CN113252070A - 一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法 - Google Patents

一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法，针对低带宽待测陀螺，利用高带宽基准陀螺，搭建一种双光纤陀螺带宽测试系统，将基准陀螺的输出信号作为待测陀螺的输入信号，对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值，再利用不同测试频率下待测陀螺输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益；根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。该系统对低带宽光纤陀螺实现了快速有效的带宽测试。

Description

一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法
技术领域
本发明属于仪表测试技术领域，特别涉及一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法，利用该测试系统及测试方法能够准确快速地实现低带宽光纤陀螺的带宽测试。
背景技术
光纤陀螺(FOG)作为新一代惯性仪表，具有全固态设计、结构简单、动态范围大、可靠性高等优点，已经广泛应用在惯性导航系统中。频带宽度是光纤陀螺设计的重要指标，反映了陀螺的动态性能，同时成为影响惯性系统精度的一项重要指标，要对其进行快速准确测量。目前，光纤陀螺的带宽测试方法主要有传统角振动台、基于等效角振动、基于模型仿真等方法。常规角振动台的最高角振动频率一般为200Hz～300Hz，输出相对较低，仅满足低带宽光纤陀螺测试。对于大带宽光纤陀螺，可采用基于等效角振动、基于模型仿真等新方法，但需开放陀螺电路或软件。
由上述可知，低带宽光纤陀螺可选择传统角振台的方法，操作简单快捷。此时，低带宽光纤陀螺的运动信号可通过大带宽角速度或加速度传感器获得以作为陀螺的输入信号，与光纤陀螺的输出信号，一起经同步快采测试模块发送至上位机，经同步采集软件，监测并保存传感器及光纤陀螺的输出数据。同步快采测试模块和同步采集软件，兼顾性差，且适用于特定协议的光纤陀螺。对于新协议光纤陀螺，需要更改同步快采测试模块中的硬件电路，需要更改同步采集软件中的代码，实现同步快采功能，所需周期长。
因此，有必要提供一种适用于低带宽光纤陀螺带宽测试的新方法，在不投产测试模块、不增加新测试软件的条件下实施光纤陀螺带宽的快速准确测试。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法，针对带宽相对较低的光纤陀螺，即待测陀螺，利用带宽相对较高的光纤陀螺，即基准陀螺，搭建一种双光纤陀螺带宽测试系统，将基准陀螺的输出信号作为待测陀螺的输入信号，对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值，再利用不同测试频率下待测陀螺输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；同时，根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。该测试系统及测试方法，在不投产测试模块、不增加新测试软件的条件下对低带宽光纤陀螺实现了快速有效的带宽测试，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种双光纤陀螺带宽测试系统，包括基准测试通道、待测测试通道、控制机柜、角振动台和计算机；
所述基准测试通道包括基准陀螺、基准测试线缆、基准电源箱以及基准采集软件，利用基准测试线缆将基准陀螺与基准电源箱和运行基准采集软件的计算机电气连接，实施对基准陀螺的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测陀螺、待测线缆、待测电源箱以及待测采集软件；利用测试线缆将待测陀螺与待测电源箱和运行待测采集软件的计算机电气连接，实施对待测陀螺的供电及数据采集；
所述控制机柜与角振动台电气连接，用于输出特定频率、幅值、相位的正弦振动曲线，实施对角振动台运动状态的控制；所述基准陀螺和待测陀螺刚性固定在角振动台上，且两陀螺的敏感轴与角振动台的敏感轴平行；
所述基准采集软件采集并保存基准陀螺的输出信号，并将其作为待测陀螺的输入信号，待测采集软件采集并保存待测陀螺的输出信号，并将其作为待测陀螺自身的输出信号，对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值；根据不同测试频率下待测陀螺输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；同时，根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
第二方面，一种双光纤陀螺带宽测试方法，包括如下步骤：
S1，搭建第一方面所述的测试系统，设定测试参数；
S2，采用基准采集软件采集并保存基准陀螺的输出信号并将其作为待测陀螺的输入信号，待测采集软件采集并保存待测陀螺的输出信号，并将其作为待测陀螺自身的输出信号；对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值FAm、FBm；
