專(zhuān)利名稱(chēng)：擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖陀螺傳感器中的信號(hào)處理方法，尤其是涉及一種擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法。

背景技術(shù)：
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)角速度的相位差，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。
光纖陀螺的本征響應(yīng)函數(shù)為余弦函數(shù)，但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)行方波調(diào)制，使其工作在最靈敏的±π/2的相位偏置上，此時(shí)光纖陀螺的輸出可表示為。

其中I0為系統(tǒng)平均輸出信號(hào)，I為系統(tǒng)實(shí)際的輸出信號(hào)，φSag為轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的賽格奈克相移，±π/2為動(dòng)態(tài)相位偏置。通過(guò)對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)的解調(diào)可得到賽格奈克相移的大小，而賽格奈克相移和角速度的關(guān)系可以表示如下 其中L為光纖陀螺光纖環(huán)光纖長(zhǎng)度，D為光纖環(huán)直徑，λ光纖陀螺所用光源波長(zhǎng)，c為真空中光速，Ω為系統(tǒng)角速度。
光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍指光纖陀螺能夠測(cè)量的角速度的范圍，由于光纖陀螺本征響應(yīng)函數(shù)為余弦函數(shù)，其單調(diào)區(qū)間范圍為π，該單調(diào)區(qū)間對(duì)應(yīng)的角速度范圍即為光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)相位偏置下動(dòng)態(tài)范圍為對(duì)應(yīng)于[-π/2，π/2)相位的角速度范圍，根據(jù)(2)可計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍范圍為 動(dòng)態(tài)范圍和所用光纖環(huán)光纖長(zhǎng)度L和直徑D的積成反比，對(duì)于光纖環(huán)長(zhǎng)度為1千米，直徑為0.1米，光源波長(zhǎng)為0.85微米的典型高精度光纖陀螺，動(dòng)態(tài)范圍為[-36°/秒，36°/秒]，對(duì)于光纖環(huán)長(zhǎng)度為100米，直徑為0.06米，光源波長(zhǎng)為0.85微米的中低精度光纖陀螺，動(dòng)態(tài)范圍為[-600°/秒，600°/秒]。若需要更大的動(dòng)態(tài)范圍，則需要減小光纖長(zhǎng)度或者光纖環(huán)直徑，但過(guò)小的光纖環(huán)直徑會(huì)造成系統(tǒng)彎曲損耗增大和信噪比降低，削弱光纖陀螺輸出角速度信號(hào)的精度；而更短的光纖長(zhǎng)度要求更快速的調(diào)制解調(diào)速度，要求后續(xù)處理電路解算能力更強(qiáng)大，增大電路硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度和難度，引入更多電磁耦合，造成了潛在死區(qū)的增大。
可見(jiàn)減小光纖環(huán)長(zhǎng)度和直徑的方法擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍并不實(shí)用，實(shí)際上光纖環(huán)長(zhǎng)度小于100米，直徑小于0.06米的光纖陀螺由于技術(shù)難度過(guò)大而無(wú)法實(shí)用化，而在某些高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)載體中，測(cè)量1000°/秒量級(jí)的角速度又是一個(gè)現(xiàn)實(shí)需求，從而要求能夠有一種新的技術(shù)方法，能夠不增加現(xiàn)有硬件設(shè)計(jì)難度及降低系統(tǒng)性能，即能擴(kuò)展光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)似數(shù)千°/秒量級(jí)大角速度的準(zhǔn)確此測(cè)量，以滿足高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)載體的應(yīng)用需求。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前光纖陀螺研究中，高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)載體需要準(zhǔn)確測(cè)量高達(dá)數(shù)千°/秒量級(jí)的角速度，而又無(wú)實(shí)用簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方法的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，在不增加硬件設(shè)計(jì)難度及降低精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)大角速度準(zhǔn)確測(cè)量，以滿足高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)載體的應(yīng)用需求。
發(fā)明原理 對(duì)光纖陀螺進(jìn)行多個(gè)不同幅度的相位調(diào)制，其中包括原有±π/2動(dòng)態(tài)相位偏置，并對(duì)在這些相位調(diào)制下陀螺的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)合適的數(shù)據(jù)處理和組合方法，擴(kuò)展系統(tǒng)的單調(diào)區(qū)間范圍，消除單調(diào)區(qū)間受限于[-π/2～π/2)而動(dòng)態(tài)范圍受限的問(wèn)題。
