专利名称:三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法
技术领域：
本发明涉及一种三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法。
背景技术：
光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低的优势。在航空、航天、航海等军用领域及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。目前的典型结构形式为以三个独立的单轴光纤陀螺子系统来实现对三个正交的空间坐标系的旋转轴角速度或位置进行测量，每个光纤陀螺子系统都包括一个光源、一个光电探测器和一个处理电路。随着应用领域需要的发展，目前对光纤陀螺体积和重量的提出了更高的要求。同时在很多应用领域都涉及三维测量，因此，轻小型三轴陀螺的研究引起了国际上广泛的关注。
公开号CN 1657876A中详细说明了一种三轴一体光纤陀螺，其中，光路电路如图4所示，图中陀螺每一轴的采用独立的电路控制，势必增大了陀螺的体积。
发明内容
本发明的目的是提出一种三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，该分时调制方法解决了现有三轴光纤陀螺需要三路电路进行信号的处理方式，改为采用三轴光纤陀螺共用一路电路进行分时调制处理；对三轴光纤陀螺的控制通过在检测电路的输出端连接一开关实现三路信息的选择控制。该方案通过分时的方式实现对三轴数字闭环光纤陀螺调制。
在本发明中，三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方案采用一个光源、一个探测器、一个耦合器、三个相位调制器、三个光纤环、一个选通开关，以及同时共用一套信号处理电路。具体实现方法是在X轴时间Tx内，选通X轴进行调制，Y轴、Z轴不调制；在Y轴时间Ty内，选通Y轴进行调制，X轴、Z轴不调制；在Z轴时间Tz内，选通Z轴进行调制，X轴、Y轴不调制。
本发明三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法的优点在于(1)、采用一个选通开关(TPS2043)对三个轴进行选通的分时调制方案，使得在选定时刻150～200μs只有一个被选通调制的轴(X轴、或Y轴、或Z轴)处于工作状态，避免了这三轴之间的串扰。解决了现有三轴光纤陀螺需要三路电路进行信号的处理方式，改为只需要一套电路。(2)、对每个轴的调制不需要准确到三分之一个周期，因此不需要要求光纤环的长度完全相同，降低了光纤环绕制难度。(3)、通过采用一路电路进行信号控制，有效地减小了三轴光纤陀螺体积满足小型化的要求，在不同程度上降低系统成本。三轴数字闭环光纤陀螺对于减小系统质量、降低功耗、利于散热、以及提高重复性等方面都有一定好处。
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的信号选通控制流程图。
图3是本发明分时调制的时序图。
图4是现有三轴一体光纤陀螺的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
在公开号CN 1657876A中，公开的三轴一体光纤陀螺，本发明与之不同之处在于采用一个光源、一个探测器、耦合器、一个选通开关以及处理器中增加的调制时序控制单元对三轴数字闭环光纤陀螺进行分时调制，实现了三轴共用一套信号处理电路，有效地改善了三轴一体光纤陀螺的体积、重量，使得光纤陀螺向小型化发展。
请参见图1所示，本发明的三轴数字闭环光纤陀螺包括有光源、探测器、耦合器、信号处理电路、选通开关、X轴相位调制器、X轴光纤环、Y轴相位调制器、Y轴光纤环、Z轴相位调制器、Z轴光纤环；耦合器分别与光源、探测器、X轴相位调制器的入纤、Y轴相位调制器的入纤和Z轴相位调制器的入纤连接，X轴相位调制器的尾纤、Y轴相位调制器的尾纤和Z轴相位调制器的尾纤分别与选通开关的上的三个端子连接。
在本发明中，信号处理电路至少包括处理器(FPGA)、信号转换电路(前放电路+A/D转换器+D/A转换器)、调制器驱动电路(驱动电路)，在选通开关闭合某一轴(X轴、Y轴、Z轴)后，探测器输出光强电压信号给前放电路，所述光强电压信号经前放电路、A/D转换器后输出给处理器，处理器对接收的光强电压信号进行X轴、Y轴、Z轴信号处理判断后，输出相位补偿电压信号经D/A转换器、驱动电路后作用在各自轴的相位调制器上，从而实现一套信号处理电路对三轴进行控制。
本发明是一种三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，该方法通过在选取的处理器中采用Verilog编程语言设置了调制时序控制单元，通过调制时序控制单元与选通开关(TPS2043)的配合，实现了只用一个信号处理电路分时控制三个相位调制器及三个光纤环；所述分时调制是以三轴数字闭环光纤陀螺相对于地球静止时的状态作参考，三轴的时序控制分别为
