一种闭环光纤陀螺仪的死区克服系统及其方法

1.本发明涉及一种闭环光纤陀螺的死区克服系统及其方法，属于光纤陀螺仪技术领域。


背景技术：

2.光纤陀螺仪是一种基于sagnac效应的角速度测量仪器，是惯性导航技术领域的重要元件，目前被广泛使用的是数字式闭环检测方案。闭环光纤陀螺仪的结构如图1所示，由1宽谱光源、2耦合器、3y波导集成光学芯片、4光纤环、5光电探测器、7a/d模块、9d/a模块、6前向放大电路、10驱动电路、8fpga数字逻辑电路组成。
3.在全数字闭环的光纤陀螺仪中，由宽谱光源1发出的光经耦合器2一分为二，其中一束光进入y波导集成光学芯片3，光分为两路以顺时针与逆时针的方向进入光纤环4，这两束光在y波导集成光学芯片3中的分束器中形成干涉，再经过耦合器2分为两束，光电探测器5组件(如pinfet)对光路产生的光电流进行检测、控制与跟踪。在这个方案中，会引入反馈相移作为补偿，使得陀螺的工作点在“零相位点”附近，进而实现良好的稳定性能与动态性能。
4.要完成数字闭环，驱动电路10需要将叠加本征方波的阶梯波施加到y波导集成光学芯片3的相位调制器上，但由于电子交叉耦合，使得在信号检测电路会出现一个与幅值较大的方波调制信号同频、幅度成正比的串扰信号，这个信号会使得陀螺对低转速下的输入角速率不再敏感，当测量输入在接近零的范围内，测量输出会显示为零，称之为闭环光纤陀螺的测量死区，这是典型的传递函数非线性现象。对不同测量精度的陀螺而言，死区的范围不同，可能达到每小时零点零几度至每小时几十度，甚至更大。死区的产生原因也比较复杂，可能受到其他类型的差分、延迟或移项耦合影响，但主要是调制方波的串扰所致。在实际的应用中，闭环光纤陀螺的死区问题会导致许多重复测试、检修的工作，浪费了许多人力物力成本，影响陀螺的生产与应用。
5.综上所述，闭环光纤陀螺的死区克服问题是亟待解决的工程问题，但国内很少有关于这项问题的研究成果。目前的发明专利中提到的方法有设置物理结构上的屏蔽与增加一个周期性的随机电抖动信号，前者增加了陀螺的成本与体积，且这样的电磁屏蔽不能完全保证串扰信号的消除；后者只是将陀螺的工作点从“零速率”移开，但并不工作在彻底的闭环，且可能增加陀螺的随机游走系数。


技术实现要素：

6.本发明的目的即解决上述问题，提供一种闭环光纤陀螺仪的死区克服系统及其方法，可以有效解决光纤陀螺中由于电子串扰信号导致的低转速下输出为零的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的其中一个目的在于提供一种闭环光纤陀螺仪的死区克服系统，包括宽谱光源、耦合器、y波导集成光学芯片、光纤环、光电探测器和信号处理电路；
9.由所述宽谱光源发出的光经耦合器之后进入到y波导集成光学芯片中，分为顺、逆两束光并通过光纤环传输，再依次返回至y波导集成光学芯片、耦合器后由光电探测器对光电流进行检测；
10.所述光电探测器输出的检测信号经信号处理电路处理，得到包含串扰误差补偿信息的反馈信号，将反馈信号送入y波导集成光学芯片进行调制，实现闭环。
11.本发明的另一个目的在于提供一种基于上述系统实现克服闭环光纤陀螺仪死区的方法，包括以下步骤：
12.步骤1：将的方波调制信号引入y波导集成光学芯片(3)的相位调制器上；
13.步骤2：给定一个不在死区范围内的恒定转速获取fpga数字逻辑电路中的dac寄存器包络的斜率值k，根据斜率值计算得到等效信号串扰强度p
c
，计算公式为：
[0014][0015]
其中，dac寄存器处于正常工作状态的区域大小为dac寄存器处于溢出复位状态的区域大小为p表示dac寄存器的位宽；k表示斜率值，θ表示倾斜角；
[0016]
步骤3：利用权利要求1所述的光电探测器(5)获取实时的检测信号，通过前向放大电路(6)对检测信号进行放大，得到放大后的模拟信号；然后利用a/d模块(7)将放大后的模拟信号转换为数字信号，送至fpga数字逻辑电路(8)进行处理，处理过程为：
[0017]
a.将数字信号解调、数字积分，输出测量结果
[0018]
b.对作台阶增量积分与数字积分，经d/a转换为模拟信号，得到阶梯波信号
[0019]