S3，根据不同测试频率下待测陀螺的输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；同时，根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
根据本发明提供的一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法，具有以下有益效果：
本发明提供的一种双光纤陀螺带宽测试系统及测试方法，基于角振动台的双光纤陀螺带宽测试系统，适用于对新协议低带宽光纤陀螺带宽的“短平快”测试。一是无需增加同步快采模块、无需编写同步快采软件，只需要一只高带宽的光纤陀螺即可。二是无需开放待测陀螺的任何硬件、软件部分，产品保护性好。三是双陀螺带宽测试，测量分辨率相当，保证真实信号可信度，且测量信息一致，无需数学转换。
附图说明
图1为本发明一种优选实施方式中双光纤陀螺带宽测试系统的连接示意图；
图2为待测光纤陀螺带宽测试流程图；
图3为一实施例中10Hz频率点下高带宽陀螺输出及拟合曲线；
图4为一实施例中10Hz频率点下低带宽陀螺输出及拟合曲线；
图5为一实施例中待测陀螺幅频拟合曲线。
附图标号说明
1-控制机柜，2-角振动台，3-滑环，4-计算机，5-继电器，6-基准陀螺，7-基准角振动工装，8-基准测试线缆，9-基准电源箱，10-基准采集软件，11-待测陀螺，12-待测角振动工装，13-待测线缆，14-待测电源箱，15-待测采集软件。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种双光纤陀螺带宽测试系统，如图1所示，包括基准测试通道、待测测试通道、控制机柜1、角振动台2、计算机4和继电器5；
所述基准测试通道包括基准陀螺6、基准测试线缆8、基准电源箱9以及基准采集软件10，利用基准测试线缆8将基准陀螺6与基准电源箱9和运行基准采集软件10的计算机4电气连接，实施对基准陀螺6的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测陀螺11、待测线缆13、待测电源箱14以及待测采集软件15；利用测试线缆13将待测陀螺11与待测电源箱14和运行待测采集软件15的计算机4电气连接，实施对待测陀螺11的供电及数据采集；
所述控制机柜1与角振动台2电气连接，用于输出特定频率、幅值、相位的正弦振动曲线实施对角振动台2运动状态的控制；所述基准陀螺6和待测陀螺11刚性固定在角振动台2上，且两陀螺的敏感轴与角振动台2的敏感轴平行，以准确敏感角振动台2的振动信息；为了尽量同步两陀螺的输出信息，采用计算机4对继电器5发送指令，利用继电器5对基准电源箱9和待测电源箱14进行通断控制，以对两陀螺同时进行通断电；
如图2所示，所述基准采集软件10采集并保存基准陀螺6的输出信号，并将其作为待测陀螺11的输入信号，待测采集软件15采集并保存待测陀螺11的输出信号，并将其作为待测陀螺11自身的输出信号，采用公式(1)对待测陀螺11的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值FAm、FBm；具体地：对角振动台施加频率w1,w2,w3,…,wm，幅值F1,F2,F3,…,Fm的正弦振动，则每个频率点下光纤陀螺的输出满足如下公式(1)：
Figure BDA0003029063800000051
Fo——光纤陀螺仪在t时刻的输出值，单位为最低有效位(LSB或者pluse)；
Fm——光纤陀螺仪输出的单边幅值，单位为最低有效位(LSB或者pluse)；
ω——角振动角频率，单位为赫兹(Hz)；
φout——光纤陀螺仪输出的初始相位，单位为弧度(rad)；
t——光纤陀螺的通电后的某个时刻。
根据不同测试频率下待测陀螺11输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；
同时，根据待测陀螺11的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺11的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
在一种优选的实施方式中，所述待测陀螺11的带宽＜50Hz，特点即是带宽低；所述基准陀螺6的带宽为待测陀螺11的四倍及以上，特点即是带宽相对较高。将高带宽基准陀螺和低带宽待测陀螺刚性固定在角振动台上，且保证两敏感轴与角振动台敏感轴一致，采用高带宽基准陀螺的输出信息作为待测陀螺的输入信号的方式，在保证待测陀螺输入信号高准确度的同时，无须增加任何硬件成本、无须改变任何软件协议，提高了测试覆盖性和测试效率。
在一种优选的实施方式中，所述基准陀螺6和待测陀螺11分别通过基准角振动工装7和待测角振动工装12安装在角振动台2上，以防止振动过程对陀螺的损伤，所述基准角振动工装7和待测角振动工装12均为框体结构，框体内部设置有与陀螺安装孔对应的定位孔，陀螺置于框体内部后通过对准定位孔和安装孔并穿设螺纹连接件实施安装。进一步地，所述基准角振动工装7和待测角振动工装12上束缚有压条，通过穿设压条并进入角振动台2的螺纹连接件，将基准角振动工装7和待测角振动工装12安装在角振动台2上。
在一种优选的实施方式中，为了防止振动过程中线缆受力、缠绕，所述测试线缆13通过滑环3转接测试电源箱14和计算机4，所述基准线缆8通过滑环3转接基准电源箱9和计算机4。
