一種基于mems輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于MEMS輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法，特別適用于工作在角速度范圍大且存在大角加速度輸入環(huán)境下的高精度閉環(huán)光纖陀螺。本發(fā)明包括：將MEMS陀螺儀和高精度閉環(huán)光纖陀螺儀同軸安裝，敏感輸入角速度；利用閉環(huán)數(shù)字相位階梯波調(diào)制解調(diào)檢測方法，獲得高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出角速率；采集MEMS陀螺儀輸出角速率；修正光纖陀螺高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出。本發(fā)明根據(jù)該差值對高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出結(jié)果加以修正，從而使得高精度光纖陀螺在大角速度條件下正常工作，達到增大閉環(huán)光纖陀螺量程的目的，拓展高精度光纖陀螺的應(yīng)用。
【專利說明】一種基于MEMS輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的角速度傳感器，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、抗沖擊振動、動態(tài)范圍大、頻帶寬、易于數(shù)字化實現(xiàn)等優(yōu)點。高精度光纖陀螺也被廣范應(yīng)用于航空、航天、航海等各領(lǐng)域。然而隨著光纖陀螺精度的提高，其動態(tài)范圍將會下降，其根本原因在于閉環(huán)光纖陀螺工作在第一級干涉條紋對應(yīng)的角速度范圍內(nèi)，當(dāng)精度上升時，第一級干涉條紋對應(yīng)的角速度下降，此時如果輸入角速度對應(yīng)的Sagnac相移超出第一級條紋,且存在較大的角加速度，光纖陀螺的輸出將存在較大的誤差，這影響了其在某些對陀螺動態(tài)范圍要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]目前擴大光纖陀螺動態(tài)范圍的方法有三種。第一種是雙敏感環(huán)法，通過外加一個高量程、低靈敏度的從光纖陀螺來提高主光纖陀螺的量程，但這種方法實際操作比較困難，不易實現(xiàn)，且增加了系統(tǒng)的成本。第二種方法是基于單級干涉條紋的動態(tài)范圍擴展，它是通過增大系統(tǒng)帶寬來提高系統(tǒng)的最大角加速度。該方法要求陀螺啟動時在第一級干涉條紋中，同時，閉環(huán)工作中，最大輸入角加速度不能超出一定值，限制了其實際應(yīng)用。第三種方法是利用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)來擴大開環(huán)光纖陀螺動態(tài)范圍。但該方法僅僅能夠應(yīng)用于開環(huán)光纖陀螺，使得開環(huán)光纖陀螺具備與閉環(huán)光纖陀螺類似的動態(tài)范圍，并不能滿足高精度閉環(huán)光纖陀螺的要求。
[0004]近幾年，微機電技術(shù)迅速發(fā)展，MEMS陀螺也隨之發(fā)展起來，MEMS陀螺擁有功耗低、體積小、成本低、測量范圍大、抗沖擊振動能力強等優(yōu)點，量程可以達到±1500° /s，可以應(yīng)用在車載與手機這些環(huán)境復(fù)雜的高轉(zhuǎn)速設(shè)備中。雖然MEMS陀螺的偏差漂移相對于光纖陀螺大的多，但其輸出精度可以滿足判斷高精度光纖陀螺檢測干涉級數(shù)與真實干涉級數(shù)差值的需求。且MEMS陀螺體積較小，安裝簡便，對原有高精度光纖陀螺的結(jié)構(gòu)影響小，故可以利用MEMS陀螺體積小和大量程的特點來校正高精度光纖陀螺的高轉(zhuǎn)速誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種拓寬高精度光纖陀螺的應(yīng)用范圍的基于MEMS輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]步驟一:將MEMS陀螺儀和高精度閉環(huán)光纖陀螺儀同軸安裝，敏感輸入角速度；
