基于混沌信号的角速率传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于混沌信号的角速率传感器，包括用于发出混沌光信号的混沌光源发射模块、于接收混沌光源发射模块发出的混沌光信号，并将接收到的混沌光信号分支出两路混沌光信号的耦合器、分别与耦合器的两个输出分支路连接的第一环形器及第二环形器、两端与第一环形器和第二环形器相连的光纤环、分别与第一环形器和第二环形器相连的第一探测器及第二探测器以及与所述第一探测器及第二探测器相连的信号处理模块。本发明的基于混沌信号的角速率传感器，它的结构简单，无需增加调制器即可实现角速率传感器输出旋转角速率，由于该角速率传感器采用的是混沌光信号，因此它的抗干扰能力强。
【专利说明】
基于混巧信号的角速率传感器
技术领域
[0001] 本发明设及光纤传感领域，是一种基于混浊信号的角速率传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤巧螺仪由于其具有全固态、无运算部件、体积小、重量轻、响应快、结构灵活、 潜在精度高、测量范围宽、使用寿命长等优点，引起了国内外广泛的研究，是一种新型的全 固态惯性仪表。国外研究光纤巧螺仪时间较早，其研制生产水平也较高，早在上世纪末，W 美国为首的西方发达国家就研制生产了精度达1(T4量级的高精度光纤巧螺仪。我国研制光 纤巧螺仪比国外晚，其水平也与国外存在很大差距。但是，随着近几年国家对光纤巧螺行业 的高度重视，我国光纤巧螺行业有了很大的进步，而且已经能够研制生产中低精度水平光 纤巧螺仪，并开始投入了军用和民用市场。
[0003] 光纤巧螺仪按照光学工作原理分为干设式光纤巧螺仪(IF0G)、谐振式光纤巧螺仪 和受激布里渊散射式光纤巧螺仪。其中干设式光纤巧螺仪是=者之中最成熟的，其技术水 平最高。但是干设式光纤巧螺仪对光路的要求很高，光路的非理想性引起的背向散射、光波 偏振态的演变、溫度引起的光纤折射率的变化对巧螺精度有着重要的影响。巧螺的解算周 期受光纤环渡越时间的限制，从而使得光纤巧螺的带宽受到很大的影响。光纤环渡越时间 对A/D采样(采集数据个数)也有重要影响。运些因素也是影响干设式光纤巧螺仪精度进一 步提升的重要因素。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是:提供一种新型的基于 混浊信号的角速率传感器，它的抗干扰力强。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于混浊信号的 角速率传感器，包括:混浊光源发射模块、禪合器、第一环形器、第二环形器、光纤环、第一探 测器、第二探测器W及信号处理模块；
[0006] 所述混浊光源发射模块用于发出混浊光信号；
[0007] 所述禪合器，用于接收混浊光源发射模块发出的混浊光信号，并将接收到的混浊 光信号分支出两路混浊光信号；
[000引所述第一环形器，其具有第一接收端子、第一输出端子及第二输出端子;所述第一 接收端子用于接收禪合器分支出的第一路混浊光信号;所述第一输出端子与所述光纤环的 第一端连接，用于将接收到的第一路混浊光信号从光纤环的第一端输送至光纤环；
[0009]所述第二环形器，其具有第二接收端子、第=输出端子及第四输出端子;所述第二 接收端子用于接收禪合器分支出的第二路混浊光信号;所述第=输出端子与所述光纤环的 第二端连接，用于将接收到的第二路混浊光信号从光纤环的第二端输送至光纤环;所述第 四输出端子用于接收从光纤环的第二端输出的第一路混浊光信号并输出至第二探测器;所 述第二输出端子用于接收从光纤环的第一端输出的第二路混浊光信号并输出至第一探测 器；
[0010] 所述第二探测器，用于接收所述第四输出端子输出的第一路混浊光信号，并将接 收到的第一路混浊光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块；
[0011] 所述第一探测器，用于接收所述第二输出端子输出的第二路混浊光信号，并将接 收到的第二路混浊光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块；
[0012] 所述信号处理模块，用于在预定时间周期内同时对两路电信号进行高频采样，W 形成两组具有相同时间间隔的采样序列，每一时间周期长度大于光纤环旋转引起的时间 差;将每一时间周期的两组采样序列进行相关运算，W得到相关函数的最大值和最大值对 应的时间差，并根据最大值对应的时间差解算得到角速率传感器的旋转角速率；
