CN100533064C

CN100533064C - 光纤陀螺渡越时间测试方法

Info

Publication number: CN100533064C
Application number: CNB200710067784XA
Authority: CN
Inventors: 陈杏藩; 刘承; 舒晓武
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: CN101033970A

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺渡越时间测试方法，采用一个周期已知并大于两倍光纤陀螺特征周期估计值的方波对光纤陀螺***进行相位调制；对此时输出信号进行频谱分析而得到其频谱分布，通过数据处理得到***的渡越时间。频谱分布可由高速采样电路对***输出信号进行采样，得到一系列的采样值组成采样序列，通过对该采样序列进行频谱分析而得；也可直接利用频率特性分析仪对***的输出信号直接进行频谱分析而得。根据***输出信号的频谱分布，判断频谱分布中幅度过零点位置对应的频谱，由公式计算可得到***的渡越时间。该测试方法能准确得到***的渡越时间参数，从而提高光纤陀螺的静态性能，降低***的漂移误差。

Description

光纤陀螺渡越时间测试方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺传感器中信号的处理方法，尤其是涉及一种光纤陀螺渡越时间测试方法。

背景技术

光纤陀螺的渡越时间为光在光纤陀螺互易光路中传播一周所需要的时间，其倒数称为光纤陀螺的特征频率，渡越时间也称为光纤陀螺的特征周期。

光纤陀螺有两种工作模式，分别为开环运行模式和闭环运行模式。开环模式工作的光纤陀螺精度低、比例因子线性度差；而闭环工作模式的光纤陀螺可以克服这些缺点，因此高精度光纤陀螺均采用闭环运行模式。闭环模式需要引入相位调制器对***进行时延差分相位调制。相位调制有两个目的，其一为相位反馈，控制光纤陀螺的工作在零相位点附近，实现闭环运行；其二为进行偏置，以获得高的灵敏度。

对光纤陀螺来说，漂移是一个很重要参数；抑制漂移的根本方法在于抑制***存在的偏移。当光纤陀螺渡越时间和加载在其上的相位调制信号的半周期不相等时，***会产生和该误差相关的偏移；该偏移在环境界环境变化时相应地变化，从而在光纤陀螺输出信号上叠加一个漂移的误差分量，降低了***的检测精度和性能的稳定性。

光纤陀螺是一个复杂的光机电***，内部存在多种具有不同特性的噪声源。不同噪声源的产生机理不同，它们的存在都不同程度的影响了***的静态精度，限制了***在静态下的最小分辨率。要提高***的静态精度及信号分辨率，需要抑制各种不同类型的噪声源带来的影响，使所有噪声的综合效果在允许的范围之内。通过在光纤陀螺的特征频率上对其进行调制，并且在调制频率点上进行同步解调，可以抑制大部分的噪声，包括光源噪声、电路噪声等，从而消除噪声对于***精度的影响，提高***的分辨率。而在特征频率上面的同步调制解调，也可以在不同程度上抑制其他因素造成的漂移，从而提高***的性能及可靠性。

相位调制对于噪声和漂移的抑制效果与调制信号半周期和特征周期的误差是复杂的减函数关系，随着这个误差的加大，抑制的效果也越来越差，当该误差达到一定长度时抑制效果基本消失。只有精确地知道实际的光纤陀螺地特征周期，然后根据该特征周期选用***中所采用调制信号周期，才能最大限度改善光纤陀螺地漂移性能。

而光纤陀螺的特征周期对不同***是不同地数字，其具体大小决定于互易光路中的光路长度和互易光路中光纤的折射率，在生产过程中只能估计知道其近似值。对于低中精度地陀螺，该近似值对于***已经足够，而在高精度光纤陀螺中，需要更精确的数值，这需要通过其他的方法来进行，而目前尚无可以精确测量光纤陀螺特征周期精确值的方法。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究中，精确测试光纤陀螺渡越时间缺少有效方法的现状，本发明的目的在于提供可精确测量一种光纤陀螺渡越时间测试方法。

