CN113739783A - 一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法，抑制系统包括宽谱光源、光纤干涉仪、PIN光电二极管、温度传感器和信号处理电路，所述信号处理电路至少包括I/V转换电路、高速模拟开关电路、主控芯片（或其它主控芯片）和反馈驱动电路。本发明在设计中采用了单独的PIN光电二极管器件，有效抑制陀螺干涉信号中梳状脉冲带来的振铃效应，并且根据光纤陀螺中光纤环的温度变化信息，对高速模拟开关电路的采样的开关门限和采样点分布进行调整，使得被采样的信号一直处在稳定区域，进而有效抑制了温度漂移误差和角振动、冲击误差，大幅度提升光纤陀螺产品的工程化性能。

Description

一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中的光纤传感领域，更具体地，涉及一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法。

背景技术

光纤陀螺（Fiber Optic Gyroscope）是一种基于光学Sagnac效应的全固态设计角速度传感器，具有可靠性高、精度适应面广等诸多优势,产品在伺服跟踪控制、姿态测量、导航制导等多个方向都有着广泛应用。

光纤陀螺功能实现的基础是通过一种光电转换器件对干涉仪输出光信号的实时探测。目前常用的光电转换器件本质上是一种光纤通信器件，设计上更倾向于对数字信号误码率的控制，本身光纤陀螺的应用需求并不完全匹配，其中比较突出的问题是振铃效应引起的零偏误差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，包括宽谱光源、光纤干涉仪、PIN光电二极管、温度传感器和信号处理电路，所述信号处理电路至少包括I/V转换电路、高速模拟开关电路、低通滤波放大电路、差分运放电路、模/数转换电路、主控芯片、数/模转换电路和反馈驱动电路；

所述温度传感器，用于采集所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息，并传输给主控芯片；所述PIN光电二极管，用于将光纤干涉仪的干涉输出信号转换为电流信号；所述I/V转换电路，用于将所述电流信号转换为电压信号；所述高速模拟开关电路，用于通过通断控制，在时域上滤除梳状脉冲；所述低通放大滤波电路，用于对时域滤波后的电信号进行进一步的低通滤波和增益放大；所述差分运放电路，用于将增益放大后的电信号转换为双端输出；所述模/数转换电路，用于将差分输入的模拟电信号转换为串行或并行的数字信号，输入主控芯片；主控芯片，用于根据光纤陀螺系统参数，生成相位调制波形和反馈波形，通过所述数/模转换电路所述反馈驱动电路作用于所述光纤干涉仪；以及根据所述温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述主控芯片，用于根据所述温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布，包括：计算采集的光纤环的温度值与温度基准值之间的温差值，当所述温差值为负值且达到负向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向调整；当所述温差值为正值且达到正向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行正向调整；其中，在对所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向或者正向调整的过程中，保持闭环增益稳定且光纤陀螺的输出噪声最低，停止调整。

可选的，所述采样点分布包括采样点的位置和采样点的密度。

可选的，所述温度传感器，用于采集所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息，并传输给主控芯片，包括：采用数字温度传感器输入、铂电阻采样输入或者荧光光纤测温输入的方式读取所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息。

根据本发明的第二方面，提供一种光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，抑制方法包括：PIN光电二极管将光纤干涉仪的干涉输出信号转换为电流信号，且经过I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；温度传感器采集光纤干涉仪中光纤环的温度信息，传输给主控芯片；通过高速模拟开关电路的通断控制，在时域上滤除电信号中的梳状脉冲；根据时域滤波后的电信号，主控芯片生成相位调制波形和反馈波形，通过反馈驱动电路作用于光纤干涉仪；主控芯片还根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布。

可选的，还包括：对I/V转换电路的阻容参数进行匹配，使得所述I/V转换电路的输出保持稳定。

可选的，所述主控芯片还根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布，包括：计算采集的光纤环的温度值与温度基准值之间的温差值，当所述温差值为负值且达到负向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向调整；当所述温差值为正值且达到正向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行正向调整；其中，在对所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向或者正向调整的过程中，保持闭环增益稳定且光纤陀螺的输出噪声最低，停止调整。