[0008]步驟二:利用閉環(huán)數(shù)字相位階梯波調(diào)制解調(diào)檢測方法，獲得高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出角速率；
[0009]步驟三:采集MEMS陀螺儀輸出角速率；
[0010]步驟四:在角速率輸出修正裝置中，將MEMS陀螺輸出角速率Ω—與高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出角速率Ω 作比較,并依據(jù)比較結(jié)果,修正光纖陀螺高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出，修正依據(jù)如下:
[0011]令X = Ω畫-Ω 測，
[0012]當(dāng)-Ωπ<Χ< Ωπ 時，則 Qout= Ω測；
[0013]當(dāng)Ω π < X < Ω3π 時，則 Qout = Ω 測+2 Ω π ；
[0014]當(dāng)-Ω3 π < X < - Ω π 時，則 Ω out = Ω 測-2 Ω π ；
[0015]......[0016]當(dāng)Ω (n) π < X < Ω (2m+1) π 時，則 Qout = Ω 測 +2m Ω π ；
[0017]當(dāng)-Ω(2m+1) π < X < - Ω (H) π 時，則 Ω out = Ω 測 _2m Ω π。
[0018]其中m為正整數(shù)值，為修正后光纖陀螺儀輸出角速率；
[0019]所述的高精度光纖陀螺為零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.001° /h的光纖陀螺，其測量范圍為一般小于±50° /s;
[0020]所述的MEMS陀螺測量范圍一般可以達到±1500° /s ;
[0021]所述的方法能夠擴展高精度閉環(huán)光纖陀螺量程至±1500° /s以上。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0023]本發(fā)明采用基于MEMS陀螺輔助的方法，利用MEMS陀螺輸出Qmems與高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出Qf作比較，分析求得高精度閉環(huán)光纖陀螺檢測干涉級數(shù)與真實干涉級數(shù)差值，根據(jù)該差值對高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出結(jié)果加以修正，從而使得高精度光纖陀螺在大角速度條件下正常工作，達到增大閉環(huán)光纖陀螺量程的目的，拓展高精度光纖陀螺的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明首次提出利用MEMS陀螺輸出Ω—與光纖陀螺輸出Ω ?之差來判斷光纖陀螺檢測干涉級數(shù)與真實干涉級數(shù)差值，與現(xiàn)有的利用低精度輔助陀螺的輸出來判斷干涉級數(shù)相比，具備更高的精度和可靠性。
[0025]本發(fā)明提出利用MEMS陀螺輸出Ω—與光纖陀螺輸出Ω ?之差來判斷光纖陀螺檢測干涉級數(shù)與真實干涉級數(shù)差值，解決了當(dāng)輸入角加速度較小時產(chǎn)生的閉環(huán)光纖陀螺外加補償不準(zhǔn)確的問題。當(dāng)輸入角加速度較小時，此時即使超出_Ωπ~ + Ωπ范圍，閉環(huán)光纖陀螺可以跟蹤上輸入信號，此時現(xiàn)有的利用低精度輔助陀螺的輸出來判斷干涉級數(shù)的方法將會對高精度光纖陀螺輸出帶來誤差。
[0026]本發(fā)明不改變原有光纖陀螺的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，不改變其原有精度，并且MEMS陀螺體積較小，安裝簡便，對原有高精度光纖陀螺的結(jié)構(gòu)影響小，不影響其環(huán)境適應(yīng)性，相比于其他增大量程的方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1光纖陀螺數(shù)字閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2高精度閉環(huán)光纖陀螺階躍角速度輸入響應(yīng)曲線，穩(wěn)態(tài)值為50° /s ；
