專利名稱：開環(huán)光纖陀螺信號檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開環(huán)光纖陀螺內(nèi)信號檢測部分的檢測方法及裝置。
開環(huán)光纖陀螺一般由互易閉合光路(如

圖1中I)和用于提取光纖陀螺敏感的角速度的檢測裝置兩部分組成。開環(huán)光纖陀螺內(nèi)的檢測部分大都采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)從探測器的輸出信號中檢測出Sagnac相移，從而得到載體的轉(zhuǎn)動信號。在開環(huán)光纖陀螺中實(shí)現(xiàn)調(diào)制的是PZT光纖相位調(diào)制器，它是將光纖(1-2米)纏繞在由壓電陶瓷PZT制成的環(huán)上形成的，當(dāng)給它的電極加上電壓時(shí)，環(huán)會沿徑向發(fā)生形變，同時(shí)帶動繞在上面的光纖發(fā)生形變，從而引起在光纖中傳輸?shù)墓獾南辔话l(fā)生變化。在光纖陀螺中，它被設(shè)置在光纖環(huán)的一端，是光路中唯一非互易設(shè)置的器件，表征其性能的參數(shù)有調(diào)制系數(shù)KP和位相延遲α，它們都會隨溫度的變化而變化，這些變化直接或間接地影響光纖陀螺的性能，是光纖陀螺中的主要誤差源。另外，陀螺中所用的光源是超輻射發(fā)光二極管(SLD)，其光譜和輸出功率都會隨溫度的變化而變化，其中光譜的變化量在誤差允許的范圍內(nèi)，可以不考慮。光功率的變化較大且直接影響陀螺的性能，必須加以控制。所以，一個(gè)完整的開環(huán)信號檢測裝置除了要檢測出Sagnac相移外，還需要控制或補(bǔ)償調(diào)制深度Φm、位相延遲α和光功率的變化。現(xiàn)有的檢測裝置可被分為兩類，即模擬檢測方案和數(shù)字檢測方案。模擬檢測方案(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檢波技術(shù)從光干涉信號中檢測一次諧波的幅度，從而測出Sagnac相移，最后得到載體的轉(zhuǎn)動信號；用二次和四次諧波幅度的比值來控制調(diào)制深度Φm的變化；用二次相敏檢波的垂直分量來控制位相延遲α的變化；并用一次、二次諧波的比值作為輸出來消除光功率變化的影響。這類方案電路復(fù)雜而且存在兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，①模擬電路本身帶來的零位漂移大且無法消除；②輸出是模擬量且嚴(yán)重非線性，必須轉(zhuǎn)化后才能與現(xiàn)代數(shù)字導(dǎo)航系統(tǒng)兼容。數(shù)字檢測方案(US6028668,US5080489)是利用高速數(shù)字采樣技術(shù)將探測器13的輸出波形數(shù)字化，再利用數(shù)字信號處理技術(shù)(包括數(shù)字濾波和數(shù)字變換等)進(jìn)行純數(shù)字調(diào)制解調(diào)，從而計(jì)算出Sagnac相移并實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)誤差源的控制和補(bǔ)償。這種方案實(shí)際上是上述模擬方案的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)這種方案的基本條件是要有高速、長字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和高速的數(shù)字信號處理器及實(shí)時(shí)的數(shù)字信號處理技術(shù)，由于這些器件都是特殊的高速器件，檢測系統(tǒng)的成本非常高，而且此方案計(jì)算量大，相應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)制解調(diào)軟件技術(shù)現(xiàn)在還不成熟，此類系統(tǒng)還不能達(dá)到實(shí)用的水平。
本發(fā)明的目的是，提供一種能檢測Sagnac相移，輸出載體轉(zhuǎn)動信息，同時(shí)能控制調(diào)制深度Φm和光功率變化并使之穩(wěn)定，還能跟蹤位相延遲α變化，從而保證最佳相關(guān)采樣，而且成本低易實(shí)現(xiàn)的開環(huán)光纖陀螺信號的數(shù)字檢測方法及裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，光路I中探測器13的信號經(jīng)電容14隔去直流分量后加至前置放大器15，前置放大器15將輸入信號放大，分兩路輸出，一路經(jīng)脈沖產(chǎn)生電路19提取二次諧波分量，經(jīng)移相、整形得到A/D觸發(fā)脈沖，用于啟動A/D轉(zhuǎn)換16；另一路作為A/D轉(zhuǎn)換16的輸入波形(如圖2中波形24)；觸發(fā)脈沖與待量化峰值點(diǎn)(圖2中波形24上A、B兩點(diǎn))保持固定的對應(yīng)關(guān)系并能跟綜位相延遲α變化。