可选的，所述采样点分布包括采样点的位置和采样点的密度。

本发明提供的一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法，设计了采用单独PIN光电二极管器件光纤陀螺方案，有效抑制了干涉信号中梳状脉冲带来的振铃效应，并根据光纤陀螺中光纤环的温度变化信息，对高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布，使得被采样的信号处在稳定区域，进而有效抑制了温度漂移误差和角振动、冲击误差，大幅度提升光纤陀螺产品的工程化性能。

附图说明

图1为振铃效应示意图；

图2-1为光纤陀螺的梳状脉冲信号示意图，图2-2为图2-1放大后的振铃效应示意图；

图3为本发明提供的一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统的结构示意图；

图4-1为主控芯片对高速模拟开关电路的常规调试结果示意图；

图4-2为主控芯片在变温后对高速模拟开关电路的随动调整结果示意图；

图5为本发明实施例提供的一种光纤陀螺振铃效应误差抑制方法流程图；

图6为根据温度信息对高速模拟开关电路进行调整的示意图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、宽谱光源，2、光纤干涉仪，3、PIN光电二极管，4、I/V转换电路，5、高速模拟开关电路，6、低通放大滤波电路，7、差分运放电路，8、模/数转换电路，9、主控芯片，10、数/模转换电路，11、反馈驱动电路，12、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在对本发明实施例提供的光纤陀螺振铃效应抑制系统进行说明之前，对光纤陀螺的振铃效应以及引起的零偏误差进行介绍。

振铃效应是一种出现在信号快速转换时，边缘附近出现的有一定衰减速度的震荡效应。在时域上，产生振铃效应的原因是因为Sinc函数中的涟波，即为一个完美低通滤波器的脉冲响应。在数学上称为吉布斯现象，其中，振铃效应示意图如图1所示。

光纤陀螺的干涉输出信号中包含幅值较大的梳状脉冲，脉冲本身为无效信号，直接采样会引起很大的解调误差。实际中，采用避开脉冲的方式进行信号采样，以及利用高速模拟开关滤除脉冲信号的方案。但是，因为梳状脉冲引起的振铃效应（谐波分量）会对信号平坦区域产生耦合影响，随着脉冲能量释放，平坦区域出现了系列超调和振荡。

其中，光纤陀螺的梳状脉冲信号见图2-1，梳状脉冲信号引起的振铃效应如图2-2所示。由于光纤陀螺数/模转换电路和反馈驱动电路的非理想性，实际的调制信号并不能保证完全准确的波形比例，而且调制相位变化时产生的上升沿和下降沿时间也不会严格相等，这些都会导致被调制波形的不对称，解调周期内的左右尖峰脉冲不一致，这种信号经采样和解调后就产生了光纤陀螺零偏误差，而且这个对平坦区域的影响范围随工作环境和工作状态而变化的。

首先，在温度变化时，光纤陀螺光纤环的折射率和光纤长度本身都会发生变化，直接导致了光纤干涉仪渡越时间变化，因为调制波形周期未变，干涉输出的脉冲变得展宽，相应振铃效应波及范围也更大，解调后的信号也产生了随温度变化的零偏漂移误差。同时，调制波形随温度的变化也会导致干涉输出脉冲变化。

另外，在角振动和冲击等光纤陀螺直接敏感角加速度的过程中，解调周期内的干涉信号在梳状脉冲（部分）两侧产生半周期的信号上下偏移，左右半个脉冲幅度发生变化，对应振铃效应误差也发生变化。持续的角振动会导致陀螺系统持续无法闭环，脉冲两侧始终有变化的上下偏移信号，引起陀螺振动误差。同样，瞬间的冲击也会引起短暂的光纤陀螺冲击误差。

如果在电路设计上，能够控制原始梳状脉冲振铃效应的产生，则可以从根本上解决由其引起的环境误差问题。

基于此，本发明提供了一种如图3所示的光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，该抑制系统主要包括宽谱光源1、光纤干涉仪2、PIN光电二极管3、I/V转换电路4、高速模拟开关电路5、低通放大滤波电路6、差分运放电路7、模/数转换电路8、主控芯片 9、数/模转换电路10、反馈驱动电路11和温度传感器12，以及其它配置电路等。