[0029]圖3MEMS陀螺基于閉環(huán)檢測方法的斜坡輸出響應(yīng)曲線；
[0030]圖4MEMS陀螺與光纖陀螺的輸入角速率與輸出角速率的關(guān)系曲線；
[0031 ] 圖5經(jīng)MEMS陀螺校正的光纖陀螺輸出曲線。
【具體實施方式】[0032]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明:
[0033]發(fā)明原理:
[0034]光纖陀螺測量角速度的原理是當(dāng)兩束光在光纖環(huán)中相向傳播時，如果光纖環(huán)存在著相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動，則兩束光將產(chǎn)生相位差，這種現(xiàn)象被稱為Sagnac效應(yīng)，其數(shù)學(xué)
表達式為A y—，其中Os為Sagnac相移，I為光纖環(huán)長度,r為光纖環(huán)半徑，λ為光
源波長，Ctl為光速，Ω為輸入角速度。當(dāng)光纖環(huán)的長度、半徑固定，光源波長和光速恒定時，不難看出，轉(zhuǎn)速與相移成正比例關(guān)系。因此通過檢測相移就可以根據(jù)Sagnac效應(yīng)計算出輸入轉(zhuǎn)速。
[0035]兩束光的相位差在很難被直接測量，實際中光纖陀螺根據(jù)光的干涉特性，通過檢測兩束光干涉后的光強變化來檢測轉(zhuǎn)速的變換。閉環(huán)光纖陀螺采用方波調(diào)制，閉環(huán)反饋的方式，檢測相鄰兩個半周期的干涉信號的差值ΛΙ = ZIciSinc^s來檢測相位差，其中工0為輸入光強。從上式可知，光強差值ΛΙ與Sagnac相移Os呈正弦函數(shù)的關(guān)系，為周期函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的Sagnac相移超出了土 Ω π的范圍，光的干涉將超出第一級條紋，即光纖陀螺將工作在第m級干涉條紋處(m=±l，±2，…)，此時轉(zhuǎn)速光纖陀螺的輸出的相移Φ?仍然在-Ji~+ Ji內(nèi)，但轉(zhuǎn)速對應(yīng)的Sagnac相移為C>s = Φ? +2ηιπ，此時由①^計算獲得的轉(zhuǎn)速Ω測與真實輸入轉(zhuǎn)速Ω *實相比，將存在較大的誤差，且Ω Μ= Ω真*-2!1^ π，其中Ω π為相移為+π時對應(yīng)的輸入角速度。
[0036]以某典型 的高精度閉環(huán)光纖陀螺為例，光源波長λ = 1550nm，光纖環(huán)的長度I =3000m，光纖環(huán)半徑r = 0.lm，光速C。= 3X108m/s，此時Ωπ =+22.21° /s則其測量范圍為-22.21° /s到+22.21° /s。當(dāng)輸入角速度超出該范圍，且存在較大的角加速度時，光纖陀螺的輸出仍然在-22.21° /s到+22.21° /s范圍內(nèi)，存在2m Ω π的輸出誤差。如果能夠判斷光纖陀螺干涉所在的條紋級數(shù)m，則可對光纖陀螺進行修正。光纖陀螺每一級的干涉條紋對應(yīng)著一個較大的輸入角速度范圍，例如，干涉第一級條紋對應(yīng)角速度范圍為-22.21° /s到+22.21° /S。因此只要能夠提供一種具備一定測量精度的檢測輸入角速度的設(shè)備，就可以通過該設(shè)備的輸出值對高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出進行修正，從而達到增加高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的目的。
[0037]MEMS陀螺儀具備較大的量程，并且能夠提供一定精度的檢測角速度，當(dāng)高精度閉環(huán)光纖陀螺儀由于超出量程而產(chǎn)生測量誤差時，MEMS陀螺儀的輸出將更接近真實角速度。故可以利用MEMS陀螺輸出Qmems與光纖陀螺輸出Ω 作比較,利用其差值分析真實干涉級數(shù)與檢測干涉級數(shù)差值，并修正光纖陀螺輸出，從而提高光纖陀螺量程。
[0038]本發(fā)明所米用的技術(shù)方案是:一種基于MEMS輔助的增大閉環(huán)光纖陀螺量程的方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn):
