一种高速光纤陀螺频率特性的测试方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种频率特性测试方法与系统，尤其是设及一种高速光纤巧螺频率特 性的测试方法与系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，各国军事领域研究热点包括全球范围快速打击系统，导弹防御体系等，应 用系统对光纤巧螺动态性能中频率特性提出了很高要求。
[0003]"全球范围快速打击系统"依托各种快速运载工具，从本±或全球分布的军事基地 发射常规武器，在一小时内对全球任何地方实施精确打击。"全球范围快速打击系统"的特 点就是"快"，主要指飞行器及响应速度快。飞行器高速机动时，角速度测量实时性直接影响 其导航精度，要求光纤巧螺具有高的频带宽度。
[0004]"导弹防御体系"用于保护本±及军事基地的安全，典型的导弹防御系统如俄罗斯 的S-400远程反导导弹、美国的"标准-3"中程反导导弹等，它们的特点是机动性强，响应速 度快，反导导弹需在几秒内完成定位定向及姿态调整，该要求光纤巧螺的响应速度快、输出 频带宽。
[0005] 综上，频率特性影响了光纤巧螺，特别是高速光纤巧螺对角速度测量的准确性，对 应用系统的性能发挥起着关键作用，对高速光纤巧螺的该一指标测试十分重要。
[0006] 伪随机序列是最长线性反馈移存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生 的周期最长的一种序列。伪随机序列具有类似于随机噪声的一些统计特性同时又便于重复 产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了他的缺点，因此获得了日益广泛的实际 应用。
[0007]FPGA巧片（FieldProgramm油leGateArray,现场可编程口阵列）是在专用集 成电路的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，也是当今数字系统设计的主要硬件平台。 FPGA巧片继承了专用集成电路的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了专用集成电 路设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，规模越来越大、开发过程投资小、可反复编程及擦 除、保密性能好、开发工具智能化，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂 计算W及嵌入式系统设计技术的全部内容。
[000引随着各领域对光纤巧螺，特别是高速光纤巧螺的要求越来越高，其频率特性，特别 是大频带宽度的频率特性对高速光纤巧螺的性能越来越至关重要，因此如何快速准确的对 高速光纤巧螺大频带宽度频率特性进行测量是一个十分重要的问题。原有的测量方法为 利用转台对光纤巧螺输入特定频率序列的角速率，同时测量光纤巧螺的输出。比较输出与 输入获得该频率点下光纤巧螺的系统频率响应。该方法需要进行扫频测试，若需要获得较 为完整的频率响应函数需要多组测试频率信号，在每个测试频率下进行测量，导致测量时 间长；同时由于测试频率点数有限，从而测试结果的频率分辨率低，特别是对于高速光纤巧 螺，测量出高分辨率的频率特性对其性能的评估非常重要；没有针对相位特性进行测量，或 相位估计误差大。
【发明内容】
[0009] 针对目前高速光纤巧螺频率特性缺少快速准确及高频率分辨率测试方法的现状， 本发明的目的在于提供了一种高速光纤巧螺频率特性的测试方法与系统，可快速准确地测 量高速光纤巧螺频率特性。
[0010] 本发明方法的技术方案的具体步骤如下：
[0011] 一、一种高速光纤巧螺频率特性的测试方法，步骤如下，如图1所示：
[0012] 1)根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列测试数字信号；
[0013] 2)将伪随机序列测试数字信号依次通过数字模拟转换、信号驱动放大后转换为伪 随机序列测试模拟信号，将伪随机序列测试模拟信号输入到角振动台的驱动电机中作为旋 转的输入信号；角振动台的驱动电机经载物台连接待测高速光纤巧螺；
[0014] 3)角振动台带动其上面的待测高速光纤巧螺进行运动，得到待测高速光纤巧螺输 出信号序列Z(i)，其中i= 1，…，N，N是采样点总数，i表示采样点序数；
[0015] 4)测速电机与驱动电机同步连接，采集测速电机的角速度模拟信号并进行模拟数 字转换，得到测速电机数字信号序列x(i)，其中i= 1，…，N;
[0016] 5)将步骤3)中得到的待测高速光纤巧螺输出信号序列Z(i)和步骤4)得到的测 速电机数字信号序列X(i)进行计算获得待测高速光纤巧螺的频率响应函数H(j?)，根据 频率响应函数H(j?)获得待测高速光纤巧螺频率特性参数，包括幅频特性和相频特性。
[0017] 所述步骤1)中采用W下公式1表示的生成逻辑通过逻辑电路生成反馈移位寄存 器，从而产生最终伪随机序列a。；
[001引 a。= CA_i 0 C兴,_2 ? …? C，讯
