CN1318732A - 开环光纤陀螺信号检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开环陀螺信号检测方法及装置。本发明从陀螺输出信号中提取二次谐波并产生采样脉冲,将输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的值量化,用它们的差解算出陀螺敏感的角速度;用两个量化值的和控制相位调制深度,使调制深度达到4.35;用数字方式产生幅度可控调制正弦波;利用输出波形峰峰值控制系统的总增益。本发明能同时检测Sagnac相移、控制调制深度和系统总增益,整个系统结构简单,所用器件成本低,软件算法简单可靠,实时性和精度都较高。

Description

开环光纤陀螺信号检测方法及装置

本发明涉及一种开环光纤陀螺内信号检测部分的检测方法及装置。

开环光纤陀螺一般由互易闭合光路(如图1中I)和用于提取光纤陀螺敏感的角速度的检测装置两部分组成。开环光纤陀螺内的检测部分大都采用调制解调技术从探测器的输出信号中检测出Sagnac相移，从而得到载体的转动信号。在开环光纤陀螺中实现调制的是PZT光纤相位调制器，它是将光纤(1-2米)缠绕在由压电陶瓷PZT制成的环上形成的，当给它的电极加上电压时，环会沿径向发生形变，同时带动绕在上面的光纤发生形变，从而引起在光纤中传输的光的相位发生变化。在光纤陀螺中，它被设置在光纤环的一端，是光路中唯一非互易设置的器件，表征其性能的参数有调制系数K_P和位相延迟α，它们都会随温度的变化而变化，这些变化直接或间接地影响光纤陀螺的性能，是光纤陀螺中的主要误差源。另外，陀螺中所用的光源是超辐射发光二极管(SLD)，其光谱和输出功率都会随温度的变化而变化，其中光谱的变化量在误差允许的范围内，可以不考虑。光功率的变化较大且直接影响陀螺的性能，必须加以控制。所以，一个完整的开环信号检测装置除了要检测出Sagnac相移外，还需要控制或补偿调制深度Φ_m、位相延迟α和光功率的变化。现有的检测装置可被分为两类，即模拟检测方案和数字检测方案。模拟检测方案(B.Y.King and H.J.Shaw.“All fiber-optic gyroscopes”,SPIE vo1719,Fiber Optic Gyros:10thAnniversary Conference,1986.)的基本原理是利用相敏检波技术从光干涉信号中检测一次谐波的幅度，从而测出Sagnac相移，最后得到载体的转动信号；用二次和四次谐波幅度的比值来控制调制深度Φ_m的变化；用二次相敏检波的垂直分量来控制位相延迟α的变化；并用一次、二次谐波的比值作为输出来消除光功率变化的影响。这类方案电路复杂而且存在两个主要的缺点，①模拟电路本身带来的零位漂移大且无法消除；②输出是模拟量且严重非线性，必须转化后才能与现代数字导航系统兼容。数字检测方案(US6028668,US5080489)是利用高速数字采样技术将探测器13的输出波形数字化，再利用数字信号处理技术(包括数字滤波和数字变换等)进行纯数字调制解调，从而计算出Sagnac相移并实现上述三个误差源的控制和补偿。这种方案实际上是上述模拟方案的数字化实现，实现这种方案的基本条件是要有高速、长字节的模数转换器(ADC)和高速的数字信号处理器及实时的数字信号处理技术，由于这些器件都是特殊的高速器件，检测系统的成本非常高，而且此方案计算量大，相应的实时调制解调软件技术现在还不成熟，此类系统还不能达到实用的水平。

本发明的目的是，提供一种能检测Sagnac相移，输出载体转动信息，同时能控制调制深度Φ_m和光功率变化并使之稳定，还能跟踪位相延迟α变化，从而保证最佳相关采样，而且成本低易实现的开环光纤陀螺信号的数字检测方法及装置。

本发明的技术解决方案是，光路I中探测器13的信号经电容14隔去直流分量后加至前置放大器15，前置放大器15将输入信号放大，分两路输出，一路经脉冲产生电路19提取二次谐波分量，经移相、整形得到A/D触发脉冲，用于启动A/D转换16；另一路作为A/D转换16的输入波形(如图2中波形24)；触发脉冲与待量化峰值点(图2中波形24上A、B两点)保持固定的对应关系并能跟综位相延迟α变化。A/D转换16只对输入波形24上与调制波峰值点(图2中波形25上P、N两点)对应的两个特征点A、B采样量化。利用输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的量化值的差解算出陀螺敏感的角速度；用这两个量化值的和作为误差来控制相位调制深度Φ_m，使调制深度稳定在4.35上。以数字方式得到幅度可控正弦波，其幅度由D/A转换23输出的电平决定，其频率由一个开关信号确定，峰值检波电路得到探测器输出信号的峰峰值并以此峰峰值控制检测系统的总增益固定。

