專利名稱：一種光纖陀螺的數(shù)字信號(hào)處理方法、裝置及光纖陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種擴(kuò)大光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理方法、裝置及基于該裝置的光纖陀螺儀。
背景技術(shù)：
光纖傳感技術(shù)是以光波為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)信號(hào)的新型傳感技術(shù)，一直以來(lái)都被廣泛的關(guān)注。光纖陀螺是光纖傳感領(lǐng)域最重要的成就之一，在航空、 航天、航海和兵器等軍用領(lǐng)域以及地質(zhì)、石油勘探等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。 光纖陀螺是基于薩格奈克效應(yīng)的角速度測(cè)量?jī)x，干涉式光纖陀螺儀有兩種基本結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)。開(kāi)環(huán)光纖陀螺直接檢測(cè)光路中的薩格奈克相移，所以系統(tǒng)的工作點(diǎn)隨輸入角速度而改變；閉環(huán)光纖陀螺通過(guò)使用光波導(dǎo)構(gòu)成反饋回路抵消光路中的薩格奈克相移，而將反饋信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，所以系統(tǒng)的工作點(diǎn)不隨輸入角速度而改變?；谶@樣的工作原理，這兩類光纖陀螺儀都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足相較之下，閉環(huán)光纖陀螺儀的突出優(yōu)勢(shì)是更高的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、更大的動(dòng)態(tài)范圍和更小的漂移；開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀由于沒(méi)有使用光波導(dǎo)構(gòu)成反饋回路而具有更好的抗溫度沖擊、機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)特性，更好的抗電磁干擾能力， 更高的可靠性以及更低的生產(chǎn)和使用維護(hù)成本。參考文獻(xiàn)張桂才，光纖陀螺原理與技術(shù)， 國(guó)防工業(yè)出版社，2008。開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀光路部分的基本結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1所示，模塊7探測(cè)器輸出的探測(cè)信號(hào)為 其中，約為薩格奈克相移，Itl為探測(cè)信號(hào)的平均功率，Δ爐( )由模塊6調(diào)相器的輸出信號(hào)決定。探測(cè)信號(hào)中包含相位調(diào)制信號(hào)的基頻信號(hào)以及各次諧波信號(hào)。傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀檢測(cè)Id (t)的一次諧波，即輸出信號(hào)為 由公式(2)可以得到1)傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺的性能和比例因子的關(guān)系非常密切。影響比例因子的關(guān)鍵因素a)探測(cè)器輸出的信號(hào)幅度；b)調(diào)相器的調(diào)制深度。和閉環(huán)光纖陀螺儀相比，傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀的一大劣勢(shì)就在于比例因子的穩(wěn)定性受以上兩個(gè)因素的影響較大。2)和閉環(huán)光纖陀螺儀相比，傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍較小。由公式(2)可以得到，傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍最大為sin函數(shù)的單值區(qū)間[_π/2 π/2)。光纖陀螺薩格奈克相移代和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度Ω的關(guān)系表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種光纖陀螺的數(shù)字信號(hào)處理方法，其步驟為1)將開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀第k時(shí)刻采樣后輸出的一、二次諧波解調(diào)信號(hào)Si(k)、各自均分為兩路信號(hào)且分別將其中一路信號(hào)延遲N個(gè)采樣周期時(shí)間；其中，k，N為自然數(shù)；2)將延遲后的一次諧波解調(diào)信號(hào)S1GO與未延遲的一次諧波解調(diào)信號(hào)S1GO相乘得到輸出信號(hào)S0，將延遲后的一次諧波解調(diào)信號(hào)S1 (k)與未延遲的二次諧波解調(diào)信號(hào)& (k)相乘得到輸出信號(hào)S3 ；同時(shí)將延遲后的二次諧波解調(diào)信號(hào)與未延遲的一次諧波解調(diào)信號(hào) S1GO相乘得到輸出信號(hào)Si，將延遲后的二次諧波解調(diào)信號(hào)&00與未延遲的二次諧波解調(diào)信號(hào)S2GO相乘得到輸出信號(hào)S2;3)信號(hào)Sl減去信號(hào)S3后除以信號(hào)SO、S2之和，得到一輸出信號(hào)S；4)對(duì)信號(hào)S低通濾波后與第k-N時(shí)刻輸出的薩格奈克相移測(cè)量值代(IN)相加，作為第 k時(shí)刻的薩格奈克相移測(cè)量值代[k)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于薩格奈克相移測(cè)量值的初始值
3.一種光纖陀螺的數(shù)字信號(hào)處理裝置，其特征在于包括三延遲器D8、D9、D19，四乘法器X10、X11、X12、X13，三加法器A14、A15、A18，一低通濾波器和一除法器；其中，開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀的一次諧波解調(diào)信號(hào)S1 (k) 一路經(jīng)延遲器D8后分別與乘法器X10、X13輸入端連接，另一路分別與乘法器X10、Xll輸入端連接；開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀的二次諧波解調(diào)信號(hào)一路經(jīng)延遲器D9后分別與乘法器XII、X12輸入端連接，另一路分別與乘法器X12、X13輸入端連接；加法器A14的輸入端分別與乘法器XII、X13輸出端連接，其輸出端與除法器的被除數(shù)輸入端連接；加法器A15的輸入端分別與乘法器ΧΙΟ、X12輸出端連接，其輸出端與除法器的除數(shù)端連接；除法器的輸出端經(jīng)低通濾波器與加法器A18的一輸入端連接；加法器A18 的另一輸入端與延遲器D19的輸出端連接，其輸出端與延遲器D19的輸入端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字信號(hào)處理裝置，其特征在于延遲器的延遲時(shí)間為N個(gè)采樣周期時(shí)間，N為自然數(shù)。
