一種抑制光纖陀螺反饋驅(qū)動電路頻繁復位的滯回方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抑制光纖陀螺反饋驅(qū)動電路頻繁復位的滯回方法，更特別地說，是指一種基于斯密特觸發(fā)器原理的光纖陀螺數(shù)字相位階梯波的滯回復位方法，屬于光纖陀螺技術領域。
【背景技術】
[0002]光纖陀螺是一種基于薩格奈克效應的角速度測量器件，廣泛應用于慣性測量領域。目前，廣泛采用的是全數(shù)字閉環(huán)檢測方案，其原理框圖如圖1所示，主要由光源1、耦合器
2、集成光學相位調(diào)制器3、光纖環(huán)4、探測器5、放大器6和10、A/D轉(zhuǎn)換器7、數(shù)字邏輯芯片8和D/A轉(zhuǎn)換器9組成。在全數(shù)字閉環(huán)檢測方案中，引入反饋回路產(chǎn)生反饋相移來補償薩格奈克相移，使光纖陀螺工作在“零相位”點附近，以獲得更大的動態(tài)范圍和線性度；同時，全數(shù)字閉環(huán)檢測方案引入偏置調(diào)制技術，以獲取更好的靈敏度和信噪比，提升光纖陀螺性能，常用的偏置調(diào)制有方波調(diào)制和四態(tài)調(diào)制。
[0003]在全數(shù)字閉環(huán)檢測方案中，探測器5獲取反饋相移與薩格奈克相移間的誤差信號，經(jīng)放大器6和A/D轉(zhuǎn)換器7后傳輸至數(shù)字邏輯芯片8，經(jīng)過解調(diào)和累加可以得到反映光纖陀螺角速度的臺階波信號；累加臺階波信號得到數(shù)字相位階梯波信號，由于階梯波信號不可能無限的增加或減少，需要對階梯波信號進行復位，通常采用寄存器自動溢出的方式來實現(xiàn)，同時考慮到探測器響應為余弦函數(shù)，因此階梯波信號復位前后的差值應等效于在光纖環(huán)中產(chǎn)生2π整數(shù)倍的反饋相移，以避免引入復位誤差;階梯波信號疊加偏置調(diào)制信號后形成完整的反饋驅(qū)動信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器9和放大器10后驅(qū)動集成光學相位調(diào)制器3產(chǎn)生反饋相移。圖2是以方波偏置調(diào)制為例，偏置調(diào)制信號、階梯波信號和反饋驅(qū)動信號波形示意圖，圖中階梯波寄存器采用比D/A轉(zhuǎn)換器少I位的降位處理，以保證疊加偏置調(diào)制信號后反饋驅(qū)動信號不會自動溢出而復位，這種降位處理同時適用于四態(tài)調(diào)制技術。
[0004]在光纖陀螺的應用中，反饋回路集成光學相位調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)會隨溫度變化發(fā)生漂移，造成反饋系數(shù)發(fā)生變化，引起2π復位電壓不準，參見參考文獻[I](光纖陀螺標度因數(shù)溫度誤差分析與補償，金靖、張春熹、宋凝芳，《宇航學報》第29卷第I期，2008年)，反饋系數(shù)的漂移將影響標度因數(shù)線性度等參數(shù)，因此需要對反饋系數(shù)進行補償。常用的模擬補償方法是利用額外的D/A轉(zhuǎn)換器來調(diào)整反饋回路D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓，通過調(diào)整反饋回路D/A轉(zhuǎn)換器的增益系數(shù)來實現(xiàn)對反饋系數(shù)的補償；另一種數(shù)字調(diào)整方案是在數(shù)字邏輯芯片中反饋驅(qū)動信號形成后引入數(shù)字調(diào)整因子來補償反饋系數(shù)，保證反饋系數(shù)的穩(wěn)定。