A/D轉(zhuǎn)換16只對輸入波形24上與調(diào)制波峰值點(diǎn)(圖2中波形25上P、N兩點(diǎn))對應(yīng)的兩個(gè)特征點(diǎn)A、B采樣量化。利用輸入波形中與調(diào)制波形峰值點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)特征點(diǎn)的量化值的差解算出陀螺敏感的角速度；用這兩個(gè)量化值的和作為誤差來控制相位調(diào)制深度Φm，使調(diào)制深度穩(wěn)定在4.35上。以數(shù)字方式得到幅度可控正弦波，其幅度由D/A轉(zhuǎn)換23輸出的電平?jīng)Q定，其頻率由一個(gè)開關(guān)信號確定，峰值檢波電路得到探測器輸出信號的峰峰值并以此峰峰值控制檢測系統(tǒng)的總增益固定。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，檢測電路中模擬電路部分均為交流耦合，消除了由模擬器件引入的直流漂移；直接對探測器輸出波形上的兩個(gè)特征點(diǎn)采樣量化，降低了對A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率的要求；從探測器輸出信號中提取采樣觸發(fā)脈沖，保證了采樣點(diǎn)與待量化點(diǎn)的固定對應(yīng)關(guān)系，消除了位相延遲α變化的影響；利用兩個(gè)特征點(diǎn)的量化值的差計(jì)算角速度，利用其和來控制調(diào)制深度Φm，算法簡單；采用了數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測試和數(shù)字式線性輸出；從探測器的輸出取得系統(tǒng)增益信息用于控制系統(tǒng)總增益，保證了系統(tǒng)增益的穩(wěn)定，從而減小了陀螺的漂移。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所用的均為普通器件，成本低，所用軟件算法簡單可靠，實(shí)時(shí)性和精度都很高。
圖1為本發(fā)明與光路部分的示意圖；圖2為本發(fā)明探測器輸出波形及調(diào)制波形圖；圖3為本發(fā)明中脈沖產(chǎn)生電路框圖；圖3a為本發(fā)明中整形電路原理圖；圖4為本發(fā)明數(shù)字處理電路框圖；圖5為本發(fā)明正弦波發(fā)生電路框圖；圖6為本發(fā)明光源驅(qū)動電路原理圖；圖7為本發(fā)明數(shù)字計(jì)算軟件流程圖。
圖1中，虛框內(nèi)為光纖陀螺的光路部分I，光源1發(fā)出的光通過光纖2經(jīng)“源”耦合器3一分為二，其中一路通過光纖4進(jìn)入偏振器5，被起偏成為線偏光，通過光纖6進(jìn)入“環(huán)”耦合器7，又一分為二，從光纖環(huán)8的兩端注入，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向在環(huán)中傳播并在不同時(shí)刻通過相位調(diào)制器9而被調(diào)制，光在這樣的閉合光路中傳播時(shí)，由于Sagnac效應(yīng)，沿順時(shí)針傳播與沿逆時(shí)針傳播的光將會存在一個(gè)相差，這個(gè)相差與環(huán)沿其軸的轉(zhuǎn)動角速度成正比。當(dāng)兩束光再次在“環(huán)”耦合器7會合時(shí)，將發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)光纖6、偏振器5、光纖4、“源”耦合器3，最后通過光纖12進(jìn)入探測器13，經(jīng)光電變換后，干涉光信號變?yōu)殡娦盘栞敵?。光纖10、11為無用的空頭。
為了從探測器13輸出的信號中提取出所需的轉(zhuǎn)動信號，給調(diào)制器9加上正弦波調(diào)制波，探測器13輸出如下νpin=k{1+cos[ΔΦs+Φmsin(ωmt+α)](1)其中Φm=2KpVmsinωmτ2---(2)]]>k-與入射到探測器13上的光強(qiáng)及電路增益有關(guān)的常數(shù)；ΔΦs-Sagnac相移；Φm-調(diào)制深度；ωm-調(diào)制波角頻率；α-PZT調(diào)制器的位相延遲；KP-調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)；Vm-調(diào)制波幅度；τ-光在環(huán)中傳播一圈所需時(shí)間。