[0013] 角速率输出模块，用于输出所述角速率传感器的旋转角速率。
[0014] 进一步的，所述信号处理模块包括：
[0015] 高频采样子模块，用于在预定时间周期内同时、同频率的对两个探测器发送过来 的电信号进行高频采样，W形成两组具有相同时间间隔的采样序列；
[0016] 相关运算子模块，用于将所述两组采样序列进行相关运算，W得到相关函数的最 大值和最大值对应的时间差；
[0017] 角速率解算子模块，用于根据最大值对应的时间差解算得到旋转角速率。
[0018] 进一步的，所述相关运算子模块通过相关函数R(T) = [x(t)*(A*x(t+At))]计算 得到相关函数R(T)的最大值和最大值对应的时间差;x(t)代表第一组采样序列，At为两组 采用序列相间隔的时间差，x(t+At)为第二组采样序列，当x(t)为混浊信号，且T= At时， 相关函数才能取到最大值，从而通过相关运算得到混浊信号分成逆时针和顺时针传输再汇 合时的时间差。
[0019] 进一步的，所述禪合器为1X2禪合器或为2X2禪合器。
[0020] 本发明的基于混浊信号的角速率传感器，混浊光源输出的混浊光信号经过1X2禪 合器分为两束光波，两束光波各自经过环形器后分别沿光纤环W顺时针和逆时针方向传 输，经过光纤环后经环形器至探测器进行光电转换，转换后的电信号送至相关器进行相关 运算，得到相关函数的最大值和最大值的时延T，根据时延T计算光纤环的旋转角速率，下面 推导时延T和光纤环旋转角速率的关系。本发明的基于混浊信号的角速率传感器，它的结构 简单，无需增加调制器即可实现角速率传感器输出旋转角速率，由于该角速率传感器采用 的是混浊光信号，因此它的抗干扰能力强。
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W 根据运些附图获得其他的附图。
[0022] 图1是混浊信号的时序图
[0023] 图2是混浊信号的自相关函数图。
[0024] 图3是本发明基于混浊信号的角速率传感器一实施例的光路结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 本发明首先分析了混浊信号的特点，然后介绍了相关运算，其次介绍基于混浊信 号的角速率传感器的工作原理，并推导了巧螺仪输出量和旋转角速率的关系式。
[0027] -、混浊信号的特点：
[0028] 混浊信号由于具有不可预测性、类噪声、宽频谱、S型自相关函数等特点，引起了学 术界的广泛研究。混浊测距、混浊激光雷达、混浊光时域反射仪(CCOTDR)等都是利用混浊信 号的运些特点进行工作的。图1是混浊信号的时序图，图2是混浊信号的自相关函数。
[0029] 对于一个时间函数(或时间序列巧(t)和Y(t)，相关函数R(T)定义如下：
[0030] R(T)=<X(t)*Y(t+T)>............................(1)
[0031] 若X(t)=Y(t)，则得到时间函数的自相关函数:< ?〉表示取平均。
[0032] R(T)=<X(t)*X(t+x)>.............................(2)
[003引对于白噪声或混浊信号，其自相关函数呈S型，即：
[0034] ...................................(3)
[0035] 当时延T为加寸，即没有时延时，相关函数为最大值。
[0036] 二、基于混浊信号的角速率传感器
[0037] 请参见图3,图3是本发明基于混浊信号的角速率传感器一实施例的光路结构图。 本实施例的基于混浊信号的角速率传感器包括混浊光源发射模块10、禪合器11、第一环形 器12、第二环形器13、光纤环17、第一探测器14、第二探测器15W及信号处理模块16。其中：
[0038] 所述混浊光源发射模块10用于发出混浊光信号；
[0039] 所述禪合器11为1X2禪合器11，具有一个接收端和两个输出端。接收端用于接收混 浊光源发射模块10发出的混浊光信号，两个输出端用于接收到的混浊光信号一分为二的输 出两路混浊光信号。可理解的，在其他的实施例中，禪合器11还可为其它类型的禪合器11， 例如2X2禪合器或其他具有分束功能的光学器件等，若为2X2禪合器，则闲置一个接收端即 可。
