CN111044027B - 使用开环光纤陀螺仪信号处理电路进行信号解调的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用单片高精度阻抗变换系统的开环光纤陀螺信号处理电路。开环光纤陀螺的光学部分和光电转换部分由宽谱光源、光源耦合器、起偏器、环耦合器、相位调制器、光纤传感环、光电探测器组成,与传统结构一致;本发明的信号处理电路将原本用于阻抗测量的单片高精度阻抗变换系统用作陀螺信号处理主要电路:利用其内部的直接数字频率合成器DDS获得高精度的正弦调制波,以获得低畸变的相位调制;利用其内部的高阻放大器将光电探测器的光电流信号直接变为电压值;利用其内部的高速模拟数字变换ADC‑数字傅里叶变换DTF模块,获得陀螺的角速度信息;利用其内部的温度传感器获得陀螺的角速度随温度变化的校正。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪,尤其涉及一种使用开环光纤陀螺仪信号处理电路进行信号解调的方法。
背景技术
干涉型光纤陀螺仪的Sagnac效应信号一般都比较微弱,干涉后的光信号到达探测器的光功率一般都非常小,一个典型值是10uW。这个数量级的光信号经过光电转换后有用的信号幅度基本上是10uA量级,但是探测器的输出噪声很大,因此需要对所获电信号进行信号处理。一个可行方案是给光纤陀螺施加一个相位偏置,使得陀螺工作在灵敏度较高的点上。干涉式光纤陀螺仪由于施加的调制不同以及系统控制不同,分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪。其中,开环光纤陀螺仪一般对光纤环施加正弦波相位调制,对光电转换得到的信号直接进行解调得到Sagnac相移,进一步得到角速度。
开环光纤陀螺所测量的线性范围比较小,外界的各种误差都会直接影响陀螺的性能,由于其成本较为低廉,在民用领域有较大的应用空间。但传统的开环光纤陀螺信号处理电路中的电子单元众多,调试困难,调制正弦波的精度较差,微弱光电流-电压转换电路容易振荡,调试困难,在主电路中通常使用锁相放大器,而锁相放大器中的乘法器和积分器分为模拟电路和数字电路,前者零偏受温度湿度影响很大,后者受陀螺信号与参考信号之间的相位差影响,也是温度的函数,从而导致最终得到陀螺输出的结果不准确,不适用于精度要求高的场合。此外,温度会很大程度地影响陀螺的稳定性和刻度因素,需要另加温度传感器,温度传感器反应有滞后,也不能及时修正温度对陀螺输出影响。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种使用单片高精度阻抗变换系统的开环光纤陀螺信号处理电路,可以高精度地获得转速信息,并可以对陀螺输出做温度修正。
本发明具体采用如下技术方案:
一种使用单片高精度阻抗变换系统的开环光纤陀螺仪信号处理电路,包括开环光纤陀螺仪、主电路、峰值检测电路、调制深度控制电路和单片机,所述单片机与上位机连接;
所述开环光纤陀螺仪包括光源耦合器、起偏器、环耦合器、光纤传感环和光电探测器;所述宽谱光源的输出端口和光电探测器的接收端口分别与光源耦合器同一侧的两个端口光纤连接,光源耦合器另一侧的一个端口与起偏器的输入端口连接,起偏器的输出端口与环耦合¬器的一个输入端口连接,环耦合器第一输出端口和第二输出端口分别与光纤传感环连接;
所述主电路包括相位调制器、增益控制电路和单片高精度阻抗变换系统;所述相位调制器安装在光纤传感环和环耦合器的第二输出端口之间的光路上,相位调制器通过增益控制电路与单片高精度阻抗变换系统连接,所述增益控制电路由单片机控制;所述的单片高精度阻抗变换系统包括直接数字频率合成器、温度传感器和按照信号传输方向顺次连接的高阻放大器、放大器及低通滤波器、以及模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块,其中单片高精度阻抗变换系统中的高阻放大器的输入端口与光电探测器的输出端口连接,模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块的输出端口与单片机双向连接;所述直接数字频率合成器用于产生高精度的相位调制正弦波,并将正弦波通过增益控制电路传输到相位调制器,同时将正弦波输入到模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块;单片高精度阻抗变换系统内部的温度传感器用于修正角速度值的温度依赖性;
所述峰值检测电路和调制深度控制电路的输入端口均与所述高阻放大器的输出端口连接,峰值检测电路的输出端口与单片机或者宽谱光源连接,调制深度控制电路的输出端口与增益控制电路连接。
本发明具备的有益效果:本发明采用的单片高精度阻抗变换系统内部包括各个子系统:直接数字频率合成器DDS、温度传感器、高阻放大器、放大器及低通滤波器、以及模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块ADC-DTF;
1. 采用DDS产生正弦波电路,与传统的模拟正弦波电路相比,具有极高的频率稳定性,很低的谐波成分,而畸生谐波对开环陀螺的零偏会造成很大误差;
2. 使用高阻放大器完成微弱光电流与电压的转换,与容易振荡、调试困难的传统独立单元流压转换相比,易于调试,受干扰小;