發(fā)明的檢測裝置的輸入是光路部分I的探測器13的輸出，其波形如圖2中的波形24，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，設(shè)α=0，用貝塞爾函數(shù)將式(1)展開有νpin=k+kcosΔΦs[J0(Φm)+2J2(Φm)cos2ωmt+...]+kinΔΦs[2J1(Φm)sin(ωmt)+2J3(Φm)sin3ωmt+...] (3)其中直流項(xiàng)為k(1+J0(Φm)cosΔΦS)。則經(jīng)隔直電容14濾波后，輸出為vd=k{Pcos[ΔΦs+Φmsin(ωmt)]-(Φm)cosΔΦs}(4)圖2中波形25為正弦調(diào)制波，其正、負(fù)峰所對應(yīng)的時(shí)刻為tA、tB，，它們對應(yīng)正弦波的正峰值點(diǎn)P和負(fù)峰值點(diǎn)N；其在輸出波形24上對應(yīng)的點(diǎn)為A、B，由式(4)可知A、B點(diǎn)的值為當(dāng)t=tA時(shí)，νdA=k{cos[ΔΦs+Φm]-J0(Φm)cosΔΦs(5)當(dāng)t=tB時(shí)，νdB=k{cos[ΔΦs-Φm]-J0(Φm)cosΔΦs(6)式(5)+(6)和(5)-(6)分別為νdA+νdB=2k[cosΦm-J0(Φm)]cosΔΦs(7)νdA-νdB=2ksinΦmsinΔΦs(8)令(7)式為零，因?yàn)橐话阌笑う祍＜90°,cos(ΔΦs)≠0，解關(guān)于Φm的方程有Φm=0,4.35,……即在Φm=4.35時(shí)，可由(7)(8)式得到νdA+νdB=2k[cosΦm-J0(Φm)]cosΔΦs≡0(9)ΔΦs=arcsin(vdA-vdB1.87k)---(10)]]>在本發(fā)明中，νdA、νdB的值通過A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，ΔΦs通過DSP計(jì)算得到。
由于Φm為4.35，則(9)式恒成立，νdA+νdB≡0(在圖2中，波形27,28為Φm=4.35且ΔΦs=10°/S和ΔΦs=-10°/S時(shí)的輸出波形，可直觀看出A1、B1兩點(diǎn)的和及A2、B2兩點(diǎn)的和均為0)；反之，如果νdA+νdB≠0，表示Φm不等于4.35，在本發(fā)明中，用νdA+νdB的值作為誤差量控制Φm，在環(huán)境溫度變化時(shí)，使它保持穩(wěn)定。
為了取得tA、tB時(shí)的采樣脈沖，本發(fā)明從陀螺輸出信號中提取二次諧波，由二次諧波產(chǎn)生采樣脈沖，從而實(shí)現(xiàn)信號的自相關(guān)采樣，其波形如圖2中26，消除了調(diào)制器相位延遲α變化給陀螺帶來的誤差。
從式(10)可看出與干涉光強(qiáng)和電路增益有關(guān)的系數(shù)k的變化將直接影響光纖陀螺的輸出。因此對k也必須加以控制，本發(fā)明采用光控方案解決這一問題，在該方案中考慮了光源、耦合器及其它光器件和電路增益的綜合影響，直接對最終信號進(jìn)行控制，以達(dá)到穩(wěn)定陀螺輸出目的。在Φm等于4.35時(shí)，由式(4)可知，輸出信號的峰峰值為νp-p=2k，它只與干涉光強(qiáng)和電路增益有關(guān)，因此用這個(gè)量作為控制的輸入，通過調(diào)節(jié)SLD的輸出光功率，可使k值保持穩(wěn)定。
信號預(yù)處理部分由隔直電容14和前置放大器15組成。隔直電容一般為0.1uF，隔去探測器輸出信號的直流成分，得到圖2中波形24，它由式(4)描述。探測器輸出信號較小且由無窮次諧波組成，前置放大器15可將這個(gè)信號放大到合適的幅度，根據(jù)信號的特點(diǎn)，放大器的帶寬只需大于300KHz。在本發(fā)明中，用了兩級反相放大器。這個(gè)部分的輸出被分成兩路，一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器16的輸入端，另一路分別送入峰值檢波電路20和脈沖產(chǎn)生電路19。
A/D轉(zhuǎn)換部分由A/D轉(zhuǎn)換16和脈沖產(chǎn)生電路19組成。脈沖產(chǎn)生電路19從波形24中提取二次諧波分量并經(jīng)移相和整形得到圖2中波形26，用以觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換16。脈沖產(chǎn)生電路19原理如圖3框圖，圖中帶通29為一種常用的一階有源帶通濾波器29，其中心頻率為2ωm，Q值約為20，用于從波形24中提取二次諧波分量，帶通29輸出的二次正弦波與位相調(diào)制波存在一個(gè)固定的相差，為了補(bǔ)償這個(gè)相差，在電路中設(shè)置了一個(gè)移相環(huán)節(jié)30，它是一個(gè)通用的有源移相器，移相范圍為0-180度；整形電路31，如圖3a，實(shí)際是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用比較器電路，采用過零比較的方法得到頻率為2ωm方波，再經(jīng)C1、R4組成微分電路和穩(wěn)壓器D后得到圖2中的脈沖波形26。A/D轉(zhuǎn)換16是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，具體電路為所選的A/D芯片的推薦電路，其字長一般為16位，轉(zhuǎn)換速度約為100KHz，用于將圖2波型25上的峰值點(diǎn)A和B的值量化，得到式(5)(6)中νdA,νdB。這兩個(gè)值被送入數(shù)字處理部分17。
