CN109827560A

CN109827560A - 一种消除光纤陀螺死区的系统

Info

Publication number: CN109827560A
Application number: CN201811377874.3A
Authority: CN
Inventors: 李妍
Original assignee: Beijing Institute of Computer Technology and Applications
Current assignee: Beijing Institute of Computer Technology and Applications
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明涉及一种消除光纤陀螺死区的系统，其中，包括：信号检测电路的一输出连接Y波导，另一输出作为陀螺输出信号；信号检测电路包括：前置放大器、A/D电路、FPGA，D/A电路以及后置放大器；后置放大器输出给前置放大器以及Y波导；FPGA输出陀螺输出信号，并输出反馈信号给D/A电路；FPGA在闭环过程中加入补偿相移引入的补偿相移需大于串扰引起的等效相移的峰峰值，并且使补偿相移不会对陀螺带来附加的输出。本发明解决了由于信号检测电路板死区带来的光纤陀螺一次成品率问题。

Description

一种消除光纤陀螺死区的系统

技术领域

本发明涉及一种消除光纤陀螺死区的系统，具体涉及一种消除干涉式闭环光纤陀螺死区的系统。

背景技术

光纤陀螺是惯性技术的一种重要元件。光纤陀螺与传统的机械陀螺相比，无高速转动的机械转子，对加速度不敏感，具有体积小、功耗低、寿命长的优点，自问世以来受到广泛重视，在航空、航天、舰船控制及导航等领域中具有广泛的应用前景。近年来，光纤陀螺在一些大学、研究所和公司中迅速的开展研制，随着研究的不断深入，对光纤陀螺的精度及稳定性的要求也随之提高。

闭环光纤陀螺具有动态范围大、标度因数稳定性好等优点，改善了光纤陀螺的整体性能。在光纤陀螺测试过程中，有时存在陀螺对小角速率输入不敏感现象，陀螺输出为零值，陀螺的标度因数非线性放大，这种现象称为光纤陀螺的死区现象。在闭环光纤陀螺中,由于相位调制信号常采用方波信号，其幅值量级为伏级，而探测信号可小至微伏量级。幅值较大的调制信号可能交叉耦合进微弱的探测器信号中, 这种电子串扰交叉耦合是造成闭环光纤陀螺死区主要原因之一。因此，信号检测电路板的电子串扰交叉耦合造成的死区现象直接影响光纤陀螺的死区。目前大多数研究和应用中，完成光纤陀螺整机装配和调试后，在测试死区指标过程中，发现死区指标不达标，再对陀螺进行返修。光纤陀螺仪的正规生产和测试，是一个时间长，工作量大，人力、财力和物力消耗多，成本高的工作，对于测试中不合格的光纤陀螺，返修是一件工作量大而复杂的工作更换检测电路板浪费了大量的成本，重复测试影响了生产进度也提高了成本，大大降低了光纤陀螺的生产效率。

目前国内很少涉及光纤陀螺检测电路板死区性能的检测的研究，对于光纤陀螺死区的减少的研究也限于通过结构屏蔽的方式来降低检测电路板上的交叉串扰对陀螺死区的影响，并且都是通过对陀螺整机的测试来判断死区指标是否能达标，依然存在较大的返修风险。例如中国发明专利200810246755.4，提出一种消除死区的光纤陀螺，将数模转换器、放大器和Y波导集成光学器件采用金属盒包裹在一起，形成电磁屏蔽，以减小交叉串扰带来的影响。但依然不能保证陀螺整机装配后进行测试时死区指标完全达标，依然存在较大的返修风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除光纤陀螺死区的系统，用以解决光纤陀螺检测电路板的交叉串扰引起的死区导致光纤陀螺整机死区指标不达标的问题，

