專(zhuān)利名稱(chēng)：消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)中光纖傳感的領(lǐng)域，尤其是涉及一種消除信號(hào)強(qiáng)度變 化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法。
技術(shù)背景光纖陀螺是一種新型的角速度測(cè)量?jī)x，其工作原理是基于光學(xué)賽格奈克效應(yīng) 的光纖干涉儀，即當(dāng)環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差， 通過(guò)檢測(cè)該相位差，即可得到環(huán)形干涉儀所在系統(tǒng)的角速度。由于光纖陀螺具 有全固態(tài)、帶寬大及具有多種協(xié)議數(shù)字輸出的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的用于導(dǎo)航和姿態(tài) 控制系統(tǒng)中，為了改善光纖陀螺輸出信號(hào)的線性度和靈敏度， 一般對(duì)光纖陀螺 進(jìn)行方波相位動(dòng)態(tài)偏置以及閉環(huán)工作，從而光纖陀螺的輸出可以表示為。方波相位動(dòng)態(tài)偏置和閉環(huán)工作的光纖陀螺的輸出響應(yīng)函數(shù)為—+ COS(+" / 2 + 0Sag — )〗，奇數(shù)調(diào)制周期/ = {/0[l + cos(—;r/2 + 0Sag—^B)]，偶數(shù)調(diào)制周期 (1)其中/。為系統(tǒng)平均輸出信號(hào)，/為系統(tǒng)實(shí)際的輸出信號(hào)，-^為正比于角速度 的賽格奈克相移，+"/2和_"/2為動(dòng)態(tài)相位偏置，&8為反饋相位，記殘余相位 誤差為^尸l-&，穩(wěn)定工作時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)使條件^aO滿(mǎn)足，從而通過(guò)反饋 相位獲得系統(tǒng)的賽格奈克相移，進(jìn)而得到系統(tǒng)的角速度信息。在系統(tǒng)角速度變 化時(shí)，(偏離零值，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)^的測(cè)量，并根據(jù)它調(diào)整反饋相位，最終 從而實(shí)現(xiàn)反饋相位追蹤等于賽格奈克相移，所以殘余相位誤差^測(cè)量的準(zhǔn)確性 決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的和閉環(huán)精度。實(shí)際光纖陀螺中的光電器件，由于存在著老化問(wèn)題，如光源功率隨著時(shí)間 的下降或者光電探測(cè)器靈敏度的下降，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損耗的增加最終輸出的信 號(hào)/的變化，從而造成殘余相位誤差L測(cè)量的不準(zhǔn)，并直接導(dǎo)致了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性 能的惡化和閉環(huán)精度的下降。而不可避免的電路的低頻漂移也會(huì)產(chǎn)生相似的效 果，從而需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。目前已有的方法，都是通過(guò)在系統(tǒng)光源后面分束器附加一個(gè)光電探測(cè)器進(jìn) 行光強(qiáng)檢測(cè)，該方法需要附加器件及相應(yīng)的處理電路，提高了系統(tǒng)成本和功耗， 并且增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，而復(fù)雜度的增加意味著可靠性的降低；并且以后方法
都只是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)量，無(wú)法測(cè)量得到光電探測(cè)器靈敏度或電路低頻漂移造成的系統(tǒng)信號(hào)的變化，和實(shí)際系統(tǒng)的信號(hào)輸出變化有較大的出入。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)目前光纖陀螺研究中，需要對(duì)系統(tǒng)的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，而已有的方 法只能測(cè)量光強(qiáng)的變化，增加了系統(tǒng)成本和功耗，降低了系統(tǒng)可靠性，并且測(cè) 量結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)的信號(hào)輸出不同的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于在不降低系統(tǒng)的 可靠性和增加成本及功耗的前提下，提供一種消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性 能影響的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)精度和動(dòng)態(tài)性能的改善。發(fā)明原理<t,0，工作線性區(qū)士n/2上，并具有最大靈敏度從而系統(tǒng)輸出信號(hào)(1)進(jìn) 行化簡(jiǎn)及一階近似可改寫(xiě)為J = /。-/。L,奇數(shù)調(diào)制周期 f 、偶數(shù)調(diào)制周期利用奇偶數(shù)調(diào)制周期的信號(hào)差進(jìn)行殘余相位誤差^的檢測(cè)，貝U:^ 0其中、卿和4鵬分別為系統(tǒng)在奇偶周期對(duì)于系統(tǒng)采樣得到的結(jié)果，為實(shí)際 測(cè)量得到的信息?？梢钥闯鰵堄嘞辔徽`差t為系統(tǒng)平均信號(hào)強(qiáng)度/。的函數(shù)。如 果由于光電器件老化或者電路低頻漂移造成了系統(tǒng)/。的變化，則會(huì)造成殘余相 位誤差t測(cè)量的誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)閉環(huán)精度和動(dòng)態(tài)性能的惡化。通過(guò)奇偶數(shù)周期的系統(tǒng)采樣結(jié)果和進(jìn)行系統(tǒng)的光強(qiáng)解調(diào)，可得到利用(4)中解調(diào)出光強(qiáng)對(duì)(3)中殘余相位誤差^進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到(5) 式作為殘余相位誤差^的檢測(cè)值，。- 一2卞偶周期 奇周期 (5)1偶周期+ "*奇周期(5)不含有信號(hào)強(qiáng)度的信息，消除了信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和閉環(huán)精 度的影響，提高了系統(tǒng)性能。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的步驟如下消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法，中央處理器通過(guò)相位調(diào)制 電路對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)相位偏置和閉環(huán)控制；經(jīng)采樣電路實(shí)時(shí)采集此時(shí)的系 統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度，并送到中央處理器進(jìn)行解調(diào)；在采樣電路實(shí)時(shí)采集得到系統(tǒng)輸出 信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字采樣值之后，增加一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)殘余相位誤差和系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)解調(diào)，并進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償，消除由 于系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度變化造成殘余相位誤差的測(cè)量不準(zhǔn)確性造成的動(dòng)態(tài)性能的惡化 和閉環(huán)精度的下降。