其中，温度传感器12，用于采集所述光纤干涉仪2中光纤环的温度信息，并传输给主控芯片 9。其中，可采用数字温度传感器输入、铂电阻采样输入或者荧光光纤测温输入的方式读取所述光纤干涉仪2中光纤环的温度信息。

PIN光电二极管3，用于将光纤干涉仪2的干涉输出信号转换为电流信号；I/V转换电路4，用于将所述电流信号转换为电压信号；高速模拟开关电路5，用于通过通断控制，在时域上滤除梳状脉冲；主控芯片 9，用于根据时域滤波后的电信号，生成相位调制波形和反馈波形，通过所述反馈驱动电路11作用于所述光纤干涉仪2；以及根据所述温度传感器12采集的光纤环的温度信息，调整所述高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布。

其中，光纤陀螺振铃效应误差抑制系统中的各组成部件的功能描述如下：

温度传感器12：采集光纤陀螺的光纤干涉仪2中的光纤环的温度信息，并传输给主控芯片 9。

PIN光电二极管3：采用的PIN光电二极管3本身有3GHz以上的带宽，以及低于0.5pF的结电容，是接近理想的光纤陀螺光电转换器件，本身的振铃效应可以忽略。

I/V转换电路4：PIN光电二极管3本身转换得到的是电流信号，需要转换成更容易采样的电压信号，设计实现I/V转换电路4的同时完成阻抗匹配；通过优选合适的阻容参数配置（与具体转换器件选择相关），调整脉冲衰减部分平缓过渡，避免产生过冲及振荡。可采用高带宽、低噪声的FET输入运算放大器，JFET输入几乎不会产生电流噪声，而放大器本身有出色的带宽、精度和灵敏度。

高速模拟开关电路5：高速模拟开关电路5的作用是利用通断控制，在时域上滤除梳状脉冲，避免在电路信号放大和光路参数变化导致脉冲展宽导致的干涉输出畸变，可选择ADG721或DG612等。

低通放大滤波电路6：对经过高速模拟开关电路5时域滤波后的信号进行增益放大，提高信号信噪比，同时滤除高频信号噪声。

差分运放电路7：信号经差分运放电路7转换为双端输出，可有效抑制共模噪声影响。

模/数转换电路8：差分输入通过模数转换电路变成并行或串行的数字信号，根据精度需求选择转换位数，输入给主控芯片9。

主控芯片9：作为数字信号处理和算法实现的核心器件，主控芯片9可以为FPGA，在主控芯片9中完成信号的调制、信息采样、信号解调、数据积分、闭环增益控制、误差补偿、转速输出和闭环反馈波形的输出等多种功能。其中可实现相位调制波形与反馈阶梯波的数字叠加。其中，主控芯片9根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，对高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行调整。

数/模转换电路10：将主控芯片9的数字输出转换为模拟信号，包括调制波形和反馈波形等。

反馈驱动电路11：将数/模转换电路10输出的波形信号转换成满足要求的作用给光纤干涉仪2。

其中，主控芯片9根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，对高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行调整，具体的调整方法包括：计算采集的光纤环的温度值与温度基准值之间的温差值，当所述温差值为负值且达到负向调整值，将所述高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行负向调整；当所述温差值为正值且达到正向调整值，将所述高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行正向调整；其中，在对所述高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行负向或者正向调整的过程中，保持闭环增益稳定且光纤陀螺的输出噪声最低，停止调整。

可以理解的是，构成光纤干涉仪2的光纤环长度和折射率会随温度变化，导致渡越时间发生变化，由于调制波形与渡越时间出现了不对准的情况，干涉输出信号的梳状脉冲出现了展宽的情况。另外，调制和反馈通道的器件参数（包括数模转换器和驱动电路）变化，以及配置阻容参数的变化，也会导致调制波形边沿发生变化，同样引起梳状脉冲信号的展宽。在温度变化情况下，采用常温调试的时域滤波和采样参数设置已经不合适。因此，本发明实施例根据脉冲展宽随温度的变化，设计了一种时域滤波与采样位置实时调整的处理方案，其中，常规调试结果示意图见图4-1，当光纤环的温度发生变化后，随动调整示意图请见图4-2。

