一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法，特别适用于工作在角速度范围大且存在大角加速度输入环境下的高精度闭环光纤陀螺。本发明专利技术包括：将MEMS陀螺仪和高精度闭环光纤陀螺仪同轴安装，敏感输入角速度；利用闭环数字相位阶梯波调制解调检测方法，获得高精度闭环光纤陀螺仪输出角速率；采集MEMS陀螺仪输出角速率；修正光纤陀螺高精度闭环光纤陀螺输出。本发明专利技术根据该差值对高精度闭环光纤陀螺输出结果加以修正，从而使得高精度光纤陀螺在大角速度条件下正常工作，达到增大闭环光纤陀螺量程的目的，拓展高精度光纤陀螺的应用。

A method of increasing the range of high precision closed loop fiber optic gyroscope based on MEMS

The invention relates to a method for increasing MEMS aided high precision closed-loop fiber optic gyroscope based on range, especially suitable for working in the range of angular velocity and high precision fiber optic gyroscope angular acceleration input environment. The present invention includes: MEMS gyroscope and high precision closed loop fiber optic gyroscope mounted coaxially, sensitive input angular velocity; the closed loop digital phase ramp modulation detection method, high precision closed loop fiber optic gyroscope output angular rate gyro output angular rate MEMS; acquisition; modified fiber optic gyroscope with high precision fiber optic gyroscope output. The invention is based on the difference of high precision fiber optic gyroscope output results can be revised, so that the high precision fiber optic gyroscope angular velocity in normal working conditions, increase the range of closed-loop fiber optic gyroscope, the expansion of the application of high precision fiber optic gyroscope.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法
本专利技术涉及一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法。
技术介绍
光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速度传感器，具有全固态结构、抗冲击振动、动态范围大、频带宽、易于数字化实现等优点。高精度光纤陀螺也被广范应用于航空、航天、航海等各领域。然而随着光纤陀螺精度的提高，其动态范围将会下降，其根本原因在于闭环光纤陀螺工作在第一级干涉条纹对应的角速度范围内，当精度上升时，第一级干涉条纹对应的角速度下降，此时如果输入角速度对应的Sagnac相移超出第一级条纹，且存在较大的角加速度，光纤陀螺的输出将存在较大的误差，这影响了其在某些对陀螺动态范围要求较高领域的应用。目前扩大光纤陀螺动态范围的方法有三种。第一种是双敏感环法，通过外加一个高量程、低灵敏度的从光纤陀螺来提高主光纤陀螺的量程，但这种方法实际操作比较困难，不易实现，且增加了系统的成本。第二种方法是基于单级干涉条纹的动态范围扩展，它是通过增大系统带宽来提高系统的最大角加速度。该方法要求陀螺启动时在第一级干涉条纹中，同时，闭环工作中，最大输入角加速度不能超出一定值，限制了其实际应用。第三种方法是利用数字锁相环技术来扩大开环光纤陀螺动态范围。但该方法仅仅能够应用于开环光纤陀螺，使得开环光纤陀螺具备与闭环光纤陀螺类似的动态范围，并不能满足高精度闭环光纤陀螺的要求。近几年，微机电技术迅速发展，MEMS陀螺也随之发展起来，MEMS陀螺拥有功耗低、体积小、成本低、测量范围大、抗冲击振动能力强等优点，量程可以达到±1500°/s,可以应用在车载与手机这些环境复杂的高转速设备中。虽然MEMS陀螺的偏差漂移相对于光纤陀螺大的多，但其输出精度可以满足判断高精度光纤陀螺检测干涉级数与真实干涉级数差值的需求。且MEMS陀螺体积较小，安装简便，对原有高精度光纤陀螺的结构影响小，故可以利用MEMS陀螺体积小和大量程的特点来校正高精度光纤陀螺的高转速误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种拓宽高精度光纤陀螺的应用范围的基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：将MEMS陀螺仪和高精度闭环光纤陀螺仪同轴安装，敏感输入角速度；步骤二：利用闭环数字相位阶梯波调制解调检测方法，获得高精度闭环光纤陀螺仪输出角速率；步骤三：采集MEMS陀螺仪输出角速率；步骤四：在角速率输出修正装置中，将MEMS陀螺输出角速率ΩMEMS与高精度闭环光纤陀螺输出角速率Ω测作比较，并依据比较结果，修正光纤陀螺高精度闭环光纤陀螺输出，修正依据如下：令X＝ΩMEMS-Ω测，当-Ωπ＜X＜Ωπ时，则Ωout＝Ω测；当Ωπ＜X＜Ω3π时，则Ωout＝Ω测+2Ωπ；当-Ω3π＜X＜-Ωπ时，则Ωout＝Ω测-2Ωπ；……当Ω(2m-1)π＜X＜Ω(2m+1)π时，则Ωout＝Ω测+2mΩπ；当-Ω(2m+1)π＜X＜-Ω(2m-1)π时，则Ωout＝Ω测-2mΩπ。