专利名称：扩展开环光纤陀螺动态范围的方法
技术领域：
本发明涉及光纤陀螺传感器中的信号处理方法，尤其是涉及一种扩展开环光纤陀螺动态范围的方法。
背景技术：
光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速度的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。
光纤陀螺的本征响应函数为余弦函数，但为了改善光纤陀螺输出信号的线性度和灵敏度，一般对光纤陀螺进行方波调制，使其工作在最灵敏的±π/2的相位偏置上，此时光纤陀螺的输出可表示为。
其中I0为系统平均输出信号，I为系统实际的输出信号，φSag为转动产生的赛格奈克相移，±π/2为动态相位偏置。通过对光纤陀螺输出信号的解调可得到赛格奈克相移的大小，而赛格奈克相移和角速度的关系可以表示如下 其中L为光纤陀螺光纤环光纤长度，D为光纤环直径，λ光纤陀螺所用光源波长，c为真空中光速，Ω为系统角速度。
光纤陀螺的动态范围指光纤陀螺能够测量的角速度的范围，由于光纤陀螺本征响应函数为余弦函数，其单调区间范围为π，该单调区间对应的角速度范围即为光纤陀螺的动态范围。动态相位偏置下动态范围为对应于[-π/2，π/2)相位的角速度范围，根据(2)可计算动态范围范围为 动态范围和所用光纤环光纤长度L和直径D的积成反比，对于光纤环长度为1千米，直径为0.1米，光源波长为0.85微米的典型高精度光纤陀螺，动态范围为[-36°/秒，36°/秒]，对于光纤环长度为100米，直径为0.06米，光源波长为0.85微米的中低精度光纤陀螺，动态范围为[-600°/秒，600°/秒]。若需要更大的动态范围，则需要减小光纤长度或者光纤环直径，但过小的光纤环直径会造成系统弯曲损耗增大和信噪比降低，削弱光纤陀螺输出角速度信号的精度；而更短的光纤长度要求更快速的调制解调速度，要求后续处理电路解算能力更强大，增大电路硬件系统的复杂度和难度，引入更多电磁耦合，造成了潜在死区的增大。
可见减小光纤环长度和直径的方法扩大动态范围并不实用，实际上光纤环长度小于100米，直径小于0.06米的光纤陀螺由于技术难度过大而无法实用化，而在某些高机动性运动载体中，测量1000°/秒量级的角速度又是一个现实需求，从而要求能够有一种新的技术方法，能够不增加现有硬件设计难度及降低系统性能，即能扩展光纤陀螺的动态范围，实现对类似数千°/秒量级大角速度的准确此测量，以满足高机动性运动载体的应用需求。
发明内容
针对目前光纤陀螺研究中，高机动性运动载体需要准确测量高达数千°/秒量级的角速度，而又无实用简单实现方法的现状，本发明的目的在于提供扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，在不增加硬件设计难度及降低精度的基础上，实现对大角速度准确测量，以满足高机动性运动载体的应用需求。
发明原理 对光纤陀螺进行多个不同幅度的相位调制，其中包括原有±π/2动态相位偏置，并对在这些相位调制下陀螺的输出信号进行采样，通过合适的数据处理和组合方法，扩展系统的单调区间范围，消除单调区间受限于[-π/2～π/2)而动态范围受限的问题。
改变光纤陀螺系统的相位偏置信号，使一个调制解调周期内含有5个调制步，各个调制步的相位调制幅度顺次为-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，分别标记为A、B、C、D、E调制步，各调制步的持续时间为光纤陀螺的渡越时间τ，也即相位调制信号mod(t)随时间t变化的表达式如下 其中n为正整数，表示调制解调周期的序号，τ为光纤陀螺的渡越时间。在调制相位信号mod(t)的调制下光纤陀螺的输出信号表示为 I(t)＝I0{1+cos[mod(t)+φsag]}(4) 其中I0为光纤陀螺系统输出信号的平均值，φsag为光纤陀螺所在系统角速度所产生的赛格奈克相移。按照五个调制步为一个调制解调周期，通过光纤陀螺的采样电路采集在五个调制步中的信号分别为IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、IE(n)。令O1(n)、O2(n)、O3(n)分别为三组调制步组合输出信号的差函数为 O2(n)＝IB(n)-ID(n)＝I0[cos(π/2+φsag)-cos(-π/2+φsag)]＝-2I0 sin(φsag)(5) 可知O1(n)、O2(n)、O3(n)三个函数各自的单调区间分别为左区间[-23π/16～-7π/16)，中区间[-π/2～π/2)，右区间[7π/16～23π/16)，其中O1(n)、O2(n)有共同区间[-π/2～-7π/16)，O2(n)、O3(n)有共同区间[7π/16～π/2)。也就是根据这三式可以分别解算得到对应于[-23π/16～-7π/16)、[-π/2～π/2)、[7π/16～23π/16)的赛格奈克相位区间的角速度，三者各自的解算的结果φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)分别如下 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2)(6) φsag3(n)∈[7π/16，23 π/16) 根据上个解调周期的解调结果φsag(n-1)，确定φsag(n)的解算区间是左区间[-23π/16～-7π/16)或者中区间[-π/2～π/2)或者是右区间[7π/16～23π/16)，然后选择相应的解算结果，则可扩展实际可以测量的角速度。而根据(5)和(6)式还可知，相邻区间如左区间和中区间、中区间和右区间间分别拥有共同区间，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同区间两个解算式子的解算结果相同，共同区间起到史密斯触发器的作用，用于避免角速度产生的赛格奈克相移处于在区间分界处频繁切换解算区间，使系统在大加速度下解算区间不需频繁变化，减小计算量和提高系统的可靠性。
具体解算区间的选择方法如下若φsag(n-1)不在共同区间中，则根据φsag(n-1)实际大小选择解算区间为左区间、中区间或右区间；若共同区间中，则φsag(n)的解算区间沿用φsag(n-1)的解算区间。也即选择过程为递归过程，递归初始值由系统开机初始化程序确定。对在静止状态启动的光纤陀螺，初始解算区间为中区间，这是绝大部分系统的启动情况。
确定φsag(n)的解算区间后按解算区间对应的φsag(n)的解算式子解算，将φsag(n)的单调区间扩展到[-23π/16～23π/16)，比原来的单调区间[-π/2～π/2)扩展了23/8倍，接近3倍，等效于将光纤陀螺可测量角速度的动态范围扩展了23/8倍。
本发明所采用的技术方案的步骤如下 在一个调制解调周期内，通过一个固定的相位调制信号对光纤陀螺进行相位调制，同时由光纤陀螺的采样电路采样获得该调制解调周期内不同调制步的陀螺输出信号大小；由上一个调制解调周期的解调结果递归选择正确的解算区间，根据选择解算区间的解算公式解算得到这个调制解调周期内光纤陀螺的赛格奈克相移，并得到系统的角速度，实现对开环光纤陀螺动态范围的扩展。
所述的相位调制信号由五个不同的调制步A、B、C、D、和E组成，这五个调制步的相位调制幅度顺次为-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，各调制步的持续时间为光纤陀螺的渡越时间τ，光纤陀螺在各个调制步下对应的输出信号分别记为IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，n为整数，表示调制解调周期的序号。
所述的不同调制步的光纤陀螺的输出信号IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，将光纤陀螺的解算区间分为三个解算区间，分别为左区间[-23π/16～-7π/16)、中区间[-π/2～π/2)及右区间[7π/16～23π/16)，其中相邻解算区间有共同区间，左区间和中区间有共同区间[-π/2～-7π/16)，中区间和右区间有共同区间[7π/16～π/2)；三个解算区间内各自解算结果记为φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算式子分别如下所示，其中I0为光纤陀螺系统输出信号的平均值 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 所述的共同区间有两个解算式子，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同区间两个解算式子的解算结果相同；共同区间起史密斯触发器的作用，可避免角速度产生的赛格奈克相移在结算区间分界处频繁切换解算区间，使系统在大角加速度下不需频繁切换解算区间，减小计算量和提高可靠性。
所述的解算区间的选择方法具体如下光纤陀螺解算结果φsag(n)解算区间的选择为递归过程，若上个调制解调周期的解调结果φsag(n-1)不在共同区间中，则根据φsag(n-1)实际大小选择解算区间及解算公式，当φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)选取φsag1(n)的解算式子，当φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)时选取φsag2(n)的解算式子，当φsag(n)∈[7π/16，23π/16)时选取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同区间中，则φsag(n)的解算区间沿用φsag(n-1)的解算区间；而解算区间的初始值由系统开机初始化程序确定；对于在静止状态启动的光纤陀螺，初始的解算区间为中区间。
所述的对开环光纤陀螺动态范围的扩展，不需改动系统硬件，在原有光纤陀螺基础上将其可测试的角速度动态范围扩展为原来的23/8倍。
本发明具有的有益效果是 首次提出一种扩展开环光纤陀螺动态方法，通过对光纤陀螺进行周期性的多调制步相位调制，通过递归方法选择不同的解算区间，将光纤陀螺动态范围扩展为原有的23/8倍，使光纤环程度100米，直径为0.06米，光源波长为0.85微米的光纤陀螺的动态范围从[+600°/秒，-600°/秒]扩展到[+1725°/秒，-1725°/秒]，从而满足高机动性运动载体需要准确测量高达数千°/秒量级的角速度的要求，并且该方法不需改动硬件，提高了光纤陀螺的性能，具有高的实用价值。
图1是开环光纤陀螺的调制信号和对应的输出信号。
图2是扩展动态范围的光纤陀螺信号处理的流程图。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 图1是开环光纤陀螺的调制信号和对应的输出信号，图中曲线1为光纤陀螺受到的周期相位调制信号，图2是光纤陀螺静止状态时在调制信号1下的输出信号。调制信号1为周期信号，一个周期内5个调制步，即图中的调制步A、B、C、D和E，各个调制步的持续时间为一倍光纤陀螺的渡越时间τ，从而实际一个调制解调周期为五倍光纤陀螺的渡越时间即5τ。五个调制步的相位调制幅度各不相同，按照A、B、C、D、E的顺序分别为-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8。
光纤陀螺输出信号2是对应于调制信号1的开环光纤陀螺的输出，对于五个不同的调制步A、B、C、D和E，其对应的输出信号分别为IA、IB、IC、ID和IE，实际的光纤陀螺五个不同调制步的输出信号通过陀螺的数字模拟采样电路采样得到，对应于不同的调制解调周期可以把输出信号分别记为IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)和IE(n)，其中n为正整数，表示调制解调周期的序号。
图2是扩展动态范围的光纤陀螺信号处理的流程图，其中3是光纤陀螺的采样电路，其通过对光纤陀螺输出的信号进行数字模拟信号转换为数字信号IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)和IE(n)，并输出到扩展动态范围解算模块13中，并在扩展动态范围解算模块13中实现光纤陀螺扩展动态范围的解调后，将角速度信息输出到通信模块8提供给应用系统使用。扩展动态范围解算模块13在接受到来自采样电路3的开环陀螺信号后送入到三个并行解算子模块4、5、6，在解算子模块4、5、6中实现不同单调区间的赛格奈克相位的解算，解算子模块4、5、6根据来自采样电路3的信号按下式各自独立解算得到赛格奈克相移 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 解算子模块4、5、6在各自独立解算后将解算结果输入到乘法器9、10和11中，乘法器9、10和11的另外个输入信号来源于模块解算区间选择器7的解算区间选择信号S1，S2，S3，解算区间选择信号S1，S2，S3由解算区间选择器7产生，其中只有一个为1；乘法器9、10和11的输出信号输入到加法器12中；由于S1，S2，S3中只有一个为1，从而加法器的输出为对应与解算区间选择信号S1，S2，S3中为1的乘法器的输出，也即输出φsag(n)为φsag(n)＝S1*φsag1(n)+S2*φsag2(n)+S3*φsag3(n)。加法器12的输出φsag(n)即正比于系统转动角速度的赛格奈克相移，将这个相移送出到通信模块8提供给应用系统。加法器同时还将本调制解调周期的输出相移输出到解算区间选择器7，由其按照下面的原则产生解算区间选择信号S1、S2、S3若上个解调周期的解调输出φsag(n-1)范围在[-23π/16～-π/2)，则解算区间选择信号S1，S2，S3为1，0，0，输出来自解算单元4的输出φsag1(n)；若上个解调周期的解调输出φsag(n-1)范围在[-π/2～π/2)则解算区间选择信号S1，S2，S3为1，0，0，输出来自解算单元5的输出φsag2(n)；若上个解调周期的解调输出φsag(n-1)，[π/2～23π/16)则解算区间选择信号S1，S2，S3为0，0，1，输出来自解算单元6的输出φsag3(n)；若上个解调周期解调输出φsag(n-1)在共同区间内，则沿用上一个调制解调周期的解算式子。通过这样的方法将光纤陀螺的动态范围从原来的[-π/2～π/2)扩展到[-23π/16～23π/16)。
根据所述的不同调制步的光纤陀螺的输出信号IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，将光纤陀螺的解算区间分为三个解算区间，分别为左区间[-23π/16～-7π/16)、中区间[-π/2～π/2)及右区间[7π/16～23π/16)，其中相邻解算区间有共同区间，左区间和中区间有共同区间[-π/2～-7π/16)，中区间和右区间有共同区间[7π/16～π/2)；三个解算区间内各自解算结果记为φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算的分别公式如下所示，其中I0为光纤陀螺系统输出信号的平均值 φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16) φsag2(n)∈[-π/2，-π/2) φsag3(n)∈[7π/16，23π/16) 共同区间有两个解算式子，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同区间两个解算式子的解算结果相同；共同区间起史密斯触发器的作用，可避免角速度产生的赛格奈克相移在结算区间分界处频繁切换解算区间，使系统在大角加速度下不需频繁切换解算区间，减小计算量和提高可靠性。
解算区间的选择方法具体如下光纤陀螺解算结果φsag(n)解算区间的选择为递归过程，若上个调制解调周期的解调结果φsag(n-1)不在共同区间中，则根据φsag(n-1)实际大小选择解算区间及解算公式，当φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)选取φsag1(n)的解算式子，当φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)时选取φsag2(n)的解算式子，当φsag(n)∈[7π/16，23π/16)时选取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同区间中，则φsag(n)的解算区间沿用φsag(n-1)的解算区间；而解算区间的初始值由系统开机初始化程序确定；对于在静止状态启动的光纤陀螺，初始的解算区间为中区间。
所述扩展光纤陀螺角速度测量的动态范围的方法不需改动系统硬件，在原有硬件基础上将光纤陀螺可测试的角速度动态范围扩展为原来的23/8倍。
权利要求
1.扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于在一个调制解调周期内，通过一个固定的相位调制信号对光纤陀螺进行相位调制，同时由光纤陀螺的采样电路采样获得该调制解调周期内不同调制步的陀螺输出信号大小；由上一个调制解调周期的解调结果递归选择正确的解算区间，根据选择解算区间的解算公式解算得到这个调制解调周期内光纤陀螺的赛格奈克相移，并得到系统的角速度，实现对开环光纤陀螺动态范围的扩展。
2.根据权利要求1所述的扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于所述的相位调制信号由五个不同的调制步A、B、C、D、和E组成，这五个调制步的相位调制幅度顺次为-7π/8，-π/2，0，+π/2，+7π/8，各调制步的持续时间为光纤陀螺的渡越时间τ，光纤陀螺在各个调制步下对应的输出信号分别记为IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，n为整数，表示调制解调周期的序号。
3.根据权利要求2所述的扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于所述的不同调制步的光纤陀螺的输出信号IA(n)、IB(n)、IC(n)、ID(n)、和IE(n)，将光纤陀螺的解算区间分为三个解算区间，分别为左区间[-23π/16～-7π/16)、中区间[-π/2～π/2)及右区间[7π/16～23π/16)，其中相邻解算区间有共同区间，左区间和中区间有共同区间[-π/2～-7π/16)，中区间和右区间有共同区间[7π/16～π/2)；三个解算区间内各自解算结果记为φsag1(n)、φsag2(n)、φsag3(n)，解算式子分别如下所示，其中I0为光纤陀螺系统输出信号的平均值
φsag1(n)∈[-23π/16，-7π/16)
φsag2(n)∈[-π/2，-π/2)
φsag3(n)∈[7π/16，23π/16)
4.根据权利要求3所述的扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于所述的共同区间有两个解算式子，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag1(n)和φsag2(n)，共同区间[-π/2～-7π/16)有解算式子φsag2(n)和φsag3(n)，共同区间两个解算式子的解算结果相同；共同区间起史密斯触发器的作用，可避免角速度产生的赛格奈克相移在结算区间分界处频繁切换解算区间，使系统在大角加速度下不需频繁切换解算区间，减小计算量和提高可靠性。
5.根据权利要求1所述的扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于所述的解算区间的选择方法具体如下光纤陀螺解算结果φsag(n)解算区间的选择为递归过程，若上个调制解调周期的解调结果φsag(n-1)不在共同区间中，则根据φsag(n-1)实际大小选择解算区间及解算公式，当φsag(n-1)∈[-23π/16，-7π/16)选取φsag1(n)的解算式子，当φsag(n-1)∈[-π/2，-π/2)时选取φsag2(n)的解算式子，当φsag(n)∈[7π/16，23π/16)时选取φsag3(n)的解算式子；若φsag(n-1)在共同区间中，则φsag(n)的解算区间沿用φsag(n-1)的解算区间；而解算区间的初始值由系统开机初始化程序确定；对于在静止状态启动的光纤陀螺，初始的解算区间为中区间。
6.根据权利要求1所述的扩展开环光纤陀螺动态范围的方法，其特征在于所述的对开环光纤陀螺动态范围的扩展，不需改动系统硬件，在原有光纤陀螺基础上将其可测试的角速度动态范围扩展为原来的23/8倍。
全文摘要
本发明公开了一种扩展开环光纤陀螺动态范围的方法。通过对开环光纤陀螺进行周期性的相位调制，相位调制信号包含调制幅度各异、持续时间为开环光纤陀螺渡越时间的五个调制步；由采样电路获得这五个调制步对应的系统信号输出，选取正确的解算区间的解算算法进行解算，得到系统经动态范围扩展后的赛格奈克相位；解算区间的选取根据上一调制周期解调得的赛格奈克相位，利用递归的方法进行，并在相邻的解算区间中引入了共同区间，在扩展光纤陀螺动态范围的同时提高光纤陀螺的可靠性；该方法不需改动硬件，即将开环光纤陀螺的动态范围扩展为原有的23/8倍，能够测试高于1000°/秒的角速度，提高了其测试的范围，具有很高的实用价值。
文档编号G01C19/72GK101187559SQ20071016036
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者陈杏藩, 承 刘, 舒晓武, 牟旭东, 胡慧珠 申请人:浙江大学