CN109959391B - 一种用于光纤陀螺动态性能评测的信号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤陀螺动态性能评测的同步信号采集方法。包括如下步骤：(1)将光纤陀螺固定在角振动台上，利用校准过的高精度编码器输出转速信息；(2)同步信号采集模块实现对光纤陀螺和编码器数据的采集；(3)利用本发明提出的方法计算出延迟，并对光纤陀螺采集程序进行反馈控制；(4)同步信号采集模块将同步的两路信号打包发送至上位机。本发明可以实现对两路数据的同步接收，适用于任意频率的光纤陀螺和角振动台编码器，具有普适性；实验结果显示本方法可以大幅降低两信号间同步误差。本发明可以很好地满足计量领域对多路信号同步性的要求，有广泛的应用前景。

Description

一种用于光纤陀螺动态性能评测的信号同步方法

技术领域

本发明涉及信号同步方法，具体涉及到一种用于光纤陀螺动态性能评测的信号同步方法。

技术背景

光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率传感器，广泛应用于军事、姿态控制、航空航天等领域。随着现代飞航武器对陀螺工作环境的要求越来越高，经常处于振动、颠簸、急转弯等情景，在这种高动态环境下，光纤陀螺的动态性能成为影响精度的重要原因。因此评定并改善动态特性已经成为光纤陀螺研究的一项重要内容。

目前常用的测试方法为利用角振动台提供摇摆，采集角振动台的编码器输出值作为参考信号，与陀螺输出值进行比较，实现对光纤陀螺动态性能的评定。但这两信号并非严格同步，由于光纤陀螺输出信号与编码器信号间存在延迟，这会对光纤陀螺动态性能评测结果造成较大误差。因此，必须使用信号同步方法，来实现陀螺与编码器信号的同步采集。

现有的信号同步方法有互相关函数法和插值法，但互相关函数法在低采样频率下所能达到的精度较低。在1000 Hz采样频率下，互相关函数法无法分辨1ms内的延时，而陀螺和编码器的采样频率通常在1k以下，所以这一方法并不适用。而插值法通过函数拟合近似求得同步时刻的采样值，精度的提高以运算量增加为代价，不适合工业使用，且不同算法的复杂程度和适用范围也不相同，不具有普适性。

基于以上原因，提出了一种用于光纤陀螺动态性能评测的同步信号采集方法，可以实现对两路数据的同步接收，适用于目前工业应用的陀螺和编码器的信号频率，且不失普适性；实验结果显示本方法可以大幅降低两信号间同步误差。本方法使用方便，具有普适性，可以很好地满足计量领域对多路信号同步性的要求，有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有信号同步采集方法的不足，提出一种精确控制光纤陀螺与角振动台编码器输出信号同步的方法，本发明适用于任意采样频率的光纤陀螺及角振动台，可以充分满足目前对多路信号间同步性的要求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于光纤陀螺动态性能评测的同步信号采集方法：包括以下步骤：

(1)角振动台以预设频率、振幅做简谐运动；

(2)由于角振动台做简谐运动，因此编码器输出的角度值可以表示为：

s1＝A*sin(2π*f*t)

由于两路信号存在延时Δt，光纤陀螺输出的角度值为：

s2＝A*sin[2π*f*(t+Δt)]

可以得到两信号同步误差为：

其中：s1为编码器输出的角度值，s2为光纤陀螺输出的角度值，A为角振动台预设的振幅，f为角振动台预设振动频率，Δt为两信号间的时间延时量；

可以看出，信号同步误差与振幅、振动频率、信号间延时相关，其中

分量中Δt只对该分量造成时序上的移动，对同步误差Δs幅值造成的影响可以忽略，因此可以将

视为Δs的幅值量；设同步误差Δs的幅值为A’，可以得到

(3)信号同步采集模块以相同的采样频率对编码器及光纤陀螺进行采样，其中编码器输出信号为角度，光纤陀螺输出信号为角速度，由此获得光纤陀螺输出信号系列D_c{m}和编码器输出信号系列D_s{m}；

(4)编码器输出信号系列D_s{m}对应的角度值为s1，通过积分计算出光纤陀螺输出信号系列D_c{m}对应的角度值为s2，通过快速傅里叶变换出同步误差Δs的幅值A’，其过程为：

Δs信号可以表示为:Δs(t)＝Δs(t+kT)