具体的调整方案为，光纤陀螺系统硬件确定的情况下，以温度传感器输入为参考，根据梳状脉冲展宽的变化规律，通过主控芯片9中的程序设计调整开关门限和采样点分布。随着温度变化，梳状脉冲向左展宽，则模拟开关门限向左扩展，采样点向左缩减，对应调整闭环增益。梳状脉冲向右展宽，模拟开关门限向右扩展，采样点向右缩减，对应调整闭环增益。简单来说，就是当采集的光纤环的温度高于基准温度值，则光纤环会膨胀，其脉冲会向两边展宽；当光纤环的温度低于基准温度值，则光纤环会收缩，其脉冲会向中间靠拢，因此，无论是脉冲向两边展宽还是向中间收缩，需要对高速模拟开关电路5的开关门限和采样点分布进行调整，使得采样的信号一直处在稳定区域。

通过这种方案，抑制干涉信号梳状脉冲展宽的影响，通过调整采样点位置和采样点数，使被采样信号一直处在稳定区域。这样既保证常温环境下陀螺能实现低噪声输出，又可以保证温度变化状态下的零偏稳定性。其中，脉冲展宽与模拟开关门限、采样点变化的关系，可以通过计算得到，也可测试和积累的经验得到。

参见图5，提供了本发明实施例的一种光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，包括：温度传感器采集光纤干涉仪中光纤环的温度信息，传输给主控芯片；PIN光电二极管将光纤干涉仪的干涉输出信号转换为电流信号，且经过I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；通过高速模拟开关电路的通断控制，在时域上滤除电信号中的梳状脉冲；根据时域滤波后的电信号，主控芯片生成相位调制波形和反馈波形，通过反馈驱动电路作用于光纤干涉仪；主控芯片还根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布。

具体的，可参见图6，对光纤陀螺振铃效应误差抑制方法进行详细说明，主要包括如下步骤：

（1）结合采用PIN光电二极管器件的光纤陀螺构成示意图，以不引起脉冲信号的超调和振荡为目的，搭建光纤陀螺硬件系统，具体为：

宽谱光源输出接光纤干涉仪，为后者提供基准光波。在干涉仪中完成光干涉后输出接PIN光电二极管器件，完成干涉信号的光电转换。再接I/V转换电路，将光电转换的电流信号转换成易于采样和处理的电压信号。接高速模拟开关电路，高速模拟开关电路的控制门限由主控芯片控制。高速模拟开关电路完成时域滤波后的信号输出给低通放大滤波电路，完成信噪比提升和高频噪声滤波。输出给差分运放电路，进行共模噪声的抑制。输出给AD转换电路，变成并行或串行的数字信号。输出给主控芯片，进行数字信号处理和闭环控制算法的实现。输出给DA转换电路和电平转换电路，进行调制波形和反馈波形的输出，以及转速信号的数字输出。DA转换电路的波形通过驱动电路连接光纤干涉仪，对后者进行相位调制和闭环控制。

对I/V转换电路的阻容匹配参数进行设计，用高速示波器检查I/V转换电路的输出，如果按设计的参数，输出的尖峰脉冲不满足要求，可以调整I/V转换电路的阻容参数，直到I/V转换电路的输出稳定。

（2）结合梳状脉冲展宽的随动调整示意图，以实时调整高速模拟开关的门限和采样点为目的，在主控芯片中设计实现相应的调整程序，具体为：光纤陀螺开机并自检完成后，读取稳定的光纤陀螺内部温度信息，可以为数字温度传感器输入、铂电阻采样输入或荧光光纤测温输入等。

读取的温度与基准温度（可以为25℃或其它设置的温度）相比较作差，判断差值正负。判断差值是否达到调整门限，门限由步进值决定，步进值则由调制波形的发生器同步控制，未达到门限则重复读取陀螺温度数据。如果温度变化达到负向调整门限（此时梳状脉冲向左展宽），则根据计算结果或经验公式，负向调整高速模拟开关的门限以及采样点分布。同样，如果温度变化达到正向调整门限（此时梳状脉冲向右展宽），则负向调整高速模拟开关的门限以及采样点分布。