數(shù)字處理部分17是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最小結(jié)構(gòu)DSP系統(tǒng)，如圖4，由數(shù)字信號處理器(DSP)33、數(shù)字邏輯(CPLD)34和程序存儲器32、配置存儲器35組成。DSP承擔(dān)系統(tǒng)控制和計(jì)算工作；數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)DSP的接口和各種標(biāo)準(zhǔn)邏輯工作。程序存儲器用于保存程序，配置存儲器用于保存數(shù)字邏輯的配置信息。22為陀螺的輸出，在本發(fā)明中為RS232接口。裝置工作時(shí)向正弦波發(fā)生器18輸出頻率為ωm的開關(guān)信號；同時(shí)從A/D轉(zhuǎn)換模塊16讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并向D/A轉(zhuǎn)換模塊23送出數(shù)據(jù)，用以調(diào)節(jié)正弦波幅度。
幅度可控正弦波發(fā)生器由D/A轉(zhuǎn)換模塊23和正弦波發(fā)生器18組成。D/A轉(zhuǎn)換23的具體電路為所選的D/A芯片的推薦電路，其字長為12位，對轉(zhuǎn)換速率沒有要求。正弦波發(fā)生電路如圖5所示，圖中開關(guān)信號從由數(shù)字處理部分17輸入，是頻率為ωm的方波，開關(guān)36為通用的電子開關(guān)，輸入為D/A轉(zhuǎn)換16得到的直流電平，輸出為峰峰值與該直流電平成正比的方波，帶通37為中心頻率為ωm，Q值約為20的有源帶通濾波器，從方波中提取基頻成分，得到圖2中的調(diào)制波形25，改變D/A的輸出，便可改變波形25的幅度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制深度的調(diào)整。
光控部分由峰值檢波電路20和光源驅(qū)動電路21組成。峰值檢波電路也是一種通用的電路，用于檢出圖2中波形24的峰峰值。光源驅(qū)動部分原理如圖6所示，峰值檢波20的輸出作為比較器38的一個(gè)輸入，設(shè)定的參考電平39為比較基準(zhǔn)，38為比較器，可以是任一種型號的比較器，41為功率三極管，工作電流至少大于200mA,40為SLD,R1為限流電阻，R2為反饋電阻。峰峰值與設(shè)定值比較后改變功率三極管的導(dǎo)通電阻，控制40(SLD)的驅(qū)動電流，從而控制輸出的光功率，因?yàn)樘綔y器輸出波形的峰峰值只與光功率和電路增益有關(guān)，利用峰值檢波電路20得到這個(gè)值并與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果改變驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)輸出光功率，使總增益恒定。
系統(tǒng)通電開始工作時(shí)，各個(gè)回路控制和系統(tǒng)配置同時(shí)進(jìn)行，光控部分迅速使光功率達(dá)到設(shè)定值，DSP輸出預(yù)設(shè)的D/A值，產(chǎn)生正弦波對光信號進(jìn)行調(diào)制，探測器輸出穩(wěn)定的信號，脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈沖，啟動A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換值輸入DSP，其差用于解算敏感的轉(zhuǎn)速，其和與零比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整D/A的輸出值以控制調(diào)制深度使之為4.35。在系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出測量值。其中光控部分完全由硬件實(shí)現(xiàn)，而調(diào)制深度的控制由軟件實(shí)現(xiàn)。
軟件部分流程如圖7。開始和DSP初始化步驟完成DSP工作所需的基本設(shè)置工作；參數(shù)初始化完成缺省D/A值的設(shè)定；數(shù)據(jù)采集完成數(shù)據(jù)νdA,νdB(如式(5)(6))讀入的工作；數(shù)據(jù)處理完成νdA,νdB的求和、求差(如式(7)(8))，并進(jìn)行簡單的平均濾波；控制量計(jì)算根據(jù)νdA,νdB的和確定D/A輸出值的修正量，是一個(gè)簡單的PID控制算法；輸出D/A值送出修正后的D/A值，改變調(diào)制波的幅度；角速度計(jì)算根據(jù)公式(10)計(jì)算陀螺敏感的角速度；輸出結(jié)果將以設(shè)定的方式輸出角速度值，在本發(fā)明中，以標(biāo)準(zhǔn)的RS232方式輸出數(shù)據(jù)。在輸出結(jié)果后，程序再次回到數(shù)據(jù)采集步驟重復(fù)上述工作，完成連續(xù)的測量。
