一种数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节系统和方法与流程

1.本发明属于惯性技术领域，涉及一种利用电阻调节数字闭环光纤陀螺闭环比例系数的系统和方法。


背景技术：

2.目前的光纤陀螺绝大多数均采用数字闭环的方案，在光纤陀螺调试过程中需要对数字闭环的比例系数进行调整，因为每一个y波导的半波电压均不相同，一般浮动范围在2.5v～3.5v，为了对应y波导半波电压的波动，闭环比例系数需要进行相应的调整，对于数字闭环来说，最简单的方法就是对于每一套光纤陀螺直接调节数字化的比例系数。
3.但是对于航天产品来说，空间用光纤陀螺的数字闭环控制处理器，一般使用actel公司的反熔丝芯片，该芯片如果要更改数字化的比例系数，有两种方法：一是需要更改fpga软件，每套产品更改参数后均需要重新编译程序，于是每一套产品的fpga程序均不相同，按照航天产品的软件管理规范，需要对每一套产品fpga软件重新进行部分第三方评测的流程，这要花费很多的人力物力以及时间；二是需要在fpga外面匹配一个rom芯片，产品调试后需要将该比例参数固化到该反熔丝rom中，芯片成本和软件固化的流程复杂会给产品的研制带来成本的增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节系统和方法，光电调制器接收由光源发出的光信号，对光信号进行起偏和调制后发送至光纤环路；光纤环获取光电调制器传来的光信号，并将光信号经光电调制器发送至光电探测器；光电探测器接收光纤环传来的光信号，对光信号进行光电转换处理，生成电信号，并将电信号发送至前放电路；前放电路接收光电探测器传来的电信号，对电信号依次进行隔直流、滤波处理，生成pin电信号，将pin电信号发送至a/d转换模块；a/d转换模块接收前放电路传来的pin电信号，对pin电信号进行模数转换处理，生成数字信号，将数字信号发送至闭环算法中央处理单元；闭环算法中央处理单元接收a/d转换模块传来的数字信号，对数字信号进行闭环计算，得到数字调制信号，将数字调制信号发送至d/a转换模块；比例系数调节模块在d/a转换模块中生成调节电信号；d/a转换模块接收闭环算法中央处理单元传来的数字调制信号，在调节电信号的作用下对数字调制信号进行数模转换处理，生成反馈电信号，将反馈电信号发送至驱动电路；驱动电路接收d/a转换模块传来的反馈电信号并进行放大处理，生成y波导调制信号，将y波导调制信号发送至光电调制器；光电调制器接收驱动电路传来的y波导调制信号，根据y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制，使光信号产生相位差。本发明采用引入电阻调节数字闭环比例系数的偿方法，简单可靠的解决了光纤陀螺y波导半波电压与软件参数匹配问题，降低了管理成本，特别适用于针对航天产品y波导半波电压的离散性进行闭环比例系数调整的应用场景。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节系统，包括光电探测器、前放电路、a/d转换模块、闭环算法中央处理单元、d/a转换模块、驱动电路、光电调制器，光纤环和比例系数调节模块；
7.光电调制器：接收由光源发出的光信号，对光信号进行起偏和调制后发送至光纤环路；
8.光纤环：获取光电调制器传来的光信号，并将光信号经光电调制器发送至光电探测器；
9.光电探测器：接收光纤环传来的光信号；对光信号进行光电转换处理，生成电信号，并将电信号发送至前放电路；
10.前放电路：接收光电探测器传来的电信号；对电信号依次进行隔直流、滤波处理；生成pin电信号；将pin电信号发送至a/d转换模块；
11.a/d转换模块：接收前放电路传来的pin电信号；对pin电信号进行模数转换处理，生成数字信号；将数字信号发送至闭环算法中央处理单元；
12.闭环算法中央处理单元：接收a/d转换模块传来的数字信号；对数字信号进行闭环计算，得到数字调制信号，将数字调制信号发送至d/a转换模块；
13.比例系数调节模块：在d/a转换模块中生成调节电信号；
14.d/a转换模块：接收闭环算法中央处理单元传来的数字调制信号，在调节电信号的作用下对数字调制信号进行数模转换处理，生成反馈电信号；将反馈电信号发送至驱动电路；
15.驱动电路：接收d/a转换模块传来的反馈电信号并进行放大处理，生成y波导调制信号；将y波导调制信号发送至光电调制器；
16.光电调制器：接收驱动电路传来的y波导调制信号，根据y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制，使光信号产生相位差。
17.进一步的，通过调节比例系数调节模块的等效电阻值，在d/a转换模块中生成调节电信号。
18.进一步的，所述比例系数调节模块为若干个电阻形成的串并联电阻网.