本发明的优点是，检测电路中模拟电路部分均为交流耦合，消除了由模拟器件引入的直流漂移；直接对探测器输出波形上的两个特征点采样量化，降低了对A/D转换器的采样速率的要求；从探测器输出信号中提取采样触发脉冲，保证了采样点与待量化点的固定对应关系，消除了位相延迟α变化的影响；利用两个特征点的量化值的差计算角速度，利用其和来控制调制深度Φ_m，算法简单；采用了数字处理技术，实现了实时测试和数字式线性输出；从探测器的输出取得系统增益信息用于控制系统总增益，保证了系统增益的稳定，从而减小了陀螺的漂移。整个系统结构简单，所用的均为普通器件，成本低，所用软件算法简单可靠，实时性和精度都很高。

图1为本发明与光路部分的示意图；

图2为本发明探测器输出波形及调制波形图；

图3为本发明中脉冲产生电路框图；

图3a为本发明中整形电路原理图；

图4为本发明数字处理电路框图；

图5为本发明正弦波发生电路框图；

图6为本发明光源驱动电路原理图；

图7为本发明数字计算软件流程图。

图1中，虚框内为光纤陀螺的光路部分I，光源1发出的光通过光纤2经“源”耦合器3一分为二，其中一路通过光纤4进入偏振器5，被起偏成为线偏光，通过光纤6进入“环”耦合器7，又一分为二，从光纤环8的两端注入，分别沿顺时针和逆时针方向在环中传播并在不同时刻通过相位调制器9而被调制，光在这样的闭合光路中传播时，由于Sagnac效应，沿顺时针传播与沿逆时针传播的光将会存在一个相差，这个相差与环沿其轴的转动角速度成正比。当两束光再次在“环”耦合器7会合时，将发生干涉，干涉光经光纤6、偏振器5、光纤4、“源”耦合器3，最后通过光纤12进入探测器13，经光电变换后，干涉光信号变为电信号输出。光纤10、11为无用的空头。

为了从探测器13输出的信号中提取出所需的转动信号，给调制器9加上正弦波调制波，探测器13输出如下：ν_pin=k{1+cos[ΔΦ_s+Φ_msin(ω_mt+α)](1)其中： ${\mathrm{\Φ}}_m=2K_p{V}_m\sin \frac{{\mathrm{\ω}}_m\mathrm{\τ}}{2}---\left(2\right)$

k-与入射到探测器13上的光强及电路增益有关的常数；ΔΦ_s-Sagnac相移；Φ_m-调制深度；ω_m-调制波角频率；α-PZT调制器的位相延迟；K_P-调制器的调制系数；V_m-调制波幅度；τ-光在环中传播一圈所需时间。

发明的检测装置的输入是光路部分I的探测器13的输出，其波形如图2中的波形24，图中横坐标为时间轴，设α=0，用贝塞尔函数将式(1)展开有：ν_pin=k+kcosΔΦ_s[J₀(Φ_m)+2J₂(Φ_m)cos2ω_mt+...]

  +kinΔΦ_s[2J₁(Φ_m)sin(ω_mt)+2J₃(Φ_m)sin3ω_mt+...]   (3)

其中直流项为：k(1+J₀(Φ_m)cosΔΦ_S）。则经隔直电容14滤波后，输出为：v_d=k{Pcos[ΔΦ_s+Φ_msin(ω_mt)]-(Φ_m)cosΔΦ_s}    (4)

图2中波形25为正弦调制波，其正、负峰所对应的时刻为：t_A、t_B，，它们对应正弦波的正峰值点P和负峰值点N；其在输出波形24上对应的点为A、B，由式(4)可知A、B点的值为：

当t=t_A时，    ν_dA=k{cos[ΔΦ_s+Φ_m]-J₀(Φ_m)cosΔΦ_s    (5)

当t=t_B时，    ν_dB=k{cos[ΔΦ_s-Φ_m]-J₀(Φ_m)cosΔΦ_s    (6)

式(5)+(6)和(5)-(6)分别为：

ν_dA+ν_dB=2k[cosΦ_m-J₀(Φ_m)]cosΔΦ_s    (7)

ν_dA-ν_dB=2ksinΦ_msinΔΦ_s              (8)