權(quán)利要求
1.一種開環(huán)光纖陀螺信號檢測方法，其特征是，去掉輸入信號中的直流分量，只對輸入波形中與調(diào)制波形峰值點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)特征點(diǎn)采樣量化；用帶通濾波的方法從輸入波形中提取二次諧波分量，經(jīng)移相、整形得到A/D觸發(fā)脈沖，使觸發(fā)脈沖與待量化峰值點(diǎn)保持固定的對應(yīng)關(guān)系；利用輸入波形中與調(diào)制波形峰值點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)特征點(diǎn)的量化值的差解算陀螺敏感的角速度；用這兩個(gè)值的和作為誤差來控制相位調(diào)制深度；以數(shù)字方式得到可變幅度正弦波；用探測器輸出信號的峰峰值控制系統(tǒng)的總增益固定。
2.一種開環(huán)光纖陀螺信號檢測裝置，其特征是，光路輸出信號經(jīng)隔直電容進(jìn)入前置放大電路，前置放大的信號輸出分兩路，一路輸給A/D轉(zhuǎn)換，另一路分別進(jìn)入峰值檢波和脈沖產(chǎn)生器；脈沖產(chǎn)生電路提取二次諧波分量經(jīng)移相、整形觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換得到探測器輸出信號上兩個(gè)特征點(diǎn)的量化值并輸出進(jìn)入數(shù)字處理器，數(shù)字處理部分完成系統(tǒng)控制、解算和邏輯，輸出測得的轉(zhuǎn)速，并通過改變D/A值改變正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的波形的幅度、通過開關(guān)信號確定正弦波的頻率，控制調(diào)制深度并使之穩(wěn)定，峰值檢波電路和光源驅(qū)動電路組成光控電路保證系統(tǒng)的總增益固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開環(huán)光纖陀螺信號檢測方法，其特征在于，信號處理的流程為(1)、開始(2)、以標(biāo)準(zhǔn)DSP初始化步驟完成DSP工作所需的基本設(shè)置工作；(3)、由DSP向設(shè)定地址定寫入?yún)?shù)初始化完成缺省D/A值的設(shè)定，確定正弦波的初始幅度；(4)、數(shù)據(jù)采集完成數(shù)據(jù)vdA,vdB讀入的工作，這兩點(diǎn)的值由式(5)(6)描述；(5)、數(shù)據(jù)處理完成vdA,vdB的求和、求差，并進(jìn)行簡單的平均濾波；(6)、以vdA,vdB的和為輸入，以D/A輸出值的修正量為輸出，采用PID控制算法確定D/A輸出值的修正量；(7)、輸出D/A值向設(shè)定地址送出修正后的D/A值，改變調(diào)制波的幅度；(8)、角速度計(jì)算根據(jù)公式(10)計(jì)算陀螺敏感的角速度；(9)、將以設(shè)定的方式輸出角速度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開環(huán)光纖陀螺信號檢測方法，其特征是，相位調(diào)制深度被設(shè)為4.35。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開環(huán)陀螺信號檢測方法及裝置。本發(fā)明從陀螺輸出信號中提取二次諧波并產(chǎn)生采樣脈沖,將輸入波形中與調(diào)制波形峰值點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)特征點(diǎn)的值量化,用它們的差解算出陀螺敏感的角速度;用兩個(gè)量化值的和控制相位調(diào)制深度,使調(diào)制深度達(dá)到4.35;用數(shù)字方式產(chǎn)生幅度可控調(diào)制正弦波;利用輸出波形峰峰值控制系統(tǒng)的總增益。本發(fā)明能同時(shí)檢測Sagnac相移、控制調(diào)制深度和系統(tǒng)總增益,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,所用器件成本低,軟件算法簡單可靠,實(shí)時(shí)性和精度都較高。
文檔編號G01C19/72GK1318732SQ0112933
公開日2001年10月24日 申請日期2001年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月13日
發(fā)明者楊遠(yuǎn)洪, 張惟敘, 馬靜 申請人:北京航空航天大學(xué)