專利名稱：一種降低光纖陀螺功耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺傳感器中信號處理的方法，尤其是涉及一種降低光 纖陀螺功耗的方法。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種基于光學(xué)賽格奈克效應(yīng)的角速度傳感器，通過檢測光纖干涉 儀沿兩個互易光路傳播的光束之間的賽格奈克光相位差，以獲得光纖陀螺所在 平臺的角速度信號。由于光纖陀螺為全固態(tài)傳感器，功耗小及帶寬大等原因， 作為一種全新角速度傳感器受到廣泛應(yīng)用。最典型的應(yīng)用是在航天航空應(yīng)用系 統(tǒng)中，作為導(dǎo)航計算及姿態(tài)控制中角速度信號的傳感器。
航天航空應(yīng)用系統(tǒng)，由于所有電源功耗都由應(yīng)用系統(tǒng)電源系統(tǒng)提供，由于系 統(tǒng)上電壓系統(tǒng)總功率有限，從而對各個部分要求能夠低功耗運行，對于光纖陀 螺也要求能低功耗工作。光纖陀螺按功能分可分為電路系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué) 系統(tǒng)實現(xiàn)角速度信號到電信號的轉(zhuǎn)換，而電路系統(tǒng)負(fù)責(zé)從電信號中提取角速度 信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提供給上位控制系統(tǒng)。光纖陀螺的功耗可分為兩部分 一個是電路系統(tǒng)的功耗，包括中央處理器電路，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字模擬 轉(zhuǎn)換電路和通訊電路的功耗； 一個是光學(xué)有源器件的功耗。其中電路系統(tǒng)功耗 為光纖陀螺功耗的主要組成部分，占光纖陀螺總功耗的80%左右。若能在不削 弱光纖陀螺性能的前提下，降低電路系統(tǒng)的功耗，則可有效減低光纖陀螺的功 耗；不但能夠提高整個應(yīng)用系統(tǒng)的能量利用效率，而且能夠減小發(fā)熱量，改善 熱環(huán)境。
光纖陀螺具有評價其性能的一整套完整指標(biāo)，其中零偏溫度靈敏度指標(biāo)被用 于衡量光纖陀螺輸出信號隨溫度變化的變化情況，理想的光纖陀螺該指標(biāo)為零。 零偏的溫度靈敏度來源于各種器件不完美造成的溫度特性，從而可知有兩個改 善途徑降低器件的溫度特性以及降低光纖陀螺的溫度變化程度。而器件的溫 度特性是由其制作工藝決定，對于光纖陀螺生產(chǎn)廠家無法進(jìn)行控制，而后者一 般通過溫控方法實現(xiàn)，通過制冷器將光纖陀螺保持在恒定的工作溫度，該方法 具有很大的缺陷，需要體積龐大、功耗巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的溫控系統(tǒng)，并且溫控 方案為熱正反饋系統(tǒng)，^^控系統(tǒng)同樣會發(fā)熱，惡化系統(tǒng)的熱環(huán)境，在航天航空 系統(tǒng)中不適用，需要采取其他方法消除零偏的溫度靈敏性。而若能夠直接減小
系統(tǒng)功耗并保持原有性能，則可同比地減小系統(tǒng)發(fā)熱量，降低由于熱問題導(dǎo)致
的光纖陀螺溫度性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前光纖陀螺研究在航天航空系統(tǒng)應(yīng)用中，功耗要求嚴(yán)格且光纖陀螺 本身存在溫度性能的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種低光纖陀螺功耗的方法， 通過直接降低光纖陀螺功耗減輕整個系統(tǒng)的功率負(fù)載，以降低發(fā)熱量，同時消 除由于發(fā)熱造成光纖陀螺溫度性能下降，提高整個系統(tǒng)的熱性能以及能量利用 效率。
發(fā)明原理
