样器，对此时刻的瞬态电压进行采样，即可得到V_s。在后续周期中，积分器输出电压将在前一周期电压基础上继续积分累加，在任意n周期时刻，积分器输出电压(完整积分电压)为：

根据光纤陀螺仪的控制原理，在闭环反馈状态下Δφ趋近于0，sin(Δφ)＝Δφ，(7)、(8)式表明积分器输出电压与角速率Δφ成比例，实现了角速率解调和积分。

式(8)中不包含跨阻放大器输出偏置电压V₀，表明该电路通过正、反相积分消除了探测器偏置电压的影响，与现有技术相比，可以减少专用用于去除偏置电压V₀的电路，降低了光纤陀螺仪的电路部分的制造成本。

为进一步优化上述技术方案，在调制状态由向转换和由向转换的时间点之前及之后的预设时间段t内，开关控制器控制第一开关SW1及第二开关SW2断开；

如图2所示，在调制状态的转换时刻，由于电路上升/下降等延迟作用的存在，光电探测器检测并输出的信号会出现毛刺，毛刺会对积分的结果产生影响，最终影响光纤陀螺仪的精度，为消除毛刺的影响，在调制状态转换的时间点之前及之后的一个预设时间段t内，脉冲发生器的SP1输出端和SP2输出端控制第一开关SW1及SW2保持断开状态，不积分光电探测器输出的毛刺区域内的信号，积分器输入悬空，其输出电压保持不变。这一过程等效于积分时间τ用τ-t代替，不影响解调和积分的正确性。其中t为固定值，t的长度大于一个毛刺区域的时间长度，t一般小于0.1τ。因此，在本发明中，不需要专用的消除毛刺的电路，进一步降低了光纤陀螺仪的电路部分的制造成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路，所述解调积分电路处于光纤陀螺仪的电路部分，其特征在于，所述解调积分电路包括反相器、积分器、采样器、第一开关SW1、第二开关SW2及开关控制器，所述反相器的输入端为所述解调积分电路的输入端，所述第一开关SW1连接在所述反相器的输入端及所述积分器的输入端之间，且所述积分器的输入端还与所述反相器的输出端连接，所述第二开关SW2连接在所述反相器的输出端及所述积分器的输入端之间，所述积分器的输出端与采样器的输入端连接，所述采样器的输出端作为所述解调积分电路的输出端，所述采样器包括第三开关，开关控制器分别控制所述第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关的导通或断开。

2.如权利要求1所述的解调积分电路，其特征在于，所述第一开关SW1、所述第二开关SW2及所述第三开关为模拟开关。

3.如权利要求2所述的解调积分电路，其特征在于，所述开关控制器为脉冲发生器。

4.如权利要求1所述的解调积分电路，其特征在于，所述反相器包括第一运算放大器OP1、电阻R1、R2及R3，其中所述电阻R1一端作为所述解调积分电路的输入端，另一端连接所述第一运算放大器OP1反相输入端，所述电阻R2一端连接所述第一运算放大器OP1反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器OP1输出端，所述电阻R3一端接地，另一端连接所述第一运算放大器OP1正相输入端，所述第一运算放大器OP1输出端作为所述反相器的输出端。

5.如权利要求1所述的解调积分电路，其特征在于，所述积分器包括第二运算放大器OP2、电阻R4及电容C1，其中所述电阻R4一端与所述第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端作为所述积分器的输入端，电容C1一端与所述第二运算放大器OP2的反相输入端连接，另一端与所述第二运算放大器OP2的输出端连接，所述第二运算放大器OP2的输出端作为所述积分器的输出端，所述第二运算放大器OP2的正相输入端接地。

6.一种光纤陀螺仪，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的解调积分电路。

7.一种光纤陀螺仪角速率的解调积分电路的控制方法，其特征在于，适用于如权利要求1至5任一项所述的解调积分电路，包括：在调制时间内时，所述开关控制器控制所述第一开关SW1导通，第二开关SW2及第三开关断开，所述积分器积分输入所述解调积分电路的电信号，生成正相积分电压；在调制时间内，所述开关控制器控制所述第二开关SW2导通，第二开关SW1及第三开关SW3断开，所述反相器反相输入所述解调积分电路的电信号生成反相电信号，所述积分器积分所述反相电信号生成反相积分电压；在一个调制周期结束时，所述开关控制器控制所述第三开关导通，所述第一开关SW1及所述第二开关SW2断开，所述采样器采集所述积分器基于所述正相积分电压及所述反相积分电压生成的完整积分电压。

8.如权利要求5所述的解调积分电路的控制方法，其特征在于，在调制状态由向转换和由向转换的时间点之前及之后的预设时间段t内，所述开关控制器控制所述第一开关SW1及所述第二开关SW2断开。