19.进一步的，所述比例系数调节模块一端连接d/a转换模块中的电压基准源，另一端连接d/a转换模块中的参考地。
20.进一步的，所述y波导调制信号使光纤环的光信号产生π/2的相位差。
21.进一步的，所述比例系数调节模块在d/a转换模块中生成调节电信号使kfk
c2n
＝2π，其中，kfkc为数字闭环光纤陀螺闭环比例系数，正整数n为d/a转换模块中寄存器的位数。
22.进一步的，所述比例系数调节模块的等效电阻值r
set
根据前放电路的pin电信号进行调节，具体方法为，调节比例系数调节模块的等效电阻值r
set
使pin电信号成为一条直线。
23.进一步的，所述比例系数调节模块的等效电阻值r
set
根据如下关系式确定：
[0024][0025]
其中vb为前放电路的pin电信号中的波动幅值，经验公式参数k、b根据多组v
b1
、v
b2
……
、r
set1
、r
set2
……
拟合得到。
[0026]
一种数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节方法，根据上述一种数字闭环光纤陀螺
闭环比例系数调节系统实现，包括如下步骤：
[0027]
光电调制器接收由光源发出的光信号，对光信号进行起偏和调制后发送至光纤环路；
[0028]
光纤环路获取光电调制器传来的光信号，并将光信号经光电调制器发送至光电探测器；
[0029]
光电探测器接收光纤环传来的光信号；对光信号进行光电转换处理，生成电信号，并将电信号发送至前放电路；
[0030]
前放电路接收光电探测器传来的电信号；对电信号依次进行隔直流、滤波处理；生成pin电信号；将pin电信号发送至a/d转换模块；
[0031]
a/d转换模块接收前放电路传来的pin电信号；对pin电信号进行模数转换处理，生成数字信号；将数字信号发送至闭环算法中央处理单元；
[0032]
闭环算法中央处理单元接收a/d转换模块传来的数字信号；对数字信号进行闭环计算，得到数字调制信号，将数字调制信号发送至d/a转换模块；
[0033]
比例系数调节模块在d/a转换模块中生成调节电信号；
[0034]
d/a转换模块接收闭环算法中央处理单元传来的数字调制信号，在调节电信号的作用下对数字调制信号进行数模转换处理，生成反馈电信号；将反馈电信号发送至驱动电路；
[0035]
驱动电路接收d/a转换模块传来的反馈电信号并进行放大处理，生成y波导调制信号；将y波导调制信号发送至光电调制器；
[0036]
光电调制器接收驱动电路传来的y波导调制信号，根据y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制，使光信号产生相位差。
[0037]
进一步的，上述一种数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节方法中，调节比例系数调节模块的等效电阻值，在d/a转换模块中生成调节电信号，具体方法为：
[0038]
调节比例系数调节模块的等效电阻值r
set
使前放电路的pin电信号成为一条直线；
[0039]
或，根据如下关系式确定比例系数调节模块的等效电阻值r
set
：
[0040][0041]
其中vb为前放电路的pin电信号中的波动幅值，经验公式参数k、b根据多组v
b1
、v
b2
……
、r
set1
、r
set2
……
拟合得到。
[0042]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0043]
(1)本发明创新性的提出了一种使用电阻来调节闭环比例系数的方法，将闭环比例系数的调节简化成了常规的电阻调节，简化了产品调试流程，降低了产品调试门槛，方便了光纤陀螺产品进行批量的工程化，大大降低了空间用光纤陀螺的生产成本，避免了软件更新带来的弊端；
[0044]
(2)本发明可根据特定电路，拟合后得到电阻值，灵活度高，普适性强。
附图说明
[0045]
图1为本发明数字闭环光纤陀螺闭环比例系数调节系统示意图；
[0046]
图2为闭环算法中央处理单元方波调制原理示意图；其中(a)为调制方波波形图，
(b)为调制相位波形图；
[0047]
图3为阶梯波反馈原理示意图；其中(a)为阶梯波波形图，(b)为反馈相位波形图；
[0048]
图4为本发明d/a转换模块b9762amg的简化结构框图。
具体实施方式
[0049]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0050]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0051]