[0005]另一方面，反饋驅(qū)動電路與探測器輸出間存在著電交叉耦合的問題，等效于在理想數(shù)字階梯波上疊加一個隨機串擾，參見參考文獻[2] (Closed-loop fiber optic gyros，George A.Pavlath,((Fiber Optic Gyros:20th Anniversary Conference》，1986年)和參考文南犬[3](Fiber Optic Gyroscope with Reduced Non-Linearity at Low AngularRates,Robert A.Kovacs ,((Guidance and Control 1998》，1998年)，這種隨機串擾會影響標度因數(shù)的線性度，尤其是在小轉(zhuǎn)速情況下會引起階梯波信號頻繁復位，如圖3所示，反饋驅(qū)動信號頻繁地復位將引起死區(qū)和導致復位點附近噪聲增大。
[0006]綜上所述，光纖陀螺反饋系數(shù)隨溫度漂移將引起復位誤差，同時反饋驅(qū)動電路與探測器輸出間的交叉耦合等效為隨機串擾，在數(shù)字階梯波復位時引起非線性，光纖陀螺低速轉(zhuǎn)動時表現(xiàn)為數(shù)字階梯波頻繁地復位，加劇復位誤差的產(chǎn)生，引起死區(qū)和噪聲變大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是解決上述問題，提出了一種抑制光纖陀螺反饋驅(qū)動電路頻繁復位的滯回方法。借鑒于斯密特觸發(fā)器的突變輸入-輸出滯回特性，可以有效地阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化而引起輸出電壓的變化。斯密特觸發(fā)器具有兩個輸入閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓Vth+和負向閾值電壓Vth-，當輸入電壓大于正向閾值電壓或小于負向閾值電壓時輸出電壓才會發(fā)生變化。
[0008]本發(fā)明提出的滯回方法是一種數(shù)字階梯波滯回復位方法，舍棄原有借助階梯波寄存器自動溢出實現(xiàn)復位的方式，改為不同方向和大小的轉(zhuǎn)速時采用不同復位方式的滯回方法。類似于斯密特觸發(fā)器，數(shù)字階梯波引入正復位閾值R+、負復位閾值R-、正復位起點S+和負復位起點S-、零點O和滿點F共6個特征點，正復位閾值與負復位起點不相等、正復位起點與負復位閾值不相等，從而形成兩個滯回區(qū)間，正復位閾值與負復位閾值間形成階梯波信號的有效輸出區(qū)間，零點與滿點間形成階梯波信號的有效運算區(qū)間。當階梯波寄存器累加運算超出有效輸出區(qū)間時，通過在階梯波寄存器上疊加等效于整數(shù)倍的2π相移差值，復位階梯波寄存器數(shù)值重新回到有效輸出區(qū)間。由于陀螺正向轉(zhuǎn)動與反向轉(zhuǎn)動時階梯波寄存器所在運算區(qū)間不同，從而實現(xiàn)滯回復位。正復位起點-正復位閾值區(qū)間寬度與負復位閾值-負復位起點區(qū)間寬度相等，且等于2π相移差值，以保證復位的正確性。當階梯波信號復位后，若受到與階梯波信號累加方向相反的隨機串擾，階梯波信號可在滯回區(qū)間內(nèi)累加運算而不會再次復位，從而抑制原有自動溢出方式引起的頻繁復位。具體實現(xiàn)步驟是:
[0009]首先，光纖陀螺數(shù)字邏輯芯片對D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號進行解調(diào)和累加得到反映光纖陀螺角速度的臺階波信號。累加臺階波信號得到階梯波信號，當階梯波寄存器運算超出設定的有效運算區(qū)間而自動溢出發(fā)生超級復位，即階梯波寄存器累加結果小于零點或超過滿點，通過在階梯波寄存器上加上或減去2倍的2π相移差值，復位階梯波寄存器數(shù)值回有效運算區(qū)間內(nèi)；當階梯波寄存器數(shù)值超出設定的有效輸出區(qū)間發(fā)生正常復位時，即階梯波寄存器累加結果小于負復位閾值或大于正復位閾值，通過在階梯波寄存器加上或減去I倍的2η相移差值，復位階梯波寄存器數(shù)值回到有效輸出區(qū)間內(nèi)；當階梯波寄存器數(shù)值處于設定的有效輸出區(qū)間內(nèi)時，不產(chǎn)生復位。當下一個周期臺階波信號與階梯波信號累加方向相反時，階梯波信號可以在滯回區(qū)間內(nèi)反向累加，只要不超出有效輸出區(qū)間，就不會觸發(fā)下一次復位，從而抑制頻繁復位的產(chǎn)生。最后，將階梯波信號與偏置調(diào)制信號疊加后形成反饋驅(qū)動信號輸出至D/A轉(zhuǎn)換器。