其中T为函数周期，k＝0,1,2,…；

将其用如下的傅立叶级数表征：

其中a₀、a_n、b_n和c_n分别为:

其快速傅里叶变换的表达式为

其中N为采样点数，i表示虚数，Δs(n)为Δs的离散信号。

快速傅里叶计算结果乘以2/N再求模即可得到基于连续信号傅立叶级数等效的各次谐波幅值，

为求振动频率f下的幅值，只需取

其中Fs为采样频率；

此时计算出的c_n即为A’，最后通过公式：

计算出两信号间的时间延时量；

(5)信号同步采集模块根据计算出的延时结果，向光纤陀螺数据采集模块传输相应延时时间量。光纤陀螺采集模块提前或延迟相应时间向光纤陀螺下达发送数据的指令，并接受陀螺返回的相应数据，即可实现角编码器信号与光纤陀螺信号在时域上的精确对准，达到信号同步的目的；

(6)信号同步采集模块将采集到的两路同步信号打包发送至上位机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：由于本发明采用了新的信号同步方法，相比于传统信号同步方法具有对采样频率要求低、具有普适性的特点，利用角编码器与光纤陀螺输出的信号进行对比分析，实现对光纤陀螺动态性能进行评测。解决了光纤陀螺动态性能评测技术中对于两路信号高同步性要求的问题，可以大幅提高两信号的同步性，减小同步误差对后续计量分析的影响。本方法使用方便，无需对原有的测试采集电路进行改动；可以有效地解决多路信号的不同步问题，对计量领域有很重大的意义。

附图说明

图1是测试系统图。

图2是本方法流程图。

图3是延时补偿前两路信号差值图。

图4是延时补偿后两路信号差值图。

图中：角振动台1，编码器2，光纤陀螺3，信号同步采集模块4，上位机5。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

测试系统如图1所示，包括角振动台1、光纤陀螺2、编码器3、信号同步采集模块4、上位机5；其中，光纤陀螺2固定在角振动台1表面，其敏感轴与角振动台1转轴平行；信号同步采集模块4同步采集光纤陀螺3与编码器2的输出数据，并根据本发明提出的算法计算出两信号的延时；信号同步采集模块4可以对角光纤陀螺采集模块2进行反馈，从而实现延时补偿；信号同步采集模块4将采集到的数据打包发送至上位机5。

一种用于光纤陀螺动态性能评测的信号同步方法，流程如图2所示，具体包括如下步骤：

(1)角振动台以预设频率、振幅做简谐运动；

(2)由于角振动台做简谐运动，因此编码器输出的角度值可以表示为：

s1＝A*sin(2π*f*t)

由于两路信号存在延时Δt，光纤陀螺输出的角度值为：

s2＝A*sin[2π*f*(t+Δt)]

可以得到两信号同步误差为：

其中：s1为编码器输出的角度值，s2为光纤陀螺输出的角度值，A为角振动台预设的振幅，f为角振动台预设振动频率，Δt为两信号间的时间延时量；

可以看出，信号同步误差与振幅、振动频率、信号间延时相关，其中

分量中Δt只对该分量造成时序上的移动，对同步误差Δs幅值造成的影响可以忽略，因此可以将

视为Δs的幅值量；设同步误差Δs的幅值为A’，可以得到

(3)信号同步采集模块以相同的采样频率对编码器及光纤陀螺进行采样，其中编码器输出信号为角度，光纤陀螺输出信号为角速度，由此获得光纤陀螺输出信号系列D_c{m}和编码器输出信号系列D_s{m}；

(4)编码器输出信号系列D_s{m}对应的角度值为s1，通过积分计算出光纤陀螺输出信号系列D_c{m}对应的角度值为s2，通过快速傅里叶变换出同步误差Δs的幅值A’，其过程为：

Δs信号可以表示为:Δs(t)＝Δs(t+kT)

其中T为函数周期，k＝0,1,2,…；

将其用如下的傅立叶级数表征：

其中a₀、a_n、b_n和c_n分别为:

其快速傅里叶变换的表达式为

其中N为采样点数，i表示虚数，Δs(n)为Δs的离散信号。

快速傅里叶计算结果乘以2/N再求模即可得到基于连续信号傅立叶级数等效的各次谐波幅值，

为求振动频率f下的幅值，只需取

其中Fs为采样频率；

此时计算出的c_n即为A’，最后通过公式：

计算出两信号间的时间延时量；

(5)信号同步采集模块根据计算出的延时结果，向光纤陀螺数据采集模块传输相应延时时间量。光纤陀螺采集模块提前或延迟相应时间向光纤陀螺下达发送数据的指令，并接受陀螺返回的相应数据，即可实现角编码器信号与光纤陀螺信号在时域上的精确对准，达到信号同步的目的；