本发明涉及一种利用电阻调节数字闭环光纤陀螺闭环比例系数的方法，所涉及的系统由光电探测器、前放电路、a/d转换模块、闭环算法中央处理单元(fpga)、d/a转换模块、驱动电路、光电调制器(y波导)和光纤环组成。从探测器转换的电信号经过a/d采集，进入fpga，进行解调、积分，计算出当前角度产生的相位差对应的数字量，该数字量经过乘法器后作为反馈台阶量送d/a，经过驱动电路反馈到y波导上。为了对应y波导半波电压的离散性，闭环比例系数需要进行相应的调整，对于航天产品来说，调节电阻参数的管理成本要优于软件参数。本发明采用了引入电阻调节数字闭环比例系数的偿方法，简单可靠的解决了光纤陀螺y波导半波电压与软件参数匹配问题。本发明避免了软件更新带来的弊端，将闭环比例系数的调节简化成了常规的电阻调节，简化了产品调试流程，降低了产品调试门槛，方便了光纤陀螺产品进行批量的工程化，大大降低了空间用光纤陀螺的生产成本。
[0052]
如图1，本专利一种利用电阻调节数字闭环光纤陀螺闭环比例系数的系统，由光电探测器、前放电路、a/d转换模块、闭环算法中央处理单元(fpga)、d/a转换模块、驱动电路、光电调制器(y波导)、光纤环和调节用电阻组成。光路的工作过程如下：光由光源发出，经耦合器一分为二，一束传输到y波导，另一束传输到空头。y波导将输入光起偏、调制后分成顺时针和逆时针传输的两束，进入光纤环。两束光在光纤环中传输将产生正比旋转角速度的相位差，两束光重新汇聚到y波导产生干涉后转换为光强的变化，经耦合器到达探测器变为电流的变化。经a/d采集后进入到fpga进行闭环控制，将转速信息叠加到偏置调制信号后，形成阶梯波，即数字调制信号，反馈到y波导上进行下一个周期的信号调制。
[0053]
y波导一个重要的功能就是在顺、逆两束光之间引入相位差，这是由相位调制器实现的。相位调制器利用了pockels效应，在波导两侧的基底表面上制作两个电极，如果两电极间距为l，长度为d，当电压v施加与两电极上时，对通过波导的光产生的光相移为：
[0054][0055]
式中n1是光波导的折射率，r为波导材料的光电系数，λ为通过波导的光波长；
[0056]
y波导的重要指标是半波电压，半波电压是使通过的光产生πrad相移需加在电极上的电压，反映调制器的相位调节能力。
[0057]
y波导电极上加入所需电压，顺、逆两束光在不同时间经过同一相位调制器，产生相位相位差如下：
[0058]
δφf＝φ(t)-φ(t-τ)＝kf[v(t)-v(t-τ)]，其中τ是光纤环的群延迟，即光在光纤
环中传播所需的时间，kf为调制器的调制系数。
[0059]
光纤环为顺、逆两束光提供传输的闭合光路，同时敏感外界角速度输入，转化为两束光间的相位差。引起的两束光之间的相位差由sagnac效应决定。考虑到光的传输延迟，sagnac效应的动态模型表示为ω(s)是输入角速度，δφs(s)为引起的相位差，c为光速，s为自动控制原理中传递函数的算子。
[0060]
从光纤环返回的顺、逆两束光在y波导分束处进行合束，因为相位不同将产生干涉，引起光功率p的变化，表示如下p
∝
p0(1+cos(δφ))，式中p0表示两束光的光功率的和，δφ为两束光间的相位差。
[0061]
为了使到达探测器的光强达到最高灵敏度，在两束相向传输光之间人为引入相位偏置，使工作点偏移到其它位置，从而改善陀螺灵敏度，也能体现转动的方向性。调制方波vf(t)的波形如图2所示。
[0062]
半周期为τ，幅值为v
π2
，即可以引起π/2相移的电压。由vf(t)引起的两束光间的相位差δφf(t)为
[0063][0064]
如图2(b)所示,加入方波调制后干涉公式变为
[0065][0066]
解调后为δp(δφs)＝p0(1+sinδφs)-p0(1-sinδφs)＝2p0sinδφs[0067]
数字闭环方案通过在相位调制器上加入相位阶梯波来产生反馈相移。数字信号处理电路根据解调后误差信号，按照特定的算法计算出反馈量d
out
(n)。d
out
(n)积分后形成数字阶梯波d
jt
(n)，即数字调制信号为数字阶梯波，经d/a和驱动转化为模拟阶梯波v
jt
(t)，加至相位调制器。v
jt
(t)的波形如图3所示，每一个台阶的宽度为τ。v
jt
(t)引起的两束光间的相位差δφ
jt
(t)为
[0068]
δφ
jt
(t)＝kf(v
jt
(t)-v
jt
(t-τ))
[0069]
＝kfkc(d
jt
(n)-d
jt
(n-1))
[0070]
＝kfkcd
out
(n)
[0071]
式中kc为由a/d、d/a、前置电路、以及驱动电路决定的比例系数，δφ