与此同时，实时根据dac寄存器的输出状态判断系统是否处于死区；
[0020]
当处于死区时，对dac寄存器中交替出现的幅值分别为与的方波脉冲信号进行计数，计单个周期内脉冲信号出现次数为m，脉冲信号出现次数为n，根据计数结果计算周期性串扰误差补偿信号计算公式为：
[0021][0022]
所述的周期性串扰误差补偿信号与方波调制信号同频；
[0023]
若不处于死区，则
[0024]
c.将阶梯波信号与串扰误差补偿信号相加作为反馈信号，表示为
将反馈信号施加到y波导集成光学芯片(4)上，对光纤陀螺仪进行调制；
[0025]
步骤4：重复步骤2
‑
3，更新等效信号串扰强度p
c
，实时判断死区状态，利用步骤4调制后的系统进行实时检测，将fpga数字逻辑电路中经过数字信号解调、数字积分后输出的测量结果作为检测结果。
[0026]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0027]
闭环光纤陀螺的串扰主要来自于信号处理电路产生的调制方波信号对于光电探测器的同相耦合。当系统的前后端存在信号串扰时，系统响应为其中p
c
是信号串扰强度。当dac寄存器处于正常工作状态时，系统输出为当系统dac寄存器处于复位状态时，系统响应为系统输出变为了系统输出变为了与的极性决定了阶梯波寄存器随时间递增或递减的状态，而当时，测量结果与的极性与实际相反，阶梯波的数值会被“锁”在溢出复位与正常工作两种状态的切换点上，陀螺的输出不随输入变化，总是为零，系统进入了死区。
[0028]
本发明在陀螺进入死区时，由于系统dac寄存器在两种方波调制状态中切换，此时可以在fpga数字逻辑电路的dac寄存器中对两种幅值不同的方波脉冲进行计数，用以确定测量的偏置误差。再将已经确定的串扰误差信号反馈至调制电压中作误差补偿，消除信号串扰带来的影响，使得陀螺工作在完全的闭环，并且修正此时速率寄存器为零的问题，使得速率寄存器中的数值与真实输入相等，从而能够克服死区问题。
[0029]
本发明通过对方波脉冲计数得到误差补偿送到对相位调制器的反馈电压中，消除了方波调制造成的电磁串扰，适用范围广，可靠性高，操作简单，不牺牲系统的其他参数，提高了陀螺仪在低转速下的测量精度，有助于高精度闭环光纤陀螺仪的批量生产。
附图说明
[0030]
图1是传统的闭环光纤陀螺仪结构示意图；
[0031]
图2是本发明中死区误差校正控制系统方案图；
[0032]
图3是本发明中死区状态下dac寄存器数值变化示意图；
[0033]
图4是本发明中正常状态下dac寄存器数值变化示意图；
[0034]
图中，1宽谱光源、2耦合器、3y波导集成光学芯片，4光纤传感环、5光电探测器、信号处理电路，信号处理电路包括：6前向放大电路、7a/d模块、8fpga数字逻辑电路、9 d/a模块、10驱动电路。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明。
[0036]
闭环光纤陀螺的串扰主要来自于信号处理电路产生的调制方波信号对于光电探测器的同相耦合，本发明提出的提出了一种光纤陀螺死区克服系统及其方法，当陀螺进入死区时，由于系统dac寄存器在两种方波调制状态中切换，此时可以在fpga数字逻辑电路的dac寄存器中对两种幅值不同的方波脉冲进行计数，用以确定测量的偏置误差。再将已经确
定的串扰误差信号反馈至调制电压中作误差补偿，消除信号串扰带来的影响，使得陀螺工作在完全的闭环，并且修正此时速率寄存器为零的问题，使得速率寄存器中的数值与真实输入相等，从而克服死区问题。
[0037]
如图1所示，含电磁串扰的闭环光纤陀螺结构一般包括：宽谱光源1、耦合器2、y波导集成光学芯片3，光纤传感环4、光电探测器5、信号处理电路，信号处理电路包括：前向放大电路6、a/d模块7、fpga数字逻辑电路8、d/a模块9、驱动电路10。其中fpga8数字逻辑电路会处理得到陀螺的输入信息，并将用于反馈的信息输出至d/a模块9。
[0038]
