（光学工程专业论文）干涉式光纤陀螺数字信号处理方案的研究.pdf

哈尔滨l ：程夫学礤十学僚论文 摘要 光纤陀螺是一种基于s a g n a e 效应的角速度传感器，通过测履沿光纤线 鬻颓时钟察遂时钟方彝镑獾豹两采光豹毙程差来溺量转速。西它其有许多独 特的优点，使其成为近年来国内外光纤传感器领域的一个研究热点。目前， 中羝壤疫熬竞纾院蠓已经广泛应弱于民瑙和军蠲液零武器静攒毪系统中，各 阉的研究机构也在大力研制应用于航海、航天等领域中的高精度惯导级光纤 鹣嫘，嚣党奄器 拳牲戆夔撬离帮数字蔼号缝瑾技术缒发袋为高稽液竞纾院螺 的研制提供了物质基础和技术支持。 本论文较系绫遮赍缨了竞纾陀蠖獒王俘嚣理，握基襄鞭全裴字经瑾技术 豹闭环光纤陀螺检测方案，对采用数字解调和方波偏置及数字相能阶梯波反 馈接裁熬竞终陀螺嫠号梭溅方案璐符了努氍，浚试+ 了耱采焉t | 公霉瓣瘫 速1 6 位d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) t m 3 2 0 v c 5 4 0 2 为援心的中锋精度的金 鼗字舞琢竞绎憨螺镶号楚壤系缝；搏绘窦了曩髂的硬馋系统毫踌设诗爨理图 及软件调试程序。同时，对产生光纤陀螺测量死隧( d e a d b a n d ) 的原因进 行了分辑。这对予提高了巍纾怼襟酌溅曼精度，磷裁窦瘸纯靛毫糟疫毙纾整 螺矮有重凝的意义。 美键词：光纤陀螺；s a g n a c 效应；方波调制；数字相位阶梯波：数字解调 哈尔滨 + 穗大学矮七学傻论文 a b s t r a c t t h ef i b e ro p t i cg y r o s c o p ei sak i n do fv e l o c i t ys e n s o r sb a s e do ns a g n a c e f f e c t 。u s i n gf i b e ro p t i cg y r o s c o p er o t a t es p e e d c a l lb em e a s u r e dt h o u 薛 m e a s u r i n gt h ed i f f e r e n c eo ft w ol i g h t sa l o n gc l o c k w i s ea n dc o u n t e r - c l o c k w i s e b e c a u s et h ef i b e ro p t i cg y r o s c o p e sh a v et h es i g n i f i c a n tf e a t u r e s ，t h er e s e a r c h e so n i th a v eb e c o m eh o tt o p i c si nr e c e n ty e a r s t o d a yt h el o wa n dm e d i u mp r e c i s i o n f i b e ro p t i cg y r o s c o p e sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h ei n e r t i a lm e a s u r e m e n t s y s t e mo fc i v i le q u i p m e n ta n dm i l i t a r yt a c t i c a lw e a p o n s ，a n dt h em a n yr e s e a r c h o r g a n i z a t i o no ft h ew o r da r ea t s od e v e l o p i n gh i 曲p r e c i s i o ni n e r t i a ln a v i g a t i o n g r a d ef i b e ro p t i cg y r o s c o p es y s t e ma p p l i e di nt h ea r e a so fm a r i n eo ra e r o s p a c e w h i l et h ei m p r o v e m e n to fp h o t o e l e c t r i e a li n s t r u m e n t s c a p a b i l i t i e sa n dt h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sp r o v i d e sm a t e r i a lb a s i sa n dt e c h n i q u e s u p p o r tf o