CN110006416A - 一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法，包括：在光纤陀螺启动及处在小转速时，采用带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差，所述带有可检测2π复位误差的方波调制是通过FPGA调整使得方波调制信号自身相位差大于2π的方波调制。本发明可以解决光纤陀螺采用宽谱光源会导致四态调制在阶梯波复位时存在着额外误差的问题，并且解决了方波调制在低转速时会应复位次数少而无效的问题。

Description

一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种用于高精度光纤陀螺的新型方波调制方法。

背景技术

陀螺仪是惯性系统的核心部件，也是惯性技术研究的重点内容之一。由于它具有全固态、低成本、可靠性高、启动速度快等优点被广泛应用于飞机、潜艇、军舰、导弹、卫星等领域,成为近几年来国内外惯性器件的一个研究热点。

光纤陀螺中的相位调制器使用的是铌酸锂电光调制器，施加在铌酸锂晶体上的电压与调制的相位成线性关系，其中相位为2π时所对应的电压值称为铌酸锂晶体的2π电压。高精度光纤陀螺一般采用四态调制的方法。四个状态的相位差分别Δφ_a,Δφ_b，-Δφ_b,-Δφ_a，每个状态持续时间为τ/2，并且相位差满足cosΔφ_b＝cos(Δφ_a)，即，Δφ_b+Δφ_a＝2π。四态调制每两个周期就能解调出2π复位电压误差，如图1所示，2π复位误差ΔD＝D₁+D₃-D₂-D₄，D1～D4分别为图2中1～4时刻的AD采样值，通过数字逻辑电路将误差信号解调出来，快速调整2π电压。

在高精度光纤陀螺中，一般都采用宽谱光源。宽谱光源包含不同波长成分，这使得宽谱光源的干涉不同于单一波长的光的干涉，根据光的干涉原理，在光纤陀螺中，两列波A(t)与延时了τ(即光程差ΔL＝cτ)的波A(t-τ)发生干涉，干涉波的强度为

其中，<>表示时间的平均，A(t)为振幅函数。宽谱光源的干涉图样如图2所示。这就会导致原来的调制深度，Δφ_b,Δφ_a相位处所对应的光强不再相等。

四态调制中第二闭环每两个周期就检测一次2π电压误差，从而调整阶梯波的增益系数。但是采用宽谱光源的光纤陀螺中，设定的准确的调制深度-Δφ_b和Δφ_a(两者相位相差2π)所对应的光强不再相等，第二闭环会检测出这两种状态所对应的光强差值，通过对A/D采样的数字信号中解调出2π电压的误差，经过积分后控制反馈通道的增益，对2π电压进行调整，使得第二闭环误差为0，这样会导致第二闭环调整后的2π电压与铌酸锂晶体实际所对应的2π电压不一致。所以当阶梯波复位时，由于调整后的2π电压与铌酸锂晶体实际所对应的2π电压不准产生误差，如图3所示，阶梯波复位时的误差会影响到光纤陀螺的性能。在小转速情况，阶梯波复位时间相对较长，虽然在长时间的平滑下，该误差对陀螺零偏的影响较小；但当陀螺处在一定的特殊转速时，可能会导致阶梯波频繁复位，如图4所示，由于阶梯波复位时2π电压不准所引起的复位误差会被光纤陀螺检测出来，在这些特定转速下的频繁复位所产生的误差相当于引入了一个额外附加转速，此时的转速输出等于实际转速加上频繁复位所产生的误差等效的转速，这会导致在这些转速下，标度因数产生了很大的变化，影响标度因数准确性。

方波调制不会存在该问题，方波调制通过寄存器自动溢出来实现2π复位，如图5所示。如果2π复位电压不准，在阶梯波复位时会存在着复位误差，检测复位前后的误差从而改变相位调制的增益来实现调整2π复位电压，如图6所示。但是该方波调制存在着缺陷，在2π复位电压不准时，存在一个误差(2π复位误差)，使得复位2π变为2π(1-ε_r)，整个阶梯波复位周期内陀螺输出的平均误差量正比于，在低转速时会应复位次数少而无效。这也是高精度光纤陀螺不采用方波调制的主要原因之一。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中光纤陀螺采用宽谱光源会导致四态调制在阶梯波复位时存在着额外误差的不足，以及方波调制在低转速时会应复位次数少而无效的问题，提出了一种用于高精度光纤陀螺的新型方波调制方法，在光纤陀螺启动及处在小转速的情况时，对方波调制信号进行处理，让调制信号自身相位差大于2π来检测2π复位误差，而不是通过寄存器自动溢出实现2π复位来检测2π复位误差。

根据本发明的一方面，提供了一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法，包括：在光纤陀螺启动及处在小转速时，采用带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差，所述带有可检测2π复位误差的方波调制是通过FPGA调整使得方波调制信号自身相位差大于2π的方波调制。应该理解，本文中所述的小转速是光纤陀螺能检测出最小转速的量级，另外的称为大转速。

进一步地，所述方波调制方法具体包括如下步骤：

S1当光纤陀螺启动时，通过所述带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差；

S2实时检测光纤陀螺的转速，当检测到转速为大转速时，通过寄存器自动溢出实现2π复位来检测2π复位误差；当检测到转速为小转速时，通过所述带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差；

S3通过调整串行DA数模转换器来控制增益，以消除步骤S1和S2中检测到的2π复位误差。

进一步地，所述带有可检测2π复位误差的方波调制包括-Δφ_m+2π,-Δφ_m,Δφ_m,Δφ_m+2π,Δφ_m,-Δφ_m六种状态的相位差，每个状态的持续时间为τ，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间。

