开环光纤陀螺信号检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种开环陀螺信号检测方法及装置。本发明专利技术从陀螺输出信号中提取二次谐波并产生采样脉冲，将输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的值量化，用它们的差解算出陀螺敏感的角速度；用两个量化值的和控制相位调制深度，使调制深度达到４．３５；用数字方式产生幅度可控调制正弦波；利用输出波形峰峰值控制系统的总增益。本发明专利技术能同时检测Ｓａｇｎａｃ相移、控制调制深度和系统总增益，整个系统结构简单，所用器件成本低，软件算法简单可靠，实时性和精度都较高。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种开环光纤陀螺内信号检测部分的检测方法及装置。开环光纤陀螺一般由互易闭合光路(如附图说明图1中I)和用于提取光纤陀螺敏感的角速度的检测装置两部分组成。开环光纤陀螺内的检测部分大都采用调制解调技术从探测器的输出信号中检测出Sagnac相移，从而得到载体的转动信号。在开环光纤陀螺中实现调制的是PZT光纤相位调制器，它是将光纤(1-2米)缠绕在由压电陶瓷PZT制成的环上形成的，当给它的电极加上电压时，环会沿径向发生形变，同时带动绕在上面的光纤发生形变，从而引起在光纤中传输的光的相位发生变化。在光纤陀螺中，它被设置在光纤环的一端，是光路中唯一非互易设置的器件，表征其性能的参数有调制系数KP和位相延迟α，它们都会随温度的变化而变化，这些变化直接或间接地影响光纤陀螺的性能，是光纤陀螺中的主要误差源。另外，陀螺中所用的光源是超辐射发光二极管(SLD)，其光谱和输出功率都会随温度的变化而变化，其中光谱的变化量在误差允许的范围内，可以不考虑。光功率的变化较大且直接影响陀螺的性能，必须加以控制。所以，一个完整的开环信号检测装置除了要检测出Sagnac相移外，还需要控制或补偿调制深度Φm、位相延迟α和光功率的变化。现有的检测装置可被分为两类，即模拟检测方案和数字检测方案。模拟检测方案(B.Y.King and H.J.Shaw.“All fiber-optic gyroscopes”,SPIE vo1719,Fiber Optic Gyros:10thAnniversary Conference,1986.)的基本原理是利用相敏检波技术从光干涉信号中检测一次谐波的幅度，从而测出Sagnac相移，最后得到载体的转动信号；用二次和四次谐波幅度的比值来控制调制深度Φm的变化；用二次相敏检波的垂直分量来控制位相延迟α的变化；并用一次、二次谐波的比值作为输出来消除光功率变化的影响。这类方案电路复杂而且存在两个主要的缺点，①模拟电路本身带来的零位漂移大且无法消除；②输出是模拟量且严重非线性，必须转化后才能与现代数字导航系统兼容。数字检测方案(US6028668,US5080489)是利用高速数字采样技术将探测器13的输出波形数字化，再利用数字信号处理技术(包括数字滤波和数字变换等)进行纯数字调制解调，从而计算出Sagnac相移并实现上述三个误差源的控制和补偿。这种方案实际上是上述模拟方案的数字化实现，实现这种方案的基本条件是要有高速、长字节的模数转换器(ADC)和高速的数字信号处理器及实时的数字信号处理技术，由于这些器件都是特殊的高速器件，检测系统的成本非常高，而且此方案计算量大，相应的实时调制解调软件技术现在还不成熟，此类系统还不能达到实用的水平。本专利技术的目的是，提供一种能检测Sagnac相移，输出载体转动信息，同时能控制调制深度Φm和光功率变化并使之稳定，还能跟踪位相延迟α变化，从而保证最佳相关采样，而且成本低易实现的开环光纤陀螺信号的数字检测方法及装置。本专利技术的技术解决方案是，光路I中探测器13的信号经电容14隔去直流分量后加至前置放大器15，前置放大器15将输入信号放大，分两路输出，一路经脉冲产生电路19提取二次谐波分量，经移相、整形得到A/D触发脉冲，用于启动A/D转换16；另一路作为A/D转换16的输入波形(如图2中波形24)；触发脉冲与待量化峰值点(图2中波形24上A、B两点)保持固定的对应关系并能跟综位相延迟α变化。A/D转换16只对输入波形24上与调制波峰值点(图2中波形25上P、N两点)对应的两个特征点A、B采样量化。