X轴的调制时间为Tx，且Tx＝nx×Δτgx＝150～200μs，式中，nx为X轴的调制次数，Δτgx为X轴光纤环的渡越时间；
Y轴的调制时间为Ty，且Ty＝ny×Δτgy＝150～200μs，式中，ny为Y轴的调制次数，Δτgy为Y轴光纤环的渡越时间；
Z轴的调制时间为Tz，且Tz＝nz×Δτgz＝150～200μs，式中，nz为Z轴的调制次数，Δτgz为Z轴光纤环的渡越时间；
三个轴共同闭环一次所需要的总时间为T，且
T＝Tx+Ty+Tz＝nx×Δτgx+ny×Δτgy+nz×Δτgz。
参见图2所示，系统通电后进行初始化。选通X路进行调制，此时Y轴、Z轴关断。对X轴调制次数进行累加计数，从而判断是否达到X轴调制时间Tx。如果未达到X轴调制时间Tx继续对X轴进行调制。如果达到X轴调制时间Tx，选通Y路进行调制，此时X轴、Z轴关断。对Y轴调制次数进行累加计数，从而判断是否达到Y轴调制时间Ty。如果未达到Y轴调制时间Ty继续对Y轴进行调制。如果达到Y轴调制时间Ty，选通Z路进行调制，此时X轴、Y轴关断。对Z轴调制次数进行累加计数，从而判断是否达到Z轴调制时间Tz。如果未达到Y轴调制时间Tz继续对Y轴进行调制。如果达到Y轴调制时间Tz，一个完整调制周期结束，开始下一个调制周期。
参见图3所示，在X轴调制时间Tx内，选通X轴进行调制，Y轴、Z轴不调制；在X轴的相位调制器上同时施加方波211和阶梯波212，方波半周期为渡越时间Δτgx，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsx与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRx大小相等、符号相反，即φsx＝-ΔφRx，复位高度为2π；在探测器上检测到的X轴电信号213，所述X轴电信号213经解调信号214解调后得到解调输出信号215。
在Y轴调制时间Ty内，选通Y轴进行调制，X轴、Z轴不调制；在Y轴的相位调制器上同时施加方波221和阶梯波222，方波半周期为渡越时间Δτgy，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsy与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRy大小相等、符号相反，即φsy＝-ΔφRy，复位高度为2π；在探测器上检测到的Y轴电信号223，所述Y轴电信号223经解调信号224解调后得到解调输出信号225。
在Z轴调制时间Tz内，选通Z轴进行调制，X轴、Y轴不调制；在Z轴的相位调制器上同时施加方波231和阶梯波232；方波半周期为渡越时间Δτgz，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsz与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRz大小相等、符号相反，即φsz＝-ΔφRz，复位高度为2π；在探测器上检测到的Z轴电信号233，所述Z轴电信号233经解调信号234解调后得到解调输出信号235。
本发明中，探测器(PIN)和相位调制器分别完成光电、电光的信号转换。光源发出的光经耦合器完成1∶1∶1的功率分配，即到达各轴的光功率是光源功率的三分之一。可以看出，光源通过耦合器后，耦合器将光功率三等分，使X轴光纤组件(包括X轴相位调制器和X轴光纤环)、Y轴光纤组件(包括Y轴相位调制器和Y轴光纤环)和Z轴光纤组件(包括Z轴相位调制器和Z轴光纤环)中均有相同的光源。
基于分时调制的信号处理电路包括探测器(PIN)、前放电路、A/D转换器、处理器(FPGA芯片)、D/A转换器、驱动电路、选通开关。
闭环控制在相向传播的两束光波之间人为引入一个与Sagnac相移大小相等、方向相反的相位差，用以抵消Sagnac相移，使系统始终工作在零相位状态，从而扩大了系统的动态范围。由于角速率导致光纤环中相向传输的两束光相位发生偏置，该偏置经调制器后输出的干涉光强信号相应变化，该干涉光光强信号被探测器转换为电压信号，电压信号经前放电路放大处理后输出给A/D转换器转换成数字信号给FPGA，FPGA对接收的数字信号进行处理后物出反相电压信号给D/A转换器，经D/A转换器转换的模拟信号输出给调制驱动电路，调制驱动电路经选通开关按时序选通后输出电压信号控制相应调制器进行相位调制，使得干涉光强保持恒定。
探测器(PIN)检测到的经调制过的信号经过前放电路放大后，经A/D转换器转换输出的数字信号，送至信号处理模块(FPGA)，由FPGA完成信号的解调、滤波、积分等工作后输出两路信号，其中一路为信号输出；另一路经D/A转换器转换后输出电压信号由选通开关按照时序控制三轴的调制器进行相位调制保持干涉光强恒定。这样就实现了控制部分的全数字式闭环控制。