rh i 出p r e c i s i o nf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ， t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ew o r kt h e o r yo ff i b e ro p t i cg y r o s c o p ei nd e t a i l ， p r e s e n t sa l ld i g i t a lp r o c e s s i n gs c h e m eo fc l o s e d - l o o pi n t e f f e r o m e t e rf i b e ro p t i c g y r o s c o p ea n da n a l y z e st h es i g n a ld e t e c t i o ns c h e m eo ff i b e ro p t i cg y r o s c o p e u s i n gs q u a r ew a v eb i a s e da n dd i g r a tp h a s er a m pm o d u l a t o rf e e d b a c kc o n t r o l l i n g ， a na l ld i g i t a lc l o s e d l o o ps i g n a lp r o c e s ss y s t e mf o rm e d i u mp r e c i s i o nf i b e ro p t i c g y r o s c o p eb a s e d o nt h eh i g hs p e e d16b i td s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2o ft ti sd e s i g n e d a n dt h eh r u 戎t w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e b u gp r o g r a ma 糟g i v e r l a t s oa n a l y z e st h e r e a s o no fd e a d b a n d t h e s ea r em e a n i n g f u ll oa d v a n c et h ep r e c i s i o no ff i b e r o p t i cg y r o s c o p em a dd e v e l o ph i 密p r e c i s i o ni n t e r f e r o m e t e rf i b e ro p t i cg y r o s c o p e k e y w o r d s ：f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，s a g n a ce f f e c t ，s q u a r ex * , a v em o d u l a t e ，d i g i t a l p h a s er a m p ，d i g i t a ld e m o d u l a t o r 。| 1 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：瀑圣鱼 日期：年月日 哈尔滨l 聪人学硕+ 学摄论文 第1 章绪论 1 1 光纤陀螺韵产生和发展 扶六十年代开始，隧着光电子技术的发展，静新型的陀蠓一光学陀拣 出敢了。它一燃觋俊显示出其强大终生命力，在擞爨番国缮至l 大力发震。光 学陀螺是新一代陀螺，它利用的是光速的恒定性期光学上的s a g n a c 效应， 在原理上克服了以往陀螺的很多不足之处，光学陀螺的出现使人们在惯性器 件领域发蕊了新大陆。光学陀螺的发展是伴随着光电子技术、激电子技术的 发展褥发展的。1 9 6 0 年，第一套激光器润畿，这为巍学藩嫖的密瑗提供了 可能性。1 9 6 1 年。荚国人迈塞克就提如了明环形激光器测量转速款理论， 即激光陀螺的耀论，这为光学陀螺的发展奠定了理论基础。1 9 6 3 年，美国 新佩晕公司首次成功实现了环形激光陀螺的运转，这标志着第一代光学陀 螺激光院螺 菇避了，在陀螺技术史上揭开了新酌一页。经过多年研究，激 光陀螺的技术褥至4 发展，鳃决了滠气、封接、镀貘等黪题舞，予1 9 7 5 年在 战术飞机上应用成功，从此激光陀螺进入实用阶段。奁8 0 年代，激光陀螺 已经成功地应用于飞机和地面车辆导航、舰炮稳定系统等方面，开始取代机 毫陀螺。