根据本发明的第二方面，提供了一种双光纤陀螺带宽测试方法，包括如下步骤：
S1，搭建第一方面所述的测试系统，设定测试参数如基准陀螺和待测陀螺的通断电时间；
测试系统搭建完成后，实施对所有设备、线缆的安装检查。如对角振动台实施检查，确保角振动台满足最大频率不小于100Hz，水平误差不大于30″，角加速度不小于1000°/s2。对基准陀螺和待测陀螺实施安装检查，保证用力晃动陀螺，无松动现象。
测试系统搭建完成后，实施电气连接正确性检查。具体地：通过万用表测量基准电源箱和待测电源箱的正极与接地(如“+5V”与“GND”)之间的电阻，负极与接地(如“-5V”与“GND”)之间的电阻，满足要求后，设置待测采集软件和测试采集软件、继电器通断时间，开启电源箱，监测基准陀螺和待测陀螺的输出信号，计算陀螺均值和标准差，满足要求后，开始试验测试。
基准陀螺和待测陀螺的通电时间设定为不低于30s，断电时间设定为不低于1min。两陀螺断电时间内，完成对角振动台运动状态的设定如角振动台的频率、幅值、相位，角振动台起振直至振动平稳时对陀螺通电。根据实际情况，可以修改通断电时间。优选地，试验中控制机柜输出的测试频率由低到高，幅值的设定由大到小，测试频率和幅度满足陀螺输出始终处于正常状态，进而测得不同运动状态下两陀螺的运动数据。
S2，获取幅值信息：采用基准采集软件采集并保存基准陀螺的输出信号并将其作为待测陀螺的输入信号，待测采集软件采集并保存待测陀螺的输出信号，并将其作为待测陀螺自身的输出信号；采用公式(1)对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值FAm、FBm；具体地：
对角振动台施加频率w1,w2,w3,…,wm，幅值F1,F2,F3,…,Fm的正弦振动，则每个频率点下光纤陀螺的输出(角速度)满足如下公式(1)：
Figure BDA0003029063800000071
式中：
Fo——光纤陀螺仪在t时刻的输出值，单位为最低有效位(LSB或者pluse)；
Fm——光纤陀螺仪输出的单边幅值，单位为最低有效位(LSB或者pluse)；
ω——角振动角频率，单位为赫兹(Hz)；
φout——光纤陀螺仪输出的初始相位，单位为弧度(rad)；
t——光纤陀螺的通电后的某个时刻。
进一步地，为了消除安装位置不同带来的影响，对基准陀螺和待测陀螺各频率下的幅值进行归一化处理，见公式(2)和(3)：
Figure BDA0003029063800000072
Figure BDA0003029063800000073
式中：
F’Am、F’Bm——输入信号和输出信号归一化后各频率对应的幅值；
FAm、FBm——输入信号和输出信号归一化前各频率对应的幅值；
FA1、FB1——输入信号和输出信号归一化前角振动台允许的最低频率对应的幅值。
S3，根据不同测试频率下待测陀螺(11)输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G，见公式(4)和(5)；
Figure BDA0003029063800000081
或，幅值经归一化处理时，幅值增益为：
Figure BDA0003029063800000082
式中：G——幅值增益。
根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
光纤陀螺的传递函数，可以表示为一阶惯性环节和延迟环节的串联，见公式(6)：
Figure BDA0003029063800000083
式中：G(s)—传递函数；K—直流增益；T—时间常数；s—s域算子；Td—延迟时间，单位为秒(s)。
根据光纤陀螺仪的传递函数可以得到幅频特性，见公式(7)：
Figure BDA0003029063800000084
式中：G—幅值增益；K—直流增益；T—时间常数。
利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，具体计算过程如下：
Figure BDA0003029063800000085
简写为公式(9)：
Yn×1＝Xn×2·B2×1 (9)
用最小二乘法可以求得系数矩阵B，见公式(10)：
B＝(XTX)-1XTY (10)
根据系数矩阵B可求得时间常数T，见公式(11)：
Figure BDA0003029063800000091
根据光纤陀螺仪时间常数T，利用公式(12)进而得到频带宽度Bw：
Figure BDA0003029063800000092
采用本发明所述的测试系统和测试方法对低带宽光纤陀螺(带宽＜50Hz)实施带宽测试。其中，通电时间设定为30s，断电时间设定为1min，试验设定频率及幅值见表1，频率从1Hz增大到45Hz，幅值从1°减小到0.05°，共19个点。以频率10Hz，幅值1°为例，基准陀螺的输出信号及拟合曲线见图3，待测陀螺的输出信号及拟合曲线见图4。从图3可以看出基准陀螺的带宽大、采样频率快，对实际角振动状态的跟踪能力强，可作为待测陀螺的输入信号。从图4可以看出待测陀螺的带宽小、采样频率慢，对实际角振动状态的跟踪能力弱。利用输出信号与输入信号的比值，得到待测陀螺的幅频曲线并做对数坐标处理见图5。从图5可以看出，随着频率的增加，比值在不断减小，对实测值拟合的曲线向下弯，一定存在某个频率点，待测陀螺无法响应外界的输入。
利用上述测试系统及测试方法，获得待测陀螺的带宽为48.5Hz，与其设计指标一致。验证了测试系统及测试方法的有效性。