[0039]步驟一:將MEMS陀螺儀和高精度閉環(huán)光纖陀螺儀同軸安裝，敏感輸入角速度。
[0040]步驟二:利用閉環(huán)數(shù)字相位階梯波調(diào)制解調(diào)檢測方法，獲得高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出角速率。
[0041]步驟三:采集MEMS陀螺儀輸出角速率。
[0042]步驟四:在角速率輸出修正裝置中，將MEMS陀螺輸出角速率Ω—與高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出角速率Ω 作比較,并依據(jù)比較結(jié)果,修正光纖陀螺高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出，修正依據(jù)如下:
[0043]令X = ΩΜΕΜ5-Ω #j,(對該比較的具體解釋在本說明書的最后一段)
[0044]當(dāng)-Ωπ<Χ< Ωπ 時，則 Qout= Ω測；
[0045]當(dāng)Ω π < X < Ω3π 時，則 Qout = Ω 測+2 Ω π ；
[0046]當(dāng)-Ω3 π < X < - Ω π 時，則 Ω out = Ω 測-2 Ω π ；
[0047]......[0048]當(dāng)Ω (n) π < X < Ω (2m+1) π 時，則 Ω out = Ω 測 +2m Ω π ；
[0049]當(dāng)-Ω(2m+1) π < X < - Ω (n) π 時，則 Qout = Ω 測-2m Ω π。
[0050]其中m為正整數(shù)值，Ω out為修正后光纖陀螺儀輸出角速率。
[0051]所述的高精度光纖陀螺為零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.001° /h的光纖陀螺，其測量范圍為一般小于±50° /S。
[0052]所述的MEMS陀螺測量范圍一般可以達到±1500° /s。
[0053]因此所述的方法能夠擴展高精度閉環(huán)光纖陀螺量程至±1500° /s以上。
[0054]以某典型的高精度閉環(huán)光纖陀螺為例，光源波長λ = 1550nm，光纖環(huán)的長度I =3000m,光纖環(huán)半徑 r = 0.1m,光速 c。= 3X 108m/sm/s,此時 Ω π =+22.21。/s 則其測量范圍為-22.21° /s到+22.21° /s。選用測量范圍為1500° /s的MEMS陀螺儀來增大高精度閉環(huán)光纖陀螺儀量程。
[0055]步驟一:將MEMS陀螺儀和高精度閉環(huán)光纖陀螺儀同軸安裝，敏感輸入角速度。
[0056]步驟二:利用閉環(huán)數(shù)字相位階梯波調(diào)制解調(diào)檢測方法，獲得高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出。光纖陀螺數(shù)字閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了增大陀螺的檢測靈敏度，通常對陀
螺施加幅值為f的方波進行調(diào)制，這樣檢測光強與相位差的關(guān)系為I = Ι0(1+οο8ΔΦ),其
中ΔΦ=Φ.、+Φ^±|，Ici為光源光強，OsSSagnac相移，Ofb為反饋相位。光電探測器通
過跨阻抗放大器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過進一步的信號處理包括放大、隔直、濾波等環(huán)節(jié)，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換在FPGA中進行數(shù)字解調(diào)、數(shù)字積分后形成相位臺階信號作為陀螺的輸出，同時對臺階信號再進行一次數(shù)字積分形成相位階梯波，然后通過DA轉(zhuǎn)換后和方波調(diào)制信號一起施加到后置放大驅(qū)動器上。驅(qū)動器將電壓信號施加到LiNi03晶體(Y波導(dǎo))上進行相位調(diào)制，這樣就構(gòu)成了全數(shù)字閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0057]根據(jù)上述閉環(huán)光纖陀螺模型，當(dāng)輸入為50° /s階躍角速度時，超出-22.21° /s到+22.21° /s的測量范圍，可以得到如圖2所示的輸出波形，此時系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與真實值相差-2Ωπ =-44.42° /s。