[0019] 其中，n表示移位寄存器电路的阶数，3。_1、…、a。表示第一级、…、第n级寄存器， Cl、…、Cm、…、Cn_康示反馈线的连接方式，m=l,…，n-l，Cm等于1或者0，0隶示二元 域上的模二加法。
[0020] 所述步骤5)中得到的高速光纤巧螺频率响应函数H(j?)具体计算步骤是：
[0021] 将待测高速光纤巧螺输出信号序列z[i]和测速电机测试数字信号序列x[i]进行 互相关运算得到互相关序列Ru，同时将测速电机测试数字信号序列x[i]进行自相关运算 得到自相关序列Ru;再对互相关序列Ru和自相关序列Ru进行傅里叶变换，获得互功率谱 密度Su(j?)和自功率谱密度Su(j?)，将互功率谱密度和自功率谱密度相除获得待测高 速光纤巧螺的频率响应函数H(j?);
[0022]
[0023] 所述的频率响应函数H(j?)在极坐标下表示形式为W下公式：
[0024]
[002引其中，|H(j?)I为待测巧螺的幅频响应，Ww)为待测巧螺的相频响应，分别作为 巧螺的幅频特性和相频特性，j表示虚部，《表示角频率。
[0026] 所述的反馈线的连接方式Cm等于1表示连线接通，第n-m级输出加入反馈中；Cm 等于0表示连线断开，第n-m级未输出加入反馈中。
[0027] 二、一种高速光纤巧螺频率特性的测试系统：
[002引包括角振动台的驱动电机和测速电机、载物台、待测巧螺和FPGA (Field Programm油le Gate Array,现场可编程口阵列）处理器，载物台固定在驱动电机的旋转轴 上，待测光纤巧螺置于载物台上，驱动电机与测速电机同步连接转动；FPGA处理器依次经 数字模拟转换器、功率放大器连接角振动台的驱动电机，测速电机经模拟数字转换器连接 FPGA处理器，待测光纤巧螺与FPGA处理器连接，FPGA处理器经串口通信与计算机连接。
[0029] 本发明根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列；将伪随机序列测试数字信号 先后通过数字模拟转换、信号驱动转换为伪随机序列测试模拟信号，将伪随机序列模拟信 号输入到角振动台中的驱动电机，驱动电机带动其上面的待测高速光纤巧螺根据输入的模 拟信号进行相应的运动，得到待测高速光纤巧螺输出信号序列；同时将用于测量角振动台 角速度输入的测速电机输出信号进行模拟数字转换，得到测速电机测试数字信号序列；将 得到的待测高速光纤巧螺输出信号序列和测速电机测试数字信号序列发送到计算机；计算 机利用谱分析的方法计算待测高速光纤巧螺的频率特性。
[0030] 本发明方法的有益效果为：
[0031] 本发明测量频率分辨率高，可实现对高速光纤巧螺大频带宽度的快速测量；测量 精度高，同时单次测量即可获得测试结果；可同时测量获得高速光纤巧螺的幅频特性和相 频特性；测试速度快，对高速光纤巧螺输出信号和伪随机序列的采样时间即为测试时间，整 体测试时间最少只要20s，并且可W在线测试；对测试量中噪声的抑制效果好；测量频率范 围大；使用FPGA巧片作为控制部分，体积小、操作简单、成本低；通过获得高速光纤巧螺的 频率特性，对高速光纤巧螺的性能加W评估，满足高速光纤巧螺大频带宽度频率特性的大 批量、快速和准确测试。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明方法的流程图。
[0033] 图2为本发明系统的示意图。
[0034] 图3为角振动台安装方式示意图。
[0035] 图4为产生伪随机序列的n级移位寄存器电路示意图。
[0036] 图5为本发明实施例的流程图。
[0037] 图6为本发明方法结合系统的原理说明示意图。
[003引图7为产生17阶伪随机序列的移位寄存器电路示意图。
[0039] 图8为本发明实施例的幅频特性和相频特性测试结果图。
[0040] 图中：1、待测光纤巧螺，2、载物台，3、驱动电机，4、测速电机。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0042] 本发明实施装置如图2所示，实施装置包含角振动台的驱动电机3和测速电机4、 载物台2、待测高速光纤巧螺1和FPGA处理器，载物台2固定在驱动电机3的旋转轴上，待 测高速光纤巧螺1置于载物台2上，驱动电机3与测速电机4同步连接转动；FPGA处理器 依次经数字模拟转换器、功率放大器连接角振动台的驱动电机3,测速电机4经模拟数字转 换器连接FPGA处理器，待测高速光纤巧螺1与FPGA处理器连接，FPGA处理器经串口通信 与计算机连接。
[0043] FPGA巧片；运行主控程序，根据伪随机序列的生成逻辑生成伪随机序列，控制装 置中各个部分的工作；数字模拟转换和信号驱动部分：将FPGA生成的伪随机序列转换成模 拟信号，输入到信号驱动部分；信号驱动：包括功率放大器和角振动台等，角振动台的安装 方式如图3所示，测速电机与待测高速光纤巧螺固定在同一个转动轴的两端，测速电机固 定在下端，驱动电机安装在中部，待测高速光纤巧螺安装在载物台的上端。
[0044] 本发明的高速光纤巧螺可看做是一个单输入单输出的线性系统，输入角速度Q 可W得到数字量D，D=KQ，K为光纤巧螺的标度因数。将伪随机序列模拟信号输入到功率 放大器，信号经放大后输入到角振动台中的驱动电机中，驱动电机根据输入的信号带动载 物平台上的待测光纤巧螺和下方的测速电机运动