令(7)式为零，因为一般有ΔΦ_s＜90°,cos(ΔΦ_s)≠0，解关于Φ_m的方程有：

Φ_m=0,4.35,……

即在Φ_m=4.35时，可由(7)(8)式得到：ν_dA+ν_dB=2k[cosΦ_m-J₀(Φ_m)]cosΔΦ_s≡0    (9) $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_s=\arcsin \left(\frac{v_{\mathrm{dA}}-v_{\mathrm{dB}}}{1.87k}\right)---\left(10\right)$

在本发明中，ν_dA、ν_dB的值通过A/D转换器实现，ΔΦ_s通过DSP计算得到。

由于Φ_m为4.35，则(9)式恒成立，ν_dA+ν_dB≡0(在图2中，波形27,28为Φ_m=4.35且ΔΦ_s=10°/S和ΔΦ_s=-10°/S时的输出波形，可直观看出A1、B1两点的和及A2、B2两点的和均为0)；反之，如果ν_dA+ν_dB≠0，表示Φ_m不等于4.35，在本发明中，用ν_dA+ν_dB的值作为误差量控制Φ_m，在环境温度变化时，使它保持稳定。

为了取得t_A、t_B时的采样脉冲，本发明从陀螺输出信号中提取二次谐波，由二次谐波产生采样脉冲，从而实现信号的自相关采样，其波形如图2中26，消除了调制器相位延迟α变化给陀螺带来的误差。

从式(10)可看出与干涉光强和电路增益有关的系数k的变化将直接影响光纤陀螺的输出。因此对k也必须加以控制，本发明采用光控方案解决这一问题，在该方案中考虑了光源、耦合器及其它光器件和电路增益的综合影响，直接对最终信号进行控制，以达到稳定陀螺输出目的。在Φ_m等于4.35时，由式(4)可知，输出信号的峰峰值为：ν_p-p=2k，它只与干涉光强和电路增益有关，因此用这个量作为控制的输入，通过调节SLD的输出光功率，可使k值保持稳定。

信号预处理部分由隔直电容14和前置放大器15组成。隔直电容一般为0.1uF，隔去探测器输出信号的直流成分，得到图2中波形24，它由式(4)描述。探测器输出信号较小且由无穷次谐波组成，前置放大器15可将这个信号放大到合适的幅度，根据信号的特点，放大器的带宽只需大于300KHz。在本发明中，用了两级反相放大器。这个部分的输出被分成两路，一路进入A/D转换器16的输入端，另一路分别送入峰值检波电路20和脉冲产生电路19。

A/D转换部分由A/D转换16和脉冲产生电路19组成。脉冲产生电路19从波形24中提取二次谐波分量并经移相和整形得到图2中波形26，用以触发A/D转换16。脉冲产生电路19原理如图3框图，图中带通29为一种常用的一阶有源带通滤波器29，其中心频率为2ω_m，Q值约为20，用于从波形24中提取二次谐波分量，带通29输出的二次正弦波与位相调制波存在一个固定的相差，为了补偿这个相差，在电路中设置了一个移相环节30，它是一个通用的有源移相器，移相范围为0-180度；整形电路31，如图3a，实际是一个标准的通用比较器电路，采用过零比较的方法得到频率为2ωm方波，再经C1、R4组成微分电路和稳压器D后得到图2中的脉冲波形26。A/D转换16是一个A/D转换模块，具体电路为所选的A/D芯片的推荐电路，其字长一般为16位，转换速度约为100KHz，用于将图2波型25上的峰值点A和B的值量化，得到式(5)(6)中ν_dA,ν_dB。这两个值被送入数字处理部分17。

数字处理部分17是一个标准的最小结构DSP系统，如图4，由数字信号处理器(DSP)33、数字逻辑(CPLD)34和程序存储器32、配置存储器35组成。DSP承担系统控制和计算工作；数字逻辑实现DSP的接口和各种标准逻辑工作。程序存储器用于保存程序，配置存储器用于保存数字逻辑的配置信息。22为陀螺的输出，在本发明中为RS232接口。装置工作时向正弦波发生器18输出频率为ω_m的开关信号；同时从A/D转换模块16读取转换数据并向D/A转换模块23送出数据，用以调节正弦波幅度。

幅度可控正弦波发生器由D/A转换模块23和正弦波发生器18组成。D/A转换23的具体电路为所选的D/A芯片的推荐电路，其字长为12位，对转换速率没有要求。正弦波发生电路如图5所示，图中开关信号从由数字处理部分17输入，是频率为ω_m的方波，开关36为通用的电子开关，输入为D/A转换16得到的直流电平，输出为峰峰值与该直流电平成正比的方波，带通37为中心频率为ω_m，Q值约为20的有源带通滤波器，从方波中提取基频成分，得到图2中的调制波形25，改变D/A的输出，便可改变波形25的幅度，从而实现调制深度的调整。