利用输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的量化值的差解算出陀螺敏感的角速度；用这两个量化值的和作为误差来控制相位调制深度Φm，使调制深度稳定在4.35上。以数字方式得到幅度可控正弦波，其幅度由D/A转换23输出的电平决定，其频率由一个开关信号确定，峰值检波电路得到探测器输出信号的峰峰值并以此峰峰值控制检测系统的总增益固定。本专利技术的优点是，检测电路中模拟电路部分均为交流耦合，消除了由模拟器件引入的直流漂移；直接对探测器输出波形上的两个特征点采样量化，降低了对A/D转换器的采样速率的要求；从探测器输出信号中提取采样触发脉冲，保证了采样点与待量化点的固定对应关系，消除了位相延迟α变化的影响；利用两个特征点的量化值的差计算角速度，利用其和来控制调制深度Φm，算法简单；采用了数字处理技术，实现了实时测试和数字式线性输出；从探测器的输出取得系统增益信息用于控制系统总增益，保证了系统增益的稳定，从而减小了陀螺的漂移。整个系统结构简单，所用的均为普通器件，成本低，所用软件算法简单可靠，实时性和精度都很高。图1为本专利技术与光路部分的示意图；图2为本专利技术探测器输出波形及调制波形图；图3为本专利技术中脉冲产生电路框图；图3a为本专利技术中整形电路原理图；图4为本专利技术数字处理电路框图；图5为本专利技术正弦波发生电路框图；图6为本专利技术光源驱动电路原理图；图7为本专利技术数字计算软件流程图。图1中，虚框内为光纤陀螺的光路部分I，光源1发出的光通过光纤2经“源”耦合器3一分为二，其中一路通过光纤4进入偏振器5，被起偏成为线偏光，通过光纤6进入“环”耦合器7，又一分为二，从光纤环8的两端注入，分别沿顺时针和逆时针方向在环中传播并在不同时刻通过相位调制器9而被调制，光在这样的闭合光路中传播时，由于Sagnac效应，沿顺时针传播与沿逆时针传播的光将会存在一个相差，这个相差与环沿其轴的转动角速度成正比。当两束光再次在“环”耦合器7会合时，将发生干涉，干涉光经光纤6、偏振器5、光纤4、“源”耦合器3，最后通过光纤12进入探测器13，经光电变换后，干涉光信号变为电信号输出。光纤10、11为无用的空头。为了从探测器13输出的信号中提取出所需的转动信号，给调制器9加上正弦波调制波，探测器13输出如下νpin=k{1+cos(1)其中Φm=2KpVmsinωmτ2---(2)]]>k-与入射到探测器13上的光强及电路增益有关的常数；ΔΦs-Sagnac相移；Φm-调制深度；ωm-调制波角频率；α-PZT调制器的位相延迟；KP-调制器的调制系数；Vm-调制波幅度；τ-光在环中传播一圈所需时间。专利技术的检测装置的输入是光路部分I的探测器13的输出，其波形如图2中的波形24，图中横坐标为时间轴，设α=0，用贝塞尔函数将式(1)展开有νpin=k+kcosΔΦs+kinΔΦs (3)其中直流项为k(1+J0(Φm)cosΔΦS)。则经隔直电容14滤波后，输出为vd=k{Pcos-(Φm)cosΔΦs}(4)图2中波形25为正弦调制波，其正、负峰所对应的时刻为tA、tB，，它们对应正弦波的正峰值点P和负峰值点N；其在输出波形24上对应的点为A、B，由式(4)可知A、B点的值为当t=tA时，νdA=k{cos-J0(Φm)cosΔΦs(5)当t=tB时，νdB=k{cos-J0(Φm)cosΔΦs(6)式(5)+(6)和(5)-(6)分别为νdA+νdB=2kcosΔΦs(7)νdA-νdB=2ksinΦmsinΔΦs(8)令(7)式为零，因为一般有ΔΦs＜90°,cos(ΔΦ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开环光纤陀螺信号检测方法，其特征是，去掉输入信号中的直流分量，只对输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点采样量化；用带通滤波的方法从输入波形中提取二次谐波分量，经移相、整形得到Ａ／Ｄ触发脉冲，使触发脉冲与待量化峰值点保持固定的对应关系；利用输入波形中与调制波形峰值点对应的两个特征点的量化值的差解算陀螺敏感的角速度；用这两个值的和作为误差来控制相位调制深度；以数字方式得到可变幅度正弦波；用探测器输出信号的峰峰值控制系统的总增益固定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨远洪，张惟叙，马静，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]