[0058]步驟三:采集MEMS陀螺儀輸出，得到Qmems，如圖3所示，當(dāng)輸入為50° /s階躍角速度時，MEMS陀螺基于閉環(huán)檢測方法的斜坡輸出響應(yīng)曲線。所用的閉環(huán)MEMS陀螺可以在
0.5*10_3s時刻便可跟蹤上輸入角速率。
[0059]步驟四:在圖1所示的角速率輸出修正裝置中，將MEMS陀螺輸出角速率Ω_與高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出角速率Ω 作比較，并依據(jù)比較結(jié)果，修正高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出。
[0060]圖4為MEMS陀螺與光纖陀螺的輸入角速率與輸出角速率的關(guān)系曲線，可以看出，當(dāng)輸入角速率超出測量范圍時，高精度閉環(huán)光纖陀螺將產(chǎn)生較大的誤差，而MEMS陀螺能夠給出較準(zhǔn)確的角速度值。
[0061]利用MEMS陀螺輸出ΩΜΕΒ與光纖陀螺輸出Ω 修正光纖陀螺輸出的具體做法為:
[0062]令X = Ωμεβ-Ω Μ，計算可得本例中Ω π < X < Ω3π，因此修正后的高精度光纖陀螺儀輸出值為，= Ω #]+2Ωπ = 50° /S。圖1中所示的角速率輸出修正裝置一般為可編程芯片，將光纖陀螺輸出以及MEMS陀螺輸出采集至芯片中，根據(jù)芯片中載入的程序判斷并修正，最終輸出修正后的輸出角速率。圖5為經(jīng)過MEMS陀螺校正的光纖陀螺輸出曲線圖，其輸入為角加速度為4000rad/s2的斜坡曲線，穩(wěn)態(tài)值為50° /s。經(jīng)過MEMS修正后的輸出可以最終跟蹤上輸入信號曲線，達到增大閉環(huán)光纖陀螺量程的目的，解決在大角加速度環(huán)境下的輸出誤差問題。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS輔助的增大高精度閉環(huán)光纖陀螺量程的方法，其特征在于: 步驟一 將MEMS陀螺儀和高精度閉環(huán)光纖陀螺儀同軸安裝，敏感輸入角速度； 步驟二:利用閉環(huán)數(shù)字相位階梯波調(diào)制解調(diào)檢測方法，獲得高精度閉環(huán)光纖陀螺儀輸出角速率； 步驟三:采集MEMS陀螺儀輸出角速率； 步驟四:在角速率輸出修正裝置中，將MEMS陀螺輸出角速率Qmems與高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出角速率Ω 測作比較，并依據(jù)比較結(jié)果，修正光纖陀螺高精度閉環(huán)光纖陀螺輸出，修正依據(jù)如下:
令 X = Ω J1ems- Ω 測， 當(dāng)-Ω π < X < Ω π 時，則 Qout= Ω 測；
當(dāng) Ω π < X < Ω 3π 時，則 Ω out = Ω 測+2 Ω π ； 當(dāng)-Ω3π <Χ<-Ωπ 時，則 Qout= Ω 測-2Ωπ ；
當(dāng) Ω (2m-1) π < X < Ω (2m+1) π 時，則 Ω out = Ω 測 +2m Ω π ；
當(dāng)-Ω (2m+i) τ, < X < - Ω (H) π 時，則 Ω out = Ω 測-2m Ω π。 其中m為正整數(shù)值，為修正后光纖陀螺儀輸出角速率； 所述的高精度光纖陀螺為零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.001° /h的光纖陀螺，其測量范圍為一般小于 ±50° /s ； 所述的MEMS陀螺測量范圍一般可以達到±1500° /s ； 所述的方法能夠擴展高精度閉環(huán)光纖陀螺量程至±1500° /s以上。
【文檔編號】G01C19/72GK103900551SQ201410083201
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月8日
【發(fā)明者】張勇剛, 孫娜, 李寧, 郜中星, 姜見龍, 王程程, 黃玉龍 申請人:哈爾濱工程大學(xué)