改變光纖陀螺系統(tǒng)的相位偏置信號(hào)，使一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)含有5個(gè)調(diào)制步，各個(gè)調(diào)制步的相位調(diào)制幅度順次為-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E調(diào)制步，各調(diào)制步的持續(xù)時(shí)間為光纖陀螺的渡越時(shí)間τ，也即相位調(diào)制信號(hào)mod(t)隨時(shí)間t變化的表達(dá)式如下 其中n為正整數(shù)，表示調(diào)制解調(diào)周期的序號(hào)，τ為光纖陀螺的渡越時(shí)間。在調(diào)制相位信號(hào)mod(t)的調(diào)制下光纖陀螺的輸出信號(hào)表示為 I(t)＝I0{1+cos[mod(t)+φsag]}(4) 其中I0為光纖陀螺系統(tǒng)輸出信號(hào)的平均值，φsag為光纖陀螺所在系統(tǒng)角速度所產(chǎn)生的賽格奈克相移。按照五個(gè)調(diào)制步為一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期，通過(guò)光纖陀螺的采樣電路采集在五個(gè)調(diào)制步中的信號(hào)分別為IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、IE(n)。令O1(n)、O2(n)、O3(n)分別為三組調(diào)制步組合輸出信號(hào)的差函數(shù)為 O2(n)＝IB(n)-ID(n)＝I0[cos(π/2+φsag)-cos(-π/2+φsag)]＝-2I0 sin(φsag)(5) 可知O1(n)、O2(n)、O3(n)三個(gè)函數(shù)各自的單調(diào)區(qū)間分別為左區(qū)間[-23π/16～-7π/16)，中區(qū)間[-π/2～π/2)，右區(qū)間[7π/16～23π/16)，其中O1(n)、O2(n)有共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)，O2(n)、O3(n)有共同區(qū)間[7π/16～π/2)。也就是根據(jù)這三式可以分別解算得到對(duì)應(yīng)于[-23π/16～-7π/16)、[-π/2～π/2)、[7π/16～23π/16)的賽格奈克相位區(qū)間的角速度，三者各自的解算的結(jié)果φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)分別如下 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2)(6) φsag3(n)∈[7π/16，23 π/16) 根據(jù)上個(gè)解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果φsag(n-1)，確定φsag(n)的解算區(qū)間是左區(qū)間[-23π/16～-7π/16)或者中區(qū)間[-π/2～π/2)或者是右區(qū)間[7π/16～23π/16)，然后選擇相應(yīng)的解算結(jié)果，則可擴(kuò)展實(shí)際可以測(cè)量的角速度。而根據(jù)(5)和(6)式還可知，相鄰區(qū)間如左區(qū)間和中區(qū)間、中區(qū)間和右區(qū)間間分別擁有共同區(qū)間，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同區(qū)間兩個(gè)解算式子的解算結(jié)果相同，共同區(qū)間起到史密斯觸發(fā)器的作用，用于避免角速度產(chǎn)生的賽格奈克相移處于在區(qū)間分界處頻繁切換解算區(qū)間，使系統(tǒng)在大加速度下解算區(qū)間不需頻繁變化，減小計(jì)算量和提高系統(tǒng)的可靠性。
具體解算區(qū)間的選擇方法如下若φsag(n-1)不在共同區(qū)間中，則根據(jù)φsag(n-1)實(shí)際大小選擇解算區(qū)間為左區(qū)間、中區(qū)間或右區(qū)間；若共同區(qū)間中，則φsag(n)的解算區(qū)間沿用φsag(n-1)的解算區(qū)間。也即選擇過(guò)程為遞歸過(guò)程，遞歸初始值由系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化程序確定。對(duì)在靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)的光纖陀螺，初始解算區(qū)間為中區(qū)間，這是絕大部分系統(tǒng)的啟動(dòng)情況。
確定φsag(n)的解算區(qū)間后按解算區(qū)間對(duì)應(yīng)的φsag(n)的解算式子解算，將φsag(n)的單調(diào)區(qū)間擴(kuò)展到[-23π/16～23π/16)，比原來(lái)的單調(diào)區(qū)間[-π/2～π/2)擴(kuò)展了23/8倍，接近3倍，等效于將光纖陀螺可測(cè)量角速度的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展了23/8倍。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的步驟如下 在一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)，通過(guò)一個(gè)固定的相位調(diào)制信號(hào)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行相位調(diào)制，同時(shí)由光纖陀螺的采樣電路采樣獲得該調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)不同調(diào)制步的陀螺輸出信號(hào)大??；由上一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果遞歸選擇正確的解算區(qū)間，根據(jù)選擇解算區(qū)間的解算公式解算得到這個(gè)調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)光纖陀螺的賽格奈克相移，并得到系統(tǒng)的角速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。