jt
(t)与反馈量d
out
(n)成正比。
[0072]
阶梯波不可能是无限上升的，必须有复位。采用数字阶梯波反馈可以实现阶梯波的自动复位。数字阶梯波的复位值d
jt
(n)存储在数字寄存器中，寄存器的位数n和并行d/a转换器的位数相同，当累加值超过2n或小于0时将自动溢出，产生复位。可以证明只要调整调制通道的增益kfkc，即数字闭环比例系数，使kfk
c2n
＝2π，即当d/a转换器满量程输出时，经驱
动电路后的模拟电压加在相位调制器上，正好引起通过的光产生2πrad的相移(也称为2π电压)，这时阶梯波的复位就不会影响陀螺的性能，所以这种复位操作也称为2π复位。当有复位发生时，式将变为如下形式：
[0073]
δφ
jt
(t)＝kfkc(d
jt
(n)
±2n-d
jt
(n-1))
[0074]
＝kfkcd
out
(n)
±
kfk
c2n
[0075]
＝kfkcd
out
(n)
±
2πd
out
(n)为调制方波的数字信号。
[0076]
d/a转换芯片b9762amg的简化结构框图如图4所示，主要包括一个dac核、数字控制逻辑，和满量程输出电流控制。dac核包含一个能提供高达20ma满量程电流(i
outfs
)的pmos电流源阵列，该阵列可分为31份相等的电流源，组成高5位有效位。接下来的4位(中间有效位)包含15个等值电流源，其值为最高有效位(msb)对应电流源值的1/16。
[0077]
所有的电流源都通过pmos差分电流开关输出到差分输出的一端或另一端，也就是i
outa
或者i
outb
端。使用的差分开关结构减小了开关操作瞬态失真，也减小了同步误差。
[0078]
b9762amg为差分互补电流输出，由互补端i
outa
和i
outb
提供互补的电流输出。当所有位都为高时(也就是说，dac code＝4095)，i
outa
提供一个接近于满量程的电流输出，而互补端i
outb
则没有电流输出。在i
outa
和i
outb
输出的电流是输入编码和i
outfs
的函数，可以表示为：
[0079]iouta
＝(daccode/4096)
×ioutfs
[0080]ioutb
＝(4095-daccode)/4096
×ioutfs
[0081]
其中daccode＝0到4095(十进制)，i
outfs
是参考电流i
ref
的函数，i
ref
由参考电压v
ref
和外部电阻r
set
所确定，可以表示为：
[0082]ioutfs
＝32
×iref
[0083]
其中：i
ref
＝v
ref
/r
set
[0084]
b9762amg包含一个调整满量程输出电流i
outfs
的控制放大器。该控制放大器可看成一个v-i转换器，它的电流输出i
ref
由v
ref
和外部电阻r
set
的比值来决定。i
ref
以合适的比例因子被复制到分段式电流源上来设置i
outfs
。
[0085]
控制放大器允许i
outfs
有一个比较宽的调整范围，通过调整i
ref
从62.5ua到625ua，可以使i
outfs
在2ma到20ma变化。i
outfs
有较宽的调整范围主要有两个优点：一是使得b9762的功耗直接与i
outfs
成比例；二是可对系统增益进行控制。
[0086]
本发明通过电阻调节数字闭环比例系数kfkc的原理是：根据数字闭环光纤陀螺自动复位机理，当kfk
c2n
＝2π时，d/a的自动复位不会影响光纤陀螺的性能。y波导的调制系数kf与y波导的半波电压相关，所以对于每一套光纤陀螺均需要调整kc，实际上：kc＝kr×ky
[0087]
式中kr为闭环内乘法系数，在同一系统中，kr可看作不变，ky为硬件电路(即比例系数调节模块)的比例系数：ky＝i
outfs
[0088]
综上，可得：
[0089]
即，当下式成立时，系统正好可以消除复位误差：
[0090][0091]
本专利就是通过调节r
set
，来调节数字闭环光纤陀螺闭环比例系数。即，通过调节r
set
，调节硬件电路(即外部电阻)的比例系数ky，由于闭环内乘法系数kr保持不变，由d/a和
驱动电路决定的比例系数kc与ky成正比变化，进而可以调整kc，使调制通道的增益kfkc满足kfk
c2n
＝2π，驱动电路后的模拟电压加在相位调制器上，正好引起通过的光产生2πrad的相移。
[0092]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0093]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。