[0040] 所述第一环形器12,其具有第一接收端子、第一输出端子及第二输出端子;所述第 一接收端子用于接收禪合器分支出的第一路混浊光信号;所述第一输出端子与所述光纤环 17的第一端连接，用于将接收到的第一路混浊光信号从光纤环17的第一端输送至光纤环 17;
[0041] 所述第二环形器13,其具有第二接收端子、第=输出端子及第四输出端子;所述第 二接收端子用于接收禪合器分支出的第二路混浊光信号;所述第=输出端子与所述光纤环 17的第二端连接，用于将接收到的第二路混浊光信号从光纤环17的第二端输送至光纤环 17;所述第四输出端子用于接收从光纤环17的第二端输出的第一路混浊光信号并输出至第 二探测器15;所述第二输出端子用于接收从光纤环17的第一端输出的第二路混浊光信号并 输出至第一探测器14;
[0042] 所述第二探测器15,用于接收第四输出端子输出的第一路混浊光信号，并将接收 到的第一路混浊光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块16;
[0043] 所述第一探测器14,用于接收所述第二输出端子输出的第二路混浊光信号，并将 接收到的第二路混浊光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块16;
[0044] 所述信号处理模块16,用于在预定时间周期内同时对两路电信号进行高频采样， W形成两组具有相同时间间隔的采样序列，每一时间周期长度大于光纤环17旋转引起的时 间差，即光纤环17旋转引起的第一路信号和第二路信号之间的时间差;将每一时间周期的 两组采样序列进行相关运算，W得到相关函数的最大值和最大值对应的时间差，并根据最 大值对应的时间差解算得到角速率传感器的旋转角速率。其中：
[0045] 所述信号处理模块16包括高频采样子模块、相关运算子模块W及角速率解算子模 块。
[0046] 所述高频采样子模块，用于在预定时间周期内同时、同频率的对两个探测器发送 过来的电信号进行高频采样，W形成具有相同间间隔的两组相同幅度的采样序列。
[0047] 所述相关运算子模块，用于将所述两组采样序列进行相关运算，W得到相关函数 的最大值和最大值对应的时间差；具体的，所述相关运算子模块通过相关函数R(T) = [X (t)*(A*x(t+ A t))]计算得到相关函数R(T)的最大值和最大值对应的时间差;X (t)代表第 一组采样序列，At为光纤环旋转引起的两束混浊光信号的时间差，A*x(t+At)为第二组采 样序列，
[0048] 禪合器分束只是将混浊信号的功率进行分配，不改变混浊信号随时间变化的类噪 声等特性，因此分束后两路信号一路可表示为x(t)，另一路可表示为A*x(t)，A为与禪合器 分光比有关的系数，当禪合器分光比为50:50时，A= 1。两路信号延光纤环相反方向传输，经 过光纤环后分别到达两个探测器，由于光纤环旋转，则会引入时间差At,即高频采样后的 时间序列一路可表示为x(t)，另一路可表示为A*x(t+A t)，由于两路信号均为来源于同一 个混浊源的混浊信号，只是存在时间差而已，根据混浊信号相关运算的特点，只有当T= A t 时，相关函数才能取到最大值，从而通过将两路信号进行相关运算可得到最大值及最大值 对应的时间差At。
[0049] 角速率解算子模块根据所确定的时间差解算光纤环旋转角速率。
[0050] 本实施例中，根据时间差A t计算光纤环17的旋转角速率，时间差A t与旋转角速 率呈正比的，下面推导时延A t和光纤环17旋转角速率的关系。
[0051] 假设光纤环半径为r，应数为N，光速为C，光纤折射率为n，顺时针标记为CW，逆时针 标记为CCW，则有：
[0052] 顺时针光波经光纤环传输时间为：
[0054] 逆时针光波经光纤环传输时间为：
[0化3] .................................. a)
[0化5]
[0化5]
[0057] .........." <3> ...................,(2)[0056] 两束化掘传输的时间差邮为汇合巧关运算的时延A t，为：
[0化引
[0化9]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 通过W上公式推导，可W得知时间差与光纤环旋转角速率的关系，因此相关运算 函数得到时延后即可计算光纤环的旋转角速率。