其中m为正整数值，Ωout为修正后光纤陀螺仪输出角速率；所述的高精度光纤陀螺为零偏稳定性优于0.001°/h的光纤陀螺，其测量范围为一般小于±50°/s；所述的MEMS陀螺测量范围一般可以达到±1500°/s；所述的方法能够扩展高精度闭环光纤陀螺量程至±1500°/s以上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用基于MEMS陀螺辅助的方法，利用MEMS陀螺输出ΩMEMS与高精度闭环光纤陀螺输出Ωf作比较，分析求得高精度闭环光纤陀螺检测干涉级数与真实干涉级数差值，根据该差值对高精度闭环光纤陀螺输出结果加以修正，从而使得高精度光纤陀螺在大角速度条件下正常工作，达到增大闭环光纤陀螺量程的目的，拓展高精度光纤陀螺的应用。本专利技术首次提出利用MEMS陀螺输出ΩMEMS与光纤陀螺输出Ω测之差来判断光纤陀螺检测干涉级数与真实干涉级数差值，与现有的利用低精度辅助陀螺的输出来判断干涉级数相比，具备更高的精度和可靠性。本专利技术提出利用MEMS陀螺输出ΩMEMS与光纤陀螺输出Ω测之差来判断光纤陀螺检测干涉级数与真实干涉级数差值，解决了当输入角加速度较小时产生的闭环光纤陀螺外加补偿不准确的问题。当输入角加速度较小时，此时即使超出-Ωπ～+Ωπ范围，闭环光纤陀螺可以跟踪上输入信号，此时现有的利用低精度辅助陀螺的输出来判断干涉级数的方法将会对高精度光纤陀螺输出带来误差。本专利技术不改变原有光纤陀螺的闭环结构，不改变其原有精度，并且MEMS陀螺体积较小，安装简便，对原有高精度光纤陀螺的结构影响小，不影响其环境适应性，相比于其他增大量程的方法结构简单，易于实现。附图说明图1光纤陀螺数字闭环结构框图；图2高精度闭环光纤陀螺阶跃角速度输入响应曲线,稳态值为50°/s；图3MEMS陀螺基于闭环检测方法的斜坡输出响应曲线；图4MEMS陀螺与光纤陀螺的输入角速率与输出角速率的关系曲线；图5经MEMS陀螺校正的光纤陀螺输出曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明：专利技术原理：光纤陀螺测量角速度的原理是当两束光在光纤环中相向传播时，如果光纤环存在着相对于惯性空间的转动，则两束光将产生相位差，这种现象被称为Sagnac效应，其数学表达式为其中Φs为Sagnac相移，l为光纤环长度，r为光纤环半径，λ为光源波长，c0为光速，Ω为输入角速度。当光纤环的长度、半径固定，光源波长和光速恒定时，不难看出，转速与相移成正比例关系。因此通过检测相移就可以根据Sagnac效应计算出输入转速。两束光的相位差在很难被直接测量，实际中光纤陀螺根据光的干涉特性，通过检测两束光干涉后的光强变化来检测转速的变换。闭环光纤陀螺采用方波调制，闭环反馈的方式，检测相邻两个半周期的干涉信号的差值ΔI＝2I0sinΦS来检测相位差，其中I0为输入光强。从上式可知，光强差值ΔI与Sagnac相移ΦS呈正弦函数的关系，为周期函数。当转速对应的Sagnac相移超出了±Ωπ的范围，光的干涉将超出第一级条纹，即光纤陀螺将工作在第m级干涉条纹处（m=±1,±2,…），此时转速光纤陀螺的输出的相移ΦS′仍然在-π～+π内，但转速对应的Sagnac相移为ΦS＝ΦS′+2mπ，此时由ΦS′计算获得的转速Ω测与真实输入转速Ω真实相比，将存在较大的误差，且Ω测＝Ω真实-2mΩπ，其中Ωπ为相移为+π时对应的输入角速度。以某典型的高精度闭环光纤陀螺为例，光源波长λ＝1550nm，光纤环的长度l＝3000m，光纤环半径r＝0.1m，光速c0＝3×108m/s，此时Ωπ＝+22.21°/s则其测量范围为-22.21°/s到+22.21°/s。当输入角速度超出该范围，且存在较大的角加速度时，光纤陀螺的输出仍然在-22.21°/s到+22.21°/s范围内，存在2mΩπ的输出误差。如果能够判断光纤陀螺干涉所在的条纹级数m，则可对光纤陀螺进行修正。光纤陀螺每一级的干涉条纹对应着一个较大的输入角速度范围，例如，干涉第一级条纹对应角速度范围为-22.21°/s到+22.21°/s。因此只要能够提供一种具备一定测量精度的检测输入角速度的设备，就可以通过该设备的输出值对高精度闭环光纤陀螺仪输出进行修正，从而达到增加高精度闭环光纤陀螺量程的目的。MEMS陀螺仪具备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法,其特征在于：步骤一：将MEMS陀螺仪和高精度闭环光纤陀螺仪同轴安装，敏感输入角速度；步骤二：利用闭环数字相位阶梯波调制解调检测方法，获得高精度闭环光纤陀螺仪输出角速率；步骤三：采集MEMS陀螺仪输出角速率；步骤四：在角速率输出修正装置中，将MEMS陀螺输出角速率Ω

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法,其特征在于：步骤一：将MEMS陀螺仪和高精度闭环光纤陀螺仪同轴安装，敏感输入角速度；步骤二：利用闭环数字相位阶梯波调制解调检测方法，获得高精度闭环光纤陀螺仪输出角速率；步骤三：采集MEMS陀螺仪输出角速率；步骤四：在角速率输出修正装置中，将MEMS陀螺输出角速率ΩMEMS与高精度闭环光纤陀螺输出角速率Ω测作比较，并依据比较结果，修正光纤陀螺高精度闭环光纤陀螺输出，修正依据如下：令X＝ΩMEMS-Ω测，当-Ωπ＜X＜Ωπ时，则Ωout＝Ω测；当Ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇刚，孙娜，李宁，郜中星，姜见龙，王程程，黄玉龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23