CN110906920A - 一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法，该方法首先固定复位状态，定义阶梯波发生器，控制陀螺仅在固定复位状态下实现复位；通过对光纤陀螺中的阶梯波2π复位状态进行检测，只保留一对固定的复位状态，从而抑制了光纤陀螺中复位带来的误差。

Description

一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺中阶梯斜波2π复位的计算方式，更具体的说是通过检测陀螺中的调制方波状态，控制陀螺阶梯斜波只能发生一种2π复位状态，从而抑制了光纤陀螺的复位误差。

背景技术

数字闭环光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，广泛应用于导航、定位等惯性系统中。其主要包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器、数字处理电路，如图1所示。

数字闭环光纤陀螺实现原理基于Sagnac效应，光源发出光通过Y波导分成正反两束光波，在光纤环中传播一周后重新在Y波导处合光并发生干涉。光电探测器将光强转化为电压信号。为提高检测灵敏度，通常加入偏置方波调制φ₀/2，如图2，当陀螺旋转时，输出变成一个与调制方波同频的方波信号，中心处理器将A/D模数芯片采集的信号做差，得到闭环控制的误差量，并通过第一个积分器产生反馈相移φ_FB；反馈相移φ_FB在经过第二次积分，产生数字阶梯波；最后阶梯波叠加调制方波通过D/A数模转换芯片，施加到Y波导上，实现陀螺转速跟踪及测量。同时由于阶梯波不能无限上升(一般通过阶梯波寄存器的自动溢出实现2π复位，为保证2π复位的准确性，通常还需反馈回路增益控制。参见文献：光纤陀螺原理及技术，张桂才。

陀螺的阶梯波寄存器在自动溢出时(即2π复位)，调制方波存在两种状态，分别为+φ₀/2和-φ₀/2，故对应的存在4种复位状态，分别加以讨论。

复位状态1：阶梯波向上累加，即反馈相移φ_FB为正。当阶梯波寄存器自动溢出时的前一个时刻，叠加的调制方波为+φ₀/2，自动溢出后一个时刻，叠加的调制方波为-φ₀/2，溢出前后反馈波形变化为2π+φ₀，如图3所示。

复位状态2：阶梯波向上累加，即反馈相移φ_FB为正。当阶梯波寄存器自动溢出时的前一个时刻，叠加的调制方波为-φ₀/2，自动溢出后一个时刻，叠加的调制方波为+φ₀/2，溢出前后反馈波形变化为2π-φ₀，如图4所示。

复位状态3和4：阶梯波向下，即反馈相移φ_FB为负。原理与复位状态1和2相同，区别为溢出前后反馈波形变化(2π+φ₀或2π-φ₀)，与复位状态1和2正好相反，不再详述。

由上可以看出，复位状态的反馈波形是一种突变状态，且每次陀螺复位导致的反馈波形各不相同。由于Y波导存在电压响应非理想的特性，不同的反馈电压将产生不同的相位响应，故导致陀螺复位时，陀螺光电探测器上的检测信号出现畸变，如图5及图7所示，导致反馈相位φ_FB与Sagnac相移φ_s出现偏差，从而产生了陀螺的复位误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法，该方法通过对光纤陀螺中的阶梯波2π复位状态进行检测，只保留一对固定的复位状态，从而抑制了光纤陀螺中复位带来的误差。

本发明所采用的技术方案是提出一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法，包括以下步骤：

S1、选定固定复位状态：选取原则是复位引起的相移尽可能的接近于非复位状态；因此将与非复位状态之间的相移小的复位状态，作为固定复位状态；上述固定复位状态为±(2π-φ₀)复位状态；

S2、定义阶梯波发生器，控制陀螺仅在固定复位状态下实现复位；

S21、定义2π复位数字量为2ⁿ，对应阶梯波发生器step的位数为n+1位；

S22、实时监测方波调制信号，判断方波调制信号及反馈相移φ_FB的正负；

S23、当反馈相移φ_FB为正且方波调制信号为-φ₀/2时(即当前状态为选定的固定复位状态)，允许阶梯波发生器发生2π复位；或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为+φ₀/2时(即当前状态为选定的固定复位状态)，允许阶梯波发生器发生2π复位；

累加复位公式为：

φ_step[n:0]＝{φ_step[n-1]+φ_step[n-1:0]}+φ_FB

其中，φ_step[n-1]为阶梯波发生器的第n位，φ_step[n-1:0]为阶梯波发生器的低n位，φ_FB为反馈相移；

S24、当反馈相移φ_FB为正且方波调制信号为+φ₀/2时(即当前状态不为选定的固定复位状态)，则不允许阶梯波发生器发生2π复位；或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为-φ₀/2时(即当前状态不为选定的固定复位状态)，则不允许阶梯波发生器发生2π复位；

