CN103900551A - 一种基于mems辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于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。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS辅助的增大高精度闭环光纤陀螺量程的方法。
背景技术
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***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***带宽来提高***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。
发明内容
本发明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。
本发明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，本发明的有益效果是：
本发明采用基于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。
本发明首次提出利用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。
本发明提出利用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。
本发明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发明进一步说明：
发明原理：
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陀螺仪具备较大的量程，并且能够提供一定精度的检测角速度，当高精度闭环光纤陀螺仪由于超出量程而产生测量误差时，MEMS陀螺仪的输出将更接近真实角速度。故可以利用MEMS陀螺输出ΩMEMS与光纤陀螺输出Ω测作比较，利用其差值分析真实干涉级数与检测干涉级数差值，并修正光纤陀螺输出，从而提高光纤陀螺量程。
本发明所采用的技术方案是：一种基于MEMS辅助的增大闭环光纤陀螺量程的方法，其特征在于通过以下步骤实现：
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，（对该比较的具体解释在本说明书的最后一段）
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。
因此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。
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/sm/s，此时Ωπ＝+22.21°/s则其测量范围为-22.21°/s到+22.21°/s。选用测量范围为1500°/s的MEMS陀螺仪来增大高精度闭环光纤陀螺仪量程。
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。光纤陀螺数字闭环结构框图如图1所示。为了增大陀螺的检测灵敏度，通常对陀螺施加幅值为
的方波进行调制，这样检测光强与相位差的关系为I＝I0(1+cosΔΦ),其中
I0为光源光强，Φs为Sagnac相移，ΦFB为反馈相位。光电探测器通过跨阻抗放大器将光信号转化为电信号，电信号经过进一步的信号处理包括放大、隔直、滤波等环节，然后经过AD转换在FPGA中进行数字解调、数字积分后形成相位台阶信号作为陀螺的输出，同时对台阶信号再进行一次数字积分形成相位阶梯波，然后通过DA转换后和方波调制信号一起施加到后置放大驱动器上。驱动器将电压信号施加到LiNiO3晶体（Y波导）上进行相位调制，这样就构成了全数字闭环结构。
根据上述闭环光纤陀螺模型，当输入为50°/s阶跃角速度时，超出-22.21°/s到+22.21°/s的测量范围，可以得到如图2所示的输出波形，此时***输出稳态值与真实值相差-2Ωπ＝-44.42°/s。
步骤三：采集MEMS陀螺仪输出，得到ΩMEMS，如图3所示，当输入为50°/s阶跃角速度时，MEMS陀螺基于闭环检测方法的斜坡输出响应曲线。所用的闭环MEMS陀螺可以在0.5*10-3s时刻便可跟踪上输入角速率。
步骤四：在图1所示的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，修正高精度闭环光纤陀螺输出。
图4为MEMS陀螺与光纤陀螺的输入角速率与输出角速率的关系曲线，可以看出，当输入角速率超出测量范围时，高精度闭环光纤陀螺将产生较大的误差，而MEMS陀螺能够给出较准确的角速度值。
利用MEMS陀螺输出ΩMEMS与光纤陀螺输出Ω测修正光纤陀螺输出的具体做法为：
令X＝ΩMEMS-Ω测，计算可得本例中Ωπ＜X＜Ω3π，因此修正后的高精度光纤陀螺仪输出值为，Ωout＝Ω测+2Ωπ＝50°/s。图1中所示的角速率输出修正装置一般为可编程芯片，将光纤陀螺输出以及MEMS陀螺输出采集至芯片中，根据芯片中载入的程序判断并修正，最终输出修正后的输出角速率。图5为经过MEMS陀螺校正的光纤陀螺输出曲线图，其输入为角加速度为4000rad/s2的斜坡曲线，稳态值为50°/s。经过MEMS修正后的输出可以最终跟踪上输入信号曲线，达到增大闭环光纤陀螺量程的目的，解决在大角加速度环境下的输出误差问题。
Claims (1)
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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20161130 |