本发明一种消除光纤陀螺死区的系统，其中，包括：光源、光纤环、光纤耦合器、Y波导、光电探测器和信号检测电路；光源连接光纤耦合器，光纤耦合器连接探测器，光纤耦合器连接Y波导，Y波导连接光纤环，探测器连接信号检测电路的输入，信号检测电路的一输出连接Y波导，另一输出作为陀螺输出信号；信号检测电路包括：前置放大器、A/D电路、FPGA，D/A电路以及后置放大器；后置放大器输出给前置放大器以及Y波导；FPGA输出陀螺输出信号，并输出反馈信号给D/A电路；FPGA在闭环过程中加入补偿相移引入的补偿相移需大于串扰引起的等效相移的峰峰值，并且使补偿相移不会对陀螺带来附加的输出。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，使补偿相移满足且φ_db为Y波导输出相位驱动信号与光电探测器之间电子串扰引起的等效相移，Δφ_s为输入角速度引起的Sagnac相位差。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，探测器的输出信号中的干扰被A/D转换器作为有用信号采样，闭环主回路解调输出d(t)为：其中，为输入角速度引起的Sagnac相位差；为闭环反馈相位差，用于抵消 Sagnac相移；为Y波导输出相位驱动信号V(t)与光电探测器之间电子串扰引起的等效相移，是需要测量的真实角速度输入信号，与和形成闭环控制，在闭环过程中，当耦合到解调回路中，反馈补偿相移不再只跟踪Sagnac相移而是跟踪Sagnac相移被串扰产生的相移所抵消后的相移，于是有该数值经D/A转换器后为阶梯波台阶高度；当串扰产生的等效相移抵消了Sagnac相移时，陀螺输出解调值d(t)≈0，陀螺进入死区，无法敏感输入角速度，当输入角速度很小，Sagnac相移小于串扰引起的等效相移时，阶梯波将无法正常复位并产生振荡，陀螺输出与阶梯波相位台阶相对应，求其平均值，结果为零，陀螺进入死区。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，当 FPGA产生的伪随机码为1时，使引入到反馈通道的补偿数字量为+N，当FPGA产生的伪随机码为0时，使引入到反馈通道的补偿数字量为 -N。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，N小于20。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，+N 与-N出现的概率相等，平均值为0。

根据本发明的消除光纤陀螺死区的系统的一实施例，其中，M序列用关系描述，其中i＝p+1,p+2,…，系数a₁,a₂,…,a_p-1取值为0或1；表示模2运算，系数a₁,a₂,…,a_p-1决定反馈通道的选择。x_i-1,x_i-2,…,x_i-p经各自反馈通道进行模和运算后反馈至x_i，选择反馈通道，在移位控制信号作用下，移位寄存器的任一级输出均为M序列。

本发明解决了由于信号检测电路板死区带来的光纤陀螺一次成品率问题。保证光纤陀螺死区指标达标的同时，提高了光纤陀螺一次成品率，节省了资源，降低了成本，利于批量生产。

附图说明

图1所示光纤陀螺电路交叉串扰结构示意图；

图2所示数字闭环光纤陀螺信号处理方案框图；

图3所示为M序列在FPGA中利用反馈移位寄存器实现的结构图；

图4(a)所示为补偿前陀螺输出示意图；

图4(b)所示为补偿后陀螺输出示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示光纤陀螺电路交叉串扰结构示意图，如图1所示，光纤陀螺的组成主要包括光源1、光纤环4、光纤耦合器2、Y波导3、光电探测器5和信号检测电路12。光源1连接光纤耦合器2，光纤耦合器2连接探测器5，光纤耦合器2连接Y波导3。Y波导3连接光纤环4。探测器5 连接信号检测电路12的输入。信号检测电路的一输出连接Y波导，另一输出作为陀螺输出信号。

如图1所示，信号检测电路12包括：前置放大器6、A/D电路7、 FPGA8，D/A9，以及后置放大器10。后置放大器10输出给前置放大器6以及Y波导3。FPGA8输出陀螺输出信号，并输出反馈信号给D/A9。

如图1所示，光纤陀螺产生死区的主要原因来自于信号检测电路 12的串扰交叉耦合，这种电子串扰交叉耦合主要是指Y波导3的调电压信号经空间和线路间的串扰，耦合到探测器5的输出端。

如图1所示，Y波导3的相位调制信号与探测器5的输出信号之间存在电子串扰误差，而且该误差会随着阶梯波的复位而发生变化，会导致阶梯波不能正常复位，这是产生闭环光纤陀螺死区现象的重要原因。Y波导3输出的调制信号是一个高频信号，调制信号的频率和光纤陀螺的本征频率是一致的，调制信号的电平为伏级，探测器5输出的与输入转动角速率相关的电平信号十分微弱，甚至为微伏量级。陀螺的调制信号与探测器5输出信号均是在信号检测电路中进行处理，高频的调制信号交叉耦合进入微弱的探测器5信号中，导致光纤陀螺在小角速率输入时，探测器5的信号被干扰或淹没，陀螺输出为零，进入死区。

如图1所示，信号检测电路12包括：前置放大器6、A/D转换器7， FPGA8，D/A转换器9以及后置放大器10。

图2所示数字闭环光纤陀螺信号处理方案框图，如图1以及图2所示，其完成的基本功能包括：探测器5的光电信号检测、信号的前置放大、A/D转换、数字解调、数字积分、D/A转换、阶梯波形成以及方波信号的叠加。A/D转换7输出的信号经FPGA8调解后，由FPGA8进行数字积分，并将结果作为陀螺输出信号，以及反馈信号。