权利要求
1.一种三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于该方法通过在选取的处理器中采用Verilog编程语言设置了调制时序控制单元，通过调制时序控制单元与选通开关的配合，实现了只用一个信号处理电路分时控制三个相位调制器及三个光纤环；所述分时调制是以三轴数字闭环光纤陀螺相对于地球静止时的状态作参考，三轴的时序控制分别为
X轴的调制时间为Tx，且Tx＝nx×Δτgx＝150～200μs，式中，nx为X轴的调制次数，Δτgx为X轴光纤环的渡越时间；
Y轴的调制时间为Ty，且Ty＝ny×Δτgy＝150～200μs，式中，ny为Y轴的调制次数，Δτgy为Y轴光纤环的渡越时间；
Z轴的调制时间为Tz，且Tz＝nz×Δτgz＝150～200μs，式中，nz为Z轴的调制次数，Δτgz为Z轴光纤环的渡越时间；
三个轴共同闭环一次所需要的总时间为T，且T＝Tx+Ty+Tz＝nx×Δτgx+ny×Δτgy+nz×Δτgz。
2.根据权利要求
1所述的三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于在X轴调制时间Tx内，选通X轴进行调制，Y轴、Z轴不调制；在X轴的相位调制器上同时施加方波(211)和阶梯波(212)，方波半周期为渡越时间Δτgx，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsx与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRx大小相等、符号相反，即φsx＝-ΔφRx，复位高度为2π；在探测器上检测到的X轴电信号(213)，所述X轴电信号(213)经解调信号(214)解调后得到解调输出信号(215)。
3.根据权利要求
1所述的三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于在Y轴调制时间Ty内，选通Y轴进行调制，X轴、Z轴不调制；在Y轴的相位调制器上同时施加方波(221)和阶梯波(222)，方波半周期为渡越时间Δτgy，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsy与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRy大小相等、符号相反，即φsy＝-ΔφRy，复位高度为2π；在探测器上检测到的Y轴电信号(223)，所述Y轴电信号(223)经解调信号(224)解调后得到解调输出信号(225)。
4.根据权利要求
1所述的三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于在Z轴调制时间Tz内，选通Z轴进行调制，X轴、Y轴不调制；在Z轴的相位调制器上同时施加方波(231)和阶梯波(232)；方波半周期为渡越时间Δτgz，频率为光纤陀螺的本征频率，幅值为π；阶梯波相位台阶幅值φsz与旋转引起的萨格奈克相位差ΔφRz大小相等、符号相反，即φsz＝-ΔφRz，复位高度为2π；在探测器上检测到的Z轴电信号(233)，所述Z轴电信号(233)经解调信号(234)解调后得到解调输出信号(235)。
5.根据权利要求
1所述的三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于选通开关为TPS2043芯片。
6.根据权利要求
1所述的三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，其特征在于处理器选取FPGA可编程逻辑处理器中的XILINX Virtex-II系列芯片。
专利摘要
本发明公开了一种三轴数字闭环光纤陀螺分时调制方法，该方法通过在选取的处理器中采用Verilog编程语言设置了调制时序控制单元，通过调制时序控制单元与选通开关的配合，实现了只用一个信号处理电路分时控制三个相位调制器及三个光纤环。具体实现方法是在X轴调制时间Tx内，选通对X轴进行调制，Y轴、Z轴不调制；在Y轴调制时间Ty内，选通对Y轴进行调制，X轴、Z轴不调制；在Z轴调制时间Tz内，选通对Z轴进行调制，X轴、Y轴不调制。本发明通过数字化的手段实现了三轴数字闭环光纤陀螺共用一信号处理电路，有效地改善了三轴光纤陀螺的体积、重量，降低了陀螺的功耗，有利于散热。
文档编号G01P9/00GKCN101126644SQ200710175385
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月29日
发明者靖 金, 马东营, 宋凝芳, 伊小素, 张忠钢 申请人:北京航空航天大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan