CN109974684A - 一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置 - Google Patents

一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置，将电压信号转换成与模数转换器相同位数的数字信号，对数字信号进行扩位，对扩位后的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，将经过连续双积分运算后的数字信号截位至与数模转换器相同位数的数字信号后进行输出。通过连续的两次积分能够将低位有效数据信息积累提升至数据高位，截位后的数字量的最低有效位代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，相比于先截位再进行反馈阶梯波积分，能够最大程度的在程序中降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响。

Description

一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置。
背景技术
干涉式光纤陀螺仪凭借着其测量精度高、灵敏度好、动态范围大、体积小、重量轻、寿命长以及易集成等特点，广泛应用于军事和民用领域，在导弹制导、卫星导航以及姿态控制等方向都起着重要的作用，近年来已经成为全世界的研究热点。超高精度光纤陀螺是目前国际上光纤陀螺技术的顶峰，主要应用于潜艇、航母等高精度舰(艇)载型惯性导航系统等，具有重大的军事战略意义。
干涉式光纤陀螺仪是一种角速率敏感装置，如图1所示，主要包括光源101、耦合器102、相位调制器103、敏感光纤环104、探测器105和信号处理器106。干涉式光纤陀螺仪的工作原理为：光源101发出光束，经过耦合器102与相位调制器103后分成相位相同且传播方向相反的两束光，若敏感光纤环104发生转动，由于萨格纳克(Sagnac)效应，正/反向两束光经过在敏感光纤环104内的传播后会产生相位差，在耦合器102处干涉时光强发生变化，由探测器105将光信号转换为电压信号，在信号处理器106中解调检测光强变化，进而处理得到角速率信息。
全数字闭环反馈方案是干涉式光纤陀螺仪的主流检测方案，也是目前国内外超高精度干涉式光纤陀螺仪最适用的方案之一，全数字量的数据处理过程能够代替以往的模拟正弦反馈信号，可以克服模拟输入偏置的漂移等问题。在现有的全数字闭环反馈方案中，模拟信号经NAD位模数(A/D)转换器变换为数字信号，数字信号经过解调、累加、滤波等数字运算，输出NDA位数字量至数模(D/A)转换器，NDA位数字量被变换为模拟信号后施加在相位调制器上进行反馈。由于干涉式光纤陀螺仪的典型采样频率为MHz量级，模拟信号的带宽很大，因此，存在大量的白噪声，根据信号处理理论，所使用的A/D转换器的LSB值只要比噪声σ小即可，因此，所使用的A/D转换器的位数无需太高。模拟信号被转换为数字信号后需要进行一系列的算法运算，为了防止运算过程中的数据溢出等问题，NAD位的初始数字量通常要扩位至NS，经过一系列的算法运算之后，受限于D/A转换器的位数，运算后的数字量需要截位至NDA，截位操作会丢失反馈信息中的低位有效数据，从而会产生量化误差。
在普通精度的干涉式光纤陀螺仪中，通过适当提高A/D转换器和D/A转换器的位数以及增加平滑滤波等技术，可以有效抑制干涉式光纤陀螺仪中的量化误差，使量化误差成为干涉式光纤陀螺仪的非关键影响因素。然而，对于超高精度光纤陀螺仪而言，任何形式的误差都极为明显，即使是量级很小的量化误差，也会对战略级的超高精度光纤陀螺存在不可忽略的零偏影响，尤其是针对超高精度光纤陀螺的短期精度的影响十分重大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置，用以降低由于数模转换器的有限位数引起的超高精度干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差。
因此，本发明提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
S2：对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出；
S3：对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算；
S4：将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
S5：将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
本发明还提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理系统，包括：
模数转换器，用于将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
数字信号处理器，用于对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出，再对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
数模转换器，用于将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
本发明还提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪，包括本发明提供的上述信号处理系统。
本发明提供的上述超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置，先将电压信号转换成位数与模数转换器的位数相同的数字信号，为了避免后续的角速率积分运算中出现数据溢出问题，对数字信号进行扩位处理，接着对扩位后的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，受限于数模转换器的位数，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号后进行输出。通过连续的两次积分能够将低位有效数据信息积累提升至数据高位，截位后的数字量的最低有效位代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，相比于先截位再进行反馈阶梯波积分，能够最大程度的在程序中降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
附图说明
图1为现有的干涉式光纤陀螺仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法的数字信号扩位截位示意图；
图4为本发明实施例提供的超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法的信号传递示意图；
图5为本发明实施例提供的超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明实施例提供的一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1：将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
S2：对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出；
S3：对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算；
S4：将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
S5：将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
本发明实施例提供的上述信号处理方法，先将电压信号转换成位数与模数转换器的位数相同的数字信号，为了避免后续的角速率积分运算中出现数据溢出问题，对数字信号进行扩位处理，接着对扩位后的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，受限于数模转换器的位数，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号后进行输出。通过连续的两次积分将低位有效数据信息积累提升至数据高位，截位后的数字量的最低有效位代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，相比于先截位再进行反馈阶梯波积分，能够最大程度的在程序中降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
图3为本发明实施例提供的上述信号处理方法的数字信号扩位截位示意图，如图3所示，调制后的光强信号被转换成电压信号后被转换为具有NAD位(即0～NAD-1)初始数字量的数字信号，为了避免后续的角速率积分运算中出现数据溢出问题，需要再FPGA中对具有NAD位初始数字量的数字信号进行扩位处理，扩位至NS位(即0～NS-1)，然后，对具有NS位数字量的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，在此过程中，通过反馈阶梯波积分运算，NS位的数字量累加后，将低于NX位的数字量信息传递至NX+1位及更高的位数上，之后再根据数模转换器的位数，将经过反馈阶梯波积分运算的数字信号截位成具有NDA位(即0～NDA-1)数字量的数字信号并输出，截位后的数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息可以表示为其中，n为正整数，且由反馈阶梯波积分的参数设置调节，也就是说，截位后的数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，与现有的截位后的数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息始终为相比，能够有效降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
图4为本发明实施例提供的上述信号处理方法的信号传递示意图，如图4所示，发生萨格纳克效应之后，光在耦合器内发生干涉后光强发生变化，探测器进行光电转换将光信号转换为电压信号，前放电路将电压信号进行差分放大，模数转换器将经过差分放大后的电压信号转换为数字信号，数字信号处理器对数字信号进行扩位、角速率积分、反馈阶梯波积分、移位、截位后输出给数模转换器，数模转换器将数字信号转为电压信号后，反馈给相位调制器。具体地，模数转换对应本发明实施例提供的上述信号处理方法中的步骤S1，扩位和角速率积分对应本发明实施例提供的上述信号处理方法中的步骤S2，反馈阶梯波积分和移位对应本发明实施例提供的上述信号处理方法中的步骤S3，截位对应本发明实施例提供的上述信号处理方法中的步骤S4，数模转换对应本发明实施例提供的上述信号处理方法中的步骤S5。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理系统，如图5所示，包括：
模数转换器1，用于将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
数字信号处理器2，用于对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出，对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
数模转换器3，用于将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
本发明实施例提供的上述信号处理系统，模数转换器将电压信号转换成位数与模数转换器的位数相同的数字信号，为了避免后续的角速率积分运算中出现数据溢出问题，数字信号处理器对数字信号进行扩位处理，并对扩位后的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，受限于数模转换器的位数，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号，数模转换器将截位后的数字信号转换为电压信号后进行输出。通过连续的两次积分将低位有效数据信息积累提升至数据高位，截位后的数字量的最低有效位代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，相比于先截位再进行反馈阶梯波积分，能够最大程度的在程序中降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
需要说明的是，本发明实施例提供的上述信号处理系统还可以包括用于差分放大的前放电路和用于后置放大的波导驱动电路，前放电路和波导驱动电路的结构、功能于现有的信号处理系统中的前放电路和波导驱动电路的结构、功能类似，在此不做赘述。本发明实施例提供的上述信号处理系统的具体实施与本发明实施例提供的上述信号处理方法的实施例类似，在此不做赘述。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种超高精度干涉式光纤陀螺仪，包括本发明实施例提供的上述信号处理系统。除此以外，还可以包括光源、耦合器、相位调制器、敏感光纤环和探测器。具体地，光源发出光束，经过耦合器与相位调制器后分成相位相同且传播方向相反的两束光，若敏感光纤环发生转动，由于萨格纳克效应，正/反向两束光经过在敏感光纤环内的传播后会产生相位差，在耦合器处干涉时光强发生变化，由探测器将光信号转换为电压信号，在信号处理系统中解调检测光强变化，进而处理得到角速率信息。本发明实施例提供的上述超高精度干涉式光纤陀螺仪，经信号处理系统解调得到的数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息可以表示为其中，n由反馈阶梯波积分的参数设置调节，也就是说，数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，与现有的数字量的最低有效位1LSB所代表的相位信息始终为相比，能够有效降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
本发明实施例提供的上述超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法及装置，先将电压信号转换成位数与模数转换器的位数相同的数字信号，为了避免后续的角速率积分运算中出现数据溢出问题，对数字信号进行扩位处理，接着对扩位后的数字信号进行角速率积分运算和反馈阶梯波积分运算，受限于数模转换器的位数，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号后进行输出。通过连续的两次积分将低位有效数据信息积累提升至数据高位，截位后的数字量的最低有效位代表的相位信息可以由反馈阶梯波积分的参数设置调节，相比于先截位再进行反馈阶梯波积分，能够最大程度的在程序中降低由于数模转换器的有限位数引起的干涉式光纤陀螺仪的数字信号的量化误差，从而可以有效抑制此类量化误差对超高精度干涉式光纤陀螺仪零偏的影响，进而可以提高超高精度干涉式光纤陀螺仪的应用性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
S2：对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出；
S3：对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算；
S4：将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
S5：将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
2.一种超高精度干涉式光纤陀螺仪的信号处理系统，其特征在于，包括：
模数转换器，用于将由调制后的光强信号转换成的电压信号转换为位数与模数转换器的位数相同的数字信号；
数字信号处理器，用于对转换成的数字信号进行扩位处理后，进行角速率积分运算并输出，再对角速率积分运算后的数字信号进行反馈阶梯波积分运算，将连续双积分运算后的数字信号截位至位数与数模转换器的位数相同的数字信号；
数模转换器，用于将截位后的数字信号转换为电压信号进行反馈输出。
3.一种超高精度干涉式光纤陀螺仪，其特征在于，包括如权利要求2所述的信号处理系统。
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