进一步地，所述采用带有可检测2π复位误差的方波调制包括：

通过AD采样带有可检测2π复位误差的方波调制的六种状态的每个τ时间的值，使2π复位误差的解调值为DEM_s＝2*(D₁+D₄)-(D₂+D₃+D₅+D₆)，其中，D₁,D₂,D₃,D₄,D₅,D₆为每一个方波调制周期内按顺序的τ时间的AD采样值。

本发明的有益效果：

1)本发明在光纤陀螺启动过程中快速调整2π复位电压，能够实现快启动；

2)本发明在小转速条件下，依然能确保检测出2π复位误差，及时调整第二闭环，提高光纤陀螺工作的稳定性；

3)本发明在特殊转速下不会引入额外误差，提高了标度因数准确性；

4)本发明的方法实现简单，只需在软件部分中加入一个转速判断、生成这种调制波形和对应的解调。

附图说明

图1是现有技术四态调制的示意图。

图2是现有技术中宽谱光源干涉信号的示意图。

图3是现有技术中2π电压自动调整对应的探测器输出误差的示意图。

图4是现有技术中光纤陀螺处于特殊转速时，探测器信号的示意图。

图5是现有技术中阶梯波自动复位的示意图。

图6是现有技术中对采用宽谱光源的光纤陀螺用方波调制的示意图。

图7是现有技术方波调制的示意图。

图8是本发明采用的新型方波调制的示意图。

图9是本发明的方波调制方法的工作过程流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供了一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法。传统的方波调制有两个状态，相位差分别对应Δφ_m，-Δφ_m，每个状态持续时间为τ，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间，如图7所示。当陀螺静止时，解调误差为0。

其中，P₀为光源的光功率，P(a,b)代表转速为a，调制为b时的光功率。

当陀螺转动时，检测每个τ之间的差值，解调值DEM＝D₁-D₂，对应着转速。

ΔP(Δφ_s)＝P₀sinΔφ_msinΔφ_s

再通过反馈调整阶台阶高度，消除误差。

而本发明的方波调制方法是改变某些时刻的调制大小，使其在原有的基础上再加2π，通过改变调制的方法使得光纤陀螺不仅仅在阶梯波复位时才检测2π复位误差。

如图8所示，该图描述了本发明的方波调制方法。传统的方波调制是由两个数字寄存器构成，-Δφ_m,Δφ_m分别对应两个数字寄存器中的数字量，只有当阶梯波寄存器复位时，才能检测2π复位误差。而本发明的方波调制变为-Δφ_m+2π,-Δφ_m,Δφ_m,Δφ_m+2π,Δφ_m,-Δφ_m六种状态，每个状态时间为τ，通过AD采样这六种状态每个τ时间的值(将探测器输出的电压值转换为数字量)，分别对应D₁,D₂,D₃,D₄,D₅,D₆，这六种状态为一个周期。当光纤陀螺仪有角速率输入时，解调值DEM_f＝(D₁+D₂+D₆)-(D₃+D₄+D₅)对应着这个周期内的转速，通过反馈调整阶台阶高度。而一个周期内2π复位误差的解调值为DEM_s＝2*(D₁+D₄)-(D₂+D₃+D₅+D₆)。当2π复位误差不为0时，通过调整串行DA(数模转换器)来控制增益，消除此误差。本发明的方波调制每一个周期(6个τ的时间)，就能解调出2π复位误差，无论外界转速大小，即使在小转速，使得阶梯波寄存器复位时间很长的情况下，都能快速调整2π复位电压。

如图9所示，该图表示了该整个工作过程。当高精度光纤陀螺刚启动时，由于随着工作时间的增长和环境变化，以及光源、器件和电路本身的老化，可能会导致初始设置的2π复位电压不再准确。而采用原始的方波调制会使得调整2π复位电压时间过长，导致光纤陀螺启动时间过长(从陀螺上电到输出正确的转速值的时间)。因此在光纤陀螺上电启动后，采用本发明的调制方法，快速调整2π复位电压。之后，开始实时判断当前时刻光纤陀螺转速，当此时处于小转速时，依然采用这种调制方式，能避免原始方波调制在小转速下因复位次数少而使得2π复位误差无效。当在大转速状态下采用传统的方波调制。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高精度光纤陀螺的方波调制方法，其特征在于，包括：在光纤陀螺启动及处在小转速时，采用带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差，所述带有可检测2π复位误差的方波调制是通过FPGA调整使得方波调制信号自身相位差大于2π的方波调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1当光纤陀螺启动时，通过所述带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差；

S2实时检测光纤陀螺的转速，当检测到转速为大转速时，通过寄存器自动溢出实现2π复位来检测2π复位误差；当检测到转速为小转速时，通过所述带有可检测2π复位误差的方波调制来检测2π复位误差；

S3通过调整串行DA数模转换器来控制增益，从而消除步骤S1和S2中检测到的2π复位误差。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述带有可检测2π复位误差的方波调制包括-Δφ_m+2π,-Δφ_m,Δφ_m,Δφ_m+2π,Δφ_m,-Δφ_m六种状态的相位差，每个状态的持续时间为τ，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间。

4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述采用带有可检测2π复位误差的方波调制包括：

通过AD采样带有可检测2π复位误差的方波调制的六种状态的每个τ时间的值，使2π复位误差的解调值为DEM_s＝2*(D₁+D₄)-(D₂+D₃+D₅+D₆)，其中，D₁,D₂,D₃,D₄,D₅,D₆为每一个方波调制周期内按顺序的τ时间的AD采样值。