光纖陀螺的電路系統(tǒng)主要由四部分組成，即中央處理器電路，模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換電路、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路和通訊電路，各部分的功耗組成了電路系統(tǒng)的總功 耗。而電路系統(tǒng)的總功耗又可分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是電路系統(tǒng) 維持在某一固定狀態(tài)所需消耗的功率，由電路系統(tǒng)的靜電流決定，為恒定值。 對于典型應(yīng)用的中央處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和通訊電路， 靜態(tài)功耗在幾十個毫瓦量級。動態(tài)功耗則是構(gòu)成電路系統(tǒng)的各部分的芯片、器 件邏輯單元邏輯運算時附加在靜態(tài)功耗上的額外功率消耗，為動態(tài)值，和系統(tǒng) 的運算速度和運算密度有關(guān)，典型值為數(shù)瓦。靜態(tài)功耗遠(yuǎn)小于動態(tài)功耗， 一般 不到動態(tài)功耗的十分之一，和動態(tài)功耗相比靜態(tài)功耗可忽略不計。總功耗中的 動態(tài)功耗部分為動態(tài)值，可以通過優(yōu)化光纖陀螺信號處理的方式，降低其平均 水平而實現(xiàn)總功耗的有效減小。
對于導(dǎo)航應(yīng)用，角速度信號的帶寬要求為十赫茲量級，而對于姿態(tài)控制應(yīng)用， 所需要的角速度信號的帶寬更小，只需赫茲量級的角速度信號帶寬即完全滿足 應(yīng)用要求。光纖陀螺的最快響應(yīng)為光在光纖陀螺光纖中傳輸?shù)臅r間，即渡越時 間，對于兩百米到一千的光纖，渡越時間典型值為一到五微秒，理論響應(yīng)帶寬 可達(dá)幾百千赫茲量級，遠(yuǎn)大于實際中角速度信號的帶寬需求。根據(jù)信號處理理
論中的奈奎斯特(Nyquist)定理，對于帶限信號，只需用大于兩倍帶寬的采樣 頻率進(jìn)行采樣即可完全表征該信號而不損失任何信息；實際應(yīng)用中為了后續(xù)處 理的方便， 一般選取3 5倍帶寬的頻率作為采樣頻率。
為了提高靈敏度，光纖陀螺采用方波相位調(diào)制的方法，在每個調(diào)制周期內(nèi) 光纖陀螺交替偏置在土 n/2，調(diào)制周期為兩倍渡越時間，在一個解調(diào)周期內(nèi)中央 處理器完成調(diào)制解調(diào)以及通訊的功能，并將角速度信號送出，相對于對角速度 信息按照兩倍渡越時間的采樣周期進(jìn)行采樣；也即是對于赫茲到十赫茲量級的
角速度信號的以幾百千赫茲的速度進(jìn)行采樣，根據(jù)信號處理分析可知如此高頻 率的采樣并不必要，也不能改善系統(tǒng)的信號性能。若降低釆樣頻率，將采樣頻 率設(shè)定在角速度信號帶寬的五倍，并僅在每個采樣點時候激活電路進(jìn)行工作， 在相鄰采樣點間使電路系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，不會損失任何角速度信號，反而可 以節(jié)省動態(tài)功耗。因為電路系統(tǒng)在休眠狀態(tài)時只有靜態(tài)功耗而無動態(tài)功耗，采 用"激活工作一休眠一再次激活工作"的工作方式，可減小系統(tǒng)激活工作的時 間，也即減小動態(tài)功耗存在的實際時間，從而減小平均的動態(tài)功耗。并且由于 因為角速度信號釆樣周期遠(yuǎn)大于光纖陀螺對角速度信號采樣所需的時間，在這 種工作方式下電路系統(tǒng)大部分時間處于休眠狀態(tài)，實際等效的平均動態(tài)功耗能 夠降低到原來的幾千分之一，從而有效的降低了電路系統(tǒng)的總功耗，相應(yīng)的也 減小了光纖陀螺的總功耗。
對于光纖長度為一千米的光纖陀螺，渡越時間五微秒；若應(yīng)用要求角速度
信號帶寬為十赫茲，則光纖陀螺對角速度信號的采樣頻率為五十赫茲，采樣周 期為二十毫秒，而光纖陀螺采樣所需的激活工作時間為兩倍渡越時間，即十微
秒，僅為采樣周期的1/2000。假設(shè)原動態(tài)功耗為PD，則可計算采樣這種方法的 等效動態(tài)功耗PDE為PDE=PD*10微秒/50毫秒-PD/2000。
靜態(tài)功耗PQ為動態(tài)功耗的十分之一，則原電路功耗為P=PQ+PD=1.1PD， 采用本發(fā)明后電路系統(tǒng)總功耗PE為PE=PQ+PDE= PQ+PD/2000=0.1005PD，