所述的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)由系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)、奇偶周期 判斷器、殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)、信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)構(gòu)成；系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào) 環(huán)節(jié)對(duì)奇偶調(diào)制周期采樣結(jié)果得到的采樣值進(jìn)行累加并解調(diào)獲得系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng) 度；殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)根據(jù)奇偶周期器輸出的奇偶周期的采樣值進(jìn)行解調(diào) 得到殘余相位誤差。所述的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)接收信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)輸出的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度信號(hào) 和殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)輸出的殘余相位誤差，做商得到校正后的殘余相位誤 差輸出到中央處理器，以消除由于系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度變化導(dǎo)致的殘余相位誤差 測(cè)量不準(zhǔn)確，經(jīng)校正后的殘余相位誤差^如下式表示——2t ^禹周期一i奇周期其中、娜和4周期分別對(duì)應(yīng)于奇偶調(diào)制周期內(nèi)的采樣值。 通過(guò)所述的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)殘余相位誤差測(cè)量的影 響，最終提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和閉環(huán)精度。本發(fā)明具有的有益效果是首次提出了對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度的直接解調(diào)而 非利用附加光電探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)測(cè)量的方法，在不降低系統(tǒng)的可靠性和增加功耗 及成本的前提下，通過(guò)調(diào)制解調(diào)的方法得到系統(tǒng)中由于老化和漂移原因造成的 信號(hào)的真實(shí)變化，并加以補(bǔ)償，從而提高了光學(xué)陀螺系統(tǒng)的閉環(huán)精度和動(dòng)態(tài)性 能；具有很高的實(shí)用價(jià)值，改善了陀螺的性能。


圖1是改進(jìn)前光纖陀螺系統(tǒng)原理框圖。圖2是增加了信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的光纖陀螺系統(tǒng)原理框圖。 圖3是增加的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖中1、光學(xué)系統(tǒng)部分，2、相位調(diào)制電路，3、中央處理器，4、采樣電 路，5、信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，5.1、信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)，5.2、奇偶周 期判斷器，5.3、奇數(shù)周期采樣值，5.4、偶數(shù)周期采樣值，5.5、殘余相位誤差解 調(diào)環(huán)節(jié)，5.6、信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明圖1是改進(jìn)前光纖陀螺系統(tǒng)原理框圖其中1為光纖陀螺的光學(xué)系統(tǒng)部分， 2為系統(tǒng)的相位調(diào)制電路，3為中央處理器，4為采樣電路；中央處理器3實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和信號(hào)的采樣解調(diào)，它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的相位偏置，并發(fā)送到 調(diào)制電路2，調(diào)制電路2光學(xué)系統(tǒng)1進(jìn)行相位調(diào)制，從而使得系統(tǒng)具有最大的靈敏度，并且閉環(huán)運(yùn)行；光學(xué)系統(tǒng)1在調(diào)制電路2的調(diào)制下，產(chǎn)生一個(gè)含角速度 信息的系統(tǒng)信號(hào)，并由采樣電路4進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為中央處理器3可以進(jìn)行處 理的數(shù)字信號(hào)，同樣的采樣電路4的采樣由中央處理器3進(jìn)行控制；在獲得了 數(shù)字信號(hào)以后，中央處理器3進(jìn)行解調(diào)得到系統(tǒng)的殘余誤差信號(hào)，積分得到系 統(tǒng)由于轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的賽格奈克相位，并計(jì)算得到角速度信息。圖2是增加了信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的光纖陀螺系統(tǒng)原理框圖；在圖1的基礎(chǔ)商，增加了一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)5，中央處理器3在控 制采樣電路4進(jìn)行采樣后，將采樣結(jié)果和動(dòng)態(tài)相位偏置信息送入環(huán)節(jié)5，由環(huán)節(jié) 5同時(shí)進(jìn)行殘余相位誤差和系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度的同步解調(diào)，并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的解調(diào)結(jié) 果對(duì)殘余相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最終將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償以后的殘余相位誤差，并送到中 央處理器3，由中央處理器3實(shí)現(xiàn)剩下的積分和角速度信息計(jì)算及下個(gè)調(diào)制周期 的動(dòng)態(tài)相位偏置和閉環(huán)反饋。圖3是增加的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)原理框圖；其 中虛線框內(nèi)即為增加的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，其中5.2為奇 偶周期判斷器，它接收來(lái)自采樣電路4輸出的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度采樣值，并根據(jù)來(lái) 自中央處理器3的動(dòng)態(tài)相位偏置信號(hào)信息，將信號(hào)強(qiáng)度的采樣值區(qū)分為奇數(shù)周 期采樣輸出采樣值5.3和偶數(shù)周期采樣輸出采樣值5.4，之后奇偶數(shù)周期采樣值 5.3和5.4分別被輸入到系統(tǒng)的殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)5.5實(shí)現(xiàn)殘余相位誤差的 解調(diào)，具體的操作是偶數(shù)周期采樣值5.4減去奇數(shù)周期采樣值5.3，即<formula>formula see original document page 6</formula>，從而獲得強(qiáng)度校正前的殘余相位誤差，并將該誤差發(fā)送到 信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)5.6進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償；另外采樣電路4的采樣值在送到奇偶周期 判斷器5.2的同時(shí)還送到系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)5.1，通過(guò)奇偶采樣周期的信號(hào)累加實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的解調(diào)，也即/。