滋入9 0 年代，激光陀臻在高精度鹿角领域煎示了其优越性，并且 在设性级嶷震中取怒了成功。瞧激光院嫘熬光学陛窝爱懿镜黯箱工器求僚 严，存在复杂性问题，其成本居高不下，这螺都隈制激光陀螺的普及，使它 不具有低成本和易于批量生产的特点。 褒激毙怼螺茇鼹魏霜露，舅一耱竞学怼蠓一巍纾稼螺氆装挺爨。露为第 二代竞学院螺，毙野陀螺肖君来籍主的怒努。在1 9 7 6 年，荚国u a t h 大学的 vv a l i 秘r 。w ，s h o r t t h i l l 罄凌提爨了予涉式恕纾篦攥戴摄念，它裕恚萋麓二 代光学陀螺干涉式光纤陀螺的诞生。光纤陀螺的概念提出柬之成，人们在 理论疆究葶瑟实黢敷瘸孛投入了缀多精力。放7 0 冬饯中麓，夫爨羧开始霹予 涉式光纤稼臻遂稃礴究，遮一阶段的研究对象是_ 歼环干涉式光纤阮螺，研窬 蛉主要蠹窑是分辑弓；起光纤建螺输璐误羞魏影豌落素器擞意其检溅灵疆凄。 从7 0 年代末，歼始了标鹰因子性能的研究，首次构成了闭环形式的光纾孵 哈尔滨l 聪大学硕士学位论文 l ；_ i；ii _ i ii i _ i i i # i i _ _ ；i i i _ 目i i i i _ i i # i ； 螺。闭环概念的提比对研制光纤陀螺有重大的理论价值和实用意义。这将对 光纤陀螺的各种性能指标有很大的改善，如使光纤陀螺的动态范围扩大，标 度因子的线性液和稳定性都有很大的提高。进入8 0 年代，随着光纤陀蠓技 术在理论上兹霾太突酸，光纾陀螺戆磺宠工 乍开始扶实验室研究走蠢工程矫 制。在8 0 年代末期、9 0 年代初期，低精度的光纤陀螺已经实现产品化，并 在实践中得到成功应用。这期间比较成功的例子是美图h o n e w e l l 公司开发 出第一瓶用于商用航空器上的姿态航向参考系统( a h r s ) 的光纤陀螺产品。 这静设计采取了全光纾登最麓配誊静光路。它首先应瘸子荚鼙遴尼尔和3 3 座客枧上的姿态舷囱参考系统，羼来又被应用于波啻7 7 7 飞孛昱懿姿态帮空气 数据系统( s a a r u ) 上。经过实际运行的检验，遨批产品符合预期的性能指 标，取得了很高的可靠性。 9 0 年代，光绎陀螺静发震遗入了个新的蟊寸期。更多的科研部门和生 产公司加入到光纾院螺的开发磺剑嚣裂中素。出予批量生产能邀一步辩诋裁 本，因此光纤陀螺的优势得到了更大的发挥。在产品的推广方嚣，一些光纾 陀螺制造商如荚国h o n e y w e l l 公司、l i t t o n 公司、a l l i e ds i g n a l 等公司、r 本的j a e ，h i t a c h ic a b l e 等公司、德国的l i t e f 公司等都为光纤陀螺的批最 尘产及撂广熬了缀大囊狱。袭l ， 灸蠢了光纾豌漂敷弼镁域强及其精度要 求。 表1 1 光纤陀螺的应用领域和精度要求 随机游走 偏置漂移 级别标度阑数精度应朋范同 ( ，矗) ( ) 卫星、宇航e 船、战略导弹、 惯性级 0 0 0 1 无霭藏逮转子达雾瞧宠转逮所需要静时阕，故寤动辩间短。 检测灵敏度襁分辨率极离，可达1 0 r a d s 。 对重力加速度不敏感，这个优点对予捷联系统尤为突出。 动态范围大，由于闭环方案的采用。使萁在动态范围为几百度秒内具 有良好静往能。 功糕低、体积小、质鬟轻、易予集戒。 寿命长，可达十万小时以上。 使用方便，安装不需专用平台，可直接数字输出，便于计算机处理。 其宵很商的往价阮，遂是光纤陀螺极艇吸弓f 力的地方。 嚣 牛复耀技术懿发展，使冗余系统静成本避一步降鬣。 哈尔滨i 榉火学硕士学位论文 由上可见，光纤陀螺的确是性能优良的有发展前景的新一代陀螺。目 前，惯导级高精度光纤陀螺也进入了产品研制和生产阶段，并在高精度应用 领域中同激光陀螺展丌竞争。在高精度光纤陀螺的研制开发上也取得了很大 成绩，实验室样机的指标己远超过惯性级产品所要求的指标，也不断有关于 高精度的光纤陀螺在实践中成功应用的报道。 由于光纤陀螺比激光陀螺具有更大的优越性，无论在军用还是民用领域 都有极强的竞争能力和广阔的市场，因此受到世界各国的普遍重视。一些专 家预计，下一代的惯性测量装置必定是光纤陀螺，而不是激光陀螺。 1 _ 3 光纤陀螺的分类与发展方向 当静光纾阮螺主要采用两稀方案：干涉式光纤陀螺( i f o g ) ，谐振式光 纤陀螺( r f o g ) ，相对较成熟的技术方案是s a g n a c 干涉式光纤陀螺，为了 提高系统的搽浏精度，采臻长达数百米戮凡千米的傈编光纤镧谨角速度敏感 线圈，为了降低系统噪声，它采用了低相干的趟辐射发光二极管作为光源。 瞧楚数疆米舔绦镳先纾瀚成本不薄，两礴迢大大增热系统鞠体秘和重量，这 限制了干涉式光纤陀螺在一些低精度和一些特殊臻求的系统中的应用。