約等于靜態(tài)功耗。
電路功耗P占光纖陀螺總功耗的80%，從而可計算得到光纖陀螺總功耗PT 為PT=1.1PD/0.8=1.375PD，其中光學(xué)系統(tǒng)功耗為1.375PD-1.1PD=0.275PD; 采用本發(fā)明后光纖陀螺的總功耗為PTE: PTE=0.275PD+PE=0.3755PD;為原來 光纖陀螺總功耗的0.3755PD/1.375PD=27.3%,有效的降低了光纖陀螺的總功 耗。而且由于電路系統(tǒng)的功耗最終都轉(zhuǎn)換為熱量，在減小系統(tǒng)的功耗的同時， 也降低同樣數(shù)量的熱量的產(chǎn)生，有效的改善了光纖陀螺的熱環(huán)境。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的步驟如下
一種降低光纖陀螺功耗的方法，將閉環(huán)光纖陀螺電路功耗分為靜態(tài)功耗和 動態(tài)功耗兩部分，通過減小電路系統(tǒng)的激活工作時間，降低動態(tài)功耗存在時間 的方法有效地降低光纖陀螺的功耗。
所述的通過減小電路系統(tǒng)的激活工作時間，是通過減小動態(tài)功耗的實際存 在時間而實現(xiàn)；通過降低光纖陀螺對角速度信號的采樣頻率，并根據(jù)激活信號 在采樣點處激活電路系統(tǒng)采樣角速度信號，在采樣之后立刻使電路系統(tǒng)進(jìn)入休
眠狀態(tài)，從而減小動態(tài)功耗實際的存在時間。
將角信息速度采樣頻率從原來的調(diào)制解調(diào)頻率下降，并設(shè)定為五倍光纖陀 螺的帶寬；光纖陀螺設(shè)計帶寬由其應(yīng)用所需測量的角速度信號頻率范圍決定，
對于導(dǎo)航用陀螺，帶寬為十赫茲量級，對于姿態(tài)控制應(yīng)用，帶寬為一赫茲量級。 所述的激活信號由中央處理器內(nèi)部定時器通過定時周期產(chǎn)生，定時周期為
角速度信號的采樣周期，即采樣頻率的倒數(shù)；對于導(dǎo)航用陀螺為二十毫秒量級， 對于姿態(tài)控制用陀螺為兩百毫秒量級；電路系統(tǒng)在受激活信號激活后進(jìn)行調(diào)制 解調(diào)以實現(xiàn)對角速度信號的采樣，并在采樣結(jié)束后立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下 次激活信號的來臨。
一個角速度信號的采樣周期內(nèi)電路系統(tǒng)激活時間為一個解調(diào)周期，即兩倍 光纖陀螺渡越時間，在剩下時間內(nèi)為休眠狀態(tài)；休眠狀態(tài)下電路系統(tǒng)只有靜態(tài) 功耗,動態(tài)功耗為零；激活時間小于角速度信號采樣周期的千分之一，等效于將 平均的動態(tài)功耗降低為小于千分之一。
角速度信號的采樣頻率為五倍光纖陀螺帶寬，滿足奈奎斯特要求，在降低電 路系統(tǒng)的動態(tài)功耗的同時，不削弱光纖陀螺的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。
通過降低電路系統(tǒng)動態(tài)功耗的實際存在時間，減小等效地叛軍動態(tài)功耗從而 減小系統(tǒng)的總功耗，從而減小系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)熱量，改善了溫度性能。
本發(fā)明具有的有益效果是通過降低光纖陀螺電路系統(tǒng)對角速度信號的采 樣頻率，在不削弱性能的前提下，降低了系統(tǒng)激活工作的時間，將光纖陀螺的 總功耗有效的降低為原來的27.3%左右，同時降低了同樣數(shù)量的熱量的產(chǎn)生， 改善了光纖陀螺的熱環(huán)境，提高了溫度性能，減輕了整個應(yīng)用系統(tǒng)的功耗負(fù)載， 提高整個系統(tǒng)的熱性能以及能量效率。