所述的相位調(diào)制信號(hào)由五個(gè)不同的調(diào)制步A、B、C、D、和E組成，這五個(gè)調(diào)制步的相位調(diào)制幅度順次為-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，各調(diào)制步的持續(xù)時(shí)間為光纖陀螺的渡越時(shí)間τ，光纖陀螺在各個(gè)調(diào)制步下對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)分別記為IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，n為整數(shù)，表示調(diào)制解調(diào)周期的序號(hào)。
所述的不同調(diào)制步的光纖陀螺的輸出信號(hào)IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，將光纖陀螺的解算區(qū)間分為三個(gè)解算區(qū)間，分別為左區(qū)間[-23π/16～-7π/16)、中區(qū)間[-π/2～π/2)及右區(qū)間[7π/16～23π/16)，其中相鄰解算區(qū)間有共同區(qū)間，左區(qū)間和中區(qū)間有共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)，中區(qū)間和右區(qū)間有共同區(qū)間[7π/16～π/2)；三個(gè)解算區(qū)間內(nèi)各自解算結(jié)果記為φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算式子分別如下所示，其中I0為光纖陀螺系統(tǒng)輸出信號(hào)的平均值 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 所述的共同區(qū)間有兩個(gè)解算式子，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同區(qū)間兩個(gè)解算式子的解算結(jié)果相同；共同區(qū)間起史密斯觸發(fā)器的作用，可避免角速度產(chǎn)生的賽格奈克相移在結(jié)算區(qū)間分界處頻繁切換解算區(qū)間，使系統(tǒng)在大角加速度下不需頻繁切換解算區(qū)間，減小計(jì)算量和提高可靠性。
所述的解算區(qū)間的選擇方法具體如下光纖陀螺解算結(jié)果φsag(n)解算區(qū)間的選擇為遞歸過(guò)程，若上個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果φsag(n-1)不在共同區(qū)間中，則根據(jù)φsag(n-1)實(shí)際大小選擇解算區(qū)間及解算公式，當(dāng)φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)選取φsag1(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)時(shí)選取φsag2(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n)∈[7π/16，23π/16)時(shí)選取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同區(qū)間中，則φsag(n)的解算區(qū)間沿用φsag(n-1)的解算區(qū)間；而解算區(qū)間的初始值由系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化程序確定；對(duì)于在靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)的光纖陀螺，初始的解算區(qū)間為中區(qū)間。
所述的對(duì)開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，不需改動(dòng)系統(tǒng)硬件，在原有光纖陀螺基礎(chǔ)上將其可測(cè)試的角速度動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為原來(lái)的23/8倍。
本發(fā)明具有的有益效果是 首次提出一種擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)方法，通過(guò)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行周期性的多調(diào)制步相位調(diào)制，通過(guò)遞歸方法選擇不同的解算區(qū)間，將光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為原有的23/8倍，使光纖環(huán)程度100米，直徑為0.06米，光源波長(zhǎng)為0.85微米的光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍從[+600°/秒，-600°/秒]擴(kuò)展到[+1725°/秒，-1725°/秒]，從而滿足高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)載體需要準(zhǔn)確測(cè)量高達(dá)數(shù)千°/秒量級(jí)的角速度的要求，并且該方法不需改動(dòng)硬件，提高了光纖陀螺的性能，具有高的實(shí)用價(jià)值。



圖1是開(kāi)環(huán)光纖陀螺的調(diào)制信號(hào)和對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。