谐振 式光鳋藏螺采麓镶嚣光窳之溺韵多渡予渗靛藤建，可跬在鞍短酌觉纾中获褥 较高的探测精度，但是它需要离相干光源( j 石 1 0 0 k h z ) 和低损耗的保偏光 纾藕合嚣，瑟光谱线宽小于1 0 0 k h z 费半导铸激光器裁俸j # 鬻潮难，蔼氨高 相干光的后向反射散射效应也极大影响了谐振式陀螺的精度。在此之后还提 懑了一耱霉久式光纾蛇滚( 蹬o g ) ，该穗怼蠓莱爱低褊干光潦，它结合了 谐振式和干涉式陀螺的一些优点，利用在谐振腔中相向传输的光传输相同圈 数嚣窭懿子涉懿爨瑾，霹以获褥较裹笛竣整蠡线穰绣度，运遘光羧大器翁增 益补偿得到较高的探测减敏度，但是该种原理的陀螺的缺点是有大量的光能 爨耋接遴过勰合器瑟不进入竞纾琢黟谐援齄，敲露存奁较大款嚣转动臻惑熬 赢流分鬣，使得在无源的情况下不能获得较高的探测灵敏度，同时由于增益 饱和琨蒙，无弱瓣壹滤分量也绘嵬效大器萤束了受担。嚣量采鼷s l d 始终 是陀螺方案中的一种折中，陔器件目前存在工艺技术较复杂、输出功率较低 ( 一般 墨，爨灶葳交为： 撵 妒警( t 惫) 将式沿着光路积分，得到； ( 2 9 蹬尔滨 狴大学琰十学位论交 = 撖= 照t + 割= n _ c + 挚 t ：嘲， 式中：# 为单匿全光鼹长度。攫据s t o k e s 定疆： 铲等+ 譬弛= 等专q s e z 州， 式中：s 为闭合光回路包围的面积，崩为面元矢量。式( 2 1 1 ) 求得的是对 应c w 光盼情猿。对于c c w 光，列黑类 越方法爵求褥为： ，：里一姜刚( 2 - 1 2 ) 综合式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 求得相差为： a 面，：啦xf ：8 z f 2 s( 2 1 3 )a 妒，= 啦xf = k z 一 对于啜回路有： d ：8 n n d s(214)a 口= 一 t 2 一 从以上分析可以形成以下结论：1 、s a g n a c 相位差与光路轨道形状、旋 转的中心位置，以及折射率无关；2 、只与光路轨道的几何参数肖关。 2 2 2 光纤陀螺装置的互易性 光纤陀螺通过测量凌s a g n a e 效应辱| 起的j 夏易稳移寒实瑗捷转受速率 的检测，因此必须排除s a g n a c 效应以外的任何因素引趣的相移。这要求光 学系统保持高度穗定的豆品性缝糨，以使系绞中蹶、逆时针传攒瓣嚣泰走受 到的外部干扰完龛一致，在输出中反映不出任何外界干扰的影响。尤其惯导 系统使殿的陀螺，要求1 0 1 2 1 0 ”o m 欧离分辨率积衰稳定性，耀应必缎检 测约t 0 。r a d 的微小相位麓。这相当于绝对光程藏为1 6 1 0 “4 m ，相对光程 熬为1 0 “7 m 量级。由此可见，光纾陀螺光路对光束的光程一致性要求怒搬 玎之高，因此傈证系统互易性至关熏要。 s a g a n c 干涉仪是种特殊的光学系统网络，为了炎现系统的互易髅， 在系统的结构设计上，应满足以下三个条件： ，1 2 晗尔滨 ：疆大学琰亡学静论文 l 顺、逆时针传播的两束光应完全通过相同的光路； 2 蹶、遂醇赞终疆魏瑟采光是阏一编搽念； 3 顺、逆时针传播的两束光完全是单模。 溃足这三个特薤熬缝擒，翻戆僳嚣汔寒赞浚翡互耪 生。为了爨涯曩易 性，在干涉仪的公共输入、输出端加一单模滤波器，这样进入光纤环的两束 巍毒提爨瓣摸态，捡擦黪返霞光波连是爨骞弱一摸叁毂党波。霆2 。3 是要易 性光纤陀螺的结构简图。 图2 3 光纤陀螺韵互易性缩构 匿2 ，3 中豹单模滤波嚣是性优良熬空阕滤波器，宅躲梭造方法是在一 段单模光纤上加上一个偏振器，偏振器用于滤去光纤中光波导的两个偏撮悉 中艟一个。它滤除光波中的杂散模式，磷保检测剿翡是与入射走模态担弼的 滟波。西懿，在干涉仪输入、输出公共光路上放个单德滤波器，且检测从 这个单攫滤波器逡回的光波，这榉便满足了冠德掇、冠模式的条件。稷令器 i ( 光源分东箍) 稳到承 肇沼是将酃分返圆先；i 导铡探测器上和谶行相位调 节。耨台器2 ( 光绥环耦台器) 的传用是起到糖确赞光的 乍照。顺时针的巍秘 遂时针静光在祸台嚣2 赡分鄹经遭透莉、耦台和藕台、透射使两荣光经道祸 台器2 是有相同的相位敬变。耦合器l 是必须歙，它一方西越剃分光的作 蔫，骂一方露它翁船入是两泵稻葳方商转播韵凳裔稻同滟潞静保证。 图2 4 光纤环耦台器 蚕2 。4 孛藕弱a ，e 是返黧竞豹掰个端疆，其中鹚盈a 称为互翳褊 口，入射光经过分束，辩从a 端口返回时，顺时针反向传播的光在耦台器 哈尔滨i 样人学硕十。7 ：能论文 上分别经过了一次透射和一次反射，从而在返回a 点时两束光产生了相同 的相移。端口c 称为非互易端口，光从a 入射经过分束，再从c 端口返回 时，顺时针和逆时针光在耦合器上分别经过了二次透射和二次反射，从而在 c 点两光束产生了不同的相移，因此，选择a 口作为输入、输出口是满足 互易性原理的。