表1试验设定频率及幅值
Figure BDA0003029063800000093
Figure BDA0003029063800000101
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，包括基准测试通道、待测测试通道、控制机柜(1)、角振动台(2)和计算机(4)；
所述基准测试通道包括基准陀螺(6)、基准测试线缆(8)、基准电源箱(9)以及基准采集软件(10)，利用基准测试线缆(8)将基准陀螺(6)与基准电源箱(9)和运行基准采集软件(10)的计算机(4)电气连接，实施对基准陀螺(6)的供电及数据采集；所述待测测试通道包括待测陀螺(11)、待测线缆(13)、待测电源箱(14)以及待测采集软件(15)；利用测试线缆(13)将待测陀螺(11)与待测电源箱(14)和运行待测采集软件(15)的计算机(4)电气连接，实施对待测陀螺(11)的供电及数据采集；
所述控制机柜(1)与角振动台(2)电气连接，用于输出特定频率、幅值、相位的正弦振动曲线，实施对角振动台(2)运动状态的控制；所述基准陀螺(6)和待测陀螺(11)刚性固定在角振动台(2)上，且两陀螺的敏感轴与角振动台(2)的敏感轴平行；
所述基准采集软件(10)采集并保存基准陀螺(6)的输出信号，并将其作为待测陀螺(11)的输入信号，待测采集软件(15)采集并保存待测陀螺(11)的输出信号，并将其作为待测陀螺(11)自身的输出信号，对待测陀螺(11)的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值；根据不同测试频率下待测陀螺(11)输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；同时，根据待测陀螺(11)的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺(11)的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
2.根据权利要求1所述的双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，所述待测陀螺(11)的带宽＜50Hz，所述基准陀螺(6)的带宽为待测陀螺(11)的四倍及以上。
3.根据权利要求1所述的双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括继电器(5)，所述计算机(4)对继电器(5)发送指令，利用继电器(5)对基准电源箱(9)和待测电源箱(14)进行通断控制，以对两陀螺同时进行通断电。
4.根据权利要求1所述的双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，所述基准陀螺(6)和待测陀螺(11)分别通过基准角振动工装(7)和待测角振动工装(12)安装在角振动台(2)上，所述基准角振动工装(7)和待测角振动工装(12)均为框体结构，框体内部设置有与陀螺安装孔对应的定位孔，陀螺置于框体内部后通过对准定位孔和安装孔并穿设螺纹连接件实施安装。
5.根据权利要求4所述的双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，所述基准角振动工装(7)和待测角振动工装(12)上束缚有压条，通过穿设压条并进入角振动台(2)的螺纹连接件，将基准角振动工装(7)和待测角振动工装(12)安装在角振动台(2)上。
6.根据权利要求1所述的双光纤陀螺带宽测试系统，其特征在于，所述测试线缆(13)通过滑环(3)转接测试电源箱(14)和计算机(4)，所述基准线缆(8)通过滑环(3)转接基准电源箱(9)和计算机(4)。
7.一种双光纤陀螺带宽测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，搭建权利要求1至6之一所述的测试系统，设定测试参数；
S2，采用基准采集软件采集并保存基准陀螺的输出信号并将其作为待测陀螺的输入信号，待测采集软件采集并保存待测陀螺的输出信号，并将其作为待测陀螺自身的输出信号；对待测陀螺的输入信号和输出信号分别进行正弦曲线拟合，利用最小二乘法获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值FAm、FBm；
S3，根据不同测试频率下待测陀螺的输入信号和输出信号的幅值比，得到各测试频率下对应的幅值增益G；同时，根据待测陀螺的传递函数公式得到的幅频特性公式，结合得到的各测试频率下对应的幅值增益G，利用最小二乘法拟合获得待测陀螺的时间常数T，最后根据光纤陀螺的带宽公式，代入时间常数T即获得光纤陀螺的带宽。
8.根据权利要求7所述的双光纤陀螺带宽测试方法，其特征在于，步骤S1中，测试参数包括基准陀螺和待测陀螺通断电时间的设计，基准陀螺和待测陀螺的通电时间设定为不低于30s，断电时间设定为不低于1min。
9.根据权利要求7所述的双光纤陀螺带宽测试方法，其特征在于，步骤S2中，获得输入信号和输出信号在各个频率下的幅值FAm、FBm后，对各频率下的幅值进行归一化处理。
10.根据权利要求9所述的双光纤陀螺带宽测试方法，其特征在于，步骤S3中，所述不同测试频率下待测陀螺的输入信号和输出信号的幅值比采用归一化处理后的幅值获得。
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