圖2是擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的光纖陀螺信號(hào)處理的流程圖。

具體實(shí)施例方式 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是開(kāi)環(huán)光纖陀螺的調(diào)制信號(hào)和對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，圖中曲線1為光纖陀螺受到的周期相位調(diào)制信號(hào)，圖2是光纖陀螺靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)在調(diào)制信號(hào)1下的輸出信號(hào)。調(diào)制信號(hào)1為周期信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)5個(gè)調(diào)制步，即圖中的調(diào)制步A、B、C、D和E，各個(gè)調(diào)制步的持續(xù)時(shí)間為一倍光纖陀螺的渡越時(shí)間τ，從而實(shí)際一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期為五倍光纖陀螺的渡越時(shí)間即5τ。五個(gè)調(diào)制步的相位調(diào)制幅度各不相同，按照A、B、C、D、E的順序分別為-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8。
光纖陀螺輸出信號(hào)2是對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)1的開(kāi)環(huán)光纖陀螺的輸出，對(duì)于五個(gè)不同的調(diào)制步A、B、C、D和E，其對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)分別為IA、IB、IC、ID和IE，實(shí)際的光纖陀螺五個(gè)不同調(diào)制步的輸出信號(hào)通過(guò)陀螺的數(shù)字模擬采樣電路采樣得到，對(duì)應(yīng)于不同的調(diào)制解調(diào)周期可以把輸出信號(hào)分別記為IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)和IE(n)，其中n為正整數(shù)，表示調(diào)制解調(diào)周期的序號(hào)。
圖2是擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的光纖陀螺信號(hào)處理的流程圖，其中3是光纖陀螺的采樣電路，其通過(guò)對(duì)光纖陀螺輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)和IE(n)，并輸出到擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍解算模塊13中，并在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍解算模塊13中實(shí)現(xiàn)光纖陀螺擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的解調(diào)后，將角速度信息輸出到通信模塊8提供給應(yīng)用系統(tǒng)使用。擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍解算模塊13在接受到來(lái)自采樣電路3的開(kāi)環(huán)陀螺信號(hào)后送入到三個(gè)并行解算子模塊4、5、6，在解算子模塊4、5、6中實(shí)現(xiàn)不同單調(diào)區(qū)間的賽格奈克相位的解算，解算子模塊4、5、6根據(jù)來(lái)自采樣電路3的信號(hào)按下式各自獨(dú)立解算得到賽格奈克相移 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 解算子模塊4、5、6在各自獨(dú)立解算后將解算結(jié)果輸入到乘法器9、10和11中，乘法器9、10和11的另外個(gè)輸入信號(hào)來(lái)源于模塊解算區(qū)間選擇器7的解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3，解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3由解算區(qū)間選擇器7產(chǎn)生，其中只有一個(gè)為1；乘法器9、10和11的輸出信號(hào)輸入到加法器12中；由于S1，S2，S3中只有一個(gè)為1，從而加法器的輸出為對(duì)應(yīng)與解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3中為1的乘法器的輸出，也即輸出φsag(n)為φsag(n)＝S1*φsag1(n)+S2*φsag2(n)+S3*φsag3(n)。加法器12的輸出φsag(n)即正比于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的賽格奈克相移，將這個(gè)相移送出到通信模塊8提供給應(yīng)用系統(tǒng)。加法器同時(shí)還將本調(diào)制解調(diào)周期的輸出相移輸出到解算區(qū)間選擇器7，由其按照下面的原則產(chǎn)生解算區(qū)間選擇信號(hào)S1、S2、S3若上個(gè)解調(diào)周期的解調(diào)輸出φsag(n-1)范圍在[-23π/16～-π/2)，則解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3為1，0，0，輸出來(lái)自解算單元4的輸出φsag1(n)；若上個(gè)解調(diào)周期的解調(diào)輸出φsag(n-1)范圍在[-π/2～π/2)則解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3為1，0，0，輸出來(lái)自解算單元5的輸出φsag2(n)；若上個(gè)解調(diào)周期的解調(diào)輸出φsag(n-1)，[π/2～23π/16)則解算區(qū)間選擇信號(hào)S1，S2，S3為0，0，1，輸出來(lái)自解算單元6的輸出φsag3(n)；若上個(gè)解調(diào)周期解調(diào)輸出φsag(n-1)在共同區(qū)間內(nèi)，則沿用上一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解算式子。通過(guò)這樣的方法將光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍從原來(lái)的[-π/2～π/2)擴(kuò)展到[-23π/16～23π/16)。