为了得到互易装置，在光源的出光处加入光源分束器( 如图 2 3 所示) ，这样p i n 检测到的信号便是满足互易的。 由于采用了互易性的结构设计，s a g n a c 相移便能被正确地检测出来，其 光学功率响应是个余弦函数，在零点处变化率最小，为了得到更好的灵敏 度，信号必须偏罱到非零的工作点上。在线圈的一端安装一个互易性相位调 制器柬当作延迟线，就可以解决相位的偏置问题。互易性相位调制器对两束 光产生相同的相位调制，但这两束光是不同时刻经过相位调制器的，因此它 们之间产生相位偏移。从原理上讲调制频率的选择是不苛刻的，但从使用效 果上看在特征频率处进行调制、解调可以取得理想的性能。在特征频率处进 行调制、解调可以降低由于杂散非线性或相位调制器中幅度调制产生的噪 声，这对提高系统性能是很有益的。在光纤坏的特征频率处进行调制、解调 可以提供一个偏差信号这个偏差信号并不减弱系统的完备性。互易性原理 和在特征频率处调制、解调这两个条件结合在起称为最小装置，尽管组成 器件有些缺点，但组合起来却又很高的性能。目前，最小装置被广泛应用， 它是一个基本结构，实际应用中人们都以它为基础或在它的基础上进行一些 敬进。 集成光学器件是把偏振器、祸台器2 和调制器做到一块厶m 仍芯片上。 它带来缀多好处的同时并不破坯系统的互爨性。曩蘑，在毒精度光纾陀螺鲍 研制中酱遍采用以集成嚣件为基础的全数字结构。由于檠成光器件中的偏振 器有高的消光比，调制嚣有很宽的带竟，这时光纤陀螺的最小装嚣能褥到实 现。 在光纤陀螺中，有许多寄生效应如随机、时变环境的找动效应、 r a y l e i g h 后向散射、f a r a d a y 效应、光学k e r r 效应、s h u p e 效应等。它们都 徽坏系统的互易性、引入漂移量。由于器件的工艺问题绒参数波动都会弓 入 菲互荔谯相移，从而会破坏光学系统的互易性。为了解决此方面的问题，在 设计系统方面要考虑如下一些措施。 哈尔滨【- n 1 1 人。7 硕十学位论文 ( 1 ) 为了排除外界环境的干扰保证系统的互易性，要选用稳定性好的器件。 同时，光纤环的缠绕方式要有对称性，使外界扰动具有对称性从而被抵 消掉。四极子缠绕方法能抑制环境变量( 如温度) 对系统的影响； ( 2 ) 用磁屏蔽来消除f a r a d a y 效应； ( 3 ) 光源处加光隔离器，使光源不受返回光波的影响； ( 4 ) 采用低相干光源，减小光学k e r r 效应，r a y l e i g h 后向散射等。 2 _ 3 光纤陀螺的信号检测 2 3 1 光纤陀螺输出信号的形式 光纤陀螺的核心部分是双光束干涉仪，它是利用光电探测器检测两束光 的干涉光强，光强大小可以表示为： i = k 1 。( 1 + c o s ( 丸) ) ( 2 1 5 ) 式中：j 是探测器的检测光强； ，是光源发射出光束的光强； k 是比例系数。 幽( 2 7 ) 、( 2 1 5 ) 两式可知，输出光强是转动角速度q 的余弦涵数，如图 2 ，5 所示。 踅2 。光绎陀缀输密盏线 由图2 5 可看出： a 、输赛光强不靛反映转动静方囱毪，不论转动角速度q 是正还楚负，深溺 器都输出同样的读数。 b 、大多数静应麓场合，s a g n a c 稽移缀，j 、。在q = 0 楚，系撬的灵敏度 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 q = o ，也就是说在零点处，系统的灵敏度很小。 c 、由于光功率小，导致输出信号微弱。 2 3 2s a g n a c 相移的检测方法 为解决以上问题可采取的方式之一是在两束相反方向传播的光束之间人 为地引入9 0 “的相位偏置。现在普遍接受的方法是在光环的一端引入一个互 易性相位调制器。相反方向传播的两束光在不同的时刻经过同相位调制 器，产生如下相位调制： 声= 妒( ，) 一声o f ) ( 2 1 6 ) 式( 2 - 1 6 ) 中r 是光在光纤环中的群时延。陀螺的输出可以表示为： ，= k i 。( 1 + c o s ( 妒+ 丸) )( 2 一1 7 ) 常用的调制方式有正弦调制和方波调制。 2 3 2 1 正弦波调制的情况 对于正弦波调制，庐0 ) = 屯s i nc o r o t ，应月( 2 一1 6 ) 、( 2 一1 7 ) 嚣式褥： ，= k 。1 + c o s ( 妒ms i n o n 。t 一矿，s i n c o 。和f ) + 以) 】( 2 - 1 8 ) 丸是调制馈号的调制幅度，是调制信号筠频率，运用三角恒等式，并避 行b e s s e l 分解，可以得到： 臻糍爱蚣出黢麓盛暑睨地bos4蚶叫(2-lg)sin一2 s i n 建p l 娩掰。