CN117647240A - 一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置及方法，通过使用模数转换器和FPGA数字信号处理器取代传统的相敏解调器模拟电路，使用数字处理检波取代了模拟乘法检波，从而减少了因模拟电路带来的噪声以及缓慢漂问题，取得了高信噪比，可以精确地计算出光纤陀螺仪的角速度。
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺仪领域，尤其是涉及一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置及方法。
背景技术
光纤陀螺信号检测方法可分为开环检测方法和闲环检测方法。干涉型开环光纤陀螺信号检测首先是通过交变的相位调制，得到一个稳定的π/2相位偏置，实现测量的最大灵敏度，再基于相敏检测原理，将被测信号与参考信号经相敏检测器相乘实现频谱的迁移,采用低通滤波器滤除高频项，从而获得陀螺的输出。
典型的开环光纤陀螺的结构如图 1所示，该光路结构的最大特点是全光纤结构。由光源发出的光经光纤耦合器 1 和光纤偏振器到达光纤耦合器 2，在光纤耦合器 2处分为两束，两束光在光纤线圈中沿顺、逆时针方向相向传输，在传输过程中两束光分别被压电陶瓷相位调制器调制，然后返回到光纤耦合器 2，再经光纤偏振器到达光纤耦合器 1，通过光纤耦合器 1 的分束作用，一部分光到达探测器。干涉光信号经过光电探测器转换为微弱的电流信号，此信号再经过前置放大器进行低噪声放大，并转化为电压信号，对该信号进行滤波后由开环相敏检测电路实现对 Sagnac 相位差的检测。
由于典型的开环光纤陀螺其对于微弱的直流或慢变有用信号，为了消除陀螺信号通路中的1/f噪声以及缓慢漂 (包括温漂移、时间漂移等)，需要利用调制解调的方法进行检测。但由于调制后的信号通常也比较微弱，为获得高信噪比，需要对相关检测方法进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是怎样去除两束光的光程因素，快速精确地计算出光纤陀螺仪的角速度，提出了一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置，包括前置放大器、滤波器、信号发生器、增益相位调整器，采样保持电路、模数转换器、FPGA数字信号处理器；
所述前置放大器用于对被检测信号进行放大；所述滤波器用于对放大后的被检测信号进行滤波；
所述信号发生器用于产生参考信号，所述增益相位调整器用于对参考信号进行增益和相位裕度调整；
将滤波后的被检测信号与进行增益和相位裕度调整后的参考信号分别输入所述采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号，然后输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
进一步地，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。
进一步地，所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。
进一步地，所述正交比例算法是：
两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
本发明还提供了一种对光纤陀螺信号进行相敏检测的方法，使用一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置，包括以下步骤：
步骤1：将被检测信号输入前置放大器放大后输入滤波器进行滤波；
步骤2：信号发生器产生参考信号后输入增益相位调整器进行增益和相位裕度调整；
步骤3：将滤波后的被检测信号与进行增益和相位裕度调整后的参考信号分别输入采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号；
步骤4：将数字被检测信号和数字参考信号输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
进一步地，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。
进一步地，所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。
进一步地，所述正交比例算法是：
两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置及方法，通过使用模数转换器和FPGA数字信号处理器取代传统的相敏解调器模拟电路，使用数字处理检波取代了模拟乘法检波，从而减少了因模拟电路带来的噪声以及缓慢漂问题，取得了高信噪比，可以精确地计算出光纤陀螺仪的角速度。
同时为了使用FPGA芯片这种数字信号处理器，最重要的是怎样实现检波算法，而本发明通过发现两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系经过一系列的数学处理，可以得到被测电压信号的角速度，利用这种特点，使得使用数学方法来求解角速度成为可能，从而可以使用在FPGA芯片上加载数学处理方法，进而可以克服模拟检测系统的温漂的弱点，算法在FPGA上的实现提高了系统的灵敏度，上述算法满足宽线性动态范围的要求。使用FPGA检波代替模拟乘法检波，可实现陀螺输出误差的实时补偿。
附图说明
图1为开环光纤陀螺的结构示意图；
图2为相敏检波装置的结构示意图；
图3为正交比例算法原理示意图；
图4为相敏检波方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
相关检测技术基于信号和噪声的统计特性，利用信号的周期性和噪声的随机性实现微弱信号的检测。确定性信号在不同时刻的取值一般具有较强的相关性，而对于干扰噪声，由于其随机性较强不同时刻的取值相关性较差。叠加了噪声的信号u1(t),当时延τ较大时，随机噪声项的自相关函数趋于零，因而自相关函数 u2(t)主要表现了确定性信号的特征，由此就可以把噪声中的有用信号提取出来相关检测可以检测不同时刻两路信号的相关情况，而相敏检测（也称相敏检波） 只检测同一时刻两路信号的相关情况。因此，从某种意义上说，相敏检测是相关检测的一种特例。
实施例一：
图1示出了本发明一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置的具体实施例，包括前置放大器、滤波器、信号发生器、增益相位调整器，采样保持电路、模数转换器、FPGA数字信号处理器。
所述前置放大器用于对被检测信号进行放大；所述滤波器用于对放大后的被检测信号进行滤波。
所述信号发生器用于产生参考信号，所述增益相位调整器用于对参考信号进行增益和相位裕度调整。
将滤波后的被检测信号和进行增益和相位裕度调整后到的参考信号分别输入所述采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号，然后输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
本实施例中，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。所述正交比例算法是：