根據(jù)所述的不同調(diào)制步的光纖陀螺的輸出信號(hào)IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，將光纖陀螺的解算區(qū)間分為三個(gè)解算區(qū)間，分別為左區(qū)間[-23π/16～-7π/16)、中區(qū)間[-π/2～π/2)及右區(qū)間[7π/16～23π/16)，其中相鄰解算區(qū)間有共同區(qū)間，左區(qū)間和中區(qū)間有共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)，中區(qū)間和右區(qū)間有共同區(qū)間[7π/16～π/2)；三個(gè)解算區(qū)間內(nèi)各自解算結(jié)果記為φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算的分別公式如下所示，其中I0為光纖陀螺系統(tǒng)輸出信號(hào)的平均值 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 共同區(qū)間有兩個(gè)解算式子，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同區(qū)間兩個(gè)解算式子的解算結(jié)果相同；共同區(qū)間起史密斯觸發(fā)器的作用，可避免角速度產(chǎn)生的賽格奈克相移在結(jié)算區(qū)間分界處頻繁切換解算區(qū)間，使系統(tǒng)在大角加速度下不需頻繁切換解算區(qū)間，減小計(jì)算量和提高可靠性。
解算區(qū)間的選擇方法具體如下光纖陀螺解算結(jié)果φsag(n)解算區(qū)間的選擇為遞歸過(guò)程，若上個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果φsag(n-1)不在共同區(qū)間中，則根據(jù)φsag(n-1)實(shí)際大小選擇解算區(qū)間及解算公式，當(dāng)φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)選取φsag1(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)時(shí)選取φsag2(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n)∈[7π/16，23π/16)時(shí)選取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同區(qū)間中，則φsag(n)的解算區(qū)間沿用φsag(n-1)的解算區(qū)間；而解算區(qū)間的初始值由系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化程序確定；對(duì)于在靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)的光纖陀螺，初始的解算區(qū)間為中區(qū)間。
所述擴(kuò)展光纖陀螺角速度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍的方法不需改動(dòng)系統(tǒng)硬件，在原有硬件基礎(chǔ)上將光纖陀螺可測(cè)試的角速度動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為原來(lái)的23/8倍。
權(quán)利要求
1.擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于在一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)，通過(guò)一個(gè)固定的相位調(diào)制信號(hào)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行相位調(diào)制，同時(shí)由光纖陀螺的采樣電路采樣獲得該調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)不同調(diào)制步的陀螺輸出信號(hào)大小；由上一個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果遞歸選擇正確的解算區(qū)間，根據(jù)選擇解算區(qū)間的解算公式解算得到這個(gè)調(diào)制解調(diào)周期內(nèi)光纖陀螺的賽格奈克相移，并得到系統(tǒng)的角速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于所述的相位調(diào)制信號(hào)由五個(gè)不同的調(diào)制步A、B、C、D、和E組成，這五個(gè)調(diào)制步的相位調(diào)制幅度順次為-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，各調(diào)制步的持續(xù)時(shí)間為光纖陀螺的渡越時(shí)間τ，光纖陀螺在各個(gè)調(diào)制步下對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)分別記為IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，n為整數(shù)，表示調(diào)制解調(diào)周期的序號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