阶梯波step继续累加，完成n+1位阶梯波累加，而阶梯波寄存器不发生溢出；直至符合步骤S23的条件，进行复位，累加复位公式为：

φ_step[n:0]＝φ_step[n:0]+φ_FB；

其中，φ_step[n:0]为阶梯波发生器的所有n+1位，φ_FB为反馈相移。

本发明的有益效果是：

本发明光纤陀螺的复位状态限定为一种，且选定的固定复位状态对应的复位引起的相移尽可能的接近于非复位状态；固定复位状态调制相位越接近非复位状态，与非复位状态±φ₀相比，调制电压变化越小，从而有效的消除了陀螺的复位误差。

附图说明

图1为数字闭环光纤陀螺原理图；

图2为方波调制及输出信号；

图3为复位状态1；

图4为复位状态2；

图5为复位状态比较；

图6为本发明流程图；

图7为复位信号与检测信号。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法，实现过程如图6所示：

1、选定固定复位状态；

由技术背景中分析可知，当陀螺处于非复位状态时，施加给Y波导的调制信号为±φ₀/2的方波；当陀螺处于复位状态时，施加给Y波导的调制信号为±(2π+φ₀)和±(2π-φ₀)四种复位状态；

陀螺中调制方波±φ₀的幅值为π/2≤φ₀＜π，如图5所示。

由图5可知，±(2π-φ₀)复位状态与非复位状态±φ₀相比，调制电压变化较小，而且随着调制深度加深(φ₀增大)，复位状态调制相位越接近非复位状态。故可选择±(2π-φ₀)为固定复位状态。

2、定义阶梯波发生器，将反馈相移φ_FB进行第二次累加积分，形成阶梯波，同时利用自身寄存器位数实现自动溢出(即2π复位)。若定义2π复位数字量为2ⁿ，在传统方法中，对应阶梯波发生器(step)的位数为n次，本发明为实现只在固定复位状态下复位，将阶梯波发生器(step)的位数定义为n+1次。

3、阶梯波累加积分，判断调制方波状态及反馈相移φ_FB的正负，采用不同的累加策略：

(a)当调制方波状态为-φ₀/2且反馈相移φ_FB为正，或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为+φ₀/2时，允许阶梯波发生器发生2π复位；此状态允许阶梯波发生器(step)发生2π复位即数字量为2ⁿ溢出，但由于阶梯波发生器(step)的位数定义为n+1次，需采取特殊处理，具体方法为：阶梯波(step)构造新变量，

即阶梯波(step)的低n位保留，最高位用阶梯波(step)的第n位进行扩位，将该变量

和φ_FB进行累加，，并赋值给阶梯波(step)，从而实现了2ⁿ自动溢出，即正常复位状态，公式可表示为：

其中，φ_step[n-1]为阶梯波发生器的第n位，φ_step[n-1:0]为阶梯波发生器的低n位，φ_FB为反馈相移；

(b)当调制方波状态为+φ₀/2反馈相移φ_FB为正，或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为-φ₀/2时，此状态不允许阶梯波(step)发生2π复位，所以阶梯波(step)采用全部n+1位进行累加，故当阶梯波(step)数字量超过2ⁿ并不会发生溢出，而是继续向上或向下累加。直到满足a条件时，阶梯波累加策略变为(a)，发生溢出，且2π复位数字量仍等于2ⁿ；

φ_step[n:0]＝φ_step[n:0]+φ_FB

其中，φ_step[n:0]为阶梯波发生器的所有n+1位，φ_FB为反馈相移。

Claims (1)

1.一种抑制数字闭环光纤陀螺复位误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选定固定复位状态：

将与非复位状态之间的相移小的复位状态，作为固定复位状态；所述固定复位状态为±(2π-φ₀)复位状态；

S2、定义阶梯波发生器，控制陀螺仅在固定复位状态下实现复位；

S21、定义2π复位数字量为2ⁿ，对应阶梯波发生器step的位数为n+1位；

S22、实时监测方波调制信号，判断方波调制信号及反馈相移φ_FB的正负；

S23、当反馈相移φ_FB为正且方波调制信号为-φ₀/2时，允许阶梯波发生器发生2π复位；或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为+φ₀/2时，允许阶梯波发生器发生2π复位；

累加复位公式为：

φ_step[n:0]＝{φ_step[n-1]+φ_step[n-1:0]}+φ_FB

其中，φ_step[n-1]为阶梯波发生器的第n位，φ_step[n-1:0]为阶梯波发生器的低n位，φ_FB为反馈相移；

S24、当反馈相移φ_FB为正且方波调制信号为+φ₀/2时，则不允许阶梯波发生器发生2π复位；或反馈相移φ_FB为负且方波调制信号为-φ₀/2时，则不允许阶梯波发生器发生2π复位；

阶梯波step继续累加，完成n+1位阶梯波累加，而阶梯波寄存器不发生溢出，直至符合步骤S23的条件，进行复位，累加复位公式为：

φ_step[n:0]＝φ_step[n:0]+φ_FB；

其中，φ_step[n:0]为阶梯波发生器的所有n+1位，φ_FB为反馈相移。

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