一种闭环光纤陀螺频率特性的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤陀螺技术，涉及一种闭环光纤陀螺频率特性的测试方法。
【背景技术】
[0002] 光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型光学陀螺仪，用于敏感载体相对于惯性 空间的旋转角速率。作为一种理想的捷联器件，光纤陀螺在捷联惯性系统中得到了大量而 广泛的应用。光纤陀螺的频率特性是指光纤陀螺对不同频率角运动输入的响应特性，包括 幅频特性和相频特性，而陀螺的带宽一般则指闭环光纤陀螺的3dB带宽。光纤陀螺的频率 特性和带宽指标是光纤陀螺动态性能的重要表征，反映了光纤陀螺对外界动态角运动的敏 感能力。光纤陀螺的动态特性和带宽指标直接影响了光纤陀螺的振动性能和动态跟踪性 能，从而影响了光纤陀螺在动态环境下的可靠性和适应性。在高动态恶劣运动环境的应用 场合，对光纤陀螺的动态特性和带宽指标提出了很高的要求。因此，设计和评测光纤陀螺的 动态性能和带宽指标成为光纤陀螺研制和生产过程中必不可少的内容。
[0003] 传统测试方法主要借助角振动台或突停台等设备分别测试光纤陀螺的频率响应 和阶跃响应来实现。光纤陀螺的带宽可达数kHz甚至十几kHz，但通常角振动台的最高振动 频率大都在数百Hz，不能完全覆盖光纤陀螺的频率响应测试范围。而突停台也不能产生理 想的阶跃输入，并且存在时间基准误差，不能满足光纤陀螺相频和幅频的精确测量。
[0004] 此外也有在光纤陀螺反馈阶梯波上分别叠加固定台阶阶梯波、正弦信号和伪随机 序列等数字信号模拟转速输入的光纤陀螺频率特性测试方法。其中，采用阶跃响应测试的 方法单纯通过光纤陀螺阶跃响应的上升时间来计算光纤陀螺的3dB带宽，没有得到光纤陀 螺全频带幅频响应特性，也没有得到光纤陀螺的相频特性，测试方法存在很大的局限性；正 弦激励测试方法需要叠加不同频率和幅度的正弦波进行数十次测试，测试过程复杂，并且 由于光纤陀螺控制周期限制，高频正弦波分辨率急剧降低，影响了高频段光纤陀螺频率响 应特性测试的精度；而采用伪随机序列叠加的测试方法，利用了光纤陀螺输入输出的相关 性对光纤陀螺的脉冲响应进行辨识，但该方法的前提是假设光纤陀螺的噪声组成为理想的 零均值白噪声，这与光纤陀螺实际情况不完全符合，并且该方法存在中、高频率段光纤陀螺 频率特性辨识结果急剧失真的缺点，不能完全满足光纤陀螺全频带相频特性和幅频特性的 精确测量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的：提出一种闭环光纤陀螺频率特性测试方法，该方法可以实现光纤 陀螺频率特性测试所需的全频带覆盖，并可同时获得光纤陀螺的幅频特性、相频特性和带 宽指标。
[0006] 本发明的技术方案：一种闭环光纤陀螺频率特性的测试方法，其通过在光纤陀螺 反馈阶梯波上叠加固定台阶高度的阶梯波，产生与外界阶跃转速输入等效的相位差，得到 光纤陀螺的阶跃响应；对计算机高速采集到的光纤陀螺阶跃响应数据进行差分运算得到光 纤陀螺的脉冲响应，然后对脉冲响应进行快速傅里叶变换得到光纤陀螺的频率特性。
[0007] 所述的光纤陀螺频率特性测试方法，其步骤如下：
[0008] (1)首先通过光纤陀螺控制软件，在反馈阶梯波上叠加固定台阶高度的阶梯波，以 在光纤陀螺的敏感环路内正反方向传播的两束光之间产生与外界转速阶跃输入相等效的 相位差；
[0009] (2)通过光纤陀螺控制软件将陀螺的阶跃响应进行高速输出，使光纤陀螺阶跃响 应数据的采样时间与光纤陀螺控制周期相同，即在数微秒量级；
[0010] (3)用计算机数据采集系统将光纤陀螺的阶跃响应数据进行采集，以得到光纤陀 螺阶跃响应过程中每一个控制周期的响应值；
[0011] (4)对光纤陀螺阶跃响应数据进行差分、快速傅里叶变换等运算处理，得到光纤陀 螺的频率特性，包括幅频特性、相频特性以及频带宽度等性能指标；
[0012] 数据采样频率为微秒量级，能覆盖光纤陀螺高达数KHz甚至十KHz频率特性测试 范围，使光纤陀螺阶跃响应数据的采样时间与被测光纤陀螺的控制周期相同。
[0013] 本发明的优点和有益效果是：由上述所提供的技术方案可以看出，本发明所提出 光纤陀螺频率特性测试方法只需通过光纤陀螺控制软件和配套的计算机数据采集、处理系 统便可实现。通过运用该方法，可以自主、快速和精确测试光纤陀螺的频率特性和带宽指 标。可以为光纤陀螺频率特性参数设计和光纤陀螺动态环境适应性评估提供可靠便捷的手 段。
【附图说明】
[0014] 图1是等效阶跃信号施加方式的原理图；
[0015] 图2是本发明所公开的光纤陀螺频率特性测试方法原理框图；
[0016] 图3是阶跃响应实测图；
[0017] 图4是由阶跃响应数据进行差分运算得到的脉冲响应曲线；
[0018] 图5是光纤陀螺幅频特性曲线；
[0019] 图6是光纤陀螺相频特性曲线。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0021] 本发明的基本原理如图1所示。
[0022] 根据线性系统理论可知，系统的传递函数G(s)是单位脉冲响应函数g(t)的拉普 拉斯变换，频率响应函数G(j?)是单位脉冲响应函数g(t)的傅里叶变换。根据拉氏变换 的唯一性定理，g(t)与G(s) -一对应。故若能测得系统的脉冲响应，则可获得有关系统动 态特性的全部信息。而单位阶跃响应函数是线性系统在单位阶跃函数l(t)的作用下的零 状态输出响应h (t)。在零初始条件下，脉冲响应函数是阶跃响应函数的导数，即g(〇 =/7(/)。 因此，只要得到系统的阶跃响应h (t)，对阶跃响应求导数就可以得脉冲响应g(t)，再对脉 冲响应g(t)进行傅里叶变换即可得到系统的频率特性G(j ?)。
[0023] 如图2所示，按照数字闭环光纤陀螺的工作原理，在数字反馈阶梯波中叠加固定 台阶高度的阶跃输入信号，则通过集成光学调制器的相位调制作用，便可使光纤陀螺的光 纤环中正反方向传播的两束光之间产生阶跃的相位差信号。这一阶跃相位差信号与外界阶 跃转速输入导致的相位差等效，因此可通过这种方法获得相位差的阶跃输入，此时光纤陀 螺的输出将是光纤陀螺对阶跃信号输入的响应。
[0024] 本发明闭环光纤陀螺频率特性的测试方法通过在数字反馈阶梯波中叠加固定台 阶高度的阶跃输入信号，并将光纤陀螺的阶跃响应进行输出