專利名稱：：一種抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光電子技術(shù)中的光纖傳感領(lǐng)域，尤其是涉及一種干涉型光纖陀螺振動(dòng)誤差的抑制方法。更具體的說(shuō)是一種通過(guò)信號(hào)解調(diào)來(lái)消除由振動(dòng)引起的測(cè)量誤差的方法。(二)
背景技術(shù)：
：光纖陀螺是一種測(cè)量角速度的儀器，它由光源1、耦合器2、Y波導(dǎo)3、光纖環(huán)4、光電檢測(cè)器5和信號(hào)處理裝置6等硬件組成。所述的信號(hào)處理裝置6包括時(shí)序控制模塊60、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換模塊61、數(shù)字信號(hào)解調(diào)模塊62、Sagnac相移補(bǔ)償調(diào)制模塊63、2ji電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊64、D/A轉(zhuǎn)換、放大模塊65、和陀螺信號(hào)輸出模塊66、干涉型光纖陀螺通過(guò)測(cè)量光纖環(huán)中正反傳播的兩束光波在陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的非互易相位差來(lái)測(cè)量載體角速度。它作為一種重要的慣性敏感器，是構(gòu)成慣性系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)用于航空、航天、航海和路基載體的導(dǎo)航中，用以測(cè)量載體的姿態(tài)角和角速度等信息。由于陀螺用于測(cè)量載體的姿態(tài)角和角速度，需固連到載體上，因此測(cè)量結(jié)果就會(huì)受載體振動(dòng)的影響而產(chǎn)生誤差。(三)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的為提供一種可抑制振動(dòng)誤差，提高陀螺在振動(dòng)環(huán)境中的測(cè)量精度的一種抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為系統(tǒng)上電后，由光電檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的光功率信號(hào)經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖存模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖存，對(duì)鎖存實(shí)時(shí)光功率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到Sagnac相位差信號(hào)、2Ji電壓偏離信號(hào)和光功率信號(hào)，將解調(diào)出的Sagnac相位差信號(hào)除以光功率信號(hào)，得到新的解調(diào)信號(hào)并進(jìn)行放大輸出到Sagnac相移補(bǔ)償調(diào)制模塊，將解調(diào)出2ji電壓偏離信號(hào)輸出到2Ji電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊，然后將Sagnac相移補(bǔ)償信號(hào)的調(diào)制信號(hào)和2Ji電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制信號(hào)反饋到陀螺閉環(huán)回路。本發(fā)明有益效果為抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法的優(yōu)點(diǎn)在于解調(diào)出的Sagnac相位差信號(hào)和光功率信號(hào)相除的方法，消除了由振動(dòng)引起的陀螺的常值漂移誤差和部分附加噪聲誤差，并且為了抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差噪聲的信號(hào)解調(diào)方法的實(shí)現(xiàn)考慮了時(shí)間的限制，使除法的引入可以在不延長(zhǎng)陀螺解調(diào)時(shí)間的解調(diào)周期內(nèi)完成，提高了陀螺在振動(dòng)環(huán)境中的測(cè)量精度。(四)圖1是光纖陀螺結(jié)構(gòu)框圖。圖2是光纖陀螺信號(hào)處理裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖3是數(shù)字信號(hào)解調(diào)結(jié)構(gòu)框圖。圖4是振動(dòng)測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖。圖5是未采用本發(fā)明的解調(diào)方法在表1振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線。3圖6是采用本發(fā)明的解調(diào)方法在表1振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線。具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。在圖1-3中1.ASE光源2.耦合器3.Y波導(dǎo)4.光纖環(huán)5.光電檢測(cè)器6.信號(hào)處理器60.時(shí)序控制模塊61.濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換模塊62.數(shù)字信號(hào)處理模塊63.Sagnac相移補(bǔ)償信號(hào)調(diào)制模塊64.2Ji電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊65.D/A轉(zhuǎn)換、放大模塊66.濾波陀螺信號(hào)輸出模塊620.數(shù)字信號(hào)鎖存模塊621.2Ji電壓偏離信號(hào)解調(diào)模塊622.Sagnac相位差信號(hào)解調(diào)模塊623.光強(qiáng)信號(hào)解調(diào)模塊624.除法模塊625.放大模塊。本發(fā)明所述的抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差信號(hào)的解調(diào)方法屬于光纖陀螺結(jié)構(gòu)框圖的一部分，光纖陀螺結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，ASE光源經(jīng)過(guò)耦合器到Y(jié)波導(dǎo)最后作用于光纖環(huán)，其中光電檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)光功率信號(hào)輸入到信號(hào)處理器處理后反饋到陀螺閉環(huán)回路。本發(fā)明所述的抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差信號(hào)的解調(diào)方法有如下步驟如圖2所示，選取合適的偏置調(diào)制相移，系統(tǒng)上電后在同一時(shí)鐘的時(shí)序控制下，由光電檢測(cè)電路檢測(cè)到的實(shí)時(shí)光功率信號(hào)輸出給信號(hào)處理裝置，在信號(hào)處理裝置中經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后輸出至數(shù)字信號(hào)解調(diào)模塊；如圖3所示，數(shù)字信號(hào)解調(diào)模塊對(duì)接收的所述實(shí)時(shí)光功率信號(hào)鎖存后進(jìn)行解調(diào)處理，得到Sagnac相位差信號(hào)，2Ji電壓偏離值信號(hào)和周期性波動(dòng)的光功率信號(hào)；其中所述的2Ji電壓偏離值信號(hào)直接輸出給2Ji電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊，經(jīng)調(diào)制后用于反饋控制2Ji電壓，使其工作在穩(wěn)定工作點(diǎn)；對(duì)所述的Sagnac相位差信號(hào)和光功率信號(hào)進(jìn)行除法處理，具體的方法如下在理想無(wú)振動(dòng)條件下，經(jīng)Y波導(dǎo)調(diào)制器調(diào)制的兩束光波在光纖環(huán)中反向傳播，并在Sagnac效應(yīng)的影響下干涉后輸出至光電檢測(cè)器檢測(cè)，然后光電檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)輸出給信號(hào)處理器，在信號(hào)處理器中將干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的干涉信號(hào)為『=-4XP0sin(A^)sinO)(1)(1)式中K為系統(tǒng)增益；P。為光功率；A小為Sagnac相位差^為偏置調(diào)制相移；下同。在小角度近似的情況下，(1)式可化為『=一4XP。sin(A^)sin(p)—4XP0sin(p)(2)由于陀螺的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，總不可避免的會(huì)有外界振動(dòng)的干擾。而實(shí)際應(yīng)用中所遇到的振動(dòng)都可以看成是由多次諧波函數(shù)疊加合成的，因此下面以正旋振動(dòng)為例，來(lái)對(duì)信號(hào)中的振動(dòng)誤差進(jìn)行分析和說(shuō)明。當(dāng)由外界振動(dòng)的影響時(shí)，振動(dòng)對(duì)光纖陀螺的影響主要作用在光纖環(huán)上，并最終體現(xiàn)在兩方面，一是振動(dòng)致非互易相移的周期性變化，二是振動(dòng)致光強(qiáng)度周期性變化，其非互易相移和光強(qiáng)的誤差表達(dá)式為A小v=A(j)0(f)cos(wt+9》(3)P'=P0(a+AP(f)cos(wt+92))(4)(3)式和(4)式中:a為光功率系數(shù);A小。(f)為受振動(dòng)影響的Sagnac相位差幅值；"為振動(dòng)頻率；9i受振動(dòng)影響的Sagnac相位差初始角；AP。(f)為受振動(dòng)影響的光功率幅值；92受振動(dòng)影響的光功率初始角；下同。在振動(dòng)的影響下，解調(diào)后的干涉信號(hào)變?yōu)椤?-4KP0(a+AP(/)cos(紐+《》.sin(A-+(/)cos(w,+《》sin⑨(5)在小角度近似情況下(5)式可化為『=4i^(a+AP(/)cos^f+《)).(A0+AA(/)cos^+《)).sin&)(6)—4XP0asin(p)A0o(/)cos(fflT+《)—si咖)APC/Wcos一+《)-2《尸0sin(p)AF(/)A0o(/)cos(2tyf+《+《)-2AP。sin樹(shù)AP(/)A^COc。