如图1以及图2所示，在串扰影响下，探测器5的输出信号中的干扰被A/D转换器7作为有用信号采样。闭环主回路解调输出d(t)为：

其中，为输入角速度引起的Sagnac相位差；为闭环反馈相位差，用于抵消Sagnac相移；为Y波导输出相位驱动信号 V(t)与光电探测器之间电子串扰引起的等效相移。是需要测量的真实角速度输入信号，与和形成闭环控制。在闭环过程中，当耦合到解调回路中，反馈补偿相移不再只跟踪Sagnac相移而是跟踪Sagnac相移被串扰产生的相移所抵消后的相移，于是有该数值经D/A 转换后为阶梯波台阶高度。

如图1所示，当串扰产生的等效相移抵消了Sagnac相移时，于是陀螺输出解调值d(t)≈0，陀螺进入死区，无法敏感输入角速度。当输入角速度很小，Sagnac相移小于串扰引起的等效相移时，阶梯波将无法正常复位并产生振荡，类似被锁定的现象。陀螺输出与阶梯波相位台阶相对应，求其平均值，结果为零，陀螺进入死区。

如图1所示，死区仅发生在低角速度的情况下，因此，可以在闭环过程中加入一补偿信号使得在死区中的输入速率等效为能够脱离死区的大速率。即引入的补偿相移使因此，可以使补偿相移满足且即要求引入的补偿相移需大于串扰引起的等效相移的峰峰值，并且使补偿相移不会对陀螺带来附加的输出。

因此，为了消除或减小反馈回路电子串扰引起的死区现象，引入基于伪随机序列的平均值为零的补偿信号，并使之引起的补偿相移大于串扰引起的等效相移的峰峰值。

如图1所示，光纤陀螺检测电路在FPGA 8内实现信号解调与处理。伪随机序列中M序列具有周期长，随机特性好的特点，且易于在 FPGA内利用线性反馈移位寄存器进行实现。

如图1所示，当FPGA8产生的伪随机码为1时，使引入到反馈通道的补偿数字量为+N(小于+20)，当FPGA产生的伪随机码为0时，使引入到反馈通道的补偿数字量为-N(大于-20)。M序列具有均衡特性和伪噪声特性，使得+N与-N出现的概率相等，因此其平均值为0。只要选择合适的N值，即可满足产生所需条件。

图3所示为M序列在FPGA中利用反馈移位寄存器实现的结构图，如图3所示，M序列可用关系描述[9]，其中 i＝p+1,p+2,…，系数a₁,a₂,…,a_p-1取值为0或1；表示模2运算。系数 a₁,a₂,…,a_p-1决定反馈通道的选择。x_i-1,x_i-2,…,x_i-p经各自反馈通道进行模2和运算后反馈至x_i，适当选择反馈通道，在移位控制信号作用下，移位寄存器的任一级输出均为M序列。

如图1所示，将探测器5输出信号进行放大并经过A/D转换器7 之后转换为数字信号,然后进行数字解调，再对解调信号进行数字积分,即可以获得光纤陀螺的输出值，并将输出值进行反馈，形成闭环。伪随机序列由伪随机二值M序列实现，生成方式为在FPGA8内通过线性反馈移位寄存器来完成，每一个陀螺反馈周期产生一个伪随机码。

如图1所示，光纤陀螺完成整机装配后，进行整机调试，将调整好陀螺参数的程序下载到陀螺信号检测电路板的FPGA8后，进行死区测试，将测试结果数据导入计算软件，得出引入到反馈通道的补偿数字量N的数值，根据伪随机序列中的伪随机码为0还是为1，判断N值正负，当FPGA8产生的伪随机码为1时，使引入到反馈通道的补偿数字量为+N，当FPGA8产生的伪随机码为0时，使引入到反馈通道的补偿数字量为-N。将带有符号的N值写入陀螺解调程序中反馈通道，作为反馈通道的补偿数字量。将调整好的陀螺程序再次烧写到陀螺电路的FPGA中，进行测试。

图4(A)所示为补偿前陀螺输出示意图，图4(B)所示为补偿后陀螺输出示意图，如图4所示，将光纤陀螺固定在台面水平的速率转台上，光纤陀螺输入轴平行于转台台面，使得光纤陀螺输入轴敏感到的输入角速率为式中ω为地球自转角速度，φ为当地纬度，为光纤陀螺输入轴与东西向夹角，B₀为光纤陀螺的零偏。将速率转台以0.2(°/s)的速率值正转，角位置变化量不低于360°。其中图4(A)为未采用本发明前的陀螺输出数据图，可以看出陀螺存在明显的死区；图4(B)为采用本发明后的陀螺输出数据图，陀螺死区被消除。从图4的曲线可以看出使用本发明后，陀螺陀螺死区现象得到明显改善。