[0064] 所述角速率解算子模块，用于根据相关函数最大值对应的时间差解算得到旋转角 速率。
[0065] 本发明实施方式，混浊光源输出的混浊光信号经过1X2禪合器分为两束光波，两 束光波各自经过环形器后分别沿光纤环W顺时针和逆时针方向传输，经过光纤环后经环形 器至探测器进行光电转换，转换后的电信号送至相关器进行相关运算，得到相关函数的最 大值和最大值的时延T，根据时延T计算光纤环的旋转角速率，下面推导时延T和光纤环旋转 角速率的关系。本发明的基于混浊信号的角速率传感器，它的结构简单，无需增加调制器即 可实现角速率传感器输出旋转角速率，由于该角速率传感器采用的是混浊光信号，因此它 的抗干扰能力强。
[0066] W上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明 说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术 领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于混沌信号的角速率传感器，包括:混沌光源发射模块、耦合器、第一环形器、 第二环形器、光纤环、第一探测器、第二探测器以及信号处理模块； 所述混沌光源发射模块用于发出混沌光信号； 所述耦合器，用于接收混沌光源发射模块发出的混沌光信号，并将接收到的混沌光信 号分支出两路混纯光信号； 所述第一环形器，其具有第一接收端子、第一输出端子及第二输出端子;所述第一接收 端子用于接收耦合器分支出的第一路混沌光信号;所述第一输出端子与所述光纤环的第一 端连接，用于将接收到的第一路混沌光信号从光纤环的第一端输送至光纤环； 所述第二环形器，其具有第二接收端子、第三输出端子及第四输出端子;所述第二接收 端子用于接收耦合器分支出的第二路混沌光信号;所述第三输出端子与所述光纤环的第二 端连接，用于将接收到的第二路混沌光信号从光纤环的第二端输送至光纤环;所述第四输 出端子用于接收从光纤环的第二端输出的第一路混沌光信号并输出至第二探测器;所述第 二输出端子用于接收从光纤环的第一端输出的第二路混沌光信号并输出至第一探测器； 所述第二探测器，用于接收所述第四输出端子输出的第一路混沌光信号，并将接收到 的第一路混沌光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块； 所述第一探测器，用于接收所述第二输出端子输出的第二路混沌光信号，并将接收到 的第二路混沌光信号转换为电信号输出至所述信号处理模块； 所述信号处理模块，用于在预定时间周期内同时对两路电信号进行高频采样，以形成 两组具有相同时间间隔的采样序列，每一时间周期大于光纤环旋转引起的时间差;将每一 时间周期的两组采样序列进行相关运算，以得到相关函数的最大值和最大值对应的时间 差，并根据最大值对应的时间差解算得到角速率传感器的旋转角速率； 角速率输出模块，用于输出所述角速率传感器的旋转角速率。2. 如权利要求1所述的基于混沌信号的角速率传感器，其特征在于，所述信号处理模块 包括： 高频采样子模块，用于在预定时间周期内同时、同频率的对两个探测器发送过来的电 信号进行高频采样，以形成两组具有相同时间间隔的采样序列； 相关运算子模块，用于将所述两组采样序列进行相关运算，以得到相关函数的最大值 和最大值对应的时间差； 角速率解算子模块，用于根据最大值对应的时间差解算得到旋转角速率。3. 如权利要求2所述的基于混沌信号的角速率传感器，其特征在于:所述相关运算子模 块通过相关函数1?(_0 = |^(1:)*(4*1(丨+么1:))]计算得到相关函数1?(1：)的最大值和最大值对 应的时间差;x(t)代表第一组采样序列，At为两组采样序列由于光纤环旋转引起的时间 差，A*x(t+Δ t)为第二组采样序列，当x(t)为混沌信号，且τ= Δ t时，相关函数才能取到最大 值，从而通过相关运算得到混沌信号分成逆时针和顺时针传输再汇合时的时间差。4. 如权利要求1至3中任一项权利要求所述的基于混沌信号的角速率传感器，其特征在 于:所述耦合器为1X2耦合器或为2X2耦合器。
【文档编号】G01C19/72GK105953784SQ201610279242
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】李光辉
【申请人】重庆华渝电气集团有限公司