，+ ，瓴s i n 3 甜。f f + 蚤 式( 2 1 9 ) 中f i i t r 2 ，妒。= 2 乒。8 i n ( f 2 ) 是有效的相位调制，它是一个 可控箭的常量。j 。敞) 是n 阶第一类b e s s e l 函数，当已知疙对可以求出 b e s s e l 函数： 。( - 1 y 瓤 五晓) 2 薹1 龄 2 嘲) 检测光电流的奇次谐波和偶次谐波分量可袭示 是o c j 2 s i n 矗织 s ho c ，2 。c o s o 逶j 建辐敏稔波器裣溆谐波分量，可以组成不同的狻溺方式。 ( 2 2 i ) ( 2 2 2 ) 哈尔滨 。程人学硕十学位论文 獬出尤锄1 一l毗螺铷蚰。 静止转动 一 m 删 j j j i 一万 ) f i ”相 i n _ n 7r t 、7 一 一 ( 之= 二= ) 上= 爿 亡= ) 卜s a g n a c 十 i 移 图2 6 正弦镳置调制 2 3 2 2 方渡调制的情况 随着数字技术的发展，人们蒋遍采鼷数字他方案，遮秘方寨成功的麟决 了模拟方案中存在的电路漂移问题。在数字化方案中调制信号多数是采阁方 波。这丰中方寨能够实现完全依赖予集成嗽光调案i 器的出瑗，出于瞧光调制器 的带宽慰够宽，翻此方波能够复现，能够实现同步调制、解调。方波的周期 是光在光纤环渡越对f 叫f 的2 倍。方波调测的开环陀螺辕出信号程每个调制 周期内被矗接转换为数字形式，方波调制的示意图如图2 7 所示。 针对方波调制的情况，方波最、负半周期分别采样，则探测器输出僚号 为： 正半周期信号： f ，= 艇。0 一s i n ( 庐。势( 2 - - 2 3 ) 负半周期信号： 1 2 = k t , , o + s i n 秘痧。势( 2 - - 2 4 ) 解调后的信号： ，= 妻0 ：一，】) = k i 。s i n ( a 庐, ) ( 2 - - 2 5 ) 哈尔滨i 。仔1 1 人学硕七学何论文 锕此镭1j l阢烁棚卅o 静止转乱 p 一一一一一一一一 1 一 ，1 一 lilil x j r 一丌 j) f2 相互 时间( t ) 一 l j i -+ _ s a g n a c 相移 1 r 图2 ? 方波偏鼹调制 在小角速度转动时改。s i n a 。，式( 2 - 2 5 ) 可简化为： ，= k i 。欢( 2 - - 2 6 ) 将式( e - - 7 ) 代入上式，可得： ，：k i o x2 z r l d k s f f 2 ( 2 - - 2 7 ) 其中，托成为标度因数。 2 3 3 光纤陀螺的动态范围 从图2 6 可以看出陀螺输篷光强为旋转角速度的多袋函数。为难一凌定 角速度的大小，识必须程一万和+ 万之间，对应角速度范围 一q 。 q q 。，出式( 2 - - 7 ) + 万弧度对成的角遽艘为： q t ，= 面2 c 3 1 4 5 7 3 ( ) ( 2 - 2 8 ) 对于高精度光纤陀螺，设其光纾长度l = 1 0 0 0 m ，光纤线圈的平均赢径 d = 1 0 c m ，工作波长五。1 3 1 p m 。设帽像检测灵敏度为l g r a d ，则陀螺可检 测最小角速度为0 1 3 “h 。对应桐移y 的转动角速度为1 1 2 6 。s 。在使用器 哈尔滨j 一程人等乏硕十学位论文 件和结构都相同的情况下，通过改变光纤的长度和光纤环的尺寸，可以获得 不同的动态范围，这种几何上的灵活性是光纤陀螺很重要的优点之一。 2 4 光纤陀螺的性能指标 不同的应用场合对陀螺有着不同的要求，表征陀螺的性能指标如下： ( 一) 标度因数 陀螺标度因数是指陀螺输出与输入速率的比值，是根据整个输入速率范 围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合出的直线的斜率。由该拟合 直线得出的标度因数，为使用提供数值依据。我们关心的不是标度因数的大 小，而是该拟合的残差，即该依据的可信度有多大。于是，引出了标度因子 线性度、标度因数不对称度、标度因数重复性以及标度因数温度灵敏度等概 念。这些都从不同的角度反映该拟合直线与陀螺实际输出输入数据的偏离 程度。 ( 二) 阈饿与分辨率 光纾院骠酌阕燕帮分辫率分稍表示阮澡筢敏感秘最，j 、输天逮率和在麓定 的输入速率下能敏感的最小输入角速率增量。这两个量都是表征陀螺灵敏度 靛量。 ( 三) 最大输入角速度 最大输入爱速率表示陀螺正、复方蠢输入速率静簸大毽。有辩氇鬻最大 输入角速率除以阀值，得出陀螺动态范围，即陀螺可敏感的速率范围。该值 越大表示陀螺敏感速率黪缝力毽王越大。 ( 四) 零偏和零偏稳定性 零镶是疆蠢绎菠螺凌零稔入状惫下豹簸塞餐，溪较妖时溪麦魏输爨豹珑 值等效折算为输入速率柬表示。这种静态情况下长时间稳态输出是个平稳 戆夔撬过程，载稳态辕爨涛霞绕按篷( 零傣) 起铰秘渡麓，习溪羔焉均方蒺来 液示这种起伏和波动。这种均方麓被定义为零偏稳定性，用相成的等效输入 速率表示。这也耱是平喾所说黪“镶量漂移”竣“零漂”。零潆篷夔大小拣 志着观测值围绕霉偏的离敞程度。 光纾陀螺款零臻是随时越、环凌遗痰等鲮变讫露交 墓，纛虽肇毒投大憨 随机性，因而又引出了零偏重复性、零偏温度灵敏度、零偏温殿速率灵敏度 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 等概念。 将以上几项指标综合并从测试的数据序列剔除带有规律性的分量，例 如常数项、随时间t 成比例增长的一次项、周期项等，或在输出上加以校币 补偿后，才能得出真j 下的随机漂移。 ( 血) 随机游动系数 随机游动系数是指由白噪声产生的随时间累积的陀螺输出误差系数。当 外界条件基本不变时，可认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随 时刈的推移而改变的。从功率谱角度来看，这种噪声对不同频率的输入都能 进行干扰，抽象地把这种噪声假定在各频率分量上都有同样的功率，类似于 白光的能谱，故称为“白噪声”。所以说，自噪声是功率谱谱密度为常数的 零均值平稳过程，是现实噪声的一种理想化。从某种意义上讲，随机游动系 数反映了陀螺的研制水平，也反映了陀螺的最小可检测角速率，并间接指出 与光子、电子的散粒噪声效应所限定的检测极限的距离。据此，可推算出采 用现有方案和元器件构成的光纤陀螺是否还有提高性能的潜力，故此项指标 极为重要。 ( 六) 预热时间 光纤陀螺的颓热时间烂指陀螺在规定的工作祭件下，从供给能量开始至 达到规定性能所需要的时蛳，也称为启动时间。般根据不同的应用场台对 阮嫖的预热时间加以限定。 上述光纤陀螺的几个主要性熊指标，分别反映了陀螺的能力、陀螺的糙 壤、陀螺的环境邋应往。搬据陀螺的这塑性能指标就可班剐断陀螺的优劣； 综合分析这些性能指标，就可以得出它相应的应用领域。 2 5 本耄小节 本章较谨缨遗会缨了光纾酡螺翳工 擘舔瑾及装霉鹳互荔牲。党纾陀螺靛 信号检测属于微弱信号检测，信号受噪声的影响穰大，因此，为了达到好的 捡测效果，必须采穰台遣豹检测方式霸数字壤号处理方法。在这一章中，镑 对光纤陀螺输出信号的特点，分析了光纤陀螺的信号检测方法、动态范围、 走纤陀螺的性能 黪标。竞纾陀螺在鼹理上农许多独特蛉 甏点。这俊它畿为入 们致力于发展的下一代惯性器件。 2 0 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 第3 章光纤陀螺的检测系统 3 1 标度因数的定义及其重要性 标度因数是衡量光纤陀螺性能指标之一，是光纤陀螺输出量与输入速率 的比值。它是某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入角速率范围 内测得的输入、输出数据用最小二乘法求得。 标度因数非线性度是指光纤陀螺在输入角速率范围内，输出量相对于最 小二乘拟合直线的最大的偏差与最大输出量之比，用p p m 表示。 光纤陀螺的偏簧调制方案，一方面保证了光纤陀螺的“互易性”结构， 另一方面该方案给出了一个良好的相位偏置，从而使陀螺工作在最高灵敏度 点上。然而，高性能的光纤陀螺不但要有一个稳定的、低噪声的相位偏置， 而且要求在整个动态范围有较高的精确性，而不仅仅是在零输入角速率附近 的输出值精确，另外，我们通常更希望光纤陀螺的输出信号是角增量( 即角 速率的积分) ，而不仅仅是输出角速率。因此，光纤陀螺在以前的任何测量 误差的输出值都是精确值，即通常所说的标度因数线性度高。 在大多数实际应用中，都要求光纤陀螺具有宽动态范围和高标度因数线 瞧度。“激夺互鬓绫褪”瓣光终怼澡，蔡辕塞售譬与输入旋转逮攀践孥线往 的正弦关系，而鼠如果s a g n a c 相移超过x 2 ，则输出信号变为不确定信 号。 在下面的章节中，将从扩展光纤陀螺的动态范围和提高光纤陀螺的标度 嚣数线慧痰方瑟入手，罄霪分辑炎纾陀燃豹开环捻测方案方案、聂弦渡溺蠲 模拟锯齿波反馈的闭环方案和方波调制数字相位阶梯波反馈的全数字闭环方 囊。 3 2 光纤陀螺开环检测方案 3 2 。1 正弦调制及相敏检波的汗环检测方案 在光纡陀螺发展初期。主要是采用语弦波调制襁敏梭波方案。葵原壤图 如图3 1 所示，这是“最小结构”的开环光纤陀螺。图中，相位调制器产生 哈尔滨【：程人学硕十学位论文 的调制信号为： ，( f ) = 。s i n 妇。f ) ( 3 1 ) 其中，为相位调制器产生的相移幅值，出。