,-《)上式的第1項(xiàng)僅含有Sagnac相位差A(yù)小，為陀螺有效信號(hào)；2、3、4項(xiàng)為周期性誤差信號(hào)，在陀螺輸出中體現(xiàn)為附加噪聲，長(zhǎng)時(shí)間的均值為零；第5項(xiàng)為常值誤差信號(hào)，最終體現(xiàn)為陀螺輸出漂移。本發(fā)明通過(guò)改變解調(diào)方式以消除振動(dòng)導(dǎo)致的陀螺輸出漂移誤差。將所述數(shù)字信號(hào)鎖存模塊620鎖存的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，可得2Ji電壓偏離信號(hào)、Sagnac相位差信號(hào)和光功率信號(hào)，將得到的不含Sagnac相位差而只受振動(dòng)影響而周期性變化的光功率信號(hào)與Sagnac相位差信號(hào)相除，那么(5)式可化為『二(A^+A^。COcos扭+《)).sin樹(shù)(7)進(jìn)一步展開(kāi)可得『二sin樹(shù)A^+sin樹(shù)A^o(/)cos^r+《)(8)由于^為已知的偏置調(diào)制信號(hào)，上式結(jié)果中，第l項(xiàng)僅含有Sagnac相位差A(yù)小，為陀螺有效信號(hào)；第2項(xiàng)為周期性誤差信號(hào)，在陀螺輸出中體現(xiàn)為附加噪聲，長(zhǎng)時(shí)間的均值為零；比較(6)式和(8)式可以看出，(8)式中消除了因光功率變化而帶來(lái)原來(lái)的第3、4項(xiàng)誤差信號(hào)和第5項(xiàng)常值誤差，這就減小了由振動(dòng)帶來(lái)的噪聲，并消除了由振動(dòng)帶來(lái)的陀螺漂移。這樣消去Sagnac相位差信號(hào)中的周期性波動(dòng)的光功率信號(hào)，得到消除由振動(dòng)引起的常值漂移誤差和部分噪聲誤差的Sagnac相位差信號(hào)，并進(jìn)行放大后，輸出到Sagnac相移補(bǔ)償信號(hào)調(diào)制模塊，反饋到閉環(huán)回路中，以控制陀螺工作在穩(wěn)定工作點(diǎn)。本發(fā)明中要求所述的除法的算法復(fù)雜性和速度要綜合考慮系統(tǒng)板的容量和整個(gè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求，放大單元的放大倍數(shù)要綜合考慮整個(gè)閉環(huán)回路的增益，使閉環(huán)能夠快速穩(wěn)定。所述的抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法，整個(gè)解調(diào)過(guò)程需考慮光纖陀螺各個(gè)模塊的時(shí)序約束，本發(fā)明的解調(diào)方法要在不延長(zhǎng)光纖陀螺解調(diào)周期的情況下完成。5圖4是振動(dòng)測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖，其中振動(dòng)臺(tái)組件由起振裝置和風(fēng)機(jī)組成。振動(dòng)臺(tái)與控制計(jì)算機(jī)PC1通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，數(shù)據(jù)線一方面將PC1的控制指令發(fā)送給振動(dòng)臺(tái)，一方面將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)反饋給PC1，以使振動(dòng)臺(tái)在控制計(jì)算機(jī)PC1的控制下，產(chǎn)生各種準(zhǔn)確的振動(dòng)響應(yīng)，使固定到振動(dòng)臺(tái)上的陀螺組件處于所要求的振動(dòng)環(huán)境中。陀螺組件通過(guò)數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)PC2連接，PC2主要負(fù)責(zé)陀螺數(shù)據(jù)的采集和事后處理。其測(cè)試步驟如下1)將陀螺固定安裝到振動(dòng)臺(tái)組件上，并用采集線將陀螺和數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)PC2連接；2)開(kāi)通電源，令陀螺預(yù)熱30分鐘；3)陀螺預(yù)熱結(jié)束后，打開(kāi)PC2并采集振動(dòng)前陀螺數(shù)據(jù)20分鐘；4)打開(kāi)振動(dòng)臺(tái)風(fēng)機(jī)，此時(shí)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)5分鐘；5)打開(kāi)PCl，通過(guò)PCl控制振動(dòng)臺(tái)，使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生頻率為50Hz，加速度為1G的正旋波振動(dòng)，振動(dòng)20分鐘并采集數(shù)據(jù)；6)振動(dòng)結(jié)束后，在風(fēng)機(jī)未關(guān)閉狀態(tài)下繼續(xù)采集數(shù)據(jù)5分鐘；7)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)5分鐘；改變振動(dòng)頻率，重復(fù)以上步驟l)-7)，在大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，獲得未采用本發(fā)明的解調(diào)方法和采用本發(fā)明所述的改進(jìn)解調(diào)方法后，在振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)，以Z軸為例，其響應(yīng)曲線如圖5、圖6所示。