5.一種包含如權(quán)利要求3所述數(shù)字信號(hào)處理裝置的光纖陀螺儀，其特征在于包括開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀光路結(jié)構(gòu)及與其連接的一、二次諧波解調(diào)單元，所述數(shù)字信號(hào)處理裝置的輸入端與所述一、二次諧波解調(diào)單元的輸出端連接。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述一、二次諧波解調(diào)單元包括數(shù)字鎖相環(huán)，正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(37)，余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(39)，兩乘法器乂38、乂40，兩低通濾波器L41、L42 ；其中，所述開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀光路結(jié)構(gòu)中探測(cè)器輸出端與一采樣模塊AD22輸入端連接；所述開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀光路結(jié)構(gòu)中調(diào)相器的信號(hào)輸出端經(jīng)一采樣模塊AD34與所述數(shù)字鎖相環(huán)輸入端連接，所述數(shù)字鎖相環(huán)的輸出端分別與所述正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(37)、余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(39)的輸入端連接；所述乘法器X38的輸入端分別與所述正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(37)輸出端、采樣模塊AD22輸出端連接，其輸出端與所述低通濾波器L41輸入端連接； 所述乘法器X40的輸入端分別與所述余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(39)輸出端、采樣模塊AD22輸出端連接，其輸出端與所述低通濾波器L42輸入端連接；所述余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(39)產(chǎn)生相位為2ΦΟΟ的余弦信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述數(shù)字鎖相環(huán)包括兩乘法器X44、 X45，三低通濾波器L46、L47、L49，相位信號(hào)產(chǎn)生模塊(50)，一余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(52)，一正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(51)，一相位檢測(cè)器；其中，所述乘法器X44輸入端分別與信號(hào)輸入端、所述正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(51)輸出端連接，其輸出端經(jīng)所述低通濾波器L46與所述相位檢測(cè)器 (48)輸入端連接；所述乘法器X45輸入端分別與信號(hào)輸入端、所述余弦信號(hào)產(chǎn)生模塊(52) 輸出端連接，其輸出端經(jīng)所述低通濾波器L47與所述相位檢測(cè)器G8)另一輸入端連接；所述相位檢測(cè)器輸出端經(jīng)所述低通濾波器L49與所述相位信號(hào)產(chǎn)生模塊(50)輸入端連接，所述相位信號(hào)產(chǎn)生模塊(50)輸出端分別與所述余弦信號(hào)生成模塊(52)、正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊 (51)的輸入端連接。
8.如權(quán)利要求6或7所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述調(diào)相器依次經(jīng)一放大器、低通濾波器、所述采樣模塊AD 34、一低通濾波器與所述數(shù)字鎖相環(huán)的輸入端連接。
9.如權(quán)利要求6或7所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述探測(cè)器依次經(jīng)一放大器、低通濾波器、所述采樣模塊AD22、一低通濾波器后分別與所述乘法器X38、X40的輸入端連接。
10.如權(quán)利要求5所述的光纖陀螺儀，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理裝置中延遲器的延遲時(shí)間為N個(gè)采樣周期時(shí)間，N為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖陀螺的數(shù)字信號(hào)處理方法、裝置及光纖陀螺儀，屬于光纖傳感領(lǐng)域。本方法為1)將開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀輸出的一、二次諧波解調(diào)信號(hào)S1(k)、S2(k)各自均分為兩路信號(hào)且分別將其中一路信號(hào)延遲N個(gè)采樣周期時(shí)間，N為自然數(shù)；2)將延遲后的S1(k)與未延遲的S1(k)相乘得到信號(hào)S0，將延遲后的S1(k)與未延遲的S2(k)相乘得到信號(hào)S3；同時(shí)將延遲后的S2(k)與未延遲的S1(k)相乘得到信號(hào)S1，將延遲后的二次諧波解調(diào)信號(hào)S2(k)與未延遲的二次諧波解調(diào)信號(hào)S2(k)相乘得到輸出信號(hào)S2；3)信號(hào)S1減去信號(hào)S3后除以信號(hào)S0、S2之和，得到一信號(hào)S；4)對(duì)信號(hào)S低通濾波后與第k-N時(shí)刻輸出的薩格奈克相移測(cè)量值相加，作為第k時(shí)刻的薩格奈克相移測(cè)量值本發(fā)明大大提高了開(kāi)環(huán)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)G01C19/72GK102435186SQ201110385420
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者楊川川, 王子宇 申請(qǐng)人:北京大學(xué)