发明原理：

对于调制深度为±π/2，调制波形为方波，调制周期为T的光纤陀螺的调制信号可以表示为：

\mod_wave (t) = \{\begin{matrix} + π / 4 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot kT < t \leq (k + 1 / 2) T, & k &Element; Z \\ - π / 4 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (k + 1 / 2) T < t \leq (k + 1) T, & k &Element; Z \end{matrix} - - - (1)

光在光纤环传播一周需要一定的时间，称为渡越时间，记为tao，调制信号mod_wave(t)的时延差分mod(t)才是实际光纤陀螺受到的相位调制：

mod(t)＝mod_wave(t)-mod_wave(t-tao) (2)

若T>2tao，即调制周期大于两倍***特征周期，结合(1)(2)可得到：

\mod (t) = \{\begin{matrix} 0 & \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot kT & < t \leq (k + 1 / 2) T - tao \\ + π / 2 & \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (k + 1 / 2) T - tao & < t \leq (k + 1 / 2) T \\ 0 & \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (k + 1 / 2) T & < t \leq (k + 1) T - tao \\ - π / 2 & \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (k + 1) T - tao & < t \leq (k + 1) T \end{matrix}\} k &Element; Z - - - (3)

光纤陀螺本质为一光学Sagnac干涉仪，在相位调制下的输出信号为：

I(t)＝I₀{1+cos[mod(t)]} (4)

若T/2＝tao，mod(t)只取两个值：mod(T)＝±π/2，此时***输出恒定：

I(t)＝I₀{1+cos[mod(t)]}＝I₀{1+cos(±π/2)}＝I₀ (5)

若T/2>tao，mod(t)取三个值：mod(T)＝0，±π/2，此时***输出为：

I (t) = \{\begin{matrix} 2 I, (p - 1) T / 2 < t \leq pT / 2 - tao \\ 0 \\ I, pT / 2 - tao < t \leq (1 + p) T / 2 \\ 0 \end{matrix}\}

p=2k或2k+1，k∈Z (6)

从式子(6)可知此时***输出I(t)为周期性方波，且其高低电平分别为I₀和2I₀，该周期性方波的周期为调制信号方波周期的一半：T/2，占空比为：Ocp＝(T-2tao)/T，由渡越时间tao和调制方波周期T所决定，测量占空比即可得到渡越时间tao和调制方波周期T的关系，从而计算可得光纤陀螺的渡越时间tao的大小。占空比的测量通过频谱分析的方法测量，频谱分析的方法优点在于可以抑制随机噪声的存在，因而测试精度高，并且可以通过两个途径进一步提高测量精度：增加采样点序列长度和提高采样速率，理论上用频谱分析方法可以得到任意精度的测量值。

根据傅立叶变换的原理，周期能量有限的周期信号存在傅立叶变换级数，并且对于周期为T/2，占空比为Ocp＝(T-2tao)/T方波的傅立叶换级数为：

a_{k} = \frac{\sin [2 kπOcp]}{kπ} = \frac{\sin [2 kπ (T - 2 tao) / T]}{kπ} - - - (7)

a_k为频率为k倍基频，即f＝k*2/T＝2k/T的频率分量的幅值。当a_k＝0时，满足：2kπ(T-2tao)/T＝nπ，记此时对应频率为：f_z＝k*2/T＝2k/T可解得渡越时间为：

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{4 k} T = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}} - - - (8)

其中n为距离零频率第n个过零点，n不为零，一般取1；根据(8)式可知：用周期为T的方波对***进行调制，对输出进行频谱分析，频谱分量中确定第n个幅值为0的频率分量的频率为f_z＝k*2/T＝2k/T，即可计算得到***的渡越时间。

***的频谱分析可由高速采样电路，先将光纤陀螺在周期调制方波下的输出信号进行模拟数字转换，采样得到一系列的采样点组成采样序列，然后对采样序列进行傅立叶变换即可得到相应的傅立叶级数，即频谱分布；也可将光纤陀螺在周期方波调制下的输出信号直接输入到频谱分析仪器，如频谱仪中，利用频谱分析仪器得到***的频谱分布。