圖1是原光纖陀螺調(diào)制信號及功耗變化示意圖； 圖2是改善后光纖陀螺調(diào)制信號及功耗變化示意圖；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖1是原光纖陀螺調(diào)制信號及功耗變化示意圖，其中1為光纖陀螺的相位 調(diào)制方波信號，方波周期為兩倍的光纖陀螺的渡越時間,幅度為±31/2; 2為電路 系統(tǒng)在l連續(xù)調(diào)制解調(diào)工作下的總功耗。由于電路系統(tǒng)為連續(xù)工作，所以總功 耗保持為恒定值，總功耗PT為靜態(tài)功耗PQ和動態(tài)功耗PD之和，即PT-PQ+PD。 由于靜態(tài)功耗約為動態(tài)功耗的十分之一，從而總功耗PT約為PD的1.1倍，即PT"1.1PD。
圖2是改善后光纖陀螺調(diào)制信號及功耗變化示意圖，其中3為電路系統(tǒng)的
激活信號，在采樣點to， t2處產(chǎn)生周期的激活脈沖信號，用于激活電路系統(tǒng)開始
調(diào)制解調(diào)及信號處理等工作，并在一個調(diào)制周期內(nèi)完成處理工作后td吏系統(tǒng)進(jìn) 入休眠狀態(tài)；激活脈沖信號由光纖陀螺中央處理器電路內(nèi)部的定時器產(chǎn)生。8為 兩個連續(xù)激活脈沖信號之間的時間，即角速度信號采樣周期，由系統(tǒng)角速度信 號采樣頻率決定。對于帶寬要求為十赫茲量級的光纖陀螺，需要五倍即五十赫 茲量級的采樣頻率，從而等價于角速度信號采樣周期為二十毫秒。4為光纖陀螺 的電路系統(tǒng)發(fā)生的調(diào)制信號，電路系統(tǒng)在采樣點tQ獲得激活信號后激活，并開 始進(jìn)行一次方波調(diào)制，調(diào)制幅度交替為為^/2和-31/2，并同時采樣光纖陀螺的 角速度信號，在完成角速度信號采樣后，于時間t,使電路系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)， 等待下一個采樣點t2的激活信號。對于光纖長度為一千米的光纖陀螺，渡越時 間五微秒，激活工作的時間為兩倍渡越時間即十微秒。5為系統(tǒng)的動態(tài)功耗隨時 間的變化圖，在一個角速度信號的采樣周期to t2內(nèi)，動態(tài)功耗僅在系統(tǒng)激活工 作也即to tJ寸間內(nèi)存在，大小為PD，在休眠狀態(tài)時間t, t2為零；6為電路系 統(tǒng)的總功耗隨時間變化示意圖，系統(tǒng)激活工作也即to tt時間內(nèi)為靜態(tài)功耗PQ 和動態(tài)功耗PD的和，而在休眠時間" t2內(nèi)只有靜態(tài)功耗PQ。
若應(yīng)用要求角速度信號帶寬為十赫茲，則光纖陀螺對角速度信號的采樣頻 率為五十赫茲，采樣周期為二十毫秒，而光纖陀螺采樣時候激活為兩倍渡越時 間為十微秒，僅為采樣周期的1/2000。假設(shè)原動態(tài)功耗為PD，則可計算采樣這 種方法的等效動態(tài)功耗PDE為PDE-PDnO微秒/50毫秒二PD/2000。
靜態(tài)功耗PQ為動態(tài)功耗的十分之一，則原電路功耗為P=PQ+PD=1.1PD， 采用本發(fā)明后電路系統(tǒng)總功耗PE為PE=PQ+PDE= PQ+PD/2000=0.1005PD， 約等于靜態(tài)功耗。
電路功耗P占光纖陀螺總功耗的80%，從而可計算得到光纖陀螺總功耗PT 為PT=1.1PD/0.8=1.375PD，其中光學(xué)系統(tǒng)功耗為1.375PD-UPD=0.275PD; 采用本發(fā)明后光纖陀螺的總功耗為PTE: PTE=0.275PD+PE=0.3755PD;為原來 光纖陀螺總功耗的0.3755PD/1.375PD=27.3%，有效的降低了光纖陀螺的總功 耗。而且由于電路系統(tǒng)的功耗最終都轉(zhuǎn)換為熱量，在減小系統(tǒng)的功耗的同時， 也降低同樣數(shù)量的熱量的產(chǎn)生，有效的改善了光纖陀螺的熱環(huán)境。
權(quán)利要求