光控部分由峰值检波电路20和光源驱动电路21组成。峰值检波电路也是一种通用的电路，用于检出图2中波形24的峰峰值。光源驱动部分原理如图6所示，峰值检波20的输出作为比较器38的一个输入，设定的参考电平39为比较基准，38为比较器，可以是任一种型号的比较器，41为功率三极管，工作电流至少大于200mA,40为SLD,R1为限流电阻，R2为反馈电阻。峰峰值与设定值比较后改变功率三极管的导通电阻，控制40(SLD)的驱动电流，从而控制输出的光功率，因为探测器输出波形的峰峰值只与光功率和电路增益有关，利用峰值检波电路20得到这个值并与设定值比较，根据比较结果改变驱动电流来调节输出光功率，使总增益恒定。

系统通电开始工作时，各个回路控制和系统配置同时进行，光控部分迅速使光功率达到设定值，DSP输出预设的D/A值，产生正弦波对光信号进行调制，探测器输出稳定的信号，脉冲产生电路产生脉冲，启动A/D转换，A/D转换值输入DSP，其差用于解算敏感的转速，其和与零比较，根据比较结果调整D/A的输出值以控制调制深度使之为4.35。在系统稳定后输出测量值。其中光控部分完全由硬件实现，而调制深度的控制由软件实现。

软件部分流程如图7。开始和DSP初始化步骤完成DSP工作所需的基本设置工作；参数初始化完成缺省D/A值的设定；数据采集完成数据ν_dA,ν_dB(如式(5)(6))读入的工作；数据处理完成ν_dA,ν_dB的求和、求差(如式(7)(8))，并进行简单的平均滤波；控制量计算根据ν_dA,ν_dB的和确定D/A输出值的修正量，是一个简单的PID控制算法；输出D/A值送出修正后的D/A值，改变调制波的幅度；角速度计算根据公式(10)计算陀螺敏感的角速度；输出结果将以设定的方式输出角速度值，在本发明中，以标准的RS232方式输出数据。在输出结果后，程序再次回到数据采集步骤重复上述工作，完成连续的测量。

Claims (4)

1、一种开环光纤陀螺信号检测方法，其特征是，去掉输入信号中的直流分量，只对输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点采样量化；用带通滤波的方法从输入波形中提取二次谐波分量，经移相、整形得到A/D触发脉冲，使触发脉冲与待量化峰值点保持固定的对应关系；利用输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的量化值的差解算陀螺敏感的角速度；用这两个值的和作为误差来控制相位调制深度；以数字方式得到可变幅度正弦波；用探测器输出信号的峰峰值控制系统的总增益固定。

2、一种开环光纤陀螺信号检测装置，其特征是，光路输出信号经隔直电容进入前置放大电路，前置放大的信号输出分两路，一路输给A/D转换，另一路分别进入峰值检波和脉冲产生器；脉冲产生电路提取二次谐波分量经移相、整形触发A/D转换，A/D转换得到探测器输出信号上两个特征点的量化值并输出进入数字处理器，数字处理部分完成系统控制、解算和逻辑，输出测得的转速，并通过改变D/A值改变正弦波发生器产生的波形的幅度、通过开关信号确定正弦波的频率，控制调制深度并使之稳定，峰值检波电路和光源驱动电路组成光控电路保证系统的总增益固定。

3、根据权利要求1或2所述的开环光纤陀螺信号检测方法，其特征在于，信号处理的流程为：

(1)、开始

(2)、以标准DSP初始化步骤完成DSP工作所需的基本设置工作；

(3)、由DSP向设定地址定写入参数初始化完成缺省D/A值的设定，确定正弦波的初始幅度；

(4)、数据采集完成数据v_dA,v_dB读入的工作，这两点的值由式(5)(6)描述；

(5)、数据处理完成v_dA,v_dB的求和、求差，并进行简单的平均滤波；

(6)、以v_dA,v_dB的和为输入，以D/A输出值的修正量为输出，采用PID控制算法确定D/A输出值的修正量；

(7)、输出D/A值向设定地址送出修正后的D/A值，改变调制波的幅度；

(8)、角速度计算根据公式(10)计算陀螺敏感的角速度；

(9)、将以设定的方式输出角速度值。

4、根据权利要求1所述的开环光纤陀螺信号检测方法，其特征是，相位调制深度被设为4.35。

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