实际测试过程中，对于***输出信号的采样总是有限速度以及有限时间，这两个因素决定造成了测量的随机误差，影响测量结果的精确度。对于前一种频谱分析方法，增加采样点的数目，或者采样速率可以提高测量精度；对于后一种频谱分析方法，可通过增加频谱分析仪器的平均次数提高测量精度。理论上，无限延长采样时间可以获得任意精度要求的测量结果。

本发明所采用的技术方案的该方法的步骤如下：

方案一：

一种光纤陀螺渡越时间测试方法，该方法的步骤如下：

A.用相位调制器对***进行方波调制，调制方波的幅度不等于相位调制器半波电压一半的整数倍，方波周期大于两倍被测***渡越时间估计值；

B.对光纤陀螺在A步骤中方波调制下的输出信号进行模拟数字转换采样，得到相应转换点的数字采样值，多次采样组成一采样序列；

C.对该采样序列进行频谱分析，得到光纤陀螺输出信号的频谱分布中，幅值为零的频率分量对应的频率，通过计算得到光纤陀螺的渡越时间。

2、通过相位调制器，用方波对***进行相位调制，方波周期大于两倍被测***的渡越时间估计值；渡越时间估计值由光纤环生产过程中估计得到；测量用调制方波幅度在不损坏相位调制器允许范围内，不等于整数倍半波电压一半的任意电压；当方波幅度为相位调制器半波电压的四分之一时具有最高测量精度。

3、根据B步骤，由高速数字采样***对光纤陀螺输出信号进行进行采样，将模拟量转换为数字量，并将顺次采样得到的数字量组成采样序列。

4、对采样序列进行频谱分析，得到对应于采样序列的频谱分量序列；找到第n个幅度为零的频谱分量对应的频率为fz，根据公式：

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}}

计算得到光纤陀螺的渡越时间，式中：tao表示渡越时间；T表示调制方波的周期。

5、通过提高高速数字采样***的采样速度，或者增加采样点数提高渡越时间的测量精度。

方案二：

1、一种光纤陀螺渡越时间测试方法，该方法的步骤如下：

B.将方波调制下光纤陀螺输出信号输入到频谱分析仪器，从频谱分析仪器得到第n个零幅度频谱分量对应的频率为f_z，根据公式：

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}}

计算得到光纤陀螺渡越时间，式中tao表示渡越时间；T表示调制方波的周期。

2、通过相位调制器，用方波对***进行相位调制，方波周期大于两倍被测***的渡越时间估计值；渡越时间估计值由光纤环生产过程中估计得到；测量用调制方波幅度在不损坏相位调制器允许范围内，不等于整数倍半波电压一半的任意电压；当方波幅度为相位调制器半波电压的四分之一时具有最高测量精度；

3、通过增加频谱分析仪器的测试平均次数，提高渡越时间的测量精度。

本发明具有的有益效果是：首次提出了一种通过频谱分析，精确测量光纤陀螺渡越时间的方法，该方法精度高，可达1纳秒甚至更高，并且可以在线测试；通过精确的知道光纤陀螺的特征周期，可以选择相对应的调制信号周期，从而消除***的零偏，抑制各种噪声源，最终达到消除光纤陀螺的漂移，提高静态精度和分辨率的效果。

附图说明

图1光纤陀螺方波调制下的调制和输出信号；

图2方波信号以及方波信号对应的频谱分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1中，a为光纤陀螺***采用的调制方波波形，该波形加载在***的相位调制器上，在不损坏相位调制器的前提下，方波幅度为不等于调制器半波电压的整数倍任意电压；当其为相位调制器的半波电压的1/4时***测试精度最高，方波周期大于***特征周期估计值的两倍，该估计值在光纤环绕制过程得到；b为方波波形经过光纤环一周以后延时特征周期对应的时间tao后的波形；c为***实际相位调制的大小，它由a的时延差分，即a和b的差值得到；d为光纤陀螺在c的相位调制下的输出信号，通过对信号d的频谱分析，即可得到光纤陀螺的特征周期。