1、一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于將閉環(huán)光纖陀螺電路功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分，通過減小電路系統(tǒng)的激活工作時間，降低動態(tài)功耗存在時間的方法有效地降低光纖陀螺的功耗。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于所 述的通過減小電路系統(tǒng)的激活工作時間，是通過減小動態(tài)功耗的實際存在時間 而實現(xiàn)；通過降低光纖陀螺對角速度信號的采樣頻率，并根據(jù)激活信號在采樣 點處激活電路系統(tǒng)采樣角速度信號，在采樣之后立刻使電路系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)， 從而減小動態(tài)功耗實際的存在時間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于將 角信息速度采樣頻率從原來的調(diào)制解調(diào)頻率下降，并設(shè)定為五倍光纖陀螺的帶 寬；光纖陀螺設(shè)計帶寬由其應(yīng)用所需測量的角速度信號頻率范圍決定，對于導(dǎo) 航用陀螺，帶寬為十赫茲量級，對于姿態(tài)控制應(yīng)用，帶寬為一赫茲量級。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于所 述的激活信號由中央處理器內(nèi)部定時器通過定時周期產(chǎn)生，定時周期為角速度 信號的采樣周期，即采樣頻率的倒數(shù)；對于導(dǎo)航用陀螺為二十毫秒量級，對于 姿態(tài)控制用陀螺為兩百毫秒量級；電路系統(tǒng)在受激活信號激活后進(jìn)行調(diào)制解調(diào) 以實現(xiàn)對角速度信號的采樣，并在采樣結(jié)束后立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次激 活信號的來臨。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于一 個角速度信號的采樣周期內(nèi)電路系統(tǒng)激活時間為一個解調(diào)周期，即兩倍光纖陀 螺渡越時間，在剩下時間內(nèi)為休眠狀態(tài)；休眠狀態(tài)下電路系統(tǒng)只有靜態(tài)功耗，動 態(tài)功耗為零；激活時間小于角速度信號采樣周期的千分之一，等效于將平均的 動態(tài)功耗降低為小于千分之一。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于 角速度信號的采樣頻率為五倍光纖陀螺帶寬，滿足奈奎斯特要求，在降低電路 系統(tǒng)的動態(tài)功耗的同時，不削弱光纖陀螺的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低光纖陀螺功耗的方法，其特征在于通 過降低電路系統(tǒng)動態(tài)功耗的實際存在時間，減小等效地叛軍動態(tài)功耗從而減小 系統(tǒng)的總功耗，從而減小系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)熱量，改善
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低光纖陀螺功耗的方法。通過光纖陀螺中央處理器內(nèi)部的定時器按照角速度信號的采樣周期周期地產(chǎn)生激活信號，激活電路系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，電路系統(tǒng)在受激活后進(jìn)行調(diào)制解調(diào)及信號處理等工作，實現(xiàn)對系統(tǒng)所在平臺角速度信號的采樣，并在角速度信號采樣后立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)直到下一次激活信號的到來；電路系統(tǒng)在休眠狀態(tài)只消耗靜態(tài)功耗而沒有動態(tài)功耗，通過這種“激活工作-休眠-再次激活”工作的周期信號處理方式，在不削弱光纖陀螺輸出角信號性能的前提下，降低動態(tài)功耗的實際存在時間，等效降低了平均動態(tài)功耗，從而有效降低光纖陀螺的總功耗，減小熱量的產(chǎn)生，減輕應(yīng)用系統(tǒng)的功耗負(fù)載，最終改善系統(tǒng)的熱環(huán)境及能量利用效率。
文檔編號G01C19/72GK101183002SQ20071015692
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者承 劉, 胡慧珠, 舒曉武, 陳杏藩 申請人:浙江大學(xué)