在本发明的一项具体实施中，所述的y波导集成光学芯片3包括起偏器、y分束器与相位调制器，所述起偏器的一端连接耦合器，另一端连接y分束器一侧的端口；所述y分束器另一侧的两个端口分别连接光纤环4的两端，形成两个分支；相位调制器位于其中一个或者两个分支上。
[0039]
陀螺仪需要通过偏置调制的方法来提高系统的灵敏度，在闭环光纤陀螺方案中，一般将的方波调制信号引入y波导集成光学芯片3的相位调制器，使得光纤陀螺的检测灵敏度最大。
[0040]
一般的闭环光纤陀螺测量方案中，系统响应公式为：一般的闭环光纤陀螺测量方案中，系统响应公式为：其中v
π
是干涉相差为时，光电探测器端得到的电压输出；u
out
是陀螺未进入死区，即dac寄存器正常工作时光电探测器的电压输出；是sagnac相差，即输入角速率对应的干涉相差；是反馈至相位调制器的调制电压，使得闭环系统工作在对干涉相差的最大检测灵敏度处，且使得主控制环闭锁这个调制电压在工作时是以阶梯波的形式送至光电调制器实现负反馈的。
[0041]
但在这个过程中会引入一个与方波调制信号同频、幅度成正比的串扰信号，耦合到输出端的光电探测器5，这是造成死区现象的最主要原因。
[0042]
具体的，当系统的前后端存在信号串扰时，系统响应为具体的，当系统的前后端存在信号串扰时，系统响应为其中p
c
是信号串扰强度。当dac寄存器处于正常工作状态时，系统输出为当系统dac寄存器处于复位状态时，系统响应为系统输出变为了系统输出变为了与的极性决定了阶梯波寄存器随时间递增或递减的状态，而当时，测量结果与的极性与实际相反，阶梯波的数值会被“锁”在溢出复位与正常工作两种状态的切换点上，陀螺的输出不随输入变化，总是为零，系统进入了死区。
[0043]
图2所示为含电磁串扰的信号处理电路死区误差校正控制系统方案图。
[0044]
本发明结合图1和图2，由所述宽谱光源1发出的光经耦合器2之后进入到y波导集成光学芯片3中，分为顺、逆两束光并通过光纤环4传输，再依次返回至y波导集成光学芯片3、耦合器2后由光电探测器5对光电流进行检测；
[0045]
所述光电探测器5输出的检测信号经信号处理电路处理，得到包含串扰误差补偿信息的反馈信号，将反馈信号送入y波导集成光学芯片4进行调制，实现闭环。
[0046]
所述的信号处理电路包括：
[0047]
前向放大电路6，其用于对光电探测器5输出的检测信号进行放大，得到放大后的模拟信号；
[0048]
a/d模块7，其用于将放大后的模拟信号转换为数字信号；
[0049]
fpga数字逻辑电路8，其用于对数字信号进行两路处理，其中一路得到阶梯波信号另一路得到串扰误差补偿信号将两路输出相加得到包含串扰误差补偿信息的反馈信号；
[0050]
d/a模块9，其用于对包含串扰误差补偿信息的反馈信号由数字形式转换为模拟形式的反馈信号；
[0051]
驱动电路10，其用于将模拟形式的反馈信号施加到y波导集成光学芯片4进行调制。
[0052]
具体的，前向放大电路将光电探测器得到的微弱电压输出具体的，前向放大电路将光电探测器得到的微弱电压输出作放大，a/d模块将前向放大电路处理产生的模拟信号转变为数字信号，送至fpga数字逻辑电路作数字处理。fpga数字逻辑电路实现了信号的解调，并且作台阶增量积分与数字积分，产生数字形式的反馈信号。d/a模块以及后置的阶梯波驱动电路将fpga数字逻辑电路输出的数字信号转换成模拟信号并进行放大，并将其送入y波导集成光学芯片作调制，整个系统实现闭环控制。
[0053]
在闭环系统中，fpga数字逻辑电路产生的反馈信号为形式为阶梯波，使得陀螺仪工作在对干涉相差的最大检测灵敏度处，且使得系统工作在几乎闭环的状态。而方波调制信号造成的强度为p
c
的电磁干扰会串扰进相位探测器的输出端，影响对sagnac相差的检测。
[0054]
如上所述，当dac寄存器处于正常工作状态时，系统测量结果为dac寄存器处于溢出复位状态时，系统测量结果为dac寄存器处于溢出复位状态时，系统测量结果为时，测量死区的范围是范围是时，测量死区的范围是当输入不在这两个范围内时，复位前后所占时间比为3：1，在整个2π相位内平均输出依然为且复位依然准确；当输入在这个范围内时，阶梯波无法正常复位，dac寄存器数值会被“锁”在溢出复位与正常工作两种状态的切换点上，此时对输出速率寄存器求均值，结果总是为零，进入死区。