3. 利用ADC-DTF模块实现锁相放大的乘法部分功能,与传统的模拟乘法器相比,计算速度极快,具有极好的零偏稳定性,而零偏稳定性对陀螺而言往往是首要指标;
4. 采用温度传感器修正温度对陀螺输出的影响,大大降低角速度值的温度依赖性;
本发明主电路上的高精度阻抗变换系统集成在一块芯片上,体积小、功能强,大大提高了陀螺的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明的开环光纤陀螺信号处理电路结构示意图;
图2为单片机12控制单片高精度阻抗变换系统8的流程图。
具体实施方式
如图1所示,本发明涉及的本发明的开环光纤陀螺信号处理电路包括宽谱光源1、光源耦合器2、起偏器3、环耦合器4、光纤传感环5、相位调制器6、光电探测器7、高精度阻抗变换系统8、峰值检测电路9、调制深度控制电路10、增益控制放大器11、单片机12。
由宽谱光源1发出的光经光源耦合器2一分为二,其中一束经起偏器3进入环耦合器4一分为二,其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环5、相位调制器6后返回环耦合器4;下光束按逆时针方向经过相位调制器6、光纤传感环5后返回环耦合器4;这两束顺时针光和逆时针光由环耦合器4合成形成干涉,经起偏器3、输入端至光源耦合器2一分为二,其中一束由光电探测器7变为电流信号。
在本发明的一个具体实施中,单片高精度阻抗变换系统8采用模拟器件公司产品AD5933芯片,AD5933及AD5934这类单片高精度阻抗变换系统8原本专门用于无源电子元件的阻抗性能测量,该芯片原有功能为产生一个扫频正弦波加在一个电子元件上,将其响应信号送入放大器,再经过数字傅里叶变换获得实部和虚部数据,从而求出电子元件阻抗的模量和相位。
在本发明的一个具体实施中,用单片机12将单片高精度阻抗变换系统8内部通常用于扫频的DDS模块8-1设定为重复单一频率工作,产生高质量的正弦波调制信号,通过控制增益控制电路11,加到相位调制器6上。由于高精度阻抗变换系统8内部的输入放大器8-2为高阻输入级放大器,固可用于光电流-电压转换电路。由光电探测器7输出的电流信号经过单片高精度阻抗变换系统8内部的高阻放大器8-2变为电压信号,该电压信号经系统8内部放大器及低通滤波器8-3,送入系统8内部的AD采样-DTF变换模块8-4,获得陀螺的角速度信息;该电压信号同时送入环信号峰值检测电路9和调制深度控制电路10;峰值检测电路9输入单片机12消除光强变化对陀螺输出的影响;调制深度控制电路10通过控制增益控制电路11,使得光信号的相位调制深度为一恒定常数。用单片机12读取高精度阻抗变换系统8内部DTF模块8-4的实部存贮的数值(虚部通过调整增益控制电路11的相移置为零)再由单片机12作低通滤波计算,实现锁相放大,再做反正弦计算,输出准确的角速度值,并用单片机12读取高精度阻抗变换系统8内部温度传感器8-5用于数据修正。
图2为单片机12控制单片高精度阻抗变换系统8的流程图,具体实施步骤为:
步骤1:开启开环光纤陀螺仪,从宽谱光源1发出的光返回后由光电探测器7转变为电流信号;
步骤2:单片机和上位机,初始化外部电路,设置初始频率以及电压参数并存入控制寄存器中,将AD5933置于待机模式,向控制寄存器发出以起始频率初始化命令,经过充足的建立时间后,向控制寄存器发出启动频率扫描命令。由单片机12控制直接数字频率合成器8-1按照预设的频率参数产生高精度的相位调制正弦波,并将相位调制正弦波通过增益控制电路11传输到相位调制器6,同时将相位调制正弦波输入到模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4;
步骤3:光电探测器7输出的电流信号经过高阻放大器8-2变为电压信号,电压信号同时送入峰值检测电路9和调制深度控制电路10,峰值检测电路9输出作用于单片机12或者宽谱光源1的反馈信号,以消除光强变化对电压信号的影响,调制深度控制电路10输出作用于增益控制电路11的控制信号,以维持相位调制器6产生的光学相位调制深度为一恒定常数;同时,高阻放大器8-2输出的电压信号经放大器及低通滤波器8-3放大后传输至模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4,模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4根据接收到的放大电压信号及相位调制正弦波进行信号转换,得到转换结果并存储在模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4的状态寄存器中,所述状态寄存器包括实部寄存器和虚部寄存器;
步骤4:在陀螺转动过程中,通过单片机12轮询模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4的实部寄存器和虚部寄存器,在陀螺仪处于一定转速下判断虚部数值是否为零,若是,则执行步骤5,若否,则通过单片机12调整增益控制电路11相位,直到虚部数值变为零;
步骤5:将模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块8-4的实部寄存器中的数值存贮在单片机寄存器中,由单片机12作低通滤波计算、锁相放大和反正弦计算,单片机12同时读取高精度阻抗变换系统8中的温度传感器8-5用于计算结果的修正,最终输出准确的角速度值;
步骤6:向控制寄存器发出重复频率命令,维持直接数字频率合成器8-1按照预设的频率参数持续产生高精度的相位调制正弦波,保证持续稳定地输出最终的角速度值。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种使用开环光纤陀螺仪信号处理电路进行信号解调的方法,所述的开环光纤陀螺仪信号处理电路包括开环光纤陀螺仪、主电路、峰值检测电路(9)、调制深度控制电路(10)和单片机(12),所述单片机与上位机连接;
所述开环光纤陀螺仪包括光源耦合器(2)、起偏器(3)、环耦合器(4)、光纤传感环(5)和光电探测器(7);宽谱光源(1)的输出端口和光电探测器(7)的接收端口分别与光源耦合器(2)同一侧的两个端口光纤连接,光源耦合器(2)另一侧的一个端口与起偏器(3)的输入端口连接,起偏器(3)的输出端口与环耦合器(4)的一个输入端口连接,环耦合器(4)第一输出端口(4-1)和第二输出端口(4-2)分别与光纤传感环(5)连接;
所述主电路包括相位调制器(6)、增益控制电路(11)和单片高精度阻抗变换系统(8);所述相位调制器(6)安装在光纤传感环(5)和环耦合器的第二输出端口(4-2)之间的光路上,相位调制器(6)通过增益控制电路(11)与单片高精度阻抗变换系统(8)连接,所述增益控制电路(11)由单片机(12)控制;所述的单片高精度阻抗变换系统(8)包括直接数字频率合成器(8-1)、温度传感器(8-5)和按照信号传输方向顺次连接的高阻放大器(8-2)、放大器及低通滤波器(8-3)、以及模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4),其中单片高精度阻抗变换系统(8)中的高阻放大器(8-2)的输入端口与光电探测器(7)的输出端口连接,模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4)的输出端口与单片机双向连接;所述直接数字频率合成器(8-1)用于产生高精度的相位调制正弦波,并将正弦波通过增益控制电路(11)传输到相位调制器(6),同时将正弦波输入到模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4);
所述峰值检测电路(9)和调制深度控制电路(10)的输入端口均与所述高阻放大器(8-2)的输出端口连接,峰值检测电路(9)的输出端口与单片机(12)或者宽谱光源(1)连接,调制深度控制电路(10)的输出端口与增益控制电路(11)连接;
其特征在于,所述信号解调的方法包括以下步骤:
1)开启开环光纤陀螺仪,从宽谱光源(1)发出的光返回后由光电探测器(7)转变为电流信号;
2)开启单片机和上位机,初始化外部电路,设置初始频率以及电压参数并存入单片机寄存器中,由单片机(12)控制直接数字频率合成器(8-1)按照预设的频率参数产生高精度的相位调制正弦波,并将相位调制正弦波通过增益控制电路(11)传输到相位调制器(6),同时将相位调制正弦波输入到模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4);
3)光电探测器(7)输出的电流信号经过高阻放大器(8-2)变为电压信号,电压信号同时送入峰值检测电路(9)和调制深度控制电路(10),峰值检测电路(9)输出作用于单片机(12)或者宽谱光源(1)的反馈信号,以消除光强变化对电压信号的影响,调制深度控制电路(10)输出作用于增益控制电路(11)的控制信号,以维持相位调制器(6)产生的光学相位调制深度为一恒定常数;同时,高阻放大器(8-2)输出的电压信号经放大器及低通滤波器(8-3)放大后传输至模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4),模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4)根据接收到的放大电压信号及相位调制正弦波进行信号转换,得到转换结果并存储在模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4)的状态寄存器中,所述状态寄存器包括实部寄存器和虚部寄存器;
4)在陀螺转动过程中,通过单片机(12)轮询模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4)的实部寄存器和虚部寄存器,判断虚部数值是否为零,若是,则执行步骤5),若否,则通过单片机(12)调整增益控制电路(11)相位,直到虚部数值变为零;
5)将模拟数字变换-数字傅里叶变换计算模块(8-4)的实部寄存器中的数值存贮在单片机寄存器中,由单片机(12)作低通滤波计算、锁相放大和反正弦计算,单片机(12)同时读取高精度阻抗变换系统(8)中的温度传感器(8-5)用于计算结果的修正,最终输出准确的角速度值。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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