二^周期r奇周期，并將該系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)發(fā)送到信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)5.6的另外一個(gè)輸入端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余相位誤差的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ) 償，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能的提高和閉環(huán)精度的改善，具體補(bǔ)償方法可以表示為下式々禹周期T J奇周期由于補(bǔ)償后殘余相位誤差的表達(dá)式以及和系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，從而即使 是由于老化或者其他原因造成了系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度變化，都不會(huì)影響閉環(huán)后的殘 余相位誤差測(cè)量的準(zhǔn)確性，而殘余相位誤差測(cè)量的準(zhǔn)確測(cè)量，使得系統(tǒng)能夠正 確的更新閉環(huán)的反饋相位，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和閉環(huán)精度。
權(quán)利要求
1.消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法，中央處理器(3)通過(guò)相位調(diào)制電路(2)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)(1)進(jìn)行動(dòng)態(tài)相位偏置和閉環(huán)控制；經(jīng)采樣電路(4)實(shí)時(shí)采集此時(shí)的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度，并送到中央處理器(3)進(jìn)行解調(diào)；其特征在于在采樣電路(4)實(shí)時(shí)采集得到系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字采樣值之后，增加一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)(5)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)殘余相位誤差和系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)解調(diào)，并進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償，消除由于系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度變化造成殘余相位誤差的測(cè)量不準(zhǔn)確性造成的動(dòng)態(tài)性能的惡化和閉環(huán)精度的下降。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法，其 特征在于所述的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)和強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)(5)由系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)(5.1)、奇偶周期判斷器(5.2)、殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)(5.5)、信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償 環(huán)節(jié)(5.6)構(gòu)成；系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)(5.1)對(duì)奇偶調(diào)制周期采樣結(jié)果得到 的采樣值進(jìn)行累加并解調(diào)獲得系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度；殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)(5.5)根 據(jù)奇偶周期器(5.2)輸出的奇偶周期的采樣值進(jìn)行解調(diào)得到殘余相位誤差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法，其 特征在于所述的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)(5.6)接收信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)(5.1)輸出 的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)和殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)(5.5)輸出的殘余相位誤差，做 商得到校正后的殘余相位誤差輸出到中央處理器，以消除由于系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng) 度變化導(dǎo)致的殘余相位誤差測(cè)量不準(zhǔn)確，經(jīng)校正后的殘余相位誤差(如下式表 示^ — 2十i偶周期—J竒周期Pen ^其中7偶周期和7奇周期^別對(duì)應(yīng)于旨偶調(diào)制周期內(nèi)fl勺采樣值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法，其 特征在于通過(guò)所述的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)(5.6)消除系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)殘余相位 誤差測(cè)量的影響，最終提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和閉環(huán)精度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了消除信號(hào)強(qiáng)度變化對(duì)光纖陀螺性能影響的方法。在光纖陀螺的采樣電路和中央處理器之間，加入一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)補(bǔ)償環(huán)節(jié)；將采樣電路得到的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)字采樣值輸入該環(huán)節(jié)中，由其中的奇偶周期判斷器分離奇偶周期采樣值，并送到殘余相位誤差解調(diào)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)殘余相位誤差的解調(diào)；同時(shí)將系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)字采樣值輸入到系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度解調(diào)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行奇偶周期采樣值的累加解調(diào)得到系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度；解調(diào)得到的殘余相位誤差以及系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度輸入到強(qiáng)度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余相位誤差的信號(hào)強(qiáng)度補(bǔ)償，從而在不降低系統(tǒng)可靠性和增加成本、功耗的前提下，消除了由于系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度變化造成的動(dòng)態(tài)性能惡化，改善系統(tǒng)的閉環(huán)精度。
文檔編號(hào)G01C19/72GK101162145SQ20071015692
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)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, 舒曉武, 陳杏藩 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)