(6)信号同步采集模块将采集到的两路同步信号打包发送至上位机。

本发明所述的用于光纤陀螺动态性能评测的信号同步方法，可以大幅降低两信号间同步误差；且适用于任意采集频率下的光纤陀螺及编码器。本方法可以实现两路信号同步采集上传，满足光纤陀螺动态性能评定对信号同步性的需求；同样适用于其他应用场景的多路信号同步。

实施例：

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

(1)将光纤陀螺3通过螺钉固定在角振动台1上，光纤陀螺3的敏感轴与角振动台1的转轴平行，接通电源预热5分钟。

(2)在上位机3上输入测试振幅10°，振动频率1Hz，信号采集频率2kHz。信号同步采集模块4启动并向陀螺发送接收指令；角振动台开始运动。

(3)信号同步采集模块4接收光纤陀螺3数据以及编码器2数据，同步误差如图3所示，采集2s数据后，利用最小二乘法拟合出同步误差的幅值A’，通过公式

计算出此时的延时时间量Δt＝600ms。若直接使用此时收集到的两路信号进行陀螺动态性能评测，高达0.05°的同步误差会对结论造成不可忽视的影响。

(4)根据计算出的结果Δt＝600ms，对陀螺进行相应的延时反馈控制；并将收到的两路同步信号打包发送至上位机5。

(5)如图4所示，此时两信号最大误差量为0.002°，若此误差全部由同步误差造成，由上述公式可以求得，此时对应的两信号间延时为25微秒。因此可以认为光纤陀螺与编码器这两路信号间延迟小于25微秒。

(6)结束测试，关闭系统。

Claims (1)

1.一种用于光纤陀螺动态性能评测的同步信号采集方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)角振动台以预设频率、振幅做简谐运动；

(2)由于角振动台做简谐运动，因此编码器输出的角度值表示为：

s1＝A*sin(2π*f*t)

由于两路信号存在延时，光纤陀螺输出的角度值为：

s2＝A*sin[2π*f*(t+Δt)]

得到两信号的同步误差为：

其中：s1为编码器输出的角度值，s2为光纤陀螺输出的角度值，A为角振动台预设的振幅，f为角振动台预设振动频率，Δt为两信号间的时间延时量；

信号同步误差与振幅、振动频率、信号间的时间延时量相关，其中

分量中Δt只对该分量造成时序上的移动，对同步误差Δs幅值造成的影响忽略不计，因此将

视为Δs的幅值量；设同步误差Δs的幅值为A’，得到：

(3)信号同步采集模块以相同的采样频率对编码器及光纤陀螺进行采样，其中编码器输出信号为角度，光纤陀螺输出信号为角速度，由此获得光纤陀螺输出信号系列D_c{m}和编码器输出信号系列D_s{m}；

(4)编码器输出信号系列D_s{m}对应的角度值为s1，通过积分计算出光纤陀螺输出信号系列D_c{m}对应的角度值为s2，通过快速傅里叶变换计算得出同步误差Δs的幅值A’，其过程为：

Δs信号表示为：Δs(t)＝Δs(t+kT)

其中T为函数周期，k＝0,1,2,…；

将其用如下的傅里叶级数表征：

其中a₀、a_n、b_n和c_n分别为：

其快速傅里叶变换的表达式为：

其中N为采样点数，i表示虚数，Δs(n)为Δs的离散信号，ΔS(K)为Δs的傅里叶级数的系数；

快速傅里叶计算结果乘以2/N再求模，得到基于连续信号傅里叶级数等效的各次谐波幅值：

为求振动频率f下的幅值，只需取

其中Fs为采样频率；

此时计算出的c_n即为A’，最后通过公式：

计算出两信号间的时间延时量；

(5)信号同步采集模块根据计算结果，向光纤陀螺数据采集模块传输相应时间延时量；光纤陀螺数据采集模块提前或延迟相应时间向光纤陀螺下达发送数据的指令，并接受陀螺返回的相应数据，即可实现角编码器信号与光纤陀螺信号在时域上的精确对准，达到信号同步的目的；

(6)信号同步采集模块将采集到的两路同步信号打包发送至上位机。

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