调整完成后，模拟开关门限和采样点分布锁定。根据采样分布对闭环增益的影响，调整增益控制模块，保障闭环控制的和输出稳定。

本发明实施例提供的一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统及抑制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）利用PIN光电二极管及其后端电路设计，改变了脉冲信号能量释放特性，从根本上抑制了振铃效应影响，拓展了信号的有效采样区间，避免了信号解调引起的零偏误差；

（2）通过温度信息的读取和主控芯片中的程序设计，实现了高速模拟开关的门限和采样点的实时调整，在不影响闭环增益的前提下，实现了变温情况下光纤陀螺零偏稳定性的有效提升。

（3）方案的有益效果还体现在光纤陀螺对振动、冲击等动态环境的适应能力上。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，其特征在于，包括宽谱光源、光纤干涉仪、PIN光电二极管、温度传感器和信号处理电路，所述信号处理电路至少包括I/V转换电路、高速模拟开关电路、低通滤波放大电路、差分运放电路、模/数转换电路、主控芯片、数/模转换电路和反馈驱动电路；

所述温度传感器，用于采集所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息，并传输给主控芯片；

所述PIN光电二极管，用于将光纤干涉仪的干涉输出信号转换为电流信号；

所述I/V转换电路，用于将所述电流信号转换为电压信号；

所述高速模拟开关电路，用于通过通断控制，在时域上滤除梳状脉冲；

所述低通放大滤波电路，用于对时域滤波后的电信号进行进一步的低通滤波和增益放大；

所述差分运放电路，用于将增益放大后的电信号转换为双端输出；

所述模/数转换电路，用于将差分输入的模拟电信号转换为串行或并行的数字信号，输入主控芯片；

主控芯片，用于根据光纤陀螺系统参数，生成相位调制波形和反馈波形，通过所述数/模转换电路和所述反馈驱动电路作用于所述光纤干涉仪；以及根据所述温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，其特征在于，所述主控芯片，用于根据所述温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布，包括：

计算采集的光纤环的温度值与温度基准值之间的温差值，当所述温差值为负值且达到负向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向调整；

当所述温差值为正值且达到正向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行正向调整；

其中，在对所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向或者正向调整的过程中，保持闭环增益稳定且光纤陀螺的输出噪声最低，停止调整。

3.根据权利要求2所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，其特征在于，所述采样点分布包括采样点的位置和采样点的密度。

4.根据权利要求1所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制系统，其特征在于，所述温度传感器，用于采集所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息，并传输给主控芯片，包括：

采用数字温度传感器输入、铂电阻采样输入或者荧光光纤测温输入的方式读取所述光纤干涉仪中光纤环的温度信息。

5.一种基于光纤陀螺振铃效应误差抑制系统的光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，其特征在于，所述光纤陀螺振铃效应误差抑制系统包括宽谱光源、光纤干涉仪、PIN光电二极管、温度传感器和信号处理电路，所述信号处理电路至少包括I/V转换电路、高速模拟开关电路、主控芯片和反馈驱动电路；所述抑制方法包括：

PIN光电二极管将光纤干涉仪的干涉输出信号转换为电流信号，且经过I/V转换电路将电流信号转换为电压信号；

温度传感器采集光纤干涉仪中光纤环的温度信息，传输给主控芯片；

通过高速模拟开关电路的通断控制，在时域上滤除电信号中的梳状脉冲；

根据时域滤波后的电信号，主控芯片生成相位调制波形和反馈波形，通过反馈驱动电路作用于光纤干涉仪；主控芯片还根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布。

6.根据权利要求5所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，其特征在于，还包括：

对I/V转换电路的阻容参数进行匹配，使得所述I/V转换电路的输出保持稳定。

7.根据权利要求6所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，其特征在于，所述主控芯片还根据温度传感器采集的光纤环的温度信息，调整高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布，包括：

计算采集的光纤环的温度值与温度基准值之间的温差值，当所述温差值为负值且达到负向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向调整；

当所述温差值为正值且达到正向调整值，将所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行正向调整；

其中，在对所述高速模拟开关电路的开关门限和采样点分布进行负向或者正向调整的过程中，保持闭环增益稳定且光纤陀螺的输出噪声最低，停止调整。

8.根据权利要求7所述的光纤陀螺振铃效应误差抑制方法，其特征在于，所述采样点分布包括采样点的位置和采样点的密度。

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