如图2所示，幅度及相位检测的目的为测量出经过信号调理后两路信号的幅值比与相位差，其中标准的幅值与相角是已知的，即求出了被测阻抗的幅值与相角，或可转化为实部与虚部，正交比例算法由混频器、正交信号发生器和低通滤波器LPF组成。两个被测交流电压信号和/>，本实施例中，被测交流电压信号/>是被检测电压信号，被测交流电压信号/>是信号发生器产生的参考信号，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；两个被测交流电压信号和/>的幅值A、B和相角ω是已知的；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考正交坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
由于使用模拟乘法检波，容易因模拟电路带来的噪声以及缓慢漂问题带来高信噪比，为了精确地计算出光纤陀螺仪的角速度，使用FPGA芯片这种数字信号处理器可以克服模拟检测系统的温漂的弱点，但是最重要的是怎样实现检波算法，而本发明通过发现两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系经过一系列的数学处理，可以得到被测电压信号的角速度，利用这种特点，使得使用数学方法来求解角速度成为可能，从而可以使用在FPGA芯片上加载数学处理方法，在FPGA芯片上实现了系统灵敏度的提高，上述算法满足宽线性动态范围的要求。使用FPGA检波代替模拟乘法检波，可实现陀螺输出误差的实时补偿。
实施例二
图3示出了本发明本发明还提供了一种对光纤陀螺信号进行相敏检测的方法具体实施例，使用一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置，包括以下步骤：
步骤1：将被检测信号输入前置放大器放大后输入滤波器进行滤波；
步骤2：信号发生器产生参考信号后输入增益相位调整器进行增益和相位裕度调整；
步骤3：将滤波后的被检测信号与进行增益和相位裕度调整后的参考信号分别输入采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号；
步骤4：将数字被检测信号和数字参考信号输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
本实施例中，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。所述正交比例算法是：
两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
为了精确地计算出光纤陀螺仪的角速度，使用FPGA芯片这种数字信号处理器可以克服模拟检测系统的温漂的弱点，但是最重要的是怎样实现检波算法，而本发明通过发现两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系经过一系列的数学处理，可以得到被测电压信号的角速度，利用这种特点，使得使用数学方法来求解角速度成为可能，从而可以使用在FPGA芯片上加载数学处理方法，在FPGA芯片上实现了系统灵敏度的提高，上述算法满足宽线性动态范围的要求。使用FPGA检波代替模拟乘法检波，可实现陀螺输出误差的实时补偿。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置，其特征在于，包括前置放大器、滤波器、信号发生器、增益相位调整器，采样保持电路、模数转换器、FPGA数字信号处理器；
所述前置放大器用于对被检测信号进行放大；所述滤波器用于对放大后的被检测信号进行滤波；
所述信号发生器用于产生参考信号，所述增益相位调整器用于对参考信号进行增益和相位裕度调整；
将滤波后的被检测信号与进行增益和相位裕度调整后的参考信号分别输入所述采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号，然后输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述正交比例算法是：
两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
5.一种对光纤陀螺信号进行相敏检测的方法，使用一种对光纤陀螺仪进行相敏检波的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将被检测信号输入前置放大器放大后输入滤波器进行滤波；
步骤2：信号发生器产生参考信号后输入增益相位调整器进行增益和相位裕度调整；
步骤3：将滤波后的被检测信号与进行增益和相位裕度调整后的参考信号分别输入采样保持电路进行采样后，输入模数转换器后得到数字被检测信号和数字参考信号；
步骤4：将数字被检测信号和数字参考信号输入FPGA数字信号处理器中进行处理得到光纤陀螺仪的角速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述FPGA数字信号处理器上刻录有用于对数字被检测信号和数字参考信号进行计算处理的算法码流软件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述算法码流软件使用的算法为正交比例算法。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述正交比例算法是：
两个被测交流电压信号和/>，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：
A、B为u 1(t)、u 2(t)的幅度；
ω为u 1(t)、u 2(t)的角频率；
θ、 是u 1(t)、u 2(t)的初始相位；
U 1a、U 2a是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的同相分量；
U 1b、U 2b是u 1(t)、u 2(t)在参考正交坐标系下的正交分量；
将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，
（1）
同理可得
（2）
其中，，/>
分别为参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式，正交基函数为单位幅度，角频率与被测交流电压信号u 1的角频率相同；
使用低通滤波器，则式（1）和式（2）中带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：
同理，可得到另一个被测电压信号的同相分量U 2a和正交分量U 2b；
令：
则：
（3）
则θ为计算出的角速度。
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| 卢成杰: "开环光纤陀螺数字解调关键问题的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文库 工程科技II辑》, 15 June 2019 (2019-06-15), pages 6 - 48 * |
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