图2中，a为光纤陀螺的输出信号，b为该信号的频谱分量分布。

该发明的最佳实施方案的主要步骤是：

用幅度对应于相位调制器1/4半波电压，周期为T，并大于两倍***特征周期估计值的方波信号对***进行调制，如图1a中所示。由于光在光纤陀螺的互易光路中需要一定的传播时间，从而所加方波信号的时延差分，也就是图1中的a波形和图1中b波形的差分波形c才是实际***中的相位调制。时延差分中的时延为***的特征周期tao，由于加在相位调制器上的调制方波的周期大于两倍特征周期，从而其时延差分以后存在如3所示的3中状态：S1，S2，S3。其中S1和S3分布为正负π/2，时间长度为光纤陀螺***的特征周期tao，而S2为零相位调制，其响应的时间长度为T/2。在该相位调制下，光纤陀螺的静态输出d有两个态，分布是对应于S1、S3的态SA和对应于S2的SB。态SA的幅度为I0，态SB的幅度为2I0，此时d为一周期性的方波信号，其占空比为由光纤陀螺的特征周期tao和调制信号的周期T所决定。

图2中为周期方波以及周期方波对应的频谱分布。其中e为方波信号，f为对应于该方波信号的频谱分布图，fz为频谱分布图中幅度为零的分量对应的频率。由信号处理的相关知识可知，周期方波的频谱分布为sinc函数。Sinc函数的过零点决定于占空比，而从频谱上面得到过零点fz，则可计算得到占空比，从而可以求得光纤陀螺的特征周期为：

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}}

其中T为调制方波的周期，n为第n个过零点，fz对应于第n个过零点的频率。在实际的测试过程中，有两种方法可以获得fz的数值：

A、利用高速采集电路对陀螺输出的周期方波作高速采样，得到由一系列采样点组成的一个采样序列，对采集进行频谱分析，从而得到fz的大小。通过提高采样速度，或者增加测试过程种采样序列种采样点的数目，可以提高fz的测量精度，从而提高特征周期tao的测量精度。

B、利用频谱分析仪器，如频谱仪，分析光纤陀螺的输出周期方波信号，从而直接在仪器上面获得fz的大小。通过提高频谱仪的平均次数，可以提高fz的测量精度，从而提高特征周期tao的测量精度。

通过统计信号处理的方法，如同时进行多次测量，并对多次测量的结果进行平均，可以近一步的提高fz的测量精度和准确度，从而提高特征周期tao的测量精度。

Claims

1、一种光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于该方法的步骤如下：

A.用相位调制器对被测光纤陀螺进行方波调制，调制方波的幅度不等于相位调制器半波电压一半的整数倍，方波周期大于两倍被测光纤陀螺渡越时间估计值；

C.对采样序列进行频谱分析，得到对应于采样序列的频谱分量序列；找到第n个幅度为零的频谱分量对应的频率为f_z，根据公式：

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}}

2、根据权利要求1所述的光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于：渡越时间估计值由光纤陀螺生产过程中的光纤环绕制环节估计得到；测量用调制方波幅度在不损坏相位调制器允许范围内，方波幅度取值为不等于整数倍半波电压一半的任意电压；当方波幅度取值为相位调制器半波电压的四分之一时具有最高测量精度。

3、根据权利要求1所述的光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于：根据B步骤，由高速数字采样***对光纤陀螺输出信号进行采样，将模拟量转换为数字量，并将顺次采样得到的数字量组成采样序列。

4、根据权利要求3所述的光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于：通过提高高速数字采样***的采样速度，或者增加采样点数提高渡越时间的测量精度。

5、一种光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于该方法的步骤如下：

A.用相位调制器对***进行方波调制，调制方波的幅度不等于相位调制器半波电压一半的整数倍，方波周期大于两倍被测光纤陀螺渡越时间估计值；

tao = \frac{T}{2} - \frac{n}{2 f_{z}}

6、根据权利要求6所述的光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于：渡越时间估计值由光纤环生产过程中估计得到；测量用调制方波幅度在不损坏相位调制器允许范围内，方波幅度取值为不等于整数倍半波电压一半的任意电压；当方波幅度取值为相位调制器半波电压的四分之一时具有最高测量精度。

7、根据权利要求6所述的光纤陀螺渡越时间测试方法，其特征在于：通过增加频谱仪的测试平均次数，提高渡越时间的测量精度。