本发明优点包括：

1、解决由于信号检测电路板死区带来的光纤陀螺一次成品率问题，保证光纤陀螺死区指标达标的同时，提高了光纤陀螺一次成品率，节省了资源，降低了成本，利于批量生产。

2、不需要拆结构或者电路和光路，只许通过调整程序中M序列对应的数字信号值，大大减小返修成本。随着使用环境的变化，陀螺性能的变化，死区在复测过程中发生变化，仍然可以在只修改软件参数的情况下完成光纤陀螺死区性能改进，不需要进行电路和光路的返修装配，大大降低了返修成本。

闭环光纤陀螺具有动态范围大、标度因数稳定性好等优点，改善了光纤陀螺的整体性能。在光纤陀螺测试过程中，有时存在陀螺对小角速率输入不敏感现象，陀螺输出为零值，陀螺的标度因数非线性放大，这种现象称为光纤陀螺的死区现象。在闭环光纤陀螺中,由于相位调制信号常采用方波信号，其幅值量级为伏级，而探测信号可小至微伏量级。幅值较大的调制信号可能交叉耦合进微弱的探测器信号中, 这种电子串扰交叉耦合是造成闭环光纤陀螺死区主要原因之一。

本发明在研究闭环光纤陀螺中死区误差的产生机理的基础上，提出了一种基于伪随机序列的信号补偿方法来消除或减小死区误差。本发明解决的技术问题是：消除阶梯波在局部范围出现振荡而不能正常复位的锁定现象，可有效消除闭环光纤陀螺中的死区误差，抑制陀螺死区。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，包括：光源、光纤环、光纤耦合器、Y波导、光电探测器和信号检测电路；

光源连接光纤耦合器，光纤耦合器连接探测器，光纤耦合器连接Y波导，Y波导连接光纤环，探测器连接信号检测电路的输入，信号检测电路的一输出连接Y波导，另一输出作为陀螺输出信号；

信号检测电路包括：前置放大器、A/D电路、FPGA，D/A电路以及后置放大器；后置放大器输出给前置放大器以及Y波导；FPGA输出陀螺输出信号，并输出反馈信号给D/A电路；

FPGA在闭环过程中加入补偿相移引入的补偿相移需大于串扰引起的等效相移的峰峰值，并且使补偿相移不会对陀螺带来附加的输出。

2.如权利要求1所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，使补偿相移满足且φ_db为Y波导输出相位驱动信号与光电探测器之间电子串扰引起的等效相移，Δφ_s为输入角速度引起的Sagnac相位差。

3.如权利要求1所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，探测器的输出信号中的干扰被A/D转换器作为有用信号采样，闭环主回路解调输出d(t)为：

其中，为输入角速度引起的Sagnac相位差；为闭环反馈相位差，用于抵消Sagnac相移；为Y波导输出相位驱动信号V(t)与光电探测器之间电子串扰引起的等效相移，是需要测量的真实角速度输入信号，与和形成闭环控制，在闭环过程中，当耦合到解调回路中，反馈补偿相移不再只跟踪Sagnac相移而是跟踪Sagnac相移被串扰产生的相移所抵消后的相移，于是有该数值经D/A转换器后为阶梯波台阶高度；

当串扰产生的等效相移抵消了Sagnac相移时，陀螺输出解调值d(t)≈0，陀螺进入死区，无法敏感输入角速度，当输入角速度很小，Sagnac相移小于串扰引起的等效相移时，阶梯波将无法正常复位并产生振荡，陀螺输出与阶梯波相位台阶相对应，求其平均值，结果为零，陀螺进入死区。

4.如权利要求1所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，当FPGA产生的伪随机码为1时，使引入到反馈通道的补偿数字量为+N，当FPGA产生的伪随机码为0时，使引入到反馈通道的补偿数字量为-N。

5.如权利要求1所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，N小于20。

6.如权利要求1所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，+N与-N出现的概率相等，平均值为0。

7.如权利要求6所述的消除光纤陀螺死区的系统，其特征在于，M序列用关系描述，其中i＝p+1,p+2,…，系数a₁,a₂,…,a_p-1取值为0或1；表示模2运算，系数a₁,a₂,…,a_p-1决定反馈通道的选择。x_i-1,x_i-2,…,x_i-p经各自反馈通道进行模和运算后反馈至x_i，选择反馈通道，在移位控制信号作用下，移位寄存器的任一级输出均为M序列。