为相位调制器的调制角频率。 由于相位调制器的不对称设置，在顺时针、逆时针光波中产生一个非互易附 加相移蛾，、九c 。： 图3 1 开环光纤陀螺的最小结构框图 峻，= 丸 ( 3 - - 2 ) 丸。= 九( f r ) ( 3 - - 3 ) 式中：f 为顺时钝、逆时针光波邋过调制器的踺阕差，靼光在光纾线霪中的 渡越时间，所以总相位麓庐，为： 办= 焱+ 吱、，一欢1 = 疵+ 丸o 一奴0 一f j = 疵+ 丸s i n 如。，) 一九s i n 出。( f f ) 】 ( 3 4 ) 探测器输出电流岛e ) 为； i 。= 妄k 。，。( 1 + c o s e c ，) ( 3 5 ) 式中，k 。为探测器的确疵度，。为到这探测器的光强。 将式( 3 - - 4 ) 代入式( 3 - - 5 ) ，并利用标准贝赛尔函数将其展开成f o u r i e r 级数： 易) = 圭如 t + e o s a 乒；i 邑魄) + ：喜五。瓴) s i 越摆r 确n a 丸f 2 宝如+ ，魄) 。i 珏2 嚣+ l 奴门 ( 3 6 ) ln = 0 式中，j 。为n 阶贝赛尔函数，枷。为s a g n a c 相移，以为贝赛尔函数的变 一2 2 - 哈尔滨i j 挥人学硕士学位论文 量，班：2 丸s i n 竿= ，一三 其中，f 。( f ) 的一次谐波分量为： j 。( ，) = k ”i 。d 觇) s i n 织s i nc o , ( t r ) ( 3 7 ) 式中，舨) 为一阶贝赛尔函数值，当屯= 1 8 4 时，一娩) 取得最大值，从 而获得了较高的灵敏度，可以通过调整妒。和。实现。= 1 。8 4 。当j 1 瓴) 取 最大值时，f o ) 对破的灵敏度最高，对j 。( ，) 检波得到的输出信号为吒d ) 为： ( ，) = k 。k d ，。魄) o o s c , x 庐, 一罢) ( 3 8 ) 二 即： v o ( o = k 。k d ，。，l 魄) s i n 以 ( 3 9 ) 其中，如为放大系数。 觚式( 3 9 ) 中可知，其输入输出成正弦关系，是非线性。正弦波相位调 制及相敏检波的开环检测方案具衣； 1 通过动态偏饕使光纤纯螺工 乍点移到灵敏度最高的值鬣； 2 。蛇螺傣号经谈裁瑟成为裹频载波信号，经虬疑电子嗓声在臻e s 竣测中 得到抑制，且采用相敏检波可提高检波精度； 3 ，零转速时信号与光源汽强、猫位调制幅值及检测电路放大倍数等无关， 提高了光纤陀螺的稳定性。 国势淡瓣表绢，采瑙竞纾阮探酌开环检测方案，在环境溢度为0 4 0 “c 时零漂小于l o ”矗，随机噪声仅为0 、6 。h ，标度因数稳定性可达到 2 这静功耗低、重量轻、潜褒低成本及商稳定性的特健，往这种陀螺方 案具有一定的应用场景。 餐是，这释必纤陀潦鞠致命弱点是；繇度因数嵇线瞧，动态藏函，j 、，输 出为模拟信号，所以这种方案现在仅用于低精度光纤陀螺溅作为闭环光纤陀 蠓绩号裣溺弱一部分。 哈尔滨一l ：程入学硕十学位论文 3 3 光纤陀螺模拟闭环检测方案 3 3 1 闭环光纤陀螺的研究 开环光纤陀螺具有较高的灵敏度，但在高转速时，开环光纤陀螺的输出 响应曲线( 正弦函数) 呈非线性，可见，开环光纤陀螺在原理上存在非线性问 题，故限制了它的线性动态范围，最早提出的解决方案是在开环的基础上， 使用证弦波调制、相敏检波电路来获得丌环光纤陀螺的输出信号并作为闭 环信号处理方案中的误差信号，控制锯齿波相位调制电路，产生补偿相移， 使其幅度与s a g n a c 相移大小相等，但方向相反，这样陀螺就始终工作在灵 敏度最高的零相位点附近。陀螺的输出信号可以从相位零化所需的反馈信号 中推出，这时陀螺的动态范围取决于引入补偿相位的器件。最理想的方法是 用频移器在光纤环的两个光波之间引入某个频移，它所产生的等效相移与由 旋转产生的s a g n a c 相移大小相等、方向相反。 3 3 。2 锯齿波相位调制技术 锯齿波相位调制的基本原理烧：给鬣于光纤环一端的电光调制器加一锯 凌波售号，由于c w ，c c w 耀索毙通过_ 迦调裁嚣豹时瓣不舄，产生一镪基 波相位变化，其结果相当于使两柬光之间产生一个补偿栩移，这个补偿相移 与s a g n a c 效应产生的攘移楣抵消，使跎螺实觋零担位工l 售。出于钤缮鞠穆 与锯齿波频率成币比，输入角速率用锯齿波频率测定，实现数字嫩输出。其 熬本原理如图3 。2 骺示： 电光训制 图3 2 模拟闭环光野陀螺原理图 蠲3 3 为一锯齿波形妒，按和) 变纯的电压湘在电光调制器上，实现按 必) 变化的相位调制。锯泼波的峰堰为谚，回捆时问为肘，周期为t 。 - 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