[0010]本發(fā)明提出的抑制光纖陀螺反饋驅(qū)動電路頻繁復位的滯回方法，與常用自動溢出復位相比，本發(fā)明的滯回方法既保留了復位前后階梯波寄存器差值對應于2π相移的特性，又提出利用不同方向的復位閾值與起點不同，人為地引入了滯回區(qū)間，使耦合造成的隨機串擾以及固有白噪聲影響下的階梯波信號可以在滯回區(qū)間運算，避免造成頻繁的復位，隨機串擾和白噪聲對光纖陀螺性能的影響可在后續(xù)臺階波信號輸出時通過濾波來減小。即滿足:
[0011]R+-S+ = S--R-= 2n
[0012]2nVlsb = V211
[0013]其中，Vlsb是D/A轉(zhuǎn)換器最低有效位對應的驅(qū)動電壓，V211是產(chǎn)生2jt相移的電壓，N為產(chǎn)生2ji相移時對應的D/A轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)。
[0014]同時，滯回復位中考慮到大轉(zhuǎn)速情況，利用階梯波寄存器自動溢出產(chǎn)生超級復位運算，引入整數(shù)倍的231相移，不會產(chǎn)生復位誤差，保證復位的正確性，即，
[0015]2n+1Vlsb = 2*V2ii
[0016]本發(fā)明的一種抑制光纖陀螺反饋驅(qū)動電路頻繁復位的滯回方法優(yōu)點在于:
[0017]本發(fā)明借助于數(shù)字邏輯運算的靈活性，數(shù)字階梯波通過滯回方式實現(xiàn)復位，可以有效地抑制隨機串擾造成的頻繁復位問題，減小光纖陀螺的死區(qū)和噪聲，改善標度因數(shù)的線性度；同時，這種滯回復位方法可以適應不同的偏置調(diào)制方案和反饋系數(shù)調(diào)整方案，適用范圍廣，操作簡單，可靠性高。
【附圖說明】
[0018]圖1是現(xiàn)有技術中的全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的結構原理框圖；
[0019]圖2是現(xiàn)有技術中方波信號與階梯波信號疊加形成反饋驅(qū)動信號波形圖；
[0020]圖3是存在隨機串擾影響下數(shù)字階梯波頻繁復位示意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明中數(shù)字階梯波滯回復位方法輸入-輸出滯回特性示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明中數(shù)字階梯波滯回復位方法寄存器運算實現(xiàn)示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明中引入滯回復位方法時數(shù)字階梯波波形圖；
[0024]圖7a是模擬調(diào)整方案引入滯回復位方法的反饋驅(qū)動信號波形；
[0025]圖7b是數(shù)字調(diào)整方案引入滯回復位方法的反饋驅(qū)動信號波形；
[0026]圖8是本發(fā)明提供的滯回方法的實現(xiàn)流程圖。
[0027]圖中:
[0028]1-光源；2-耦合器； 3-集成光學相位調(diào)制器；4-光纖環(huán)；
[0029]5-探測器； 6-放大器； 7-A/D轉(zhuǎn)換器；8_數(shù)字邏輯芯片；
[0030]9-D/A轉(zhuǎn)換器；10-放大器。
【具體實施方式】
[0031 ]下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0032]本發(fā)明是一