于所述的不同調(diào)制步的光纖陀螺的輸出信號(hào)IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，將光纖陀螺的解算區(qū)間分為三個(gè)解算區(qū)間，分別為左區(qū)間[-23π/16～-7π/16)、中區(qū)間[-π/2～π/2)及右區(qū)間[7π/16～23π/16)，其中相鄰解算區(qū)間有共同區(qū)間，左區(qū)間和中區(qū)間有共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)，中區(qū)間和右區(qū)間有共同區(qū)間[7π/16～π/2)；三個(gè)解算區(qū)間內(nèi)各自解算結(jié)果記為φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算式子分別如下所示，其中I0為光纖陀螺系統(tǒng)輸出信號(hào)的平均值
φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16)
φsag2(n)∈[-π/2，-π/2)
φsag3(n)∈[7π/16，23π/16)
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于所述的共同區(qū)間有兩個(gè)解算式子，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同區(qū)間[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同區(qū)間兩個(gè)解算式子的解算結(jié)果相同；共同區(qū)間起史密斯觸發(fā)器的作用，可避免角速度產(chǎn)生的賽格奈克相移在結(jié)算區(qū)間分界處頻繁切換解算區(qū)間，使系統(tǒng)在大角加速度下不需頻繁切換解算區(qū)間，減小計(jì)算量和提高可靠性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于所述的解算區(qū)間的選擇方法具體如下光纖陀螺解算結(jié)果φsag(n)解算區(qū)間的選擇為遞歸過(guò)程，若上個(gè)調(diào)制解調(diào)周期的解調(diào)結(jié)果φsag(n-1)不在共同區(qū)間中，則根據(jù)φsag(n-1)實(shí)際大小選擇解算區(qū)間及解算公式，當(dāng)φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)選取φsag1(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)時(shí)選取φsag2(n)的解算式子，當(dāng)φsag(n)∈[7π/16，23π/16)時(shí)選取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同區(qū)間中，則φsag(n)的解算區(qū)間沿用φsag(n-1)的解算區(qū)間；而解算區(qū)間的初始值由系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化程序確定；對(duì)于在靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)的光纖陀螺，初始的解算區(qū)間為中區(qū)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法，其特征在于所述的對(duì)開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，不需改動(dòng)系統(tǒng)硬件，在原有光纖陀螺基礎(chǔ)上將其可測(cè)試的角速度動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為原來(lái)的23/8倍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種擴(kuò)展開(kāi)環(huán)光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的方法。通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)光纖陀螺進(jìn)行周期性的相位調(diào)制，相位調(diào)制信號(hào)包含調(diào)制幅度各異、持續(xù)時(shí)間為開(kāi)環(huán)光纖陀螺渡越時(shí)間的五個(gè)調(diào)制步；由采樣電路獲得這五個(gè)調(diào)制步對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)信號(hào)輸出，選取正確的解算區(qū)間的解算算法進(jìn)行解算，得到系統(tǒng)經(jīng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展后的賽格奈克相位；解算區(qū)間的選取根據(jù)上一調(diào)制周期解調(diào)得的賽格奈克相位，利用遞歸的方法進(jìn)行，并在相鄰的解算區(qū)間中引入了共同區(qū)間，在擴(kuò)展光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)提高光纖陀螺的可靠性；該方法不需改動(dòng)硬件，即將開(kāi)環(huán)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為原有的23/8倍，能夠測(cè)試高于1000°/秒的角速度，提高了其測(cè)試的范圍，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C19/72GK101187559SQ20071016036
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者陳杏藩, 承 劉, 舒曉武, 牟旭東, 胡慧珠 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)