由圖5和圖6的響應(yīng)曲線比較可以看出，采用本發(fā)明后的解調(diào)方法的整體噪聲大小要比未采用本發(fā)明的解調(diào)方法的噪聲要?。挥杀?中未采用本發(fā)明的解調(diào)方法與采用本發(fā)明的解調(diào)方法振動(dòng)前、振動(dòng)中、振動(dòng)后各時(shí)間段原始數(shù)據(jù)均值和除標(biāo)度因數(shù)后均值的比較可以看出，未采用本發(fā)明的解調(diào)方法振動(dòng)前、振動(dòng)中、振動(dòng)后除以標(biāo)度因數(shù)后的均值精確到個(gè)位，采用本發(fā)明的解調(diào)方法振動(dòng)前、振動(dòng)中、振動(dòng)后除以標(biāo)度因數(shù)后的均值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，說(shuō)明采用本發(fā)明后陀螺輸出數(shù)據(jù)均值的穩(wěn)定性提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，也即陀螺在振動(dòng)環(huán)境中的穩(wěn)定性提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，證明了該方案的有效性。表1振動(dòng)測(cè)試環(huán)境條件頻率50-200Hz加速度lg持續(xù)時(shí)間20min表2采用本發(fā)明前和采用本發(fā)明后陀螺在振動(dòng)前、振動(dòng)中、振動(dòng)后的均值比較6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求一種抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于系統(tǒng)上電后，由光電檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的光功率信號(hào)經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖存模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖存，對(duì)鎖存實(shí)時(shí)光功率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到Sagnac相位差信號(hào)、2π電壓偏離信號(hào)和光功率信號(hào)，將解調(diào)出的Sagnac相位差信號(hào)除以光功率信號(hào)，得到新的解調(diào)信號(hào)并進(jìn)行放大輸出到Sagnac相移補(bǔ)償調(diào)制模塊，將解調(diào)出2π電壓偏離信號(hào)輸出到2π電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊，然后將Sagnac相移補(bǔ)償信號(hào)的調(diào)制信號(hào)和2π電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制信號(hào)反饋到陀螺閉環(huán)回路。全文摘要本發(fā)明提供的是一種抑制光纖陀螺振動(dòng)誤差的信號(hào)解調(diào)方法。系統(tǒng)上電后，由光電檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的光功率信號(hào)經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字鎖存模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖存，對(duì)鎖存實(shí)時(shí)光功率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到Sagnac相位差信號(hào)、2π電壓偏離信號(hào)和光功率信號(hào)，將解調(diào)出的Sagnac相位差信號(hào)除以光功率信號(hào)，得到新的解調(diào)信號(hào)并進(jìn)行放大輸出到Sagnac相移補(bǔ)償調(diào)制模塊，將解調(diào)出2π電壓偏離信號(hào)輸出到2π電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制模塊，然后將Sagnac相移補(bǔ)償信號(hào)的調(diào)制信號(hào)和2π電壓誤差補(bǔ)償調(diào)制信號(hào)反饋到陀螺閉環(huán)回路。本發(fā)明的方法消除了由振動(dòng)引起的陀螺的常值漂移誤差和部分附加噪聲誤差，提高了陀螺在振動(dòng)環(huán)境中的測(cè)量精度。文檔編號(hào)G01C19/72GK101709971SQ200910073170公開(kāi)日2010年5月19日申請(qǐng)日期2009年11月11日優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日發(fā)明者吳磊,周廣濤,孫巧英,孫楓,左文龍,張瑞鵬,徐博,李緒友,程建華,舒建濤申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)