[0055]
在本发明方案的实例中，dac寄存器的位宽为p位，dac寄存器处于正常工作状态的区域大小为dac寄存器输出数值包络的斜率为转速测量值dac寄存器处于溢出复位状态的区域大小为dac寄存器输出数值包络的斜率为转速测量值在恒定的方波调制信号下，串扰信号的强度p
c
视为不变，在测试中给定一个不在死区范围内的小转速可以根据dac寄存器的工作状态判断。
[0056]
如图3和图4，其中图3为进入死区时dac寄存器的输出，图4为正常工作时dac寄存
器的输出。可见，当系统进入死区时，dac寄存器中出现短时间内的频繁跳变，即阶梯波数值被“锁”在了两种状态切换点上，据此即可判断给定的小转速是否处于死区范围内。
[0057]
在本发明的一项具体实施中，在fpga数字逻辑电路中得到准确dac寄存器包络的斜率值与便可计算得出系统中的等效信号串扰强度p
c
。
[0058]
图3为本发明中死区状态下dac寄存器数值变化示意图，以时为例，当进入死区时，dac寄存器的输出近似变为交替出现的幅值分别为与的方波脉冲信号，在短时间内的一定的小转速下，一个周期内两种脉冲的数目是不变的。因此，可以对这两种方波脉冲信号进行计数，计单个周期内脉冲信号出现次数为m，脉冲信号出现次数为n，所述的周期性串扰误差补偿信号在一个交替脉冲周期内，共产生m次强度为n次强度为的脉冲，这个周期性的反馈信号与阶梯波同频。
[0059]
如图2所示，处理得到的反馈信号经过y波导集成光学芯片3的相位调制器对光路产生周期型串扰误差补偿信号与方波调制信号同频。系统的光路输出从光电探测器5中得到，经过前向放大电路6与a/d模块7之后转换为数字信号，再经过解调与数字积分形成正确的陀螺仪输出值，dac寄存器数值不再产生锁死现象，且正常工作时数值包络的斜率为正确的转速测量值由此形成完整的高精度闭环系统。
[0060]
下面介绍本实施例中的一种具体实施方法：
[0061]
步骤1：将的方波调制信号引入y波导集成光学芯片3的相位调制器上；
[0062]
步骤2：给定一个不在死区范围内的恒定转速获取fpga数字逻辑电路中的dac寄存器包络的斜率值k，根据斜率值计算得到等效信号串扰强度p
c
，计算公式为：
[0063][0064]
其中，dac处于正常工作状态的区域大小为dac处于溢出复位状态的区域大小为p表示dac寄存器的位宽；k表示斜率值，θ表示倾斜角；
[0065]
步骤3：利用权利要求1所述的光电探测器5获取实时的检测信号，通过前向放大电路6对检测信号进行放大，得到放大后的模拟信号；然后利用a/d模块7将放大后的模拟信号转换为数字信号，送至fpga数字逻辑电路8进行处理，处理过程为：
[0066]
a.将数字信号解调、数字积分，输出测量结果
[0067]
b.对作台阶增量积分与数字积分，经d/a转换为模拟信号，得到阶梯波信号
[0068]
与此同时，实时根据dac寄存器的输出状态判断系统是否处于死区；
[0069]
当处于死区时，对dac寄存器中交替出现的幅值分别为与的方波脉冲信号进行计数，计单个周期内脉冲信号出现次数为m，脉冲信号出现次数为n，根据计数结果计算周期性串扰误差补偿信号计算公式为：
[0070][0071]
所述的周期性串扰误差补偿信号与方波调制信号同频；
[0072]
若不处于死区，则
[0073]
c.将阶梯波信号与串扰误差补偿信号相加作为反馈信号，表示为将反馈信号施加到y波导集成光学芯片4上，对光纤陀螺仪进行调制；
[0074]
步骤4：重复步骤2
‑
3，更新等效信号串扰强度p
c
，实时判断死区状态，利用步骤3调制后的系统进行实时检测，将fpga数字逻辑电路中经过数字信号解调、数字积分后输出的测量结果作为检测结果。
[0075]
在本发明方案的实例中，所述死区克服方案可通过算法在fpga信号处理电路8中通过编程实现，无需对光路或者信号处理电路进行调整，短时间内对死区问题进行矫正，大大节省了成本，提高了闭环光纤陀螺仪的成品率。
[0076]
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。